РазноеБлок питания с регулировкой тока: БЛОК ПИТАНИЯ С РЕГУЛИРОВКОЙ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

Блок питания с регулировкой тока: БЛОК ПИТАНИЯ С РЕГУЛИРОВКОЙ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

Содержание

БЛОК ПИТАНИЯ С РЕГУЛИРОВКОЙ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

   Попалась в интернете недавно любопытная схемка простого, но довольно неплохого блока питания начального уровня, способного выдавать 0-24 В при ток до 5 ампер. В блоке питания предусмотрена защита, то есть ограничение максимального тока при перегрузке. В приложенном архиве есть печатная плата и документ, где приведено описание настройки данного блока, и ссылка на сайт автора. Прежде чем собирать, прочитайте внимательно описание.

Схема БП с регулировкой тока и напряжения

   Изначально на фото печатной платы автора были ошибки, печатка была скопирована и доработана, ошибки устранены.

   Вот фото моего варианта БП, вид готовой платы, и можно посмотреть как примерно применить корпус от старого компьютерного ATX. Регулировка сделана 0-20 В 1,5 А. Конденсатор С4 под такой ток поставлен на 100 мкФ 35 В.

   При коротком замыкании максимум ограниченного тока выдается и загорается светодиод, вывел резистор ограничителя на переднюю панель.

Индикатор для блока питания

   Провёл у себя ревизию, нашёл пару простеньких стрелочных головок М68501 для этого БП. Просидел пол дня над созданием экрана для него, но таки нарисовал его и точно настроил под требуемые выходные напряжения.

   Сопротивление используемой головки индикатора и применённый резистор указаны в прилагаемом файле на индикаторе. Выкладываю переднюю панель блока, если кому понадобится для переделки корпус от блока питания АТХ, проще будет переставить надписи и что-то добавить, чем создавать с нуля. Если потребуются другие напряжения, шкалу можно просто подкалибровать, это уже проще будет. Вот готовый вид регулируемого источника питания:

   Плёнка — самоклейка типа «бамбук». Индикатор имеет подсветку зелёного цвета. Красный светодиод Attention указывает на включившуюся защиту от перегрузки.

Дополнения от BFG5000

   Максимальный ток ограничения можно сделать более 10 А. На кулер — кренка 12 вольт плюс температурный регулятор оборотов — с 40 градусов начинает увеличивать обороты. Ошибка схемы особо не влияет на работу, но судя по замерам при КЗ — появляется прирост проходящей мощности.

   Силовой транзистор установил 2n3055, все остальное тоже зарубежные аналоги, кроме BC548 — поставил КТ3102. Получился действительно неубиваемый БП. Для новичков-радиолюбителей самое-то.

   Выходной конденсатор поставлен на 100 мкФ, напряжение не скачет, регулировка плавная и без видимых задержек. Ставил из расчёта как указано автором: 100 мкф ёмкости на 1 А тока. Авторы: Igoran и BFG5000.

   Форум по БП

   Форум по обсуждению материала БЛОК ПИТАНИЯ С РЕГУЛИРОВКОЙ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ



MINILED И MICROLED ДИСПЛЕИ

Что такое OLED, MiniLED и MicroLED телевизоры — краткий обзор и сравнение технологий.


SMD ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

Приводятся основные сведения о планарных предохранителях, включая их технические характеристики и применение.


Схема блока питания с регулировкой тока и напряжения

Схема блока питания с регулировкой тока и напряжения способна выдавать 0-24 В и ток до 5 ампер. В блоке питания предусмотрена защита, то есть ограничение максимального тока при перегрузке.В конце статьи приложен архиве где есть печатная плата и документ, там приведено описание, настройка блока питания с регулировкой тока , и ссылка на сайт автора. Перед сборкой прочитайте внимательно описание.

 

Печатная плата блока питания

Вот фото моего варианта БП, вид готовой платы, и можно посмотреть как примерно применить корпус от старого компьютерного ATX. Регулировка сделана 0-20 В 1,5 А. Конденсатор С4 под такой ток поставлен на 100 мкФ 35 В.

При коротком замыкании максимум ограниченного тока выдается и загорается светодиод, вывел резистор ограничителя на переднюю панель. Индикатор для блока питания    Провёл у себя ревизию, нашёл пару простеньких стрелочных головок М68501 для этого БП. Просидел пол дня над созданием экрана для него, но таки нарисовал его и точно настроил под требуемые выходные напряжения.

Сопротивление используемой головки индикатора и применённый резистор указаны в прилагаемом файле на индикаторе. Выкладываю переднюю панель блока, если кому понадобится для переделки корпус от блока питания АТХ, проще будет переставить надписи и что-то добавить, чем создавать с нуля. Если потребуются другие напряжения, шкалу можно просто подкалибровать, это уже проще будет. Вот готовый вид регулируемого источника питания:


Красный светодиод Attention указывает на включившуюся защиту от перегрузки.

Максимальный ток ограничения можно сделать более 10 А. На кулер — кренка 12 вольт плюс температурный регулятор оборотов — с 40 градусов начинает увеличивать обороты. Ошибка схемы особо не влияет на работу, но судя по замерам при КЗ — появляется прирост проходящей мощности.

На выходе стоит конденсатор на 100 мкФ, напряжение не скачет, регулировка плавная и без видимых задержек.

 

РАДИО для ВСЕХ — ЛБП однополярный

Однополярный лабораторный блок питания 0-30В/0-3А с «грубой» и «плавной» регулировками выходного напряжения, регулировкой выходного тока (ограничения по току) и индикацией режима работы — регулировка напряжения или включение ограничения тока. В качестве регулирующего элемента используется полевой транзистор IRLZ44N.

Наконец вытравил и просверлил отверстия в плате ЛБП, чтобы убедиться в работоспособности схемы — всё заработало почти сразу ;-(… Платы будут изготовлены с маской и маркировкой в двух вариантах: ЛБП с питанием напряжением постоянного тока — без выпрямительного моста и переменного резистора «плавно» для регулировки выходного напряжения, ЛБП с питанием напряжением переменного тока — выпрямительный мост установлен на плате и для регулировки выходного напряжения предусмотрен переменный резистор «плавно», а в остальном всё без изменений. Если диодный мост не нужен (будет применён внешний), то на плате вместо него необходимо просто установить перемычки. Обе схемы приведены ниже. Покупайте печатные платы, наборы для сборки, собирайте и пользуйтесь 😉

Технические характеристики:

Входное напряжение (для платы с диодным мостом):  7…32В переменного тока

Входное напряжение (для платы без диодного моста): 9…45В постоянного тока

Ток нагрузки: 0-3А (с индикацией включения режима ограничения тока)

Нестабильность выходного напряжения: не более 1%


Краткое описание конструкциии:

Для однополярного блока питания разработаны две печатные платы размерами 62х59 мм и 92х59 мм. Фотовид печатных плат приведен ниже. На печатных платах предусмотрены отверстия диаметром 3 мм. В верхней части платы, для крепления радиатора и в нижней части для, крепления самой платы в корпусе блока питания. Регулирующий транзистор необходимо установить на большой 😉 радиатор с площадью поверхности не менее 300 см кв. Транзистор Q1 необходимо закрепить с применением теплопроводящей пасты и, при необходимости, с применением изолирующих теплопроводящих подложек. Переменные резисторы регулировки тока и напряжения можно закрепить на передней панели блока питания непосредственно при помощи штатных гаек.

 

Примечание к схемам блока питания:

После сборки и опробования блока питания покупателем, было замечено, что при отключении от сети блока питания с небольшой нагрузкой или без нагрузки наблюдается некоторое уменьшение напряжения, а потом его всплеск до 12-15В и затем снижение до нуля. Как оказалось, это происходит из-за того, что напряжение, запирающее полевой транзистор, пропадает раньше, чем разрядится конденсатор фильтра CF. При проверке блока питания под нагрузкой мощной лампой такого замечено не было (по понятным причинам). Для устранения броска напряжения необходимо подключить электролитический конденсатор С5 470мкФх6,3В с вывода 8 м/сх на общий провод (припаять сверху над микросхемой между выводами 8 и 11) — см. схемы.

 

Работа схемы:

Схема стабилизации напряжения собрана на U1.3 и U1.4. На U1.4 собран дифференциальный каскад, усиливающий напряжение делителя обратной связи, образованного резисторами R14 и R15. Усиленный сигнал поступает на компаратор U1.3, сравнивающий выходное напряжение с образцовым, сформированным стабилизатором U2 и потенциометром RV2. Полученная разница напряжений поступает на транзистор Q2, управляющий регулирующим элементом Q1. Ограничение тока осуществляется  компаратором U1.1, который сравнивает падение напряжения на шунте R16 с опорным, сформированным потенциометром RV1. При превышении заданного порога, U1.1 изменяет опорное напряжение для компаратора U1.3, что приводит к пропорциональному изменению выходного напряжения. На операционном усилителе U1.2 собран узел индикации режима работы устройства. При понижении напряжения на выходе U1.1 ниже напряжения сформированного делителем R2 и R3, светится светодиод D1, сигнализирующий о переходе схемы в режим стабилизации тока.

Примечание:

В случае работы устройства от питающего напряжения ниже 23В, стабилитрон D3 необходимо заменить перемычкой. Так же, возможно питать слаботочную часть схемы от отдельного источника, подав напряжение 9-35В непосредственно на вход стабилизатора U3 и удалив стабилитрон D3.


ВОЛЬТМЕТРЫ и АМПЕРМЕТРЫ с семисегментными LED индикаторами

Выложены здесь >>> Это не китайские измерительные приборы! Made in Donetsk


Сделанные на скорую руку видео работы блока питания можно посмотреть по ссылкам приведенным ниже. На одном видео заснято опробование цифрового вольтметра на недорогой специализированной м/сх ICL7107. 




Стоимость печатной платы размерами 62х59 мм под два переменных резистора — временно нет в наличии

Стоимость печатной платы размерами 92х59 мм под три переменных резистора — временно нет в наличии

Стоимость набора для сборки блока питания (с платой на два резистора, ручки в комплекте) временно отсутствует в продаже

Стоимость набора для сборки блока питания (с платой на три резистора, ручки в комплекте) временно отсутствует в продаже

Краткое описание, схема и перечень деталей набора здесь >>> и здесь >>>

 



Спасибо за уделённое внимание! Всем удачи, мира, добра, 73!

 

Регулируемый блок питания 0-30 вольт. Схема и описание

В данной статье приведена схема лабораторного источника питания для домашней лаборатории радиолюбителя. Основа схемы блока питания является операционный усилитель TLC2272. Схема позволяет плавно изменять выходное напряжение в диапазоне от 0 до 30 вольт, а также контролировать ограничение по току нагрузки.

Блок питания  30 вольт — описание

Выходное напряжение с трансформатора подается на диодный мост. Выпрямленное напряжение в 38 вольт сглаживается конденсатором С1 и поступает на параметрический стабилизатор, состоящий из транзистора VT1, диода VD5, конденсатора  С2 и резисторов R1, R2. Посредством этого стабилизатора происходит питание операционного стабилизатора DA1. Диод VD5 (регулируемый стабилитрон TL431) является регулируемым стабилизатором напряжения.

На операционном усилителе DA1.1 собран регулирующий узел блока питания, а на элементе DA1.2 блок защиты короткого замыкания и ограничения по току нагрузки. Светодиод HL1  является индикатором короткого замыкания. Наладка источника питания.

Вначале настраивают напряжение питания операционного усилителя DA1 (для этого перед включением прибора, операционный усилитель необходимо извлечь из панельки). Настройка заключается в подборе сопротивления резистора R2, при котором напряжение на эмиттере транзистора VT1 будет в районе 6,5 вольт. После этого DA1 можно установить обратно на плату.

Далее переменный резистор R15 переводят в нижнее по схеме положение (т.е. 0 Вольт). Путем подбора сопротивления резистора R6 устанавливают опорное напряжение равное 2,5 вольт на верхнем по схеме выводе переменного резистора R15. Затем переменный резистор R15 переводят в верхнее по схеме положение и устанавливают максимальное напряжение (т.е. 30 вольт) подстроечным резистором R10.

Детали. Подстроечные резисторы – СП5. Трансформатор Тр1 любой, мощностью не менее 100 ватт. Транзистор VT1 – любой кремневый средней мощностью с Uk не менее 50 В.

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Внимание! Так как элементы схемы находятся под напряжением электросети, то следует соблюдать меры электробезопасности при наладке  прибора.

ЗАРЯДНОЕ ИЗ БЛОКА ПИТАНИЯ КОМПЬЮТЕРА


    Схема простой переделки блока питания ATX, для возможности использовать его как зарядное устройство автоаккумулятора. После переделки получится мощный блок питания с регулировкой напряжения в пределах 0–22 В и тока 0–10 А. Нам понадобится обычный компьютерный БП ATX сделанный на микросхеме TL494. Для пуска никуда не подключенного БП типа АТХ необходимо на секунду закоротить зеленый и черный провода.

   Выпаиваем из него всю выпрямительную часть и всё, что соединено с ножками 1, 2 и 3 микросхемы TL494. Кроме того, нужно отсоединить от схемы ножки 15 и 16 – это второй усилитель ошибки, который мы используем для канала стабилизации тока. Также нужно выпаять цепь питания, соединяющую выходную обмотку силового трансформатора от + питания TL494 , она будет питаться только от маленького «дежурного» преобразователя, чтобы не зависеть от выходного напряжения БП (у него есть выходы 5 В и 12 В). Дежурку лучше немного перенастроить подобрав делитель напряжения в обратной связи и получив напряжения 20 В для питания ШИМ и 9 В для питания измерительно-регулировочной схемы. Приводим принципиальную схему доработки:

   Выпрямительные диоды соединяем с 12-вольтовыми отводами вторичной обмотки силового трансформатора. Лучше поставить диоды помощнее, чем те, которые обычно стоят в 12-вольтовой цепи. Дроссель L1 делаем из кольца от фильтра групповой стабилизации. Они разные по типоразмеру в некоторых БП поэтому намотка может отличатся. У меня получилось12 витков проводом диаметра 2 мм. Дроссель L2 берём из цепи 12 Вольт. На микросхеме ОУ LM358 (LM2904, или любой другой сдвоенный низковольтный операционник, который может работать в однополярном включении и при входных напряжениях почти от 0 В) собран измерительный усилитель выходного напряжения и тока, который будет давать сигналы управления на ШИМ TL494. Резисторы VR1 и VR2 задают опорные напряжения. Переменный резистор VR1 регулирует выходное напряжение, VR2 – ток. Токоизмерительный резистор R7 на 0.05 ом. Питание для ОУ берём с выхода «дежурных» 9В БП компьютера. Нагрузка подключается к OUT+ и OUT-. В качестве вольтметра и амперметра можно использовать стрелочные приборы. Если регулировка тока в какой-то момент не нужна, то VR2 просто выкручиваем на максимум. Работа стабилизатора в БП будет так: если, например, установлено 12 В 1 А, то если ток нагрузки меньше 1 А – стабилизируется напряжение, если больше – то ток. В принципе, можно перемотать и выходной силовой трансформатор, выкинутся лишние обмотки и можно уложить более мощную. При этом также рекомендую и выходные транзисторы поставить на больший ток.

   На выходе нагрузочный резистор где-то на 250 ом 2 Вт параллельно C5. Он нужен чтобы блок питания без нагрузки не оставался. Ток через него не учитывается, он до измерительного резистора R7 (шунта) включён. Теоретически можно получить до 25 вольт при токе в 10 А. Заряжать устройством можно как обычные 12 В аккумуляторы от автомобиля, так и небольшие свинцовые, что стоят в ИБП.


Поделитесь полезными схемами

СИГНАЛИЗАЦИЯ ДЛЯ ДОМА СВОИМИ РУКАМИ

  Очень часто о безопасности помещений мы думаем только после того, как там поработали злоумышленники. Вот и в данном случае изготовление схемы охранной сигнализации вызвано необходимостью. В доме технического творчества в каждом отделе находятся компьютеры, а в лаборатории электроники их целых шесть.


ИМПУЛЬСНЫЙ БП СВОИМИ РУКАМИ

    Таким блоком питания можно питать достаточно мощные усилители низкой частоты или же приспособить блок под обыкновенный 12 вольтовый усилитель из серии TDA. Кроме этого блок питания можно дополнить регулятором напряжения и использовать в качестве импульсного лабораторного блока питания.  




