Как работает оптопара в импульсном блоке питания

Обновлено: 03.07.2024

Что такое оптопара – электронно-оптический аппарат (прибор), в котором присутствуют источник светового излучения и приемник того же излучения – фотоприемник, которые в свою очередь связаны конструктивно электрическими и оптическими связями.

В практическом применении наибольшего распространения нашли оптроны (в последнее время приобрели название оптопары), в которых нет электрических связей между приемником и излучателем, а есть только оптическая связь. По сложности составляющих структурных схем в оптронных изделиях различают 2 группы приборов:

Оптопара – полупроводниковый оптическо-электронный прибор, в котором оптическая связь обеспечивает изоляцию входа и выхода излучающего и принимающего элементов.
Электронно-оптическая микросхема, которая состоит из определенного количества оптопар и так называемых усилителей, которые имеют электрическое соединение с элементами оптронов.

Принцип работы оптопары

Основное предназначение оптопары заключается в развязке сигнальных цепей гальваническим методом.

Принцип действия оптопары для всех видов фотоприемников и излучательных элементов практически одинаковый и состоит в следующем: формируемый электрический сигнал на входе в излучатель, трансформируется в поток света, который далее принимается фотоэлементом и меняет проводимость последнего – меняя его сопротивление.

Другими словами принцип действия оптрона заключается в двойном трансформировании энергии.

Как работают оптронные устройства

Рассмотрим работу двух видов оптронных устройств: оптическо-электронное и оптическое.

Работа оптическо-электронного аппарата основывается на превращении энергии света в электрическую. Переход энергии происходит при помощи твердого тела и процессов электрических фотоэффектов и сияния («горения», «свечения») при воздействии электрического поля.

Эффект фотоэлектричества означает, что твердое тело может излучать электроны под действием фотонов.

Функционирование оптического устройства происходит при тесном взаимодействии электромагнитного испускания и твердого тела.

Схемы работы оптопар

Применение оптопар (оптронов) позволяет решать множество задач, в частности контроль значений параметров от различных датчиков – уровень, влажность, концентрация и т.д); использование в устройствах автоматики и релейных защит электрооборудования; в диагностических аппаратах. В тех или иных случаях схемы включения оптопар отличны друг от друга.

В качестве примера приведем несколько линейных схем:

Передача аналоговых сигналов осуществляется по развязанной гальванически цепи с использованием двух одинаковых оптронов, один из которых предназначен осуществляет обратную связь.

Часто применяется в радиотехнике. Выходной сигнал Блока 1 подается на Блок 2 посредством оптопары-диода. В случае использования в Блоке 2 микросхемы с небольшим током на входе, то усилитель не требуется и оптопара-диод работает в фотогенерирующем режиме.

Сигналы от фотоприемника оптопары удобно и практично использовать на воздействие исполнительных механизмов опять же через гальваническую развязку (к примеру: включение света, электродвигателе и другого оборудования).

На рисунке 4 изображена схема полупроводникового разомкнутого реле. Коммутация тока происходит в реле. Транзистор оптопары принимает фотосигнал и открывает VT1, VT2 транзисторы, далее включается нагрузка.

Устройство оптронов

В качестве излучателя используется светодиод, который размещается сверху в металлическом корпусе. В нижней части расположен фотоприемник (кремниевый кристалл). Свободное пространство заполняется затвердевающей массой, которая полностью прозрачна. Последняя покрыта отражателем для направления лучей, чтобы не рассеивались лучи за пределы зоны приемника.

Как правило, вывода оптронов заливаются жидким стеклом. Верхняя и нижняя часть крышки корпуса соединяются при помощи сварки.

Оптрон-резистор практически не отличается от вышеописанной конструкции. В нем используется в качестве излучателя лампа накала, а приемник выполнен из кадмия селенистого.

Применение оптопар

На сегодняшнее время оптопары очень хорошо изучены и широко распространены в различных сферах деятельности. Особое место применения оптронов в схемах для логического согласования различных блоков, которые содержат элементы с исполнительными органами.

