Преобразователи переменный ток

Преобразователи переменный ток - постоянный ток (AC-DC конвертеры)
Однокристальные AC-DC конвертеры применяются обычно в недорогих системах, работающих от
сети переменного тока, потребляющих небольшой ток (до 100мА) и не предъявляющих высоких
требований к качеству питающего напряжения. Основной недостаток подобных устройств - это
отсутствие гальванической развязки выходного напряжения от напряжения сети. Как правило
AC-DC конвертеры обеспечивают одно, максимум два выходных напряжения, что иногда
затрудняет их использование в источниках питания. В последнее время появились приборы
обеспечивающие выходной ток до 1,5 А, что позволяет значительно расширить сферу их
применения.
Преобразователи постоянный ток - постоянный ток (DC-DC конвертеры)
DC-DC конверторы используют принцип действия импульсных источников питания, но
применяются для того, чтобы преобразовать одно напряжение постоянного тока в другое, обычно
хорошо стабилизированное. Эти устройства используются там, где электронное оборудование
должно питаться от батареи или другого автономного источника постоянного тока.
Интегральные DC-DC конверторы широко используются для преобразования и распределения
постоянного напряжения питания. Это напряжение питания обычно поступает в систему от
сетевого источника питания или батареи. Оно может иметь стандартные значение 5, 24, 48В или
быть любого другого номинала и полярности. Это напряжение может быть нестабилизированным
и иметь любую шумовую компоненту. Другое распространённое применение для DC-DC
конвертеров, это преобразование напряжения батареи в напряжение другого номинала,
необходимое для питания различных схем. Типичные значения напряжения батареи обычно
равны 1.5, 3.0, 3.6, 4.5, 9, 12, 24, 48В ( DC), причем каждое используется для определенных целей.
Однако, напряжение батареи может изменятся в широких пределах. Например, напряжение
двенадцати вольтовой аккумуляторной батареи транспортного средства может подниматься до
15В или выше вс время зарядки и опускается до 6В при старте двигателя. В таком случае, дл я
питания электронных схем требуются DC-DC конвертер, чтобы из изменяющегося выходного
напряжения произвести устойчивое, хорошо стабилизированное выходное напряжение.
ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
Сравнение импульсных и линейных источников питания
Хотя линейные источники питания имеют много полезных свойств, таких как: простота, низкие выходные
пульсации и шум, превосходные значения нестабильности по напряжению и току и быстрое время
восстановления, главным их недостатком является невысокая эффективность (КПД).
Импульсные источники питания становятся популярными из-за высокой эффективности и высокой удельной
мощности. В таблице сравниваются некоторые из основных особенностей линейных и импульсных
источников питания. Нестабильность по напряжению и току обычно лучше у линейных источников питания,
иногда на порядок величины, но в импульсных источниках питания часто используются линейные выходные
стабилизаторы, улучшающие стабильность выходного напряжения.
Пиковые значения выходных пульсаций импульсных источников питания находится в диапазоне 25.. 100мВ,
что значительно больше чем у линейных источников питания. Необходимо заметить, что для импульсных
источников питания значения пульсаций выходного напряжения нормируются от пика до пика, в то время
как для линейных источников - в среднеквадратичных значениях. Импульсные источники питания также
имеют большую длительность переходных процессов чем линейные, но имеют намного большее время
удержания, что является очень важным в компьютерных применениях.
Наконец импульсные источники питания имеют более широкий диапазон входных напряжений. Диапазон
выходных напряжений линейных источников питания обычно не превышает 10% от номинального значения,
что оказывает прямое влияние на КПД.
Сравнение импульсных и линейных источников питания
1
У импульсных источников питания влияние диапазона входного напряжения на КПД очень незначительное
или вообще отсутствует и диапазон входных напряжений 20% Рис2 Форма пульсаций выходного
напряжения импульсного ИБП.
обычно выбираемый пользователем, дает возможность работать при сильных изменениях
напряжения сети.
Обратноходовой преобразователь
Основная схема, по которой выполнены многие маломощные импульсные источники питания - это
обратноходовой преобразователь, показанный на рис . З. Эта схема преобразует одно постоянное
напряжение в другое, регулируя выходное напряжение посредством либо широтно -импульсной
модуляцией (ШИМ), либо частотно-импульсной модуляции (ЧИМ). Модуляция ширины импульса
это метод управления основанный на изменения отн ошения длительности включенного состояния
ключа к выключенному при постоянной частоте. В обратноходовом преобразователе длительность
включенного состояния ключа больше длительности выключенного состояния для того, чтобы
большее количество энергии было запа сено в трансформаторе и передано в нагрузку.
2
Рис. 3 Типовая схема обратноходового преобразователя
Рис. 4 Иллюстрация процесса ШИМ-модуляции
Обратноходовой преобразователь работает следующим образом. Ключевой транзистор Q1, управляется
схемой ШИМ-модулятора. Когда Q1 открыт, ток в первичной обмотке трансформатора линейно
увеличивается. Этот трансформатор практически является дросселем со вторичной обмоткой и, в отличие от
нормального трансформатора, накапливает в себе существенную энергию.