САМОДЕЛЬНАЯ ПУШКА ГАУССА
   При указанных номиналах схема развивает совсем недурную мощность в 50 ватт! емкость 1000 микрофарад способна заряжать всего за одну секунду. Мощность преобразователя вполне позволяет питать маломощные паяльники, лампы накаливания и т.п

Самодельный лабораторный блок питания: vladikoms — LiveJournal

Когда то у меня был советский источник питания Б5-47, он очень громко и противно пищал, грелся, периодически из него шел дым. Таким образом пользование сей девайсом более 5 минут причиняло просто невыносимые моральные страдания. Явно он был неисправен. Вскрытие показало что лучше его сразу выбросить и забыть. К тому же его интерфейс управления мне никогда не нравился, юзабельность тоже оставляла желать лучшего. Понятно, что без нормального БП жизнь скучна, решил быстренько сделать БП из того что было под рукой. В итоге изготовление данной конструкции по разным причинам затянулось аж на 2 года. Собственно вот результат:


Требования были следующие: регулируемое выходное напряжение до 30 В с регулируемым токоограничением до 5 А. Разумеется должна применяться цифровая индикация. Дизайн должен напоминать MASTECH HY3005D и им подобные. Единственное — мне никогда не нравилось что первый прибор показывает ток. Ну неправильно это — напряжение всегда первично, соответственно первый прибор должен показывать именно напряжение.

Первоначально проектировал схему на базе линейного стабилизатора К142ЕН2А, но в итоге отказался от этой идеи — низкий КПД, регулирующий силовой транзистор сильно грелся даже с учетом того что был предусмотрен переключатель отпаек на вторичной стороне трансформатора. Да и вообще всё как-то криво работало. Пришлось выпилить.

Второй вариант схемы разработал на базе легендарного ШИМ-контроллера TL494, который в разных вариациях встречается во многих компьютерных блоках питания. На этот раз всё получилось как надо.

Вкратце о конструкции:

Принципиальная схема (кликабельно)

Как уже говорил — девайс собрал из запчастей, большинство которых были в радиусе 5 метров от меня.

Понижающий трансформатор нашелся под столом, марки я его не знаю. Напряжение на вторичке около 40 В.
D1 — TL494, VD1 — диод шоттки и тороидальный дроссель L1 выпаял из неисправного компьютерного блока питания: диод шоттки используется в схеме выпрямления, он установлен на радиаторе возле импульсного трансформатора, тороидальный дроссель расположен рядом с ним.
LM358 — весьма хороший и распространенный операционный усилитель. Продаётся почти на каждом углу. Рекомендован к приобретению.
Шунт R12 — взял из какого-то старого связисткого оборудования: представляет собой 3 толстых изогнутых проволочки.

Резисторы R9, R10 используются для регулирования выходного напряжения (грубо, точно). Резисторы R3, R4 используются для регулирования токоограничения (грубо, точно).
При наладке БП подстроечным резистором R15 регулируется порог переключения светодиодной сигнализации. Еще возникли проблемы с интегральным стабилизатором 7805 — при входном напряжении около 40 В он начинал ужасно глючить — просаживал выходное напряжение, решил проблему установив по входу 1 Вт гасящий резистор R13.

Сам корпус взят от древнего самопишущего регистратора. Компоновка получилась следующей — в середине корпуса установлен силовой трансформатор, который вошел туда как родной, видимо они были созданы друг для друга. В передней части БП расположена электронная схема управления, органы управления и сигнализации. В задней части корпуса расположена вся силовая электроника. Таким образом трансформатор как бы делит БП на 2 части — слаботочную и силовую.

Передняя часть корпуса с откинутой лицевой крышкой. Цифровые измерительные приборы приехали из Китая, они заводского производства. Электронная схема управления состоит из 2 плат: плата регулятора напряжения — TL494 c обвязкой, и плата сигнализации — включает в себя микросхемы D3,D4. Почему не сделал на одной плате? Просто сигнализацию я делал несколько позже чем регулятор, и отдельно доводил её «до ума». Там тоже были свои заморочки.

Задняя часть корпуса. На общем радиаторе установлены диодный мост KBPC 3510, силовой транзистор КТ827А, дроссель L1, шунт R12. Всё это дело изнутри обдувается 12 сантиметровым вентилятором. В задней части корпуса установлены также предохранители, сглаживающие конденсаторы C1, C4 и маленький вспомогательный импульсный блок питания для работы вентилятора и цифровых измерительных приборов.

Конечно, можно было бы купить фирменный БП и не городить огород. Но иногда хочется самому поизобретать велосипед

Если кто-то задумает повторить конструкцию вот здесь выложил принципиальную схему в высоком разрешении и чертежи печатных плат в формате Sprint Layout.

Обновление 09.01.2019

По прошествии времени пользователи в комментариях поделились своими модификациями блоков питания. Рассмотрим подробнее предложенные варианты. Обсуждение всех конструкций по-прежнему доступно в комментариях

Модификация № 1

Предложена acxat_smr

Принципиальная схема

Драйвер полевика (точнее, двух параллельно — выравниванием токов занимаются сами полевики) запитан от отдельного источника 15в. У себя взял промагрегат 9-36в/15в TEN 12-2413. От него же запитаны кулеры.
TL494 запитана от отдельного источника 24 в.
Потенциометр вольтажа любой, замер тока с шунта амперметра. Трансформатор выдает 34 в, выпрямленного около 45.
Проблема мощности упиралась в дросселе. Если 5-амперник нормально шел, то 20 помучал.
Практическим путем нашел вариант два параллельно на кольцах от компового. 23 витка проводом 1,15мм.

Внешний вид конструкции

Модификация № 2

Предложена rond_60

Принципиальная схема

Недавно натолкнулся на эту статью про ЛБП на TL494. Загорелся желанием собрать БП по этой схеме, тем более уже давно валялся трансформатор от польского блока питания на 24в и 4а. Вторичка выдает 34в переменки, после моста с кондером 10000х63в — 42в. Собрал навесным монтажом по этой схеме, включил и сразу дым из 494-й. Все проверил, заменил микросхему, включаю — на холостом работает, на выходе напряжение пытается регулироваться, прикоснулся к 494 — горячая! Добавил номинал 4.7к резистору R1 — блок работает, но стоило подключить лампочку 24в 21вт, как взорвалась микросхема в районе 9, 10 ножки. Отмотал с вторичной обмотки транс-ра несколько витков (снизил напряжение на 4 вольта) и все равно горят микросхемы. Питание на 8,11,12 ноги подавал 12в с другого БП, мотал дроссель разным по диаметру проводом и количеством витков — толку нет (сжег 6 микрух). У меня есть кой — какой опыт по переделке компьютерных блоков в зарядные устройства и регулируемые блоки питания на основе TL494 и ее аналогах. Начал собирать обвязку ШИМа по схемам к комповым БП. Изменил управление силовым транзистором, подал питание на ШИМ от отдельного источника на 12в (переделал зарядку от сотового телефона) и все — блок заработал! Пару дней настраивал на регулировки и свист дросселя (оссцила нет) теперь надо отлутить плату управления и можно собирать в корпус.

Сегодня настраивал свой БП. Спасибо большое shc68 за подсказку проверять пульсации на выходе динамиком если нет осциллографа. При малой нагрузке (лампочка 12в, 21вт) из динамика слышался гул и вой когда крутил регулятор тока. Устранил это безобразие установкой дополнительных конденсаторов (на схеме обведено красным цветом).
Как рекомендовал shc68 конденсатор С15 действительно жизненно важный. Еще с помощью динамика определил бракованный потенциометр на регулировку тока. При его вращении из динамика слышался шорох и треск. После его замены и установки доп. конденсаторов из динамика тишина (чуть слышное шипение) при разной нагрузке на выходе БП.
Делал тест на нагрев деталей блока. При такой нагрузке в течении 1.5 часов только транзистор грелся (трогал пальцем его корпус), а радиатор, где он установлен, чуть теплый (обдувается вентилятором). Дроссель — холодный, трансформатор тоже.

Внешний вид конструкции

Модификация № 3

Предложена andrej_l

За основу была взята схема с полевиком https://ic.pics.livejournal.com/rond_60/78751049/3328/3328_original.jpg
При отладке появились проблемы с управлением полевика через трансформатор. На небольших токах нагрузки он работал, при увеличении более 2 ампер происходил срыв и падение тока (при скважности ШИМ > 30%). Пришлось убрать трансформатор и вместо него поставить оптодрайвер ACPL3180 с питанием от отдельной обмотки трансформатора.
Сделал 2 независимых канала с регулировкой напряжения до 30V и ограничения тока до 10A. Второй канал запустился сразу, только пришлось подстроить максимальные значения напряжения и тока. Регулировочные резисторы — 10 оборотные
https://ru.aliexpress.com/item/Free-Shipping-3590S-2-103L-3590S-10K-ohm-Precision-Multiturn-Potentiometer-10-Ring-Adjustable-Resistor/32673624883.html?spm=a2g0s.11045068.rcmd404.3.de3456a4CSwuV3&pvid=b572f0cb-2d84-4353-a657-a28824b99672&gps-id=detail404&scm=1007.16891.96945.0&scm-url=1007.16891.96945.0&scm_id=1007.16891.96945.0
В качестве V-A метра применён китайский модуль
https://ru.aliexpress.com/item/DC-100-10A-50A-100A/32834619911.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.466b33edLWGUwZ с доработкой, достигнута точность показаний 2% при больших токах и 10 мА при токах до 1А.
Радиатор на транзисторе и диоде один от компьютерного блока питания. При нагрузке на лампу 15V 150W он нагревается до 80 градусов (больше греется диод). Настроил включение вентилятора охлаждения на 50 град. (один на 2 канала)
Окончательная схема одного канала

Rшунт 0,0015 Ом — Это встроенный шунт прибора, к нему добавляются сопротивление проводов от индикатора до клемм XS104 и «-«, при большом токе они оказывают значительное влияние. Провод 1,5 кв.мм
Настройка:
1 Запускаем задающий генератор на TL494 и драйвер с отключенным затвором VT101. На выходе драйвера будет ШИМ около 90%. Настраиваем частоту TL в пределах 80 — 100 кГц подбирая R107
2 Подключаем затвор транзистора (для подстраховки питание +45 подаём через токоограничивающий балласт, я брал 2 лампы 24V 150W последовательно) и смотрим выход БП. Подключаем небольшую нагрузку (я брал 100 Ом). Если напряжение на выходе регулируется то устанавливаем максимальное значение выхода с помощью R122.
3 Убираем токоограничивающий балласт, нагружаем выход сильнотоковой нагрузкой (я брал лампу 15V 150W) и настраиваем максимальный ток в нагрузке: R106 постепенно выводим в нижнее по схеме положение, подбираем R104 и R105 добиваясь срабатывания защиты по току (у меня ограничение по току 10А). При сработке токовой защиты регулировка напряжения с помощью R101 в большую сторону не приводит к его росту на выходе.
4 Узел индикации на операционнике и светодиодах не нуждается в настройке (его единственный недостаток — небольшая подсветка красного светодиода когда горит зелёный, можно исправить включив последовательно с красным обычный диод.
5 настраиваем Р101 на нужную температуру срабатывания вентилятора нагрузив блок питания на приличную нагрузку измеряя температуру диода и транзистора на радиаторе.

Внешний вид:

Осциллограммы


Блок питания с регулировкой напряжения

 

Схема и описание самодельного блока питания с плавной регулировкой выходного напряжения.


При ремонте и настройке  радиоэлектронной аппаратуры, часто приходится пользоваться  блоками питания с широким  диапазоном выходных напряжений.  Приходится использовать целую «коллекцию» разнообразных источников питания, что весьма неудобно! Блок питания с регулировкой напряжения, схема которого приведена ниже, отлично подойдет для радиолюбительской мастерской и в полной мере избавит от таких неудобств.

Нажмите на рисунок для просмотра.

Выходное напряжение этого универсального блока питания плавно изменяется в пределах от 0,5 до 12 В (возможно значительно расширить максимальный придел выходного напряжения). При этом оно остается стабильным не только при изменениях сетевого напряжения, но и при изменениях тока нагрузки от нескольких миллиампер до 2…3 ампер и более!

Рассмотрим подробнее устройство этого блока питания…

Включение в сеть производится с помощью вилки ХР1. Сетевое напряжение через предохранитель FU1 поступает на первичную обмотку понижающего трансформатора Т1.

 Со вторичной обмотки напряжение поступает на диоды VD1-VD4включенные по мостовой схеме. Чтобы выпрямленное напряжение было более «чистым», на выходе выпрямителя установлен оксидный конденсатор С1 большой емкости (2000 мкФ).

 Выпрямленное и очищенное от пульсаций напряжение поступает на несколько цепей:  R2, VD5, VT1; R3, VD6, R4; VT2, VT3, R5.  Детали VD6 –это стабилитрон с балластным резистором. Они составляют параметрический стабилизатор. Н зависимо от колебаний выпрямленного напряжения  на стабилитроне будет строго определенное напряжение, равное напряжению стабилизации данного типа стабилитрона ( в нашем случае 11 -14 В). Параллельно стабилитрону включен переменный резистор R4, с помощью которого и регулируют выходное напряжение блока питания.

 С движка переменного резистора напряжение подается на усилительный каскад, собранный на транзисторах VT2 и VT3. Можно считать, что это усилитель  мощности, обеспечивающий нужный ток через нагрузку при заданном выходном напряжении.

 Резистор R7 имитирует нагрузку блока питания, когда к выходу блока питания ничего не подключено. Для контроля выходного напряжения в блок введен вольтметр состоящий из микроамперметра и добавочного резистора.

Трансформатор должен обеспечивать на вторичной обмотке переменное напряжение около 14-18 В при токе потребления до 0,5 А.   Транзисторы   VT1-VT2  из серии КТ 816 или подобные им. Транзистор VT3 любой из серии КТ837 и его нужно установить на радиатор средних размеров.

Для расширения предельных выходных напряжения и тока можно сделать следующее: для увеличения предельного уровня напряжения подберите стабилитрон VD6 с большим напряжением стабилизации; установите трансформатор с большим выходным напряжением на вторичной обмотке.  Для увеличения мощности блока питания достаточно установить более мощный трансформатор и транзисторы.  Особенно это касается транзистора VT3! Его лучше установить на мощный радиатор.  Если сделать все выше перечисленное, то таким блоком питания с регулировкой напряжения можно легко заряжать даже автомобильные аккумуляторы! Успехов!

Рекомендуем посмотреть:

Схема стабилизатора для блока питания

Схема стабилизатора 2в 30мкА


Электропитание — цепи регулирования напряжения — ток, регулятор, внешний и выходной

Источники питания с регулируемым напряжением имеют схему, которая контролирует их выходное напряжение. Если это напряжение изменяется из-за внешних изменений тока или из-за изменений напряжения в сети, схема регулятора производит почти мгновенную компенсирующую регулировку.

При проектировании источников питания с регулируемым напряжением используются два общих подхода. В менее распространенной схеме шунтирующий регулятор подключается параллельно к выходным клеммам источника питания и поддерживает постоянное напряжение за счет потери тока, который не требуется внешней цепи, называемой нагрузкой.Ток, подаваемый нерегулируемой частью источника питания, всегда постоянен. Шунтовой регулятор почти не отводит ток, когда внешняя нагрузка требует большого тока. Если внешняя нагрузка уменьшается, ток шунтирующего регулятора увеличивается. Недостатком шунтового регулирования является то, что оно рассеивает всю мощность, на которую рассчитан источник питания, независимо от того, потребляет ли внешняя цепь энергию.

Более распространенная конструкция последовательного регулятора напряжения зависит от переменного сопротивления, создаваемого транзистором последовательно с током внешней цепи.Падение напряжения на транзисторе регулируется автоматически для поддержания постоянного выходного напряжения. Выходное напряжение источника питания постоянно замеряется, сравнивается с точным эталоном, а характеристики транзистора настраиваются автоматически для поддержания постоянного выходного напряжения.

Блок питания с адекватной регулировкой напряжения часто улучшает работу электронного устройства, которое он питает, настолько, что регулировка напряжения является общей чертой всех конструкций, кроме самых простых.Обычно используются упакованные интегральные схемы, простые трехвыводные устройства, которые содержат последовательный транзистор и большую часть поддерживающих схем регулятора. Эти «готовые» чипы упростили включение в блок питания возможности регулирования напряжения.


Регулируемые и нерегулируемые источники питания

 

Что означает блок питания?

Прежде чем мы перейдем к разнице между регулируемым и нерегулируемым блоком питания, давайте сначала начнем с понимания того, что вообще означает «блок питания».В общем смысле источник питания — это любое устройство, которое подает энергию (мощность!) в электрическую цепь. Таким образом, аккумуляторы — это источники питания для фонариков, а электростанции — это источники питания для электрической сети.

