Использование в сетях переменного тока

Рассмотренные импульсные преобразователи напряжения преобразуют постоянный ток на входе в постоянный ток на выходе. Для питания устройств от сети переменного тока необходимо устанавливать на входе выпрямитель исглаживающий фильтр. Стоит отметить, что импульсный стабилизатор напряжения под нагрузкой имеет отрицательное дифференциальное сопротивление: при повышении напряжения на входе для сохранения выходного напряжения уменьшается входной ток, и наоборот. Если подключить такой стабилизатор через мостовой выпрямитель в сеть переменного тока, он станет источником нечётных гармоник^[11]. Поэтому, чтобы обеспечить достаточный коэффициент мощности, требуется компенсатор.

Гальваническая развязка

Стоит отметить некоторые особенности импульсных стабилизаторов с точки зрения гальванической развязки цепей:

• Существование импульсных преобразователей напряжения с гальванической развязкой позволяет отказаться от низкочастотного сетевого трансформатора — необходимую гальваническую развязку будет осуществлять высокочастотный трансформатор, который работает на частоте десятков-сотен килогерц, и следовательно его габариты значительно меньше, чем обычного силового сетевого трансформатора работающего на промышленной частоте 50 Гц.

• Озвученное выше решение предполагает наличие относительно большого количества элементов, установленных до развязывающего трансформатора, а значит гальванически связанных с входными цепями. Эта часть, гальванически связанная с электрической сетью, обычно выделяется на платах либо штриховкой, либо чертой на слое сеткографической маркировки, или даже особой окраской, которая предупреждает человека о потенциальной опасности прикосновения к частям, расположенным в ней. Импульсные блоки питания в составе других приборов (телевизоров, компьютеров) закрываются защитными крышками, снабжёнными предупреждающими надписями. Если при ремонте импульсного блока питания необходимо включить его со снятой крышкой, рекомендуется включать его через развязывающий трансформатор или УЗО.

• Обратная связь в импульсных стабилизаторах также требует развязки. Для этой цели применяют либо отдельную обмотку на трансформаторе, с которой снимается напряжение для сравнения с опорным, либо напряжение снимается с выхода блока питания, а развязка управляющих цепей осуществляется с помощью оптрона.

• Часто помехоподавляющие фильтры на входе импульсных блоков питания соединяются с корпусом прибора. Это делается в том случае, если предполагается подключение защитного заземления корпуса. Если защитным заземлением пренебрегли, то на корпусе прибора образуется потенциал относительно земли равный половине сетевого напряжения. Конденсаторы фильтров, как правило, имеют небольшую ёмкость, поэтому прикосновение к корпусу такого прибора неопасно для человека, но одновременное прикосновение чувствительными частями тела к заземленным приборам и к незаземленному корпусу ощутимо (говорят, что прибор "кусается"). Кроме того потенциал на корпусе может быть опасен для самого прибора.

46 – Источники автономного питания чаще всего применяются в мобильной аппаратуре. Обычно это гальванические элементы и аккумуляторы. Обычная гальваническая батарейка это давно разработанный элемент Лекланше. Он состоит из цинкового стаканчика, являющегося катодом, внутрь которого вставлен угольный стержень, являющийся анодом, окруженный смесью угольного порошка и двуокиси марганца, отделенные от цинкового стаканчика желеобразным, на основе крахмала, электролитом из хлористого аммония. В процессе разрядки батареи цинк постепенно растворяется в электролите, превращаясь в соль хлористого цинка. При большой степени разрядки в цинковом стаканчике образуются дырочки, однако желеобразный электролит при этом вытечь не может, тем не менее соприкасающиеся с батареей предметы могут быть запачканы электролитом. Во избежание этого современная батарейка снаружи имеет пластмассовое покрытие. Более совершенными по своим свойствам являются щелочные элементы, называемые батареей алкалайн, в которых в качестве электролита используется раствор окиси калия. Кроме того, в качестве катода используется пористый цинковый стержень, помещенный в центре стаканчика, а анодом служит слой угольного порошка с двуокисью марганца, помещенные вокруг катода и с внешней стороны удерживаемые никелевым стаканчиком, от которого и сделан вывод анода. В этом элементе внешний стаканчик в процессе работы никогда не может стать дырявым. Это как бы элемент Лекланше вывернутый наизнанку. Оба элемента в неразряженном состоянии имеют электродвижущую силу около 1,5 вольт. При одинаковых размерах щелочный элемент имеет примерно в два раза большую емкость и в несколько раз меньшее внутреннее сопротивление. В процессе разрядки электродвижущая сила постепенно снижается и когда она доходит до 1 вольта далее батарея обычно не используется. При большом токе разрядки щелочная батарея при одинаковой начальной емкости иногда может работать до 10 раз дольше, а при малом токе разница не столь заметна. Однако щелочные элементы в два – три раза дороже и по этой причине не вытеснили полностью элементы Лекланше.

