Бестрансформаторный блок питания: описание, расчет, устройство и принцип действия
Бестрансформаторные блоки питания широко используются в современной радиоэлектронной аппаратуре благодаря ряду преимуществ. Во-первых, отсутствие громоздкого и дорогостоящего силового трансформатора позволяет сделать их более компактными и дешевыми. Во-вторых, применение современной элементной базы (быстродействующих диодов, МДП транзисторов, ИМС управления) обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии и улучшенные массогабаритные показатели. В-третьих, использование коррекции коэффициента мощности повышает качество потребления энергии из сети. Рассмотрим подробнее устройство и принцип работы бестрансформаторных блоков питания.
Устройство бестрансформаторного блока питания
Бестрансформаторный блок питания представляет собой электронное устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения электросети в постоянное стабилизированное напряжение, необходимое для питания различных электронных приборов и устройств. В отличие от традиционных импульсных блоков питания, в бестрансформаторных блоках питания отсутствует громоздкий и дорогой силовой трансформатор. Вместо него используются полупроводниковые ключи и интегральные схемы управления для преобразования напряжения сети.
Принцип работы бестрансформаторного блока питания
Основу бестрансформаторного блока питания составляет схема преобразователя переменного напряжения в постоянное на основе мостового выпрямителя и сглаживающего фильтра. Входное переменное напряжение ~220 В поступает на мостовой выпрямитель, состоящий из 4 диодов. Он преобразует переменное напряжение в пульсирующее выпрямленное напряжение с амплитудой 310 В. Далее это напряжение сглаживается с помощью фильтра - конденсатора большой емкости. В результате на выходе получается стабилизированное постоянное напряжение 12 В, необходимое для питания устройства.
Ключевым отличием бестрансформаторного блока питания является использование технологии коррекции коэффициента мощности PFC (Power Factor Correction). Она позволяет более эффективно использовать энергию сети и снизить потребление тока.
Расчет элементов блока питания
При проектировании бестрансформаторного блока питания необходимо произвести расчет основных компонентов:
- Мостовой выпрямитель: по максимальному выходному току и обратному напряжению;
- Входной фильтр для подавления помех;
- Сглаживающий конденсатор: по максимальному току нагрузки и пульсациям напряжения;
- Транзистор и дроссель фильтра PFC;
- Элементы схемы управления и обратной связи.
Правильный расчет параметров позволяет получить эффективный и надежный блок питания с оптимальными массогабаритными показателями.
Применение бестрансформаторных блоков питания
Благодаря простоте конструкции, высокой эффективности и небольшим размерам, бестрансформаторные блоки питания широко применяются для питания бытовой и компьютерной техники, встраиваемых систем, светодиодного освещения и другого электронного оборудования с потребляемой мощностью до 300 Вт.
блок питание 12 вольт также может быть выполнен по бестрансформаторной схеме для применения в небольших устройствах, где важны габариты и стоимость.
Популярны простой бестрансформаторный блок питания для любительских конструкций и учебных стендов. Они просты в изготовлении и позволяют хорошо изучить принцип работы схемы.
Бестрансформаторные блоки питания часто используют в импульсных источниках питания усилителей. При бестрансформаторный блок питания расчет конденсатора производится из условия обеспечения требуемой мощности усилителя и допустимых пульсаций напряжения.
В последнее время получили распространение миниатюрные бестрансформаторный блок питания на микросхеме, интегрирующие все основные компоненты преобразователя. Они удобны для питания мобильных и портативных устройств.
Таким образом, простота схемы и высокая эффективность делают бестрансформаторные блоки питания незаменимыми во многих областях электроники. Грамотный подход к их проектированию позволяет создавать надежные и компактные источники вторичного электропитания.
Требования к параметрам бестрансформаторных блоков питания
При разработке бестрансформаторного блока питания необходимо определить требования к его основным параметрам:
- Выходное напряжение и ток в соответствии с нагрузкой;
- Допустимый диапазон входного напряжения;
- Требуемая выходная мощность;
- Необходимый уровень пульсаций выходного напряжения;
- КПД преобразования;
- Температурный диапазон эксплуатации.
От правильного выбора параметров зависят функциональность, надежность и эффективность блока питания.
Выбор элементной базы бестрансформаторного блока питания
При выборе элементной базы следует учитывать:
- Диоды выпрямителя с запасом по току и обратному напряжению;
- Конденсаторы с низким ESR и высокой температурной стабильностью;
- Транзисторы и драйверы управления с быстрым временем переключения;
- ИМС PFC-контроллер и ШИМ-контроллер соответствующей мощности.
Грамотный подбор комплектующих гарантирует надежную работу блока питания в заданном диапазоне мощности.
Особенности расчета сглаживающего конденсатора
Емкость сглаживающего конденсатора определяется из допустимого уровня пульсаций выходного напряжения и тока нагрузки. Необходимо учитывать влияние ESR конденсатора на пульсации.
Рекомендуется использовать конденсаторы с минимальным ESR, например, полимерные или керамические для миниатюрных блоков питания. Несколько параллельных конденсаторов помогут снизить ESR.
Схемотехнические решения для улучшения характеристик
Для улучшения характеристик блока питания можно применить:
- Многосекционный входной фильтр для подавления помех;
- Быстродействующую схему защиты от перенапряжений;
- Дополнительный LC-фильтр после выпрямителя;
- Программируемый ИМС контроллер для гибкой настройки параметров.
Продуманные схемотехнические решения позволяют улучшить качество, надежность и эффективность бестрансформаторного блока питания.
Тепловые режимы элементов блока питания
При проектировании блока питания важно обеспечить допустимые тепловые режимы всех элементов. Необходим тщательный тепловой расчет:
- Выпрямительных диодов с учетом среднего и импульсного тока;
- Транзисторов и драйверов с учетом переключательных потерь;
- Элементов фильтров, конденсаторов с учетом ESR и токов утечки;
- Радиаторов и системы охлаждения блока питания.
Правильный тепловой расчет гарантирует надежную работу блока питания в заданном диапазоне температур.
Особенности проектирования бестрансформаторных блоков питания для светодиодных светильников
При разработке бестрансформаторных блоков питания для светодиодного освещения необходимо учитывать ряд особенностей:
- Высокий коэффициент пульсаций светового потока из-за низкого входного напряжения светодиодов;
- Большие пусковые токи при включении светильника;
- Необходимость регулирования яркости и цветовой температуры;
- Работа в широком диапазоне входных напряжений.
Для решения этих задач применяют:
- Выходной LC-фильтр для снижения пульсаций;
- Схемы ограничения пусковых токов;
- ШИМ-регулятор яркости светодиодов;
- Широкий диапазон входных напряжений блока питания.
Грамотное проектирование обеспечивает высокое качество света и надежность работы светодиодных светильников различного назначения.