Но обычно мы имеем в виду не это, когда говорим об источниках питания. Обычно мы используем «источник питания» для обозначения схемы или устройства, которое адаптирует доступную мощность к конкретным потребностям одного устройства или набора подобных устройств. В большинстве непромышленных условий доступная мощность или входная мощность — это переменный ток, а выходная мощность — постоянный ток.Блок питания будет получать питание от электрической розетки и преобразовывать ток из переменного тока в постоянный. Итак, все ли блоки питания построены и спроектированы одинаково? Ответ — нет.

Источники питания могут быть:

  • Автономные блоки (например, «кирпичики», которые мы вставляем в стены для ноутбуков)
  • Встроенные блоки (например, в холодильниках, микроволновых печах и телевизорах)
  • Гибридные блоки (например, встроенные, но автономные блоки питания) расходные материалы, используемые в настольных компьютерах)

Каждому устройству для работы требуется различное количество энергии или постоянного тока, что означает, что блок питания должен каким-то образом регулировать напряжение, предотвращая перегрев устройства.

Блок питания — это первое место, куда поступает электроэнергия, причем большинство из них рассчитано на то, чтобы справляться с колебаниями электрического тока и при этом обеспечивать регулируемую или постоянную выходную мощность. Некоторые источники питания даже включают предохранители, которые перегорают, если скачок напряжения слишком велик, как способ защиты оборудования.

Источники питания подразделяются на две категории: регулируемые и нерегулируемые. В чем разница при сравнении регулируемого и нерегулируемого источника питания? Что ж, разница между регулируемым и нерегулируемым источником питания связана с входным и выходным напряжением, необходимым для определенных устройств.

Что такое регулируемый источник питания?

Давайте начнем с изучения того, что такое регулируемый источник питания и почему это важно? Регулируемые блоки питания имеют регуляторы напряжения на выходе. Это означает, что регулятор гарантирует, что выходное напряжение всегда будет оставаться на уровне номинального значения источника питания, независимо от тока, потребляемого устройством. Любое изменение входного напряжения не повлияет на выходное напряжение из-за регуляторов.

Это работает до тех пор, пока устройство не потребляет больше номинального выходного тока источника питания.Говоря простым языком, регулируемый источник питания обеспечивает постоянное выходное напряжение, независимое от выходного тока. Регулируемый источник питания с несколькими регуляторами может обеспечивать несколько выходных напряжений для работы различных устройств. Регулируемые источники питания поддерживают напряжение на нужном уровне и идеально подходят почти для всех типов электронных устройств благодаря плавной и стабильной подаче напряжения, которую они обеспечивают.

Что такое нерегулируемый источник питания?

Теперь, когда мы ответили, что такое регулируемый источник питания, что такое нерегулируемый источник питания? Ну, как следует из названия, разница между регулируемым и нерегулируемым источником питания заключается в том, что выходное напряжение нерегулируемого источника питания не регулируется.Нерегулируемые источники питания предназначены для получения определенного напряжения при определенном токе. То есть, если снова использовать причудливые электрические термины, нерегулируемые источники питания обеспечивают постоянное количество энергии (напряжение x ток). Выходное напряжение будет уменьшаться по мере увеличения выходного тока, и наоборот; таким образом, нерегулируемый источник питания всегда должен максимально точно соответствовать требованиям по напряжению и току устройства, которое он питает.

Нерегулируемые источники питания по своей природе не производят чистого (т.е. постоянное) напряжение, как у регулируемых источников питания. Без регулятора для стабилизации выходного напряжения любое изменение входного напряжения будет отражаться на выходном напряжении. Эти небольшие изменения выходного напряжения называются «пульсирующим напряжением» и, по сути, представляют собой электрические помехи. Если требования к источнику питания и нагрузке совпадают, обычно проблем не возникает. Однако, если напряжение пульсаций достаточно велико по отношению к выходному напряжению, это повлияет на поведение цепей и устройств.

Чтобы уменьшить влияние пульсаций напряжения, конденсатор фильтра может быть помещен между положительным и отрицательным выходами источника питания. Конденсатор, который сопротивляется изменениям напряжения, будет действовать как регулятор, сглаживая выходное напряжение и обеспечивая нормальную работу.

Регулируемый и нерегулируемый источник питания

: что выбрать?

Так что же лучше выбрать? Это зависит от ваших потребностей. Нерегулируемые источники питания менее дороги, но они могут обеспечивать мощность, равную доступной входной мощности.Если вы питаете оборудование с чувствительной электроникой, чистая мощность является абсолютным требованием. Вы можете использовать нерегулируемый источник питания, если он точно соответствует требованиям устройства по напряжению и току, что обеспечивает его бесперебойную работу.

Если вам нужен блок питания, способный выдавать несколько выходных напряжений постоянного тока, то один регулируемый блок питания с несколькими выходами будет лучшим вариантом, чем несколько блоков питания с одним выходом. Стабилизированные блоки питания также более распространены и их легко найти, поскольку становится все проще производить регулируемые блоки питания, которые по-прежнему недороги.Кроме того, если используемое вами устройство является чувствительным, вы можете выбрать регулируемый источник питания, что даст вам больше уверенности в том, что ваше устройство получает правильное количество напряжения независимо от входного сигнала.

Если вы не уверены, какой тип источника питания вы используете для своего датчика, свяжитесь с нами сегодня! Мы поможем вам определить, используете ли вы регулируемый или нерегулируемый источник питания, и какой тип датчика будет лучшим выбором для ваших нужд.

 

 


Верхнее изображение предоставлено: U.S. Army Corps of Engineers Detroit District via flickr cc

AN-140: основные концепции линейного регулятора и источников питания с импульсным режимом

Abstract

В этой статье объясняются основные концепции линейных регуляторов и импульсных источников питания (SMPS). Он предназначен для системных инженеров, которые могут быть не очень хорошо знакомы с конструкциями и выбором источников питания. Объясняются основные принципы работы линейных регуляторов и SMPS, обсуждаются преимущества и недостатки каждого решения.Понижающий преобразователь используется в качестве примера для дальнейшего объяснения особенностей конструкции импульсного стабилизатора.

Введение

Современные конструкции требуют все большего количества шин питания и решений по питанию в электронных системах с нагрузками от нескольких мА для резервных источников питания до более 100 А для регуляторов напряжения ASIC. Важно выбрать подходящее решение для целевого приложения и удовлетворить заданным требованиям к производительности, таким как высокая эффективность, малое пространство на печатной плате (печатной плате), точное регулирование выходного сигнала, быстрая переходная характеристика, низкая стоимость решения и т. д.Проектирование управления питанием становится все более частой и сложной задачей для проектировщиков систем, многие из которых могут не иметь большого опыта работы с электропитанием.

Преобразователь мощности генерирует выходное напряжение и ток для нагрузки от заданного источника входного питания. Он должен соответствовать требованиям регулирования напряжения или тока нагрузки в установившихся и переходных режимах. Он также должен защищать нагрузку и систему в случае отказа компонента. В зависимости от конкретного приложения разработчик может выбрать либо линейный регулятор (LR), либо импульсный источник питания (SMPS).Чтобы сделать наилучший выбор решения, дизайнерам важно знать достоинства, недостатки и проблемы дизайна каждого подхода.

В этой статье основное внимание уделяется неизолированным источникам питания и дается введение в основы их работы и проектирования.

Линейные регуляторы

Как работает линейный регулятор

Начнем с простого примера. Во встроенной системе шина 12 В доступна от внешнего источника питания. На системной плате 3.Напряжение 3В необходимо для питания операционного усилителя (ОУ). Самый простой способ получить 3,3 В — использовать резисторный делитель от шины 12 В, как показано на рис. 1. Хорошо ли он работает? Обычно нет. Ток на выводах операционного усилителя V CC может варьироваться в зависимости от условий эксплуатации. Если используется делитель с постоянным резистором, напряжение IC V CC зависит от нагрузки. Кроме того, вход шины 12 В может плохо регулироваться. В той же системе может быть много других нагрузок, использующих шину 12 В.Из-за импеданса шины напряжение на шине 12 В зависит от нагрузки на шину. В результате резисторный делитель не может обеспечить регулируемое напряжение 3,3 В на операционном усилителе, чтобы обеспечить его правильную работу. Поэтому необходим специальный контур регулирования напряжения. Как показано на рисунке 2, контур обратной связи должен регулировать значение верхнего резистора R1, чтобы динамически регулировать напряжение 3,3 В на V CC .

Рис. 1. Резисторный делитель генерирует 3,3 В постоянного тока от входа шины 12 В

Рис. 2.Контур обратной связи регулирует значение последовательного резистора R1 для регулирования 3,3 В

Этот тип переменного резистора может быть реализован с помощью линейного стабилизатора, как показано на рис. 3. Линейный регулятор управляет биполярным или силовым полевым транзистором (FET) в его линейном режиме. Таким образом, транзистор работает как переменный резистор последовательно с выходной нагрузкой. Концептуально, чтобы установить петлю обратной связи, усилитель ошибки измеряет выходное напряжение постоянного тока через сеть выборочных резисторов R A и R B , затем сравнивает напряжение обратной связи V FB с опорным напряжением V REF .Выходное напряжение усилителя ошибки управляет базой последовательного силового транзистора через усилитель тока. Когда входное напряжение V BUS уменьшается или ток нагрузки увеличивается, выходное напряжение V CC падает. Напряжение обратной связи V FB также уменьшается. В результате усилитель ошибки обратной связи и усилитель тока генерируют больший ток в базе транзистора Q1. Это уменьшает падение напряжения V CE и, следовательно, возвращает выходное напряжение V CC , так что V FB равняется V REF .С другой стороны, если выходное напряжение V CC повышается аналогичным образом, цепь отрицательной обратной связи увеличивает V CE , чтобы обеспечить точное регулирование выходного напряжения 3,3 В. Таким образом, любое изменение V O поглощается напряжением транзистора линейного стабилизатора V CE . Так что выходное напряжение V CC всегда постоянно и хорошо регулируется.

Рис. 3. Линейный регулятор с переменным резистором для регулирования выходного напряжения

Зачем использовать линейные регуляторы?

Линейный регулятор уже очень давно широко используется в промышленности.Это было основой для отрасли электропитания, пока импульсные источники питания не стали преобладать после 1960-х годов. Даже сегодня линейные регуляторы по-прежнему широко используются в самых разных приложениях.

В дополнение к простоте использования, линейные регуляторы имеют другие преимущества в производительности. Поставщики систем управления питанием разработали множество встроенных линейных регуляторов. Для типичного встроенного линейного регулятора требуются только контакты V IN , V OUT , FB и дополнительные контакты GND. На рис. 4 показан типичный 3-выводной линейный стабилизатор LT1083, разработанный более 20 лет назад.Для установки выходного напряжения требуются только входной конденсатор, выходной конденсатор и два резистора обратной связи. Практически любой инженер-электрик может спроектировать источник питания с этими простыми линейными регуляторами.

Рис. 4. Встроенный линейный регулятор Пример: линейный регулятор 7,5 А только с тремя контактами

Один недостаток — линейный регулятор может потреблять много энергии

Существенным недостатком использования линейных регуляторов может быть чрезмерное рассеивание мощности его последовательным транзистором Q1, работающим в линейном режиме.Как объяснялось ранее, транзистор линейного регулятора концептуально представляет собой переменный резистор. Поскольку весь ток нагрузки должен проходить через последовательный транзистор, его рассеиваемая мощность равна P Потери = (V IN – V O ) • I O . В этом случае эффективность линейного регулятора можно быстро оценить по формуле:

Таким образом, в примере на рис. 1, когда на входе 12 В, а на выходе 3,3 В, эффективность линейного регулятора составляет всего 27,5%. В этом случае 72,5% входной мощности просто тратится впустую и генерирует тепло в регуляторе.Это означает, что транзистор должен иметь тепловую способность справляться со своей мощностью/тепловыделением в худшем случае при максимальном значении V IN и полной нагрузке. Так что размеры линейного регулятора и его радиатора могут быть большими, особенно когда V O намного меньше, чем V IN . На рис. 5 видно, что максимальный КПД линейного регулятора пропорционален отношению V O /V IN .

Рис. 5. Максимальный КПД линейного регулятора в зависимости от соотношения V O /V IN

С другой стороны, линейный регулятор может быть очень эффективным, если V O близко к V IN .Однако у линейного регулятора (LR) есть еще одно ограничение, заключающееся в минимальной разнице напряжений между V IN и V O . Транзистор в LR должен работать в линейном режиме. Таким образом, требуется определенное минимальное падение напряжения между коллектором и эмиттером биполярного транзистора или стоком и истоком полевого транзистора. Когда V O слишком близко к V IN , LR больше не сможет регулировать выходное напряжение. Линейные регуляторы, которые могут работать с малым запасом мощности (V IN – V O ), называются регуляторами с малым падением напряжения (LDO).

Также ясно, что линейный регулятор или LDO могут обеспечивать только понижающее преобразование DC/DC. В приложениях, требующих, чтобы напряжение V O было выше, чем напряжение V IN , или требуется отрицательное напряжение V O из положительного напряжения V IN , линейные регуляторы, очевидно, не работают.

Линейный регулятор с разделением тока для высокой мощности [8]

Для приложений, требующих большей мощности, регулятор должен быть установлен отдельно на радиаторе для отвода тепла.В системах с поверхностным монтажом это невозможно, поэтому ограничение рассеиваемой мощности (например, 1 Вт) ограничивает выходной ток. К сожалению, прямое параллельное подключение линейных регуляторов для распределения генерируемого тепла затруднено.

Замена источника опорного напряжения, показанного на рис. 3, на прецизионный источник тока позволяет напрямую подключить линейный регулятор для распределения нагрузки по току и, таким образом, распределения рассеиваемого тепла между ИС. Это позволяет использовать линейные стабилизаторы в приложениях с высоким выходным током для поверхностного монтажа, где только ограниченное количество тепла может быть рассеяно в любом месте на плате.LT3080 — это первый регулируемый линейный стабилизатор, который можно использовать параллельно для более высоких токов. Как показано на рис. 6, он имеет внутренний источник тока 10 мкА с током нулевой точности, подключенный к неинвертирующему входу операционного усилителя. С помощью внешнего одиночного резистора установки напряжения R SET выходное напряжение линейного регулятора можно регулировать от 0 В до (V IN – V DROPOUT ).

Рис. 6. Настройка одиночного резистора LDO LT3080 с прецизионным источником тока, эталон

На рис. 7 показано, как легко подключить параллельно LT3080 для разделения тока.Просто соедините выводы SET микросхем LT3080 вместе, и оба регулятора будут иметь одинаковое опорное напряжение. Поскольку операционные усилители точно подогнаны, напряжение смещения между регулировочным штифтом и выходом составляет менее 2 мВ. В этом случае балластное сопротивление всего 10 мОм, которое может быть суммой небольшого внешнего резистора и сопротивления дорожки печатной платы, необходимо для балансировки тока нагрузки с более чем 80-процентным уравновешенным распределением. Нужно еще больше мощности? Разумно даже параллельное подключение от 5 до 10 устройств.

Рис. 7. Параллельное соединение двух линейных стабилизаторов LT3080 для увеличения выходного тока

Области применения, в которых предпочтительны линейные регуляторы

Существует множество приложений, в которых линейные стабилизаторы или LDO представляют собой превосходные решения для импульсных источников питания, в том числе:

  1. Простые/недорогие решения. Решения с линейным регулятором или LDO просты и удобны в использовании, особенно для маломощных приложений с низким выходным током, где тепловая нагрузка не является критической.Внешняя индуктивность не требуется.
  2. Применение с низким уровнем шума/пульсаций. Для чувствительных к шуму приложений, таких как средства связи и радиоустройства, минимизация шума питания очень важна. Линейные стабилизаторы имеют очень низкую пульсацию выходного напряжения, потому что нет элементов, которые часто включаются и выключаются, а линейные стабилизаторы могут иметь очень широкую полосу пропускания. Таким образом, существует небольшая проблема с электромагнитными помехами. Некоторые специальные LDO, такие как семейство LDO Analog Devices LT1761, имеют на выходе шумовое напряжение всего 20 мкВ RMS .Практически невозможно для SMPS достичь такого низкого уровня шума. SMPS обычно имеет выходную пульсацию в милливольтах даже с конденсаторами с очень низким ESR.
  3. Быстрые переходные приложения. Контур обратной связи линейного регулятора обычно является внутренним, поэтому внешняя компенсация не требуется. Как правило, линейные регуляторы имеют более широкую полосу пропускания контура управления и более быструю переходную характеристику, чем у SMPS.
  4. Приложения с низким отсевом. Для приложений, где выходное напряжение близко к входному напряжению, LDO могут быть более эффективными, чем SMPS.Существуют LDO с очень малым падением напряжения (VLDO), такие как Analog Devices LTC1844, LT3020 и LTC3025, с падением напряжения от 20 мВ до 90 мВ и током до 150 мА. Минимальное входное напряжение может составлять всего 0,9 В. Поскольку в LR нет коммутационных потерь по переменному току, КПД LR или LDO при малой нагрузке аналогичен КПД при полной нагрузке. SMPS обычно имеет более низкую эффективность легкой нагрузки из-за потерь при переключении переменного тока. В приложениях с батарейным питанием, в которых эффективность легкой нагрузки также имеет решающее значение, LDO может обеспечить лучшее решение, чем SMPS.

