Шаблон для методичек в форме брошюры

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Физический факультет
Кафедра радиофизики
Практикум по радиоэлектронике
Импульсные источники
питания
Методические указания к лабораторной работе № 13
Новосибирск
2009
Практикум по радиоэлектронике для студентов второго курса физического факультета состоит из вводной (базовой), основной и дополнительной (альтернативной) частей. Данная лабораторная работа, входящая в
альтернативную часть, посвящена изучению принципов действия двух
схем импульсных источников питания: стабилизатора напряжения понижающего типа (Chopper) и обратноходового преобразователя (Flyback).
В методическом пособии излагаются теоретические сведения, необходимые для выполнения практических заданий, приводятся справочные данные. В работе использованы специализированные микросхемы, применяемые для построения таких устройств.
В ходе выполнения работы студент должен собрать соответствующие
электронные схемы, провести оценочные расчеты, проделать заданные
измерения и наблюдения.
Составители: А. А. Гальт, Ю. Ф. Токарев
Рецензент И. А. Запрягаев
Ответственная за выпуск О. А. Тенекеджи
Издание подготовлено в рамках выполнения инновационнообразовательной программы «Инновационные образовательные программы и технологии, реализуемые на принципах партнерства классического
университета, науки, бизнеса и государства» национального проекта «Образование».
 Новосибирский государственный
университет, 2009
2
1. Введение
Подавляющее большинство источников питания по принципу действия
можно разделить на два основных вида: линейные и импульсные. В линейных источниках выходное напряжение всегда ниже входного. В состав
источника входит регулирующий элемент, обычно его роль выполняет полупроводниковый транзистор, работающий в линейном режиме. В линейном стабилизаторе через нагрузку и регулирующий элемент протекает
один и тот же ток. На этом элементе, включенном между входом и выходом источника, падает лишнее напряжение и, соответственно, рассеивается мощность. На регулирующем транзисторе всегда должно оставаться 2–3
вольта напряжения, иначе он перестает работать. Поэтому линейные источники питания характеризуются сравнительно невысоким КПД
30 ÷ 50 %. Кроме того, из-за наличия в составе таких источников трансформатора, работающего на промышленной частоте 50 Гц, они оказываются громоздкими и тяжелыми. Из-за низкой частоты сети приходится
использовать фильтрующие конденсаторы большой емкости, что также
увеличивает габариты и вес.
К достоинствам линейных источников можно отнести простоту, низкие
выходные пульсации, невысокий уровень электромагнитных помех.
В отличие от линейных источников, в импульсных источниках питания
регулирующие элементы – транзисторы работают в ключевом режиме.
Поэтому их еще называют ключами или ключевыми элементами. Они всегда (за исключением переходных процессов) находятся в двух состояниях:
ключ либо замкнут, либо разомкнут. То есть, либо напряжение на ключе
минимально в замкнутом состоянии, либо ток через него близок к нулю в
разомкнутом состоянии. Таким образом, потери мощности в регулирующих элементах оказываются минимальными. Поэтому импульсные источники питания в отличие от линейных характеризуются высоким коэффициентом полезного действия до 70 ÷ 95 %. Кроме того, частота
переключения транзисторов может достигать сотен килогерц, что позволяет значительно снизить габариты и вес трансформатора и фильтрующих
конденсаторов, а соответственно и самого источника.
Импульсные источники питания обладают и известными недостатками;
эти источники более сложны, чем линейные, а также излучают в окружающее пространство высокочастотные электромагнитные помехи. Помехи
затрудняют работу прецизионного электронного оборудования и мешают
приему радио- и телепередач. Для борьбы с ними требуется принятие дополнительных мер.
Несмотря на перечисленные недостатки, благодаря своей экономичности и компактности, импульсные источники питания за последнее время в
значительной степени вытеснили линейные.
3
2. Импульсный стабилизатор напряжения понижающего типа
На рис. 1 изображена базовая схема импульсного стабилизатора
напряжения понижающего типа.
С.У.
ключ
VВХ
VУПР
L1
C1
VD1
VВЫХ
RН
Рис. 1. Схема импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа
На вход схемы подается постоянное нестабилизированное напряжение VВХ. Стабилизатор понижающего типа состоит из следующих основных элементов: силового ключа КЛЮЧ, в роли которого обычно выступает биполярный или полевой транзистор; низкочастотного индуктивноемкостного L1–C1 фильтра; разрядного диода VD1; схемы управления
С.У., которая осуществляет стабилизацию выходного напряжения. Рассмотрим принцип действия данной схемы. Период работы можно разбить
на 2 этапа, как показано на рис. 2.
