4.5. Импульсные блоки питания
В настоящее время широко применяются импульсные (ключевые) источники
электропитания (например, в современных телевизорах и персональных компьютерах),
обеспечивающие стабилизацию напряжения. Эти источники характеризуются высоким
коэффициентом полезного действия, имеют малые размеры и массу. Уменьшение массы
источника обусловлено исключением из схемы силового трансформатора, работающего
на частоте 50 Гц, и введением высокочастотного трансформатора, работающего на
частоте 20 – 50 кГц.
Высокочастотный трансформатор устраняет гальваническую
связь между выходом источника питания и питающей сетью. Структурная схема
импульсного источника питания приведена на рисунке 4.27. Сетевое
напряжение выпрямляется и подается на импульсный преобразователь, который
вырабатывает прямоугольные импульсы напряжения частотой 20-50 кГц. К выходу
импульсного преобразователя подключается обмотка 1 трансформатора Т1. Импульсный
преобразователь за счет наличия обратной связи обеспечивает стабилизацию
выходного напряжения импульсного источника питания. Напряжение обратной связи
снимается с вторичных обмоток трансформатора Т1. Регулирующий транзистор в
импульсном преобразователе работает в ключевом режиме: он либо полностью открыт,
либо полностью закрыт. По этой причине потери мощности в регулирующем
транзисторе незначительны и коэффициент полезного действия импульсных источников
питания получается существенно больше по сравнению со стабилизаторами, у которых
регулирующие транзисторы работают в линейном режиме.
Обычно ставят два ключевых транзистора,
работающих поочередно. В коллекторные цепи ключевых транзисторов включается
обмотка I
трансформатора через конденсатор. Мощность, передаваемая во вторичную цепь
трансформатора Т1, определяется временем открытого состояния ключевых
транзисторов. Переменное напряжение высокой частоты с вторичных обмоток
трансформатора выпрямляется полупроводниковыми диодами VD5,
VD6. На выходе выпрямителей ставят
индуктивно-емкостные фильтры (на рис.
4.27 не показаны). Импульсные
источники питания обычно имеют защиту от перегрузок по току и
от короткого замыкания в нагрузке. Основными недостатками импульсных
источников
питания являются сложность схемы и наличие высокочастотных помех. Уменьшению высокочастотных помех, проникающих в сеть питания, способствует фильтр C1, C2, C3, L1, L2.
В ключевых стабилизаторах постоянного напряжения, структурная схема одного из
которых приведена на рисунке 4.28, в качестве накопителя энергии
используется катушка индуктивности
L
на ферритовом магнитопроводе. Ключевой транзистор
VT1
открывается прямоугольными импульсами напряжения, вырабатываемыми генератором
импульсов. За время открытого состояния транзистора ток в катушке индуктивности
нарастает. После закрытия транзистора ток через катушку индуктивности
поддерживается за счет ЭДС самоиндукции и протекает по цепи: правый вывод
катушки индуктивности, резистор нагрузки, диод
VD1,
левый вывод катушки индуктивности. За счет энергии катушки индуктивности
конденсатор С1 продолжает заряжаться и после закрытия транзистора.
На рисунке 4.29 приведена практическая
схема стабилизатора постоянного напряжения с выходным напряжением 5 В. Ключевым
транзистором является транзистор
VT3.
При подключении к источнику постоянного напряжения конденсатор С2 первоначально
разряжен и транзистор VT4
будет закрыт. Следовательно, транзистор
VT1
будет также закрыт, а транзисторы
VT2,
VT3
будут открыты. Конденсатор С2 начнет заряжаться через катушку индуктивности
L1.
При определенном напряжении на конденсаторе С2 откроются транзисторы
VT4,
VT1,
а транзисторы VT2,
VT3
закроются. После закрытия транзистора
VT3
конденсатор С2 еще некоторое время будет заряжаться за счет энергии, накопленной
катушкой индуктивности L1.
Этот ток будет протекать по цепи: правый
вывод катушки индуктивности, конденсатор С2, диод
VD1,
левый вывод катушки индуктивности. При
уменьшении напряжения на конденсаторе транзистор
VT4
закроется, и процесс будет периодически повторяться.
Частота переключения транзистора
VT3
будет зависеть от тока нагрузки. Точное значение напряжения стабилизации
подбирается резистором
R6.
На вход стабилизатора подается постоянное напряжение 8-12 В.
Для уменьшения потерь в ключевых транзисторах во время перехода их из открытого состояния в закрытое и наоборот необходимо использовать высокочастотные транзисторы. Ключевые стабилизаторы постоянного напряжения иногда используют на входе компенсационных стабилизаторов. Это позволяет получить большой коэффициент полезного действия и небольшие пульсации напряжения на выходе стабилизатора.