Таким образом, разработчики используют линейные регуляторы или LDO, потому что они просты, малошумны, недороги, просты в использовании и обеспечивают быструю переходную характеристику. Если V O близко к V IN , LDO может быть более эффективным, чем SMPS.

Основы импульсного источника питания

Зачем использовать импульсный источник питания?

Быстрый ответ — высокая эффективность. В SMPS транзисторы работают в режиме переключения, а не в линейном режиме. Это означает, что когда транзистор включен и проводит ток, падение напряжения на его пути питания минимально.Когда транзистор выключен и блокирует высокое напряжение, ток через его цепь питания почти отсутствует. Таким образом, полупроводниковый транзистор подобен идеальному переключателю. Таким образом, потери мощности в транзисторе сведены к минимуму. Высокий КПД, низкое рассеивание мощности и высокая удельная мощность (малый размер) являются основными причинами, по которым разработчики используют импульсные источники питания вместо линейных стабилизаторов или LDO, особенно в сильноточных приложениях. Например, в настоящее время 12-вольтовый IN , 3,3-вольтовый OUT импульсный синхронный понижающий источник питания обычно может достигать эффективности> 90% по сравнению с менее чем 27.5% от линейного регулятора. Это означает потерю мощности или уменьшение размера как минимум в восемь раз.

Самый популярный блок питания — понижающий преобразователь

На Рисунке 8 показан простейший и наиболее популярный импульсный стабилизатор — понижающий DC/DC преобразователь. Он имеет два режима работы, в зависимости от того, включен или выключен транзистор Q1. Для упрощения обсуждения все силовые устройства предполагаются идеальными. Когда переключатель (транзистор) Q1 включен, напряжение коммутационного узла V SW = V IN и ток катушки индуктивности L заряжается (V IN – V O ).На рис. 8(а) показана эквивалентная схема в этом режиме зарядки катушки индуктивности. Когда переключатель Q1 выключен, ток катушки индуктивности проходит через безынерционный диод D1, как показано на рисунке 8(b). Напряжение коммутационного узла V SW = 0 В, а ток катушки индуктивности L разряжается нагрузкой V O . Поскольку идеальный индуктор не может иметь постоянное напряжение в установившемся режиме, среднее выходное напряжение V O можно определить как:

, где T ON – интервал времени включения в пределах периода переключения TS.Если отношение T ON /T S определить как коэффициент заполнения D, то выходное напряжение V O равно:

Когда значения индуктивности фильтра L и выходного конденсатора C O достаточно высоки, выходное напряжение V O представляет собой напряжение постоянного тока с пульсацией только в милливольтах. В этом случае для входного понижающего источника питания 12 В концептуально рабочий цикл 27,5% обеспечивает выходное напряжение 3,3 В.

Рис. 8. Режимы работы понижающего преобразователя и типичные формы сигналов

Помимо описанного выше подхода к усреднению, существует еще один способ вывести уравнение рабочего цикла.Идеальная катушка индуктивности не может иметь постоянное напряжение в устойчивом состоянии. Таким образом, он должен поддерживать вольт-секундный баланс индуктора в течение периода переключения. В соответствии с формой волны напряжения катушки индуктивности на рисунке 8 для баланса вольт-секунд требуется:

Уравнение (5) такое же, как уравнение (3). Тот же подход баланса вольт-секунд может быть использован для других топологий DC/DC для получения уравнений рабочего цикла в зависимости от V IN и V O .

Потери мощности в понижающем преобразователе

Потери проводимости постоянного тока

С идеальными компонентами (нулевое падение напряжения во включенном состоянии и нулевые потери при переключении) идеальный понижающий преобразователь имеет КПД 100%.В действительности рассеивание мощности всегда связано с каждым силовым компонентом. В SMPS есть два типа потерь: потери проводимости постоянного тока и потери переключения переменного тока.

Потери проводимости понижающего преобразователя в основном возникают из-за падения напряжения на транзисторе Q1, диоде D1 и катушке индуктивности L, когда они проводят ток. Чтобы упростить обсуждение, пульсации переменного тока индуктора не учитываются в следующем расчете потерь проводимости. Если в качестве силового транзистора используется МОП-транзистор, потери проводимости МОП-транзистора равны I O 2 • R DS(ON) • D, где R DS(ON) — сопротивление МОП-транзистора в открытом состоянии. Q1.Потери мощности на проводимость диода равны I O • V D • (1 – D), где V D – прямое падение напряжения на диоде D1. Потери проводимости индуктора равны I O 2 • R DCR , где R DCR — сопротивление меди обмотки индуктора. Таким образом, потери проводимости понижающего преобразователя приблизительно равны:

Например, входное напряжение 12 В, выходное напряжение 3,3 В/10 А MAX могут использовать следующие компоненты: МОП-транзистор R DS(ON) = 10 мОм, катушка индуктивности R DCR = 2 мОм, прямое напряжение диода V D = 0.5В. Следовательно, потери проводимости при полной нагрузке составляют:

С учетом только потерь на проводимость КПД преобразователя составляет:

Приведенный выше анализ показывает, что обратный диод потребляет мощность потерь 3,62 Вт, что намного выше, чем потери проводимости MOSFET Q1 и катушки индуктивности L. Для дальнейшего повышения эффективности диод D1 можно заменить MOSFET Q2, как показано на рис. Рис. 9. Этот преобразователь называется синхронным понижающим преобразователем. Затвор Q2 требует сигналов, комплементарных затвору Q1, т.е.е., Q2 включен только тогда, когда Q1 выключен. Потери проводимости синхронного понижающего преобразователя:

Если для транзистора Q2 также используется 10 мОм R DS(ON) MOSFET, потери проводимости и КПД синхронного понижающего преобразователя составляют:

Приведенный выше пример показывает, что синхронный понижающий преобразователь более эффективен, чем обычный понижающий преобразователь, особенно для приложений с низким выходным напряжением, когда рабочий цикл мал, а время проводимости диода D1 велико.

Рисунок 9.Синхронный понижающий преобразователь и его сигналы затвора транзистора

Потери при переключении переменного тока

В дополнение к потерям проводимости постоянного тока существуют другие потери мощности, связанные с переменным током/переключением из-за неидеальных силовых компонентов:

  1. Потери при переключении MOSFET. Реальный транзистор требует времени для включения или выключения. Таким образом, во время переходных процессов включения и выключения напряжения и тока перекрываются, что приводит к коммутационным потерям переменного тока. На рис. 10 показаны типичные сигналы переключения MOSFET Q1 в синхронном понижающем преобразователе.Зарядка и разрядка паразитного конденсатора C GD верхнего полевого транзистора Q1 с зарядом Q GD определяют большую часть времени переключения Q1 и связанных с ним потерь. В синхронном понижающем транзисторе коммутационные потери нижнего полевого транзистора Q2 малы, потому что Q2 всегда включается после того, как его внутренний диод проводит, и выключается до того, как его внутренний диод проводит, в то время как падение напряжения на корпусном диоде низкое. Однако заряд обратного восстановления внутреннего диода транзистора Q2 также может увеличить коммутационные потери верхнего полевого транзистора Q1 и вызвать звон коммутационного напряжения и электромагнитные помехи.Уравнение (12) показывает, что потери переключения Q1 полевого транзистора управления пропорциональны частоте переключения преобразователя f S . Точный расчет потерь энергии E ON и E OFF для Q1 не прост, но его можно найти в примечаниях по применению поставщиков МОП-транзисторов.
  2. Потери в сердечнике индуктора P SW_CORE . Реальная катушка индуктивности также имеет потери переменного тока, которые зависят от частоты коммутации. Потери переменного тока в индукторе в основном связаны с потерями в магнитном сердечнике. В высокочастотном SMPS материалом сердечника может быть порошковое железо или феррит.Как правило, сердечники из порошкового железа насыщают мягко, но имеют высокие потери в сердечнике, в то время как ферритовый материал насыщает более резко, но имеет меньшие потери в сердечнике. Ферриты представляют собой керамические ферромагнитные материалы, которые имеют кристаллическую структуру, состоящую из смесей оксида железа с оксидом марганца или цинка. Потери в сердечнике в основном связаны с потерями на магнитный гистерезис. Производитель сердечника или катушки индуктивности обычно предоставляет данные о потерях в сердечнике разработчикам источников питания для оценки потерь в катушке индуктивности переменного тока.
  3. Другие потери, связанные с переменным током.Другие потери, связанные с переменным током, включают потери драйвера затвора P SW_GATE , что равно V DRV • Q G • f S , и мертвое время (когда оба верхних полевых транзистора Q1 и нижний полевой транзистор Q2 выключены) корпусной диод потеря проводимости, равная (ΔT ON + ΔT OFF ) • V D(Q2) • f S . Таким образом, потери, связанные с переключением, включают: Расчет потерь, связанных с переключением, обычно непрост. Потери, связанные с переключением, пропорциональны частоте переключения f S .В синхронном понижающем преобразователе 12 В IN , 3,3 В O / 10 А MAX потери переменного тока вызывают потерю эффективности примерно от 2% до 5% при частоте коммутации 200–500 кГц. Таким образом, общий КПД составляет около 93% при полной нагрузке, что намного лучше, чем у источников LR или LDO. Уменьшение тепла или размера может быть близко к 10x.

Рис. 10. Типичная форма сигнала переключения и потери в верхнем полевом транзисторе Q1 в понижающем преобразователе

Рекомендации по проектированию переключающих силовых компонентов

Оптимизация частоты переключения

Как правило, более высокая частота переключения означает меньшие размеры компонентов выходного фильтра L и C O .В результате размер и стоимость блока питания могут быть уменьшены. Более высокая пропускная способность также может улучшить переходную реакцию нагрузки. Однако более высокая частота коммутации также означает более высокие потери мощности, связанные с переменным током, что требует большего пространства на плате или радиатора для ограничения тепловой нагрузки. В настоящее время для приложений с выходным током ≥10 А большинство понижающих источников питания работают в диапазоне частот от 100 кГц до 1 МГц ~ 2 МГц. При токе нагрузки < 10 А частота коммутации может достигать нескольких МГц. Оптимальная частота для каждой конструкции является результатом тщательного компромисса между размером, стоимостью, эффективностью и другими параметрами производительности.

Выбор выходной катушки индуктивности

В синхронном понижающем преобразователе размах пульсаций тока дросселя можно рассчитать как:

При заданной частоте коммутации низкая индуктивность дает большие пульсации тока и приводит к большим пульсациям выходного напряжения. Большие пульсации тока также увеличивают среднеквадратичные потери тока и проводимости MOSFET. С другой стороны, высокая индуктивность означает большой размер катушки индуктивности и возможные высокие DCR катушки индуктивности и потери проводимости. Как правило, при выборе катушки индуктивности выбирают 10% ~ 60% размаха тока пульсаций по отношению к максимальному коэффициенту постоянного тока.Поставщики индукторов обычно указывают номинальные значения постоянного тока, среднеквадратичного значения тока (нагрев) и тока насыщения. Важно спроектировать максимальный постоянный ток и пиковый ток катушки индуктивности в пределах максимальных значений, указанных поставщиком.

Выбор силового МОП-транзистора

При выборе полевого МОП-транзистора для понижающего преобразователя сначала убедитесь, что его максимальное значение V DS выше, чем напряжение питания V IN(MAX) с достаточным запасом. Однако не выбирайте полевой транзистор с чрезмерно высоким номинальным напряжением.Например, для питания 16 В IN(MAX) хорошо подходит полевой транзистор с номинальным напряжением 25 В или 30 В. Полевой транзистор с номинальным напряжением 60 В может быть избыточным, поскольку сопротивление полевого транзистора во включенном состоянии обычно увеличивается с увеличением номинального напряжения. Далее, сопротивление полевого транзистора в открытом состоянии R DS(ON) и заряд затвора Q G (или Q GD ) являются двумя наиболее важными параметрами. Обычно существует компромисс между зарядом затвора Q G и сопротивлением в открытом состоянии R DS(ON) . В общем, полевой транзистор с кремниевым кристаллом небольшого размера имеет низкое значение Q G , но высокое сопротивление в открытом состоянии R DS(ON) , в то время как полевой транзистор с большим кремниевым кристаллом имеет низкое сопротивление R DS(ON) , но большое значение Q . Г .В понижающем преобразователе верхний полевой МОП-транзистор Q1 принимает на себя как потери проводимости, так и потери переключения переменного тока. Для Q1 обычно требуется полевой транзистор с низкой добротностью G , особенно в приложениях с низким выходным напряжением и малым рабочим циклом. Синхронный полевой транзистор Q2 нижней стороны имеет небольшие потери переменного тока, потому что он обычно включается или выключается, когда его напряжение V DS близко к нулю. В этом случае низкий уровень R DS(ON) важнее, чем Q G для синхронного полевого транзистора Q2. Когда один полевой транзистор не может справиться с полной мощностью, можно использовать несколько полевых МОП-транзисторов параллельно.

Выбор входного и выходного конденсатора

Во-первых, конденсаторы должны быть выбраны с достаточным снижением напряжения.

Входной конденсатор понижающего преобразователя имеет пульсирующий ток переключения с большими пульсациями. Следовательно, входной конденсатор должен выбираться с достаточным номинальным среднеквадратичным значением пульсаций тока, чтобы обеспечить его срок службы. Алюминиевые электролитические конденсаторы и керамические конденсаторы с низким ESR обычно используются параллельно на входе.

Выходной конденсатор определяет не только пульсации выходного напряжения, но и переходные характеристики нагрузки.Пульсации выходного напряжения можно рассчитать по уравнению (15). Для высокопроизводительных приложений важно как ESR, так и общая емкость, чтобы свести к минимуму пульсации выходного напряжения и оптимизировать переходную характеристику нагрузки. Обычно хорошим выбором являются танталовые конденсаторы с низким ESR, полимерные конденсаторы с низким ESR и многослойные керамические конденсаторы (MLCC).

Закрыть контур регулирования с обратной связью

Существует еще один важный этап проектирования импульсного источника питания — замыкание контура регулирования схемой управления с отрицательной обратной связью.Обычно это гораздо более сложная задача, чем использование LR или LDO. Требуется хорошее понимание поведения контура и конструкции компенсации для оптимизации динамических характеристик стабильного контура.

Модель малосигнального понижающего преобразователя

Как объяснялось выше, импульсный преобразователь меняет свой режим работы в зависимости от состояния переключателя ВКЛ или ВЫКЛ. Это дискретная и нелинейная система. Для анализа контура обратной связи линейным методом управления необходимо линейное моделирование малых сигналов [1][3].Из-за выходного LC-фильтра линейная передаточная функция слабого сигнала рабочего цикла D к выходу V O фактически представляет собой систему второго порядка с двумя полюсами и одним нулем, как показано в уравнении (16). Имеются двойные полюса, расположенные на резонансной частоте выходного дросселя и конденсатора. Есть ноль, определяемый выходной емкостью и ESR конденсатора.

Управление режимом напряжения и управление режимом тока

Выходное напряжение можно регулировать с помощью системы с обратной связью, показанной на рис. 11.Например, когда выходное напряжение увеличивается, напряжение обратной связи V FB увеличивается, а выходной сигнал усилителя ошибки с отрицательной обратной связью уменьшается. Таким образом, рабочий цикл уменьшается. В результате выходное напряжение уменьшается, чтобы V FB = V REF . Схема компенсации операционного усилителя ошибки может быть сетью усилителя с обратной связью типа I, типа II или типа III [3][4]. Существует только один контур управления для регулирования выхода. Эта схема называется режимом управления по напряжению.Analog Devices LTC3775 и LTC3861 представляют собой типичные понижающие контроллеры с режимом напряжения.

