10. Конвертори

Конвертором називають перетворювач постійної напруги одного значення в постійну напругу іншого значення. У цей час застосовують два типи конверторів, що являють собою:

1) перетворювачі постійної напруги із самозбудженням,

2) імпульсні перетворювачі постійної напруги.

Перетворювачі постійної напруги із самозбудженням використовують в апаратурі малої й середньої потужності. Імпульсні перетворювачі постійної напруги (ІППН) регулюють вихідну напругу шляхом зміни параметрів вхідних імпульсів. Найчастіше застосовують широтно - імпульсний (ШІР) і частотно-імпульсний (ЧІР) способи регулювання. Структурна схема перетворювача постійної напруги із самозбудженням зображена на рис. 5.17.

Перетворювач із самозбудженням перетворює постійну напругу в змінну напругу прямокутної форми, що за допомогою трансформатора змінюється до необхідної величини. Після випрямлення випрямлячем В воно подається на фільтр, що згладжує, ЗФ, до виходу якого підключено навантаження R_H . При широтно-імпульсному способі вихідну напругу регулюють зміною тривалості вихідних імпульсів t_і при незмінному періоді їхнього проходження (рис. 5. 18). Середнє значення вихідної напруги перетворювача визначається по формулі

(1)

Е_нсер

Е_нсер

Е_нсер

Рисунок 5.18 - Зміна тривалості вихідних імпульсів

Отже, вихідну напругу регулюють від нуля (при t_і = 0) до Е ( при t_і = Т). При частотно-імпульсному способі вихідну напругу регулюють зміною частоти проходження вихідних імпульсів при незмінній тривалості імпульсу tі, тобто змінюється період проходження імпульсів Т (рис. 5.19).

Середнє значення вихідної напруги перетворювача визначається формулою (1). В імпульсних перетворювачах постійної напруги як ключі застосовують тиристори, які в цей час випускаються на напругу до декількох кіловольтів і на струми до сотень амперів при прямому падінні напруги, яке дорівнює декільком вольт. Це дозволяє створювати конвертори потужністю понад 100кВт із високим к.к.д.

Рисунок 5.17 - Зміна періоду проходження імпульсів

Контрольні питання

1. Наведіть визначення конвертору.

2. Наведіть класифікацію конверторів.

3. Наведіть структурну схему перетворювача постійної напруги із самозбудженням.

4. Замалюйте часові діаграми вихідної напруги кожного блоку.

5. Що являє собою широтно-імпульсний спосіб перетворення (ШІР)?

6. Замалюйте часові діаграми роботи при ШІР.

7. Що являє собою чатотно-імпульсний спосіб перетворення (ЧІР)?

Замалюйте часові діаграми роботи при ЧІР.

Глава 6 Блоки живлення персональних компютерів

Компютерна техніка дала поштовх розвитку імпульсних стабілізаторів і джерел живлення, що працюють на ультразвукових частотах і що мають кращі показники мас, габаритів, ККД порівняно з традиційними блоками живлення (БЖ), які складаються з трансформатора мережі, розрахованого на частоту 50 Гц, діодного випрямляча, регулюючого елементу і фільтра пульсацій (індуктивно-ємнісного або, частіше за все, ємнісного). При усіх своїх перевагах (невелика кількість елементів, високі надійність і ремонтопридатність) від класичного БЖ зі знижувальним трансформатором і низьковольтними стабілізаторами комп’ютер потребував декількох живлячих напруг і значних струмів. При цьому споживання носить імпульсний характер, через що лінійний параметричний стабілізаторі більшу частину часу просто розсіює значну потужність.

Імпульсне джерело має ряд переваг і дозволяє зменшити габарити не тільки за рахунок відмови від трансформатору. Принцип його дії наступний: напруга мережі випрямляється і згладжується, після чого перетворення енергії здійснюється вже на високій частоті, при чому регулюючі елементи працюють не в постійному, а в ключовому режимі. Це дало можливість значно зменшити розміри його індуктивних, ємнісних і охолоджуючих складових частин.

Структурна схема типового іимпульсного БЖ представлена на рис.1. Напруга з мережі подається через вхідний фільтр і захисні елементи на діодний випрямляч. На його виході встановлений високовольтний електролітичний конденсатор, енергію якого перетворює керований перетворювач постійної напруги в імпульсну. Ця напруга імпульсним трансформатором перетворюється у напругу заданої величини. Напруга з вторинної обмотки імпульсного трансформатору через випрямляч і згладжуючий фільтр подається до навантаження.

Якщо струм або напруга несинусоїдальні, коректно говорити про коефіцієнт навантаження (cos φ , англ. Power Factor -PF), який показує яка частина струму , що пройшов по дротам й нагрів їх, з користю пішла до навантаження. Визначається як відношення активної потужності до повної.

Типовими значеннями PF являються: 1 – ідеальне значення; 0,95 –добрий показник; 0,9 – задовільний показник; 0,8 – поганий показник.

"Стандартний" блок живлення для комп’ютерного обладнання має значення PF біля 0,7; класичний двоперіодний випрямляч – 0,65.

На практиці PF випрямляча не перевищує 0,3-0,4, тоді як у доброго комп’ютерного БЖ з коректром PF він складає 0,92-0,95.

Розглянемо ще одну особливість роботи структури “випрямляч –конденсатор високої ємності на виході”. Він представляє собою коло, що навантажує мережу в короткі проміжкі часу ( під час вершин синусоїди), проте великими струмами. Слід звернути увагу ще на дві обставини.

Перше – це те, що піковий струм, що споживається, виявляється в декілька разів вищий за середній. Проте корисна потужність визначається середнім струмом, тоді як падіння напруги на дротах – піковим.

Друге – це те, що піковий струм, що споживається короткими імпульсами, має високу швидкість зміни і , відповідно створює перешкоди в широкому діапазоні частот. Зменшити вплив перерахованих факторів дозволяє використання в схемотехніці БЖ елементів пасивної корекції PF (PPFC). Але такі блоки мають велику масу. В їх корпусі, окрім стандартної начинки, розташований великогабаритний додатковий дросель, включений так, щоб створився класичний LC-фільтр на виході випрямляча. Дросель ”покращує” результуючу форму імпульсів струму і напруги.

На рисунку 6.1 приведена структурна схема блоку-живлення.

Вх.Ф

ВМ

С_В

КП

Т_і

В

ЗФ

Н

220 В

Рисунок 6.1 - Структурна схема блоку-живлення:

Вх.Ф. - вхідний фільтр і захисні елементи;

ВМ - випрямляч напруги мережі;

С_В - високовольтний накопичу вальний конденсатор;

КП - керуємий перетворювач постійної напруги у високочастотну імпульсну;

Т_і - трансформатор импульсний;

В - випрямляч;

ЗФ - згладжуючий фільтр;

Н - навантаження.

Зменшити габарити і підвищити коефіцієнт потужності дозволяють коректори коефіцієнту потужності з імпульсним принципом дії в інтегральному виконанні.

Блоки живлення з технологією корекції коефіцієнта потужності (PFC -- Power Factor Correction) являються для живлячої мережі активним навантаженням, тим самим оптимально використовують її енергію, а вбудовані фільтри забезпечують низький рівень електричних і магнітних перешкод.

Корректор коефіцієнта потужності (Рис. 6.2) – це звичайний імпульсний генератор, що живиться випрямленою, але не згладженою, і стабілізованою напругою на вихідному накопичу вальному конденсаторі C2. Основний принцип його дії простий. Спочатку на короткий період замикається ключ S1, й в катушці індуктивності L1 в повній відповідності з підручником по фізиці починає наростати струм. Через деякий час ключ розмикається, а енергія, що накопичилася в катушці, через діод переходить у вихідний накопичувальний конденсатор. Цей цикл постійно повторюється, в результаті чого до накопичувального конденсатора надходять порції енергії, значення яких залежать від вхідної напруги, індуктивності і часу замкненого стану ключа. Індуктивність обирають невеликою, щоб розміри котушки і втрати у ній були невеликими. А частоту повторення таких циклів відповідно роблять достатньо високою – десятки і сотні тисяч разів в секунду. Необхідно відмітити, що при дуже високій частоті може впасти ккд пристрою через ріст втрат на переключення ключового транзистора.

