2 Схемотехника блоков питания

2.1.Выпрямители источников питания

2.2.1. Основные схемы выпрямителей, методика их расчета

Основные понятия и определения

Выпрямителем, называется статический преобразователь напряжения переменного тока

в напряжение постоянного тока. В общем случае выпрямитель состоит из трансформатора, полупроводниковых диодов и сглаживающего фильтра. Структурная схема выпрямителя приведена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Структурная схема выпрямителя

Трансформатор (не обязательный элемент), преобразует напряжение переменного тока на его первичной обмотке в необходимое для получения заданной величины напряжения на входе выпрямителя. Система вентилей (диоды) преобразует напряжение переменного тока в однонаправленное пульсирующее, имеющее в своем составе постоянную составляющую и значительное количество гармонических составляющих .

Наибольшей из них является первая гармоника, частота и амплитуда которой определяется схемой выпрямления. Сглаживающий фильтр уменьшает амплитуды всех гармонических составляющих пульсирующего (выпрямленного) напряжения.

Расчет токов и напряжений в отдельных узлах схемы выпрямителя ведется из

предположения, что полупроводниковые диоды и трансформатор являются идеальными.

Подавая на вход выпрямителя переменное напряжение с периодом T (рисунок 13), на выходе выпрямителя получим пульсирующее напряжение с периодом T/p (в данном случае p=2 - пульсность схемы), состоящее из постоянной составляющей и ряда гармоник с частотами f, 2f, nf.

Величины напряжений каждой составляющей находятся разложением выпрямленного напряжения в ряд Фурье.

Рисунок 13 - Временные диаграммы напряжения на входе и выходе выпрямителя при p=2

Выпрямленное напряжение представляет собой периодическую функцию с периодом

пульсаций, равным Tп=T/p или fп=p·f .

Амплитуда K- ой составляющей выпрямленного напряжения равна:

где к = 1,2,n.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 26

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения (среднее значение) равно:

Где U_2Л - действующее линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора.

Функциональные схемы однофазных выпрямителей

Для выпрямления однофазного переменного напряжения широко применяют три типа

выпрямителей: однополупериодный и два двухполупериодных

Однополупериодный выпрямитель

Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рисунок 14, а.

Выпрямитель состоит из трансформатора, к вторичной обмотке которого

последовательно подсоединены диод Д и нагрузочный резистор R_н.

Для упрощения анализа работы выпрямителей трансформатор и диод считают

идеальными, т. е. принимают следующие допущения:

у трансформатора активное сопротивление обмотки, а у диода прямое

сопротивление равно нулю;

обратное сопротивление диода равно бесконечности; в трансформаторе отсутствуют потоки рассеяния.

При таких допущениях с подключением первичной обмотки трансформатора к сети

переменного синусоидального напряжения во вторичной обмотке будет наводиться синусоидальная э. д. с.

а) б)

Рисунок 14 - а) - Схема однополупериодного выпрямителя, б) осциллограммы в точках схемы

Работу выпрямителя удобно рассматривать с помощью временных диаграмм рисунок14, б. В первый полупериод, т. е. в интервале времени 0 - Т/2, диод открыт, так как потенциал точки а выше потенциала точки б и под действием напряжения в вторичной

обмотки трансформатора возникает ток I_н. В интервале времени Т/2 — Т диод закрыт, ток в

нагрузочном резисторе отсутствует, а к запертому диоду прикладывается обратное

напряжение U₂.

Основными электрическими параметрами однополупериодного выпрямителя:

средние значения выпрямленного тока и напряжения I_ср и U_ср;

T T

U_ср = 1 U_вхdt

Т₀

мощность нагрузочного устройства Р_н.c_р= U_н.ср I_н.ср

коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

 = U_m

U_ср

где: Um- амплитуда основной гармоники (первой),

I_ср = 1 I_вхdt

Т₀

U_ср- среднее значение выпрямленного напряжения (постоянная составляющая).

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота.

Анализ электрических параметров позволяет сделать вывод о недостатках этого

выпрямителя:

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 27

большой коэффициент пульсаций,

малые значения выпрямленных тока и напряжения.

ток I₂ имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание

сердечника трансформатора, из-за чего уменьшается магнитная проницаемость

сердечника, что, в свою очередь, снижает индуктивность обмоток трансформатора. Это приводит к росту тока холостого хода трансформатора, а следовательно, к снижению к.п.д. всего выпрямителя.

Однополупериодный выпрямитель применяют обычно для питания высокоомных нагрузочных устройств (например, электроннолучевых трубок), допускающих повышенную пульсацию; мощность не более 10—15 Вт.

Основные параметры выпрямителя определяются по следующим формулам:

U_ср = 2 U_вх 0,45U_вх



U

U_обр.макс = 2U_вх =  U_ср

I_д._ср = I_ср

I_ср = ^cp

R_н

I_д.макс = 2U_вх =  I_ср

=

 = 1,57

2

R_н

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки

трансформатора

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой представляет собой параллельное

соединение двух однополупериодных выпрямителей. Рассматриваемый выпрямитель может использоваться только с трансформатором, имеющим вывод от середины вторичной обмотки

(рис15.). Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода

а) б)

Рисунок 15 - а) - Схема мостового выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки

трансформатора, б) осциллограммы в точках схемы

Основные параметры такого выпрямителя определяются по следующим формулам:

U_ср = 2

2 U 0,9U

2

2

U_обр.макс = 2 2U₂ =  U_ср

где: U₂ -действующие значение напряжения

каждой половины вторичной обмотки;

U_cp

I

I_д._ср = ^ср

2

I_ср =

R_н

I_д.макс = 2U₂ =  I_ср

=

2 0,67

3

R_н

2

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 28

Рассматриваемый выпрямитель характеризуется довольно высокими

экономическими показателями и широко используется на практике.

Достоинствами выпрямителя являются:

Высокая нагрузочная способность;

Низкая пульсация выпрямленного напряжения.

Недостатками выпрямителя являются:

Необходимость применения трансформатора со средней точкой; Повышенные требования к диодам по обратному напряжению.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

технико-

а) б)

Рисунок 16 - а) - Схема двухполупериодный мостовой выпрямитель, б) осциллограммы в точках схемы

Однофазный мостовой выпрямитель (рисунок 16, а) можно считать пределом совершенства тех однофазных выпрямителей, которые могут использоваться без трансформатора. Не известна другая однофазная схема без трансформатора, в которой бы так рационально использовались диоды. Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара — это диоды D1 и D2, а другая — DЗ и D4. Таким образом, к примеру, диоды D1 и D2 или оба включены и проводят ток, или оба выключены (рисунок 16, б).

Основные расчетные соотношения выпрямителя следующие:

U_ср = 2

U

2U

 вх

0,9U_вх

U_обр.макс = 2U_вх =  U_ср

I

I_ср = ^cp

R_н

 = 2 0,57

I_д._ср = ^ср

2

I_д.макс = 2U_вх =  I_ср

3 R_н 2

Внешняя характеристика выпрямителя

Внешняя характеристика выпрямителя - это зависимость средневыпрямленного

напряжения на выходе выпрямителя от изменения тока нагрузки. На рисунке 17 представлена схема замещения выпрямительного устройства в цепи постоянного тока.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 29

Рисунок 17 - Схема замещения выпрямителя Рисунок 18 - Внешний вид нагрузочной

характеристики выпрямителя.

1-однополупериодный, 2-двухполупериодный

мостовой, 3- двухполупериодный с нулевой точкой.

Здесь R_ВН - внутреннее сопротивление выпрямителя (активное сопротивление потерь),

которое включает активные потери в трансформаторе R_КЗ, потери в дросселе сглаживающего фильтра R_ф и потери в диодах (R_ДИН, U_пор). Очевидно, что внешняя характеристика имеет падающий характер. Всегда имеет место U_0n< U_0хх при токе нагрузки отличном от нуля

(рисунок18).

Влияние различных видов нагрузок на работу неуправляемых выпрямителей

Активно-индуктивная нагрузка

Рассмотрим на примере однополупериодной схемы выпрямления:

Рисунок 19 - Схема Рисунок 20 - Зависимости токов, напряжений и мгновенной

однополупериодного выпрямителя, мощности при работе на резистивно-индуктивную нагрузку

работающего на резистивно-

индуктивную нагрузку

На рисунок20 изображены графические зависимости для токов, напряжений и мгновенной мощности с целью пояснения процессов, протекающих в схеме выпрямления.

На интервале [t₁ ;t₂ ] положительный потенциал фазы U₁ коммутирует диод VD1,

при этом в дросселе L_н накапливается реактивная энергия. На интервале [t₂ ;t₃ ] VD1

остается открытым из-за положительного тока дросселя и энергия дросселя отдается в

источник U₁ (такой режим называется инверторным). Коммутационная задержка на

выключение VD1 уменьшает уровень выпрямляемого напряжения, увеличивая его

пульсации.

Для исключения влияния индуктивности нагрузки на форму выпрямленного напряжения параллельно к нагрузке включается обратный диод VD2, который обеспечивает сброс реактивной энергии дросселя в нагрузку и тем самым исключает отрицательный выброс выпрямленного напряжения.

В двухполупериодной однофазной схеме роль обратного диода играет один из диодов выпрямителя, который включается первым.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 30

Рисунок 21 - Схема подключения индуктивной нагрузки к мостовому двухполупериодному выпрямителю

При положительной полуволне напряжения U₁ ток протекает по контуру: "+" U₁

VD1L_н R_н VD4"-" U₁.

Предположим, что при прохождении напряжения U1 через ноль в момент смены

полярности, первым включился диод VD2. Тогда сброс реактивной энергии будет осуществляться через VD4 и включенный VD2. В выпрямленном напряжении не будет присутствовать отрицательного выброс напряжения.

Активно-емкостная нагрузка

Рассмотрим влияние активно-емкостной нагрузки на примере работы однофазного

мостового выпрямителя.

а) б)

Рисунок 22 - а) Схема подключения емкостной нагрузки к выпрямителю; б) Графические зависимости

токов и напряжений в схеме

На рисунок22,б представлены графические зависимости токов и напряжений, поясняющие переходные процессы в схеме в момент подключения выпрямителя к источнику U1.

На интервале t_зар U₁ >U_c и при этом происходит заряд емкости C сглаживающего

фильтра через внутреннее сопротивление выпрямительного звена. При этом появляется

большой импульсный ток, значения которого в 2040 раз выше установившегося значения средневыпрямленного тока вентиля. Особенно это выражено в источниках питания с бестрансформаторным входом. Для ограничения этого тока вводят резисторы, терморезисторы или резисторы, шунтированные управляемыми ключами, выполненные на симисторах, тиристорах или динисторах. Ключи позволяют с учетом времени установления переходного процесса производить ограничение тока только в момент пуска источника питания, следовательно, повышаются КПД и надежность выпрямителя.

На интервале t_раз , когда напряжение на емкости уравнивается с напряжением

источника, конденсатор разряжается на нагрузку. С увеличением тока нагрузки

увеличивается уровень пульсации выпрямленного напряжения из-за уменьшения

постоянной цепи разряда t_раз =R_Н С.

Выбор схемы выпрямителя, основные расчетные соотношения

При расчете выпрямителя используют метод Терентьева - метод номограмм. Он

основан на расчете вспомогательных коэффициентов зависящих от угла протекания тока через вентиль. Вводят коэффициент А=f(Q), где Q - угол протекания тока через вентиль. Для различных схем выпрямителей приводятся номограммы, которые получены

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 31

экспериментальным путем для различных мощностей и схем выпрямителей. Для расчета

параметров U_обр , I_аср , I_ад , U₂ , I₂ вводят вспомогательные коэффициенты: В, С, D, F=f(A).

Расчет схемы выпрямителя проводят в два этапа

Исходные данные:

U₀ и I₀ — выпрямленные напряжение и ток, требуемые для питания нагрузки.

Пульсация выпрямленного напряжения

1. Выбор схемы выпрямителя.

Определяется величиной мощности Р₀, потребляемой нагрузкой.

P₀ U₀

I₀

где U₀ и I₀ — выпрямленные напряжение и ток, требуемые для питания нагрузки.

При нескольких нагрузках, питающихся от одного источника U₀, расчетное

значение выпрямленного тока I₀ находится из соотношения:

I₀ = I₀₁ + I₀₂ + ..

где I₀₁ и I₀₂—токи потребляемые, каскадами нагрузки.

Для получения небольших (десятки, сотни ватт) мощностей применяют

однофазные схемы.

Для выпрямления токов мощностью Р₀>1кВт служат более сложные трехфазные

схемы, обеспечивающие равномерную нагрузку на трехфазную сеть и не требующие гро-

моздких фильтров.

Выбранная схема выпрямителя должна обеспечивать требуемую пульсацию

напряжения

выбранная

При выборе схемы необходимо использовать и соображения экономичности и

надежности.

2.Выбор типа вентиля.

Тип вентиля определяется основными параметрами:

средним I₀ и максимальным Imax значениями выпрямленного тока ;

величиной наибольшего обратного напряжения U_06p.max. действующего в

схеме.

Выбранный вентиль «должен допускать» токи и напряжения не ниже расчетных для данной схемы.

Режим работы вентилей в схеме зависит от вида схемы и характера нагрузки (активная, индуктивная, емкостная).

При расчете режима в схемах выпрямителей определяют коэффициент А, связывающий режим работы трансформатора и вентиля.

(R_i + r_тр) I₀

A=

10m U₀

где Ri — внутреннее сопротивление вентиля (R_i 10 Ом для большинства

плоскостных полупроводниковых диодов);

m — число фаз выпрямителя (определяется по числу полупериодов выпрямленного

тока в схеме);

r_тр — сопротивление обмоток трансформатора. Сопротивление обмоток

трансформатора выбирают в зависимости от мощности выпрямителя:

Таблица 3 - Порядок выбора величины сопротивления обмоток трансформатора

P_0, Вт

г_тр Ом ,

1—10

(0,1— 0,07)R_н

10-100

(0,08—0,05) R_н

100—1000

(0,06-0,04) R_н

Сопротивление нагрузки R_H = U₀/I₀ (Ом).