Как уже было сказано, ранее оптроны применяются для гальванической развязки в цепях с отличными блоками, преобразования и модуляции импульсов для управления аппаратами, контроля и управления, сигнализации и защиты электрического оборудования и процессов (счетчики, коммутаторы, реле, электрические измерительные устройства).

Оптрон также называется оптопарой. Он состоит из фотоприемника и непосредственно излучателя. Оба элементы помещаются в герметичный корпус, где создан вакуум. Есть огромное количество разновидностей оптопар. Это диодные виды, резисторные или тиристорные оптопары, но существуют и другие. Ее название зависит от типа фотоприемника. Излучателем служит, как правило, светодиод, основанный на полупроводниковом эффекте. Обычны это инфракрасный свет с длиной волны 0,9-1,2 мКм.

Также существуют светодиоды красного света и даже имеющие в качестве источника света лампы накаливания. В статье будет рассказано о строении таких оптопар, как они устроены и где они применяются. В качестве дополнения, статья содержит два видеоролика и одна научная статья.

Что это такое

Конструкция оптрона подразумевает наличие специального светового излучателя (в современных устройствах для этого применяются световые диоды, прежние модели оснащались малогабаритными лампами накаливания) и устройства, отвечающего за преобразование полученного оптического сигнала (фотоприёмника). Обе эти составляющие объединяются при помощи оптического канала и общего корпуса.

Существует несколько характеристик, в соответствии с которыми можно разделить модели оптопар на несколько групп. В зависимости от степени интеграции:

элементарный оптрон – включает в себя 2 и более элемента объединённых общим корпусом;
оптронная интегральная схема – конструкция состоит из одной и более оптопар и, помимо этого, ещё может быть оснащена дополняющими элементами (например, усилителем).

В зависимости от разновидности оптического канала:

Оптический канал открытого типа;
Оптический канал закрытого типа.

В зависимости от типа фотоприёмника:

Фоторезисторные (или просто резисторные оптопары);
Фотодиодные оптопары;
Фототранзисторные (используется обычный или составной биполярный фототранзистор) оптопары;

Фототиристорные, либо фотосимисторные оптопары;
Оптопары функционирующие с помощью фотогальванического генератора;
Солнечная батарейка.

Оптопарой (иначе – оптроном) называют электронные прибора предназначенные для преобразования электрических сигналов в световые, их передачи через оптические каналы и повторного преобразования сигнала вновь в электрический.

Конструкция устройств последнего вида зачастую дополняются полевыми транзисторами, за управление затвором которого отвечает тот же генератор. Фотосимисторные оптроны или те, которые оснащены полевыми транзисторами, могут называться «оптореле», либо «твердотельное реле».

Описание устройства

Максимальный и рабочий выходной ток фоторезисторного оптрона резко уменьшается при увеличении температуры окружающей среды выше 40 градусов по цельсия. Выходное сопротивление этого оптрона до значения входного тока 4 мА остается постоянным, а при дальнейшем увеличении входного тока (когда яркость свечения лампы накаливания начинает возрастать) резко уменьшается. Кроме описанных выше, существуют оптроны с так называемым открытым оптическим каналом. Здесь осветителем служит светодиод инфракрасного излучения, а фотоприемником могут быть фоторезистор, фотодиод или фототранзистор.

Отличие этого оптрона в том, что его излучение выходит наружу, отражается от какого-либо внешнего предмета и возвращается в оптрон, к фотоприемнику. В таком оптроне выходным током может управлять не только входной ток, но также изменение положения внешней отражающей поверхности. У оптронов с открытым оптическим каналом оптические оси излучателя и приемника расположены либо параллельно, либо под небольшим углом. Существует конструкции подобных оптронов с соосным расположением оптических осей. Такие приборы называют оптопрерывателями.

Структура и характеристики

В оптопарах применяются фотоприемники, чувствительные в ближней инфракрасной и видимой областях, поскольку именно для данной части спектра характерны источники интенсивного излучения, могущие работать в качестве фотоприемников без охлаждения. Фотоприемники с р-n-переходами (диоды и транзисторы) на основе кремния универсальны, область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи 0,8 мкм.

Характеристики оптронов (оптопар) с входными и выходными параметрами.

