3.1. Общие сведения

 

Одной из причин применения импульсных методов преобразования постоянного напряжения является необходимость повышения кпд источников электропитания. Применение импульсных методов дает возможность увеличивать КПД до 80–90 %.

Кроме того, импульсные методы преобразования позволяют, уменьшить материалоемкость источников электропитания, их массу и габариты. Это достигается путем повышения частоты преобразования   энергиипостоянного напряжения, т. е. увеличением частоты переключения полупроводниковых приборов. При этом происходит снижение емкости конденсаторов фильтров, а также уменьшение индуктивности дросселей и трансформаторов. Например, повышение   от десятков герц, например 50 Гц, до нескольких десятков, сотен килогерц приводит к уменьшению массы и габаритов силовых реактивных элементов в 5–15 раз.

Существует два основных типа подобных устройств электропитания: импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСН) и импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИПН). Устройства ИСН предназначены для стабилизации постоянного напряжения без электрической изоляции первичного Е и выходного   напряжений. ИПН обеспечивают электрическую изоляцию этих напряжений.

Фактически любое электронное оборудование сегодня питается от источника постоянного тока. Этим источником может быть или гальванический элемент (аккумулятор) или сетевой источник питания. Так как конкретные значения напряжений и токов, необходимые потребителю, могут быть самые произвольные, постоянно возникает потребность в их преобразовании, что сегодня чаще всего выполняется с помощью специальных импульсных электронных устройств.

На сегодняшний день имеются три типа импульсных электронных устройств, использующихся в качестве источников питания: преобразователь – переменный ток/постоянный ток (AC-DC конвертер), преобразователь – постоянный ток/постоянный ток (DC-DC конвертер) и преобразователь – постоянный ток/переменный ток (инвертор). Каждый имеет собственные определенные области применения.

Источники питания за годы своего развития прошли путь от крупногабаритных панелей, использующих электровакуумные лампы и опасные высокие напряжения, к сегодняшним компактным твердотельным блокам питания выдающим более низкие и относительно безопасные напряжения постоянного тока. Так как источники питания и DC-DC конвертеры очень широко используются в электронном оборудовании, то они составляют значительную долю мирового рынка электроники – более 8 мрд дол. ежегодно. Кроме того, эта доля возрастает вместе с общим увеличением мирового рынка электроники. Технология преобразователей питания вылилась не только в получение компактных твердотельных устройств, но в основном продвинулась от использования линейных источников питания к современным импульсным источникам питания, которые не только меньше и легче, но также намного эффективнее. Линейные источники питания используют обычный трансформатор питания 50/60 Гц, совместно с выпрямителем, фильтром, и линейным стабилизатором. Все еще широко используемые  источники имеют кпд приблизительно 40...55 %.

Импульсные источники питания непосредственно выпрямляют и фильтруют напряжение сети переменного тока без использования первичного 50/60 Гц трансформатора. Полученный в результате этого постоянный ток сглаживается и преобразуется в ток высокой частоты мощными ключами, а затем поступает высокочастотный трансформатор, и наконец, выпрямляется и фильтруется снова. Из-за высокой частоты переключения, которая составляет от 20 кГц до 1 МГц, трансформатор и конденсаторы фильтров имеют намного меньшие размеры, чем их 50/60 Гц эквиваленты. Импульсные источники питания имеют кпд – 60..80 %.

На рис. 3.1 приведена условная классификация импульсных источников вторичного питания (ИВП).

 

Рис. 3.1. Условная классификация импульсных ИВП

 

Преобразователи переменный ток – постоянный ток (AC-DC-конвертеры). Однокристальные AC-DC-конвертеры применяются обычно в недорогих системах, работающих от сети переменного тока, потребляющих небольшой ток (до 100 мА) и не предъявляющих высоких требований к качеству питающего напряжения. Основной недостаток подобных устройств – это отсутствие гальванической развязки выходного напряжения от напряжения сети. Как правило, AC-DC-конвертеры обеспечивают одно, максимум два выходных напряжения, что иногда затрудняет их использование в источниках питания. В последнее время появились приборы, обеспечивающие выходной ток до 1,5 А, что позволяет значительно расширить сферу их применения.

Преобразователи постоянный ток – постоянный ток (DC-DC конвертеры). DC-DC-конвертеры используют принцип действия импульсных источников питания, но применяются для того, чтобы преобразовать одно напряжение постоянного тока в другое, обычно хорошо стабилизированное. Эти устройства используются там, где электронное оборудование должно питаться от батареи или другого автономного источника постоянного тока.

Интегральные DC-DC конвертеры широко используются для преобразования и распределения постоянного напряжения питания. Это напряжение питания обычно поступает в систему от сетевого источника питания или батареи. Оно может иметь стандартное значение 5, 24, 48 В или быть любого другого номинала и полярности. Это напряжение может быть нестабилизированным и иметь значительную шумовую компоненту. Другое распространенное применение для DC-DC-конвертеров, это преобразование напряжения батареи в напряжение другого номинала, необходимое для питания различных схем. Типичные значения напряжения батареи обычноравны 1,5; 3; 3,6; 4,5; 9; 12; 24; 48 В (DC), причем каждое используется для определенных применений. Однако напряжение батареи может изменяться в широких пределах. Например, напряжение двенадцативольтовой аккумуляторной батареи транспортного средства может подниматься до 15 В или выше во время зарядки и опускаться до 6 В при старте двигателя. В таком случае для питания электронных схем требуется DC-DC-конвертер,чтобы из изменяющегося входного напряжения произвести устойчивое, хорошо стабилизированное выходное напряжение.