Данный урок - возврат к прошлым темам об источниках питания (Урок 8, Урок 9, Урок 10). Будут вновь рассмотрены фильтры питания, проведено различие между линейными и импульсными источниками питания, и дано понятие о ШИМ - широтно-импульсной модуляции.
Линейные и импульсные источники питания отличаются по способу преобразования переменного тока в постоянный.
- Линейные источники питания обычно используют трансформатор для преобразования напряжения электросети переменного тока в нужное напряжение переменного тока, за чем следует выпрямитель и фильтр.
- Импульсные источники питания регулируют выходное напряжение с помощью процесса, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), что позволяет добиться максимальной эффективности при малых размерах устройства.
Фильтры питания
Сначала о фильтрах блоков питания – это самые обычные известные вам П-образные и Г-образные RC (Урок 4) и LC фильтры (Урок 5), с низкой частотой среза, связанной с частотой сети (50 Гц – после однополупериодного выпрямителя, 100 Гц после двухполупериодных и 150 или 300 Гц после 3-фазных выпрямителей). Особый вопрос – фильтры импульсных блоков питания (ИБП), о них разговор впереди.
На выходе сетевого выпрямителя (исключая разве зарядное устройство для автомобильного аккумулятора) вначале стоит конденсатор большой емкости, он же первый конденсатор фильтра.
Одновременно этот конденсатор за счет своего заряда поднимает выпрямленное напряжение (с 0,45 переменного напряжения для однополупериодного или 0,90 для двухполупериодных при отсутствии конденсатора до близкого к амплитудному значению напряжения при достаточной его емкости).
Разные каскады усилителей НЧ или ВЧ, генераторов частоты, предъявляют разные требования к уровню пульсаций питающего напряжения, таблица ниже.
Вполне закономерно, что чем ближе каскад ко входу усилителя, тем строже требования по пульсациям (что вполне объяснимо – пульсации питания передаются на вход и выход каскада и в дальнейшем усиливаются последующими каскадами, приводя к низкочастотному фону на выходе).
Линейные источники питания
Если формально отнестись к делу, придется строить выпрямитель с пульсациями по самому строгому критерию - первому каскаду микрофонного усилителя, а потреблением тока по полному току усилителя.
Спасает то положение, что потребление каскадами тока также уменьшается по мере следования от выхода усилителя до входа - самое большое потребление у выходного каскада.
Отсюда идея многозвенного (в 2-3 звена) фильтра выпрямителя - оконечный усилитель питать от первого звена фильтра, предоконечный от 2-го, а первый каскад усилителя от 3-го звена.
Также, поскольку на звене фильтра (представляющем собой фильтр НЧ с низкой частотой среза) падает некоторое напряжение (и бесполезно рассеивается мощность), первое звено фильтра выгодно снабдить дросселем (с низким активным сопротивлением и высоким реактивным), т.е. применить LC-фильтр (Урок 5), а последующие, с целью экономии места, веса и стоимости, выполнить в виде RC-фильтров (Урок 4), тщательно просчитав падение напряжения на резисторах и рассеиваемую на них мощность (по закону Джоуля-Ленца, Урок 1).
Схемы читаются обычно слева (от входа сигнала или его генерации) направо (до выхода на нагрузку, антенну). Обычно так же рисуются схемы источников питания – слева вход сети, затем предохранитель, трансформатор, выпрямитель (обычно мост), фильтр, и выходные клеммы. Но если схема устройства рисуется совместно с блоком питания, обычно устройство располагается слева, а блок питания справа, и его элементы располагаются в обратном порядке (т.е. вход сети справа, затем левее предохранитель, трансформатор, выпрямитель и фильтр).
Теперь, когда все ясно, ниже пример линейного блока питания усилителя усилителя с 3-звенным фильтром. Конденсаторы фильтра (электролитические) обычно берутся на одно напряжение и одной емкости, что выгодно конструктивно и технологически. По понятным причинам (потребление по току первых каскадов усилителя ниже потребления последующих) сопротивление резисторов фильтра обычно увеличивается от звена к звену (что повышает коэффициент подавления пульсаций).
Также обратите внимание на упрощенное условное обозначение диодного моста, где в стороны ромба вписано изображение диода. Такое изображение применяется, чтобы упростить вид принципиальной схемы или показать, что в данном случае применена диодная выпрямительная сборка.
Оконечный каскад подключается к выходу +U1, предоконечный к +U2, первые каскады к +U3, при этом обычно R1>R2.
Не забываем, что чтобы исключить насыщение дросселя фильтра протекающим через него постоянным током, он выполняется с воздушным (по факту из твердого изоляционного материала) зазором, а сам магнитопровод (Ш-или П-образный) собирается встык, при этом перемычки (I-пластины) тщательно выравниваются и прижимаются к Ш- или П-пластинам, чтобы выдержать расчетную ширину воздушного зазора (Урок 7).
Импульсные источники питания
Переходим к импульсным источникам питания, для чего прежде всего необходимо пояснить выгоды подобного решения.
Мы не касаемся и не будем касаться в данном курсе вопроса инженерного расчета силовых трансформаторов. В справочниках приведены методы расчетов, с обращением к характеристикам выпрямителя и нагрузки, материалам сердечника и обмотки и пр.
Но существует и оправдывает себя на практике "пионерский" упрощенный метод расчета, многократно приводившийся в пособиях для начинающих радиолюбителей. На основе упрощенного метода мы и поясним все выгоды импульсных источников питания. При желании можно эту часть урока пропустить, перейдя сразу к выводам.
Главный параметр расчета - мощность нагрузки в ваттах (которая легко просчитывается как сумма произведений токов в нагрузках (которых может быть несколько) на напряжения).
По этим упрощенным формулам поперечное сечение сердечника трансформатора прямо пропорционально корню квадратному из мощности, тем самым все линейные размеры трансформатора пропорциональны корню 4-й степени мощности, а его объем (и вес) мощности в степени 3/4.
Число витков на вольт обратно пропорционально сечению сердечника, т.е. обратно пропорционально корню квадратному из мощности. При условном напряжении на обмотке 1 вольт сечение провода пропорционально мощности. Длина 1 витка обмотки пропорциональна размеру сердечника (корню 4-й степени из мощности), отсюда длина обмотки (как произведение числа витков на длину 1 витка) обратно пропорциональна корню 4-й степени из мощности, а объем провода (а тем самым и его вес) прямо пропорционален мощности в степени 3/4.
И снова проявилась системность - вес и сердечника и обмотки пропорциональны мощности в степени 3/4.
Идем дальше. При упрощенном расчете предполагалось, что силовой трансформатор рассчитывается на частоту сети 50 Гц. В расчетах общего характера, приводимых в справочниках, помимо указания на зависимость сечения сердечника от мощности трансформатора, указывается также, что сечение сердечника обратно пропорционально корню квадратному из частоты питания. Отсюда линейные размеры сердечника обратно пропорциональны частоте в степени 1/4, а его объем (и вес) обратно пропорциональны частоте в степени 3/4, т.е. уменьшаются с ростом частоты питания.
Сердечники импульсных трансформаторов импульсных блоков питания изготавливаются, с целью уменьшения потерь на вихревые токи, не из электротехнической стали, а ферритов, имеющих меньшую плотность (что компенсирует меньшую допускаемую индукцию у ферритов). С учетом всего сказанного, и того, что частота преобразователя в импульсных источниках питания составляет 50-250 кГц, можно ожидать значительного уменьшения веса импульсного трансформатора, до сотен раз при равной мощности.
Вопрос теперь за получением высокой частоты, для чего напряжение сети 50 Гц 220 В выпрямляется, этим напряжением запитывается генератор высокой частоты, сгенерированное напряжение преобразуется до нужного напряжения трансформатором ВЧ, после чего выпрямляется.
Дополнительный бонус - коэффициент пульсации LC-звена фильтра выпрямителя увеличивается пропорционально квадрату частоты, а RC-звена пропорционально частоте. Тем самым, при неизменных требованиях по пульсациям напряжения питания радикально снижаются требования к емкости конденсаторов фильтра и индуктивности дросселя (при наличии).
В подкрепление сказанного ниже фото платы ИБП стандарта ATX офисного персонального компьютера (ПК, на котором указаны трансформатор, дроссель и конденсаторы фильтра.
Импульсные источники питания могут быть как с широтно-мпульсной модуляцией, так и без нее.
Ниже структурная схема импульсного источника питания без широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Схема простейшего ИБП без ШИМ.
Выпрямленное напряжение сети прикладывается к конденсатору С1. Преобразователь собран на транзисторе VT1, нагрузка коллектора обмотка 1 трансформатора TR1. Положительная обратная связь через обмотку 2 трансформатора, напряжение ПОС прикладывается к базе транзистора. Самовозбуждение преобразователя обеспечивается правильным подключением выводов трансформатора, для чего начала обмоток обозначены точками.
Переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора 3 выпрямляется п/п диодом VD2 и подается на выход +12 V. Светодиод LED для контроля наличия напряжения 12 В.
Подобный ИБП не обеспечивает постоянства выходного напряжения, поскольку не охвачен ООС на основе ШИМ. Принцип работы ШИМ основан на изменении скважности импульсов (отношение длительности импульса к периоду его следования, выражается в процентах) в зависимости от управляющего сигнала, который формируется выходным напряжением выпрямителя, тем самым источник питания с ШИМ представляет собой схему, охваченную глубокой ООС.
Ниже структурная схема ИБП с ШИМ.
В схему введена ООС (Сигналы управления и защиты), которые управляют скважностью генерируемых генератором и контроллером ШИМ импульсов, увеличивая скважность при падении выходного напряжения и уменьшая ее при увеличении напряжения, тем самым поддерживая выходное напряжение равным требуемому с высокой точностью.
Ниже схема ИБП с ШИМ.
Здесь импульсное напряжение с регулируемой скважностью генерируется транзистором КТ812А. Напряжение ОС с обмотки 2 трансформатора выпрямляется диодом 1N4148, и после сглаживания конденсатором 10 мкФ 16 В прикладывается в отрицательной полярности к базе транзистора, но не напрямую, а через стабилитрон на 5,6 В. Поскольку отрицательное напряжение на базе запирает транзистор n-p-n типа, при превышении напряжения на выходе уменьшается скважность генерируемых импульсов, и напряжение возвращается к норме.
Нередко для создания ОС по выходному напряжению применяются оптроны (Урок 16), преимуществом чего является гальваническая развязка входных и выходных цепей. Ниже схема зарядного устройства (ЗУ) для мобильного телефона.
При превышением выходным напряжением значения ЭДС заряженного аккумулятора через стабилитрон D4 с рабочим напряжением 3,6 В зажигается светодиод оптопары ОС1 (максимальное прямое напряжение для оптопары PC817 составляет 1,2 В), и транзистор оптопары управляет скважностью преобразователя, приводя напряжение к норме.
Некоторые дополнительные элементы в схемах выпрямителей
На входе блоков питания, особенно импульсных, зачастую устанавливается сетевой (входной) фильтр. Его назначение - защита от ВЧ-помех и других опасных воздействий. Фильтр предотвращает проникновение высокочастотных импульсных помех из сети в блок питания и, наоборот, из блока питания в сеть.
Помехи могут быть дифференциальные (ток помехи течет в линиях питания в разные стороны), эти помехи подавляются конденсатором CX1.
Синфазные помехи (когда ток течет в одном направлении) подавляются двумя конденсаторами CY и т.н. синфазным дросселем LF1. Пример рисунка синфазного дросселя внизу. На тороидальный ферритовый сердечник намотаны 2 обмотки с одинаковым малым числом витков.
Иногда в выпрямителях, для питания усилителей звуковых частот, параллельно выходному конденсатору фильтра (электролитическому большой емкости) подключены 1, 2 или 3 конденсатора (бумажных и/или керамических) гораздо меньшей емкости. Никакого влияния как уменьшающие уровень пульсаций на основной частоте пульсаций они оказать не могут, их назначение совершенно иное.
Емкость электролитических конденсаторов существенно уменьшается с ростом частоты, и для поддержания низкого выходного сопротивления выпрямителя на звуковых частотах целесообразно подключать параллельно выходу керамические конденсаторы малой емкости, но сохраняющие эту емкость на высоких частотах. Подобная схема приведена ниже.
Обычно С3=С2/1000; С4=С3/10=С2/10.000