В оптронах с управляемым оптическим каналом имеется дополнительное устройство управления, через которое можно с помощью электрических или магнитных средств влиять на свойства оптической среды. На стороне фотоприемника сигнал восстанавливается, с высоким быстродействием преобразуясь из оптического в электрический. Выходное устройство на стороне фотоприемника (например включенный в схему фототранзистор) призван преобразовать сигнал в стандартную электрическую форму, удобную для дальнейшей обработки в следующих за оптроном блоках. Оптопара зачастую не содержит входных и выходных устройств, поэтому ей требуются внешние цепи для создания нормального режима работы в схеме того или иного прибора.

Типы и разновидности

Оптоэлектронные устройства работают по-разному в зависимости от того, к какому из двух видов направлений они относятся:

Работа прибора базируется на принципе, в соответствии с которым происходит преобразование световой энергии в электрическую. Причём, переход осуществляется посредством твёрдого тела и происходящих в нём процессов внутреннего фотоэлектрического эффекта (выражающегося в испускании веществом электронов под воздействием фотонов) и эффекта свечения под действием электрического поля.

Прибор функционирует благодаря тонкому взаимодействию твёрдого тела и электромагнитного излучения, а также используя лазерные, голографические и фотохимические устройства.

Фотонные электронно-вычислительные машины компонуются с использованием одной из двух категорий оптических элементов:

Оптронов;
Кванто-оптических элементов.

Они являются моделями устройств соответственно электронно-оптического и оптического направлений.

Будет ли оптрон передавать сигнал линейно, определяется теми характеристиками, которыми обладает вмонтированный в конструкцию фотоприёмник. Наибольшую линейность передачи можно ожидать от резисторных оптронов. Как следствие, процесс эксплуатации подобных устройств отличается наибольшим удобством. Ступенью ниже стоят модели с фотодиодами и одиночными биполярными транзисторами. Для обеспечения работы импульсных приборов применяют оптроны на биполярных, либо полевых транзисторах, поскольку там нет необходимости в линейной передаче сигнала. Наконец, фототиристорные оптроны монтируют, чтобы обеспечить гальваническую изоляцию и безопасность эксплуатации устройства.

Применение

Существует множество сфер, в которых необходимо использование оптронов. Такая широта применения обусловлена тем, что они являются элементами, обладающими множеством различных свойств и на каждое их качество приходится отдельная сфера применения.

Фиксация механического воздействия (применяются устройства, оснащённые оптическим каналом открытого типа, который можно перекрыть (оказать механическое воздействие), а значит, само устройство можно использовать как сенсор):

Детекторы наличия (выявление наличия/отсутствия бумажных листов в принтере);
Детекторы конечной (начальной) точки;
Счётчики;
Дискретные спидометры.

Оптопарой (в большинстве случаев применяется как информационный передатчик);
Оптореле (более прочего подходит для управления сигнальными и силовыми цепями).

Будет интересно➡ Что такое эффект Ганна и при чем здесь диоды

Использование транзисторных, либо интегральных оптопар особенно актуально, если требуется обеспечить гальваническую изоляцию в сигнальной цепи или цепи с незначительным управляющим током. Роль элемента управления могут выполнять трёхэлектродные полупроводниковые приборы, схемы, управляющие дискретными сигналами, а также цепи с особой специализацией.

Параметры и особенности работы устройства

Опираясь на точную конструкцию прибора, можно определить его электрическую прочность. Под этим термином понимается значение напряжения, возникающего между цепями входа и выхода.Так, производители оптопар, обеспечивающих гальваническую изоляцию, демонстрируют целый ряд моделей с различными корпусами:

В зависимости от типа корпуса у оптопары формируется то или иное напряжение изоляции. Чтобы создать условия, в которых уровень напряжения достаточный для пробоя изоляции был достаточно велик, следует сконструировать оптопару таким образом, чтобы следующие детали были расположены достаточно далеко друг от друга:

Световой диод и оптический регистратор;
Внутренняя и внешняя сторона корпуса.

В отдельных случаях можно обнаружить оптопары специализированной группы, изготавливаемые в соответствии с международным стандартом безопасности. Уровень электрической прочности у этих моделей на порядок выше. Другой значимый параметр транзисторной оптопары носит название «коэффициента передачи тока». Согласно значению этого коэффициента устройство относят к той или иной категории, что и отображается в названии модели.

Относительно уровня нижней рабочей частоты оптронов никаких ограничений нет: они хорошо функционируют в цепи с постоянным током. А верхняя граница рабочей частоты этих приборов, задействованных в передаче сигналов цифрового происхождения, исчисляется в сотнях мегагерц. Для оптронов линейного типа этот показатель ограничивается десятками мегагерц. Для самых медленных конструкций, включающих в себя лампу накаливания, наиболее характерна роль низкочастотных фильтров, работающих на частотах, не достигающих 10 Герц

Существует две основные причины тому, что работа транзисторной пары сопровождается шумовыми эффектами:

Проходная ёмкость между световым диодом и транзисторной базой;
Паразитная ёмкость между коллектором и фототранзисторной базой.

Чтобы побороть первую причину, понадобится вмонтировать особый экран. Вторая же устраняется через верно подобранный рабочий режим.

Оптореле

Оптореле, иначе называемое твердотельным реле, обычно используется для регуляции работы цепи с большими управляющими токами. Роль управляющего элемента здесь обычно выполняют два MOSFET транзистора со встречным подключением, подобная конфигурация обеспечивает возможность функционирования в условиях переменного тока.

Классификация видов оптореле

Для оптореле определено три типа топологий:

Нормально разомкнутые.Предполагается, что управляющая цепь будет замыкаться лишь в момент подачи управляющего напряжения на выводы светового диода.
Нормально замкнутые.Предполагается, что управляющая цепь будет размыкаться лишь в момент подачи управляющего напряжения на выводы светового диода.
Переключающая.Третья топология предполагает сочетание каналов нормально-замкнутого и нормально разомкнутого типа.

Оптореле подобно оптопаре имеет характеристику по электрической прочности.

Модели стандартного типа;
Модели, имеющие малое сопротивление;
Модели, имеющие малое СxR;

Модели, имеющие малое напряжение смещения;
Модели, имеющие высокое напряжение изоляции.

Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.

Последние посетители 0 пользователей онлайн

Объявления

Не о том же. Портальная это мощная эстрадная (и довольно крупно габаритная) акустика, которая априори не может "дерьмово" воспроизводить басовый диапазон. Как пример Nova Visio чувствительностью 102дб/Вт/м с диапазоном 60-18000гц +/- 3дб.

Не получиться! Электрики будут сильно против. Светильник, хоть и весит на опоре ЛЭП перед домом, но подключен к линии на прямую и платит за него местная администрация. Если я начну городить что-то не на верхотуре, то это снижение могут квалифицировать, как возможность безучетного отбора электроэнергии. Если только пробовать навешивать это хозяйство наверху.

Продолжение. По поводу KSD и их маркировки. положил их в электрическую духовку на противень и включил нагрев. Положил KSD020 175C (НО) и 185С (НЗ) и один KSD301 175C (НЗ) все четко отработали и вкл и выкл и разброс очень маленький. Это к цитате а вот попытки нагреть их паяльным феном - да, показатели странные. Так что не надо говорить , что KSD - плохой выбор. по теме - пока пара нет)))) пока ищу реле давления CEME РС 5411/Vap 120 C 0,2 - 6,0 psi

Набор для сборки ПУ Дугласа Селфа, комплект кроме неполярных электролитов, детали выс. качества, перем. Резисторы не китай. Прошу прощения за скучное фото, но комплект не маленький и если есть интерес пишите и спрашивайте. В комплекте 14 шт. Ne5532 и 4 Цена 4700

В коробку его, от погоды закрыть - а коробку уже к столбу крепи где удобней.

Как проверяли? Там может быть короткий импульс, который ни тестером ни светодиодом вы не увидите.

В последнее время мне задавалось некоторое количество вопросов по теме стабилизации напряжения.Или о том как светодиоды надо запитать.
Хочу изложить свой теоретический взгляд на взаимодействие компонентов в схеме блока питания.
В блоке питания есть микросхема.Она, в сути, является мозгом устройства.Управляет силовым ключом, либо встроенным внутрь нее, либо внешним.Силовой ключ очень быстро открываясь и закрываясь накачивает напряжение в дроссель.На выходе появляется напряжение, это напряжение надо отследить.И если напряжение на выходе достигнет нужного нам значения-надо сообщить об этом управляющей микросхеме.Она, услышав эту новость, уменьшит время открытия силового ключа.Накачка в дроссель уменьшится и на выходе напряжение начнет падать.Но схема, отслеживающая напряжение на выходе, опять сообщит микросхеме, что напряжение падает ниже нам нужного и микросхема снова увеличит время открытия силового ключа.

Так же можно наколоть и сетевой блок питания.Как мы раньше уже убедились принцип один и тот же.
Не забываем что никто не отменял мощность.А она равна произведению напряжения на силу тока.А значит наш БП может выдать больше напряжение, но уже ниже силу тока.Мы тут с himiks общались и просто цифра от туда в голове засела.Например сетевой импульсный блок питания 12 вольт 2 ампера может выдать и 24 вольта но уже 1 ампер.Потому что он 24 Ватта.И он каким был таким и остался.Главное что бы выходная часть не развалилась от перенапряжения, конденсаторы не бабахнули))Разумеется так сильно поднимать не стоит-но процентов на 50-70 можно.
Ну и так же по падению на шунте его можно наколоть и заставить поработать драйвером.Ха-ха.

Ну а это так, для общего понимания.Если хочется вникнуть глубже-читаните open.e-voron.dp.ua/stabil…ov-na-mikrosheme-ms34063/ (там примеры для МС34063).Главное что бы крышу не снесло))Но полезное для себя найдете.Тем более, что суть и смысл остаются актуальными для любых микросхем такого плана.
Эх как-то без картинок получилось…
Ладно ща найду для чисто поржать…

Импульсные источники питания (ИИП) заполонили мир. Кажется, что они применяются везде, полностью вытеснив традиционные. На самом деле, этот вопрос неоднозначный.

В обзоре речь пойдет именно об импульсных блоках питания (ИИП) – преобразователях переменного сетевого напряжения в постоянное. Следует отличать такие устройства от импульсных стабилизаторов (стабилизируют входное постоянное напряжение) и преобразователей DC/AC или AC/AC (например, 12VDC/220 VAC, преобразующих напряжение автомобильной бортсети в 220 вольт), хотя в этих устройствах применяются похожие принципы.

Отличия импульсного блока питания от обычного трансформаторного

Схема трансформаторного стабилизированного источника питания.

Традиционный «трансформаторный» блок питания строится по схеме: трансформатор - выпрямитель с фильтром - стабилизатор выходного напряжения (может отсутствовать). Схема несложна и отработана годами, но у нее есть существенный недостаток – при увеличении мощности опережающими темпами растут габариты и вес.

В первую очередь растут размеры и масса трансформатора. Для повышения тока надо увеличивать сечение обмоток, но главный вклад в массогабаритные характеристики вносит сердечник. Не вдаваясь в физические подробности, можно отметить, что эту проблему можно обойти, увеличив частоту, на которой происходит трансформация. Чем выше частота, тем меньшим сердечником можно обойтись. Не зря в авиации и кораблестроении используются электросети на частоту 400 Гц. Многие элементы получаются гораздо легче и компактнее. Но в быту негде взять повышенную частоту. 50 Гц в розетке – все, что доступно потребителю. Поэтому блоки питания на большие токи строят по другому принципу. В них переменное напряжение сети выпрямляется, а затем из него «нарезаются» импульсы более высокой (до нескольких десятков килогерц) частоты. За счет этого трансформатор получается маленьким и легким без потери мощности. Это главное, чем отличается любой импульсный блок питания от обычного.

Еще один источник повышенных размеров и габаритов – стабилизатор. В традиционных БП применяются линейные стабилизаторы. Они требуют повышенного входного напряжения, а разница между входом и выходом, умноженная на ток нагрузки, бесполезно рассеивается. Это ведет к дополнительному увеличению массы трансформатора, который должен обеспечивать необходимый бесполезный запас по мощности, а также требует больших и тяжелых теплоотводящих радиаторов. В ИИП это делается по другому принципу. Напряжение стабилизируется методом изменения ширины импульсов. Это позволяет повысить КПД и не требует отвода излишнего тепла в таком количестве.

В видео-сравнение линейного и импульсного блоков питания.

К недостаткам импульсников можно отнести усложненную схемотехнику и повышенные требования к надежности элементов. Эти минусы сходят на нет с ростом мощности. Считается, что для выходных токов до 2..3 ампер подходят трансформаторные блоки с линейными стабилизаторами, а чем выше нагрузка, тем ярче начинают проявляться преимущества ИИП. При токах от 10 А обычно о трансформаторных БП речь уже не идет.

Среди минусов импульсных источников также надо упомянуть генерацию помех в питающую сеть и «замусоренность» выходного напряжения высокочастотными составляющими.

Какие бывают виды и где применяются

Разделить импульсники можно по разным признакам. По выходному напряжению они делятся на:

однополярные с одним уровнем напряжения;
ондополярные с несколькими уровнями напряжения;
двухполярные.

Эти типы можно комбинировать как угодно – принципиальных ограничений нет. Можно создать блок питания, например, с несколькими однополярными напряжениями (+5 В, +24 В) и с двуполярным (±12 В), или с двумя двуполярными выходами (±12 В, ±5 В). Все зависит от области применения.

Более интересной является информация о типе стабилизации. Здесь ИИП можно разделить на категории:

Нестабилизированные источники. У них выходное напряжение зависит от нагрузки. Могут быть применены для питания оконечных устройств аудиоаппаратуры (усилители и т.п.).
Стабилизированные источники. У таких устройств от нагрузки могут не зависеть напряжение, ток или и то, и другое. Источники со стабилизированным напряжением используются, например, в качестве БП для компьютеров и серверов, или для заряжания кислотно-свинцовых аккумуляторов. Стабилизированный ток подойдет для зарядных устройств для других типов АКБ.
Регулируемые источники. У них уровень выходного напряжения и тока можно выставлять в определенных пределах в зависимости от потребности. Такие устройства используются в качестве лабораторных источников питания.

Схема и сборка самодельного блока питания с регулировкой напряжения и тока

Описать все области использования импульсников невозможно. Они применяются там, где надо получить большой ток от легкого и компактного источника.

Также можно разделить ИИП по схемотехнике:

с импульсным трансформатором;
с накопительной индуктивностью.

В схемотехнику можно углубляться и дальше и классифицировать БП по другим критериям, но это принципиального значения не имеет.

Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП

Структурная схема импульсника сложнее, чем у трансформаторного источника. Для понимания принципа работы импульсного блока питания в целом, надо разобрать функционирование каждого узла в отдельности.

Плавкий 5-амперный предохранитель перегорает при превышении номинального тока при аварийной ситуации в БП. Для защиты от повышения напряжения предусмотрен варистор V1. В штатном режиме он не влияет на работу устройства. При скачке в сети от открывается, его сопротивление резко увеличивается, ток через варистор возрастает. Это вызывает перегорание предохранителя.

Терморезистор с отрицательным коэффициентом сопротивления THR1 сначала имеет большое сопротивление и ограничивает ток, идущий на зарядку конденсаторов фильтра высоковольтного выпрямителя. Потом термистор прогревается проходящим через него током, его сопротивление падает, но к тому моменту емкости уже будут заряжены. Конденсаторы CX1, C11, C12, CY3 и синфазный дроссель FL1 защищают сеть от синфазных и дифференциальных помех.

Высоковольтный выпрямитель и фильтр

Высоковольтный выпрямитель обычно строится по традиционной мостовой двухполупериодной схеме и особенностей не имеет. Если в преобразователе применяется полумостовая схема, то фильтр выполняется из двух емкостей, включенных последовательно – так формируется средняя точка с напряжением, равным половине питания.

Участок схемы импульсника с высоковольтным выпрямителем D1-D4 и с емкостным делителем напряжения C1-C2.

Иногда параллельно конденсаторам ставят резисторы. Они нужны для разряда емкостей после выключения питания.

Инвертор

Преобразование постоянного напряжения в импульсное происходит с помощью инвертора на полупроводниковых ключах (часто на транзисторах). Открываясь и закрываясь, ключи подают в обмотку импульсы напряжения. Таким методом получается своеобразное переменное напряжение (однополярное), которое может быть трансформировано в напряжение другого уровня обычным способом.

Самая простая схема преобразователя постоянного напряжения в импульсное – однотактная. Для ее реализации нужен минимум элементов. Недостаток такого узла – при росте мощности резко растут габариты и масса трансформатора. Связано это с принципом действия такого преобразователя. Он работает в два цикла – во время первого транзистор открыт, энергия запасается в индуктивности первичной обмотки. Во время второго запасенная энергия отдается в нагрузку. Чем больше мощность, тем больше должна быть индуктивность, тем больше должно быть витков в первичной обмотке (соответственно, увеличивается количество витков во вторичных обмотках).

От этого недостатка свободна двухтактная схема со средней точкой (пушпульная). Первичная обмотка трансформатора разделена на две секции, которые через ключи поочередно подключаются к минусовой шине. На рисунке красной стрелкой показано направление тока для одного цикла, а красной – для другого. Минусом является необходимость иметь удвоенное количество витков в первичке, а также наличие выбросов в момент коммутации. Их амплитуда может достигать двойного значения от напряжения питания, поэтому надо применять транзисторы с соответствующими параметрами. Сфера применения такой схемы – низковольтные преобразователи.

Выбросы отсутствуют, если инвертор выполнен по мостовой схеме. Из четырех транзисторов составлен мост, в диагональ которого включена первичная обмотка трансформатора. Транзисторы открываются попарно:

первый цикл – верхний левый и нижний правый;
второй цикл – нижний левый и верхний правый.

Обмотка подключается к плюсу питания то одним выводом, то другим. Минусом является применение 4 транзисторов вместо двух.

Компромиссным вариантом считается применение полумостовой схемы. Здесь коммутируется один конец первичной обмотки, а второй подключен к делителю из двух емкостей. В этой схеме также отсутствуют выбросы напряжения, но применено всего два транзистора. Недостаток такого решения – к первичной обмотке прикладывается только половина питающего напряжения. Вторая проблема – при создании мощных источников емкость конденсаторов делителя растет, и их стоимость становится нецелесообразной.

Если ИИП построен по схеме с регулировкой параметров методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то в большинстве случаев ключи приводятся в действие не напрямую от микросхемы ШИМ, а через промежуточный узел – драйвер. Связано это с повышенными требованиями к прямоугольности управляющих сигналов.

Фрагмент схемы промышленного импульсного источника – полумостовой инвертор на транзисторах Q1, Q2 управляется через промежуточный узел на транзисторах Q8, Q9 и трансформаторе T1.

В схемах всех преобразователей используются как полевые, так и биполярные транзисторы, а также IGBT, сочетающие свойства обоих типов.

Выпрямитель

Трансформированное во вторичные обмотки напряжение надо выпрямить. Если требуется выходное напряжение выше +12 вольт, можно применять обычные мостовые схемы (как и в высоковольтной части).

Схема импульсного блока питания с выходным напряжением до 30 вольт и мостовым двухполупериодным выпрямителем.

Если напряжение низкое, то выгодно применять двухполупериодные схемы со средней точкой. Их преимущество в том, что падение напряжение происходит только на одном диоде для каждого полупериода. Это позволяет сократить количество витков в обмотке. Для этой же цели используют диоды Шоттки и сборки на них. Недостаток такого решения – более сложная конструкция вторичной обмотки.

Схема выпрямителя со средней точкой и прохождение по ней тока.

Фильтр

Выпрямленное напряжение надо отфильтровать. Для этой цели применяются как традиционные емкости, так и индуктивности. Для используемых частот преобразования дроссели получаются небольшими, легкими, но работают эффективно.

Схема выходных фильтрующих цепей каналов импульсного компьютерного блока питания.

Цепи обратной связи

Цепи обратной связи служат для стабилизации и регулировки выходного напряжения, а также для ограничения тока. Если источник нестабилизированный, у него эти цепи отсутствуют. У устройств со стабилизацией тока или напряжения эти цепи выполняются на постоянных элементах (иногда с возможностью подстройки). У регулируемых источников (лабораторных и т.п.) в обратную связь включены органы управления для оперативной регулировки параметров.

У компьютерного БП дополнительно имеется схема управления и формирования служебных сигналов (Power_good, Stand By и т.д.).

Как устроен ШИМ контроллер

В стабилизированных и регулируемых источниках питания напряжение на выходе поддерживается методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Суть метода в том, что первичная обмотка питается импульсами неизменной амплитуды и частоты. Для регулировки напряжения в зависимости от нагрузки или выбранного уровня изменяется ширина импульса. Трансформированные во вторичную обмотку импульсы затем выпрямляются и усредняются на выходном конденсаторе фильтра. Чем больше ширина импульса, тем выше усредненное напряжение. Если в результате увеличения тока нагрузки напряжение на выходе просело, ШИМ-контроллер сравнивает выходное напряжение с заданным и дает команду увеличить ширину импульсов. Если напряжение увеличилось, ширина импульсов уменьшается. Среднее напряжение также уменьшается.

Принцип регулирования выходного напряжения методом широтно-импульсной модуляции.

Культовой микросхемой для построения импульсных источников считается TL494. На ее примере можно разобрать принцип действия
шим контроллера блока питания.

Назначение выводов микросхемы указано в таблице.

Назначение	Обозначение	Номер вывода		Номер вывода	Обозначение	Назначение
Прямой вход усилителя ошибки 1	IN1	1		16	IN2	Прямой вход усилителя ошибки 1
Инверсный вход усилителя ошибки 1	IN1	2		15	IN2	Инверсный вход усилителя ошибки 1
Выход обратной связи	FB	3		14	Vref	Выход опорного напряжения
Управление временем задержки	DTC	4		13	ОТС	Выбор режима работы
Частотозадающий конденсатор	C	5		12	VCC	Напряжение питания
Частотозадающий резистор	R	6		11	С2	Коллектор 2-го транзистора
Общий провод	GND	7		10	E1	Эмиттер 1-го транзистора
Коллектор 1-го транзистора	C1	8	9		E2	Эмиттер 2 -го транзистора

Частоту генератора задают элементы, подключаемые к выводам 5 и 6. Напряжением на выводе 4 ограничивают ширину выходного импульса. Это необходимо для исключения «перехлеста» открытия транзисторов чтобы избежать ситуации, когда оба ключа оказываются открыты. Через этот вывод также можно организовать мягкий пуск БП. Вывод 13 служит для перевода микросхемы в однотактный режим. Если его подключить к общему проводу, импульсы на выводах обоих ключей станут одинаковыми. На выводе 14 постоянно присутствует образцовое напряжение, равное +5 вольтам. Оно может быть использовано в любых схемотехнических целях.

Выводы 1 и 2 служат прямым и инверсным выводами усилителя ошибки. Если напряжение на выводе 1 превышает напряжение на 2 ноге, то ширина выходных импульсов будет уменьшаться пропорционально разнице на этих выводах. Если напряжение на 2 выводе выше, чем на 1, то на выходе импульсы будут отсутствовать. Также работает второй усилитель ошибки (выводы 16 и 15). Выходы обоих усилителей соединены по схеме ИЛИ и подключены к ноге 3. Первый усилитель обычно используют для регулирования напряжения, второй – для регулирования тока.

В качестве примера можно рассмотреть схему лабораторного источника на данной микросхеме. Здесь применены практически все технические решения, описанные выше. Регулируемая обратная связь, выполненная на операционных усилителях OP1..OP4, позволяет настраивать уровень выходного напряжения и ограничивать ток. Для создания импульсного напряжения используется полумостовой инвертор на биполярных транзисторах, подключенных к микросхеме посредством драйвера.

Для наглядности рекомендуем серию тематических видеороликов.

Также при создании ИИП применяются и другие микросхемы-регуляторы ШИМ. Они могут отличаться от TL494 по функционалу и назначению выводов, но в них используются те же принципы. Разобраться в их работе не составит труда.

Читайте также: