Здесь мы поговорим об импульсных блоках питания (ИБП), которые на сегодняшний день получили самое широкое распространение и с успехом используются во всех современных радиоэлектронных устройствах.

Прежде всего, эта статья посвящена для начинающих специалистов по ремонту электронной техники, поэтому материал будет изложен в упрощенной форме и поможет понять основные принципы работы ИБП.

Основной принцип, положенный в основу работы ИБП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (50 Гц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.

Преобразование осуществляется с помощью мощного транзистора, работающего в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый –выполняется по схеме импульсного автогенератора (например, такой использовался в ИБП телевизоров 3 – 4 УСЦТ) и второй – с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств).

Поскольку частота преобразователя обычно выбирается от 18 до 50 кГц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно компактны, что является немаловажным параметром для современной аппаратуры.

Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением приведена на рисунке 1. в конце статии

Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через сетевой фильтр (СФ) подается на сетевой выпрямитель (СВ), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение. При этом если мы будем увеличивать длительность импульса приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1, а следовательно осуществлять стабилизацию выходных напряжений БП. Единственное что для этого необходимо - схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ контроллер. ШИМ – широтно – импульсная модуляция. В состав ШИМ контроллера входит задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая и управляет длительностью импульса.

Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный.

В ИБП используются два принципа реализации цепей слежения – «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный метод называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора (рисунок 2 в конце стати).

Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ контроллера.

С цепью слежения я думаю, разобрались, теперь давайте рассмотрим такую ситуацию как короткое замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. В этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу из строя этого транзистора. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или другими словами отключится.

В заключении хотелось более подробно остановиться на достоинствах ИБП. Как уже упоминалось, частота импульсного преобразователя достаточно высока, в связи с чем, габаритные размеры импульсного трансформатора уменьшены, а значит, как это не парадоксально звучит, стоимость ИБП меньше традиционного БП т.к. меньше расход металла на магнитопровод и меди на обмотки, даже не смотря на то, что количество деталей в ИБП увеличивается. Еще одним из достоинств ИБП является малая, по сравнению с обычным БП, емкость конденсатора фильтра вторичного выпрямителя. Уменьшение емкости стало возможным за счет увеличения частоты. И, наконец, КПД импульсного блока питания доходит до 80%. Связано это с тем, что ИБП потребляет энергию электрической сети только во время открытого транзистора преобразователя, при его закрытии энергия в нагрузку отдается за счет разряда конденсатора фильтра вторичной цепи.
К недостаткам можно отнести усложнение схемы ИБП и увеличение импульсных помех излучаемым ИБП. Увеличение помех связано с тем, что транзистор преобразователя работает в ключевом режиме. В таком режиме транзистор является источником импульсных помех, возникающих в моменты переходных процессов транзистора. Это является недостатком любого транзистора работающего в ключевом режиме. Но если транзистор работает с малыми напряжениями (например, транзисторная логика с напряжением в 5В) это не страшно, в нашем же случае напряжение, приложенное к коллектору транзистора, составляет, примерно 315 В. Для борьбы с этими помехами в ИБП используются более сложные схемы сетевых фильтров, чем в обычном БП.

Добавлено (02.01.2011, 19:52)
---------------------------------------------
Хорошая книжка, для изучения ИБП:
Источники питания. Инверторы. Конверторы. Линейные и импульсные стабилизаторы

Итак, сначала нужно определить мощность, потребляемую оборудованием (в нашем случае - компьютером). Для этого надо определить мощность, которую потребляет каждый компонент ПК (в интернете можно найти сведения о номинальной потребляемой мощности каждой комплектующей с учётом и без учёта разгона), а затем сложить все значения. Сюда же нужно прибавить мощности всей периферии, которую вы планируете подключать к источнику бесперебойного питания. Общая сумма и будет суммарной мощностью, потребляемой вашим компьютером (без учёта тех периферийных устройств, мощности которых вы не складывали). Размерность значения - Ватты (Вт, англ. W).

Теперь нужно прибавить к этому значению ещё примерно 25-30% запаса (25-30% от этого же значения).

Затем нужно прибавить некоторый процент на будущий апгрейд компьютера. Тут, к сожалению, точного значения вычислить не получится - придётся прибавлять, как говорится, "на глаз".

Общая сумма после всех действий - требуемая мощность ИБП для данного компьютера.

Зачастую мощность ИБП указывается не в ваттах, а в вольт-амперах (ВА, англ. VA). Поэтому при расчёте этой характеристики приходится проводить дополнительные вычисления из расчёта: 100 ВА примерно равно 70 Вт.

Рассмотрим пример:

1. Оборудование в сумме потребляет 893 Вт энергии. Вычисляем пропорцией: 893 Вт = 1276 ВА.

2. + 25-30% запаса - ещё примерно 300-400 ВА

3. + Некоторый запас на будущий апгрейд компьютера.

Итого получили: примерно 2000 ВА (VA).

Рекомендуемая мощность ИБП для данной системы: 2000 ВА. Отметим, что рекомендуемая - не значит минимальная. Т.е. компьютер наверняка сможет работать и от ИБП с меньшей мощностью (например, 1800 ВА или даже 1500 ВА). Но гарантировать, что при этом он будет работать от батарей заявленное производителем время нельзя. Проще говоря, ИБП меньшей мощности при работе от аккумуляторов возможно "вытянет" данную систему, но работать он будет на пределе своей мощности и значительно меньшее время, чем заявлено в паспортных данных данной модели. Как это ни парадоксально звучит, но он может работать и вполне нормально, т.к. компьютер не всегда будет потреблять из сети мощность в 893 Вт. Всё зависит от выполняемых задач.

Есть и более простой (но очень грубый!) метод подсчёта необходимой мощности UPS (для тех, кто не может вычислить вышеописанным способом):

Возьмите мощность вашего блока питания и умножьте её на 1.3. Таким образом вы примерно получите рекомендуемую мощность ИБП. Например, у вас блок питания на 550 Вт. К UPS вы также планируете подключить ЖК-монитор 19" и модем. Умножаем: 550*1.3 = 715 Вт. Прибавим периферию. Итак, вам нужен ИБП мощностью примерно от 720 до 800 ватт. Это 1000-1200 ВА. Если кошелёк позволяет - берите как можно более мощную модель.

Итак, с мощностью разобрались. Теперь перейдём к менее значимым параметрам источников бесперебойного питания.

2. Напряжение и частота: модель должна поддерживать напряжение 220 В и частоту 50 Гц.

3. Время переключения на батареи: теоретически - чем меньше, тем лучше. На практике различий между аппаратами с различными значениями этого параметра существенной разницы не замечено.

4. Интерфейс: USB или COM. На многих современных материнских платах отсутствует COM-порт. Проверьте свой компьютер на совместимость с выбранной моделью UPS.

5. Время работы от батарей: чем больше, тем лучше.

6. Количество выходных розеток и их тип: проверьте эти параметры и удостоверьтесь в совместимости их с вашим оборудованием.

Некоторые советы по выбору

Не путайте ИБП и стабилизатор. Первый при отключении электропитания переключается на встроенные аккумуляторные батареи. Второй же в таком случае ничем не поможет и благополучно отключится вместе с компьютером. Если вам нужен стабилизатор, то можете выбрать себе нужную модель по мощности (вышеописанными способами) либо купить ИБП со встроенной функцией стабилизации напряжения.

Многие модели источников бесперебойного питания оборудованы вентиляторами с высоким уровнем шума. Некоторые аппараты вообще обходятся без активных систем охлаждения. При выборе модели примите это во внимание.

Обратите внимание на то, что практически все ИБП при небольших габаритах имеют большой, а некоторые модели даже очень большой вес. Это связано с использованием свинцовых пластин в аккумуляторных батареях. Транспортировка ИБП и установка на рабочем месте может быть весьма затруднительной.