Тема: Типовые схемы импульсных блоков питания

[Gall]

Включение в простой двухтактной или однотактной схеме с защитой от обратноходовых импульсов:



Отмеченный восклицательным знаком диод обязателен! Его роль может выполнять диодный мост при питании от сети или от понижающего трансформатора. Конденсаторы в первичной цепи должны быть достаточно высокого качества и большой емкости, чтобы полностью поглотить импульс обратного хода без заметного повышения напряжения. Все диоды должны быть достаточно быстрыми и выдерживать большой ток (серии HER..., например). В качестве диодов, параллельных полевикам, могут быть использованы защитные диоды самих полевиков, если они достаточно мощные.

Принцип действия защиты заключается в том, что в случае аварийной ситуации индуктивный выброс через защитные диоды поступает обратно в питание схемы, повышая напряжение на конденсаторах. Благодаря этому диод на входе закрывается, схема оказывается отрезана от питания и некоторое время питается исключительно от себя самой, постепенно растрачивая излишнюю энергию.

Двухтактная схема всегда прямоходовая. Для получения прямоходовой однотактной схемы достаточно убрать одну из отмеченных цветом частей - красную или синюю. Для получения обратноходовой схемы нужно убрать первичную часть одного цвета, а вторичную - другого. В однотактной обратноходовой схеме можно использовать обмотки первичной стороны с неодинаковым числом витков для получения большего напряжения на один виток. В двухтактной схеме на выходе можно использовать диодный мост, удвоитель или умножитель напряжения. В однотактной схеме умножитель или удвоитель ставить нельзя!

[Upd Dec 1, 2012: поправил опечатки]

[nerv]

Спасибо. Все доходчиво объяснил.
А как на счет полумост/косой п.мост, мост? И чем отличаются п.мост от двухтакта? Жеательно так же, на пальцах.

[Gall]

Ничем принципиально не отличаются. Это разные способы получения одного и того же результата. Слева направо: простая двухтактная, полумост, мост. В полумостовой схеме может отсутствовать любой из конденсаторов ("косая" схема), также возможна замена конденсаторов на другие цепи - в том числе с дросселями и резисторами. Нижеприведенный рисунок лишь иллюстрирует идею и не может служить образцом схемы.



Более правильно было бы разделять схемы следующим образом:

По методу снятия выходного напряжения - прямоходовые, обратноходовые.
По методу подачи первичного напряжения (для прямоходовых) - однотактные, двухтактные.
По схемотехнике первичной цепи (для двухтактных) - с двумя обмотками, полумостовая схема (два транзистора, но одна обмотка), мостовая схема (четыре транзистора).

[Gall]

Кратко об основных процессах, происходящих в импульсных БП.

В основе любого блока питания лежит дроссель или трансформатор (как правило, с ферритовым сердечником), подключенный к источнику постоянного тока через коммутирующий элемент (транзистор, тиристор и т.д.). Коммутирующий элемент периодически открывается и закрывается. Это однотактный источник. Двухтактный источник состоит из двух однотактных, работающих поочередно, что позволяет полнее использовать сердечник трансформатора. Далее мы рассмотрим в основном однотактную схему.

Исходное состояние: ключ закрыт, тока нет. Ключ открывается. В катушке появляется возрастающий во времени ток. Скорость нарастания тока зависит от индуктивности. Здесь возможны два сценария: прямоходовой и обратноходовой.

В прямоходовом случае возникающую при этом ЭДС в трансформаторе используют во вторичной обмотке. При этом напряжение на вторичной обмотке определяется законом трансформатора, а накопленная в катушке к концу прямого хода энергия мала. Непосредственно после прямого хода следует пауза (обратный ход), во время которой схема возвращается в исходное состояние, а затем - новый прямой ход. Во время паузы можно исключить простой сердечника, если выполнить новый прямой ход на противоположную полярность, что и делается в двухтактных блоках питания.

В обратноходовом случае нагрузка во время прямого хода отсутствует, ток растет по закону, близкому к линейному, и к концу прямого хода достигает своего максимума I. В катушке оказывается накоплена значительная энергия, равная E=LI^2/2. В момент отключения тока эта энергия высвобождается в виде сильного броска (само)индукции (обратный ход). Если ключ работает достаточно быстро, этот бросок во времени может составлять десятки наносекунд, а его амплитуда (если ее ничто не ограничит) легко достигает многих киловольт. Однако обычно в этот момент к вторичной обмотке оказывается подключена нагрузка, и энергия уходит в нагрузку, а напряжение ограничивается в зависимости от ее мощности (и может быть любым). Если же нагрузка отсутствует, бросок напряжения обычно выводит из строя первичную цепь (или хотя бы сильно перегревает ее). Непосредственно после завершения обратного хода следует новый прямой ход, поэтому делать двухтактную схему не имеет смысла - для второго такта не остается времени.

Основной особенностью обратноходовых схем является накопление энергии в магнитном поле. Феррит не может накопить значительную энергию, не входя в насыщение, поэтому в обратноходовых трансформаторах сердечник выполняют с зазором, в котором и накапливается энергия. Существует расчет оптимального зазора в зависимости от требуемых параметров катушки.

Поскольку в обратноходовом блоке питания напряжение на выходе неопределенное, для получения нужного напряжения вводят цепь стабилизации. Ее действие основано на дозировании энергии прямого хода путем изменения длительности импульса с таким расчетом, чтобы напряжение на конденсаторе вторичной цепи оставалось постоянным. Это достигается введением обратной связи. Легко видеть, что без обратной связи обратноходовые блоки питания практически неработоспособны.

В прямоходовых (как двухтактных, так и однотактных) схемах обратноходовой режим является паразитным. Обычно при правильно подключенной нагрузке он не возникает, но вероятность его появления все равно заставляет использовать защитные цепи (диоды и т.д.). В мощных прямоходовых блоках питания, однако, остаточный ток прямого хода соответствует довольно большой энергии и вполне может вызвать серьезный обратный ход. В таких схемах применяют цепи рекуперации - вспомогательные конденсаторы и дроссели, возвращающие энергию обратного хода в питание или в нагрузку.

Помимо двух названных режимов, существует еще резонансный режим работы. Он возникает тогда, когда значительную нагрузку не подключают вообще - ни на прямом, ни на обратном ходу. В этом случае катушка копит все больше и больше энергии, вплоть до пробоя. В этом режиме работает классическая катушка Теслы. Практических применений, за исключением демонстрационных опытов с катушками, этот режим не имеет в силу своей нестабильности и зависимости от нагрузки.

[nerv]

А как же особенности схем относительно выходной мощности? Однотакт мощей 3квт это конечно круто... но на этой мощности почему-то используют мост или полумост.
Так вот, собираюсь склепать БП для ИНП 6/90 электронный.
Есть такой вариант - генератор IR2153, драйвера IR4427, ключи аналог IRFP460. Планирую топологию п.мост, по два ключа в параллель в каждом плече.
Из плюсов - простой и не требует настройки.
Из минусов - нерегулируемый.
Вариант номер два - TL494, IR4427, IRFP460.
Из плюсов - полноценный ШИМ, возможность регулировки и стабилизации выходного тока, куча защит и пр, пр,пр.
Из минусов - совсем никогда не работал с этой микрой.
И теперь начинается куча вопросов:
Как организовать защиту по току в первичке транса
как организовать регулировку тока вторички
как ... стабилизацию тока вторички
... тепловую защиту
Ключи,дрова и генераторы заказал в платане, мелочевку куплю в своем городе.
Вот примерная схема силовухи. Я в чем-то ошибся?

[Gall]

Теория

Про особенность схем относительно выходной мощности сказано выше. Дело не в одном и двух тактах, а в прямом и обратном ходе.

Обратноходовая схема не может иметь большую мощность, поскольку она ограничена накоплением энергии в магнитном поле трансформатора. Практический предел достижимой мощности в обратноходовой схеме - 100-200 Вт. Более мощная схема обязана быть прямоходовой.

Прямоходовая схема может быть как одно-,так и двухтактной. Как правило, прямоходовые схемы делают двухтактными, поскольку при этом вдвое лучше используется сердечник трансформатора. Однотактные прямоходовые схемы делают либо на очень малой мощности (когда просто не играет роли), либо в том случае, когда по какой-либо причине используются очень дорогие транзисторы (например, при очень высоком напряжении первичной обмотки), и удвоение размеров сердечника несущственно по сравнению со стоимостью второго транзистора.

Прямоходовые (читай - двухтакнтные) схемы никогда не бывают глубоко регулируемыми. Даже при применении TL494. Коэффициент стабилизации прямоходовых схем невелик, поскольку такая схема всегда ограничена законом трансформатора.

Анализ приведенной выше схемы

На рисунке приведено типичное полумостовое включение транзисторов с использованием хороших драйверов MOSFET. Схемотехническое улучшение непосредственно этой части схемы вряд ли возможно, но возможно упрощение. Для этого надо в качестве микросхемы U1 применить специализированный драйвер "верхнего ключа", что позволит отказаться от сдвига уровней. (Именно из-за отстутствия необходимости сдвига уровней обычно предпочитают схемы со средней точкой первичной обмотки - лишних 5 витков обычно не жалко). Как в этой схеме будет делаться сдвиг уровня для управления верхним ключом - не очень понятно.

Защиту от обратноходовых выбросов обеспечивают встроенные диоды полевиков. Их наличие обязательно; если их нет или они недостаточной мощности - надо поставить параллельно.

Конденсаторы C4-C7 выбираются по даташиту на драйверы, C1 и C2 рассчитываются в зависимости от частоты. Их расчет критичен.

Основной проблемой этой схемы является большая нагрузка на конденсаторы C1-C3 и диоды D1и D2. Выпрямитель лучше сделать мостовым (снизится нагрузка на диоды и пиковый ток в сетевом проводе, уменьшится емкость C3), а в качестве С3 обязательно использовать конденсатор, рассчитанный на большой импульсный ток. Целесообразно между выпрямителем и C3 поставить LC-фильтр - это позволит значительно снизить его емкость.

Непосредственно подключать к сети эту штуку тоже нельзя. Пусковой ток зарядки C3 вышибет пробки. Проще всего схему плавного пуска сделать на термисторах, но можно и раздробить C3 на несколько частей, которые подключать по очереди через реле.

[nerv]

Планируется мспользование раздельного питания верхних и нижних ключей от разнх БП. Про сдвиг уровне пожалуйста подробнее. Можно и в картинках. Про среднюю точку трансформатора тоже. Куда ее цеплять, эту среднюю точку?
Про диоды: довольно долго их выбирал. Эти в корпусе
ТО247 и расчитаны на 30А (250А имп) 400В. Так что думаю что 2х в параллеь вполне должно хватить.
Конденсаторы драйверные и так взяты из даташита. Только не совсем понятно,зачем они нужны? Ведь они оказваются параллельными емкостям затворов, тем самым уменьшая КПД драйвера, т.е. будут заряжаться и разряжаться вхолостую.
А про расчет С1 и С2 можно подробнее? Т.е. на переменке они обладают определеннм сопротивлением при определенной частоте, это понятно. И это сопротивление надо с чем-то согласовывать, так?
Наверно таки с первичкой транса?

Вариант с реле совсем не интересен, т.к. там есть механические контакты, а они имеют свойство вгорать, причем на таких мощностях довольно бстро.

[Gall]

Про сдвиг уровней. На схеме два полевика и два драйвера. Нижний из них сидит на земле, с ним все ясно. Верхний сидит на половине питания; для него "земля" - это GNDHI, 150 вольт от настоящей земли (GNDLO). Вот на эти 150 вольт придется как-то делать сдвиг. Либо оптику ставить, либо трансформатор перед драйверами, либо очень особым образом подавать сигнал на драйвер. (Я бы, конечно, просто сделал две первичных обмотки, чтобы избежать этой проблемы).

Про диоды - не очень понятно, почему однополупериодный выпрямитель с двумя диодами в параллель, а не мост. Мост облегчил бы нагрузку на сеть при тех же диодах.

Конденсаторы компенсируют эффект Миллера полевых транзисторов. По сути, они нужны для того, чтобы нагрузка драйвера не зависела от параметров полевика (его емкости).

C1 и C2 на переменке обладают не только сопротивлением (импедансом), но и энергией. Именно энергия важна в этой схеме. На каждом ходу энергия в обмотку поступает из соответствующего конденсатора. Его емкость, стало быть, должна быть достаточно велика, чтобы он способен был выдать порцию энергии в обмотку и при этом сохранить достаточно высокое напряжение. В общем-то через импеданс рассчитывается то же самое, только другими словами. Но поскольку спектр колебаний очень широкий (колебание не синусоидально), работать в терминах импеданса неудобно. С энергией проще.

[GTS]

В состав ИБП обязательно должно входить устройство плавного пуска и желательно - узел защиты от превышения тока.
Подробнее можно посмотреть на реклама сайта удалена модератором.

[Gall]

Ага, и по ссылке - сайт со "схемой плавного пуска" на древнем КТ502 и релюхе. Корректор коэффициента мощности? Не, не слышали. Термистор? Не, не слышали. Резистор и релюха - наше все. Алё, 21-й век на дворе. Посмотрите хотя бы рекомендации того же Texas Instruments относительно построения таких схем.