Другие типы гальванических элементов: никель кадмиевые, ртутные, серебряно цинковые и литиевые по своим характеристика намного лучше, в частности, при тех же размерах имеют в два-три раза большую емкость и в процессе разряда напряжение на них мало меняется. Однако они намного дороже и по этой причине реже используются. Особо следует подчеркнуть, что литиевая батарейка имеет электродвижущую силу около трех вольт и столь малый ток саморазряда, что и после 10-20 лет хранения все еще работоспособна. Их широко используют в компьютерах для поддержания энергонезависимой памяти.

Аккумуляторы. Для электронного оборудования рекомендуется применять следующие типы аккумуляторов: а) никель-кадмиевые (NiCd) или б) герметизированные свинцово-кислотные. Оба типа аккумуляторов имеют меньшее содержание энергии, чем гальванические элементы, но они являются перезаряжаемыми. Никель-кадмиевые элементы выдают напряжение 1,2 В и, как правило, имеют емкость в диапазоне от 100 мА-ч до 5 А • ч и работают обеспечения от 1 до 20 А • они могут работать при температурах от -65°С до + 65°С. Оба типа батарей обладают относительно плоскими характеристиками разряда. Свинцово-кислотные батареи имеют низкие скорости саморазряда и претендуют на сохранение двух третей от начального заряда после годичного хранения при комнатной температуре. Никель-кадмиевые батареи имеют относительно плохие характеристики по при температурах от -20°С до + 45°С; свинцово-кислотные батареи вырабатывают напряжение 2 В на элемент и, как правило, созданы для сохранению заряда, в типовом случае теряют половину имеющегося заряда за 4 месяца.

Как никель-кадмиевые, так и герметизированные свинцово-кислотные батареи работоспособны при 250-1000 циклах заряд/разряд (большее значение, если они каждый раз разряжены только частично; и меньшее при полном разряде).

Аккумуляторы быстро выходят из строя, если их не заряжать надлежащим образом. Эти процедуры отличны для никель-кадмиевых и кислотно-свинцовых аккумуляторов. Традиционно определяют скорости заряда через емкость самой батареи в ампер-часах; например, заряд при «С/10» означает подачу тока заряда, равного одной десятой емкости полно заряженной батареи в ампер-часах. Никель-кадмиевые элементы спроектированы таким образом, что они заряжаются при постоянном токе и выдерживают длительную подзарядку при С/10.

Свинцово-кислотные аккумуляторы. Эти многоцелевые батареи могут быть заряжены при приложении постоянного напряжения, при условии ограничения тока, постоянным током или используя что-нибудь среднее. При подзарядке ограниченным током и при постоянном напряжении вы подаете фиксированное напряжение (в типовом случае от 2,3 до 2,6 В на элемент); сама батарея первоначально получает высокий ток (вплоть до 2С), который затем падает, по мере того как она заряжается, окончательно достигая значения тока саморазряда, который и поддерживает саму батарею в полностью заряженном состоянии. Более высокое приложенное напряжение дает вам более быстрый заряд, но ценой большего зарядного тока и уменьшения общего времени жизни батареи. Заряд батареи можно поддерживать бесконечно при сохранении фиксированного «подзаряжающего» напряжения между 2,3 и 2,4 В на элемент (при этом компенсируется ток саморазряда)

Литий-ионные аккумуляторы. Наиболее часто применяются в мобильных устройствах (. Это связано с их преимуществами по сравнению с широко использовавшимися ранее никель-металлгидридными (Ni-MH) и никель-кадмиевыми (Ni-Cd) аккумуляторами.

Современные Li-ion аккумуляторы имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Электродвижущая сила - 3,5-3,7 В и является максимально большой по сравнению с другими аккумуляторами. Современные малогабаритные аккумуляторы работоспособны при токах разряда до 2 С, мощные - до 10-20С. Интервал рабочих температур: от -20 до +60 °С. Потери емкости у Li-ion аккумуляторов в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов, как при 20 °С, так и при 40 °С. Ресурс-500-1000 циклов заряда-разряда.

Солнечные элементы.

Сочетание свинцово-кислотной или никель-кадмиевой батареи с кремниевыми солнечными элементами образует хороший источник питания для приборов с умеренным потреблением мощности, которые должны быть развернуты в удаленных местах и в течение продолжительного периода времени. Полный солнечный свет после прохождения атмосферы доставляет на землю приблизительно 1 кВт мощности на квадратный метр площади; после учета коэффициента полезного действия солнечных элементов (они имеют солнечной батареи несколько превышала электродвижущую силу полностью заряженной батареи аккумуляторов. КПД приблизительно 10%) с квадратного метра можно получить до 100 Вт полезной мощности. Кремниевые солнечные элементы имеют простую и очень полезную вольт-амперную характеристику. Она показывает, что напряжение холостого хода практически не зависит от уровня света и в среднем составляет 0,5 В на элемент; Для подзарядки аккумуляторов от солнечной батарей нужно использовать столько элементов, чтобы суммарная электродвижущая сила.

47 – Преимущества импульсных блоков

Широкий диапазон входных напряжений (от 80 до 265 В) при неизменных выходных параметрах В нашей стране перепады напряжения в сети (особенно в сельской местности) – серьезная проблема, хотя, согласно существующему ГОСТу на электросети в РФ, напряжение должно быть в пределах 220 В (+-1105%), то есть в диапазоне от 187 до 242 В. Любой блок питания должен обеспечивать все указанные параметры в этом диапазоне входных напряжений. Это далеко не простая задача, особенно для мощных блоков, потому что при минимальном напряжении на входе и максимальном токе на выходе блок должен сохранить стабильность выходного напряжения, а при максимальном уровне напряжения в сети и максимальном токе нагрузки – не выйти из строя из-за перегрева при максимально допустимой температуре окружающей среды. Необходимо также учитывать кратковременные падения напряжения в сети, связанные с подключением мощных энергопотребителей.

Многие производители лукавят, указывая в паспорте более узкий диапазон входных напряжений, хотя известно, что во многих регионах РФ 190 В в сети – норма.

Более совершенная схемотехника высокочастотного преобразования (КПД до 95%)  Большинство потерь в импульсных источниках питания связано с переходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном устойчивом состоянии (включен или выключен), потери энергии минимальны. Трансформаторным (линейным) источникам питания для стабильности выходного напряжения требуется стабилизатор, вносящий дополнительные потери.

Качество выходного напряжения по шумам и электрическим наводкам позволяет одновременно осуществлять электропитание разного типа нагрузок  К источнику питания может быть подключена и нагрузка, работающая в линейном режиме, и нагрузка, работающая в динамическом режиме. В этом случае для стабилизации выходных параметров источника питания необходимо применение фильтров различного типа (индуктивных и емкостных) в выходной цепи.

Стабильность выходных параметров в широком температурном диапазоне  Особенно это касается выходного тока и напряжения. Еще одним элементом манипулирования цифрами со стороны производителя блоков является выходной ток: в паспорте на изделие зачастую указывается максимальный вместо номинального. При работе на максимальную нагрузку через непродолжительное время в блоке в лучшем случае срабатывает температурная защита (если она имеется). А чаще всего при продолжительной работе в режиме повышенной температуры компоненты блока с течением времени значительно теряют свои параметры, что особенно характерно для электролитических конденсаторов, емкость которых существенно понижается, что, в свою очередь, ведет к увеличению уровня выходных пульсаций. Номинальный же ток нагрузки – это ток, который должен отдаваться в нагрузку всегда независимо от обстоятельств, на протяжении длительного времени и при сохранении указанного уровня пульсаций.

Компенсация выходного напряжения при работе нагрузки на длинных линиях  Оборудование, подключаемое к источнику питания, рассчитано на определенное номинальное напряжение. Поскольку оно может находиться на значительном расстоянии от источника питания, то важным фактором являются потери в проводах. Компенсировать их можно путем увеличения сечения провода от источника питания до оборудования или с помощью под-строечного резистора, который позволит увеличить напряжение на выходе источника питания.

Значительно меньшие габариты и вес в сравнении с аналогичным по мощности линейным блоком питания (особенно это касается мощных линейных блоков)  При повышении частоты используются трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в основном из мощных, тяжелых низкочастотных силовых трансформаторов и радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме.

Значительно меньшая стоимость изделий в производстве, что в конечном итоге отражается на цене для потребителя  В импульсных источниках питания отсутствует дорогостоящий низкочастотный трансформатор, который составляет большую часть стоимости линейных блоков питания.

Источники бесперебойного питания ACCORDTEC Все многообразие моделей источников питания торговой марки ACCORDTEC (Россия) выполнено на основе импульсных блоков питания. Высокие стандарты качества подтверждены проведенными испытаниями в рамках получения пожарного сертификата и сертификатов соответствия. Линейка включает в себя как источники бесперебойного питания, так и сетевые адаптеры.

48 – Термин импульсный источник питания - ИИП (SMPS) используется для описания импульсных регуляторов и преобразователей.

В прямоходовом ИИП источник энергии подает ток к выходному конденсатору, когда ключ замкнут.

Дополнительная обмотка трансформатора прямоходового преобразователя гарантирует, что к моменту включения ключа магнитное поле сердечника трансформатора нулевое. При отсутствии дополнительной обмотки после нескольких периодов переключения сердечник трансформатора войдет в насыщение, ток первичной обмотки чрезмерно увеличится, таким образом ключ (то есть транзистор) выйдет из строя.

Временные диаграммы напряжений и токов для прямоходового преобразователя показаны ниже:

= намагничивающий ток

Выходное напряжение прямоходового преобразователя равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра и равно:

V_out = V_in x (n2/n1) x (T_on x f)

где:  n2 - число витков вторичной обмотки T1 n1 - число витков первичной обмотки T1 T_on - время включенного состояния ключа f - частота переключения

49 – Обратноходовой ИИП передает энергию от дросселя к выходному конденсатору, когда ключ разомкнут.

Выходное напряжение для обратноходового преобразователя (трапецеидальная форма электрического тока) может быть рассчитано следующим образом:

V_out=V_in x (n2/n1) x (T_on x f) x (1/(1-(T_on x f)))

где: n2 - число витков вторичной обмотки T1 n1 - число витков первичной обмотки T1  T_on - время включенного состояния ключа Q1 

Cхема управления контролирует V_out и управляет скважностью (временем включенного состояния ключа Q1).

Если V_in увеличивается, схема управления уменьшит скважность, чтобы сохранить постоянное выходное напряжение. Аналогично, если ток нагрузки уменьшится и V_out увеличится, схема управления будет действовать таким же образом. Наоборот, уменьшение V_in или увеличение тока нагрузки увеличит скважность.

Заметим, что выходное напряжение меняется, когда изменяется коэффициент заполнения, T_on x f. Однако зависимость между выходным напряжением и коэффициентом заполнения - не линейна, как имела место в прямоходовом преобразователе, это - гиперболическая функция.

Ток в обратноходовом преобразователе может иметь или трапецеидальную, или пилообразную форму. Трапецеидальная форма тока будет в том случае, если ключевой транзистор включается до того, как ток во вторичной обмотке спадет до нуля. Если пилообразный ток во вторичной обмотке успевает достичь нуля, то появляется "мертвое время", когда нет никакого тока ни в вторичной обмотке, ни в первичной.

50 – двухтактный ИИП

Двухтактный преобразователь относится к числу прямоходовых. Как показано на схеме выше, когда ключ Q1 включен, ток течет через верхнюю половину первичной обмотки T1 и магнитное поле в сердечнике T1 растет. Растущее магнитное поле в T1 индуцирует напряжение во вторичной обмотке T1 такой полярности, что диод D2 смещен в прямом, а D1 - в обратном направлении. D2 проводит и заряжает выходнй конденсатор C2 через дроссель L1. L1 и C2 составляют схему фильтра. Когда ключ Q1 выключается, магнитное поле в трансформаторе T1 спадает, и после времени паузы (зависящего от скважности ШИМ), Q2 включается, ток течет через нижнюю половину первичной обмотки T1 и магнитное поле в сердечнике T1 растет в противоположном направлении. Растущее магнитное поле в T1 индуцирует напряжение во вторичной обмотке T1 такой полярности, что диод D1 смещен в прямом, а D2 - в обратном направлении. D1 проводит и заряжает выходной конденсатор C2 через дроссель L1. После окончания мертвого времени включается ключ Q1 и процесс повторяется.

Имеются два важных соображения, касающиеся двухтактного преобразователя:

1. Оба транзистора не должны проводить одновременно, поскольку это было бы эквивалентно короткому замыканию источника питания. Это означает, что время включенного состояния каждого ключа не должно превышать половину периода, иначе наложатся проводящие состояния ключей.

2. Магнитный режим обеих половин первичной обмотки (вольт-секундные площадки) должен быть строго одинаков, иначе трансформатор может войти в насыщение, и это вызвало бы выход из строя ключей Q1 и Q2.

Эти критерии должны удовлетворяться схемой управления и драйвером.

Выходное напряжение V_out равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра:

V_out = V_in x (n2/n1) x f x (T_{on, q1} + T_{on, q2})

где: V_out - среднее выходное напряжение - В V_in - Напряжение питания - В n2 - число витков вторичной обмотки n1 - половина общего числа витков первичной обмотки f - частота переключения - Гц T_{on, q1} - время включенного состояния ключа Q1 - с T_{on, q2} - время включенного состояния ключа Q2 - с

Cхема управления контролирует V_out и управляет включенным состоянием ключей Q1 и Q2.

Если V_in увеличивается, схема управления уменьшит скважность, чтобы сохранить постоянное выходное напряжение. Аналогично, если ток нагрузки уменьшится и V_out увеличится, схема управления будет действовать таким же образом. Наоборот, уменьшение V_in или увеличение тока нагрузки увеличит скважность. Временные диаграммы ниже показывают токи двухтактного преобразователя.

51

52

53

54

Фазовый детектор(ФД), фильтр нижних частот(ФНЧ) и генератор,

Управляемый напряжением(ГУН)

55

56

57