Рис 5. Формы сигналов для обратноходового преобразователя.
Когда транзистор Q1 закрывается, магнитный поток в сердечнике трансформатора начинает
уменьшаться и это вызывает ток I 2 , текущий в цепи вторичной обмотки. Ток I2 заряжает
конденсатор С и также течет в нагрузку. На Рис5 показаны импульсы токов I I и I 2 во время
включенного и выключенного состояний
3
ключевого транзистора. Ток I I течет во время включенного состояния, а ток I2 во время
выключенного и поддерживает постоянное напряжение н а конденсаторе С.
Если выходная нагрузка увеличивается, необходимо только увеличить длительность включенного
состояния транзистора Q1, во время которого ток I1 достигнет более высокого значения, что
создаст в результате более высокий ток I2 во вторичной обмотке во время выключенного
состояния. И, наоборот, при уменьшении нагрузки, ток I2 уменьшает свое значение.
Если выходное значение напряжение сравнить с опорным напряжением, и полученной разностью
управлять ШИМ-модулятором, получается замкнутая петля о братной связи, а схема
автоматически сохраняет постоянное значение выходного напряжения. Идеальная схема
обратноходового преобразователя не имеет потерь, так как в любое время переключающий
элемент имеет или нулевое напряжение или нулевой ток. На практике, однако, имеются некоторые
потери переключения и проводимости в транзисторе Q1 и также потери в трансформаторе, диоде
и конденсаторах. Но эти потери не велики по сравнению со схемой линейного преобразователя.
Обратноходовой преобразователь напряжения сети
Более полная схема обратноходового преобразователя непосредственно подключенного к сети
переменного тока, основанная на схеме типового обратноходового преобразователя, показана на
Рис.6. Необходимо обратить внимание на то, что преобразователь питается напряжением,
полученным выпрямлением напряжения сети переменного тока без использования
трансформатора.
На этой схеме также показана петля обратной связи, по которой сигнал от выхода подается назад
на ключевой транзистор. Эта петля обратной связи должна име ть изоляцию для того, чтобы
выходная линия постоянного тока была гальванически развязана от сети переменного тока, что
обычно выполняется с помощью маленького трансформатора или оптоизолятора.
Рис.6 Обратноходовой преобразователь напряжения сети.
Прямоходовой преобразователь
Другая популярная конфигурация импульсного источника питания известная как схема
прямоходового преобразователя и показана на Рис.7. Хотя эта схема очень напоминает
обратноходовую схему, имеются некоторые фундаментальные различия. Прямоходовой
преобразователь накапливает энергию не в трансформаторе, а в выходной катушке индуктивности
(дросселе). Точки, обозначающие начало обмоток на трансформаторе, показывают, что, когда
ключевой транзистор открыт, во вторичной обмотке появляется н апряжение, и ток течет через
диод Q1 в катушку индуктивности.
У этой схемы большая продолжительность включенного состояния ключа относительно
выключенного состояния, более высокое среднее напряжение во вторичной обмотке и более
высокий выходной ток нагрузки.
Когда транзистор Q1, закрывается, ток в катушке индуктивности не может измениться мгновенно и
продолжает течь через диод Т2. Таким образом, в отличие от обратноходовой схемы, ток от элемента
4
сохраняющего энергию течет во время обеих половин цикла переключения. Поэтому прямоходовой
конвертер имеет более низкое напряжение выходных пульсаций чем обратноходовая схема при тех же самых
выходных параметрах.
Рис.7. Прямоходовой преобразователь напряжения сети
Импульсный преобразователь с несколькими выходами
Большинство импульсных источников питания имеют больше одного выхода. Например, для большинства
источников питания цифровых схем в дополнении к выходному напряжению +5В могут иметься выходы
напряжения +12В, -12В, +24В, и -5В. Эти выходы используются в системах для питания всевозможных
устройств типа формирователей сигналов для гибких жестких дисков, принтеров, видеотерминалов,
интерфейсов типа 118-232 и различных аналоговых схем. На Рис.8 показан обратноходовой преобразователь
с несколькими выходами. Напряжение обратной связи снимается с вывода +5В и подается на ШИМмодулятор, таким образом стабилизируя всю схему.
5
Рис.8. Обратноходовой преобразователь с несколькими выходами.
Это означает, что вспомогательные выходы не стабилизируются в той же мере, как главный выход +5В. В
некоторых применениях типа двигателя дисковода это неважно. В других , более критичных применениях,
на вспомогательные выходы устанавливают линейные стабилизаторы, как показано на рисунке 8, чтобы
обеспечить лучшую стабилизацию. Стандартные импульсные источники питания обычно имеют до пяти
различных выходов.
6