Импульсные блоки питания. Виды и работа. Особенности и применение

Из всего многообразия существующих источников электроэнергии, рассчитанных на получение на выходе постоянного напряжения, особо выделяются импульсные блоки питания (ИБП). Эти изделия пришли на смену уже устаревшим морально трансформаторным аналогам и широко используются практически во всех областях современной жизни.

Они устанавливаются в бытовых и профессиональных компьютерах, работают в качестве сервоприводов, а также применяются для питания декоративных элементов интерьера на основе светодиодных лент. В общем случае эти изделия инсталлируются в большинство современных систем, нуждающихся в источнике постоянного тока и т.п.

Структурная схема

В отличие от распространенных в прошлом веке трансформаторных источников питания, работающих как линейные преобразователи входного напряжения, импульсные блоки питания используют совершенно другой принцип. Особенности функционирования этих приборов проще понять, если воспользоваться структурной схемой устройства.

Impulsnye bloki pitaniia strukturnaia skhema

Выделим следующие важнейшие узлы, ответственные за формирование качественного выходного напряжения фиксированной величины:

Входной выпрямитель с сетевым фильтром.
Электронный инвертор.
Импульсный трансформатор.
Выходное выпрямительное устройство.
Управляющий модуль.

Перечисленные составляющие ИБП выполняют функции, определяемые алгоритмом работы всего устройства в целом.

Сетевой выпрямитель

На входе выпрямительного устройства имеется сетевой фильтр, необходимый для отсеивания мешающих работе прибора гармоник (очистка от помех). Благодаря ему на входные клеммы выпрямителя поступает напряжение, в спектре которого присутствует только одна частота – 50 Герц (идеальная синусоида).

В выпрямительном устройстве со сглаживающим фильтром синусоида 220 Вольт 50 Гц обрабатывается таким образом, чтобы из нее получился постоянный потенциал определенного уровня. Он поступает на следующий функциональный модуль, называемый инвертором.

Инвертор

Инверторное устройство, представляющее собой быстродействующий электронный коммутатор, обеспечивает получение на выходе импульсного сигнала прямоугольной формы. Особенность работы этого узла состоит в том, что в нем формируется переменное напряжение высокой частоты, выбираемой из диапазона 1-100 кГц.

При этом теоретически доказано, что с повышением частоты преобразования эффективность работы инвертора возрастает. Этот узел – самая ответственная часть импульсного источника питания, составляющая его основу.

Импульсный трансформатор

С электронного инвертора обрабатываемый сигнал поступает на импульсный высокочастотный трансформатор. Этот модуль выполняет те же функции, что и обычный линейный преобразователь. Но в данном случае он трансформирует импульсный высоковольтный сигнал до вида, удобного к последующей обработке. На его выходе получаются импульсы с меньшей амплитудой, но с большей величиной токовой составляющей.

Добиться этого удается за счет правила, действующего в электротехнике для всех трансформаторов. Оно звучит так: произведение тока на напряжение на входе и выходе устройства практически одинаковы (за исключением небольших потерь на нагрев отдельных деталей).

Выходной выпрямитель

Выпрямительное устройство на выходе импульсного трансформатора – узел, аналогичный уже рассмотренным ранее модулям подобного типа. Его основное назначение состоит в приведении импульсного сигнала, поступившего с трансформатора, к рабочему виду постоянного питающего напряжения. Включенный на выходе фильтрующий элемент «очищает» его от посторонних гармоник, то есть повышает качество получившегося питания.

Управляющий узел

Помимо преобразующих модулей и узлов, импульсные блоки питания содержат в своем составе элемент контроля за их работой. Блок управления ИБП координирует функционирование основных узлов, включая инвертор. Последний меняет режим своей работы в зависимости от качества выходного сигнала, подстраиваясь под заранее заданные настройки прибора.

Преимущества и недостатки

Импульсные блоки питания непосредственно связаны с самим фактом их прихода на смену устаревшим трансформаторным аналогам. Последние отличаются целым рядом существенных недостатков, включая низкий КПД, значительный вес и большие габариты.

К достоинствам ИБП традиционно относят:

Низкий уровень энергетических потерь (высокий КПД).
Сравнительно малый вес.
Небольшие габариты.
Возможность инсталляции в электронные системы, нуждающиеся в сторонних источниках электроэнергии.

Импульсные блоки питания отличаются аккуратным и привлекательным внешним видом, отдаленно напоминающим модный сегодня стиль «Hi Teac». Так оформлены ИБП, применяемые для работы со светодиодными лентами и другими линейными осветительными системами. Большинство преимуществ достигается за счет использования сложной электронной схемы преобразующего устройства, в котором вероятность поломки отдельных узлов резко возрастает. Это и определяет те недостатки, которые присущи всем ИБП.

Помимо сложности основных функциональных узлов, импульсные блоки питания имеют один специфический минус. Он проявляется в наличии на выходе импульсных помех, избавиться от которых не помогают даже специальные фильтры. Кроме того, в некоторых моделях попадаются трансформаторы, издающие неприятный писк на частотах порядка 1-5 кГц.

Устройство и принцип работы импульсного трансформатора

Impulsnye bloki pitaniia 2

Действие импульсного трансформатора (ИТ) основано на применении двух смежных катушек с обмотками, связанными между собой общим магнитопроводом. Количество витков в каждой из них определяет передаточный коэффициент данного трансформаторного изделия. Для понимания принципа работы ИТ достаточно ознакомиться с последовательностью происходящих в нем электрических преобразований.

Это может быть представлено следующим образом:

На первичную или входную обмотку трансформатора поступают разнополярные импульсы обрабатываемого сигнала прямоугольной формы и определенной амплитуды.
Во вторичной обмотке они трансформируются в такие же по форме импульсы значительно меньшего размаха.
Выходной сигнал за счет потери в амплитуде передается в нагрузку с большей по величине мощностью.

Особенность работы ИТ состоит в том, что поступающие на первичную обмотку однополярные импульсы содержат постоянную токовую составляющую. В этом случае говорят, что его магнитопровод работает в режиме постоянного подмагничивания. Это позволяет перевести магнитную систему в линейную часть передаточной характеристики и резко снизить величину искажений выходного сигнала.

Нежелательные потери энергии

Явление непроизводительного расхода энергии характерно не только для устаревших блоков питания трансформаторного типа. Оно встречается и в импульсных схемных решениях, где для его устранения принимаются особые предупредительные меры.

Потери в этом случае складываются из следующих составляющих:

Гистерезис в магнитопроводах.
Эффект магнитной вязкости.
Плохое состояние изоляции.
Высокий уровень вихревых токов.

Для снижения непроизводительных потерь при расчете трансформатора стараются учесть каждую из перечисленных составляющих и свести ее к минимуму.

Кроме того, при изготовлении магнитопровода предпочтение отдается высоколегированным маркам стали, что позволяет снизить потери и скорректировать форму петли гистерезиса до близкой к прямоугольной. За счет этого удается получить высокие показатели индукции.

Для избавления от вихревых токов их стараются искусственно «разбить» на небольшие порции, что достигается за счет конструктивных ухищрений. А для снижения показателя вязкости выбирают материалы с возможно малой магнитной проницаемостью. Для поддержания параметров выходного напряжения в заданном техническими условиями диапазоне используется обратная связь, реализуемая посредством модуля управления на специальном контроллере.

Порядок выбора ИБП

Чтобы приобрести качественный блок питания импульсного типа – покупателю потребуется ознакомиться с основными правилами его выбора. Последние предусматривают учет следующих важных моментов, касающихся конструкции, внешнего вида и характеристик изделия:

Импульсные блоки питания должны выполнять функции, которые заложены в основу их схемного решения.
В них обязательно наличие опции фильтрации входного (сетевого) напряжения.
Изделия при работе не должны издавать неприятного свистящего звука, напоминающего писк комара.
Они должны легко инсталлироваться в устройства, для питания которого предназначены.

Impulsnye bloki pitaniia ustroistvo

При покупке ИБП необходимо обратить внимание на наличие на его корпусе фирменной этикетки. На ней обязательно приводятся основные технические параметры данного образца с указанием предельных отклонений от нормируемых значений.