Проект на тему: «Импульсный блок питания»

Муниципальное казенное учреждение дополнительного образования

«Дом детского творчества» г. Курчатов

Проект на тему:

«Импульсный блок питания»

                                                Выполнил: Лашин Андрей, 14 лет

                                                Руководитель: Белозерова А.А.,                                                                педагог дополнительного образования

2017 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Теоретическая часть.
2. Импульсный блок питания или линейный.  История вопроса.
3. Характеристики устройства.
4. Описание принципа работы устройства.
5. Схема электрическая принципиальная.
6. Вывод.

Литература.

Введение.

Одним из основных узлов многих радиоэлектронных устройств  является блок питания.

Главное назначение блоков питания - преобразование электрической энергии, поступающей из сети переменного тока, в энергию, пригодную для питания узлов радиоэлектронной аппаратуры. Блок питания преобразует сетевое переменное напряжение 220 В, 50 Гц (120 В, 60 Гц) в постоянные напряжения +5 и +12 В, а в некоторых системах и в +3,3 В. Как правило, для питания цифровых схем (системной платы, плат адаптеров и дисковых накопителей) используется напряжение +3,3 или +5 В, а для двигателей (дисководов и различных вентиляторов) - +12 В. Например, современный компьютер работает надежно только в том случае, если значения напряжения в этих цепях не выходят за установленные пределы.

1. Теоретическая часть.

Как правило, блок питания в некоторых устройствах  представляет собой  металлическую  коробку, в которой крепится печатная плата. Переменное сетевое напряжение подводится к блоку питания с помощью кабеля, подключаемого к разъёму его задней стенки. Блок питания вырабатывает несколько постоянных напряжений, необходимых для питания системной платы и накопителей. Важность блока питания не вызывает сомнений, однако степень влияния его параметров на стабильность и надёжность работы системы и на возможности её расширения часто недооценивают.

Даже в процессе нормальной повседневной работы на блок питания ложатся большие нагрузки. Преобразование переменного тока в постоянный сопровождается выделением значительного количества тепла, поэтому практически все блоки  например, в компьютере, снабжены охлаждающими вентиляторами. Высоковольтные выбросы напряжения и другие аномальные явления, возникающие в электрических сетях, негативно сказываются на работе блока питания и могут вообще вывести его из строя. Срок службы блока питания во многом зависит от его конструкции и качества его электронных компонентов. Хороший блок питания практически полностью компенсирует отклонения сетевого напряжения от нормы и обеспечивает стабильные уровни напряжения, подаваемого на различные устройства компьютера. Кроме того, он в состоянии выдержать значительные перегрузки, как по входу, так и по выходу. Что касается блоков питания, выпущенных малоизвестными фирмами, то они вполне могут выйти из строя всего через несколько месяцев работы. При замене или модернизации блока питания следует выбирать надёжную модель солидной фирмы.

2. Импульсный блок питания или линейный.  История вопроса.

        Наверно ни для кого не секрет, что большинство специалистов, радиолюбителей и просто технически грамотных покупателей источников питания с опаской относятся к импульсным блокам питания, отдавая предпочтение линейным. Причина проста и понятна. Репутация импульсных блоков питания серьезно подорвана еще в 80-х годах, во времена массовых отказов отечественных цветных телевизоров, низкокачественной импортной видеотехники, оснащенных первыми импульсными блоками питания.
Что мы имеем на сегодняшний день? Практически во всех современных телевизорах, видеоаппаратуре, бытовой технике, компьютерах используются импульсные блоки  питания. Все меньше и меньше сфер применения линейных (аналоговых, параметрических) источников. Линейный источник электропитания сегодня в бытовой аппаратуре практически не найдешь. А стереотип остался. И это не консерватизм, несмотря на бурный прогресс электроники, преодоление стереотипов происходит очень медленно. Необходимо объективно посмотреть на сегодняшнее положение и проанализировать  мнение специалистов. Рассмотрим «стереотипные» и присущие импульсным блокам питания недостатки: сложность, ненадежность, помехи.

3.        Характеристики устройства.

3.1. Импульсный блок питания. «Сложность».

Да, импульсные блоки питания сложные, точнее сказать сложнее аналоговых, но намного проще компьютера или телевизора. Вам не нужно разбираться в их схемотехнике, так же как и в схемотехнике цветного телевизора. Оставьте это профессионалам. Для профессионалов там нет ничего сложного.

3.2. Импульсный блок питания. «Ненадежность».

Элементная база импульсного блока питания не стоит на месте. Современная комплектация, применяемая в импульсных блоках питания, позволяет сегодня с уверенностью сказать: ненадежность – это миф. В основном надежность импульсного блока питания, как и любого другого оборудования, зависит от качества применяемой элементной базы. Чем дороже импульсный блок питания, тем дороже элементная база в нем. Высокая интеграция позволяет реализовать большое количество встроенных защит, которые порой недоступны в линейных источниках.

3.3. Импульсный блок питания. «Помехи».

В схемотехнике импульсных блоков питания заложено формирование мощных импульсов и затухающих колебаний в обмотках трансформатора. Эти коммутационные процессы предопределяют широкий спектр паразитного излучения.
Поэтому корпус и соединительные провода источника могут стать антенной для излучения радиопомех. Но если конструкция импульсного блока питания тщательно проработана, о помехах можно забыть.
Кроме этого, благодаря современным технологиям импульсные блоки питания позволяют существенно сгладить пульсации сетевого напряжения.

3.4. Импульсный блок питания. Высокий КПД.

Высокий КПД (до 98%) импульсного блока питания  связан с особенностью схемотехники. Основные потери в аналоговом источнике это сетевой трансформатор и аналоговый стабилизатор (регулятор). В импульсном блоке питания  нет ни того ни другого. Вместо сетевого трансформатора используется высокочастотный, а вместо стабилизатора — ключевой элемент. Поскольку основную часть времени ключевые элементы либо включены, либо выключены, потери энергии в импульсном блоке питания минимальны.
КПД аналогового источника может быть порядка 50 %, то есть половина его энергии (и ваших денег) уходит на нагрев окружающего воздуха, проще говоря, улетают на ветер.

3.5. Импульсный блок питания. Небольшой вес.

Импульсный блок питания имеет меньший вес за счет того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса импульсного блока питания в разы меньше аналогового.

3.6. Импульсный блок питания. Меньшая стоимость.

Спрос рождает предложение. Благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности сегодня мы имеем низкие цены силовой базы импульсных блоков питания. Чем больше выходная мощность, тем дешевле стоит источник по сравнению со стоимостью аналогичного линейного источника.
Кроме того, главные компоненты аналогового источника (медь, железо трансформатора, радиаторы из алюминия) постоянно дорожают.

3.7. Импульсный блок питания. Надежность.

Вы не ослышались, надежность. На сегодняшний момент импульсные блоки питания надежнее линейных за счет наличия в современных блоках питаниях встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания, перегрузки, скачков напряжения, переполюсовки выходных цепей. Высокий КПД обуславливает меньшие теплопотери, что в свою очередь обуславливает меньший перегрев элементной базы импульсного блока питания, что так же является показателем надежности.

3.8. Импульсный блок питания. Требования к сетевому напряжению.

Что творится в отечественных электросетях, вы наверно знаете не понаслышке. 220 Вольт в розетке скорее редкость, чем норма. А импульсные блоки  питания допускают широчайший диапазон питающего напряжения, недостижимого для линейного . Типовой нижний порог сетевого напряжения для импульсного блока питания — 90…110 В, любой аналоговый источник при таком напряжении в лучшем случае «сорвется в пульсации» или просто отключится.

4. Описание принципа работы устройства.

Рассмотрим по циклам принцип работы простого импульсного блока питания. Если ИБП имеет входное напряжение переменного тока, к примеру, в компьютере, ПК, ноутбуке, то первый этап заключается в преобразовании входящего переменного напряжения в постоянный. Блок питания со  входом, рассчитанным входное напряжение постоянного тока не требует этой стадии. В некоторых блоках питания, например компьютерных, электрическая схема выпрямителя может быть сконфигурирована, как у удвоителя напряжения путем добавления переключателя управляемого вручную или автоматически. Эта функция позволяет работать источникам питания от сети, которая обычно выдает 115 В или 230 В.

Выпрямитель сглаживает нерегулируемое переменное напряжение в постоянное, которое затем отправляется в накопительный конденсаторный фильтр. Ток, потребляемый от источника питания этой цепи (выпрямителя) трансформируется в короткие импульсы вокруг пиков напряжения переменного тока. Данные сигналы имеют значительную энергию высокой частоты, которая уменьшает коэффициент мощности импульсного трансформатора, за счет чего удается уменьшить его габариты. Для коррекции этого явления многие новые ИБП используют специальную PFC схему, чтобы заставить входной ток следовать синусоидальной форме входного напряжения переменного тока и для коррекции коэффициента мощности. Импульсные источники питания, которые используют Active PFC – встречаются в камерах видеонаблюдения, компьютерах, и т. п. поддерживающие входное напряжение от ~ 100 Вольт переменного тока до 250 В.

        Данный блок питания имеет номинальную мощность в 330W. Питание от сети AC 250V. Выходное напряжение составляет от -12 до 24V (регулируемое). Имеет дополнительные выходы 3V, 5V, 12V, 24V. Номинальный ток на выходе: 12V─10A, 5V─20A, 3V─25A, -5V─1A, -12V─1A. Оснащен цифровым вольтметром, амперметром и активной системой охлаждения. Имеет высокопрочный металлический корпус.  

Рис.1

Вывод:
        Итак, импульсный или линейный? Выбор в любом случае за вами, мы лишь хотели помочь вам объективно взглянуть на  импульсные блоки питания и сделать правильный выбор. Только не забывайте, что качественный источник – это источник, сделанный профессионально, на базе качественных комплектующих. А качество это всегда цена. Бесплатный сыр только в мышеловке. Впрочем, последняя фраза в равной мере относится  к любому источнику, и к импульсному и к аналоговому.

        Таким образом, достоинствами импульсных БП является:

• Сравнимые по выходной мощности с линейными стабилизаторами соответствующие им импульсные стабилизаторы обладают следующими основными достоинствами:
• меньшим весом за счет того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в основном из мощных тяжелых низкочастотных силовых трансформаторов и мощных радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме;
• значительно более высоким КПД (вплоть до 90-98%) за счет того, что основные потери в импульсных стабилизаторах связаны с переходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном из устойчивых состояний (т.е. либо включен, либо выключен) потери энергии минимальны;
• меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности. Кроме этого следует отметить значительно более низкую стоимость импульсных трансформаторов при сравнимой передаваемой мощности, и возможность использования менее мощных силовых элементов, поскольку режим их работы ключевой;
• сравнимой с линейными стабилизаторами надежностью. (Блоки питания вычислительной техники, оргтехники, бытовой техники почти исключительно импульсные).
• широким диапазоном питающего напряжения и частоты, недостижимым для сравнимого по цене линейного. На практике это означает возможность использования одного и того же импульсного БП для носимой цифровой электроники в разных странах мира - Россия/США/Англия, сильно отличных по напряжению и частоте в стандартных розетках.
• наличием в большинстве современных БП встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания и от отсутствия нагрузки на выходе.

Литература.

1. Головков А.В. Любицкий В. Б. Блоки питания для системных модулей типа IBM PC-XTAT «ЛАД и Н», Москва, 1995

2. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Додека-XXI, 2002

3. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование, МК-Пресс, 2007

4. Справочник по электрическим конденсаторам под редакцией И.И. Четверткова М.: Радио и связь, 1983 г.

5. Резисторы. Справочник. Под ред.И.И. Четверткова. 1991

6. Диоды. Справочник под редакцией О.П. Григорьева М.: Радио и связь, 1990 г.