Этап 1 длится на протяжении отрезка времени t1 и характеризуется замкнутым состоянием ключевого элемента. На верхнем графике рис. 2 показан сигнал управления ключом: есть импульс управления – ключ замкнут. Входное напряжение VВХ прикладывается к выводу индуктивности
L1, диод VD1 заперт. Входной ток течет от источника к нагрузке через индуктивность L1. На этом этапе изменение тока в дросселе можно представить так: dIL1 / dt = (VВХ – VВЫХ) / L1. Ток будет нарастать, так как
VВХ > VВЫХ (рис. 2). При этом в дросселе увеличивается запас энергии,
накапливаемой в виде магнитного поля.
Этап 2 наступает, когда ключ размыкается и занимает промежуток
времени t2. Так как ток через индуктивность не может измениться мгновенно, он продолжает течь в нагрузку, замыкаясь через разрядный диод
VD1. Изменение тока в дросселе можно вычислить по следующей формуле: dIL1 / dt = (–VВЫХ) / L1, т. е. ток будет падать (рис. 2).
4
VУПР
t1
t
t2
T
VVD1
VВХ
VН
t
IL1
t
Рис. 2. Временные диаграммы напряжений и токов понижающего стабилизатора
Таким образом, на этапе 2 энергия магнитного поля, запасенная в дросселе, будет передаваться в нагрузку.
Частота работы стабилизатора определяется суммарным временем этапов: f=
1
1
. Величина, равная отношению времени открытого со=
T t1 + t2
стояния ключа к периоду переключения называется коэффициентом заполнения (duty cycle): γ =
t1
= t1 ⋅ f .
T
Установим зависимость между коэффициентом заполнения γ и выходным напряжением стабилизатора. Процесс будем считать установившимся, номиналы емкостей и индуктивностей достаточно большими, величины
VВХ и VВЫХ – постоянными. Тогда VВЫХ = VВХ ⋅ (t1 /T) или VВЫХ = VВХ ⋅ γ.
Это следует из того, что в установившемся режиме среднее напряжение на
индуктивности должно быть равно нулю. Поэтому средние напряжения,
прикладываемые к правому и к левому выводам индуктивности, должны
быть равны между собой.
При построении стабилизаторов выбор величин индуктивности и емкости определяется компромиссом между габаритами и стоимостью этих
5
компонентов с одной стороны и допустимой величиной пульсаций в выходном напряжении стабилизатора с другой.
Изменяя коэффициент заполнения можно регулировать выходное
напряжение практически от 0 до VВХ. Понижающий стабилизатор позволяет получить выходное напряжение, которое всегда меньше входного.
Это свойство и отражено в названии.
Из импульсного понижающего стабилизатора, переставив его элементы, можно сделать повышающий стабилизатор, чего в линейном стабилизаторе нельзя сделать в принципе.
3. Обратноходовой преобразователь
Источники питания предназначены для выработки напряжения требуемой величины. Вместе с этим в соответствии с требованиями по электробезопасности они должны обеспечивать изоляцию между питающей сетью
и нагрузкой. Такая изоляция необходима, чтобы исключить поражение
человека электрическим током. Это также позволяет произвольным образом заземлять нагрузку.
Предлагаемая ниже схема обратноходового преобразователя удовлетворяет этим требованиям, поэтому она получила широкое распространение при построении маломощных источников питания, в частности по подобным схемам выполняются источники питания телевизоров и
персональных компьютеров.
На рис. 3 показана упрощенная схема обратноходового преобразователя.
A
C
VD1
C1
VВХ
B
ключ
VВЫХ
RН
D
VУПР
С.У.
Рис. 3. Схема обратноходового преобразователя
На вход схемы подается нестабилизированное постоянное напряжение VВХ. Ключ замыкается и размыкается с определенной фиксированной
частотой, на которой работает преобразователь. Меняется только коэффициент заполнения duty cycle. Рассмотрим процессы, происходящие в тече6
ние одного периода работы преобразователя. Работу схемы можно разбить
на 2 этапа. Кривые токов и напряжений представлены на рис. 4.