Тепер головне забезпечити саме такий керований цикл включення/виключення, щоб вхід перетворювача з боку мережі представляв собою деякий опір ( тобто струм у кожний момент часу був пропорційний напрузі), і в той же час, щоб на вихідному конденсаторі підтримувалась постійна напруга, яка якомога менше б залежала від навантаження і напруги мережі. При цьому між струмом і напругою мережі не буде зсуву фаз (cos φ = 1), порушення пропорційності.

Таким чином, застосування коректора коефіцієнта потужності являється не тільки бажаним ( з точки зору закону і економії енергоспоживання), але й обов’язковим, враховуючи необхідність підвищення стабільності роботи блоку при частих проблемах з енергопостачанням.

Стандартний блок живлення розраховано на шість напруг:

+12 В +5 В +5 В SB +3,3 В -5 В -12 В Для того щоб зрозуміти, чому в специфікаціях БЖ вказані такі різні навантаження для різних напруг, треба знати їх призначення.

+5В В системах старих формфакторів ця напруга використовувалась для живлення материнських плат, процесорів і більшості інших компонентів. На нових ПК багато компонентів (особливо це стосується процесорів) "пересіли" на більш низьку напругу +3,3 В, але материнська плата і її складові частини продовжують споживати +5 В. Останнім часом цінність напруги +5 В знову виросла., так як відеокарти з окремим живленням від БЖ використовують коло +5 В для формування живлячої напруги.

+12В Ця напруга в основному використовується для живлення приводів. Сама материнська плата не споживає +12 В, але розводка 12 В проходить по всім слотам, так як карти розширення можуть використовувати цю напругу. Саме від 12 В живляться майже всі потрібні п оверклокерампристрої : підсвітка, вентилятори, деякі помпи систем водяного охолодження. Самим "важким" пристроєм, що отримує живлення від 12 В, являеться компрессор системи VapoChill з споживаємою потужністю 90 Вт.

+3,3В Це нова напруга, передбачена тільки специфікаціями стандарту АТХ. Раніше найнижчою напругою, що виробляє БЖ, була +5 В. Але з появою другого покоління процесорів Pentium Intel з метою зниження енергоспоживання перейшли на використання напруги більш 3,3 В. Виробники материнських плат спочатку повинні були забезпечувати конвертацію +5 В у +3,3 В, що призводило до збільшення виділення теплоти. Так що для підвищення ефективності на блоки живлення зараз подають +3,3 В напряму на материнську плату. Ця напруга використовується для забезпечення живлення більшості сучасних процесорів, оперативної пам’яті, відео карток AGP без зовнішнього живлення тощо.

220 В

50 Гц

VD1-VD4

L1

C1

VD5

S1

C2

Рисунок 6.2 – Імпульсний генератор

-5В Напруга -5 В використовувалася у перших ПК для флопі-контролерів і деяких інших пристроїв на шині ISA. В сучасних ПК вона підтримується лише в «малих дозах” для забезпечення сумісності зі старим “залізом”. Для оверклокерів існування цієї напруги також створює можливість роботи вентиляторів в форсованому режимі 17 В шляхом передачі напруги +12 В и -5 В (замість "землі").

-12В Використовується в деяких типах живлення пристроїв для послідовних портів, схеми яких потребують наявності як +12 В, так й -12 В. Зараз ця напруга не використовується. Підключивши одночасно +12 В й -12 В, можна отримати вже 24 В (деякі вентилятори можуть працювати в такому режимі).

+5ВSB(Stand-by) Напруга того ж рівня, що і +5 В, але подається вона незалежно від інших, причому завжди, навіть при виключеному комп’ютері, колаи основні кола блоку живлення не працюють. Невеликий струм , що потсупає на материнську плату, забезпечує такі функції, як включення комп’ютера з клавіатури, модему (WOR, Wake on Ring) або по сигналу з мережної карти (WOL, Wake on LAN).

Контрольні питання

1. Наведіть принцип дії імпульсного джерела живлення.

2. Наведіть структурну схему блоку живлення персонального комп’ютера.

3. Приведіть принцип дії корректора коефіцієнта потужності.

4. Опишіть призначення напруги +5 В.

5. Опишіть призначення напруги +12 В.

6. Опишіть призначення напруги +3,3 В.

7. Опишіть призначення напруги -5 В.

8. Опишіть призначення напруги -12 В.

9. Опишіть призначення напруги +5 В SB (Stand-by).