7.3. Вторичные источники с преобразованием частоты сети

Уменьшить габариты трансформатора, который в любом случае применяется для электрической развязки, можно за счет увеличения частоты питающего напряжения. С этой целью применяется промежуточное преобразование частоты сети.

Структурная схема источника с преобразованием частоты изображена на рис. 7.16. Он состоит из следующих блоков: первый преобразователь (Пр1) с емкостным фильтром (Ф1) преобразует напряжение сети (50 Гц, 220 В) непосредственно (без трансформации) в постоянное напряжение. Высокочастотный инвертор (И) преобразует полученное постоянное напряжение в высокочастотное (десятки – сотни кГц), которое трансформируется высокочастотным трансформатором (ТрВ) до нужного значения или нескольких значений. Габариты трансформатора уменьшаются почти пропорционально увеличению частоты. И если низкочастотный трансформатор мог весить несколько килограмм, то высокочастотный – десятки грамм.

Для обеспечения высокого значения КПД инвертор выполняется на элементах, работающих в ключевых режимах, и строится либо как автоколебательный генератор, либо для управления инвертором используются устройства управления (УУ). Обычно это специализированные микросхемы управления. Далее следует высокочастотный преобразователь (Пр2) с фильтром (Ф2), при необходимости – стабилизатор постоянного напряжения (может использоваться и линейный стабилизатор).

Рис. 7.16. Структурная схема вторичного источника электропитания с преобразованием частоты

Очень часто вместо линейного стабилизатора выходное постоянное напряжение выводится на схему управления (рис. 7.16, пунктир) и его изменения меняют скважность выходных импульсов инвертора. Таким образом достигается стабилизация выходного напряжения.

Источники питания, в которых инвертор работает в ключевом режиме, называют импульсными источниками электропитания (ИВЭП).

На рис. 7.17 приведена условная классификация импульсных источников вторичного питания.

Рис. 7.17. Классификация ИВЭП

В табл. 7.1 даны сравнительные характеристики источников питания без преобразования частоты – линейных и с преобразованием частоты – импульсных.

Таблица 7.1

Параметр	Источники питания
	линейные	импульсные
Нестабильность по выходному напряжению	(0,010,05) %	(0,050,1) %
Нестабильность по току нагрузки	(0,010,1) %	(0,11) %
Выходное напряжение	(0,52) мВ	(25100) мВ
Диапазон входных напряжений	10 %	 20 %
КПД	(4055) %	(6080) %
Средняя удельная мощность	30 Вт/дм2	> 250 Вт/дм2
Время восстановления	50 мс	300 мс
Время удержания	2 мс	30 мс

Несмотря на существенное усложнение электронной части схемы, необходимость экранирования во избежание воздействия на окружающие устройства импульсных помех от инвертора из-за значительного увеличения удельной мощности, источники с преобразованием практически вытеснили классические схемы из современных электронных устройств.

Ключевой стабилизатор постоянного напряжения

Простейшая схема такого стабилизатора на принципе адаптивной ШИМ и графики напряжений изображены на рис. 7.18.

За счет временного запаздывания сигнала обратной связи, вносимого фильтром L_ф, С_ф, усилитель ошибки работает в режиме компаратора, вырабатывающего широтномодулированные импульсы U_к управления регулирующим транзистором, который работает в ключевом режиме (выходное напряжение U₂ ниже нормы U₂₀ – транзистор полностью открывается, выходное напряжение выше нормы – транзистор полностью закрывается). Ключевому стабилизатору принципиально присущ пульсирующий характер выходного напряжения, который сводится к приемлемомууровню за счет высокой чувствительности компаратора.

Включение в схему диода VDзащищает транзистор от перенапряжения за счет ЭДС самоиндукции и, кроме того, обеспечивает дополнительный ток в нагрузке при закрытом транзисторе.

В зависимости от того, как включен дроссель и регулирующий транзистор, можно получить выходное напряжение меньше U_П, большеU_Пи в противофазе относительноU_П. Схема на рис. 7.18 – понижающая. За счет потерь на регулирующем транзисторе и дросселеU₂₀меньшеU₁.

Рис. 7.18. Ключевой стабилизатор с адаптивной ШИМ:

а – схема стабилизатора; б – временные графики

Повышающий стабилизатор представлен на рис. 7.19. При открытом транзисторе протекает ток I_КНв дросселе и запасается энергия. При запирании транзистора возникает противоЭДСU_Lв полярности, указанной на рис. 7.19. ДиодVDоткрывается и на нагрузке будет действовать напряжение (U_П + U_L), емкостьС_Фзарядится доU₂>U_П.