Рис. 11. Блок-схема понижающего преобразователя, управляемого по напряжению

На рис. 12 показано синхронное понижающее напряжение на входе от 5 В до 26 В и на выходе 1,2 В/15 А с использованием понижающего контроллера LTC3775, работающего в режиме напряжения. Благодаря передовой архитектуре ШИМ-модуляции LTC3775 и очень низкому (30 нс) минимальному времени включения, источник питания хорошо работает для приложений, которые преобразуют высоковольтный автомобильный или промышленный источник питания в 1.Низкое напряжение 2 В, необходимое для современных микропроцессоров и программируемых логических микросхем. Для приложений с большой мощностью требуются многофазные понижающие преобразователи с разделением тока. При управлении по напряжению требуется дополнительная петля распределения тока для балансировки тока между параллельными понижающими каналами. Типичным методом распределения тока для управления режимом напряжения является метод ведущий-ведомый. LTC3861 — это такой контроллер режима напряжения PolyPhase ® . Его очень низкое, ±1,25 мВ, смещение измерения тока делает распределение тока между параллельными фазами очень точным, чтобы сбалансировать тепловую нагрузку.[10]

Рис. 12. Синхронный понижающий источник питания LTC3775 в режиме напряжения обеспечивает высокий коэффициент понижения

Управление в режиме тока использует два контура обратной связи: внешний контур напряжения, аналогичный контуру управления преобразователей, управляемых режимом напряжения, и внутренний контур тока, который возвращает сигнал тока в контур управления. На рис. 13 показана концептуальная блок-схема понижающего преобразователя с управлением по пиковому току, который непосредственно измеряет выходной ток дросселя. При управлении по току ток индуктора определяется ошибкой выходного напряжения операционного усилителя.Индуктор становится источником тока. Следовательно, передаточная функция от выхода операционного усилителя V C к выходному напряжению питания V O становится однополюсной системой. Это значительно упрощает компенсацию петли. Компенсация контура управления меньше зависит от нуля ESR выходного конденсатора, поэтому можно использовать все керамические выходные конденсаторы.

Рис. 13. Блок-схема понижающего преобразователя с управлением по току

Существует множество других преимуществ управления текущим режимом.Как показано на рис. 13, поскольку пиковый ток дросселя ограничивается операционным усилителем V C цикл за циклом, система с управлением режимом тока обеспечивает более точное и быстрое ограничение тока в условиях перегрузки. Пусковой ток катушки индуктивности также хорошо контролируется во время запуска. Кроме того, ток дросселя не меняется быстро при изменении входного напряжения, поэтому источник питания имеет хорошие переходные характеристики. При параллельном подключении нескольких преобразователей с управлением режимом тока также очень легко распределять ток между источниками питания, что важно для надежных сильноточных приложений с использованием понижающих преобразователей PolyPhase.В общем, преобразователь с управлением по току более надежен, чем преобразователь с управлением по напряжению.

Решение схемы управления текущим режимом должно точно определять ток. Сигнал измерения тока обычно представляет собой небольшой сигнал на уровне десятков милливольт, чувствительный к шуму переключения. Поэтому необходима правильная и тщательная разводка печатной платы. Токовая петля может быть замкнута путем измерения тока катушки индуктивности через измерительный резистор, падения напряжения DCR катушки индуктивности или падения напряжения проводимости полевого МОП-транзистора.К типичным контроллерам токового режима относятся Analog Devices LTC3851A, LTC3855, LTC3774 и LTC3875.

Постоянная частота и постоянное управление по времени

Типичные схемы режима напряжения и режима тока в разделе «Управление режимом напряжения и управление режимом тока» имеют постоянную частоту переключения, генерируемую внутренними часами контроллера. Эти контроллеры с постоянной частотой переключения можно легко синхронизировать, что является важной особенностью сильноточных понижающих контроллеров PolyPhase. Однако, если переходный процесс, повышающий нагрузку, возникает сразу после выключения затвора управляющего полевого транзистора Q1, преобразователь должен ждать все время выключения Q1 до следующего цикла, чтобы отреагировать на переходный процесс.В приложениях с малыми рабочими циклами задержка в наихудшем случае близка к одному циклу переключения.

В таких приложениях с низким рабочим циклом постоянное управление в режиме долины тока во включенном состоянии имеет более короткую задержку для реагирования на переходные процессы, повышающие нагрузку. В установившемся режиме частота коммутации постоянно включенных понижающих преобразователей практически фиксирована. В случае переходного процесса частота переключения может быстро изменяться для ускорения переходного процесса. В результате источник питания имеет улучшенные переходные характеристики и выходную емкость, а связанные с этим затраты могут быть снижены.

Однако при постоянном контроле времени включения частота переключений может меняться в зависимости от сети или нагрузки. LTC3833 — это понижающий контроллер тока долины с более сложной архитектурой управления по времени — вариант архитектуры управления с постоянным временем включения с той разницей, что время включения управляется таким образом, что частота переключения остается постоянной на установившемся этапе. условия под линией и под нагрузкой. Благодаря этой архитектуре контроллер LTC3833 имеет минимальное время включения 20 нс и позволяет понижать напряжение до 38 В IN до 0.6В О . Контроллер может быть синхронизирован с внешними часами в диапазоне частот от 200 кГц до 2 МГц. На рис. 14 показан типичный источник питания LTC3833 с входным напряжением от 4,5 В до 14 В и выходным напряжением 1,5 В/20 А. [11] На рис. 15 показано, что источник питания может быстро реагировать на внезапные переходные процессы нагрузки с высокой скоростью нарастания. Во время переходного процесса повышения нагрузки частота переключения увеличивается, чтобы обеспечить более быструю переходную реакцию. Во время переходного процесса понижения нагрузки рабочий цикл падает до нуля. Поэтому только выходной индуктор ограничивает скорость нарастания тока.В дополнение к LTC3833, для нескольких выходов или многофазных приложений, контроллеры LTC3838 и LTC3839 обеспечивают быстродействующие многофазные решения.

Рис. 14. Быстродействующий источник тока с регулируемым по времени током с использованием LTC3833

Рис. 15. Блок питания LTC3833 обеспечивает быстрое реагирование при переходных процессах с быстрым скачком нагрузки

Пропускная способность и стабильность цикла

Хорошо спроектированный SMPS работает бесшумно как в электрическом, так и в акустическом отношении. Это не относится к системе с недостаточной компенсацией, которая имеет тенденцию быть нестабильной.К типичным признакам недокомпенсированного источника питания относятся: слышимый шум от магнитных компонентов или керамических конденсаторов, дрожание сигналов переключения, колебания выходного напряжения и т. д. Система с перекомпенсацией может быть очень стабильной и тихой, но за счет медленного переходного процесса. Такая система имеет частоту кроссовера контура на очень низких частотах, обычно ниже 10 кГц. Конструкции с медленными переходными характеристиками требуют чрезмерной выходной емкости для удовлетворения требований по регулированию переходных процессов, что увеличивает общую стоимость и размер поставки.Оптимальная схема компенсации контура стабильна и бесшумна, но не имеет чрезмерной компенсации, поэтому она также имеет быстрый отклик для минимизации выходной емкости. В статье Analog Devices AN149 подробно объясняются концепции и методы моделирования силовых цепей и проектирования контуров [3]. Моделирование слабых сигналов и проектирование компенсации контура могут быть трудными для неопытных разработчиков источников питания. Инструмент проектирования Analog Devices LTpowerCAD обрабатывает сложные уравнения и значительно упрощает проектирование источников питания, особенно компенсацию контуров [5][6].Инструмент моделирования LTspice ® объединяет все модели деталей Analog Devices и обеспечивает дополнительное моделирование во временной области для оптимизации проекта. Однако на стадии прототипа обычно необходимы стендовые испытания/проверка стабильности контура и переходных характеристик.

Как правило, работа замкнутого контура регулирования напряжения оценивается по двум важным параметрам: полосе пропускания контура и запасу устойчивости контура. Полоса пропускания контура количественно определяется частотой кроссовера f C , при которой коэффициент усиления контура T(s) равен единице (0 дБ).Запас устойчивости контура обычно количественно определяется запасом по фазе или запасом по усилению. Запас по фазе контура Φ m определяется как разница между общей фазовой задержкой T(s) и –180° на частоте кроссовера. Запас по усилению определяется разницей между усилением T(s) и 0 дБ на частоте, где общая фаза T(s) равна –180°. Для понижающего преобразователя обычно считается достаточным запас по фазе в 45 градусов и запас по усилению в 10 дБ. На рис. 16 показана типичная диаграмма Боде коэффициента усиления контура для токового режима 3-фазного понижающего преобразователя LTC3829 12 В IN в 1 В O / 60 А.В этом примере частота кроссовера составляет 45 кГц, а запас по фазе — 64 градуса. Запас усиления близок к 20 дБ.

Рис. 16. Инструмент проектирования LTpowerCAD обеспечивает простой способ оптимизации компенсации контура и переходной характеристики нагрузки (пример трехфазного понижающего преобразователя LTC3829 с одним выходом).

Понижающий преобразователь PolyPhase для сильноточных приложений

По мере того, как системы обработки данных становятся быстрее и крупнее, их процессоры и модули памяти потребляют больше тока при постоянном снижении напряжения.При таких высоких токах требования к источникам питания возрастают. В последние годы многофазные (многофазные) синхронные понижающие преобразователи широко используются для сильноточных и низковольтных источников питания благодаря их высокой эффективности и равномерному распределению тепла. Кроме того, с чередованием нескольких фаз понижающего преобразователя пульсирующий ток как на входе, так и на выходе может быть значительно уменьшен, что приводит к уменьшению входных и выходных конденсаторов, а также места на плате и стоимости.

В понижающих преобразователях PolyPhase чрезвычайно важны точное определение и распределение тока.Хорошее распределение тока обеспечивает равномерное распределение тепла и высокую надежность системы. Из-за присущей им возможности распределения тока в устойчивом состоянии и во время переходных процессов обычно предпочтительны вольтогасители с управлением режимом тока. Analog Devices LTC3856 и LTC3829 — это типичные понижающие контроллеры PolyPhase с точным определением и распределением тока. Несколько контроллеров могут быть подключены последовательно для 2-, 3-, 4-, 6- и 12-фазных систем с выходным током от 20 А до более 200 А.

Рисунок 17.3-фазный одноканальный сильноточный понижающий преобразователь V O с использованием LTC3829

Другие требования к высокопроизводительному контроллеру

От высокопроизводительного понижающего контроллера требуется множество других важных функций. Плавный пуск обычно необходим для контроля пускового тока во время пуска. Ограничение перегрузки по току и защелка при коротком замыкании могут защитить источник питания, когда выход перегружен или закорочен. Защита от перенапряжения защищает дорогостоящие нагрузочные устройства в системе.Чтобы свести к минимуму электромагнитные помехи системы, иногда контроллер необходимо синхронизировать с внешним тактовым сигналом. Для приложений с низким напряжением и большим током дистанционное измерение дифференциального напряжения компенсирует падение напряжения на сопротивлении печатной платы и точно регулирует выходное напряжение на удаленной нагрузке. В сложной системе со многими шинами выходного напряжения также необходимо упорядочивать и отслеживать различные шины напряжения.

Схема печатной платы

Выбор компонентов и проектирование схемы — это только половина процесса проектирования поставки.Правильная компоновка печатной платы импульсного источника питания всегда имеет решающее значение. На самом деле, его важность невозможно переоценить. Хорошая компоновка оптимизирует эффективность подачи, снижает тепловую нагрузку и, что наиболее важно, сводит к минимуму шум и взаимодействие между дорожками и компонентами. Для этого разработчику важно понимать пути прохождения тока и потоки сигналов в импульсном источнике питания. Обычно для приобретения необходимого опыта требуются значительные усилия. Подробное обсуждение см. в примечаниях по применению Analog Devices 136 и 139.[7][9]

Выбор различных решений – дискретные, монолитные и интегрированные источники питания

На уровне интеграции системные инженеры могут решить, следует ли выбрать решение с дискретным, монолитным или полностью интегрированным силовым модулем. На рис. 18 показаны примеры решений с дискретным и силовым модулем для типичных приложений питания в точке нагрузки. Дискретное решение использует микросхему контроллера, внешние МОП-транзисторы и пассивные компоненты для создания источника питания на системной плате. Основной причиной выбора дискретного решения является низкая стоимость спецификации компонентов (BOM).Однако это требует хороших навыков проектирования источников питания и относительно длительного времени разработки. В монолитном решении используется ИС со встроенными мощными полевыми МОП-транзисторами для дальнейшего уменьшения размера решения и количества компонентов. Это требует аналогичных дизайнерских навыков и времени. Полностью интегрированное решение с силовым модулем может значительно сократить усилия по проектированию, время разработки, размер решения и проектные риски, но, как правило, с более высокой стоимостью спецификации компонентов.

Рис. 18. Примеры (a) дискретного 12 В IN до 3.Питание 3 В/10 А LTC3778; (b) полностью интегрированный 16-вольтовый IN , двойной 13-амперный или одиночный 26-амперный микромодуль LTM4620 ® , понижающий регулятор

Другие базовые неизолированные топологии DC/DC SMPS

В этом примечании по применению понижающие преобразователи используются в качестве простого примера для демонстрации конструктивных соображений SMPS. Однако существует по крайней мере пять других основных топологий неизолированных преобразователей (повышающий, понижающий/повышающий, преобразователи Cuk, SEPIC и Zeta) и по крайней мере пять основных топологий изолированных преобразователей (обратноходовые, прямые, двухтактные, полумостовые и полномостовые). ), которые не рассматриваются в данных указаниях по применению.Каждая топология обладает уникальными свойствами, которые делают ее пригодной для конкретных приложений. На рис. 19 показаны упрощенные схемы для других неизолированных топологий SMPS.

Рис. 19. Другие основные топологии неизолированных преобразователей постоянного тока в постоянный

Существуют и другие неизолированные топологии SMPS, представляющие собой комбинации базовых топологий. Например, на рис. 20 показан высокоэффективный синхронный повышающе-понижающий преобразователь с 4 ключами на основе контроллера токового режима LTC3789. Он может работать с входным напряжением ниже, равным или выше выходного напряжения.Например, вход может быть в диапазоне от 5В до 36В, а выход может быть регулируемым 12В. Эта топология представляет собой комбинацию синхронного понижающего преобразователя и синхронного повышающего преобразователя с общим дросселем. Когда V IN > V OUT , переключатели A и B работают как активный синхронный понижающий преобразователь, в то время как переключатель C всегда выключен, а переключатель D всегда включен. Когда V IN < V OUT , переключатели C и D работают как активный синхронный повышающий преобразователь, в то время как переключатель A всегда включен, а переключатель B всегда выключен.Когда V IN близок к V OUT , все четыре переключателя работают активно. В результате этот преобразователь может быть очень эффективным, с КПД до 98% для типичного приложения с выходным напряжением 12 В. [12] Контроллер LT8705 еще больше расширяет диапазон входного напряжения до 80 В. Для упрощения конструкции и увеличения удельной мощности LTM4605/4607/4609 дополнительно интегрируют сложный повышающе-понижающий преобразователь в простой в использовании силовой модуль высокой плотности. [13] Их можно легко подключить параллельно с разделением нагрузки для приложений с высокой мощностью.

Рис. 20. Высокоэффективный повышающе-понижающий преобразователь с 4 переключателями, работающий при входном напряжении ниже, равном или выше выходного напряжения

Резюме

Таким образом, линейные регуляторы просты и удобны в использовании. Поскольку их транзисторы с последовательной регулировкой работают в линейном режиме, эффективность питания обычно низка, когда выходное напряжение намного ниже входного. Как правило, линейные стабилизаторы (или LDO) имеют низкие пульсации напряжения и быструю переходную характеристику. С другой стороны, импульсные источники питания работают на транзисторе как на переключателе и поэтому обычно намного эффективнее линейных регуляторов.Однако проектирование и оптимизация SMPS более сложны и требуют дополнительных знаний и опыта. Каждое решение имеет свои преимущества и недостатки для конкретных приложений.

использованная литература

[1] В. Ворпериан, «Упрощенный анализ ШИМ-преобразователей с использованием модели ШИМ-переключателя: части I и II», IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, март 1990 г., Vol. 26, №2.

[2] Р.Б. Ридли, Б. Х. Чо, Ф. К. Ли, «Анализ и интерпретация коэффициентов усиления импульсных регуляторов с многоконтурным управлением», IEEE Transactions on Power Electronics, стр. 489-498, октябрь 1988 г.

[3] Х. Чжан, «Моделирование и компенсация контура импульсных источников питания», Замечания по применению линейной технологии AN149, 2015.

[4] Х. Дин Венейбл, «Оптимальный дизайн усилителя с обратной связью для систем управления», Технический документ Венейбл.