По найденному значению коэффициента А, пользуясь номограммой (рисунок23),

определяют коэффициенты В, D, F, H, зная которые используя данные из таблицы 4,

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 32

можно рассчитать режим и параметры вентиля.

По значениям параметров вентиля определяют по справочнику его тип из условия:

I_Д max  Im

U_Д обр  U_обр

Для выпрямления высоких напряжений и получения большой величины обратного

напряжения(U_обр) включают последовательно по нескольку однотипных диодов

(Рисунок23). Но даже однотипные диоды имеют разброс параметров (неравенство

сопротивлений обратному току). Чтобы при этих условиях обеспечить равномерное распределение обратных напряжений на нескольких последовательно включенных диодах, их шунтируют высокоомными сопротивлениями в десятки кОм, мощностью 0,25—0,5 Вт. Обычно каждое шунтирующее сопротивление принимают такой величины, чтобы оно примерно в 10 раз было меньше минимального обратного сопротивления диода.

Для получения больших выпрямленных токов применяют параллельное соединение однотипных диодов (Рисунок24). Чтобы обеспечить равенство прямых токов через диоды в каждую ветвь последовательно с диодом включают резистор величиной 5- 10Ом.

Рисунок 23 - Последовательное соединение диодов Рисунок 24 - Параллельное соединение диодов

Таблица 4 - Формулы для расчета выпрямителя

Режим вентиля

Схема выпрямителя

Однополупериодная

Двухполупериодная с

нулевой точкой

Однофазная мостовая

Схема удвоения

Трехфазная

Трехфазная мостовая

(схема Ларионова)

Реакция

нагрузки

Активная Емкостная

Активная

Индуктивная

Емкостная

Активная

Индуктивная

Емкостная

Емкостная

Активная

Индуктивная

Активная

Индуктивная

Число

вентилей

11

2

2

2

4

4

4

2

3

366

Обратное

напряжение

на вентиле

Uобр

U0

2,82BU0

U0 U0

2,82B U0

0,5 U0

0,5 U0

1,41В U0

1,41В U0

2,09 U0

2,09 U0

1,045 U0 1,045 U0

Среднее

значение

тока

вентиля I0

I0 I0

0,5 I0

0,5 I0

0,5 I0

0,5 I0

0,5 I0

0,5 I0

I0

0 ,3 3 I 0

0 ,3 3 I 0 0 ,3 3 I 0 0 ,3 3 I 0

Максимальное

значение тока

вентиля Im

I0

F I0

0,5 I0

I0

0 ,5 F I 0

0,5 I0

I0

0 ,5 F I 0

F I0

1 ,2 1 I 0

I0

1 ,0 4 5 I 0

I0

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 33

Рисунок 25 - Номограмма для расчета схемы выпрямителя

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 34

2.2.Сглаживающие фильтры, назначение, классификация, принцип работы

Не зависимо от схемы выпрямителей, выпрямленное напряжение всегда является пульсирующим и содержит, кроме постоянной составляющей и переменные составляющие.

В большинстве случаев питание схем промышленной электроники пульсирующим напряжением неприемлемо.

Поскольку в любой схеме выпрямителя коэффициент пульсаций выходного напряжения во много раз превышает допустимые пределы, на выходе выпрямителей включают специальное устройство - сглаживающие фильтры.

К сглаживающим фильтрам предъявляются следующие основные требования:

1) с одной стороны, в фильтрах необходимо максимально уменьшить

переменные составляющие напряжения, а с другой — не допускать существенного

уменьшения постоянной составляющей;

2) при переходных процессах в фильтре во время включения и выключения напряжения сети или нагрузки броски напряжения и тока должны находиться в

допустимых пределах;

3) собственная частота фильтра должна быть ниже частоты основной

гармоники выпрямленного напряжения во избежание резонансных явлений в отдельных его звеньях.

2.2.1. Классификация сглаживающих фильтров и их параметры

В зависимости от типа элементов, примененных для построения сглаживающих

фильтров различают:

-пассивные фильтры - выполняются с использованием сопротивлений,

конденсаторов, индуктивностей

С-фильтры

L- фильтры простейшие фильтры

RC-фильтры

LC - фильтры

-электронные (активные) фильтры - выполняются с использованием активных

элементов - транзисторов

По количеству фильтрующих элементов различают:

-однозвенные

-многозвенные

Параметры сглаживающих фильтров

Основным параметром, позволяющим дать количественную оценку

сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания S (Ксг - старое

обозначение)

S = ₁

₂

где: ₁-коэффициент пульсации на входе фильтра;

₂-коэффициент пульсации на выходе фильтра

Для емкостного фильтра, у которого вход и выход фактически совпадают, под

₁ понимают коэффициент пульсаций до подключения фильтра, а под ₂ — коэффици-

ент пульсаций после его подключения.

Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 35

Если фильтр не обеспечивает требуемый коэффициент сглаживания или для

уменьшения габаритов для LC-фильтров (уменьшения габаритов индуктивности L) ,

фильтры соединяют последовательно

Фильтр 1, Фильтр 2,

1 2 3

S1 S2

Рисунок 26 - Последовательное соединение фильтров

При последовательном соединении фильтров общий коэффициент сглаживания

будет равен (см. рисунок 26):_{вивалентный} фильтр Эк

₁

S_экв =

₃

(1)

S₂ = ₂ ₃ = ₂ подставляя в (1) получим :

₃ S₂

S_экв = ₁ S₂ = S₁ S₂

₂

Вывод Коэффициент сглаживания эквивалентного фильтра образованного из

последовательно соединенных фильтров равен произведению коэффициентов сглаживания фильтров.

2.2.2. Пассивные фильтры

Емкостные фильтры

Этот тип фильтров относится к однозвенным фильтрам. Емкостный фильтр

включают параллельно нагрузочному резистору R_H.

Простейшим фильтром является емкостной фильтр (С-фильтр). Рассмотрим его

работу на примере однофазного однополупериодного выпрямителя (рисунок 25 а).

Работу емкостного фильтра удобно рассматривать с помощью временных диаграмм, изображенных на рисунок 27, б.

В интервал времени t1 — t2 конденсатор через открытый диод VД заряжается до амплитудного значения напряжения U2, так как в этот период напряжение U2>Uс. В это время ток Iд =Iс+Iн. В интервал времени t2 — t3, когда напряжение U2 становится меньше напряжения на конденсаторе Uс, конденсатор разряжается на

нагрузочный резистор Rн, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе I_H,

которая имеется в однополупериодном выпрямителе в отсутствие фильтра. В этот

интервал времени напряжение на резисторе R_H снижается до некоторого значения,

соответствующего времени t3, при котором напряжение U2 в положительный

полупериод становится равным напряжению на конденсаторе Uс. После этого диод вновь открывается, конденсатор С начинает заряжаться и процессы зарядки и разрядки конденсатора повторяются.

Разряд конденсатора характеризуется экспонентой с постоянной времени:

 = R_H * С.

Ток через диод протекает только часть полупериода (отрезок t1...t2). Чем короче

отрезок, тем больше амплитуда тока диода при заданном среднем токе нагрузки. Если емкость С очень велика, то отрезок t1..t2 оказывается очень малым, а амплитуда тока диода очень большой, и диод может выйти из строя.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 36

Такой фильтр широко используется в маломощных выпрямителях; в мощных

выпрямителях он используется редко, так как режим работы диода и соответствующих электрических цепей (к примеру, обмоток трансформатора) достаточно тяжел.

а) б)

в) г)

Рисунок 27 - Схемы емкостных фильтров с однополупериодным (а) и мостовым (в) выпрямителями,

временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного (б) и мостового (г) выпрямителей с

емкостным фильтром

При постоянной времени разр 10Т коэффициент пульсаций, определяемый

по формуле:

=

1

2f_осн_разр

где: f_OCH — частота основной гармоники,

Работа выпрямителя с емкостным фильтром существенно зависит от изменения

нагрузочного тока. Действительно, при увеличении тока Iн, что происходит при

уменьшении сопротивления Rн постоянная времени _разр уменьшается. Уменьшается и

среднее значение выпрямленного напряжения Iср, а пульсации возрастают.

При использовании емкостного фильтра следует учитывать,

1. Максимальное значение тока диода Iд определяется лишь сопротивлениями

диода R_пр и вторичной обмотки трансформатора, поэтому оно может достигать

значений, больших I_Пр.mах. Такой большой ток может вывести из строя диод. Для

предотвращения этого последовательно с диодом необходимо включать добавочный

резистор.

2. Кроме того, следует учитывать, что напряжение U_обр.max- прикладываемое к

диоду, в два раза превышает U_2m (напряжение на вторичной обмотке), так как в

момент времени, когда диод заперт, напряжения на конденсаторе и на вторичной

обмотке трансформатора складываются.

Емкостный фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором Rн при мощности Рн не более нескольких десятков ватт.

Индуктивные фильтры

Индуктивный фильтр, состоящий из дросселя Lф, включают последовательно с

нагрузочным резистором Rн (рисунок 26, а). Он, так же как емкостный фильтр, относится к типу однозвенных фильтров.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 37

Работу индуктивного фильтра удобно рассмотреть с помощью временных

диаграмм, изображенных на рисунок 26, б. Анализ временных диаграмм показывает, что ток Iн нагрузочного резистора Rн получается сглаженным. Действительно, вследствие того что ток в цепи с дросселем во время переходного процесса, обусловленного положительной полуволной выпрямляемого напряжения U2, зависит

от постоянной времени , равной:

L

= ^ф

R_н

длительность импульса тока увеличивается с ростом . Коэффициент

сглаживания определяется простым соотношением:

2f_оснL_ф

S= ,

R_н

где: L_ф-индуктивность фильтра

f_осн- частота основной гармоники (частота пульсаций)

Анализ выражения позволяет сделать вывод, что фильтр будет работать тем

эффективнее, чем больше Lф или меньше Rн. Обычно LфRн.

Индуктивные фильтры обычно применяют в трехфазных выпрямителях средней и большой мощностей, т. е. в выпрямителях, работающих на нагрузочные устройства с

большими токами

Рисунок 28 - Схема индуктивного фильтра с однополупериодным выпрямителем (а), временные

диаграммы напряжения и токов однополупериодного выпрямителя c индуктивным фильтром (б)

В выпрямителях малой мощности использование индуктивного фильтра Lф

нецелесообразно, поскольку они работают на высокоомные нагрузочные устройства.

При этом выполнение условия LфRн приводит к необходимости включения

дросселя с большими массой и габаритами, что является существенным недостатком индуктивного фильтра по сравнению с емкостным.

Г-образные фильтры

Г-образные фильтры являются простейшими многозвенными фильтрами. Этот

фильтр может быть LC-типа (рисунок 27, а) и RС-типа (рисунок27, б). Их применяют тогда, когда с помощью однозвенных фильтров не выполняется предъявляемое к ним требование с точки зрения получения необходимых коэффициентов сглаживания. Эти фильтры, являясь более сложными по сравнению с однозвенными, обеспечивают значительно большее уменьшение коэффициента пульсаций.

Снижение пульсаций LC-фильтром объясняется совместными действиями индуктивной катушки и конденсатора. Снижение переменных составляющих выпрямленного напряжения обусловлено как сглаживающим действием конденсатора Сф, так и значительным падением переменных составляющих напряжения на дросселе Lф. В то же время постоянная составляющая напряжения на нагрузочном резисторе не уменьшается, так как отсутствует сколько-нибудь значительное падение напряжения этой составляющей на очень малом активном сопротивлении дросселя.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 38

Рисунок 29 - Г-образные фильтры. а- LC-типа, б) RC-типа

С учетом рекомендаций по выбору значений Сф и Lф, изложенных ранее,

выражение для коэффициента сглаживания LC-фильтра можно записать в виде

2

S= осн LфCф 1

Оно позволяет рассчитать параметры этого фильтра по заданному значению

коэффициента сглаживания:

S+1

LфCф =

2

 ос н

В расчетах по формулам одним из параметров (индуктивностью или емкостью)

элементов фильтра задаются исходя из габаритов, массы и стоимости элементов.

В маломощных выпрямителях, у которых сопротивление нагрузочного резистора составляет несколько кОм, вместо дросселя Lф включают Rф

что существенно уменьшает массу, габариты и стоимость фильтра. При выборе Хсф<Rф, на резисторе Rф создается значительно большее падение напряжения от переменных составляющих выпрямленного тока, чем на резисторе RH. Если выбрать

значение Rф, из соотношения RH/(Rн+Rф) = 0,5 0,9, то падение постоянной

составляющей напряжения на резисторе Rф будет минимальным. В итоге доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении по отношению к постоянной составляющей на нагрузочном резисторе Rф значительно уменьшается. Коэффициент

сглаживания для Г-образного RС-фильтра определяется из выражения

S = (0,5 0,9) оснRфСф

Следует отметить, что коэффициент сглаживания RС-фильтра меньше, чем у

LC-фильтра.

П-образные фильтры

П-образный фильтр относится к многозвенным фильтрам, так как состоит из

емкостного фильтра (Сф1) и Г-образного LC-фильтра LфСФ2) или RС-фильтра (RфСф2) (рисунок 4, а, б). Коэффициент сглаживания многозвенных фильтров равен (при соблюдении определенных условий) произведению коэффициентов составных

звеньев (фильтров). Поэтому коэффициент сглаживания П-образного фильтра

_п = _с* г

где _{с г} — коэффициенты сглаживания С-фильтра и Г-образного фильтра.

Рисунок 30 - Схемы П-образных LC-фильтра (а) и RС-фильтра (б)

При сопротивлениях нагрузочного устройства в несколько килоом применяют

П-образные СRС-фильтры, а при малых сопротивлениях (несколько Ом) — CLC- фильтры. Наибольший коэффициенте сглаживания П-образного фильтра достигается

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 39

при условии C_Ф1,= С_Ф2. П-образные фильтры целесообразно применять, если

коэффициент сглаживания должен быть равен 100—1000 и более.

Больше коэффициент сглаживания П-образного фильтра по сравнению с Г- образным достигается за счет ухудшения таких параметров выпрямителя, как габариты масса и стоимость.

2.2.3. Транзисторные сглаживающие фильтры.

По сравнению с пассивными транзисторные (активные) сглаживающие

фильтры имеют ряд преимуществ:

выше качественные и удельные показатели;

малая зависимость коэффициента сглаживания от изменения нагрузки;

широкополосность по частотному диапазону;

малая вероятность возникновения опасных режимов при переходных

процессах;

отсутствие сильных магнитных полей; простота унификации.

Недостатки:

на транзисторах фильтра, работающем в активном режиме, рассеивается

значительная мощность, поэтому к.п.д. транзисторных сглаживающих

фильтров несколько меньше, чем пассивных фильтров.(Если на дросселе

индуктивно-емкостного фильтра падает напряжение 1...2 В, то в

транзисторном фильтре на регулирующем транзисторе - до 3...5 В.)

Принцип действия активных фильтров основан на свойстве транзистора создавать в определѐнных режимах работы различные сопротивления для переменного и постоянного токов.

Характерны два способа построения фильтров.

Первый способ состоит в том, что транзистор включается по схеме с общим

коллектором (ОК) (рисунок 29). Ток коллектора I_К в схеме фильтра ОК мало зависит

от величины приложенного к переходу коллектор-эмиттер напряжения U_К при

постоянном значении тока базы.

На рисунке 30 приведены графики зависимости I_К=f(U_К) при I_б=const

(выходнаяхарактеристика).

Рисунок 31 - Схема транзисторного Рисунок 32 - График зависимости тока коллектора от

фильтра ОК напряжения на переходе коллектор- эмиттер при

различных значения тока базы.

Если провести на графике нагрузочную прямую (через точки U_К=U_ВХ при I_КО=0

и I_К=U_ВХ/R_Н при U_К=0) и выбрать на ней рабочую точку А {U_К0, I_КО}, то

сопротивление транзистора переменой составляющей тока в точке А (динамическое

сопротивление R_Д)

Rд =

Uк

Iк

будет много больше его сопротивления постоянному току

(статическое сопротивление R_С)

Rс =

U_к0 ,

Iк0

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П.

40

т.е. R_Д >> R_С.

Принцип его работы заключается в следующем. (Ток базы жестко зафиксирован

и не изменяется (почти)переменным сигналом в отличии от обычного усилителя). На коллектор транзистора VT1 поступает напряжение с большой амплитудой пульсации, а цепь базы питается через интегрирующую цепь R1C1, которая сглаживает пульсации напряжения на базе (следовательно напряжение на базе транзистора и ток базы зафиксирован). Сопротивление резистора R1 выбирают из условия достаточности тока базы для обеспечения заданного тока в нагрузке. Чем больше постоянная времени T=R1C1, тем меньше пульсации напряжения на базе. Так как устройство представляет собой эмиттерный повторитель, то на выходе фильтра пульсации будут столь же малыми, как и на базе.

Емкость конденсатора С1 может быть в несколько раз меньше, чем у конденсатора в LC-фильтре, так как базовый ток намного меньше выходного тока

фильтра (коллекторного тока транзистора) - примерно в h21э ( ) раз.

Таким образом, сглаживание пульсаций в фильтре ОК обеспечивается RC фильтром в базовой цепи, а транзистор VT предназначен для усиление сигнала по мощности (эмиттерный повторитель!). Резистор R задаѐт режим работы транзистора по постоянному току, устанавливая ток базы.

Другими словами, его достоинства аналогично достоинствам индуктивного фильтра и его включают в схему сглаживающего Г-образного фильтра или П-

образного фильтра вместо дросселя. Но для этого I_б нужно поддерживать постоянным,

то есть исключить его пульсации.

Преимущество этого фильтра - в простоте.

К недостаткам следует отнести,

во-первых, противоречивые требования к значению сопротивления резистора

R1 (для уменьшения пульсации на выходе фильтра следует увеличивать

сопротивление (увеличивать _RC цепи), а для повышения КПД фильтра -

уменьшать (увеличивать ток базы, переводя транзистор в более открытое

состояние)),

во-вторых, сильная зависимость параметров фильтра от температуры, времени,

значения тока нагрузки, статического коэффициента передачи тока базы транзистора. В таких фильтрах обычно резистор R1 подбирают опытным путем.

Коэффициент сглаживания фильтра определяется, как:

S = 2f_mCR

Методы повышения эффективности транзисторных фильтров

Бурное развитие миниатюризации привело к стремлению уменьшить габариты

фильтров с сохранением их параметров.

Увеличение коэффициента сглаживания возможно либо за счет увеличения величины емкости С, что ведет к увеличению габаритов или за счет увеличения величины сопротивления R, что также не приемлемо (уменьшается ток базы и как следствие ток коллектора и ток нагрузки).

Разработаны и применяются следующие основные методы повышения

эффективности транзисторных фильтров:

Применение отдельного источника питания для базовой цепи

С цель увеличения R и обеспечения режима по постоянному току применяют

следующую схему:

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 41

Рисунок 33 - Схема транзисторного фильтра с Рисунок 34 - Схема транзисторного фильтра с

дополнительным источником в базовой цепи фиксацией тока базы за счет дополнительного

делителя

На рисунок 31 представлена схема фильтра, у которого пульсации выходного напряжения меньше, так как он позволяет увеличить сопротивление резистора R1. Такая возможность обусловлена тем, что цепь базы здесь питается от отдельного

источника питания с напряжением U_б, большим, чем у основного источника (Uвх).

Мощность, выделяющаяся на резисторе R1, незначительна, поскольку ток базы мал.

Однако, наряду с положительным эффектом уменьшения пульсации, этому фильтру присущи те же недостатки, что и выполненному по схеме на рисунок29. Кроме того, в этом фильтре транзистор может войти в режим насыщения и тогда пульсации со входа будут без какого бы то ни было ограничения переданы на выход фильтра. Насыщение транзистора наступит тогда, когда по каким-либо причинам напряжение на базе превысит напряжение на коллекторе.

Фиксация тока базы за счет дополнительного делителя

На рисунок 32 представлена схема фильтра, позволяющего избежать

зависимости выходных параметров от температуры, времени, нагрузки и коэффициента h21э транзистора. Ток через делитель R1R2 выбирают в 510 раз большим, чем ток, ответвляющийся в базу. Поэтому выходное напряжение фильтра будет определяться распределением входного напряжения на делителе.

Недостатки фильтра: меньший КПД по сравнению с собранными по схемам на рисунок29 и 31, необходимость увеличения емкости конденсатора С1 для получения того же уровня пульсации на выходе, что и у предыдущих фильтров.

Применение в фильтре составных транзисторов

Для еще большего увеличения коэффициента сглаживания применяют

составные транзисторы. Применение, которых, позволяет при сохранении величины тока коллектора, существенно уменьшить ток базы транзистора и соответственно

увеличить величину сопротивления R_б.

I_б3

Рисунок 35 - Схема транзисторного фильтра на составных транзисторах

I_н

₁₂₃

Такое включение значительно увеличивает коэффициент передачи регулирующего транзистора и уменьшает выходную проводимость h₂₂. Применяется

при больших I_н. Резисторы R₄ R₅ предназначены для создания цепи протекания

теплового тока I_К0 . Недостаток этого устройства - сравнительно невысокий КПД.

Второй способ построения активного фильтра состоит в том, что транзистор включается по схеме с общей базой (ОБ), рисунок 34. Режим работы транзистора по постоянному току определяется величиной Rб, а сглаживающее действие - постоянной времени цепочки R1C1. Эта цепь стабилизирует ток эмиттера, если R1C1 >> Tn, где Tn

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 42

- период пульсации. В этом режиме транзистор обладает большим дифференциальным

сопротивлением и малым статическим, что эквивалентно дросселю в LC-фильтрах. Принцип работы фильтра аналогичен работе фильтра по схеме с ОК.

Рисунок 36 - Схема активного фильтра с ОБ

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 43

2.3. Стабилизаторы напряжения

2.3.1. Назначение и классификация стабилизаторов. Основные

параметры

Стабилизатором напряжения (тока) называют устройство, автоматически обеспечивающее поддержание напряжения (тока) нагрузочного устройства с заданной степенью точности.

Напряжение (ток) нагрузочного устройства может сильно изменяться не только при

изменениях нагрузочного тока I_н, но и за счет воздействия ряда дестабилизирующих

факторов. Одним из них является изменение напряжения промышленных сетей

переменного тока. В соответствии с ГОСТ 5237—69 это напряжение может отличаться от номинального значения в пределах от +5 до —15%.

Другими дестабилизирующими факторами являются изменение температуры окружающей среды, колебание частоты тока и т. д.

Применение стабилизаторов диктуется тем, что современная электронная аппаратура может нормально функционировать при нестабильности питающего напряжения 0,1—3%, а для отдельных функциональных узлов электронных устройств нестабильность должна быть еще меньше.

Классификация стабилизаторов

Стабилизаторы классифицируют по ряду признаков:

1) по роду стабилизируемой величины

— стабилизаторы напряжения

— стабилизаторы тока;

2) по способу стабилизации

— параметрические стабилизаторы

— компенсационные стабилизаторы.

-стабилизаторы непрерывного регулирования -стабилизаторы импульсного регулирования

При параметрическом способе стабилизации используют некоторые приборы с нелинейной вольтамперной характеристикой, имеющей пологи участок, где напряжение (ток) мало зависит от дестабилизирующих факторов. К таким приборам относятся стабилитроны, бареттеры, лампы накаливания и т.п.

При компенсационном способе стабилизации постоянство напряжения (ток) обеспечивается за счет автоматического регулирования выходного напряжения (тока) источника питания. Это достигается за счет введения отрицательной обратной связи между выходом и регулирующим элементом, который изменяет свое сопротивление так, что компенсирует возникшее отклонение выходной величины.

Параметры стабилизаторов

Основным параметром, характеризующим качество работы все стабилизаторов,

является коэффициент стабилизации.

Как отмечалось, определяющими дестабилизирующими факторами, из-за которых изменяются выходные величины стабилизатора, являются входное напряжение

стабилизатора U_вх и нагрузочный ток I_н

Для стабилизатора напряжения коэффициент стабилизации по напряжению

U_вх

K_стU = U_вх U_вых

U_вых

где: U_вх и U_вых — приращения входного и выходного напряжений,

а U_вх и U_вых — номинальные значения входного и выходного напряжений.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 44

для стабилизатора тока коэффициент стабилизации тока

U_вх

K_стI = UIвх _н

I_н

где: I_н и I_н — соответственно приращение и номинальное значение нагрузочного

тока.

Помимо коэффициента стабилизации стабилизатор характеризуются такими

параметрами, как

-внутреннее сопротивление R_i ст ;

-коэффициент полезного действия _ст.

Значение внутреннего сопротивления стабилизатора R_i ст позволяет определить

падение напряжения на стабилизаторе, а следовательно, и напряжение на нагрузочном

устройстве U_н при изменениях нагрузочного тока.

Коэффициент полезного действия стабилизатора характеризует мощность потерь в

нем и является основным энергетическим показателем стабилизатора:

_ст = Р_н ,

Р_н + Р_п

где Р_н — полезная мощность в нагрузочном устройстве; Р_п — мощность потерь.

Температурный коэффициент стабилизации напряжения (тока)

Величина, определяемая отношением относительного изменения

стабилизированного напряжения (тока) к абсолютному изменению температуры

окружающей среды:

_стU = U_ст (Вольт/градус), показывает на сколько вольт изменится величина

t

стабилизированного напряжения при изменении температуры на 1 С.

В ряде случаев необходимо учитывать массу, габариты и срок службы используемых

стабилизатора

2.3.2. Параметрические стабилизаторы на полупроводниковых

приборах

В параметрических стабилизаторах напряжения режим стабилизации

осуществляется за счет нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) регулирующего элемента. От ВАХ зависит качество стабилизации. В параметрических стабилизаторах напряжения находят применение элементы, ВАХ которых представлена на рисунке 35.

Рисунок 37 - ВАХ нелинейного элемента Рисунок 38 - Однокаскадный параметрический

стабилизатор напряжения на стабилитроне

Степень нелинейности ВАХ на рабочем участке ВС оценивается отношением динамического и статического сопротивлений.

Статическое сопротивление R_С - это сопротивление, которое оказывает

нелинейный элемент постоянному по величине току в выбранной рабочей точке А

характеристики: R_С=U₀/I₀=tga.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 45

Динамическое сопротивление элемента R_Д равно отношению изменения падения

напряжения на элементе ∆U к изменению величины тока ∆I, протекающего через элемент.

Динамическое сопротивление является тем сопротивлением, которое оказывает элемент

изменениям протекающего через него тока: R_Д=∆U/∆I=tgb.

Статическое и динамическое сопротивления не равны между собой и изменяются в

зависимости от величины напряжения и тока : Рa < Рb; R_С > R_Д.

В качестве нелинейных элементов в параметрических стабилизаторах напряжения

используются газоразрядные и кремниевые стабилитроны. Схемы параметрических стабилизаторов с использованием стабилитронов применяются для стабилизации напряжения при мощности в нагрузке до нескольких ватт. Достоинство таких схем - простота исполнения и малое количество элементов, недостаток - отсутствие плавной регулировки и точной установки номинального значения выходного напряжения, кроме этого, у таких схем мал к.п.д..

Схема стабилизатора (рисунок 36) состоит из гасящего сопротивления R_Г,

включенного последовательно с нагрузкой, и стабилитрона VD, включенного параллельно

нагрузке.

Рассмотрим принцип действия данного стабилизатора. На рисунке 37 изображены ВАХ стабилитрона и нагрузки. Так как сопротивление нагрузки и стабилитрон включены параллельно, то для построения суммарной характеристики необходимо сложить

характеристики сопротивления R_Н (прямая ОА ) и стабилитрона VD по оси токов.

Полученная кривая представляет собой зависимость U₂=f(I_Н+I_СТ). Рабочий участок этой

кривой получается смещением характеристики стабилитрона на величину тока нагрузки

I_Н. Отложив на оси ординат величину входного напряжения U₀, строим из этой точки

характеристику сопротивления R_Г. Точка пересечения этой характеристики с суммарной

характеристикой сопротивления нагрузки и стабилитрона определяет установившийся

режим для данной величины входного напряжения. При изменении входного напряжения

характеристика сопротивления R_Г перемещается и соответственно перемещается рабочая

точка на суммарной характеристике U₂=f(I_Н+I_СТ).

Рисунок 39 - ВАХ стабилитрона и нагрузки

Как видно из рисунка 37, при изменении входного напряжения от U_1MIN до U_1MAX

напряжение на сопротивлении нагрузки изменятся от U₂₍₁₎ до U₂₍₂₎, причем изменение выходного напряжения DU₂ значительно меньше изменения напряжения на входе DU₁.

Для определения основных показателей качества параметрического стабилизатора

постоянного напряжения представим его функциональной схемой для изменений напряжения на входе (рисунок 38). Считая, что стабилизатор нагружен на активное

сопротивление R_Н, изменение DU1 является медленным и дифференциальное

сопротивление стабилитрона неизменно в пределах рабочего участка характеристики

стабилитрона. Тогда, передаточная функция, связывающая возмущение на входе DU1 с реакцией на выходе DU2 , представляется коэффициентом деления.

Определим основные параметры такого стабилизатора, для чего в исходной схеме стабилитрон заменим его эквивалентной схемой и введем во входную цепь (рисунок38)

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 46

источник напряжения, соответствующий изменению входного напряжения U_1. Тогда

можно записать:

Рисунок 40 - Функциональная схема параметрического стабилизатора постоянного напряжения при

изменении напряжения

(1)

Преобразуя (1), имеем

(2)

Из (1) определяем

(3)

Отношение DU₁/DU₂ является дифференциальным коэффициентом стабилизации

K_СТ. Д., который связан с коэффициентом стабилизации K_{СТ. U} выражением

K_{СТ. U}=K_СТ. Д.·K₀ (4)

где K₀=U₂/U₁- коэффициент передачи постоянной составляющей напряжения

стабилизатора. Величина R_б определяется по приближенной формуле:

R_б = U_вх U_ст

2I_н

Достоинством диодного стабилизатора напряжения является простота его

устройства.

Недостатком:

-малая экономичность (работе от свежей батареи общий потребляемый ток равен

удвоенному значению тока нагрузки).

-невозможность стабилизации больших токов, превышающих по своей величине максимальный ток диода (ток не может быть более 20—40 мА.).

В этом отношении диодно-транзисторный стабилизатор представленный на схеме рисунок 41 имеет явные преимущества, которые обусловлены включением между диодным стабилизатором транзисторного каскада по схеме с общим коллектором. Поскольку напряжение на эмиттере практически полностью повторяет напряжение на базе, то диодно-транзисторный стабилизатор по сравнению с диодным стабилизатором

позволяет либо увеличить в раз ток нагрузки при неизменном токе через диод, либо в

раз сократить ток через диод при неизменном токе нагрузки (здесь усиление

транзистора Т₁ по постоянному току).

Рисунок 41 - Схема диодно-транзисторного стабилизатора

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 47

Таким образом, некоторое усложнение схемы диодного стабилизатора за счет

добавления одного транзистора окупается большей экономичностью работы устройства.

Расчет элементов диодно-транзисторного стабилизатора.

Тип диода Д₁ выбирается исходя из требуемого напряжения стабилизации, а

сопротивление резистора R₁ определяется по формуле:

R₁ (E₁ U_ст)(В) (кОМ)

2I_Н (мА)

при этом учитывая, что стабилитроны хорошо работают при токе через них не

менее 1—2 мА. Максимальное значение сопротивления R₁ не должно быть более:

R₁ (E₁ U_ст)(В) (кОМ)

(2 ÷ 4)мА

Тип транзистора выбирается исходя из мощности, рассеиваемой на коллекторе

P_к U_ст I_н

Энергетические возможности диодно-транзисторного стабилизатора ограничены в

основном величиной максимального тока коллектора и допустимой мощностью рассеяния применяемого транзистора и могут исчисляться десятками ампер и ватт.

2.3.3. Компенсационные стабилизаторы непрерывного действия.

Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы

автоматического регулирования, и обеспечиваю поддержание величины выходного напряжения (тока) в заданных пределах при допустимых изменениях входного напряжения, температуры и тока потребляемого нагрузкой.

Характерными элементами компенсационного стабилизатора являются источник опорного (эталонного) напряжения (ИОН), сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ) и регулирующий элемент (РЭ).

В качестве ИОН обычно используют ту или иную электронную цепь на основе стабилитрона, в качестве СУЭ часто используют операционный усилитель, а в

качестве РЭ — биполярный или полевой транзистор.

В зависимости от режима работы регулирующего элемента стабилизаторы

разделяют на:

компенсационные стабилизаторы непрерывного действия; импульсные стабилизаторы (ключевые, релейные).

В стабилизаторах непрерывного действия регулирующий элемент (транзистор) работает в активном режиме, а в импульсных — в импульсном.

Основным недостатком стабилизаторов с непрерывным регулированием является невысокий КПД, поскольку значительный расход мощности имеет место в регулирующем элементе, так как через него проходит весь ток нагрузки, а падение напряжения на нем равно разности между входным и выходным напряжениями стабилизатора.

Принцип работы: Компенсационный стабилизатор напряжения представляет собой управляемый делитель входного напряжения, состоящий из сопротивления нагрузки и регулирующего элемента, работающего в линейном (усилительном) режиме. Выходное напряжение стабилизатора или некоторая часть этого напряжения сравнивается с эталонным (опорным) и возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается усилителем и воздействует на регулирующий элемент стабилизатора, изменяя его режим работы (внутреннее сопротивление) таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось практически постоянным.

Компенсационные стабилизаторы напряжения в зависимости от места расположения регулирующего элемента (РЭ) разделяются на стабилизаторы с последовательным и параллельным включением РЭ. На рисунке представлена функциональная схема стабилизатора напряжения с последовательным РЭ.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 48

а) б)

Рисунок 42- Структурная схема компенсационного стабилизатора непрерывного действия, а) -

последовательного, б) - параллельного

Силовая цепь стабилизатора представляет из себя регулирующий элемент (РЭ) и

нагрузку (R_Н). За счет изменения падения напряжения на РЭ поддерживается постоянство

напряжения на нагрузке U2. Цепь отрицательной обратной связи по напряжению (ООС)

включает в себя: делитель напряжения (ДН), усилитель постоянного тока (УПТ), источник

эталонного напряжения (U_ЭТ). Напряжение обратной связи (U_ОС) снимается с нижнего

плеча ДН (RД2) и подается на вход УПТ, где происходит сравнение U_ОС и U_ЭТ. В УПТ усиливается разностное напряжение ( сигнал ошибки Ue=U_ОС-U_ЭТ), что приводит к

изменению тока управления (IУ) и изменению падения напряжения на РЭ (UРЭ).

Напряжение на выходе (U2) при этом восстанавливается до своего первоначального значения. Например, при возрастании напряжения на входе (U1) или уменьшении тока

нагрузки происходит увеличение сигнала ошибки (Ue), уменьшение тока управления (I_У)

и увеличение напряжения на РЭ и восстановление напряжения на нагрузке.

Схема имеет более высокий КПД по сравнению со стабилизатором напряжения с параллельным РЭ. Недостатком схемы является невысокая надежность из-за возможных перегрузок РЭ по току.

Рассмотрим функциональную схему стабилизатора напряжения с параллельным

расположением РЭ:

При возрастании входного напряжения U1 в первоначальный момент времени

увеличивается напряжение на нагрузке U2 и, следовательно, U_ОС. Последнее приводит к

возрастанию напряжения ошибки U_e, тока управления I_У и потребляемого тока I1. При этом увеличивается падение напряжения на балластном резисторе ∆U_Rб и напряжение в

нагрузке восстанавливается, т.е. уменьшается.

Схема имеет невысокий КПД из-за потерь на балластном резисторе R_б, но более

высокую надежность, т.к. так как силовой транзистор включен параллельно по

отношению к нагрузке и не подвергается воздействию при коротких замыканиях.

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения

На рисунке 40 представлена принципиальная схема компенсационного

стабилизатора непрерывного действия с последовательным РЭ. Регулирующий элемент выполнен на транзисторе VT1, УПТ на транзисторе - VT2, источником эталонного напряжения служит стабилитрон VD, резистор R2 ограничивает ток стабилитрона. Делитель напряжения выполнен на резисторах R3, R4.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 49

Рисунок 43 - Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения

При возрастании напряжения U1 в первоначальный момент времени возрастает

напряжение на нагрузке U2 и напряжение обратной связи U_ОС, снимаемое с нижнего

плеча делителя напряжения R4. Напряжение ошибки Ue увеличивается, потенциал

эмиттера транзистора VT2 остается постоянным, а потенциал базы становится наиболее

положительным. Транзистор VT2 открывается, что приводит к увеличению тока I_K2. По

закону Кирхгофа для узла:

I_б1=I1-I_K2, поэтому ток базы транзистора VT1 уменьшается и транзистор

призакрывается. Падение напряжения U_КЭ1 увеличивается, а напряжение в нагрузке

восстанавливается.

Рассмотрим перемещение рабочей точки на выходных характеристиках транзистора (РЭ) при возрастании входного напряжения. При этом нагрузочная прямая перемещается параллельно вправо по отношению к нагрузочной прямой для номинального уровня U1ном.

При возрастании напряжения U1 катет прямоугольного треугольника U2 остается постоянным, изменяется падение напряжения U_КЭ1=U1-U2. Рабочая точка переходит из

положения "1" в "2".

Рассмотрим принцип действия компенсационного стабилизатора при изменении тока нагрузки.

При возрастании тока нагрузки возрастает потребляемый ток от источника I_К1, что

приводит к увеличению падения напряженя на РЭ - U_КЭ1 и уменьшению напряжения на

нагрузке. Рабочая точка переходит из положения "1" в "2" и происходит приоткрывание

транзистора VT1 за счет увеличения тока базы. Напряжение на нагрузке восстанавливается.

Коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора напряжения

Компенсационный стабилизатор - это система автоматического регулирования с

ООС.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 50

Рисунок 44 - Структурная схема стабилизатора, представленного как система с обратной связью

Дестабилизирующими факторами для выходного напряжения являются изменение тока нагрузки, температурный режим нелинейных элементов и изменение напряжения на входе. На выходе схемы сравнения получаем сигнал ошибки, как разность управляющего сигнала и эталонного напряжения. По сигналу ошибки Ue изменяется состояние РЭ, засчет чего поддерживается постоянство напряжения на выходе U2. Качество стабилизации компенсационного стабилизатора определяется значением петлевого

коэффициента усиления Кпет:

К_ст =  (1+ К_пет)

К_пет = К₁ К₂ К₃

где К1- коэффициент передачи делителя цепи обратной связи;

К2=1*2*** n- коэффициент усиления по току составного транзистора УПТ,

если в качестве УПТ используется операционный усилитель (рисунок 45), то

Рисунок 45 - Схема включения ОУ в качестве УПТ

Для компенсационных стабилизаторов напряжения непрерывного действия - К3= 1*2*** n - коэффициент усиления по току составного транзистора РЭ.

Способы повышения качества стабилизации в компенсационных

стабилизаторах непрерывного действия

Существуют следующие способы повышения качества стабилизации в

компенсационных стабилизаторах непрерывного действия:

1. Увеличение коэффициента усиления по постоянному току за счет использования в качестве УПТ вместо транзистора операционного усилителя. При этом повышается коэффициент стабилизации за счет увеличения коэффициента усиления, но снижается

устойчивость системы с замкнутой ООС. Включение цепей коррекции

(интегродифференцирующих звеньев) исключает частотные изменения коэффициента усиления и повышает устойчивость. На рисунке приведена схема компенсационного стабилизатора с параллельным РЭ и операционным усилителем. При возрастании напряжения U1 в первоначальный момент времени увеличивается напряжение на нагрузке UН. Это приводит к увеличению напряжения обратной связи и повышению положительного потенциала на базе транзистора VT1. Транзистор VT1 приоткрывается, возрастает ток, потребляемый от источника U1, увеличивается падение напряжения на балластном резисторе R1 и напряжение на нагрузке восстанавливается.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 51

Рисунок 46 - Схема параллельного компенсационного стабилизатора с ОУ в качестве УПТ

2. Введение токостабилизирующего звена (стабилизатора тока) в выходной цепи УПТ,

при этом исключается влияние изменений входного напряжения на выходной ток усилителя.

Рисунок 47 - Схема компенсационного стабилизатора со стабилизатором тока на выходе УПТ

При возрастании входного напряжения U1 напряжение на стабилитроне VD1 остается постоянным, что позволяет поддерживать постоянство напряжения между базой

и эмиттером транзистора VT₁. При этом выходной ток стабилизатора тока (VT₁) остается

постоянным. Поэтому выходной ток УПТ становится зависимым только от уровня

напряжения обратной связи.

3. Введение дополнительных источников эталонного напряжения, которые устанавливаются в цепи эмиттера и базы транзисторного усилителя, при этом повышается чувствительность стабилизатора.

Рисунок 48- Схема компенсационного стабилизатора с дополнительным источником питания

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 52

2.4.Импульсные источники питания

2.4.1.Принципиальная схема импульсного стабилизатора.

Назначение, принцип действия

Импульсные стабилизаторы напряжения (СН) в настоящее время получили распространение не меньшее, чем непрерывные стабилизаторы. Благодаря применению ключевого режима работы силовых элементов таких стабилизаторов, даже при значительной разнице в уровнях входных и выходных напряжений можно получить КПД,

равный 70 80 %, в то время как у непрерывных стабилизаторов он составляет 30 50%.

В импульсных СН применяется регулирующий транзистор, непрерывно переключаемый устройством управления (УУ) из состояния насыщения в состояние отсечки с частотой 5..50 кГц. Получаемая последовательность импульсов с амплитудой источника питания поступает на узел накопления энергии, состоящего из катушки и конденсатора, где преобразуется в требуемое постоянное напряжение. Регулирование величины выходного напряжения осуществляется изменением скважности импульсов. Мощность, рассеваемая транзисторным ключом и катушкой, невелика, поэтому такой стабилизатор имеет высокий КПД. Малые потери в силовых элементах приводят к умень- шению или даже исключению охлаждающих радиаторов, что значительно уменьшает

массогабаритные показатели

Достоинства импульсных СН:

достаточно высоким КПД (до 60%);

низкая выделяемая мощность;

малые габариты;

использование импульсного стабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из

схемы силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшает показатели стабилизаторов.

Основными недостатками импульсных СН являются:

более высокая сложность изготовления, в частности необходимость использования

катушки индуктивности;

наличие интенсивных электрических помех, жесткие требования к диапазону

нагрузок (короткое замыкание и холостой ход не всегда допустимы);

наличие пульсаций выходного напряжения.

Для уяснения принципа работы рассмотрим импульсный последовательный

стабилизатор напряжения (рисунок 42.). Ключ S периодически включается и выключается схемой управления (СУ) в зависимости от значения напряжения на нагрузке.

Напряжение на выходе регулируют, изменяя отношение (tвкл/tвыкл), скважность

импульсов напряжения Q

R_н

Рисунок 49 - Структурная схема импульсного последовательного стабилизатора напряжения

где t_вкл, t_выкл — длительности отрезков времени, на которых ключ находится

соответственно во включенном и выключенном состояниях.

Схема управления работает таким образом, что период следования импульсов, открывающий ключ S постоянен, а меняется только длительность импульсов, то есть управляющие импульсы в зависимости от величины выходного напряжения модулируются по ширине такой метод называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Когда ключ S замкнут конденсатор С заряжается по цепи:

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 53

+Uвх ключ S индуктивность L С (параллельно) Rн -Uвх

величина напряжения до которого зарядится конденсатор С зависит только от времени нахождения в замкнутом состоянии ключа S (так как постоянная времени цепи заряда не

меняется (угол наклона прямой постоянен)).

Одновременно с этим в это же время за счет протекания тока заряда С и тока нагрузки происходит накопление энергии в магнитном поле катушки L. Количество энергии зависит от времени замкнутого состояния ключа.

Когда ключ S разомкнут энергия магнитного поля катушки L и заряд на емкости С выступают в виде источника ЭДС который поддерживает ток через нагрузку.

Разряд конденсатора происходит по цепи:

IразС - +С Rн -С

Разряд индуктивности происходит по цепи:

L Rн VD L

За счет совместного действия С и L снижает пульсации напряжения на выходе.

Чем большее время ключ S находится в замкнутом состоянии, тем больше на-

пряжение на выходе.

Схема управления СУ сравнивая Uвых с Uст вырабатывает управляющий импульс

длительность которого пропорциональна разности между Uвых с Uст

В качестве ключа S как правило используют биполярный или полевой транзистор

Рисунок 50 - Осциллограммы напряжений импульсного СН, объясняющие принцип регулирования

выходного напряжения

Величина напряжения на выходе стабилизатора определяется выражением:

U_вых = U_вх (1 t_и ) I₀ r

T

где: r -сопротивление зарядной цепи r = Rн+rдр

t_и - длительность импульсов управлении

T - период следования импульсов управлении.

Параметры элементов схемы выбирают исходя из следующих отношений:

L_кр 0,5 t_и U_вх ( T t_и )

I₀ T + r

Значение индуктивности выбирается из следующего соотношения

L> Lкр

в этом случаи ток через дроссель практически постоянен и коэффициент пульсации

на выходе будет равен:

 = ( T t_и )

2R_Н C

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 54

2.4.2.Функциональная схема импульсного стабилизатора

постоянного напряжения

Импульсный стабилизатор напряжения включает в себя РЭ (VT1), сглаживающий фильтр (LC), схему управления.

Силовой контур импульсного стабилизатора имеет три состояния. При подаче управляющего импульса (U_ШИМ) на силовой транзисторный ключ VT1 происходит

передача напряжения источника питания U1 через открытый транзистор в нагрузку.

Накапливается реактивная энергия в дросселе сглаживающего фильтра L. При размыкании ключа (на интервале паузы широтномодулированного (ШИМ) сигнала) энергия дросселя передается через обратный диод VD в нагрузку. Если на интервале паузы ток дросселя спадает до нуля, то возникает режим прерывистого тока дросселя, при котором конденсатор разряжается в нагрузку. Схема управления включает в себя: делитель напряжения (R5, R6) с коэффициентом деления K1=R6/(R5+R6); усилитель сигнала рассогласования с коэффициентом передачи K2 (Ue=UОС-UЭТ); компаратор напряжения K3, который формирует ШИМ - сигнал. Он равен "1", если уровень пилообразного напряжения больше уровня напряжения UОС. При возрастании входного напряжения U1 уменьшается площадь между уровнем напряжения "пилы" и UОС, что приводит к уменьшению по длительности ШИМ- сигнала. Среднее значение напряжения на выходе при этом уменьшается, т.е. U2 восстанавливается.

Рисунок 51 - Осциллограммы импульсного СП

2.4.3.Конверторы, назначение, основные схемы, принцип работы.

Конвертором называют преобразователь постоянного напряжения одного значения напряжения в другое.

Функционально конвертор включает в себя следующие узлы:

Инвертор - осуществляет преобразование поступающего на вход

постоянное напряжение в переменное напряжение высокой (20-40кГц)

частоты;

Выпрямитель с фильтром.

В настоящее время применяют два типа конверторов:

1) преобразователи постоянного напряжения с самовозбуждением; 2) импульсные преобразователи постоянного напряжения.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 55

Принцип инвертирования напряжения

Для построения схемы инвертора напряжения воспользуемся принципом

дуальности. Инвертор является устройством, противоположным выпрямителю, т.к. он преобразует напряжение постоянного тока в разнополярное напряжение прямоугольной или синусоидальной формы. Поменяем местами источник с нагрузкой в схеме

выпрямителя и получим схему инвертора напряжения:

а) б)

Рисунок 52 - Принцип синтеза инвертора напряжения. а) выпрямитель, б) инвертор

Для формирования двухполярного напряжения необходимо определенным образом управлять ключевыми элементами. Обеспечить стабилизацию (регулирование) напряжения на выходе инвертора можно изменением длительности импульсов управления ключами в зависимости от дестабилизирующих факторов.

Транзисторный двухтактный инвертор напряжения с самовозбуждением

Транзисторный инвертор с насыщающимся трансформатором

На рисунке 48 представлена принципиальная схема транзисторного инвертора

напряжения с насыщающимся трансформатором, где R₁, R₂ - создают смещение на базе

транзисторов VT1 и VT2, работающих в ключевом режиме, конденсатор C - обеспечивает

прохождение переменной составляющей напряжения обратной связи, обмотки W_OC1, W_OC2

- образуют цепь положительной обратной связи (ПОС) по напряжению для этого они

включены согласно по отношению к обмоткам силового контура W₁₁, W₁₂.

Запуск схемы обеспечивается за счет асимметрии плеч инвертора (транзисторы

VT1, VT2 имеют различные ВАХ). Иногда приходится делать принудительный запуск

схемы в момент включения, если асимметрия недостаточна для первоначального пуска.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 56

Рисунок 53 -Транзисторный инвертор с насыщающимся трансформатором и его осциллограммы

При преобладании коллекторного тока в полуобмотке W₁₁ за счет разностного тока

формируется ЭДС с полярностью, указанной красным цветом на рисунке. На выходе

инвертора напряжения имеет место положительный сигнал прямоугольной формы. За счет

обмотки ПОС происходит приоткрывание VT₁ и призакрывание VT₂. Нарастание

коллекторного тока I_К1 имеет лавинообразный характер, которое прекращается при заходе в область насыщения транзистора или трансформатора. Скорость изменения потока (Ф₀)

снижается и происходит смена полярности ЭДС во всех обмотках трансформатора T,

приоткрывается транзистор VT2 и процессы повторяются. Частота преобразования

инвертора определяется выражением:

С увеличением тока нагрузки происходит уменьшение частоты преобразования за счет увеличения потерь на транзисторных ключах. Если рассматривать реальные процессы, то к концу полупериода работы инвертора напряжения происходит "спад"

вершины импульса U₂ за счет влияния цепи намагничивания на величину коллекторного

тока, что приводит к значительным потерям на силовых ключах. В моменты коммутации

ключей возникает переходной процесс, обусловленный индуктивностью рассеяния и

емкостью коллекторного перехода транзистора. В начале импульса U₂ имеет место

"дребезг" сигнала.

Транзисторные инверторы напряжения с внешним управлением

Двухтактные транзисторные инверторы напряжения

Мостовая схема инвертора напряжения

Мостовая схема инвертора напряжения представленная на рисунке 49, применяется

на больших мощностях при повышенном уровне напряжения источника питания. Сигналы управления X1X4 поступают таким образом, что в каждом полупериоде два транзистора включены, а два других выключены.

Рисунок 54 -Мостовая схема инвертора напряжения и его осциллограммы при различных алгоритмах

управления

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 57

Существует два алгоритма управления ключевыми элементами инвертора

напряжения: симметричный и несимметричный. На рисунке приведены временные зависимости токов и напряжений для этих двух алгоритмов. Рассмотрим принцип действия инвертора при симметричном алгоритме управления.

При подачи управляющих импульсов X1, X4 на транзисторы VT1, VT4 на

интервале времени [t₃ ;t₄] ток протекает по контуру:

"+" U₁ ; коллектор- эмиттер VT1; обмотка трансформатора (T) в первичной цепи;

коллектор- эмиттер VT4;

"-" U₁. На этом же интервале накапливается реактивная энергия в цепи

намагничивания трансформатора T, происходит плавное нарастание тока в первичной

цепи по экспоненциальному закону.

На интервале [t₄; t₅] осуществляется рекуперация энергии в источник U₁ через

обратные диоды по контуру:

"+" ЭДС (E₁); VD3; противоположное направление по отношению к U₁; VD2;

"-" E₁. Тока источника спадает до нуля.

В плече моста инвертора напряжения достаточно управлять одним ключом для

осуществления стабилизации напряжения на выходе инвертора (U₂), другой ключ можно

удерживать в открытом состоянии, что исключает воздействие инвертора на входной

источник. Рассмотрим принцип действия инвертора при несимметричном алгоритме управления.

На интервале времени [t₀; t₂ ] за период работы второго и третьего ключей в цепи

намагничивания трансформатора T накопилась реактивная энергия. На интервале [t₂; t₃]

происходит рекуперация энергии в нагрузку по контуру:

"+" ЭДС (E₁); VD1; коллектор - эммитер VT3; "-" E₁.

Если на данном интервале ток I₁ не снизился до нуля (т.е. ток не поменял свой

знак), то на интервале [t₃; t₄] энергия передается в источник по контуру:

"+" ЭДС (E₁); VD1; противоположное направление по отношению к U₁; VD4; "-" E₁, при этом образуется "полочка" в форме напряжения U₂.

Транзисторный инвертор с емкостным делителем напряжения (полумостовой

инвертор)

Схема полумостового инвертора напряжения представленная на рисунке 50, представляет собой мостовой инвертор, у которого одна пара транзисторных ключей (например, VT3, VT4 рисунок 49) заменена на емкостной делитель напряжения, что позволило существенно уменьшить внутреннее сопротивление инвертора.

Рисунок 55 - Полумостовой инвертор и его осциллограммы

Транзисторные ключи VTl, VT2 противофазно открываются и закрываются сигналами u₁ и u₂ (см. рисунок 50), момент времени t₀-t₂ соответствует открытому

состоянию транзистора VTl, a t₄-t₅ — транзистора VT2. При этом первичная обмотка

трансформатора ТV1.1 оказывается подключенной к выходу емкостного делителя

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 58

напряжения СЗ, С4, вследствие этого напряжение на запертых транзисторах не превышает

значения Е_пит/2.

Однако, в некоторые моменты времени (пуск, переключение, коммутация нагрузки

и др.) напряжение на транзисторах в закрытом состоянии может превысить это значение.

Так, при закрывании транзистора VT1 (момент времени t₂) на интервале t₂-t₃ на его

коллекторе происходит нарастание напряжения, время нарастания определяется временем

заряда конденсатора С1 и разряда С2 под воздействием тока обмотки трансформатора TV1. 1. С одной стороны, это вызывает увеличение тока через транзистор VT2 в момент открывания, а с другой стороны, задерживает нарастание коллекторного напряжения

относительно спада тока при запирании транзистора VT1. На интервале t₂-t₃ напряжение

на коллекторе VT1 имеет характерный выброс до напряжения питания Е_пит, который обусловлен действием индуктивности рассеивания L_S. Демпфирование выброса может

осуществляться RC-цепочками, однако, это снижает КПД устройства, поэтому в источ-

никах питания малой мощности их не применяют. Нарастание тока на интервалах t₁t₂, t₄-t₅

обусловлено нарастанием тока намагничивания трансформатора ТV1.1 и дросселя

выходного фильтра.

В момент времени t₄ сигнал управления U1 открывает транзистор VT1 и все

процессы повторяются. Следовательно, после очередной коммутации транзисторов, токи

в первичной и вторичной обмотках трансформатора, уменьшаясь по значению, сохраняют свое первоначальное направление в течение некоторого интервала времени, так как после переключения транзисторов и смены полярности выходного напряжения ток в нагрузке скачком измениться не может.

При этом реактивная энергия, накопленная в нагрузке и трансформаторе, возвращается в систему электроснабжения через открытый транзистор, который оказывается при этом в инверсном режиме. Для обеспечения контура возврата этой энергии в схемы вводятся дополнительные возвратные диоды VDl, VD2, подключаемые параллельно транзисторам. Необходимость применения этих диодов определяется значением коэффициента передачи силовых транзисторов в режиме их инверсного включения.

Учитывая, что параметры транзисторов в инверсном включении обычно не оговариваются, упомянутые диоды обычно включаются независимо от типа применяемых транзисторов.

Двухтактным схемам свойственно явление «сквозных токов», причиной которого является инерционность перехода транзистора из включенного состояния в выключенное из-за конечного времени рассасывания избыточных неосновных носителей. Так как время включения транзистора значительно меньше его выключения, то при управлении выходным силовым каскадом прямоугольным импульсным напряжением без паузы существует время, в течение которого открыты транзисторы обоих плеч преобразователя. Это приводит к значительному росту тока через транзисторы. Способом борьбы со сквозными токами является создание фиксированной задержки открывающего сигнала по отношению к закрывающем (данная задержка получила название «мертвое время»).

