Исследование основных свойств и характеристик высокоэффективных импульсных блоков питания

 

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное  образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Ульяновский государственный  педагогический университет 

имени И.Н. Ульянова»

 

Кафедра физики

 

 

Студента 4 курса

дневного отделения

физико-математического  факультета

группы ФИ-08

 

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ  ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ И ХАРАКТЕРИСТИК  ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ

 

Курсовая работа

 

 

                                                                     Научный руководитель:

                                                                     кандидат технических наук,

доцент 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ульяновск , 2012

 

 

блок питание  импульсныйСодержание

Введение ……………………………………………………………………...3-5

Теоретическая часть

1. Проблемы развития источников вторичного электропитания ……...5-20
2. Основные технические характеристики …………………………….20-26
3. Конструкция блока питания персонального компьютера ………….26-28
4. Структурная схема импульсного блока питания …………………...28-34
5. Широтно-импульсный преобразователь ……………………………34-59
6. Импульсный усилитель мощности ………………………………….59-75
7. Вторичные цепи источника питания ………………………………...75-84
8. Физические основы работы диодов Шоттки ………………………..84-94

Практическая  часть

     1.Объекты и методы исследования …………………………………….94

     2. Основные сведения из теории ………………………………………...94-95

     3. Расчетная часть ……………………………………………………….96-100

Заключение ……………………………………………………………….100-105

Литература 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В настоящее время импульсные источники вторичного электропитания (ИВЭ) получили широкое распространение. Они занимают практически 90% мирового рынка всех изготавливаемых ИВЭ. Преобладающее влияние в этом направлении оказали и продолжают оказывать потребности бурно развивающихся отраслей: телекоммуникаций, компьютерной техники и компьютерных технологий, силовой электроники, автоматизированных сис-

тем управления технологическими процессами (АСУТП), разного промышленного оборудования и аппаратуры военного назначения. Постоянно улучшаются различные  показатели назначения импульсных ИВЭ: растут выходная мощность, коэффициент полезного действия (КПД), надежность, улучшаются и масса-габаритные показатели, электромагнитная совместимость.

Блок питания является одним из самых ненадежных устройств  компьютерной системы. Это жизненно важный компонент персонального компьютера, поскольку без электропитания не сможет работать ни одна компьютерная система. Поэтому для организации четкой и стабильной работы системы необходимо хорошо разбираться в функциях блока питания, иметь представление об ограничениях его возможностей и их причинах, а также о потенциальных проблемах, которые могут возникнуть в ходе эксплуатации, и способах их разрешения.

Главное назначение блоков питания — преобразование электрической  энергии, поступающей из сети переменного тока, в энергию, пригодную для питания узлов компьютера. Блок питания преобразует сетевое переменное напряжение 220 В. 50 Гц (120 В. 60 Гц) в постоянные напряжения -3.3.-5 и +12 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. Компьютер работает надежно только в том случае, если значения напряжения в этих цепях не выходят за установленные пределы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проблемы развития источников вторичного электропитания

 В этой главе приведены результаты исследования влияния параметров силовых элементов на габаритно-массовые и энергетические характеристики источников питания, показана необходимость совершенствования разработки и технологии мощных полупроводниковых приборов, оптимизации электромагнитных нагрузок и частоты преобразования в источниках вторичного электропитания (ИВЭ).

В 2003 г. исполняется 50 лет  существования отечественной транзисторной электроники. Главным результатом работ, выполненных за эти десятилетия, следует считать превращение транзистора из экзотического "заменителя электронной лампы" в массовое и универсальное техническое средство, обеспечившее дальнейшее развитие радиотехники, создание современной вычислительной техники и рождение новой преобразовательной техники.

Для энергетического  преобразовательного направления  создание транзистора означало появление  возможности применения электронных  методов преобразования электрической энергии вместо ранее применявшихся электромеханических методов, что обеспечивало полную бесконтактность устройств и многократное уменьшение их массы и объема.

Примерно 15 лет потребовалось  для создания основ теории и методов  проектирования различных классов транзисторных устройств, как правило, не имевших ранее аналогов в науке и технике. В 1969-70 гг. начался процесс миниатюризации преобразовательных устройств на основе применения бескорпусных кремниевых приборов, гибридно-пленочных технологий и оптимизации электрических процессов. Вскоре возможности использования транзисторов расширились от напряжений в десятки вольт до сотен вольт.

Накопление и обобщение  научных и практических результатов  позволило в 1977 г. создать первую в нашей стране систему постоянно повышенного (270 В) напряжения, в которой все энергетические процессы для электропитания электронных устройств, для управления электродвигателями, для бесконтактной коммутации и защиты выполнялись только транзисторными устройствами.

В эти же годы в связи  с промышленными, оборонными и бытовыми потребностями началось быстрое  увеличение количества находящихся  в эксплуатации преобразовательных устройств, превысившее в настоящее  время 100 млн.

Продолжается развитие теории транзисторных устройств самого различного назначения. Продолжается процесс их миниатюризации, ставший одновременно важной составляющей ресурсосбережения в масштабах страны. Системность применения транзисторных энергетических устройств постепенно развивается. Массовость их использования уже достигнута и продолжается увеличиваться.

энергетический  полупроводник электромагнитный частота

В электротехнике и энергетике малых мощностей (до десятков киловатт) сложилось положение, которого ранее  никогда не было. Единственное техническое средство, т.е. силовой транзистор, стал основным и наиболее эффективным для организации всех процессов: преобразования электроэнергии, регулирования мощности, коммутации, защиты.

Такая универсальность  транзистора объясняется тем, что  он является регулируемым сопротивлением, которое можно изменять по самым различным законам во времени. Взаимодействие такого полностью управляемого сопротивления с индуктивными и емкостными накопителями энергии позволяет осуществить любые процессы преобразования электроэнергии. Альтернативы этому методу в теории электрических цепей нет.

 

Основные технические  характеристики ИБП

 

В отличие от традиционных линейных ИП, предполагающих гашение  излишнего нестабилизированного напряжения на проходном линейном элементе, импульсные ИП используют иные методы и физические явления для генерации стабилизированного напряжения, а именно: эффект накопления энергии в катушках индуктивности, а также возможность высокочастотной трансформации и преобразования накопленной энергии в постоянное напряжение. Существует три типовых схемы построения импульсных ИП: повышающая (выходное напряжение выше входного) рис. 1,

 

 
Рис. 1. Повышающий импульсный источник питания (Uвых>Uвх).

понижающая (выходное напряжение ниже входного)

 

 
Рис. 2. Понижающий импульсный источник питания (Uвых<Uвх)

Понижающий импульсный источник питания (Uвых<Uвх) и инвертирующая (выходное напряжение имеет противоположную  по отношению к входному полярность) рис. 3.

 

 

Рис. 3. Инвертирующий  импульсный источник питания (Uвых<0)

 

Как видно из рисунка, отличаются они лишь способом подключения индуктивности, в остальном, принцип работы остается неизменным, а именно.

Ключевой элемент (обычно применяют биполярные или МДП  транзисторы), работающий с частотой порядка 20-100 кГц, периодически на короткое время (не более 50% времени) прикладывает к катушке индуктивности полное входное нестабилизированное напряжение. Импульсный ток. протекающий при этом через катушку, обеспечивает накопление запаса энергии в её магнитном поле 1/2LI^2 на каждом импульсе. запасенная таким образом энергия из катушки передастся в нагрузку (либо напрямую, с использованием выпрямляющего диода, либо через вторичную обмотку с последующим выпрямлением), конденсатор выходного сглаживающего фильтра обеспечивает постоянство выходного напряжения и тока. Стабилизация выходного напряжения обеспечивается автоматической регулировкой ширины или частоты следования импульсов на ключевом элементе (для слежения за выходным напряжением предназначена цепь обратной связи).

Такая, хотя и достаточно сложная, схема позволяет существенно повысить КПД всего устройства. Дело в том, что, в данном случае, кроме самой нагрузки в схеме отсутствуют силовые элементы, рассеивающие значительную мощность. Ключевые транзисторы работают в режиме насыщенного ключа (т.е. падение напряжения на них мало) и рассеивают мощность только в достаточно короткие временные интервалы (время подачи импульса). Помимо этого, за счет повышения частоты преобразования можно существенно увеличить мощность и улучшить массогабаритные характеристики.

Важным технологическим  преимуществом импульсных ИП является возможность построения на их основе малогабаритных сетевых ИП с гальванической развязкой от сети для питания  самой разнообразной аппаратуры. Такие ИП строятся без применения громоздкого низкочастотного силового трансформатора по схеме высокочастотного преобразователя. Это, собственно, типовая схема импульсного ИП с понижением напряжения, где в качестве входного напряжения используется выпрямленное сетевое напряжение, а в качестве накопительного элемента - высокочастотный трансформатор (малогабаритный и с высоким КПД), со вторичной обмотки которого и снимается выходное стабилизированное напряжение (этот трансформатор обеспечивает также гальваническую развязку с сетью).

К недостаткам импульсных ИП можно отнести: наличие высокого уровня импульсных шумов на выходе, высокую, сложность и низкую надежность (особенно при кустарном изготовлении), необходимость применения дорогостоящих высоковольтных высокочастотных компонентов, которые в случае малейшей неисправности легко выходят из строя "всем скопом"

 

 

Источник питания построен по схеме импульсного преобразователя  напряжения с бестрансформаторным  подключением к питающей сети. Он выполняет  преобразование переменного сетевого напряжения в постоянные с различными заданными номиналами и допусками.

Гальваническая развязка вторичных цепей питания и  питающей сети обеспечивается импульсным трансформатором преобразователя  напряжения.

Электропитание цепей  системного блока персонального  компьютера типа АТ/ХТ осуществляется постоянными стабилизированными напряжениями с номинальными уровнями +12, +5, -12 и -5 В. Последние модификации системных плат AT компьютеров содержат элементы, требующие для питания напряжений 2-3,6 В. Эти напряжения вырабатываются интегральными стабилизаторами, установленными непосредственно на системных платах, а не сетевыми импульсными преобразователями напряжения.

Отдельные позиции технических  характеристик для блоков питания AT компьютеров соответствуют параметрам, к которому можно обращаться за более подробной информацией по основным параметрам блоков питания персональных компьютеров.

Каждая фирма-производитель  импульсных блоков питания выпускает  серию преобразователей с различной  мощностью вторичных цепей. Максимальная мощность указывается в полном наименовании источника. Например, в блоке питания марки LPS-02-200M (Level power supply) цифра 200 обозначает суммарную максимальную мощность вторичных цепей питания. Типовой ряд блоков питания, их характеристики и распределение токов нагрузки для каждого номинала выходного напряжения на примере модификаций изделий LPS-02 приведен ниже.

 

Рис.1. Типовой ряд  блоков питания

 

Номиналы и номенклатура вторичных постоянных напряжений стандартизованы. Значения выходных напряжений фиксированы и какие-либо ручные регулировки исключены. Из таблицы Типового ряда блоков питания следует, что самыми нагруженными каналами вторичных напряжений являются выходы +5 и +12 В. Поэтому система стабилизации построена таким образом, чтобы слежение за выходными напряжениями вторичных цепей производилось по состоянию самых нагруженных каналов.

Существует зависимость  распределения токовой нагрузки между вторичными напряжениями и  допустимым уровнем их стабилизации. Так, например, к схеме блока питания  предъявляются следующее требования: выходное напряжение +5 В должно меняться не более чем на 0,5% при колебаниях нагрузки от 25 до 100% по этому каналу и постоянной величине нагрузки по остальным каналам, поддерживаемой на уровне 25% от максимальной. При нагрузке от 50 до 100% всех вторичных каналов, кроме +5 В, величины их напряжений не должны изменяться более, чем на 0,1 %, при сохранении нагрузки по каналу +5 В на уровне 25% от максимальной.