VУПР
t1
VDS
t2
t
T
VВХ
VН
t
I1
t
I2
t
Рис. 4. Временные диаграммы напряжений и токов
обратноходового преобразователя
На первом этапе (интервал времени t1) ключ замкнут. К первичной обмотке трансформатора приложено напряжение VAB = VВХ. Через эту обмотку начинает протекать ток I1, он линейно возрастает. На первичной
обмотке возникает ЭДС самоиндукции. Ток I1 в первичной обмотке создает магнитный поток в сердечнике трансформатора, который возрастает
вместе с ростом I1. По закону электромагнитной индукции на вторичной
обмотке возникает напряжение VCD. Фазировка обмоток трансформатора
выбрана так, чтобы напряжение VCD имело отрицательный знак, то есть
потенциал точки «C» был ниже потенциала точки «D» (начала обмоток на
схеме обозначены точками). Диод VD1 оказывается смещенным в обратном направлении и не пропускает через себя ток. Весь ток от источника
протекает через индуктивность первичной обмотки трансформатора и равен I1. Трансформатор в данном случае выступает в роли индуктивности, в
которой накапливается энергия в виде магнитного поля. Форма тока I1 по7
казана на рис. 4. На этом этапе напряжение на нагрузке RН поддерживается конденсатором C1.
В начале этапа 2 ключ размыкается. Ток первичной обмотки и создаваемый им магнитный поток в сердечнике трансформатора начинают
уменьшаться и в результате ЭДС самоиндукции на первичной обмотке
меняет полярность на противоположную. Так как магнитный поток в сердечнике начинает уменьшается, то по закону электромагнитной индукции
напряжение на вторичной обмотке VCD также меняет знак на противоположный. Диод VD1 отпирается. Через вторичную обмотку трансформатора
и диод VD1 начинает протекать ток I2, часть которого течет в нагрузку, а
другая часть подзаряжает конденсатор C1. Таким образом, доля энергии,
накопленной в трансформаторе, передается в нагрузку и выходной конденсатор, подзаряжая его. Ток I2 будет протекать до тех пор, пока трансформатор не отдаст всю накопленную в нем энергию. Далее процессы
прекращаются в ожидании начала следующего периода работы преобразователя.
Такое разделение по времени процесса накопления энергии и ее расходования делает обратноходовые преобразователи хорошо защищенными
от замыкания в цепи нагрузки. Больше, чем запаслось на первом этапе,
энергии в нагрузку не отдашь.
Можно вывести зависимость между коэффициентом заполнения и выходным напряжением преобразователя (эту зависимость студенты могут
вывести самостоятельно):
VВЫХ = VВХ ⋅ γ ⋅
RН
,
2⋅ L⋅ f
γ – коэффициент заполнения, RН – сопротивление нагрузки,
VВХ − входное напряжение, VВЫХ – выходное напряжение, L – индуктивность первичной обмотки трансформатора, f – частота работы преобразо-
где
вателя.
В качестве ключевого элемента в таких преобразователях обычно используются полевые МОП-транзисторы, зарубежное название MOSFET
(metal-oxide-silicon field-effect transistor). Современные технологии позволяют изготавливать такие транзисторы на напряжение несколько сотен
вольт с достаточно малым сопротивлением канала в открытом состоянии.
Регулирование выходного напряжения осуществляется схемой управления C.У. Роль схемы управления выполняет ШИМ-контроллер, который
задает длительность импульсов управления ключевым транзистором t1
(см. рис. 4) в зависимости от отклонения выходного напряжения источника от заданной величины. При этом частота следования импульсов управ8
ления остается величиной постоянной. Такой способ управления называется ШИМ, т. е. широтно-импульсная модуляция.
4. Источник питания на основе обратноходового преобразователя
Рассмотрим схему обратноходовой преобразователя, построенного на
основе продукта компании «Power Integrations». Эта компания пошла по
пути упрощения схемотехники и разработала уникальную технологию,
совместив в одной микросхеме МОП-транзистор и ШИМ-контроллер
(ШИМ-модулятор) для управления транзистором. Данная технология позволила создать серию микросхем «TOPSwitch», которые содержат в себе
силовой МОП-транзистор, драйвер, ШИМ-контроллер, задающий генератор, источник опорного напряжения, усилитель сигнала ошибки, схемы
защиты от перегрузки и перегрева, схемы перезапуска и другие узлы,
обеспечивающие эффективную работу источника питания. По сравнению
со схемами на дискретных элементах, применение «TOPSwitch» микросхем позволяет уменьшить размеры источника питания и его вес, а также
снизить стоимость разработки и изготовления источников.
В данной работе используется микросхема
«TOP204», которая имеет всего три вывода и
TO-220
выполнена в корпусе TO-220 (рис. 5).
Выводы микросхемы:
TOP
DRAIN – вывод стока силового транзисто204YAI
ра. От этого вывода также обеспечивается
внутреннее питание микросхемы. Ток этого
вывода контролируется с целью обеспечения
защиты всей схемы от перегрузок.
CS D
CONTROL – вход усилителя сигнала
ошибки ШИМ-модулятора. Этот вход также Рис. 5. Микросхема TOP-204
является входом триггера защиты и используется для подключения внешнего конденсатора.
SOURCE – вывод истока силового транзистора. Общий вывод схемы
управления и источника опорного напряжения.
На рис. 6 изображена принципиальная схема источника питания, построенного с использованием микросхемы «TOP204».
На вход источника подается переменное напряжение питающей сети.
Питающее напряжение в такие схемы обычно поступает через фильтр низких частот F1. В цепь питания включен резистор R1. Это специальный
терморезистор, который увеличивает свое сопротивление при увеличении
тока, протекающего через него. Он предназначен для ограничения импульсного тока зарядки конденсатора C1 в начальные момент времени после
подключения источника к сети. Выпрямительный мост VD1 и фильтрующий конденсатор С1 преобразует переменное напряжение сети
9
в постоянное напряжение, которое подается на вход схемы обратноходового преобразователя.
Трансформатор T1 обеспечивает гальваническую развязку (изоляцию)
между входными и выходными цепями схемы. Работа обратноходового
преобразователя была рассмотрена в предыдущем разделе, поэтому рассмотрим только особенности работы данной схемы. Трансформатор кроме
первичной W1 и вторичной обмотки W2, имеет дополнительную обмотку
W3, которая вырабатывает сигнал обратной связи по напряжению для использования в усилителе сигнала ошибки контроллера, находящегося в
микросхеме «TOP204».
VD4
MBR360
T1
W1
W2
C3
VВЫХ
470u 15В
VD2
1N4764
F1
~220В
R1
RН
15E
VD3
UF4007
VD1
VD5
1N4148
C1
47u
W3
U1
TOP204
DRAIN
SOURCE
CONTROL
C2
47u
R2
10E
Рис. 6. Источник питания, построенный по схеме обратноходового
преобразователя на основе микросхемы TOP204
В начальный интервал времени работы источника его выходное напряжение (напряжение на емкости C3) и напряжение на C2 нарастают. Так как
эти конденсаторы заряжаются от обмоток, намотанных на одном сердечнике, напряжения на конденсаторах будут пропорциональны числу витков
соответствующих обмоток. И изменяться эти напряжения будут одновременно. По мере нарастания напряжения на конденсаторе C2 выше характерного для микросхемы «TOP204» уровня 4,7 В, во вход «CONTROL»
микросхемы начнет втекать ток. Этот ток с некоторого момента начнет
вызывать уменьшение интервала времени t1, в течение которого ключ в
микросхеме U1 открыт. Это вызовет уменьшение запасаемой в трансформаторе энергии, что соответственно приведет к уменьшению мощности,
10
передаваемой в нагрузку и замедлению роста выходного напряжения источника. В какой-то момент рост напряжения остановится и наступит равновесие. Источник питания перейдет в основной режим работы.
Таким образом, дополнительная обмотка трансформатора обеспечивает
подачу сигнала обратной связи на вход «CONTROL» микросхемы. Кроме
обмотки W3 цепь обратной связи составляют: диод VD5 и фильтрующая
цепочка R2–C2.
5. Практические задания
Оборудование.
Осциллограф, мультиметр, лабораторный источник питания.
Материалы и комплектующие.
Резисторы: МЛТ-0,125 10Е; ПЭВ-25 15Е – 2шт.; ПЭВ-25 30Е.
Конденсаторы: 47мкф 100 В – 2шт.; 220мкф 100В – 2шт.; 470мкф 100В.
Индуктивности: 100мкГн, 1А.
Диоды: 1N4148; UF4007; MBR360 – 2шт.
Стабилитроны: 1N4764.
Микросхемы: LM2576; TOP204.
1. Соберите схему стабилизатора напряжения понижающего типа, показанную на рис. 7.
U1
LM2576
Feedback
1
In
VВХ
7-40В
C1
220u
GND
3
Out
On/Off
5
4
2
L1
100uH
VD1
MBR360
C2
220u
VВЫХ
5В
RН
15E
Рис. 7. Стабилизатор понижающего типа на основе микросхемы LM2576
1.1. На вывод 4 (Feedback) микросхемы «LM2576», который предназначен для обратной связи, подайте сигнал с нагрузки. Обратите внимание,
где находится «земля» схемы, чтобы правильно подключить источник!
Подайте на вход схемы постоянное напряжение 15 В от лабораторного
источника питания. С помощью осциллографа посмотрите зависимость
11
напряжения от времени на выводе 2 (Out) микросхемы. Зарисуйте увиденный ШИМ-сигнал, указав его период и коэффициент заполнения.
1.2. С помощью осциллографа наблюдайте напряжение на нагрузке.
Оцените амплитуду пульсаций выходного напряжения на частоте ~50 кГц
и зарисуйте их.
1.3. Увеличьте сопротивление нагрузки с 15 до 30 Ом. С помощью осциллографа наблюдайте напряжение на нагрузке. Объясните полученный
результат.
1.4. Увеличьте входное напряжение до 25 В. Посмотрите, как изменится ШИМ-сигнал на выводе 2 (Out) микросхемы и выходное напряжение.
Для наглядности зарисуйте показания на том же графике, что и в п. 1.1.
Объясните результат.
2. Соберите схему обратноходового преобразователя напряжения,
представленную на рис. 8.
VD4
MBR360
T1
W1
W2
C3
470u
VD1
1N4764
VВЫХ
15В
RН
15E
VD2
UF4007
VВХ
40В
C1
47u
W3
VD5
1N4148
U1
TOP204
DRAIN
SOURCE
CONTROL
C2
47u
R1
10E
Рис. 8. Обратноходовой преобразователь на основе микросхемы TOP204
Эта схема отличается от реальной, представленной на рис. 6, тем, что
она питается от пониженного постоянного напряжения 40 В. Это сделано,
чтобы не подвергать студентов опасности поражения электрическим током. Дополнительно, это упрощает задачу студента: предложенная схема
не содержит выпрямителя и фильтра.
12
Обратите внимание, где находится «земля» схемы, чтобы правильно
подключить источник! Подайте на вход схемы постоянное напряжение
40 В от лабораторного источника питания.
2.1. Зарисуйте графики напряжений на выводах «DRAIN» и
«CONTROL» микросхемы. Опишите кривую напряжения на выводе
«DRAIN». Определите частоту работы преобразователя. Оцените коэффициент заполнения для данного режима работы.
2.2. Увеличьте сопротивление нагрузки с 15 до 30 Ом. Оцените коэффициент заполнения в этом случае. Попытайтесь объяснить полученный
результат.
Литература
1. Семенов Б. Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов –
Москва, 2001, 327 с.
2. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников
питания и их применение / под. ред. А. В. Перебенского, М.: ДОДЭКА,
1997, 224 с.
3. Браун М. Источники питания. Расчет и проектирование.: Пер. с англ. –
Киев: МК-ПРЕСС, 2007, 288 с.
4. Кузин Г. И. Источники питания. Методические указания к лабораторной
работе № 6 практикума по радиоэлектронике – Новосибирск, 1997, 12 с.
5. Datasheet: http://www.powerint.com/PDFFiles/top200-204214.pdf.
6. Продукция фирмы Power Integrations: http://www.gaw.ru/html.cgi/doc/
power_integr/index.htm.
7. Особенности
применения
микросхем
TOPSwitch:
http://www.
compitech.ru/html.cgi/arhiv/00_05/stat_28.htm.
Оглавление
1. Введение ...................................................................................................3
2. Импульсный стабилизатор напряжения понижающего типа. ................4
3. Обратноходовой преобразователь ...........................................................6
4. Источник питания на основе обратноходового преобразователя ..........9
5. Практические задания ............................................................................11
Литература ..................................................................................................13
13
Учебное издание
Гальт Артур Альбертович, Токарев Юрий Федорович
Практикум по радиоэлектронике
Импульсные источники питания
Методические указания к лабораторной работе № 13
Учебное пособие
Редактор Е. В. Дубовцева
Подписано в печать 24.11.2009
Формат 60×84 1/16. Офсетная печать.
Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 60 экз.
Заказ №
Редакционно-издательский центр НГУ
630090, Новосибирск-90, ул. Пирогова, 2.
14