К достоинствам схемы инвертора можно отнести: малые потери в силовой цепи за счет коммутации одного ключа на каждом такте работы схемы. За счет конденсаторов поддерживается баланс токов в схеме за период работы, что исключает возникновение асимметричного режима намагничивания трансформатора. Кроме того, в этой схеме малый уровень обратного напряжения на ключах, поэтому схема может использоваться при высоких входных напряжениях.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 59

2.5.Блоки питания персонального компьютера (ПК)

2.5.1. Структурные схемы ИП ПК.

2.5.1.1. Схема ИП ПК АТ форм фактора, особенности и основные

параметры.

Главное назначение источников питания ПК - преобразование электрической энергии, поступающей из сети переменного тока, в энергию, пригодную для питания узлов компьютера.

Блок питания преобразует сетевое переменное напряжение 220 В, 50 Гц (120 В, 60 Гц) в постоянные напряжения +5 и +12В. -5 и -12. Как правило, для питания цифровых схем (системной платы, плат адаптеров и дисковых накопителей) используется

напряжение +5 В, а для двигателей (дисководов и различных вентиляторов) -- +12 В.

Кроме питающих напряжений, блок вырабатывает сигнал Р.G. (Powеr Good) — питание в норме. Этот сигнал с уровнем в 3-5В вырабатывается через 0,1-0,5 с после включения питания при нормальных выходных напряжениях блока. При отсутствии этого сигнала на системной плате непрерывно вырабатывается сигнал аппаратного сброса процессора, появление сигнала «выпускает» систему в нормальную работу. Этот сигнал должен сброситься раньше, чем пропадет напряжение +5В при отключении блока.

Характеристики БП

Источники конструктива АТ имеют следующие характеристики при средней

мощности 230 Вт:

Среднее время наработки на отказ (среднее время безотказной работы), или среднее

время работы до первого отказа (параметр MTBF (Mean Time Between Failures) либо MTTF (Mean Time To Failure)). Это расчетный средний интервал времени в часах, в течение которого ожидается, что источник питания будет функционировать корректно.

Диапазон изменения входного напряжения (или рабочий диапазон), при котором

может работать источник питания. Для напряжения 110 В диапазон изменения входного напряжения обычно составляют значения от 90 до 135 В; для входного напряжения 220 В — от 180 до 270 В.

Пиковый ток включения. Это самое большое значение тока, обеспечиваемое

источником питания в момент его включения; выражается в амперах (А). Чем меньше ток, тем меньший тепловой удар испытывает система.

Время (в миллисекундах) удержания выходного напряжения в пределах точно

установленных диапазонов напряжений после отключения входного напряжения. Обычно 15-25 мс для современных блоков питания.

Переходная характеристика. Количество времени (в микросекундах), которое

требуется источнику питания, чтобы установить выходное напряжение в точно определенном диапазоне после резкого изменения тока на выходе. Другими словами, количество времени, требуемое для стабилизации уровней выходных напряжений после включения или выключения системы.

Защита от перенапряжений. Это значения (для каждого вывода), при которых

срабатывают схемы защиты и источник питания отключает подачу напряжения на конкретный вывод. Значения могут быть выражены в процентах (например, 120% для +3,3 и +5 В) или так же, как и напряжения (например, +4,6 В для вывода +3,3 В; 7,0 В для вывода +5 В).

Максимальный ток нагрузки. Это самое большое значение тока (в амперах), который

может быть подан на конкретный вывод (без нанесения ущерба системе). Этот параметр указывает конкретное значение силы тока для каждого выходного напряжения. По этим данным вычисляется не только общая мощность, которую может выдать блок питания, но и количество устройств, которые можно подключить к нему.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 60

Минимальный ток нагрузки. Самое меньшее значение тока (в амперах), который

может быть подан на конкретный вывод (без нанесения ущерба системе). Если ток, потребляемый устройствами на конкретном выводе, меньше указанного значения, то источник питания может быть поврежден или может автоматически отключиться.

Стабилизация по нагрузке (или стабилизация напряжения по нагрузке). Когда ток на

конкретном выводе увеличивается или уменьшается, слегка изменяется и напряжение. Стабилизация по нагрузке — изменение напряжения для конкретного вывода при перепадах от минимального до максимального тока нагрузки (и наоборот). Значения выражаются в процентах, причем обычно они находятся в пределах от ±1 до ±5% для выводов +3,3, +5 и +12 В.

Стабилизация линейного напряжения. Это характеристика, описывающая изменение

выходного напряжения в зависимости от изменения входного напряжения (от самого низкого до самого высокого значения). Источник питания должен корректно работать при любом переменном напряжении в диапазоне изменения входного напряжения,

причем на выходе оно может изменяться на 1% или меньше. 

Эффективность (КПД). Отношение мощности, подводимой к блоку питания, к

выходной мощности; выражается в процентах. Для современных источников питания значение эффективности обычно равно 65-85%. Оставшиеся 15-35% подводимой мощности преобразуются в тепло в процессе превращения переменного тока в

постоянный.. 

Пульсация (Ripple) (или пульсация и шум (Ripple and Noise), или пульсация

напряжения (AC Ripple), или PARD (Periodic and Random Deviation — периодическая и случайная девиация), или шум, уровень шума). Среднее значение пиковых (максимальных) отклонений напряжения на выводах источника питания; измеряется в милливольтах (среднеквадратичное значение). Эти колебания напряжения могут быть вызваны переходными процессами внутри источника питания, колебаниями частоты подводимого напряжения и другими случайными помехами.

Устройство и работа

БП имеет следующую структурную схему:

Структурная схема источника (рисунок 51) состоит из двух функциональных узлов:

сетевого выпрямителя (СВ);

преобразователя напряжения (ПН).

Преобразователь напряжения (ПН) включает в себя:

конвертор (К);

устройство управления (УУ).

Конвертор (К) состоит из:

инвертора (И), преобразующего постоянное выходное напряжение СВ в

переменное прямоугольной формы;

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 61

Рисунок 56 - Структурная схема БП конструктива АТ

СВ-сетевой выпрямитель; ПН - преобразователь напряжения;

К-конвертор:

И- регулируемый инвертор; УИ - усилители импульсов базового тока силовых ключей инвертора; ВФ - выпрямитель и сглаживающий фильтр; ВВ -

вспомогательный выпрямитель.

УУ - устройство управления;

СС - схема сравнения; М - модулятор.

силового трансформатораТР1, работающего ни повышенной частоте (~60 кГц) и

обеспечивающего гальваническую развязку сети с нагрузкой;

выпрямителя и высокочастотного LC фильтра (ВФ).

Устройство управления(УУ) выполняет следующие функции:

обеспечивает мощные транзисторы инвертора импульсами возбуждения

изменяемой длительности, реализуя, принцип широтно-импульсного

регулирования и стабилизации выходного напряжения (ШИР) Uн.

выполняет функции плавного включения и аварийного отключения блока питания. задержку включения ЦП на время необходимого для окончания переходных

процессов в БП путем выдачи сигнала «Напряжение в норме» (Power Good)

Согласование маломощных выходных сигналов логических элементов УУ с

входами силовых транзисторов выполняется усилителями импульсов (УИ) через трансформатор VТ2, который обеспечивает гальваническую развязку.

В качестве схемы управления УУ используется многофункциональная ИМС типа TL494, предназначенная для управления импульсными источниками вторичною электропитания различного вида [З].

Ее аналогами являются ИМС РС494, IR3MO2, КА7500 и отечественная КР1114ЕУ4.

После запуска инвертора устройство управления получает питание от вспомогательного выпрямителя (ВВ).

Сетевой выпрямитель СВ выполняет функции выпрямления напряжения сети и сглаживания пульсации; обеспечивает режим плавной зарядки конденсаторов фильтра путем последовательного включения терморезистора TH1 ограничивающего пусковой ток заряда конденсаторов до допустимого значения при включении источника; обеспечивает бесперебойность подачи энергии в нагрузку при кратковременных (до 300 мсек) провалах напряжения сети ниже допустимого уровня и уменьшает уровень помех за счет

применения помехоподавляющих фильтров

На выходы СВ формируется постоянное напряжение, которое может составлять 264-340 В для однофазной сети ~220 В с учетом допуска -15%...+10%.

Силовая часть регулируемого инвертора выполнена по полумостовой схеме на транзисторных ключах.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 62

Поддержание выходного напряжения на заданном уровне осуществляется

следующим образом - часть выходного напряжения (как правело +5В) поступает на вход схемы управления, туда же поступает и часть опорного напряжения. Расположенная в

схеме управления схема разности вырабатывает сигнал ошибки U_со , амплитуда которого

пропорционально величине отклонения выходного напряжения от величины опорного

напряжения, а знак определяет направление отклонения (больше или меньше). С помощью компаратора сигнала ошибки сигнал ошибки преобразуется в импульсное напряжение длительность которого пропорциональна величине сигнала ошибки (ШИР). Данные импульсы и управляют работой инвертора.

Рисунок 57- Схема источника питания АТ-форм фактора

2.5.1.2. Особенности ИП АТХ форм фактора

В последнее время широкое развитие получили источники питания типа АТХ.

Устройство и работа

Стандарт ATX (AT Extension) установлен корпорацией INTEL с введением нового

форм-фактора на материнские платы (форм-фактор — отношение ширины платы к ее длине, а также план размещения посадочных гнезд). Появление нового форм-фактора обусловлено ожидаемым расширением возможностей персональных компьютеров: аудио- и видеовходы, поддержка виртуальной реальности, реализация ввода-вывода TV, а также факс-модема.

В источниках питания для конструктива ATX (в дальнейшем — источник) изменен разъем для подключения питания к системной плате. Он имеет 20 контактов, и через него подаются напряжения ±5 В, ±12 В, +3,3 В (для будущих моделей PCI плат расширения). Кроме того, на разъем выводится сигнал "PS-ON", предназначенный для выключения питания программными средствами, например, по команде "Shut down the computer" ("выключить компьютер") в среде WINDOWS.

В связи с этим в блок питания добавлен вспомогательный источник дежурного питания "+5 VSB" и дистанционное управление включением и выключением выходов источников постоянного напряжения. Все выходные напряжения, кроме "+5 VSB", запрещаются сигналом лог. "1" на входе "PS-ON".

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 63

Рисунок 58 - Структурная схема БП конструктива АТХ

И - регулируемый инвертор; ВПр - вспомогательный преобразователь для "+5VSB"; УИ - усилители импульсов базового тока силовых

ключей инвертора; СТ - линейный стабилизатор "+5 VSB".

Структурная схема источника (рисунок 52) состоит из двух функциональных узлов:

сетевого выпрямителя (СВ)

преобразователя напряжения (ПН).

Преобразователь напряжения (ПН) включает в себя:

конвертор (К);

устройство управления (УУ).

Конвертор, в свою очередь, состоит из:

инвертора (И), преобразующего постоянное выходное напряжение СВ в

переменное прямоугольной формы;

силового трансформатора ТV1, работающего ни повышенной частоте (~60 кГц) и

обеспечивающего гальваническую развязку сети с нагрузкой;

выпрямителя и высокочастотного LC фильтра (ВФ).

Устройство управления выполняет следующие функции:

обеспечивает мощные транзисторы инвертора импульсами возбуждения

изменяемой длительности, реализуя, таким образом, принцип широтно- импульсного регулирования и стабилизации выходного напряжения Uн.

выполняет функции плавного включения и аварийного отключения блока питания.

Согласование маломощных выходных сигналов логических элементов с входами

силовых транзисторов выполняется усилителями импульсов (УИ) через трансформатор ТV2, который обеспечивает гальваническую развязку.

Схема вспомогательного преобразователя (ВПр) обеспечивает напряжениями питания усилители импульсов, узлы схемы управления и линейный стабилизатор "+5 VSB".

После запуска инвертора устройство управления получает питание от вспомогательного выпрямителя (ВВ).

Сетевой выпрямитель СВ выполняет функции выпрямления напряжения сети и сглаживания пульсации; обеспечивает режим плавной зарядки конденсаторов фильтра путем последовательного включения терморезистора TH1 ограничивающего пусковой ток заряда конденсаторов до допустимого значения при включении источника; обеспечивает бесперебойность подачи энергии в нагрузку при кратковременных (до 300 мсек) провалах напряжения сети ниже допустимого уровня и уменьшает уровень помех за счет

применения помехоподавляющих фильтров

Цепи защиты и контроля. Защита источников питания проявляется в критических режимах работы, а также в тех случаях, когда действие обратной связи может привести к предельным режимам работы элементов схемы, предупреждая тем самым выход из строя силовых и дорогостоящих элементов схемы.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 64

В результате действия цепей защиты снимаются выходные управляющие сигналы с

ШИМ - контроллера, транзисторы преобразователя находятся в выключенном состоянии, выходное вторичное напряжение отсутствует.

Следует различать такие цепи защиты:

• от короткого замыкания в нагрузке;

• от чрезмерного тока в транзисторах полумостового преобразователя; • защиту от превышения напряжения.

Первые два типа защиты близки по действию и связаны с предупреждением отдачи преобразователем большой мощности в нагрузку. Действуют они при перегрузках источника питания или же неисправностях в преобразователе. Защита от превышения напряжения может возникать при перепадах входного напряжения и в некоторых других случаях.

2.5.1.3. Структурная схема м/с ШИМ-контроллера, основные

элементы, принцип работы

В современных ИБП для формирования управляющего напряжения переключения мощных транзисторов преобразователя обычно используются специализированные интегральные микросхемы (ИМС).

В качестве схемы управления в подавляющем большинстве случаев

используется микросхема типа TL494CN, выпускаемая фирмой TEXAS INSTRUMENT (США) (рисунок11). Она выпускается рядом зарубежных фирм под разными наименованиями. Например, фирма SHARP (Япония) выпускает микросхему IR3M02. фирма FAIRCHILD (США) - иА494, фирма SAMSUNG (Корея) - КА7500, фирма FUJITSU (Япония) -МВ3759 и т.д. Все эти микросхемы являются полными аналогами отечественной микросхемы КР1114ЕУ4. Рассмотрим подробно устройство и работу этой управляющей микросхемы. Она специально разработана для управления силовой частью

ИБП и содержит в своем составе (рисунок 53):

генератор пилообразного напряжения DA6; частота ГПН определяется номиналами

резистора и конденсатора, подключенных к 5-му и 6-му выводам, и в рассматриваемом

классе БП выбирается равной, примерно 60 кГц;

источник опорного стабилизированного напряжения DA5 (Uref=+5,0B) с внешним

выходом (вывод 14);

Рисунок 59 - Структурная схема м/с ШИМ-контроллера

компаратор "мертвой зоны" DA1;

компаратор ШИМ DA2;

усилитель ошибки по напряжению DA3;

усилитель ошибки по сигналу ограничения тока DA4;

два выходных транзистора VT1 и VT2 с открытыми коллекторами и эмиттерами;

динамический двухтактный D-тригтер в режиме деления частоты на 2 - DD2;

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П.

65

вспомогательные логические элементы DD1 (2-ИЛИ). DD3 (2-И). DD4 (2-И), DD5 (2-

ИЛИ-НЕ), DD6 (2-ИЛИ-НЕ), DD7 (НЕ);

источник постоянного напряжения с номиналом 0,1В DA7; источник постоянного тока с номиналом 0,7мА DA8.

Схема управления будет запускаться, т.е. на 8 и 11 выводах появятся последовательности импульсов в том случае, если на вывод 12 подать любое питающее напряжение, уровень которого находится в диапазоне от 7 до 40 В.

Всю совокупность функциональных узлов, входящих в состав ИМС TL494 можно

условно разбить на

цифровую часть

аналоговую часть (цифровой и аналоговый тракты прохождения сигналов).

К аналоговой части относятся:

усилители ошибок DA3. DA4. компараторы DAI. DA2.

генератор пилообразного напряжения DA6,

вспомогательные источники DA5. DA7. DA8.

Все остальные элементы, в том числе и выходные транзисторы, образуют

цифровую часть (цифровой тракт)

Рассмотрим в начале работу цифрового тракта. Временные диаграммы, поясняющие работу микросхемы, приведены на рис 13. Из временных диаграмм видно, что моменты появления выходных управляющих импульсов микросхемы, а также их длительность (диаграммы 12 и 13) определяются состоянием выхода логического эле- мента DD1 (диаграмма 5). Остальная "логика" выполняет лишь вспомогательную функцию разделения выходных импульсов DD1 на два канала. При этом длительность выходных импульсов микросхемы определяется длительностью открытого состояния ее выходных транзисторов VT1. VT2. Так как оба эти транзистора имеют открытые кол- лекторы и эмиттеры, то возможно двоякое их подключение При включении по схеме с общим эмиттером выходные импульсы снимаются с внешних коллекторных нагрузок транзисторов (с выводов 8 и 11 микросхемы), а сами импульсы направлены выбросами вниз от положительного уровня (передние фронты импульсов отрицательны) Эмиттеры транзисторов (выводы 9 и 10 микросхемы) в этом случае, как правило, заземляются. При включении по схеме с общим коллектором внешние нагрузки подключаются к эмиттерам транзисторов и выходные импульсы, направленные в этом случае выбросами вверх (передние фронты импульсов положительны), снимаются с эмиттеров транзисторов VT1. VT2. Коллекторы этих транзисторов подключаются к шине питания управляющей микросхемы (Upom).

Выходные импульсы остальных функциональных узлов, входящих в состав цифровой части микросхемы TL494. направлены выбросами вверх, независимо от схемы включения микросхемы.

Триггер DD2 является двухтактным динамическим D-триггером. Принцип его работы заключается в следующем. По переднему (положительному) фронту выходного импульса элемента DD1 состояние входа D триггера DD2 записывается во внутренний регистр. Физически это означает, что переключается первый из двух триггеров, входящих в состав DD2. Когда импульс на выходе элемента DD1 заканчивается, то по заднему (отрицательному) фронту этого импульса переключается второй триггер в составе DD2. и состояние выходов DD2 меняется (на выходе О появляется информация, считанная со входа D). Это исключает возможность появления отпирающего импульса на базе каждого из транзисторов VT1, VT2 дважды в течение одного периода. Действительно, пока уровень импульса на входе С триггера DD2 не изменился, состояние его выходов не изменится Поэтому импульс передается на выход микросхемы по одному из каналов, например верхнему (DD3. DD5, VT1) Когда импульс на входе С заканчивается, триггер DD2 переключается, запирает верхний и отпирает нижний канал (DD4, DD6, VT2).

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 66

Поэтому следующий импульс, поступающий на вход С и входы DD5. DD6 будет пере-

даваться на выход микросхемы по нижнему каналу Таким образом каждый из выходных импульсов элемента DD1 своим отрицательным фронтом переключает триггер DD2 и этим меняет канал прохождения следующего импульса. Поэтому в справочном материале на управляющую микросхему указывается, что архитектура микросхемы обеспечивает подавление двойного импульса, т.е. исключает появление двух отпирающих импульсов на базе одного и того же транзистора за период.

Рассмотрим подробно один период работы цифрового тракта микросхемы.

Появление отпирающего импульса на базе выходного транзистора верхнего (VT1)

либо нижнего (VT2) канала определяется логикой работы элементов DD5, DD6 ("2ИЛИ- НЕ") и состоянием элементов DD3. DD4 ("2-И"), которое, в свою очередь, определяется состоянием триггера DD2.

Логика работы элемента 2-ИЛИ-НЕ, как известно, заключается в том, что на выходе такого элемента появляется напряжение высокого уровня (логическая 1) в том лишь единственном случае, если на обоих его входах присутствуют низкие уровни напряжений (логические 0). При остальных возможных комбинациях входных сигналов на выходе элемента 2 ИЛИ-НЕ присутствует низкий уровень напряжения (логический 0). Поэтому если на выходе Q триггера DD2 присутствует логическая 1 (момент I, диаграммы 5 рисунок13), а на выходе Q - логический 0. то на обоих входах элемента DD3 (2И) окажутся логические 1 и, следовательно, логическая 1 появится на выходе DD3. а значит и на одном из входов элемента DD5 (2ИЛИ-НЕ) верхнего канала. Следовательно, не- зависимо от уровня сигнала, поступающего на второй вход этого элемента с выхода элемента DD1. состоянием выхода DD5 будет логический 0, и транзистор VT1 останется в закрытом состоянии Состоянием же выхода элемента DD4 будет логический 0, т.к. логический 0 присутствует на одном из входов DD4. поступая туда с выхода /Q триггера OD2. Логический 0 с выхода элемента DD4 поступает на один из входов элемента DD6 и обеспечивает возможность прохождения импульса через нижний канал. Этот импульс положительной полярности (логическая 1) появится на выходе OD6, а значит и на базе

VT2 на время паузы между выходными импульсами элемента

DD1 (т.е. на время, когда на выходе OD1 присутствует логический 0 - интервал i,-i₂

диаграммы 5 рис 13) Поэтому транзистор VT2 открывается и на его коллекторе

появляется импульс выбросом вниз от положительного уровня (в случае включения по схеме с общим эмиттером).

Начало следующего выходного импульса элемента DD1 (момент I, диаграммы 5 рисунок 13) не изменит состояния элементов цифрового тракта микросхемы, за исключением элемента DD6. на выходе которого появится логический 0. и поэтому транзистор VT2 закроется. Завершение выходного импульса DD1 (момент ij) обусловит изменение состояния выходов триггера DD2 на противоположное (логический 0 - на выходе О. логическая 1 - на выходе /О). Поэтому поменяется состояние выходов элементов DD3 DD4 (на выходе DD3 - логический 0. на выходе DD4 - логическая 1). Начавшаяся в момент Ь пауза на выходе элемента DD1 обусловит возможность от- крывания транзистора VT1 верхнего канала Логический 0 на выходе элемента DD3 "подтвердит" эту возможность, превращая ее в реальное появление отпирающего импульса на базе транзистора VT1 Этот импульс длится до момента U. после чего VT1 закрывается, и процессы повторяются.

Таким образом основная идея работы цифрового тракта микросхемы заключается в том. что длительность выходного импульса на выводах 8 и 11 (либо на выводах 9 и 10) определяется длительностью паузы между выходными импульсами элемента DD1 Элементы DD3. DD4 определяют канал прохождения импульса по сигналу низкого уровня, появление которого чередуется на выходах О и /О триггера OD2. управляемого тем же элементом DD1 Элементы DD5, DD6 представляют собой схемы совпадения по низкому уровню.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 67

Для полноты описания функциональных возможностей микросхемы следует

отметить еще одну важную ее особенность. Как видно из функциональной схемы рисунке входы элементов DD3. DD4 объединены и выведены на вывод 13 микросхемы. Поэтому если на вывод 13 подана логическая 1, то элементы DD3, DD4 будут работать как повторители информации с выходов Q и /Q триггера DD2. При этом элементы DD5, OD6 и транзисторы VT1. VT2 будут переключаться со сдвигом по фазе на половину периода, обеспечивая работу силовой части ИБП, построенной по двухтактной полумостовой схеме. Если на вывод 13 будет подан логический 0. то элементы DD3. DD4 будут заблокированы, т.е. состояние выходов этих элементов не будет изменяться (постоянный логический 0) Поэтому выходные импульсы элемента DD1 будут воздействовать на элементы DD5. DD6 одинаково. Элементы DD5. DD6. а значит и выходные транзисторы VTl, VT2. будут переключаться без сдвига по фазе (одновременно). Такой режим работы управляющей микросхемы используется в случае, если силовая часть ИБП выполнена по однотактной схеме. Коллекторы и эмиттеры обоих выходных транзисторов микросхемы в этом случае объединяются с целью умощнения.

В качестве «жесткой» логической единицы в двухтактных схемах используется выходное напряжение внутреннего источника микросхемы Uref (вывод 13 микросхемы

объединяется с выводом 14)

Теперь рассмотрим работу аналогового тракта микросхемы

Состояние выхода DD1 определяется выходным сигналом компаратора ШИМ DA2

(диаграмма 4). поступающим на один из входов DD1. Выходной сигнал компаратора DA1 (диаграмма 2). поступающий на второй вход DD1. не влияет в нормальном режиме работы на состояние выхода DD1. которое определяется более широкими выходными

импульсами ШИМ - компаратора DA2

Кроме того, из диаграмм рисунок13 видно, что при изменениях уровня напряжения на не инвертирующем входе ШИМ компаратора (диаграмма 3) ширина выходных импульсов микросхемы (диаграммы 12, 13) будет пропорционально изменяться. В нормальном режиме работы уровень напряжения на не инвертирующем входе компаратора ШИМ DA2 определяется только выходным напряжением усилителя ошибки DA3 (г к. оно превышает выходное напряжение усилителя DA4). которое зависит от уровня сигнала обратной связи на его не инвертирующем входе (вывод 1 микросхемы) Поэтому при подаче сигнала обратной связи на вывод 1 микросхемы ширина выходных управляющих импульсов будет изменяться пропорционально изменению уровня этого сигнала обратной связи, который, е свою очередь, изменяется пропорционально изменениям уровня выходного напряжения ИБП. т.к. обратная связь заводится именно

оттуда

Промежутки времени между выходными импульсами на выводах 8 и 11 микросхемы, когда оба выходных транзистора VT1 и VT2 ее закрыты, называются

"мертвыми зонами"

Компаратор DA1 называется компаратором "мертвой зоны", т.к. он определяет

минимально возможную ее длительность. Поясним это подробнее

Из временных диаграмм рис 13 следует, что если ширина выходных импульсов ШИМ- компаратора DA2 будет в силу каких-либо причин уменьшаться, то начиная с некоторой ширины этих импульсов выходные импульсы компаратора DA1 станут шире выходных импульсов ШИМ- компаратора DA2 и начнут определять состояние выхода логического элемента DD1. а значит и. ширину выходных импульсов микросхемы Дру- гими словами, компаратор DA1 ограничивает ширину выходных импульсов микросхемы на некотором максимальном уровне Уровень ограничения определяется потенциалом на не инвертирующем входе компаратора DA1 (вывод 4 микросхемы) в установившемся режиме. Однако, с другой стороны, потенциал на выводе 4 будет определять диапазон широтной регулировки выходных импульсов микросхемы. При увеличении потенциала на выводе 4 этот диапазон сужается. Самый широкий диапазон регулировки получается тогда, когда потенциал на выводе 4 равен о.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 68

Однако в этом случае появляется опасность, связанная с тем. что ширина "мертвой

зоны" может стать равной 0 (например, в случае значительного возрастания потребляемого от ИБП тока). Это означает, что управляющие импульсы на выводах 8 и 11 микросхемы будут следовать непосредственно друг за другом. Поэтому может возникнуть ситуация, известная под названием "пробой по стойке". Она объясняется инерционностью силовых транзисторов инвертора, которые не могут открываться и закрываться мгновенно. Поэтому, если одновременно на базу открытого до этого транзистора подать запирающий сигнал, а на базу закрытого транзистора - отпирающий (т.е. с нулевой "мертвой зоной"), то получится ситуация, когда один транзистор еще не закрылся, а другой уже открыт. Тогда и возникает пробой по транзисторной стойке полумоста, который заключается в протекании сквозного тока через оба транзистора. Ток этот, как видно из схемы рисунок 5. минует первичную обмотку силового трансформатора и практически ничем не ограничен. Защита по току в этом случае не работает, т.к ток не протекает через токовый датчик (на схеме не показан; конструкция и принцип действия применяемых токовых датчиков будут подробно рассмотрены в последующих разделах), а значит, этот датчик не может выдать сигнал на схему управления. Поэтому сквозной ток достигает очень большой величины за очень короткий промежуток времени. Это приводит к резкому возрастанию выделяющейся на обоих силовых транзисторах мощности и практически мгновенному выходу их из строя (как правило, пробой). Кроме того, броском сквозного тока могут быть выведены из строя диоды сипового выпрямительного моста. Процесс этот заканчивается перегоранием сетевого предохранителя, который из-за своей инерционности не успевает защитить элементы схемы. а лишь защищает от перегрузки первичную сеть.

Поэтому управляющее напряжение; подаваемое на базы силовых транзисторов должно быть сформировано таким образом чтобы, сначала надежно закрывался бы один

из этих транзисторов, а уже потом открывался бы другой

Другими словами, между управляющими импульсами, подаваемыми на базы силовых транзисторов обязательно должен быть временной сдвиг, не равный нулю ("мертвая зона") Минимальная допустимая длительность "мертвой зоны" определяется инерционностью применяемых в качестве силовых ключей транзисторов.

Архитектура микросхемы позволяет регулировать величину минимальной длительности "мертвой зоны" с помощью потенциала на выводе 4 микросхемы. Потенциал этот задается с помощью внешнего делителя, подключаемого к шине вы- ходного напряжения внутреннего опорного источника микросхемы Uret.

В некоторых вариантах ИБП такой делитель отсутствует Это означает, что после завершения процесса плавного пуска (см ниже) потенциал на выводе 4 микросхемы становится равным 0. В этих случаях минимально возможная длительность "мертвой зоны" все же не станет равной 0. а будет определяться внутренним источником на- пряжения DA7 (0,1В), который подключен к не-инвертирующему входу компаратора DA1 своим положительным полюсом, и к выводу 4 микросхемы - отрицательным Таким

образом, благодаря включению этого источника ширина выходного импульса

компаратора DA1. а значит и ширина "мертвой зоны*, ни при каких условиях не может стать равной 0, а значит "пробой по стойке" будет принципиально невозможен. Другими словами, в архитектуру микросхемы заложено ограничение максимальной длительности ее выходного импульса (минимальной длительности "мертвой зоны"). Если имеется делитель, подключенный к выводу 4 микросхемы, то после плавного пуска потенциал этого вывода не равен 0. поэтому ширина выходных импульсов компаратора DA1 оп- ределяется не только внутренним источником DA7, но и остаточным (после завершения процесса плавного запуска) потенциалом на выводе А. Однако при этом, как было сказано выше, сужается динамический диапазон широтной регулировки ШИМ компаратора DA2.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 69

Рисунок 60 - Осциллограммы напряжений в контрольных точках ШИМ контроллера

Стабилизация выходных напряжений

Схема стабилизации выходных напряжений, представляет собой замкнутую петлю

автоматического регулирования (рис 31) Эта петля включает в себя:

схему управления 8:

согласующий предусилитепьный каскад 9;

управляющий трансформатор TV2;

силовой каскад 2;

силовой импульсный трансформатор ТV1;

выпрямительный блок 3;

дроссель межканальной связи 4;

блок фильтров 5;

делитель напряжения обратной связи 6:

делитель опорного напряжения 7

В составе схемы управления 8 имеются следующие функциональные узлы:

усилитель сигнала рассогласования 8 1 с цепью коррекции Z_x,

ШИМ-компаратор (модулятор) 8.2;

генератор пилообразного напряжения (осциллятор) 8.3;

источник опорного стабилизированного напряжения Uref 8.4.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 70

В процессе работы усилитель сигнала рассогласования 8.1 сравнивает выходной

сигнал делителя напряжения с опорным напряжением делителя 7. Усиленный сигнал рассогласования поступает на широтно-импульсный модулятор 8.2, управляющий предоконечным каскадом усилителя мощности 9. который, в свою очередь, подает модулированный управляющий сигнал на силовой каскад преобразователя 2 через управляющий трансформатор ТV2.

Питание силового каскада производится по бестрансформаторной схеме Переменное напряжение питающей сети выпрямляется сетевым выпрямителем 1 и подается на силовой каскад, где сглаживается конденсаторами емкостной стойки. Часть

Рисунок 61 - Контур регулирования типового БП

1-сетевой выпрямитель; 2- регулируемый инвертор; 3 - выпрямитель; 4,5- сглаживающий фильтр; 6-делитель

выходного напряжения БП; 7- делитель опорного напряжения; 8 - устройство управления (шим - контроллер); 9 - усилители импульсов базового тока силовых ключей инвертора.

выходного напряжения стабилизатора сравнивается с постоянным опорным напряжением

и затем осуществляется усиление полученной разности (сигнала рассогласования) с введением соответствующей компенсации. Широтно-импульсный модулятор 8.2 преобразует аналоговый сигнал управления в широтно-модулированный сигнал с переменным коэффициентом заполнения импульса. В рассматриваемом классе ИБП схема модулятора осуществляет сравнение сигнала, поступающего с выхода усилителя сигнала рассогласования с напряжением пилообразной формы, которое получается от специального генератора 8 3.

Рассмотрим динамику процесса стабилизации.

Пусть под воздействием какого-либо дестабилизирующего фактора (например,

скачкообразного изменения нагрузки) выходное напряжение в канале +5в уменьшилось. Тогда уменьшится уровень сигнала обратной связи на неинвертирующем входе усилителя ошибки DA3. следовательно, выходное напряжение усилителя уменьшится. Поэтому увеличится ширина выходных импульсов микросхемы на выводах 8 и 11. Значит, увеличится время открытого состояния за период силовых ключевых транзисторов инвертора. Следовательно, большую, чем ранее, часть периода через первичную обмотку силового импульсного трансформатора будет протекать нарастающий ток. Следовательно, большую, чем ранее, часть периода в сердечнике трансформатора будет существовать нарастающий магнитный поток, а значит, дольше, чем ранее, на вторичных обмотках этого трансформатора будут действовать наведенные этим потоком ЭДС Другими словами, импульсы ЭДС на вторичной стороне силового трансформатора станут шире (при неизменном периоде следования). Поэтому увеличивается постоянная составляющая, выделяемая сглаживающим фильтром из импульсной последовательности после выпрямления, т е выходное напряжение канала +5В увеличится, возвращаясь к номинальному значению.

При увеличении выходного напряжения +5В процессы в схеме будут обратными

Стабилизация выходных напряжений остальных каналов может осуществляться

по-разному в разных схемах. Традиционным схемотехническим решением является

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 71

применение метода групповой стабилизации. Для этого в схему блока включается

специальный элемент межканальной связи, в качестве которого обычно используется мно- гообмоточный дроссель.

При этом изменение любого выходного напряжения приводит благодаря электромагнитной связи между обмотками дросселя групповой стабилизации к соответствующему изменению выходного напряжения +5В с последующим включением механизма ШИМ. Дроссель групповой стабилизации обычно представляет собой четыре обмотки (по одной обмотке в каждом выходном канале БП), намотанные на одном кольцевом ферритовом сердечнике и включенные синфазно В этом случае дроссель

выполняет в схеме две функции:

• функцию сглаживания пульсации выпрямленного напряжения - при этом каждая обмотка для своего канала представляет сглаживающий дроссель фильтра и работает как

обычный дроссель;

• функцию межканальной связи при групповой стабилизации - при этом благодаря электромагнитной связи через общий сердечник дроссель работает как трансформатор, передающий изменения величины токов, протекающих через обмотки каналов +12В. -12В и -5В в обмотку канала +5В.

Поясним это подробнее. Особенностью работы ИБП в персональном компьютере является то, что потребляемый от ИБП ток зависит от выполняемой в данный момент операции, т.е. скачкообразно изменяется. Пусть, например, в данный момент времени скачкообразно возросла токовая нагрузка в канале + 12В Увеличение тока через обмотку дросселя, включенную в канале +12В. вызывает увеличение магнитного потока в сер- дечнике дросселя. Изменение магнитного потока, в свою очередь, наводит во всех остальных обмотках дросселя ЭДС, полярность которых (благодаря синфазной намотке обмоток дросселя) во всех каналах оказывается включенной встречно по отношению к выходным напряжениям выпрямителей. Поэтому выходные напряжения всех каналов (в том числе и канала +5В) уменьшаются. Сигнал обратной связи с канала +5 В гальва- нически передается на схему ШИМ. которая увеличивает длительность выходных управляющих импульсов. Поэтому выходные напряжения всех каналов ИБП увеличиваются, возвращаясь к номинальному значению При изменении токовой нагрузки в других каналах схема работает аналогично Однако коэффициент стабилизации выход- ных напряжений во всех каналах, кроме канала +5 В. получается невысоким, т.е. стабилизация напряжений +12В, -12В и -5В будет хуже, чем в канале +5В, за которым производится непосредственное "слежение".

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 72

1. 2. 3. 4.

Контрольные вопросы и задания к разделу 2

Какое устройство называется выпрямителем и каковы его функции?

Каковы достоинства и недостатки основных схем выпрямителей?

Какова область применения основных схем выпрямителей?

Как определяется коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения и чему он

равен для основных схем выпрямителей?

5. Каков принцип работы основных схем выпрямителей?

6. Что такое внешняя характеристика выпрямителя и что она характеризует?

7. Какой вид внешней характеристики выпрямителя лучше и почему?

8. От каких параметров выпрямителя зависит характер внешней характеристики

выпрямителя и почему?

9. Как влияет индуктивный характер нагрузки выпрямителя на элементы выпрямителя и

почему?

10. Какие меры следует применять при индуктивном характере нагрузки?

11. Как влияет емкостной характер нагрузки выпрямителя на элементы выпрямителя и

почему?

12. Какие меры следует применять при емкостном характере нагрузки?

13. Каков алгоритм расчета схемы выпрямителя?

14. По каким параметрам производится выбор диодов для конкретной схемы

выпрямителя?

15. Что следует предпринять при отсутствии диодов с требуемой величиной обратного

напряжения, и как будут выглядеть основные схемы выпрямителей?

16. Что следует предпринять при отсутствии диодов с требуемой величиной

выпрямленного тока, и как будут выглядеть основные схемы выпрямителей?

17. Какова роль сглаживающих фильтров?

18. Каковы основные требования, предъявляемые к сглаживающим фильтрам?

19. Как классифицируются сглаживающие фильтры?

20. Чему равен и что характеризует коэффициент сглаживания фильтра?

21. Чему будет равен коэффициент сглаживания эквивалентного фильтра полученного

путем последовательного соединения нескольких однотипных фильтров?

22. Задание: Требуемый коэффициент пульсации на выходе источника питания равен

S₂=0,001, определить коэффициент сглаживания для фильтра, установленного на

выходе:

однополупериодного выпрямителя (S₁ =1,57);

двухполупериодного выпрямителя (S₁=0,67).

23. Пояснить принцип работы емкостного фильтра.

24. Как влияет на параметры емкостного фильтра величина сопротивления нагрузки и

почему?

25. Как влияет на параметры емкостного фильтра величина емкости фильтра и почему? 26. Пояснить принцип работы индуктивного фильтра.

27. Как влияет на параметры индуктивного фильтра величина сопротивления нагрузки и

почему?

28. Как влияет на параметры индуктивного фильтра величина индуктивности фильтра и

почему?

29. Пояснить принцип работы Г - образного фильтра LC - типа и RС - типа.

30. Когда следует применять Г - образные фильтры LC - типа, а когда Г - образные

фильтры RC - типа?

31. Пояснить принцип работы П - образного фильтра LC - типа и RС - типа.

32. Когда следует применять П - образные фильтры LC - типа, а когда П - образные

фильтры RC - типа?

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 73

33. Каковы преимущества активных фильтров по сравнению с пассивными и каковы их

недостатки?

34. Каков принцип работы активного фильтра?

35. Какие существую, схемы активных фильтров, и каким пассивным фильтрам они

соответствуют?

36. Какие существуют методы повышения эффективности активных фильтров и в чем их

суть?

37. Какое устройство называется стабилизатором?

38. Какова классификация стабилизаторов?

39. Каковы основные параметры стабилизаторов?

40. Каков принцип работы параметрического стабилизатора?

41. Как работает параметрический стабилизатор при увеличении (уменьшении) тока

нагрузки или входного напряжения?

42. Какова область применения диодно-транзисторного параметрического стабилизатора?

43. Задание. Определить величину балластного сопротивления диодного

параметрического стабилизатора напряжения используемого для устройства,

питаемого от гальванической батареи с начальным напряжением Е=9В. Ток нагрузки равен 5мА. В устройстве применяются стабилитроны следующих типов КСIЗЗ (Uст = 3,3 В), КС156А (Uст = 5,6В) и Д808 (Uст = 7,5В).

44. Перечислите основные элементы компенсационного стабилизатора непрерывного

действия.

45. Как работает последовательный компенсационный стабилизатор непрерывного

действия при увеличении (уменьшении) тока нагрузки или входного напряжения?

46. Как работает параллельный компенсационный стабилизатор непрерывного действия

при увеличении (уменьшении) тока нагрузки или входного напряжения?

47. Какие существуют способы повышения качества стабилизации в компенсационных

стабилизаторах непрерывного действия?

48. Каковы достоинства и недостатки импульсных стабилизаторов?

49. Каков принцип работы импульсных стабилизаторов напряжения?

50. В чем сущность методов ШИР И ЧИР?

51. Задание. Выбрать величину индуктивности дросселя величину напряжения и его

пульсацию на выходе импульсного стабилизатора напряжения для следующих

исходных данных:

tи = 0,5 мкс, T = 1мкс, Е=30В, I₀ =1А, Rн = 10 Ом, rдр = 2 Ом, С=50мкФ.

52. Какие элементы включает в себя конвертор?

53. Как работает транзисторный инвертор с насыщающимся трансформатором?

54. Как работает транзисторный инвертор с емкостным делителем напряжения

(полумостовой инвертор)?

55. Каково назначение «мертвой зоны»?

56. Какова структурная схема ИП ПК АТ форм фактора и каково назначение элементов

схемы?

57. Используя электрическую принципиальную схему ИП ПК АТ форм фактора (рисунок

57) выделить основные элементы схемы.

58. Какова структурная схема ИП ПК АТХ форм фактора и каково назначение элементов

схемы?

59. Каковы параметры ИП ПК АТ и АТХ форм факторов?

60. Какова структурная схема микросхемы ШИМ-контроллера и каков принцип ее

работы?

61. Как осуществляется стабилизация напряжения в ИП ПК АТ и АТХ форм факторов?

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 74