Оптопара в импульсном блоке питания для чего
Перейти к содержимому

Оптопара в импульсном блоке питания для чего

  • автор:

Что такое оптопара: ее типы и применение в схемах

Оптопара — это электронный компонент, который передает электрические сигналы между двумя изолированными цепями. Оптопара также называется оптроном, оптоизолятором, фотопарой или оптическим изолятором.

Внешний вид оптопары и способ ее включения в схему

Часто в цепях, особенно в цепях низкого напряжения или с высокой чувствительностью к шуму, оптопара используется для изоляции цепей, чтобы предотвратить вероятность электрического контакта между ними или исключить нежелательные шумы. На современном коммерческом рынке мы можем купить оптопару с входным и выходным выдерживаемым напряжением от 10 кВ до 20 кВ , со характеристиками переходных процессов напряжения 25 кВ/мкс.

Внутренняя структура оптрона

Показана на следующем рисунке

Внутренняя структура оптрона

С левой стороны открыты контакты 1 и контакт 2, это светодиод (светоизлучающий диод), который излучает инфракрасный свет на светочувствительный транзистор с правой стороны. Фототранзистор переключает выходную схему с помощью коллектора и эмиттера, как и типичные биполярные транзисторы. Между фототранзистором и инфракрасным светодиодом имеется пространство из прозрачного и непроводящего материала; он электрически изолирует две разные цепи. Полое пространство между светодиодом и фототранзистором может быть выполнено из стекла, воздуха или прозрачного пластика, электрическая изоляция намного выше, обычно 10 кВ или выше.

Типы оптопар

В продаже имеется множество различных типов оптопар, в зависимости от их коммутационных возможностей. В зависимости от вида использования выделяют четыре типа оптопар:

  1. Оптопара, использующая фототранзистор.
  2. Оптопара, в которой используется фототранзистор Дарлингтона.
  3. Оптопара, в которой используется фотосимистор.
  4. Оптопара, использующая фототиристор.

Фототранзисторная оптопара

Внутренняя конструкция фототранзисторной оптопары

На представленном рисунке показана внутренняя конструкция фототранзисторной оптопары. Тип транзистора может быть PNP или NPN .

Фототранзистор может быть еще двух типов в зависимости от наличия выходного контакта. На втором изображении справа есть дополнительный вывод, который внутренне связан с базой транзистора. Этот вывод 6 используется для управления чувствительностью фототранзистора . Часто контакт используется для подключения к земле или минусу с помощью резистора высокого номинала. В этой конфигурации можно эффективно контролировать ложные срабатывания из-за шума или электрических переходных процессов.

Кроме того, перед использованием оптопары на основе фототранзистора пользователь должен знать максимальный номинал транзистора. PC816, PC817, LTV817, K847PH — несколько широко используемых оптронов на основе фототранзисторов. Оптопара на основе транзистора используется для изоляции цепей постоянного тока.

Оптопара на фототранзисторе Дарлингтона

Внутреннее устройство оптопары на фототранзисторе Дарлингтона

Транзистор Дарлингтона представляет собой пару транзисторов, в которой один транзистор управляет базой другого транзистора. В этой конфигурации транзистор Дарлингтона обеспечивает высокий коэффициент усиления. Как обычно, светодиод излучает инфракрасный светодиод и управляет базой пары транзисторов.

Этот тип оптрона также используется в областях, связанных с цепями постоянного тока, для их изоляции друг от друга. Шестой вывод, который внутренне подключен к базе транзистора, используется для управления чувствительностью транзистора, как обсуждалось ранее в описании фототранзисторной оптопары. 4N32, 4N33, H21B1, H21B2, H21B3 — это несколько примеров оптронов на основе транзисторов Дарлингтона.

Фотосимисторная оптопара

Внутреннее устройство фотосимисторной оптопары

На представленном рисунке показана внутренняя конструкция оптопары на основе симистора (триака).

Симистор в основном используется там, где необходимо управление или переключение цепей переменного тока. Светодиодом можно управлять с помощью постоянного тока, а симистор использовать для управления переменным током. Оптопара и в этом случае обеспечивает отличную изоляцию. Примерами оптронов на основе фотосимистора являются IL420 , 4N35 и т. д.

Оптопара на основе фототиристора​ (Photo-SCR)

Внутреннее устройство оптопары на основе фототиристора​

SCR означает выпрямитель с кремниевым управлением, SCR также называется тиристором. На представленном рисунке показана внутренняя конструкция оптопары на основе Photo-SCR. Как и в случае с другими оптронами, светодиод излучает инфракрасное излучение. SCR контролируется яркостью светодиода. Оптопара на основе фототиристора, используемая в схемах переменного тока. Более подробно о тиристорах вы можете прочитать в этой статье.

Несколько примеров оптронов на основе фототиристоров: MOC3071, IL400, MOC3072 и т. д.

Применение оптопары

Как обсуждалось ранее, некоторые типы оптопар используется в цепях постоянного тока, а другие типы оптопар используется в операциях, связанных с переменным током . Поскольку оптопара не обеспечивает прямого электрического соединения между цепями, основное применение оптопары — это изоляция двух цепей .

Также, как и обычный транзистор, оптопару можно использовать для переключения цепей. Ее можно использовать в различных операциях, связанных с микроконтроллером, где цифровые импульсы или аналоговая информация поступает из схемы высокого напряжения. Оптопара может использоваться для изоляции между ними.

Оптопара может использоваться для обнаружения переменного тока и операций, связанных с управлением постоянным током. Давайте более подробно рассмотрим несколько наиболее популярных применений оптопары.

Оптопара для переключения цепи постоянного тока

Применение оптопары для переключения цепи постоянного тока

В приведенной на рисунке схеме используется оптронная схема на основе фототранзистора. Он будет действовать как типичный транзисторный переключатель. В схеме использована недорогая оптопара PC817 на основе фототранзистора . Инфракрасный светодиод будет управляться переключателем S1 . Когда переключатель включен, источник питания 9 В подает ток на светодиод через токоограничивающий резистор 10 кОм. Интенсивность свечения контролируется резистором R1. Если мы изменим значение и уменьшим его сопротивление, интенсивность свечения светодиода будет высокой, что приведет к высокому коэффициенту усиления транзистора.

С другой стороны, транзистор представляет собой фототранзистор, управляемый внутренним инфракрасным светодиодом. Когда светодиод излучает инфракрасный свет, фототранзистор вступает в контакт, и VOUT становится равным 0, отключая подключенную к нему нагрузку. Необходимо помнить, что согласно даташиту ток коллектора транзистора составляет 50мА. R2 обеспечивает VOUT 5 В. R2 — подтягивающий резистор.

Также применение оптопары для переключения цепи постоянного тока можно наглядно посмотреть в следующем видео.

В приведенной в видео схеме оптопара на основе фототранзистора может использоваться с микроконтроллером для обнаружения импульсов или прерываний.

Оптопара для определения напряжения переменного тока

Применение оптопары для определения напряжения переменного тока

Инфракрасный светодиод в приведенной схеме управляется с помощью двух резисторов номиналом 100 кОм. Два резистора номиналом 100 кОм, используемые вместо одного резистора номиналом 200 кОм, предназначены для дополнительной безопасности в условиях короткого замыкания. Светодиод подключается к сетевой розетке (L) и нейтральной линии (N). При нажатии S1 светодиод начинает излучать инфракрасный свет. Фототранзистор реагирует и преобразует напряжение VOUT из 5 В в 0 В.

В этой конфигурации оптопара может быть подключена к цепи низкого напряжения, например к блоку микроконтроллера, где требуется обнаружение переменного напряжения. На выходе будет выдаваться прямоугольный импульс с перепадом от высокого к низкому уровню.

На данный момент первая схема используется для управления или переключения цепи постоянного тока, а вторая — для обнаружения цепи переменного тока и управления или переключения цепи постоянного тока. Далее мы увидим управление цепью переменного тока с использованием цепи постоянного тока.

Оптопара для управления цепью переменного тока с использованием напряжения постоянного тока

Применение оптопары для управления цепью переменного тока с использованием напряжения постоянного тока

В приведенной схеме светодиод снова управляется батареей 9В через резистор 10к и состоянием переключателя. С другой стороны используется оптопара IL420 на основе фотосимистора, которая управляет лампой переменного тока от розетки переменного тока 220 В. Резистор 68R используется для управления триаком (симистором) BT136, который управляется фототриаком внутри блока оптопары.

Этот тип конфигурации используется для управления электроприборами, использующими схемы низкого напряжения.

Помимо этого типа схемы, в импульсных источниках питания SMPS можно использовать оптопару для отправки информации о коротком замыкании или перегрузке по току на вторичной стороне на первичную сторону.

Применение оптопары можно посмотреть в следующих проектах на нашем сайте:

  • подключение оптопары к микроконтроллеру AVR ATmega8;
  • регулятор силы света (диммер) на Arduino и симисторе;
  • адаптер USB в MIDI на Arduino;
  • автомат по продаже воды на Arduino Uno;
  • автоматизация дома на микроконтроллере PIC с управлением по инфракрасной связи.

Что такое импульсный блок питания (ИБП) и как он работает

Мы имеем множество различных устройств, подключая которые к сети мы даже не задумываемся о том, какое питание им необходимо. Значительная часть бытовой техники имеет импульсный блок питания. Даже светодиодные или люминесцентные цокольные лампы имеют встроенный источник импульсного питания (ИИП).

Что делает импульсный блок питания (ИБП)

В сети напряжение имеет синусоидальную форму. Для некоторых устройств это то что нужно, другим надо постоянное или импульсное напряжение. Вот этим и занимаются источники питания — преобразуют синусоидальную форму в нужную и, чаще всего, это постоянное напряжение. Независимо от формы выходного напряжения блок питания называют импульсным, потому что одна из стадий преобразования — формирование импульсов, которые затем выпрямляются.

Примеры импульсных блоков питания:

  • Зарядное устройство для телефона или смартфона;
  • Внешний блок питания ноутбука;
  • Блок питания компьютера;
  • Блок питания для светодиодной ленты.

Импульсный блок питания Robiton EN5000S. Предназначен для питания от источника переменного тока 100-240В приборов с напряжением 6,0 / 7,5 / 9,0 / 12,0 / 13,5 / 15 / 16В и максимальным входным током 5000 мА

Импульсный блок питания Robiton EN5000S. Предназначен для питания от источника переменного тока 100-240В приборов с напряжением 6,0 / 7,5 / 9,0 / 12,0 / 13,5 / 15 / 16В и максимальным входным током 5000 мА

Есть импульсные источники питания выдающие постоянное напряжение одного номинала. Наиболее распространенные на — 5 В, 12 В или 24 В. Есть устройства, выдающие сразу несколько уровней. Такие, например, стоят в компьютерах. На выходе они формируют сразу 5 В и 12 В. Есть — регулируемые ИИП, при помощи переключателей в них можно задавать выходные параметры (в определенных рамках). Импульсный блок питания может быть в виде отдельного устройства или являться частью какого-то более сложного прибора.

Путь преобразования синусоиды в постоянное напряжение при помощи ИИП

Путь преобразования синусоиды в постоянное напряжение при помощи источника импульсного питания

Если говорить об отдельных ИБП, то самыми распространенными, пожалуй, являются зарядные устройства для телефонов, ноутбуков. Они имеют компактные размеры, так как требуется небольшая мощность. Встроенный импульсный блок питания есть в телевизорах, компьютерах и другой сложной электронике, в некоторых бытовых приборах. Блоки питания бывают линейные (трансформаторные) или импульсные (инверторные).

Инвертор — устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде, или дискретного сигнала.

Оба типа блоков питания преобразуют синусоиду в постоянный ток, но вот путь преобразования разный, да и результаты несколько отличаются. Импульсный блок питания отличается высокой стабильностью работы. Тем не менее трансформаторные источники еще в ходу. Почему? Стоит разобраться.

Чем отличается от трансформаторного блока питания

И трансформаторный (линейный) и импульсный (инверторный) БП выдают на выходе постоянное напряжение. Причем вторые имеют меньшие габариты, более стабильны в работе, часто ниже по цене, да еще и напряжение дают более «качественное» и независящее от параметров исходной синусоиды (а она далеко не идеальная в наших сетях). Так почему же используют и трансформаторные блоки, и импульсные? Чтобы понять, надо знать в чем отличие трансформаторного блока питания от импульсного. А для этого придется разбираться в устройстве и принципах работы. На основании этого можно уяснить основные свойства.

Блок-схемы трансформаторного и импульсного блоков питания

Блок-схемы трансформаторного и импульсного блоков питания

Как работает трансформаторный блок питания

В линейном блоке питания основное преобразование происходит при помощи трансформатора. Его первичная обмотка рассчитана под сетевое напряжение, вторичная обычно понижающая. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П. Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.

Следующий блок — выпрямитель, на котором синусоида сглаживается, превращается в пульсирующее напряжение. Этот блок выполнен на основе выпрямительных диодов. Диод может стоять один, может быть установлен диодный мост (мостовая схема). Разница между ними — в частоте импульсов, которые получаем на выходе. Дальше стоит стабилизатор и фильтр, придающие выходному напряжению нужный уровень и форму. На выходе имеем постоянное напряжение.

Самый простой линейный блок питания с двухполупериодным выпрямителем без стабилизации

Самый простой линейный блок питания с двухполупериодным выпрямителем без стабилизации

Основной недостаток линейных источников питания — большие габариты. Они зависят от размеров трансформатора — чем выше требуется мощность, тем больше размеры блока питания. Нужен еще стабилизатор, который корректирует выходное напряжение, а это еще увеличивает габариты, снижает КПД. Зато это устройство не грозит помехами работающему рядом оборудованию.

Устройство импульсного блока питания и его принцип работы

В импульсном блоке питания преобразование сложнее. На входе стоит сетевой фильтр, задача которого не допустить в сеть высокочастотные колебания, вырабатываемые этим устройством. Они могут повлиять на работу рядом расположенных приборов. Сетевой фильтр в дешевых моделях стоит не всегда, и в этом зачастую кроется проблема с нестабильной работой каких-то устройств, которые мы часто списываем на «падение напряжения в сети».

Далее стоит сглаживающий фильтр, который выпрямляет синусоиду. Полученное на его выходе пилообразное напряжение подается на инвертор, преобразуется в импульсы, имеющие положительную и отрицательную полярность. Их параметры (частота и скважность) задаются при помощи блока управления. Частота обычно выбирается высокой — от 10 кГц до 50 кГц. Именно наличие этой ступени преобразования — генерации импульсов — и дало название этому типу преобразователей.

Блок-схема ИИП с формами напряжения в ключевых точках

Блок-схема ИИП с формами напряжения в ключевых точках

Высокочастотные импульсы поступают на трансформатор, который является гальванической развязкой от сети. Трансформаторы эти небольшие, так как с возрастанием частоты сердечники нужны все меньше. Причем сердечник может быть набран из ферромагнитных пластин (в линейных БП должен быть из более дорогой электромагнитной стали).

На выходном выпрямителе биполярные импульсы превращаются в положительные, а выходной фильтр на их основе формирует постоянное напряжение. Основное достоинство ИБП в том, что существует обратная связь, которая позволяет регулировать работу устройства таким образом, чтобы напряжение на выходе было близко к идеалу. Это дает возможность получать стабильные параметры на выходе, независимо от того, что имеем на входе.

Достоинства и недостатки импульсных блоков питания

Для новичков не сразу становится понятным, почему лучше использовать импульсные выпрямители, а не линейные. Дело не только в габаритах и материалоемкости. Дело в более стабильных параметрах, которые выдают импульсные устройства. Качество напряжения на выходе не зависит от качества сетевого напряжения. Для наших сетей это актуально. Но не только это. Такое свойство позволяет использовать импульсный блок питания в сети разных стран. Ведь параметры сетевого напряжения в России, Англии и в некоторых странах Европы отличаются. Не кардинально, но отличается напряжение, частота. А зарядки работают в любой из них — практично и удобно.

Размер тоже имеет значение

Размер тоже имеет значение

Кроме того импульсники имеют высокий КПД — до 98%, что не может не радовать. Потери минимальны, в то время как в трансформаторных много энергии уходит на непродуктивный нагрев. Также ИБП меньше стоят, но при этом надежны. При небольших размерах позволяют получить широкий диапазон мощностей.

Но импульсный блок питания имеет серьезные недостатки. Первый — они создают высокочастотные помехи. Это заставляет ставить на входе сетевые фильтры. И даже они не всегда справляются с задачей. Именно поэтому некоторые устройства, особо требовательные к качеству электропитания, работают только от линейных БП. Второй недостаток — импульсный блок питания имеет ограничение по минимальной нагрузке. Если подключенное устройство обладает мощностью ниже этого предела, схема просто не будет работать.

Схемы импульсных блоков питания

Чтобы понимать, как работает импульсный блок питания, надо разобраться в том, что происходит в каждой его части. Сделать это проще по схемам. Мы приведем только некоторые, так как вариантов и вариаций — море. Схема импульсного блока питания содержит пять обязательных блоков плюс обратная связь. Вот о каждом элементе и поговорим отдельно, Попутно приведем полные схемы ИБП с использованием различной элементной базы.

Вариант импульсного источника питания с выходным напряжением 5 В и 12 В и разной полярности

Вариант импульсного источника питания с выходным напряжением 5 В и 12 В и разной полярности

Входной фильтр

Как мы уже говорили, входной фильтр стоит для того, чтобы в сеть не попали высокочастотные помехи, генерируемые источником питания. В самом простейшем варианте это устройство представляет собой дроссель, который подавляет электромагнитные помехи и два конденсатора, включенных параллельно входу и нагрузке.

Схема простейшего входного фильтра

Схема простейшего входного фильтра

Конденсаторы используются специальные — X-типа. Икс-конденсаторы были разработаны специально для этих целей. Они выдерживают мгновенные киловольтные всплески напряжения (до 2,5 кВ), гася тем самым помехи между фазой и нейтралью (противофазные помехи). Дроссель — это ферритовый сердечник с намотанными лакированными медными проводами. В нем наводятся токи, нейтрализующие токи помех.

Приведенная выше схема входного фильтра для импульсного источника питания не устраняет помехи, которые возникают между фазой и землей (корпусом) или между нейтралью и корпусом. Для их нейтрализации в схему добавляют два конденсатора Y-типа (которые выдерживают скачки напряжения до 5 кВ). Специальная конструкция Y-конденсатора гарантирует обрыв цепи, а не короткое замыкание, в случае выхода его из строя.