[5] Х. Чжан, «Проектирование блоков питания за пять простых шагов с помощью инструмента проектирования LTpowerCAD», Замечания по применению линейных технологий AN158, 2015 г.

[6] Инструмент проектирования LTpowerCAD на сайте www.linear.com/LTpowerCAD.

[7] Х. Чжан, «Вопросы компоновки печатных плат для неизолированных импульсных источников питания», Примечание по применению 136, Linear Technology Corp., 2012.

[8] Р. Добкин, «Регулятор с малым падением напряжения может быть напрямую подключен для распределения тепла», LT Journal of Analog Innovation, октябрь 2007 г.

[9] К. Куек, «Схема блока питания и электромагнитные помехи», Замечания по применению линейной технологии AN139, 2013 г.

[10] М.Субраманиан, Т. Нгуен и Т. Филлипс, «Измерение тока DCR субмиллионом с точным распределением многофазного тока для сильноточных источников питания», LT Journal, январь 2013 г.

[11] Б. Абесингха, «Быстрый и точный понижающий DC/DC-контроллер, преобразующий 24 В напрямую в 1,8 В на частоте 2 МГц», LT Journal, октябрь 2011 г.

[12] Т. Бьорклунд, «Высокоэффективный повышающе-понижающий контроллер с 4 переключателями обеспечивает точное ограничение выходного тока», Замечания по проектированию линейной технологии 499.

[13] Дж. Сан, С. Янг и Х.Чжан, «Регулятор µModule подходит для (почти) полного решения Buck-Boost в размерах 15 мм × 15 мм × 2,8 мм для 4,5–36 В на выходе 0,8–34 В», LT Journal, март 2009 г. Источник питания | ОРЕЛ

Бытовым электронным устройствам, особенно имеющим интегральные схемы, требуется надежный источник постоянного напряжения, который может обеспечивать питание в любое время без каких-либо сбоев. В этом блоге мы рассмотрим две топологии конструкции источников питания, которые следует рассмотреть для вашего следующего проекта: линейные регулируемые и импульсные источники питания.Выбранный вами источник питания в конечном итоге зависит от ваших требований к эффективности, занимаемому месту, регулированию мощности, переходному времени отклика и стоимости.

Линейный регулируемый источник питания

Линейные регуляторы

были предпочтительными источниками питания до 1970-х годов для преобразования переменного тока (AC) в устойчивый постоянный ток (DC) для электронных устройств. Несмотря на то, что сегодня этот тип источника питания не используется так широко, он по-прежнему является лучшим выбором для приложений, требующих минимального уровня шума и пульсаций.

Они могут быть громоздкими, но линейные регулируемые источники питания бесшумны. (Источник изображения)

Как они работают

Основным компонентом, обеспечивающим работу линейного регулятора, является стальной или железный трансформатор. Этот трансформатор выполняет две функции:

  • Он действует как барьер, отделяющий вход переменного тока высокого напряжения от входа постоянного тока низкого напряжения, который также отфильтровывает любые помехи, попадающие в выходное напряжение.
  • Он снижает входное напряжение переменного тока со 115 В/230 В примерно до 30 В, которое затем можно преобразовать в постоянное напряжение постоянного тока.

Переменное напряжение сначала понижается трансформатором, а затем выпрямляется несколькими диодами. Затем оно сглаживается до низкого постоянного напряжения парой больших электролитических конденсаторов. Это низкое постоянное напряжение затем регулируется как постоянное выходное напряжение с использованием транзистора или интегральной схемы.

Вот блок питания с линейным стабилизатором. (Источник изображения)

Регулятор напряжения в линейном блоке питания работает как переменный резистор. Это позволяет изменять значение выходного сопротивления в соответствии с требованиями к выходной мощности.Поскольку регулятор напряжения постоянно сопротивляется току для поддержания напряжения, он также действует как рассеивающее устройство. Это означает, что полезная мощность постоянно теряется в виде тепла для поддержания постоянного уровня напряжения.

Трансформатор уже является крупным компонентом на печатной плате (PCB). Из-за постоянной мощности и тепловыделения блоку питания с линейным регулятором потребуется радиатор. Только эти два компонента делают устройство очень тяжелым и громоздким по сравнению с небольшим форм-фактором импульсного источника питания.

Предпочтительные приложения

Линейные регуляторы

известны своей низкой эффективностью и большими размерами, но они обеспечивают бесшумное выходное напряжение. Это делает их идеальными для любых устройств, которым требуется высокая частота и низкий уровень шума, таких как:

  • Цепи управления
  • Малошумящие усилители
  • Сигнальные процессоры
  • Автоматизированное и лабораторное испытательное оборудование
  • Датчики и схемы сбора данных

Преимущества и недостатки

Источники питания с линейной стабилизацией

могут быть громоздкими и неэффективными, но их низкий уровень шума идеально подходит для приложений, чувствительных к шуму.Некоторые преимущества и недостатки, которые следует учитывать для этой топологии, включают:

Преимущества

  • Простое приложение . Линейные регуляторы могут быть реализованы в виде целого пакета и добавлены в схему только с двумя дополнительными фильтрующими конденсаторами. Это позволяет инженерам любого уровня подготовки с легкостью планировать и проектировать их с нуля.
  • Низкая стоимость . Если вашему устройству требуется выходная мощность менее 10 Вт, то затраты на компоненты и производство намного ниже по сравнению с импульсными источниками питания.
  • Низкий уровень шума/пульсаций . Линейные стабилизаторы имеют очень низкую пульсацию выходного напряжения и широкую полосу пропускания. Это делает их идеальными для любых чувствительных к шуму приложений, включая устройства связи и радио.

Недостатки

  • Ограниченная гибкость . Линейные регуляторы можно использовать только для понижения напряжения. Для источника питания переменного/постоянного тока трансформатор с выпрямлением и фильтрацией необходимо будет разместить перед линейным источником питания, что увеличит общие затраты и усилия.
  • Ограниченные выходы . Источники питания с линейной стабилизацией обеспечивают только одно выходное напряжение. Если вам нужно больше, вам нужно будет добавить отдельный линейный регулятор напряжения на требуемый выход.
  • Низкая эффективность . Среднее линейное регулируемое устройство достигает КПД 30-60% за счет рассеивания тепла. Это также требует добавления радиатора, который увеличивает размер и вес устройства.

В наше время энергоэффективных устройств низкий рейтинг эффективности линейного регулируемого источника питания может стать причиной сделки.Обычный блок питания с линейной стабилизацией будет работать с КПД около 60% при выходном напряжении 24 В. Когда вы рассматриваете входную мощность 100 Вт, вы видите 40 Вт потерянной мощности.

Прежде чем рассматривать возможность использования источника питания с линейной стабилизацией, мы настоятельно рекомендуем учитывать потери мощности, которые вы получите на пути от входа к выходу. Вы можете быстро оценить эффективность линейного регулятора по следующей формуле:

Импульсный источник питания (SMPS)

Импульсные источники питания были представлены в 1970-х годах и быстро стали самым популярным способом питания электронных устройств постоянным током.Что делает их такими замечательными? По сравнению с линейными регуляторами выделяются их высокая эффективность и производительность.

Типичный адаптер переменного тока включает блок питания с режимом переключения. (Источник изображения)

Как они работают

Импульсный источник питания регулирует выходное напряжение с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Этот процесс создает высокочастотный шум, но обеспечивает высокую эффективность при небольшом форм-факторе. При подключении к сети переменного тока 115 В или 230 В переменного тока сначала выпрямляются и сглаживаются набором диодов и конденсаторов, что обеспечивает высокое постоянное напряжение.Это высокое постоянное напряжение затем понижается с помощью небольшого ферритового трансформатора и набора транзисторов. Процесс понижения по-прежнему сохраняет высокую частоту переключения между 200 кГц и 500 кГц.

Низкое постоянное напряжение, наконец, преобразуется в постоянный постоянный ток с помощью другого набора диодов, конденсаторов и катушек индуктивности. Любая регулировка, необходимая для поддержания постоянного выходного напряжения, выполняется путем регулировки ширины импульса высокочастотного сигнала. Этот процесс регулирования работает через цепь обратной связи, которая постоянно отслеживает выходное напряжение и при необходимости регулирует коэффициент включения/выключения ШИМ-сигнала.

Вот импульсный блок питания с гораздо большим количеством деталей, чем с линейным регулированием. (Источник изображения)

Предпочтительные приложения

Вы чаще всего найдете импульсные блоки питания, используемые в приложениях, где важны срок службы батареи и температура, например:

  • Электролиз, переработка отходов или применение топливных элементов
  • Двигатели постоянного тока, игровые автоматы, авиация и судостроение
  • Научно-исследовательское, производственное и испытательное оборудование
  • Зарядка аккумуляторов для литий-ионных аккумуляторов, используемых в авиации и транспортных средствах
  • Процессы гальваники, анодирования и гальванопластики

Преимущества и недостатки

Импульсные источники питания могут иметь более высокий КПД, чем линейные регуляторы, но их шум делает их плохим выбором для приложений радиосвязи и связи.Некоторые преимущества и недостатки, которые следует учитывать для этой топологии, включают:

Преимущества

  • Малый форм-фактор . Понижающий трансформатор в SMPS работает на высокой частоте, что, в свою очередь, уменьшает его объем и вес. Это позволяет импульсному источнику питания иметь гораздо меньший форм-фактор, чем линейный стабилизатор.
  • Высокая эффективность . Регулирование напряжения в импульсном источнике питания осуществляется без отвода избыточного количества тепла.Эффективность SMPS может достигать 85%-90%.
  • Гибкие приложения . Дополнительные обмотки могут быть добавлены к импульсному источнику питания, чтобы обеспечить более одного выходного напряжения. Импульсный источник питания с трансформаторной изоляцией также может обеспечивать выходное напряжение, которое не зависит от входного напряжения.

Недостатки

  • Сложная конструкция . По сравнению с линейными регуляторами планирование и проектирование импульсных источников питания обычно предназначено для специалистов по энергетике.Это не лучший источник питания для выбора, если вы планируете разработать свой собственный без тщательного изучения или опыта.
  • Высокочастотный шум . Переключение МОП-транзистора в импульсном источнике питания приводит к появлению высокочастотных помех в выходном напряжении. Это часто требует использования радиочастотного экранирования и фильтров электромагнитных помех в устройствах, чувствительных к шуму.
  • Более высокая стоимость . Для более низкой выходной мощности 10 Вт или менее дешевле использовать блок питания с линейной стабилизацией.

Импульсные блоки питания никуда не денутся и являются предпочтительным источником питания для приложений, не чувствительных к шуму. Сюда входят такие устройства, как зарядные устройства для мобильных телефонов, двигатели постоянного тока и многое другое.

Сравнение линейного регулятора

и SMPS

Теперь мы рассмотрим окончательное сравнение между линейными регулируемыми и импульсными источниками питания при их параллельном сравнении. Некоторые из наиболее важных требований, которые необходимо учитывать, включая размер/вес, диапазон входного напряжения, рейтинг эффективности и уровень шума среди других факторов.Вот как это разбивается:

Как спроектировать свой собственный В этом блоге нет возможности объяснить, как спроектировать линейный регулируемый или импульсный источник питания. Тем не менее, есть несколько руководств, которыми мы хотели бы поделиться. Имейте в виду, что проектирование SMPS требует высокого уровня сложности и не рекомендуется для новичков в области проектирования электроники. Руководства по проектированию линейных регулируемых источников питания

Руководства по проектированию импульсных источников питания

Power OnБольшинство электронных устройств в наши дни должны преобразовывать сеть переменного тока в стабильное выходное напряжение постоянного тока.Для этой цели следует рассмотреть две топологии: линейные регулируемые и импульсные источники питания. Линейное регулирование идеально подходит для приложений, требующих низкого уровня шума, в то время как импульсные источники питания лучше подходят для портативных устройств, где важно время автономной работы и эффективность. При принятии решения о том, какую топологию выбрать, всегда учитывайте требуемый рейтинг эффективности, форм-фактор, выходную стабилизацию и требования к шуму. Готовы спроектировать свой первый линейный регулируемый или импульсный источник питания? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно уже сегодня!

Источники питания с линейным регулированием Импульсные источники питания
Размер Линейный источник питания 50 Вт, обычно 3 x 5 x 5.5” Импульсный источник питания 50 Вт, обычно 3 x 5 x 1 дюйм
Вес Линейный источник питания 50 Вт — 4 фунта Импульсный источник питания 50 Вт – 0,62 фунта
Диапазон входного напряжения 105 – 125 В переменного тока и/или

210 – 250 В переменного тока

90–132 В переменного тока или 180–264 В переменного тока без PFC

90–264 В переменного тока с PFC

Эффективность Обычно 40–60 % Обычно 70–85 %
ЭМИ Низкий Высокий
Утечка Низкий Высокий
Схема Умеренная сложность, можно использовать с направляющими Высокая сложность, требуются специальные знания
Регулирование нагрузки 0.от 005% до 0,2% от 0,05% до 0,5%
Регулирование линии от 0,005 % до 0,05 % от 0,05% до 0,2%
Количество деталей Низкий, требуется только регулятор и фильтрация ввода/вывода Высокий, требуется переключатель, снаббер, трансформатор, конденсаторы, цепь обратной связи и т. д.

Регулируемые блоки питания

 

 

Блок регулятора/стабилизатора

 

Последствия плохого регулирования

Влияние плохой регулировки (или стабилизации) питания можно увидеть на рис.1.3.1, на котором представлены графики выходного напряжения (В DC ) при увеличении тока нагрузки (I) в различных вариантах базового блока питания.

Обратите внимание, что выходное напряжение значительно выше для двухполупериодных моделей (красный и желтый), чем для однополупериодных (зеленый и фиолетовый). Также обратите внимание на небольшое снижение напряжения при добавлении LC-фильтра из-за падения напряжения на катушке индуктивности. В каждом случае базовой конструкции выходное напряжение падает почти линейно по мере увеличения тока, потребляемого от источника питания.В дополнение к этому эффекту дополнительная разрядка накопительного конденсатора также вызывает увеличение амплитуды пульсаций.

Рис. 1.3.1 Кривые регулирования по сравнению с

Регулятор (стабилизатор)

Регулятор или стабилизатор?

Строго говоря, компенсация колебаний сетевого (линейного) входного напряжения называется РЕГУЛИРОВКОЙ, а компенсация колебаний тока нагрузки — СТАБИЛИЗАЦИЯ. На практике вы обнаружите, что эти термины используются довольно свободно для описания компенсации обоих эффектов.На самом деле большинство стабилизированных или регулируемых источников питания компенсируют как входные, так и выходные колебания, и поэтому являются (по крайней мере, до некоторой степени) стабилизированными и регулируемыми источниками питания.

Как и во многих современных терминах, термин «регулятор» будет использоваться здесь для описания как регулирования, так и стабилизации.

Эти проблемы могут быть в значительной степени преодолены путем включения каскада регулятора на выходе источника питания. Эффект этой схемы можно увидеть на рис. 1.3.1. как черная линия на графике, где при любом токе примерно до 200 мА выходное напряжение (хотя и ниже абсолютного максимума, обеспечиваемого базовым источником питания) остается постоянным.

Регулятор противодействует изменению тока нагрузки, автоматически компенсируя снижение выходного напряжения при увеличении тока.

В регулируемых источниках питания также часто бывает, что выходное напряжение автоматически и внезапно снижается до нуля в качестве меры безопасности, если потребляемый ток превышает установленный предел. Это называется ограничением тока.

Регулирование

требует дополнительной схемы на выходе простого источника питания. Используемые схемы сильно различаются как по стоимости, так и по сложности.Используются две основные формы регулирования:

  1. Шунтовой регулятор.

2. Серийный регулятор.

Эти два подхода сравниваются на Рис. 1.3.2 и Рис. 1.3.3

Регулятор шунта

Рис. 1.3.2 Шунтирующий регулятор

В параллельном регуляторе (рис. 1.3.2) цепь включена параллельно нагрузке. Цель регулятора — постоянно обеспечивать стабильное напряжение на нагрузке; это достигается за счет постоянного протекания тока через цепь регулятора.Если ток нагрузки увеличивается, то схема регулятора уменьшает свой ток так, что общий ток питания I T (состоящий из тока нагрузки I L плюс ток регулятора I S ) остается на том же значении. . Точно так же, если ток нагрузки уменьшается, то ток регулятора увеличивается для поддержания постоянного общего тока I T . Если общий ток питания останется прежним, то останется и напряжение питания.

Регулятор серии

Рис.1.3.2 Регулятор серии

В последовательном регуляторе (рис. 1.3.3) регулирующее устройство включено последовательно с нагрузкой. На регуляторе всегда будет падение напряжения. Это падение будет вычтено из напряжения питания, чтобы получить напряжение V L на нагрузке, которое равно напряжению питания V T минус падение напряжения регулятора V S . Следовательно:

В Л = В Т — В С

Регуляторы серии

обычно управляются выборкой напряжения нагрузки с использованием системы отрицательной обратной связи.Если напряжение нагрузки имеет тенденцию к падению, меньшая обратная связь заставляет управляющее устройство уменьшать свое сопротивление, позволяя большему току протекать в нагрузку, тем самым увеличивая напряжение нагрузки до исходного значения. Увеличение напряжения на нагрузке будет иметь обратный эффект. Подобно шунтовому регулированию, действие последовательного регулятора также компенсирует колебания напряжения питания.

 

Техническая информация о программируемом источнике питания постоянного тока

Программируемые источники питания постоянного тока
Источники питания постоянного тока

обеспечивают регулируемый выход постоянного тока для питания компонента, модуля или устройства.Хороший источник питания постоянного тока должен обеспечивать стабильное и точное напряжение и ток с минимальными шумами. к любому типу нагрузки: резистивная, индуктивная, низкоомная, высокоимпедансная, стационарное или переменное. Насколько хорошо блок питания выполняет эту миссию и где он достигает своих пределов, определены в его спецификациях.

Источники питания имеют два основных настройки, выходное напряжение и ограничение по току. Как они устанавливаются в сочетании с нагрузкой определяет, как будет работать блок питания.

Большинство блоков питания постоянного тока имеют два режимы работы. В режиме постоянного напряжения (CV) блок питания управляет выходное напряжение на основе пользовательских настроек. В режиме постоянного тока (CC), блок питания регулирует ток. Независимо от того, находится ли источник питания в CV или CC режим зависит как от пользовательских настроек, так и от сопротивления нагрузки.

• Режим CV является типичным рабочим состоянием источника питания. Это контролирует напряжение. Выходное напряжение постоянно и определяется пользовательская настройка напряжения.Выходной ток определяется импедансом Загрузка.

• Режим CC обычно считается режимом безопасности, но может использоваться в другие способы. В режиме CC выходной ток постоянен и определяется текущая настройка лимита пользователя. Напряжение определяется импедансом нагрузка. Если источник питания находится в режиме CV и его ток превышает установка ограничения тока, затем источник питания автоматически переключится на CC режим. Источник питания также может вернуться в режим CV, если ток нагрузки падает ниже установленного ограничения тока.

Наиболее важными параметрами для любого приложения являются максимальное напряжение, максимальный ток и максимальная мощность, которую может обеспечить источник питания. генерировать. Важно убедиться, что источник питания может обеспечить мощность на требуемом уровне напряжения и силы тока. Эти три параметра являются первые характеристики, которые необходимо изучить.

Точность и разрешение

Исторически источник питания постоянного тока пользователь поворачивал потенциометры для установки выходного напряжения или тока.Сегодня микропроцессоры получать входные данные от пользовательского интерфейса или от удаленного интерфейса. А цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) принимает цифровую настройку и преобразует ее в в аналоговое значение, которое используется в качестве опорного для аналогового регулятора. Значения разрешающей способности и точности настройки определяются качеством изображения. этот процесс преобразования и регулирования.

Настройки напряжения и тока (иногда называемые пределами или запрограммированными значениями), каждая из которых имеет разрешение и характеристики точности, связанные с ними.Разрешение этих настроек определяет минимальное приращение, с которым можно регулировать выходной сигнал, а точность описывает степень соответствия выходного значения международные стандарты. Помимо настроек вывода, есть измерения или спецификации считывания, которые не зависят от выходных спецификаций.

Большинство источников питания постоянного тока обеспечивают встроенные измерительные схемы для измерения как напряжения, так и тока. Эти схемы измеряют напряжение и ток, подаваемые источником питания вывод.Поскольку схемы считывают напряжение и ток, которые подаются обратно в источника питания, измерения, производимые цепями, часто называют считываемые значения. Большинство профессиональных источников питания содержат схемы, использующие аналого-цифровые преобразователи, а для этих внутренних приборов Характеристики аналогичны характеристикам цифрового мультиметра. Источник питания отображает измеренные значения на передней панели, а также может передавать их по удаленный интерфейс, если он им оснащен.

Настройка Точность

Точность настройки определяет, как близкий регулируемый параметр к его теоретическому значению, определенному Международный стандарт.Выходная неопределенность в источнике питания в основном связана с условия ошибки в ЦАП, включая ошибку квантования. Точность настройки проверено путем измерения регулируемой переменной с прослеживаемой точностью система измерения подключена к выходу источника питания. Параметр точность определяется как: ±(% настройки + смещение)

Например, рассмотрим мощность источник питания с точностью настройки напряжения ±(0,03% + 3 мВ). Когда это настроен на подачу 5 В, погрешность выходного значения составляет (5 В) (0.0003 + 3 мВ) или 4,5 мВ. Точность установки тока задается и рассчитывается аналогично.

Настройка Разрешение и разрешение программирования

Установленное разрешение является наименьшим изменение настроек напряжения или тока, которые можно выбрать на источнике питания. Этот параметр иногда называют разрешением программирования, если он работает на интерфейсная шина, такая как GPIB.

Повторное чтение Точность и разрешение

Точность считывания иногда называется точностью метра.Он определяет, насколько близки внутренне измеренные значения соответствуют теоретическому значению выходного напряжения (после установки точность применяемый). Как и цифровой мультиметр, он тестируется с использованием прослеживаемого эталона. стандарт. Точность считывания выражается как:

±(% измеренного значения + смещение)

Разрешение считывания является наименьшим изменение внутренне измеренного выходного напряжения или тока, которое блок питания может различать.

Загрузить Регулирование (напряжение и ток)

Регулирование нагрузки является мерой способности выходного напряжения или выходного тока, чтобы они оставались постоянными при изменении Загрузка.Выражается как: ±(% настройки + смещение)

Линия Регулирование (напряжение и ток)

Линейное регулирование является мерой способности источник питания для поддержания его выходного напряжения или выходного тока, в то время как его линейный вход переменного тока напряжение и частота изменяются во всем допустимом диапазоне. Это выражается как: ±(% настройки + смещение)

Пульсация и шум

Паразитные составляющие переменного тока на выходе источника постоянного тока называются пульсациями и шум, или периодическое и случайное отклонение (PARD).Спецификации PARD должны быть указан с пропускной способностью и должен быть указан как для текущего, так и для Напряжение. Текущий ПАРД актуален при использовании блока питания в режиме СС, и его часто указывается как среднеквадратичное значение. Поскольку форма PARD не определена, напряжение PARD обычно выражается как среднеквадратичное напряжение, которое может дают представление о мощности шума, а также о размахе напряжения, которое может иметь значение при управлении нагрузками с высоким импедансом. Рис. 2.

Независимо от точности вашего источника питания, вы не можете гарантировать, что запрограммированное выходное напряжение совпадает с напряжением на нагрузка на ИУ.Это связано с тем, что источник питания с двумя выходными клеммами источника регулирует свой выход только на своих выходных клеммах. Однако напряжение, которое вы нужно регулировать на нагрузке тестируемого устройства, а не на выходе источника питания терминалы. Источник питания и нагрузка разделены подводящими проводами. сопротивление, R Вывод , которое определяется длиной провода, проводимость материала проводника и геометрия проводника. Напряжение на нагрузке равно:

Внагрузка = VProgrammed – 2*VLead = VProgrammed – 2*ILoad*RLead

Если для нагрузки требуется большой ток, то I Нагрузка высок, а V Lead может легко составлять несколько десятых вольта, особенно если провода питания длинные, как это может быть в случае автоматизированного теста стойка.Напряжение на нагрузке может быть на 80–160 мВ ниже требуемого. напряжение (от 2 до 4 А, протекающее по проводу 16-го калибра).

Метод дистанционного зондирования решает проблему падение напряжения в проводах испытательных выводов. Две смысловые линии соединяются между собой Нагрузка ИУ и высокоомная цепь измерения напряжения в силовой поставка. Поскольку это цепь с высоким входным сопротивлением, падение напряжения в чувствительные выводы пренебрежимо малы и становятся контуром управления с обратной связью для мощности поставка.

Источники питания с быстрым переходным процессом

Специальная мощность Keithley Series 2300 Блоки питания рассчитаны на поддержание стабильного выходного напряжения в самых сложные условия нагрузки, такие как большие мгновенные изменения нагрузки генерируются сотовыми телефонами, беспроводными телефонами, мобильными радиостанциями, беспроводными модемами, и другие портативные устройства беспроводной связи. Эти устройства обычно переход от дежурных уровней тока 100–200 мА к 800 мА–1,5 А, что представляет изменения нагрузки на 800% и выше.Обычный блок питания обычно указывает переходное восстановление до 50% изменения нагрузки. Кейтли Источники питания серии 2300 характеризуются переходной характеристикой при 1000-процентном изменении нагрузки.

Стабильный Во время быстрых изменений нагрузки

Когда мобильная связь устройство переходит в состояние передачи с полной мощностью, выходное напряжение обычный источник питания существенно падает до тех пор, пока его схема управления не сможет реагировать на переход. Обычные блоки питания жертвуют стабильностью ради все виды нагрузок против переходных процессов.В результате большое напряжение падение и длительное время восстановления обычного источника питания могут привести к выходу напряжение, чтобы упасть ниже порога низкого напряжения батареи устройства под испытание (ДУТ). DUT может отключиться во время тестирования и зарегистрировать ложный отказ, влияет на урожайность и себестоимость продукции.

Серия 2300 быстрая переходная характеристика источники питания имеют переходные падения напряжения менее 200 мВ при больших изменения нагрузки, даже с дополнительным сопротивлением длинных проводов между источник питания и ИУ.Таким образом, блоки питания Series 2300 сохранят ИУ получает питание во всех условиях испытаний и предотвращает ложные отказы. См. рисунок . 3 .

Точный Четырехпроводные измерения

Для поддержания точного напряжения на нагрузке ИУ серия Источники питания 2300 используют четырехпроводную схему источника, в которой два выхода обеспечивают питание, а две другие линии измеряют напряжение непосредственно на тестируемом устройстве. нагрузка. Измерение напряжения на нагрузке компенсирует любые падения напряжения в течение длительного времени. тестовый провод проходит между источником питания и нагрузкой.Кроме того,

Рисунок 3. Сравнение устройств общего назначения реакция блока питания с реакцией Keithley Series 2300 fast t импульсный источник питания.

Блоки питания используют широкий диапазон выходной каскад для получения низкого переходного спада напряжения и быстрого переходного процесса время восстановления. См. Рисунок 4 .

Эти типы блоков питания часто включать методы для определения того, открыт ли сенсорный провод или сломан. открытый сенсорный провод прерывает управление с обратной связью к источнику питания, и неуправляемый, нестабильный выходной сигнал может подавать неправильные напряжения на тестируемое устройство.Ряд Источники питания 2300 либо возвращаются к внутреннему локальному считыванию, либо указывают на ошибку состояние и выключите выход.

Аккумулятор Эмуляция с переменным выходным сопротивлением

Устройства мобильной связи питаются от батарей, поэтому блоки питания моделей 2302 и 2306 разработаны точно имитировать работу батареи. Эти поставки включают в себя функция переменного выходного сопротивления, которая позволяет инженеру-испытателю проверить его ИУ в реальных условиях эксплуатации.

Кроме того, эти источники питания могут потреблять ток до имитировать аккумулятор в разряженном состоянии. Таким образом, инженеры-испытатели могут использовать один прибор как в качестве источника ИУ, так и в качестве нагрузки для тестирования зарядного устройства. схемы управления ИУ и его зарядным устройством.

Модели 2302 и 2306 имеют возможность изменять их выходное сопротивление. Это позволяет им имитировать внутреннее сопротивление батареи. Таким образом, реакция батареи, которая должны поддерживать нагрузки импульсного тока от портативных устройств, таких как мобильные телефоны можно смоделировать.Это позволяет производителям портативных устройств тестировать свои устройств в самых реалистичных условиях.

При импульсном увеличении тока нагрузки батарея выходное напряжение упадет в зависимости от изменения тока и заряда батареи. внутреннее сопротивление. Напряжение батареи может упасть (на время импульс) ниже порогового уровня низкого напряжения батареи устройства, и устройство может выключить. Поскольку внутреннее сопротивление увеличивается по мере разряда батареи, пороговый уровень низкого напряжения может быть достигнут раньше, чем ожидалось, из-за сочетание более низкого напряжения батареи из-за времени разрядки и напряжения падение внутреннего сопротивления батареи.Следовательно, устройство срок службы батареи может быть короче, чем желаемая спецификация.

Сопротивление батареи должно быть учитывается при оценке времени разговора и ожидания мобильного телефона производительность, потому что уровни напряжения ниже порога срабатывания схемы телефона в течение периодов от 100 до 200 мкс достаточно, чтобы отключить телефон. Это явление распространено в TDMA (множественный доступ с временным разделением). телефоны, такие как мобильные телефоны GSM, где величина высокого и низкого уровни тока во время импульса радиочастотной передачи изменяются в 7 раз до 10.Разработчикам необходимо смоделировать реальную производительность батареи, чтобы определить соответствующий порог низкого заряда батареи. Инженерам-испытателям необходимо моделировать фактическая производительность батареи, чтобы проверить, что пороговый уровень низкого напряжения достигается при указанном напряжении батареи, а не при более высоком уровне напряжения.

Батарея, имитирующая характеристики моделей 2302 и 2306 можно использовать для тестирования как компонентов, так и конечных продуктов. Например, характеристики потребляемой мощности ВЧ усилителя мощности, предназначенного для использования в портативные изделия могут быть охарактеризованы для работы от аккумулятора источник.Когда аккумулятор разряжается, его напряжение уменьшается, и его внутреннее импеданс увеличивается. ВЧ-усилитель потребляет постоянное количество энергии для поддерживать требуемый объем производства. Таким образом, при падении напряжения батареи и увеличивается внутреннее сопротивление, ВЧ-усилитель потребляет все больше ток от аккумулятора.

Увеличение пикового и среднего тока значительно с увеличением внутреннего импеданса батареи. См. Рисунок 5 . ВЧ-усилитель мощности должен указывать потребляемую мощность.Портативное устройство разработчик должен знать, как ВЧ-усилитель мощности работает в качестве батареи. разрядов, чтобы разработчик мог выбрать подходящий аккумулятор для убедитесь, что имеется достаточный источник тока и что батарея обеспечивает подходящее время работы между заменой или зарядкой.

Математика этого эффекта представлена ​​ниже (см. также Рисунки 6а и ). Они показывают, что падение напряжения, вызванное импульсным токовые нагрузки могут оказывать существенное влияние на выходное напряжение батареи.

В ячейка = идеальный источник напряжения

R i (t) = Внутренний импеданс

R interconnect = Сопротивление кабелей и соединения с DUT

1) Если R межсоединение мал по сравнению с R i (t), и если

2) R и (т) есть считается относительно постоянным в течение продолжительности импульса, R i (t) ≈ Р и , тогда

3)  напряжение на ИУ может быть выражено как:

Импульс Измерение тока и слабого тока

Используя обычный (медленный ответ) источник питания для тестирования беспроводных устройств требует, чтобы большой Конденсатор поставить в цепь для стабилизации напряжения при нагрузке переход.В результате измерения тока нагрузки требуют использования чувствительного элемента. резистор и цифровой мультиметр для контроля токов нагрузки. Чувствительный резистор добавляет сопротивление к линии, что еще больше усугубляет проблему падения нагрузки. Кейтли быстро блоки питания с переходной характеристикой устраняют необходимость в конденсаторе и включить схему считывания тока источника питания для измерения нагрузки токи. См. Рисунок 7 .

Экспертиза Keithley в области слаботочных токов позволяет измерять токи сна с помощью 0.Разрешение 1 мкА. Эти расходные материалы также могут измерять импульсы тока нагрузки от цифровых передающих устройств. Импульсы тока короткие так как 60 мкс могут быть захвачены.

 

Источники питания переменного/постоянного тока | Статья

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ СТАТЬЯ


Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Что такое блок питания?

Источник питания — это электрическое устройство, которое преобразует электрический ток, поступающий от источника питания, такого как сеть электропитания, в значения напряжения и тока, необходимые для питания нагрузки, такой как двигатель или электронное устройство.

Целью источника питания является питание нагрузки надлежащим напряжением и током. Ток должен подаваться контролируемым образом — и с точным напряжением — к широкому диапазону нагрузок, иногда одновременно, не позволяя изменениям входного напряжения или других подключенных устройств влиять на выход.

Источник питания может быть внешним, что часто встречается в таких устройствах, как ноутбуки и зарядные устройства для телефонов, или внутренним, например, в более крупных устройствах, таких как настольные компьютеры.

Блок питания может быть регулируемым и нерегулируемым. В регулируемом источнике питания изменения входного напряжения не влияют на выходное. С другой стороны, в нерегулируемом источнике питания выход зависит от любых изменений на входе.

Общее у всех блоков питания то, что они берут электроэнергию от источника на входе, каким-то образом преобразуют ее и на выходе отдают в нагрузку.

Мощность на входе и выходе может быть переменного тока (AC) или постоянного тока (DC):

  • Постоянный ток (DC) возникает, когда ток течет в одном постоянном направлении.Обычно это происходит от батарей, солнечных элементов или преобразователей переменного тока в постоянный. Постоянный ток является предпочтительным типом питания для электронных устройств.
  • Переменный ток (AC) возникает, когда электрический ток периодически меняет свое направление на противоположное. Переменный ток — это метод, используемый для доставки электроэнергии по линиям электропередачи в дома и на предприятия
  • .

Таким образом, если переменный ток — это тип питания, подаваемого в ваш дом, а постоянный ток — это тип питания, необходимый для зарядки телефона, вам понадобится блок питания переменного/постоянного тока, чтобы преобразовать переменное напряжение, поступающее от электросети к напряжению постоянного тока, необходимому для зарядки аккумулятора вашего мобильного телефона.

Что такое переменный ток (AC)

Первым шагом при проектировании любого источника питания является определение входного тока. И в большинстве случаев источником входного напряжения электросети является переменный ток.

Типовой формой волны переменного тока является синусоида (см. рис. 1) .`

Рисунок 1: Форма волны переменного тока и основные параметры

Есть несколько показателей, которые необходимо учитывать при работе с блоком питания переменного тока:

  • Пиковое напряжение/ток: максимальное значение амплитуды волны, которое может достигать
  • Частота: количество циклов волны в секунду.Время, необходимое для завершения одного цикла, называется периодом.
  • Среднее напряжение/ток: Среднее значение всех точек, которые принимает напряжение в течение одного цикла. В чисто переменном токе без наложенного постоянного напряжения это значение будет равно нулю, потому что положительная и отрицательная половины компенсируют друг друга.
  • Среднеквадратичное значение напряжения/тока: Определяется как квадратный корень из среднего за один цикл квадрата мгновенного напряжения. В чистой синусоидальной волне переменного тока ее значение можно рассчитать с помощью Уравнение (1) :
  • $$V_{PEAK} \над \sqrt 2 $$
  • Его также можно определить как эквивалентную мощность постоянного тока, необходимую для получения того же эффекта нагрева.Несмотря на его сложное определение, он широко используется в электротехнике, поскольку позволяет найти действующее значение переменного напряжения или тока. Из-за этого его иногда обозначают как V AC .
  • Фаза: угловая разница между двумя волнами. Полный цикл синусоиды делится на 360°, начиная с 0°, с пиками на 90° (положительный пик) и 270° (отрицательный пик) и дважды пересекая начальную точку, на 180° и 360°. Если две волны нанесены вместе, и одна волна достигает своего положительного пика в то же время, когда другая достигает своего отрицательного пика, то первая волна будет иметь угол 90°, а вторая волна будет иметь угол 270°; это означает, что разность фаз составляет 180°.Эти волны считаются противофазными, так как их значения всегда будут иметь противоположные знаки. Если разность фаз равна 0°, то мы говорим, что две волны находятся в фазе.

Переменный ток (AC) – это способ передачи электроэнергии от генерирующих объектов к конечным потребителям. Он используется для транспортировки электроэнергии, потому что электричество необходимо преобразовать несколько раз в процессе транспортировки.

Электрические генераторы производят напряжение около 40 000 В или 40 кВ.Затем это напряжение повышается до значений от 150 кВ до 800 кВ, чтобы снизить потери мощности при передаче электрического тока на большие расстояния. Как только он достигает места назначения, напряжение снижается до 4–35 кВ. Наконец, прежде чем ток достигнет отдельных пользователей, он снижается до 120 В или 240 В, в зависимости от местоположения.

Все эти изменения напряжения были бы либо сложными, либо очень неэффективными для постоянного тока (DC), потому что линейные трансформаторы зависят от колебаний напряжения для передачи и преобразования электрической энергии, поэтому они могут работать только с переменным током (AC).

Линейный и импульсный источник питания переменного/постоянного тока

Линейный источник питания переменного/постоянного тока

Линейный блок питания переменного/постоянного тока имеет простую конструкцию.

При использовании трансформатора входное напряжение переменного тока (AC) снижается до значения, более подходящего для предполагаемого применения. Затем пониженное напряжение переменного тока выпрямляется и превращается в напряжение постоянного тока, которое фильтруется для дальнейшего улучшения качества сигнала (фиг. 2) .

Рисунок 2: Блок-схема линейного источника питания переменного/постоянного тока

Традиционная конструкция линейного блока питания переменного/постоянного тока с годами развивалась, улучшаясь с точки зрения эффективности, диапазона мощности и размера, но эта конструкция имеет некоторые существенные недостатки, которые ограничивают ее интеграцию.

Огромным ограничением линейного источника питания переменного/постоянного тока является размер трансформатора. Поскольку входное напряжение преобразуется на входе, необходимый трансформатор должен быть очень большим и, следовательно, очень тяжелым.

На низких частотах (например, 50 Гц) необходимы большие значения индуктивности для передачи большого количества энергии от первичной обмотки к вторичной. Это требует больших сердечников трансформатора, что делает миниатюризацию этих источников питания практически невозможной.

Другим ограничением линейных источников питания переменного/постоянного тока является регулирование напряжения большой мощности.

В линейном источнике питания переменного/постоянного тока используются линейные стабилизаторы для поддержания постоянного напряжения на выходе. Эти линейные регуляторы рассеивают любую дополнительную энергию в виде тепла.При малой мощности особых проблем не представляет. Однако для высокой мощности тепло, которое регулятор должен рассеивать для поддержания постоянного выходного напряжения, очень велико и требует добавления очень больших радиаторов.

Импульсный блок питания переменного/постоянного тока

Новая методология проектирования была разработана для решения многих проблем, связанных с проектированием линейных или традиционных источников питания переменного/постоянного тока, включая размер трансформатора и регулирование напряжения.

Импульсные источники питания теперь возможны благодаря развитию полупроводниковой технологии, особенно благодаря созданию мощных полевых МОП-транзисторов, которые могут включаться и выключаться очень быстро и эффективно, даже при наличии больших напряжений и токов.

Импульсный блок питания переменного/постоянного тока позволяет создавать более эффективные преобразователи мощности, которые больше не рассеивают избыточную мощность.

Источники питания переменного/постоянного тока

, разработанные с использованием импульсных преобразователей мощности, называются импульсными источниками питания. Импульсные источники питания переменного/постоянного тока имеют несколько более сложный метод преобразования мощности переменного тока в постоянный.

При переключении блоков питания переменного тока входное напряжение больше не снижается; скорее, он выпрямляется и фильтруется на входе.Затем постоянное напряжение проходит через прерыватель, который преобразует напряжение в последовательность высокочастотных импульсов. Наконец, волна проходит через еще один выпрямитель и фильтр, который преобразует ее обратно в постоянный ток (DC) и устраняет любую оставшуюся составляющую переменного тока (AC), которая может присутствовать до достижения выхода (см. рис. 3) .

При работе на высоких частотах индуктор трансформатора способен передавать большую мощность, не достигая насыщения, а это означает, что сердечник может становиться все меньше и меньше.Таким образом, трансформатор, используемый при переключении источников питания переменного/постоянного тока для уменьшения амплитуды напряжения до заданного значения, может быть в несколько раз меньше размера трансформатора, необходимого для линейного источника питания переменного/постоянного тока.

Рисунок 3: Блок-схема импульсного источника питания переменного/постоянного тока

Как и следовало ожидать, этот новый метод проектирования имеет некоторые недостатки.

Импульсные преобразователи мощности переменного/постоянного тока могут генерировать значительный уровень шума в системе, который необходимо устранить, чтобы исключить его присутствие на выходе.Это создает потребность в более сложной схеме управления, что, в свою очередь, усложняет конструкцию. Тем не менее, эти фильтры состоят из компонентов, которые можно легко интегрировать, поэтому это не оказывает существенного влияния на размер блока питания.

Меньшие трансформаторы и повышенная эффективность регулятора напряжения при переключении источников питания переменного/постоянного тока являются причиной того, что теперь мы можем преобразовывать переменное напряжение 220 В со среднеквадратичным значением в напряжение постоянного тока 5 В с помощью преобразователя мощности, который умещается на ладони.

В таблице 1 приведены различия между линейными и импульсными источниками питания переменного/постоянного тока.

Транзисторы Нестабилизированные источники питания
Линейный источник питания переменного/постоянного тока Импульсный блок питания переменного/постоянного тока
Размер и вес Необходимы большие трансформаторы, увеличивающие размер и вес Более высокие частоты позволяют при необходимости использовать трансформаторы гораздо меньшего размера.
Эффективность При отсутствии регулирования потери в трансформаторе являются единственной существенной причиной снижения эффективности.При регулировании приложения высокой мощности окажут критическое влияние на эффективность. имеют небольшие потери при переключении, потому что они ведут себя как малые сопротивления. Это позволяет использовать эффективных приложений высокой мощности .
Шум могут иметь значительный шум, вызванный пульсациями напряжения, но регулируемые линейные блоки питания переменного тока постоянного тока могут иметь чрезвычайно низкий уровень шума. Вот почему они используются в медицинских сенсорных приложениях. Когда транзисторы переключаются очень быстро, они создают помехи в цепи. Однако это можно либо отфильтровать, либо частоту переключения можно сделать чрезвычайно высокой, выше предела человеческого слуха, для аудиоприложений
Сложность Линейный источник питания переменного/постоянного тока, как правило, имеет меньше компонентов и более простые схемы, чем импульсный источник питания переменного/постоянного тока. Дополнительный шум, создаваемый трансформаторами, требует добавления больших сложных фильтров, а также схем управления и регулирования для преобразователей.

Таблица 1: Линейные и импульсные источники питания

Сравнение однофазных и трехфазных источников питания

Источник питания переменного тока (AC) может быть однофазным или трехфазным:

  • Трехфазный источник питания состоит из трех проводников, называемых линиями, по каждому из которых протекает переменный ток (АС) той же частоты и амплитуды напряжения, но с относительной разностью фаз 120°, или одной трети цикл (см. рисунок 4) .Эти системы наиболее эффективны при доставке больших объемов энергии и поэтому используются для доставки электроэнергии от генерирующих объектов в дома и на предприятия по всему миру.
  • Однофазный источник питания является предпочтительным методом подачи тока в отдельные дома или офисы, чтобы равномерно распределить нагрузку между линиями. При этом ток течет от питающей линии через нагрузку, затем обратно по нулевому проводу. Этот тип питания используется в большинстве установок, за исключением крупных промышленных или коммерческих зданий.Однофазные системы не могут передавать столько энергии на нагрузки и более подвержены перебоям в подаче электроэнергии, но однофазное питание также позволяет использовать гораздо более простые сети и устройства.

Рисунок 4: Трехфазная форма сигнала переменного тока

Существует две конфигурации для передачи электроэнергии через трехфазный источник питания: конфигурация треугольника $(\Delta)$ и звезда (Y), также называемые треугольником и звездой соответственно.

Основное различие между этими двумя конфигурациями заключается в возможности добавления нейтрального провода (см. рис. 5) .

Соединения треугольником

обеспечивают большую надежность, но соединения Y могут подавать два разных напряжения: фазное напряжение, которое представляет собой однофазное напряжение, подаваемое в дома, и линейное напряжение для питания больших нагрузок. Связь между фазным напряжением (или фазным током) и линейным напряжением (или линейным током) в конфигурации Y заключается в том, что амплитуда линейного напряжения (или тока) в √3 раза больше, чем амплитуда фазы.

Поскольку стандартная система распределения электроэнергии должна подавать питание как к трехфазным, так и к однофазным системам, большинство сетей распределения электроэнергии имеют три линии и нейтраль.Таким образом, как дома, так и промышленное оборудование могут быть подключены к одной и той же линии электропередачи. Таким образом, конфигурация Y чаще всего используется для распределения электроэнергии, тогда как конфигурация треугольника обычно используется для питания трехфазных нагрузок, таких как большие электродвигатели.

Рисунок 5: Трехфазные конфигурации Y и Delta

Напряжение, при котором электросеть поставляет своим потребителям однофазную электроэнергию, имеет различные значения в зависимости от географического положения.Вот почему очень важно проверить диапазон входного напряжения блока питания перед его покупкой или использованием, чтобы убедиться, что он предназначен для работы в электросети вашей страны. В противном случае вы можете повредить блок питания или подключенное к нему устройство.

В таблице 2 сравниваются напряжения сети в разных регионах мира.

Напряжение (перем. ток) Пиковое напряжение Частота Регион
230 В 310 В 50 Гц Европа, Африка, Азия, Австралия, Новая Зеландия и Южная Америка
120 В 170 В 60 Гц Северная Америка
100 В 141В 50 Гц/60 Гц Япония*

* Япония имеет две частоты в своей национальной сети из-за происхождения ее электрификации в конце 19-го века.В западном городе Осака поставщики электроэнергии закупили генераторы на 60 Гц в США, а в Токио, на востоке Японии, они купили немецкие генераторы на 50 Гц. Обе стороны отказались менять свою частоту, и по сей день в Японии до сих пор есть две частоты: 50 Гц на востоке, 60 Гц на западе.

Как упоминалось ранее, трехфазное питание используется не только для транспорта, но и для питания больших нагрузок, таких как электродвигатели или зарядка больших аккумуляторов. Это связано с тем, что параллельное приложение мощности в трехфазных системах может передавать гораздо больше энергии в нагрузку и может делать это более равномерно из-за перекрытия трех фаз (см. рисунок 6) .

Рисунок 6: Передача электроэнергии в однофазной (слева) и трехфазной (справа) системах

Например, при зарядке электромобиля количество энергии, которое вы можете передать аккумулятору, определяет скорость его зарядки.

Однофазные зарядные устройства подключаются к сети переменного тока (AC) и преобразуются в постоянный ток (DC) внутренним преобразователем переменного/постоянного тока автомобиля (также называемым бортовым зарядным устройством). Эти зарядные устройства ограничены по мощности сетью и розеткой переменного тока.

Ограничение варьируется от страны к стране, но обычно составляет менее 7 кВт для розетки на 32 А (в ЕС 220 x 32 А = 7 кВт). С другой стороны, трехфазные источники питания преобразуют мощность переменного тока в постоянный извне и могут передавать более 120 кВт на батарею, обеспечивая сверхбыструю зарядку.

Резюме

Блоки питания переменного/постоянного тока

можно найти повсюду. Основная задача источника питания переменного/постоянного тока заключается в преобразовании переменного тока (AC) в стабильное напряжение постоянного тока (DC), которое затем можно использовать для питания различных электрических устройств.

Переменный ток используется для передачи электроэнергии по всей электрической сети, от генераторов до конечных потребителей. Цепь переменного тока (AC) может быть сконфигурирована как однофазная или трехфазная система. Однофазные системы проще и могут обеспечить достаточную мощность для питания всего дома, но трехфазные системы могут обеспечить гораздо большую мощность более стабильным образом, поэтому они часто используются для подачи электроэнергии в промышленных целях.

Разработка эффективного источника питания переменного/постоянного тока — непростая задача, поскольку современные рынки требуют мощных, чрезвычайно эффективных и миниатюрных источников питания, способных поддерживать эффективность в широком диапазоне нагрузок.

Методы проектирования источника питания переменного/постоянного тока со временем изменились. Линейные блоки питания переменного/постоянного тока ограничены по размеру и эффективности, поскольку они работают на низких частотах и ​​регулируют выходную температуру, рассеивая избыточную энергию в виде тепла. Напротив, импульсные источники питания стали чрезвычайно популярными, поскольку в них используются импульсные стабилизаторы для преобразования переменного тока в постоянный. Импульсные источники питания работают на более высоких частотах и ​​преобразовывают электроэнергию намного эффективнее, чем в предыдущих конструкциях, что позволило создать мощные блоки питания переменного/постоянного тока размером с ладонь.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *