Виды и особенности импульсных источников электропитания

Импульсные, или ключевые, источники электропитания в настоящее время получили распространение не меньшее, чем линейные стабилизаторы напряжения. Их основными достоинствами являются: высокий коэффициент полезного действия, малые габариты и масса, высокая удельная мощность. Все перечисленные свойства эти источники питания получили благодаря применению ключевого режима при работе силовых элементов. В ключевом режиме рабочая точка транзистора большую часть времени находится в области насыщения или области отсечки, а зону активного (линейного) режима проходит с высокой скоростью за очень малое время переключения. При этом в области насыщения напряжение на транзисторе близко к нулю, а в режиме отсечки в транзисторе отсутствует ток, благодаря чему потери в транзисторе оказываются достаточно малыми. Все это приводит к тому, что средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в ключевом транзисторе, оказывается намного меньше, чем в линейном транзисторе. Малые потери в силовых ключах приводят к уменьшению или полному исключению охлаждающих радиаторов.

Улучшение массогабаритных характеристик такого источника питания обусловлено, прежде всего, тем, что из схемы исключается силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц. Вместо него в схему вводится высокочастотный трансформатор или дроссель, габариты и масса, которых намного меньше, чем у низкочастотного силового трансформатора.

К недостаткам импульсных источников электропитания обычно относят: сложность схемы, наличие высокочастотных шумов и помех, увеличенные пульсации выходного напряжения, большое время выхода на рабочий режим.

Сравнение этих характеристик показывает, что КПД у импульсных источников электропитания увеличивается по сравнению с линейными в отношении 2:1, а удельная мощность возрастает в отношении 4:1. Импульсные источники питания имеют большое время удержания выходного напряжения при внезапном отключении питания. Это обусловлено тем, что в сетевом выпрямителе используются конденсаторы большой емкости и с высоким рабочим напряжением (до 400 В). При этом размеры конденсатора растут пропорционально произведению CU, а энергия конденсатора пропорционально произведению CU . Этой энергии конденсатора сетевого выпрямителя достаточно для поддержания в рабочем состоянии источника питания в течение 30 миллисекунд, что очень важно для сохранения информации в компьютерах при внезапном отключении питания.

Импульсные стабилизаторы напряжения

Понижающий импульсный стабилизатор напряжения.

Схема понижающего импульсного стабилизатора напряжения имеет вид:

Рис. 1

В этой схеме используется накопительная индуктивность (дроссель) L, включенная последовательно с нагрузкой R. Для сглаживания пульсаций в нагрузке параллельно ей включен конденсатор С. При размыкании ключа ток индуктивности протекает через диод VD. Включение диода в схему обеспечивает непрерывность тока в индуктивности и исключает появление опасных выбросов напряжения на транзисторном ключе в момент коммутации.

Временные диаграммы, поясняющие работу понижающего импульсного стабилизатора напряжения, имеют вид:

Рис. 2

В такой схеме напряжение на нагрузке всегда меньше, чем напряжение источника питания Е.

Повышающий импульсный стабилизатор напряжения

В схеме повышающего импульсного стабилизатора дроссель включается последовательно с источником питания Е, а диод VD последовательно с нагрузкой. При этом конденсатор будет заряжаться до напряжения U>E, то есть напряжение на нагрузке всегда больше, чем напряжение источника питания Е..

Инвертирующий импульсный стабилизатор напряжения.

Возможно и параллельное включение дросселя с нагрузкой:

Рис. 3

При замкнутом ключе дроссель заряжается от источника Е. Полярность напряжения на дросселе при этом задается источником Е и она такова, что диод оказывается закрытым. Конденсатор, накопивший некоторый заряд в предыдущие периоды коммутации ключа, разряжается на нагрузку, поддерживая в ней ток I .

Размыкание ключа приводит к разрыву цепи зарядного тока и на дросселе наводится эдс самоиндукции с полярностью, противоположной той, которая существовала на нем ранее. Нарастание этой эдс происходит до тех пор, пока не откроется диод, подключающий параллельно дросселю конденсатор и нагрузку (разрядную цепь). Разряжаясь, дроссель подзаряжает конденсатор, восстанавливая уменьшившийся за предыдущую часть периода его заряд. Часть разрядного тока дросселя протекает через нагрузку, поддерживая в ней близкий к постоянному ток I .

В современных схемах импульсных стабилизаторов в качестве ключа широко применяют транзисторы и тиристоры. Замыканию ключа соответствует полное отпирание транзистора, приводящее к открыванию и коллекторного и эмиттерного переходов. Размыканию ключа соответствует полному отключению транзистора и запиранию обоих p-n-переходов.

Временные диаграммы, поясняющие работу, схемы имеют вид:

Рис. 4

В этой схеме полярность напряжения на нагрузке имеет полярность противоположную полярности источника питания Е.