Оба типа конденсаторов (X и Y), который ставят во входных фильтрах, выполняют из специальных негорючих материалов, так как они могут греться до очень высоких температур и могут стать причиной пожара. Именно в этом, да еще в конструктивных особенностях кроется причина их высокой стоимости (по сравнению с обычными).

Схема для компенсации всех типов помех

Схема для компенсации всех типов помех

Но для корректной работы этой схемы необходимо рабочее заземление. Его надо подключить к корпусу блока питания. Без заземления, корпус блока питания будет находиться под напряжением около 110 В. Ток будет очень маленьким, но прикосновения будут ощутимы.

Сетевой выпрямитель и сглаживающий фильтр

Как уже сказано выше, выпрямитель проводит предварительное выпрямление синусоиды. Если установлен один диод, он отсекает нижние (отрицательные) полуволны.

Сравнение однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя. При использовании одного диода, уровень пульсаций на выходе в два раза выше

Сравнение однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя. При использовании одного диода низкий КПД и большая пульсация выпрямленного напряжения. По этим причинам предпочтительней мостовая схема на четырех диодах

В самом простом случае выпрямитель — диод Шоттки, но может использоваться и диодный мост с параллельно подключенным конденсатором. Для диодных мостов часто применяют обычные диоды типа 1N4007, но лучше все-таки устанавливать все те же диоды Шоттки. Они «быстрее», так что можно получить лучше результаты на выходе.

Несколько схем фильтров разной степени сложности

Несколько схем фильтров разной степени сложности

Один диод ставят в блоках питания к недорогой технике. На его выходе напряжение имеет вид идущих с некоторыми промежутками положительных полуволн. На выходе диодного моста пульсации намного ниже, так что такой выпрямитель ставят для более требовательных к питанию приборов. Пульсирующее напряжение с выхода диода/диодного моста подается на конденсатор (он должен быть рассчитан на напряжение 270-400 В), который из полуволн делает «зубчики». Тут уже получаем более-менее стабильное постоянное напряжение.

Инвертор или блок ключей

На следующем блоке выпрямленное напряжение преобразуется в импульсы. Частота импульсов высокая — от 10 до 50 кГц. Есть два способа реализации этих блоков: при помощи микросхем, на основе автогенератора (блокинг-генератора).

Еще одна блок-схема ИИП

Еще одна блок-схема ИИП

Во втором случае используется пара транзисторов, которые включаются попеременно, формируя на выходе последовательность импульсов. Частота переключений задается генератором. Такие схемы встречаются и сейчас, но большинство реализуется на микросхемах.

Пример схемы инвертора на транзисторах

Пример схемы инвертора на транзисторах

Если есть микросхема, зачем городить огород из нескольких десятков деталей. Тем более, что требуемый тип микросхем широко распространен и стоит немного. Это так называемые ШИМ-контроллеры ( TL494, UC384х, DH321, TL431, IR2151, IR2153 и др). К этим микросхемам надо добавить всего-лишь пару полевых транзисторов и несколько мелких деталей и получим требуемый инвертор.

Схема ИИП с ШИМ контроллером для обратноходового и полумостового преобразователей

Схема ИИП с ШИМ контроллером для обратноходового и полумостового преобразователей

ШИМ-контроллер отлично встраивается в любой тип схем. Он совместим с обратноходовыми, полумостовыми и мостовыми схемами выпрямителей. Естественно, отличается количество элементов, но все они простые и доступные.В обратноходовых схемах транзисторы должны быть рассчитаны на более высокое напряжение, чем подается на вход.

Устройство импульсного источника напряжения с ШИМ контроллером и двухтактным и мостовым выпрямителем

Устройство импульсного источника напряжения с ШИМ контроллером и двухтактным и мостовым выпрямителем

По полумостовым схемам построены импульсные блоки питания в осветительных приборах, в энергосберегающих и светодиодных лампах, электронный балласт для люминисцентных ламп (ЭПРА). Мостовые схемы применяют в более мощных блоках. Например, в сварочных инверторах.

Есть и более «серьезные» контроллеры, которые параллельно с работой, проверяют параметры входного и выходного напряжения и, при неисправностях, просто блокируют свою работу. Так как в импульсном блоке питания этот компонент, обычно, самый дорогой, это очень неплохо. Заменив неисправные детали (обычно резисторы или конденсаторы), получаем рабочий агрегат.

Силовой трансформатор

Узел трансформатора на блоке питания является одним из самых стабильных. В этом блоке, кроме самого трансформатора, содержится небольшая группа элементов которая нейтрализует выброс тока, который возникает на обмотках трансформатора при смене полярностей. Эта группа называется «снаббер».

Рассматриваемый блок обведен красным, а снаббер - зеленым

Рассматриваемый блок обведен красным, а снаббер — зеленым

Трансформатор — один из самых надежных элементов. В нем очень редко возникают проблемы. Он может повредиться при пробое инвертора. В этом случае через обмотку течет слишком высокий ток, который и выводит из строя трансформатор.

Схема блока силового трансформатора для ИБП

Схема блока силового трансформатора для ИИП

Работает все это следующим образом:

  • На первом такте работы импульсного источника питания открыт ключ ВТ1 (полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа). Ток течет через первичную обмотку трансформатора, заряд накапливается в сердечнике.
  • На втором такте ключ закрывается, ток течет во вторичной обмотке через диод VD2.
  • При переключении на первичной обмотке возникает выброс, который вызван неидеальностью деталей. Тут в работу вступает снаббер. Его задача поглотить этот выброс, так как напряжение может быть достаточно большим и может повредить ключевой транзистор, что приведет к неработоспособности схемы. Ток выброса течет через первичную обмотку трансформатора, диод VD1, через сопротивление R1 и емкость C2.
  • Далее полярность снова меняется, вступает в работу ключ ВТ1.

Номиналы выбираются исходя из параметров трансформатора. Подбор сложный, так что описывать его не имеет смысла. И еще: не во всех схемах есть снаббер, но его наличие увеличивает надежность и стабильность работы импульсного источника питания.

Несколько слов о диодах, которые используют в снабберах. Это может быть обычный диод, подобранный по параметрам, но более надежны схемы со стабилитроном. Еще может быть вариант без резистора и емкости, но с включенным навстречу супрессором (на схеме ниже).

Еще один вариант блока силового трансформатора с использованием супрессора (защитного диода) D1

Еще один вариант блока силового трансформатора с использованием супрессора (защитного диода) D1

Супрессор — это защитный диод, принцип работы похож на стабилитрон, вот только выравнивается импульсный ток и рассеиваемая мощность. Может быть несимметричный и симметричным.

Выходной выпрямитель и фильтр, стабилизатор

На этом, можно считать со схемой импульсного блока питания разобрались, так как выходные выпрямитель и фильтр устроены по тому же принципу. Элементы могут быть другие, а схемы те же. Единственное, что еще стоит рассмотреть — стабилизация выходных параметров. Это опционная часть, но такой импульсный блок питания более надежен.

Наиболее простой и дешевый способ стабилизации используется в дешевых блоках питания — обратная связь на пассивных элементах. На схеме ниже, это два резистора R6 и R7, подключенные к вспомогательной обмотке силового трансформатора. Не слишком надежно, потому что есть влияние между обмотками, но просто и недорого.

Простой способ стабилизации

Простой способ стабилизации

Второй вариант стабилизатора выходного напряжения сделан на стабилизаторе VD9 и оптроне HL1. Выходное напряжение складывается из падения на стабилитроне и напряжения на оптроне. Это чуть более надежная схема для ИИП средней мощности.

Стабилизация выхода ИИП при помощи стабилитрона и оптрона

Стабилизация выхода ИИП при помощи стабилитрона и оптрона

Наиболее стабильные выходные показатели имеют схемы ИИП со стабилизатором TL431.

TL431 — интегральная схема трёхвыводного регулируемого параллельного стабилизатора напряжения с улучшенной температурной стабильностью. С внешним делителем TL431 способна стабилизировать напряжения от 2,5 до 36 В при токах до 100 мА.

ИБП с использованием микросхемы TL431 более сложные, но надежные. В таких схемах может быть подстроечный переменный резистор, который позволяет изменять выходное напряжение в небольших пределах. Обычно подстройка составляет не более 20%, так как в противном случае схема может быть нестабильной.

Схема со стабильным напряжением на выходе

Схема со стабильным напряжением на выходе

Если подстройка выходного напряжения не нужна, лучше подстроечный резистор заменить обычным, так как переменные менее надежны.

Пару слов о резисторе R20 (см. схему выше), который стоит на выходе. Это так называемый, нагрузочный резистор. Как известно ИИП не будет работать без нагрузки. Поэтому на выходе и ставят сопротивление, которое обеспечивает минимальную рабочую нагрузку. Но это решение неидеально, так как резистор греется и порой очень сильно. Располагать рядом конденсаторы крайне нежелательно, иначе подогреваются и они. А в качестве выходного сопротивления должны стоять высокоточные резисторы, так как они при нагреве мало меняют свои параметры (блок выдает стабильное напряжение даже при длительной работе).

Оптопары (оптроны): что это, принцип действия, виды

Оптрон (оптопара) – это электронное устройство, которое использует световую энергию для передачи сигнала между двумя электрическими цепями без непосредственного контакта между ними. Оптрон состоит из источника света, обычно светодиода, и фоточувствительного элемента, такого как фототранзистор или фотодиод (или других), объединенных в одном корпусе, но разделенных изоляционным материалом.

Оптроны имеют широкий спектр применения в различных областях, где требуется управление электронным током через оптический сигнал. Их основное назначение – это обеспечение изоляции между сигнальными цепями, управление токами и высокими напряжениями, а также управление системами автоматического управления и контроля, усиления, модуляции, демодуляции, и т. д.

Наибольшее распространение получили в энергетических системах, таких как инверторы и преобразователи, для контроля высоких напряжений и токов. Они также используются в системах автоматического управления и контроля в промышленности.

Более глобально, оптроны используются в различных электронных устройствах, включая телекоммуникационные системы, автомобильную электронику, медицинское оборудование и многие другие области.

История создания

История создания оптопары началась в 1920-х годах, когда американский изобретатель Чарльз Флеминг создал первую коммерческую оптопару. Эта оптопара состояла из двух элементов: лампы и фотоэлемента.

Лампа была светоизлучающим элементом, который излучал свет на фотоэлемент. Фотоэлемент был фоточувствительным элементом, который реагировал на свет, и преобразовывал его в электрический сигнал. Это позволяло измерять яркость света и использовать его для управления электронными схемами.

Однако первые оптопары были несовершенными и имели низкую эффективность. В 1950 году инженер из компании IBM Джон Моучли создал новый тип оптопары, который использовал фотоприемник, светоизлучающий диод и оптическую связь между ними. Это позволило создавать более эффективные и быстродействующие оптопары, которые стали популярными в электронной промышленности.

В 1955 году ученый Эгон Лёбнер предложил концепцию оптрона, который представлял собой новый тип оптопары. Он использовал фотоприемник и светоизлучающий элемент, но вместо лампы он использовал полупроводниковые элементы. Это позволило создавать более компактные и эффективные оптроны, которые стали широко используемыми в электронной промышленности.

Принцип работы и устройство

Как уже было упомянуто ранее, оптрон (оптопара) состоит из двух основных элементов: светоизлучающего элемента и фотоприемника. Электрический сигнал при помощи излучателя света преобразуется в оптический, который затем передается через среду или оптическое волокно на фотоприемник, который преобразует оптический сигнал обратно в электрический.

В современном оптроне, в роли светоизлучателя выступает светодиод, который может быть выполнен на основе различных полупроводниковых материалов, таких как германий, кремний или арсенид галлия. Когда на светоизлучающий диод подается электрический сигнал, он начинает излучать свет с определенной длиной волны. Это свет проходит через окно в оптопаре и направляется на фотоприемник.

Фотоприемник, в свою очередь, может быть выполнен из фотодиода, или фототранзистора, или фоторезистора (фотодиоды и фототранзисторы преобразуют свет в электрический ток, в то время как фоторезисторы изменяют свое сопротивление при воздействии света).

Оптроны также могут иметь различные модификации конструкции, в зависимости от требований конкретного применения. Например, некоторые оптроны могут иметь встроенную оптическую линзу, которая направляет свет на фотоприемник. Другие могут иметь защиту от внешних воздействий, таких как пыль или влага, чтобы обеспечить стабильную работу в любых условиях.

Характеристики

В первую очередь оптопары характеризуются коэффициентом передачи по току CTR, который отражает отношение токов входного и выходного сигналов. Коэффициент передачи оптрона существенно зависит от характера оптической среды, которая находится между излучателем и приемником.

Существуют так называемые открытые оптические каналы, где между элементами оптрона есть только воздушный зазор. В этом случае коэффициент передачи очень низок (менее 1% при зазоре 3 мм). Такие оптроны почти не используются, но выпускаются некоторыми фирмами для специальных применений, таких как счетчики движущихся объектов, оборотов, контроль потоков на конвейере и т.д.

В основном в оптронах используют твердые иммерсионные среды, такие как полимерные органические соединения, халкогенидные стекла и волоконные световоды. Каждая из этих сред имеет свои достоинства и недостатки. Халкогенидные стекла имеют малые потери света на отражение благодаря высоким коэффициентам преломления (приблизительно 1,8-3), но недостаточно электрически прочны и имеют конструктивно-технологические недостатки, такие как хрупкость и неустойчивость к термоциклированию.

Полимерные клеи являются конструктивно хорошими, но имеют коэффициент преломления приблизительно 1,4-1,6, что приводит к оптическим потерям (до 25%). Кроме того, они согласуются спектрально плохо и быстро стареют.

Другим важным параметром является скорость передачи сигнала, которая определяется граничной частотой работы оптопары и связана с временами фронта и среза для передаваемых импульсов.

Кроме того, параметры, связанные с гальванической развязкой, также играют важную роль при выборе оптопары.

К основным параметрам входной цепи оптопары относятся:

  • Номинальный входной ток. Значение тока, которое рекомендуется для оптимальной работы оптопары и для измерения ее основных параметров.
  • Входное напряжение. Падение напряжения на излучательном диоде при прохождении номинального входного тока.
  • Входная емкость. Емкость между входными выводами оптопары в номинальном режиме.
  • Максимальный входной ток. Максимальное значение постоянного прямого тока, при котором оптопара продолжает работать.
  • Обратное входное напряжение. Максимальное значение обратного напряжения любой формы (постоянное, импульсное, синусоидальное и т.д.), которое излучательный диод может выдержать без нарушения нормальной работы.

Выходными параметрами оптопары являются:

  • Максимально допустимое обратное выходное напряжение. Максимальное значение обратного напряжения любой формы, которое фотоприемник может выдержать без нарушения нормальной работы.
  • Максимально допустимый выходной ток. Максимальное значение тока, который может протекать через фотоприемник во включенном состоянии оптопары.
  • Ток утечки (темновой ток на выходе). Ток, который проходит через выход оптопары и заданном значении и полярности.

Виды оптронов

Оптопары могут быть классифицированы по различным критериям, таким как конструкция, тип фотоприемника и степень интеграции. Ниже приведен обзор основных видов оптопар.

Оптопары по конструкции

Оптопары открытые

Открытые оптроны имеют конструкцию, в которой между элементами оптрона есть воздушный зазор.

Одним из главных преимуществ заключается в том, что они обладают очень высокой скоростью ответа благодаря отсутствию фильтров и задержек, которые могут возникать в других типах оптопар. Кроме того, такие оптроны могут использоваться для измерения очень маленьких величин, таких как смещение, ускорение и давление.

Однако у открытых оптопар также есть некоторые недостатки. Во-первых, они могут быть более чувствительны к внешним помехам и шумам, таким как электромагнитные поля. Кроме того, из-за их конструкции, они могут быть более уязвимыми для повреждений и более сложны в изготовлении, что может увеличивать их стоимость по сравнению с другими типами оптопар.

Оптопары щелевые

Щелевые оптроны представляют собой тип оптопар, где между элементами оптрона имеется щель, в которую свет из излучателя попадает на приемник.

Эти устройства могут быть различной конструкции и размеров, в зависимости от конкретных требований и условий эксплуатации. Некоторые щелевые оптопары могут иметь маленькую щель, что позволяет использовать их для измерения очень малых величин, таких как перемещение, угол, вибрации и деформации. Другие щелевые оптопары могут быть более крупными и мощными, что позволяет им использоваться для контроля скорости, позиции и наличия объектов, а также в системах автоматического управления и контроля.

Оптопары закрытые

В закрытых оптронах элементы находятся внутри герметичного корпуса, который защищает их от внешних воздействий и помех.

Одним из главных преимуществ закрытых оптопар является их высокий коэффициент передачи и защита от внешних помех. Это делает их более надежными и точными в измерении и контроле различных параметров, таких как скорость, позиция, уровень и прочее. Кроме того, закрытые оптопары могут использоваться в широком диапазоне температур и влажности, что делает их универсальными и широко применяемыми в различных отраслях промышленности.

Оптопары по типу фотоприемника

Оптопары диодные

Диодные оптроны изготавливаются на основе кремниевых фотодиодов и арсенид-галлиевых светодиодов. Оптопары этого типа отличаются самым высоким быстродействием фотоприемников на p-i-n-структурах, малыми темновыми токами в выходной цепи и высоким сопротивлением гальванической развязки.

Они имеют широкое применение. На их основе создаются импульсные трансформаторы без обмоток, что важно для микросхем. Они также используются для передачи сигналов между блоками сложной радиоэлектронной аппаратуры, для управления работой ИМС, особенно тех, у которых входной ток очень мал.

Оптопары транзисторные

Транзисторный оптрон выполняется из фотоприемного элемента на основе кремниевого фототранзистора с n-p-n структурой на основе кремния. В качестве источников света также используются арсенидогаллиевые диоды, максимальная точка спектрального излучения которых совпадает с областью наибольшей чувствительности фототранзистора.

Излучательный диод расположен таким образом, чтобы большая часть света попадала на базовую область транзистора. Таким образом транзисторные оптопары позволяют получать высокие значения коэффициента передачи по току при умеренных тока и способны управлять значительными токами при удовлетворительном быстродействии.

Оптопары данного типа работают главным образом режиме ключей и применяются в коммутаторных схемах, устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле и т.д.

Оптопары резисторные

Резисторная оптопара использует в качестве фотоприемного элемента фоторезистор на основе сульфида кадмия и селенида кадмия. Оптопары такого типа обладают высокой чувствительностью, достигающей максимума в красной области видимого спектра и захватывающей ближнюю инфракрасную область.

Они способны управлять относительно большими токами, при этом их передаточная люксамперная характеристика близка к линейной. Высокое темновое сопротивление, достигающее десятков ГОм, обеспечивает максимально возможный динамический диапазон по освещенности и наименьшие нелинейные искажения сигнала. Однако быстродействие таких фоторезисторов низкое.

Резисторные оптопары находят применение в автоматическом регулировании усиления, связи между каскадами, управлении бесконтактными делителями напряжения, модуляции сигналов, формировании различных сигналов и т.д.

Оптопары тиристорные

В тиристорных оптопарах в качестве приемного элемента используется кремниевый фототиристор, который имеет четырехслойную p-n-p-n структуру, аналогичную обычному тиристору.

Тиристорный оптрон обладает большим внутренним усилением фототока, и его включенное состояние сохраняется при прекращении излучения входного светодиода. В результате управляющий сигнал на тиристорную пару может подаваться в течение короткого времени, необходимого для отпирания тиристора. Это позволяет значительно снизить энергию, необходимую для управления тиристорной оптопарой.

Этот тип оптопар применяется для формирования импульсов, управления мощными тиристорами, коммутации и управления различными устройствами с мощными нагрузками.

Оптопары симисторные

Симисторные оптопары обеспечивают отличную гальваническую развязку между низковольтной управляющей частью схемы и силовой нагрузкой с помощью оптического канала. Они состоят из инфракрасного светодиода на основе арсенида галлия, соединенного оптическим каналом с двунаправленным кремниевым симистором. Последний может быть дополнен отпирающей схемой, срабатывающей при переходе через нуль питающего напряжения и размещенной на том же кремниевом кристалле.

Они нашли широкое применение при бесконтактном управлении высоковольтными цепями, работающими на переменном или пульсирующем токе. Кроме непосредственного управления нагрузкой, такие элементы могут использоваться для запуска (включения) более мощных приборов.

Оптопары по степени интеграции

Оптопары оптические (элементарные)

Элементарный оптрон — это полупроводниковый прибор, который состоит из оптического передатчика (излучателя), оптического канала и приёмника оптического сигнала. Таким образом, элементарными являются все оптроны на основе фотодиодов, фототранзисторов, фоторезисторов, перечисленные ранее.

Оптопары электронно-оптические (микросхемы)

Оптоэлектронные микросхемы содержат одну или несколько оптопар, а также согласующие элементы или электронные интегральные схемы (для усиления, формирования или обработки сигнала), объединенные при помощи гибридной технологии в один корпус. Оптоэлектронные микросхемы обладают более широкими возможностями, чем элементарные оптроны.

Применение

Универсальность оптронов как элементов гальванической развязки и бесконтактного управления, разнообразие и уникальность многих других функций являются причиной того, что сферами применения этих приборов стали вычислительная техника, автоматика, связная и радиотехническая аппаратура, автоматизированные системы управления, измерительная техника, системы контроля и регулирования, медицинская электроника, устройства визуального отображения информации.

Различные оптроны (диодные, резисторные, транзисторные) находят применение в исключительно радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и др. Воздействие по оптическому каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки режима и т. п.

Достаточно специфическим является использование оптронов в энергетических целях, т. е. работа диодного оптрона в фотовентильном режиме. В таком режиме фотодиод генерирует электрическую мощность в нагрузку и оптрон до определенной степени подобен маломощному вторичному источнику питания, полностью развязанному от первичной цепи.

Другая важнейшая область применения оптронов — оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами.

Маркировка и система обозначений

Оптроны не имеют унифицированной международной системы обозначений, она может отличаться в зависимости от производителя и страны происхождения. Однако каждый прибор обязательно имеет свою маркировку, которая позволяет однозначно идентифицировать их тип и характеристики на основании технической документации.

Однако некоторые отечественные производители применяют для оптронов общую систему обозначений для фотоприемных приборов:

Первый элемент — буква или цифра обозначает материал:

  • Г или 1 — германий и его соединения;
  • К или 2 — кремний и его соединения;
  • А или 3 — соединения галлия.

Второй элемент — буква, указывающая класс прибора:

  • Д — диоды;
  • Н — тиристоры диодные;
  • У — тиристоры триодные;
  • Т — транзисторы биполярные;
  • П — транзисторы полевые;
  • Т2 – сложные фототранзисторы;
  • ДТ – диоды и транзисторы;
  • 2Д (2Т) – диоды дифференциальные, либо транзисторы.

Третий элемент — число, указывающее назначение и качественные свойства прибора (тип фотоприемника).

Обозначение на схеме

На изображении ниже представлено условное графическое обозначение (УГО) оптопары:

  • а) резисторной;
  • б) диодной;
  • в) транзисторной;
  • г) тиристорной.

�� Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Принцип работы оптопары в импульсном бп. Принципиальные схемы импульсных блоков питания. Рекомендации по выбору блока питания.

Первоначальное распространение импульсные блоки питания (ИПБ) получили преимущественно в телевизорах, в дальнейшем — в видеомагнитофонах, видеоаппаратуре и другой бытовой технике, что объясняется в основном двумя причинами. Во первых, чувствительность телевизоров и видеомагнитофонов к создаваемым импульсным БП помехам значительно ниже, чем например, аппаратуры звуковоспроизведения, особенно высококачественного. Во вторых, телевизионные приемники и видеомагнитофоны отличаются относительным постоянством и сравнительно небольшой величиной (10. 80 Вт) мощности, потребляемой в нагрузке.

Колебания этой мощности в кинескопных телевизорах обусловлены изменениями яркости экрана при смене сюжетов и составляет не более 20 Вт (приблизительно 30 % максимальной потребляемой мощности). Для видеомагнитофонов колебания мощности, потребляемой в нагрузке возникают, в основном, только при переключении режимов работы лентопротяжного механизма (ЛПМ) и составляют не более нескольких единиц Ватт. Для примера, в стереофоническом усилителе с выходной мощностью 2 х 20 Вт колебания мощности достигают 70-80 Вт (приблизительно 70-80 % максимальной потребляемой мощности). Поэтому для этого класса радиоаппаратуры ИБП получаются более дорогостоящими из-за необходимости использования мощных двухтактных схем преобразователей (конверторов), более сложных стабилизаторов, фильтров и т.д.

В связи с этим, конструкторы как более ранних, так и современных моделей телевизоров, видеоаппаратуры и другой бытовой техники, как правило, придерживаются хорошо зарекомендовавших себя сточки зрения надежности, экономичности и простоты принципов построения импульсных блоков питания. Основные усилия направляются, в первую очередь, на совершенствование и микроминиатюризацию элементной базы, повышение надежности ИБП (в том числе путем введения различных защит) и расширение рабочего диапазона питающего их напряжения сети.

Структурная схема импульсного блока питания

На практике в конструкциях импульсных блоков питания телевизоров и видеомагнитофонов наибольшее распространение получили ИБП на основе регулируемого конвертера с бестрансформаторным входом.

Структурная схема импульсного блока питания состоит из двух основных элементов: сетевого выпрямителя СВ и преобразователя напряжения ПН.

Сетевой выпрямитель выполняет функции выпрямления напряжения сети Uc и сглаживания пульсаций, обеспечивает режим плавного заряда конденсаторов фильтра при включении БП, бесперебойной подачи энергии в нагрузку при кратковременных провалах напряжения сети ниже допустимого уровня и уменьшения уровня помех за счет применения специальных помехоподавляющих фильтров (более подробно методы борьбы с помехами в импульсных блоках питания будут рассмотрены позже).

Преобразователь напряжения включает в себя конвертор Кв и контроллер (устройства управления) К. Конвертор, в свою очередь, состоит из регулируемого инвертора И, импульсного трансформатора Т, выпрямителей В и стабилизаторов СМ вторичных питающих напряжений нагрузки Uн. Инвертор преобразует постоянное выходное напряжение СВ в переменное прямоугольной формы. Импульсный трансформатор работает на повышенной частоте (более 20 кГц) и обеспечивает автогенераторный режим инвертора, получение напряжений, необходимых для питания собственно контроллера, схем защиты и цепей нагрузки БП, а также гальваническую развязку сети с нагрузкой.

Контроллером осуществляется импульсное управление мощным транзисторным ключом инвертора (по указанным выше причинам в телевизорах и видеоаппаратуре в основном применяются только конверторы на основе однотактного инвертора с самовозбуждением (автогенераторы)). Кроме того, на контроллер возложены функции стабилизации напряжения на нагрузке, а также защита БП от перенапряжения (boost), перегрузок по выходному току, сбросов (просадок) напряжения (buck) и перегрева. В некоторых конструкциях непосредственно в схеме контроллера дополнительно реализуется функция дистанционного включения/выключения аппарата.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема импульсного блока питания

Контроллер ИБП включает в себя следующие функциональные узлы: источник питания контроллера ИПК; модулятор длительности импульсов МДИ; устройство защиты УЗ; логическую схему ЛС для объединения сигналов МДИ и УЗ; формирователь управляющего напряжения ФУН для мощного транзистора конвертора.

В контроллерах теле и видеоаппаратуры, как правило, применяются схемы ИПК на основе запускающих цепочек, кратковременно подключаемых к выходному напряжению сетевого выпрямителя с последующим переходом на питание от специальной обмотки импульсного трансформатора Т.

Модулятор длительности импульсов (МДИ) формирует импульсную последовательность с заданным соотношением длительности импульса к длительности паузы (скважностью). В зависимости от способа управления мощным транзистором конвертора в МДИ могут использоваться следующие виды модуляции: фазо-импульсная (ФИМ); частотно-импульсная (ЧИМ); широтно-импульсная (ШИМ). В импульсных БП наиболее широкое применение нашли МДИ на основе ШИМ благодаря простоте схемной реализации, а также потому, что в ШИМ-преобразователях напряжения частота коммутации остается неизменной, а изменяется только длительность импульса. В ФИМ- и ЧИМ-преобразователях частота коммутации в процессе регулирования изменяется, что является их основным недостатком, ограничивающим применение в ИБП ТВ и ВМ (помехи).

Рис. 2. Структурная схема модулятора длительности импульсов

Принципы построения и работу МДИ на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ-модулятора) рассмотрим подробнее. В состав МДИ входят следующие функциональные узлы (рис. 2): источник опорного напряжения ИОН; усилитель сигнала ошибки (рассогласования) УСО; задающий генератор ЗГ; генератор пилообразного напряжения ГПН; ШИМ-компаратор ШК.

Рис. 3. Эпюры, характеризующие работу ШИМ-модулятора

ШИМ-модулятор работает следующим образом. ЗГ генерирует колебания прямоугольной формы (рис. 3, а) с частотой, равной рабочей частоте преобразователя напряжения. Формируемое из этих колебаний в ГПН пилообразное напряжение Uп (рис. 3, б) поступает на вход ШИМ-компаратора ШК, на другой вход которого поступает сигнал с выхода усилителя сигнала ошибки. Выходной сигнал УСО Uош пропорционален разности между опорным напряжением и напряжением, вырабатываемым цепью обратной связи Uoc. Таким образом, напряжение Uош является сигналом рассогласования, уровень которого изменяется пропорционально изменению тока нагрузки Iн или выходного напряжения Uвых БП (см. рис. 1). В результате такого построения схемы образуется замкнутая цепь регулирования уровня выходного напряжения.

ШИМ-компаратор является линейно-дискретным функциональным узлом МДИ. Вход, на который поступает пилообразное напряжение, является опорным, а второй — управляющим. Выходной сигнал ШК-импульсный. Длительность выходных импульсов (рис. 3., в) определяется уровнем превышения управляющего сигнала Uош над опорным Uп и изменяется в процессе работы в соответствии с изменением входного управляющего сигнала. Модулированные по длительности выходные импульсы ШК через логическую схему ЛС (см. рис. 1) поступают на формирователь управляющего напряжения ФУН, в котором формируется сигнал упарвления переключением мощного ключевого транзистора конвертора.

Стабилизация выходного напряжения Uн реализуется за счет того, что при изменении выходного напряжения преобразователя, напряжение обратной связи Uoc также изменяется, вызывая изменение длительности импульсов на выходе ШК, а это, в свою очередь, вызывает изменение мощности, отдаваемой во вторичные цепи. Это обеспечивает стабильность выходного напряжения ПН по среднему значению.

Одним из основных требований к импульсным блокам питания является обеспечение гальванической развязки питающей сети и нагрузки, связанной по цепям обратной связи с устройством защиты УЗ и усилителем сигнала ошибки УСО.

В качестве элементов развязки в настоящее время применяются опто-электронные пары (оптроны) либо трансформаторы. Несомненными преимуществами оптронной развязки по сравнению с трансформаторной являются ее технологичность, малые габариты и возможность передавать сигналы в широком спектре частот.

Однако трансформаторная развязка позволяет обойтись меньшим числом промежуточных усилителей в контроллере ИБП, осуществить более простое согласование с высоковольтными источниками сигналов обратной связи (например, в блоках питания телевизоров, использующих для ШИМ-регулирования импульсы обратного хода строчной развертки). Тем не менее, в настоящее время конструкторы при разработке импульсных блоков питания все большее предпочтение отдают оптронным цепям развязки.

В заключение отметим, что главной тенденцией совершенствования импульсных блоков питания бытовой видеоаппаратуры является переход от конструкций на дискретных элементах к конструкциям блоков питания, практически полностью выполненных на интегральных микросхемах. В первую очередь это касается схем контроллеров ИБП и стабилизаторов вторичных напряжений нагрузки. Отдельно необходимо сказать о мощных высоковольтных транзисторных ключах. В настоящее время все чаще применяются ИМС-контроллеры со встроенным силовым ключом, причем биполярные транзисторы вытесняются мощными КМОП-транзисторами. Главные преимущества КМОП ключей — это более простое управление ими, повышенная устойчивость ко вторичному пробою из-за снижения вероятности локального nepeгреваa кристалла, повышенная (до 0,1 -1,0 МГц) частота переключения (в них не происходит накопление заряда).

ДАННЫЙ МАТЕРИАЛ СОДЕРЖИТ БОЛЬШОЕ КОЛИЧЕСТВО АНИМИРОВАННЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ.

Для браузера Microsoft Internet Extlorer необходимо временно выключить некоторые функции, а именно:
— выключить интегрированные бары от Яндекса, Гугла и т.д.
— выключить строку состояния (снять галочку):

Выключить адресную строку:

По желанию можно выключить и ОБЫЧНЫЕ КНОПКИ, но получившейся площади экрана уже достаточно

В остальном больше ни каких регулировок производить не нужно — управление материалом производится при помощи встроенных в материал кнопок, а убранные панели вы всегда можете вернуть на место.

Прежде чем приступить к описанию принципа работы импульсных источников питания следует вспомнить некоторые детали из общего курса физики, а именно что такое электричество, что такое магнитное поле и как они зависят друг от друга.
Сильно глубоко мы не будем углублятся и о причинах возникновения электричества в различных объектах мы тоже умолчим — для этого нужно просто тупо перепечатать 1/4 курса физики, поэтому будем надеятся, что читатель знает что такое электричество не по надписям на табличах «НЕ ВЛЕЗАЙ — УБЬЕТ!». Однако для начала напомним какое оно бывает, это самое электричество, точнее напряжение.

Ну а теперь, чисто теоритически, предположим, что в качестве нагрузки у нас выступает проводник, т.е. самый обычный отрезок провода. Что происходит в нем, когда через него протекает ток наглядно показанно на следующем рисунке:

Если с проводником и магнитным полем вокруг него все понятно, то сложим проводник не в кольцо, а в несколько колец, чтобы наша катушка индуктивности проявила себя активней и посмотрим что будет происходить дальше.

На этом самом месте имеет смысл попить чаю и дать мозгу усвоить только что узнанное. Если же мозг не устал, или же эта информация уже известна, то смотрим дальше

В качестве силовых транзисторов в импульсных блока питания используются биполярные транзисторы, полевые(MOSFET) и IGBT. Какой именно силовой транзистор использовать решает только производитель устройств, поскольку и те, и другие и третьи имеют и свои достоинства, и свои недостатки. Однако было бы не справедливым не заметить, что биполярные транзисторы в мощных источника питания практически не используются. Транзисторы MOSFET лучше использовать при частотах преобразования от 30 кГц до 100 кГц, а вот IGBT «любят частоты пониже — выше 30 кГц уже лучше не использовать.
Биполярные транзисторы хороши тем, что они довольно быстро закрываются, поскольку ток коллектора зависит от тока базы, но вот в открытом состоянии имеют довольно большое сопротивление, а это означает, что на них будет довольно большое падение напряжения, что однозначно ведет к лишнему нагреву самого транзистора.
Полевые имеют в открытом состоянии очень маленькое активное сопротивление, что не вызывает большого выделения тепла. Однако чем мощнее транзистор, тем больше его емкость затвора, а для ее зарядки-разрядки требуются довольно большие токи. Данная зависимость емкости затвора от мощности транзистора вызвана тем, что используемые для источников питания полевые транзисторы изготавливаются по технологии MOSFET, суть которой заключается в использовании параллельного включения нескольких полевых транзисторов с изолированным затвором и выполненных на одном кристалле. И чем мощенее транзистор, тем большее количество параллельных транзисторов используется а емкости затворов суммируются.
Попыткой найти компромисс являются транзисторы, выполненные по технологии IGBT, поскольку являются составными элементами. Ходят слухи, что получилисьони чисто случайно, при попытке повторить MOSFET, но вот вместо полевых транзисторов, получились не совсем полевые и не совсем биполярные. В качестве управляющего электрода выступает затвор встроенного внутрь полевого транзистора не большой мощности, который своими истоком-стоком уже управляет током баз мощных биполярных транзисторов, включенных параллельно и выполненных на одном кристалле данного транзстора. Таким образом получается довольно маленькая емкость затвора и не очень большое активное сопротивление в открытом состоянии.
Основных схем включения силовой части не так уж и много:
АВТОГЕНЕРАТОРНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ . Используют положительную связь, обычно индукционную. Простота подобных источников питания накладывает на них некоторые ограничения — подобные источники питания «любят» постоянную, не меняющуюся нагрузку, поскольку нагрузка влияет на параметры обратной связи. Подобные источники бывают как однотактные, так и двухтактные.
ИМПУЛЬСНИНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ . Данные источники питания так же делятся на однотактыные и двухтактные. Первые хоть и лояльней относятся к меняющейся нагрузке, но все же не очень устойчиво поддерживают необходимый запас мощности. А аудиотехника имеет довольно большой разброс по потреблению — в режиме паузы усилитель потребляет единицы ватт (ток покоя оконечного каскада), а на пиках аудиосигнала потребление может достигать десятков или даже сотен ватт.
Таким образом единственным, максимально приемлемым вариантом импульсных источником питания для аудиотехники является использование двухтактных схем с принудительным возбуждением. Так же не стоит забывать о том, что при высокочастотном преобразовании необходимо уделять более тщательное внимание к фильтрации вторичного напряжения, поскольку появление помех по питанию в звуковом диапазоне сведут на нет все старания по изготовлению импульсного источника питания для усилителя мощности. По этой же причине частота преобразования уводится по дальше от звукового диапазона. Самой популярной частотой преобразования раньше была частота в районе 40 кГц, но современная элементная база позволяет производить преобразование на частотах гораздо выше — вплоть до 100 кГц.
Различают два базовых вида данных импульсных источников — стабилизированные и не стабилизированные.
Стабилизированные источники питания используют широтноимпульсную модуляцию, суть которой заключается в формровании выходного напряжения за счет регулировки длительности подаваемого в первиную обмотку напряжения, а компенсация отсутствия импульсов осуществляется LC цепочками, включенными на выходе вторичного питания. Большим плюсом стабилизированных источников питания является стабильность выходного напряжения, не зависящая ни от входного напряжения сети 220 В, ни от потребляемой мощности.
Не стабилизированные просто управляют силовой частью с постоянной частотой и длительностью импульсов и от обычного трансформатора отличаются лишь габаритами и гораздо меньшими емкостями конденсаторов вторичного питания. Выходное напряжение напрямую зависит от сети 220 В, и имеет небольшую зависисмость от потребляемой мощности (на холостом ходу напряжение несколько выше рассчетного).
Самыми популярными схемами силовой части импульсных источников питания являются:
Со средней точкой (ПУШ-ПУЛЛ). Используются обычно в низковольтных источниках питания, поскольку имеет некоторые особенности в требованиях к элементной базе. Диапазон мощностей довольно большой.
Полумостовые . Самая популярная схема в сетевых ипульсных источниках питания. Диапазон мощностей до 3000 Вт. Дальнейшее увеличение мощности возможно, но уже по стоимости доходит до уровня мостового варианта, поэтому несколько не экономично.
Мостовые . Данная схема не экономична на малых мощностях, поскольку содержит удвоенное количество силовых ключей. Поэтому чаще всего используется на мощностях от 2000 Вт. Максимальные мощности находятся в пределах 10000 Вт. Данная схемотехника является основной при изготовлении сварочных аппаратов.
Рассмотрим подробнее кто есть кто и как работает.

СО СРЕДНЕЙ ТОЧКОЙ

Как было показанно — данную схемотехнику силовой части не рекомендуется использовать для создания сетевых источников питания, однако НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ не значит НЕЛЬЗЯ. Просто необходимо более тщательно подходить к выбору элементной базы и изготовлению силового трансформатора, а так же учитывать довольно большие напряжения при разводке печатной платы.
Максимальную же популярность данный силовой каскад получил в автомобильной аудитехнике, а так же в источниках бесперебойного питания. Однако на этом поприще данная схемотехника притерпевает некоторые неудобства, а именно ограничение максимальной мощности. И дело не в элементной базе — на сегодня совсем не являются дефицитными MOSFET транзисторы с мгновенными значениями тока сток-исток в 50-100 А. Дело в габаритной мощности самого трансформатора, а точнее в первичной обмотке.
Проблема заключается. Впрочем для большей убедительности воспользуемся программой расчетов моточных данных высокочастотных трансформаторов.
Возьмем 5 колец типоразмера К45х28х8 с проницаемостью M2000HM1-А, заложем частоту преобразования 54 кГц и первичную обмотку в 24 В (две полуобмотки по 12 В) В итоге получаем, что мощность данный сердечник сможет развить 658 вт, но вот первичная обмотка должна содержать 5 витков, т.е. по 2,5 витка на одну полуобмотку. Как то не естественно маловато. Однако стоит поднять частоту преобразорвания до 88 кГц как получится всего 2 (!) витка на полуобмотку, хотя мощность выглядит весьма заманчиво — 1000 Вт.
Вроде с такими результатами можно смириться и равномерно по всему кольцу распределить 2 витка тоже, если сильно постараться, можно, но вот качество феррита оставляет желать лучшего, да и M2000HM1-А на частотах выше 60 кГц уже сам по себе греется довольно сильно, ну а на 90 кГц его уже обдувать надо.
Так что как не крути, но получается замкнутый круг — увеличивая габариты для получения большей мощности мы слишком сильно уменьшаем количество витков первичной обмотки, увеличивая частоту мы опять же уменьшаем количество витков первичной обмотки, но еще в довеско получаем лишнее тепло.
Именно по этой причине для получения мощностей свыше 600 Вт используют сдвоенные преобразователи — один модуль управления выдает управляющие импульсны на два одинаковых силовых модуля, содержащих два силовых трансформатора. Выходные напряжения обоих трансформаторов суммируются. Именно таким способом организуется питания сверхмощных автмобильных усилителей заводского производства и с одного силовго модуля снимается порядка 500..700 Вт и не более. Способов суммирования несколько:
— суммирования переменного напряжения. Ток в первичные обмотки трансформаторов подается синхронно, следовательно и выходные напряжения синхронны и могут соединяться последовательно. Соединять вторичные обмотки параллельно от двух трансформаторов не рекомендуется — небольшая разница в намотке или качестве феррита приводит в большим потерям и снижению надежности.
— суммирование после выпрямителей, т.е. постоянного напряжения. Самый оптимальный вариант — один силовой модуль выдает положительное напряжение для усилителя мощности, а второй — отрицательное.
— формирование питания для усилителей с двух уровневым питанием сложением двух идентичных двухполярных напряжений.

ПОЛУМОСТОВАЯ

Полумостовая схема имеет довольно много достоинств — проста, следовательно надежна, легка в повторении, не содержит дефицитных деталей, может выполняться как на биполярных, так и на полывых транзисторах. Транзисторы IGBT в ней тоже прекрано работают. Однако слабое место у нее есть. Это проходные конденсаторы. Дело в том, что при больших мощностях через них протекает довольно большой ток и качество готового импульсного источника питания на прямую зависит от качества именно этого компонента.
А проблема заключается в том, что конденсаторы постоянно перезаряжаются, следовательно они должны иметь минимальное сопротивление ВЫВОД-ОБКЛАДКА, поскольку при большом сопротивлении на этом участке будет выделяться довольно много тепла и в конце концов вывод просто отгорит. Поэтому в качестве проходных конденсаторов необходимо использовать пленочные конденсаторы, причем емкость одного конденсатора может достигать емкости 4,7 мкФ в крайнем случае, если используется один конденсатор — схема с одни кондлесатром тоже довольно часто используется, по принципу выходного каскада УМЗЧ с однполярным питанием. Если же используются два конденсатора на 4,7 мкФ (точка их соединения подключена к обмотке трансформатора, а свободные выводы к плюсовой и минусовой шинам питания), то данная комплектация вполне пригодна для питания усилителей мощности — суммарная емкость для переменного напряжения преобразования складывает и в итоге получается равной 4,7 мкФ + 4,7 мкФ = 9,4 мкФ. Однако данный вариант не расчитан для догосрочного непрерывного использования с максимальной нагрузкой — необходимо разделять суммарную емкость на несколько конденсаторов.
При необходимости получения больших емкостей (низкая частота преоразования) лучше использовать несколько конденсаторов меньшей емкости (например 5 штук по 1 мкФ соединенных параллельно). Однако большое количество включенных параллельно конденсаторов довольно сильно увеличивает габариты устройства, да и суммарная стоимость все гирлянды конденсаторов получается не маленькой. Поэтому, при необходимости получить большую мощность имеет смысл воспользоваться мостовой схемой.
Для полумостового варианта мощности выше 3000 Вт не желательны — уж больно громоздкими будут платы с проходными конденсаторами. Использование в качестве проходных конденсаторов электролитических имеет смысл, но лишь на мощностях до 1000 Вт, посокольку на больших частотах электролиты не эффективны и начинаю греться. Бумажные конденсаторы в каестве проходных показали себя очень хорошо, но вот их габариты.
Для большей наглядности мы приводим таблицу зависимости реактивного сопротивления конденсатора от частоты и емкости (Ом):

На всякий случай напоминаем, что при использовании двух конденсаторо (один на плюс, второй на минус) финальная емкость будет равна сумме емкостей этих конденсаторов. Итоговое сопротивление не выделает тепла, поскольку реактивное, но может повлиять на КПД источника питания при максимальных нагрузках — напряжение на выходе начнет уменьшаться, не смотря на то, что габаритная мощность силового трансформатора вполне достаточна.

Мостовая схема пригодна для любых мощностей, но наиболее эффективна на больших мощностях (для сетевых источников питания это мощности от 2000 Вт). Схема содержит две пары силовых транзисторов, управляемых синхроно, но необходимость гальванической развязки эмиттеров верхенй пары вносит некоторые неудобства. Однако эта проблема вполне решаема при использовании трансформаторов управления или же специализированных микросхем, например для полевых транзисторов вполен можно использовать IR2110 — специализированная разработка компании International Rectifier .

Однако силовая часть не имеет ни какого смысла, если ею не управляет модуль управления.
Специализированных микросхем, способных управлять силовой частью импульсных источников питания довольно много, однако наиболее удачной разработкой в этой области является TL494, которая появилась еще в прошлом веке, тем не менее не утратила своей актуальности, поскольку содержит ВСЕ необходимые узлы для управления силовой частью импульсных источников питания. О популярности данной микросхемы прежде всего говорит выпуск ее сразу несколькими крупными производителями электронных компонентов.
Рассмотрим принцип действия данной микросхемы, которую с полной ответственностью можно назвать контроллером, поскольку она обладет ВСЕМИ необходимыми узлами.

В чем же заключается собственно ШИМ способ регулировки напряжения?
В основу способа положена все таже инерционность индуктивности, т.е. ее не способность мгновенно пропустить ток. Поэтому регулируя длительность импульсов можно изменять финальное постоянное напряжение. Причем для импульсных источников питания это лучше делать в первичных цепях и таким образом экономить средства на создание источника питания, поскольку данный источник будет исполнять сразу две роли:
— преобразование напряжения;
— стабилизацию выходного напряжения.
Причем тепла при этом будет выделяться гораздо меньше по сравнению с линейным стабилизатором, установленным на выходе не стабилизированно импульсного блока питания.
Для больше наглядности стоит посмотреть рисунок, приведенный ниже:

На рисунке приведена схема-эквивалент импульсного стабилизатора в котором в качестве силового ключа выступает генерато прямоугольных импульсов V1, а R1 в качестве нагрузки. Как видно из рисунка при фиксированной амплитуде выходных импульсов в 50 В, изменяя длительность импульсов можно в широких пределах изменять подаваемое на нагрузку напряжение, причем с очень маленькими тепловыми поетрями, зависищами лишь от параметров используемого силового ключа.

С принципами работы силовой части разобрались, с управлением тоже. Осталось соединить оба узла и получить готовый импульсный источник питания.
Нагрузочная способность контроллера TL494 не очень большая, хотя ее хватает для управления одной парой силовых транзисторов типа IRFZ44. Однако для более мощных транзисторов уже необходимы усилители тока, способные развить необходимы тока на управляющих электродах силовых транзисторов. Поскольку мы стараемся снизить габариты источника питания и уйти подальше от звукового диапазона, то оптимальным использованием в качестве силовых транзисторов будут полевые транзисторы, выполненные по технологии MOSFET.

Варианты структур при изготовлении MOSFET.

С одной стороны — для управления полевым транзистором не нужны большие токи — они открываются напряжением. Однако в этой бочке меда есть ложка дегтя, в данном случае заключающаяся в том, что хоть затвор и имеет огромное активное сопротивление, не потребляющее тока для управления транзистором, но затвор имеет емкость. А для ее заряда и разряда как раз и нужны большие токи, поскольку на больших частотах преобразования реактивное сопротивление уже снижается до пределов которые нельзя игнорировать. И чем больше мощность силового MOSFET транзистора тем больше емкость его затвора.
Для примера возьмем IRF740 (400 V, 10A), у которого емкость затвора составляет 1400 пкФ и IRFP460 (500 V, 20 A), у которого емкость затвора составляет 4200 пкФ. Поскольку и у первого, и у второго напряжение затвора не должно быть более ± 20 В, то в качестве управляющих импульсов возьмем напряжение 15 В и посмотрим в симмуляторе что происходит при частоте генератора в 100 кГц на резисторах R1 и R2, которые включены последовательно с конденсаторами на 1400 пкФ и 4200 пкФ.

Тестовый стенд.

При протекании через активную нагрузку тока на ней образуется падение напряжения, по этой величене и можно судить о мгновенных значениях протекающего тока.

Падение на резисторе R1.

Как видно из рисунка сразу при появлении управляющего импульса на резисторе R1 падает примерно 10,7 В. При сопротивлении 10 Ом это означает, что мгновенное значения тока достигает 1, А (!). Как только импульс заканчивается на резисторе R1 падает так же 10,7 В, следовательно и для того, чтобы разрядить конденсатор С1 требуется ток около 1 А..
Для зарядки-разрядки емкости в 4200 пкФ через резистор 10 Ом требуется 1,3 А, поскольку на резисторе 10 Ом падает 13,4 В.

Вывод напрашивается сам собой — для зарядки-разрядки емкостей затворов необходимо, чтобы каска, работающий на затворы силовых транзисторов, выдерживал довольно большие токи, не смотря на то, что суммарное потребление довольно мало.
Для ограничения мгновенных значений тока в затворах полевых транзисторов обычно используют токоограничивающие резисторы от 33 до 100 Ом. Чрезмерное уменьшение этих резисторов повышает мгновенное значение проеткающих токов, а увеличение — увеличивает длительность работы силового транзистора в линейном режиме, что влечет необоснованный нагрев последних.
Довольно часто используется цепочка состоящая из соединенных параллельно резистора и диода. Данная хитрость используется прежде всего для того, чтобы разгрузить управляющий каскад на время зарядки и ускорить разрядку емкости затвора.

Фрагмент однотактного преобразователя.

Таким образом достигается не мгновенное появление тока в обмотке силового трансформатора, а несколько линейное. Хотя это увеличивает температуру силового каскада, но довольно ощутимо снижает выбосы самоидуции, которые неизбежно появляются при подаче прямоугольного напряжения в обмотку трансформатора.

Самоиндукция в работе однотактного преобразователя
(красная линия — напряжение на обмотке трансформатора, синяя — напряжение питания, зеленая — импульсы управления).

Итак с теоритической частью разобрались и можно подвести кое какие итоги:
Для создания импульсного источника питания необходим трансформатор, сердечник у которого изготовлен из феррита;
Для стабилизации выходного напряжения импульсного источника питания необходим ШИМ метод с которым вполне успешно справляется контроллер TL494;
Силовая часть со средней точкой наиболее удобна для низковольных импульсных источников питания;
Силовая часть полумостовой схемотехники удобна для малых и средних мощностей, а ее параметы и надежность во многом зависят от коичества и качества проходных конденсаторов;
Силовая часть мостового типа более выгодна для больших мощностей;
При использовании в силовой части MOSFET не стоит забывать о емкости затворов и расчитывать управляющие элементы силовыми транзисторами с поправками на эту емкость;

Поскольку с отдельными узлами разобрались переходим к финальному варианту импульсного источника питания. Поскольку и алгоритм и схемотехника всех полумостовых источников практически одинакова, то для разъяснения какой элемент для чего нужен разберем по косточкам самый популярный, мощностью 400 Вт, с двумя двуполярными выходными напряжениями.

Осталось отметить некоторые ньюнасы:
Резисторы R23, R25, R33, R34 служат для создания RC-фильтра, который крайне желателен при использовании электролитических конденсаторах на выходе импульсных источниках. В идеале конечно же лучше использовать LС-фильтры, но поскольку «потребители» не очень мощные можно вполне обойтись и RC-фильтром. Сопротивление данных резисторов может использоваться от 15 до 47 Ом. R23 лучше мощностью 1 Вт, остальные на 0,5 Вт вполне достаточно.
С25 и R28 — снабер снижающий выбросы самоиндукции в обмотке силового трансформатора. Наиболее эффективны при емкостях около выше 1000 пкф, но в этом случае на резисторе выделяется слишком много тепла. Необходимы в случае когда после выпрямительных диодов вторичного питания отсутствуют дроссели (подавляющее большинство заводской аппаратуры). Если дроссели используются эффективность снаберов не так заметна. Поэтому мы их ставим крайне редко и хуже источники питания от этого не работают.
Если некоторые номиналы элементов отличаются на плате и принципиальной схеме эти номиналы не критичны — можно использовать и те и другие.
Если на плате имеются элементы отсутствующие на принципиальной схеме (обычно это конденсаторы по питанию) то можно их не ставить, хотя с ними будет лучше. Если же решили устанавливать, то не электролитические конденсаторы можно использовать на 0,1. 0,47 мкФ, а электролитические такой же емкости как и те, которые получаются с ними включенными параллельно.
На плате ВАРИАНТ 2 Возле радиаторов имеется прямоугольная часть которая высверливается по периметру и на нее устанавливаются кнопки управления источником питания (вкл-выкл). Необходимость данного отверстия обусловлена тем, что вентилятор на 80 мм не умещается по высоте, для того, чтобы закрепить его к радиатору. Поэтому вентиялтор устанавливается ниже основания печатной платы.

ИНСТРУКЦИЯ ПО САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ СБОРКЕ
СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Для начала внимательно следует ознакомиться с принципиальной схемой, впрочем это следует делать всегда, перед тем как приступать к сборке. Данный преобразователь напряжения работает по полумостовой схеме. В чем отличие от остальных подробно рассказанно .

Если что то не понятно — спрашивайте — и ответим, и дополним архивы.

Не много дополнительной информации:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *