Презентація. "Імпульсне джерело живлення"

Матеріали до ОК відкритого заняття. ТЕМА. Імпульсне джерело живлення. НАВЧАЛЬНА МЕТА. Узагальнення, розширення та поглиблення знань, про джерела живлення радіоелектронної апаратури. Дати знання про структуру та принципову схему реалізації імпульсних джерел живлення, принцип їх роботи та перевагунад лінійними (трансформаторними). Очікуваний результат: Найкращим результатом заняття буде розуміння учнями принципу роботи імпульсних джерел живлення, їх переваг над лінійними. Вміння впроваджувати в проектну діяльність живлення електронних пристроїв від імпульсних джерел живлення. Здійснювати первинну діагностику несправності лінійних джерел живлення (блоків живлення).

Брейн-ринг. Питання по темі: «Лінійне джерело живлення» (вибірково). Джерела живлення є невід’ємною складовою … Що таке джерело живлення? Залежно від ЕРС джерела живлення поділяються на ДЖ постійного струму і ДЖ змінного струму. Які ви знаєте джерела живлення? Як розрізняють джерела живлення? Які джерела живлення належать до первинних, вторинних? Якими параметрами характеризуються джерела живлення? Які джерела живлення є найкращими? Які недоліки первинних джерел живлення? Які джерела живлення є основними? Яка структурна будова мережевого блоку живлення?Які основні параметрами лінійних джерел живлення.? Що таке трансформатор? Для чого в мережному блоці живлення трансформатор?Що таке коефіцієнт трансформації? Чи можна трансформувати постійну напругу? Чому? Що називається випрямлячем ? З яких основних вузлів він складається ?Приведіть класифікацію схем випрямлення та їх характеристики. В чому переваги мостової схеми випрямлення над однопівперіодною? Для чого у випрямлячах використовується згладжувальний фільтр ? Яка частота пульсацій в однопівперіодному? Двопівперіодному випрямлячі?Який пристрій в мережному блоці живлення усуває нестабільність мережної напруги? Що таке параметричний стабілізатор напруги?

. Вторинні джерела живлення - проміжні перетворювачі електричної енергії, такі як БЖ електронних приладів, трансформатори тощо. Джерело живлення - елеменет електричного кола, в якому зосереджена електрорушійна сила. Джерела живлення характеризуються значенням електрорушійної сили і внутрішнього опору. До джерел живлення належать гальванічні елементи, електро-хімічні батареї, акумулятори, сонячні батареї, термопари, електричні генератори, тощо. Залежно від виду електрорушійної сили джерела живлення поділяють на джерела живлення постійного струму і джерела живлення змінного струму. Розрізняють первинні джерела живлення і вторинні джерела живлення Первинні джерела живлення безпосередньо перетворюють інші види енергії в електричну.

Блок схема лінійного джерела живлення. Схематичне представлення: Вхід~230 В Трансформатор Випрямляч Згладжувальний фільтр Стабілізатор напруги Вихід (+V, -V) 

Лінійні джерела живлення зазвичай складаються з наступних основних блоків: 1. Трансформатор (понижувальний): Знижує високу напругу змінного струму (наприклад, 230 В) з мережі до нижчої, безпечнішої напруги змінного струму.2. Випрямляч: Перетворює змінний струм на пульсуючий постійний струм. Зазвичай використовується діодний міст. Принцип роботи: Мережева напруга знижується трансформатором, випрямляється, згладжується фільтром і стабілізується лінійним регулятором для отримання чистої, стабільної вихідної напруги постійного струму.  3. Згладжувальний фільтр: Зазвичай складається з конденсатора великої ємності, який зменшує пульсації випрямленої напруги.4. Стабілізатор напруги (лінійний регулятор): Підтримує стабільний рівень вихідної напруги незалежно від змін вхідної напруги або навантаження. 5. Вихідний фільтр: Додатковий фільтр для подальшого зменшення високочастотних шумів (опційно). 

Що зображено на малюнку та яке його призначення в лінійному джерелі живлення?

В чому небезпека при під’єднанні трансфор-матора до джерела постійного струму?Актуалізація опорних знань. На якому явищі ґрунтується принцип роботи трансформатора?Що відбудеться під час вмикання постійного струму на первинну обмотку трансформатора?На якій частоті працюють лінійні (трансформаторні) джерела живлення?Яка частота пульсацій струму в однопівперіодному? Двопівперіодному випрямлячах?

Звичайний електромагнітний трансформатор не може працювати з постійним струмом, оскільки його дія ґрунтується на принципі електромагнітної індукції, яка вимагає зміни магнітного поля, що відбувається лише при змінному струмі. Підключення трансформатора до джерела постійного струму призведе до його перегрівання та виходу з ладу через малий опір первинної обмотки. Чому не можна трансформувати постійний струм ?Графіки яких напруг показані на малюнку?

Які ж методи трансформації постійного струму?:2. Електромеханічні перетворювачі: Історично або для специфічних промислових застосувань можуть використовуватися електродвигуни постійного струму, що обертають генератори постійного струму з іншою напругою, але це менш ефективний і застарілий метод порівняно з електронними пристроями. 1. Перетворити постійний струм в змінний (інвертування). Постійний струм спочатку перетворюється на змінний за допомогою інвертора. Після цього змінний струм можна трансформувати до потрібної напруги за допомогою стандартного трансформатора, а потім, якщо необхідно, знову перетворити на постійний струм за допомогою випрямляча. Ключовою, необхідною вимогою для трансформування постійного струм є використання електронних перетворювачів для зміни параметрів постійного струму.

Для того, щоб трансформувати (змінити рівень напруги постійного струму (наприклад, з 220 В на 12 В) або передати його на великі відстані без значних втрат, його необхідно спочатку перетворити на змінний або пульсуючий струм.3. Створення пульсуючого/змінного струму: Інвертор швидко вмикає та вимикає постійний струм, перетворюючи його на пульсуючий або змінний сигнал (зазвичай прямокутної форми). Трансформація: Цей змінний/пульсуючий струм пропускається через трансформатор. Трансформатори працюють лише зі змінним (або пульсуючим) магнітним полем і не можуть трансформувати чистий постійний струм. Пульсуючий струм — це електричний струм, який змінює своє значення (силу або напругу) з часом, але зберігає свій напрямок. Це означає, що він не переходить з позитивного у негативний напрямок, як це робить змінний струм.

Імпульсне джерело живлення

З появою пристроїв на цифровій технології, електронно-обчислюваль-них машин, ПК, цифрових телевізорів, застосування в їх конструкціях процесорів та мікроконтролерів ставить все більш критичні вимоги до дотримання параметрів джерел живлення: ККД джерела живлення; Маса і металоємність кольорових металів;Коефіцієнт пульсацій; Стабільність вихідної напруги та споживаного струму. Імпульсний блок живлення (ІБЖ), також відомий як SMPS (Switching-Mode Power Supply), – це тип джерела живлення, що перетворює вхідну напругу на потрібну вихідну за допомогою високочастотної комутаційної схеми. Він відрізняється високою ефективністю, компактними розмірами та малою вагою, що робить його стандартом для багатьох сучасних електронних пристроїв.

Імпульсні джерела живлення є мережевими блоками живлення, проте більш складними. Типове джерело живлення цього типу спочатку перетворює вхідну мережну напругу у більш високочастотну імпульсну. Цей метод значно зменшує втрати енергії, що робить SMPS набагато ефективнішими, ніж неімпульсні джерела живлення. Одночасно зі збільшенням частоти відбувається регулювання напруги за допомогою цифрової технології, названої широтно-імпульсною модуляцією. Імпульсне джерело живлення (ІДЖ) є найпоширенішим типом джерел живлення в сучасній електроніці. На імпульсне джерело живлення не впливає нестабільність частоти змінного струму, а також частота мережного струму 50 чи 60 Гц.

Структурна схема імпульсного джерела живлення. Вхід ~230 В - Вхідний. мережний фільтр -Випрямляч - Перетворювач (Інвертор) - (Зворотний зв'язок) – ВЧ (силовий) трансформатор – Вихідний випрямляч – Вихідний фільтр - Вихід (+V, -V) 

Схема керування Спрощена схема керування силовим ключем. Первинна обмоткатрансформатора. Транзистор. Основні кола імпульсних блоків живлення.  Лінійне первинне ДЖ (діодний міст і конденсатор фільтру). Такий мережевий випрямляч напруги закладено у роботу всіх блоків живлення. Випрямлений сигнал піддається широтно-імпульсної модуляції на силовому ключі під керуванням ШІМ контролера. Силовий ключ управляє первинною обмоткою високочас-тотного трансформатора. Для ефективної трансформації в/ч імпульсів до 100 кілогерц конструкцію магнітопроводу роблять з альсифера або феритів. На обмотку трансформатора від ланцюгів управління через в/ч транзистор надходять імпульси сигналів кілька десятків кілогерц.

2. Генератор імпульсів і коло запуску. Це коло виробляє сигнал керування для ключового транзистора. Воно може бутивиконано на одному транзисторному каскаді, так і на спеціалізованій інтегральній мікросхемі – контролер ШІМ. 3. Вторинні кола містять вторинні обмотки імпульсного трансфор-матора і компоненти (діоди, конденсатори), що забезпечують подачу енергії в навантаження. Більшість ІБЖ мають від двох до п'яти навантажень. 4. Зворотний зв'язок  і керування. Коло зворотного зв'язку виконує чотири функції: стабілізацію вихідних напруг; контроль за високою напругою; передачу на ІБЖ сигналів вмикання/вимикання від блоку керування телевізора; гальванічну розв'язку вторинних кіл від мережної напруги.

Принципова схема та принцип роботи ІДЖ.1. Мережевий фільтр (мережевий фільтр - це пристрій, призначений для захисту підключеної електроніки від імпульсних перешкод, стрибків напруги та високочастотних завад в електромережі).2. Перетворення змінного струму в постійний (вхідний змінний струм перетворюється на постійний за допомогою двопівперіодного випрямляча)

7. Управління зі зворотним зв'язком: Замкнута система забезпечує точне регулювання напруги. Замкнута система регулювання напруги реалізується, як правило діоднотранзисторною оптопарою.6. Випрямлення та фільтрація на виході: Напруга випрямляється і згладжується, щоб забезпечити стабільний вихід постійного струму (для випрямлення високочастотного струму використовуються діоди Шоттки).4. Високочастотна комутація: транзистори швидко вмикаються і вимикаються, створюючи імпульсний постійний струм. Цим процесом керує спеціальний контролер, який генерує високочастотні імпульси, часто використовуючи широтно-імпульсну модуляцію (ШІМ, PWM). Завдяки такій високій частоті можна використовувати менші та легші трансформатори та інші компоненти.5. Перетворення напруги (відбувається за допомогою невеликого високочастотного трансформатора, який може підвищувати або знижувати вихідну напругу (трансформатори ІДЖ працюють на частотах 50 – 100 і більше к. Гц).3. Згладжувальний фільтр згладжує пульсації випрямленого струму (висока постійна напруга, близько 310 В для мережі 230 В).

При зростанні контрольованої напруги вище встановленої межі, зростає яскравість світлодіода оптопари, що веде до поступового відкриття оптотранзистора і блокування опорного сигналу 2.5 вольта на масу. Чим більше ступінь перевищення контрольного рівня, тим більше відкривається оптотранзистор, тим меншим стає рівень опорної напруги заблокованої транзисторним переходом колектор-емітер на масу. Ширина імпульсів робочого циклу меншає, вихідна напруга падає. Принцип роботи стабілізації вихідної напруги.

Чому саме ІДЖ ви вирішили використати в своїх проектах? Узагальнення, систематизація та закріплення матеріалу по темі, яка вивчається. Залучення учнів до самостійного осмислення нового матеріалу. Які структурні елементи лінійного блоку живлення мають місце в ІДЖ?Чому розміри трансформатора ІДЖ на порядок менші ніж в лінійному БЖ?В чому переваги стабілізації вихідної напруги в ІДЖ над ЛБЖ? Давайте запишемо: Хто може запропонувати можливість використання отриманих знань, умінь, навичок в практичному конструюванні. Хто планує виготовлення ІДЖ за власним проектом в цьому навчальному році?основні переваги стабілізації вихідної напруги в імпульсних джерелах живлення (ІДЖ) над лінійними джерелами живлення (ЛБЖ) полягають у значно вищій ефективності, компактності та універсальності.

... розуміння учнями принципу роботи імпульсних джерел живлення, їх переваг над лінійними. В подальшому - вміння впроваджувати в проектну діяльність живлення електронних пристроїв від імпульсних джерел живлення. Здійснювати первинну діагностику несправності лінійних джерел живлення (блоків живлення). Спробуємо, з вашою допомогою, переконатись, що ми досягли поставленої мети, продовживши речення або відповівши на запитання.І так, в чому полягає принцип роботи імпульсного джерела живлення?Вивчення теми сьогоднішнього заняття передбачало досягти відповідного результату, а саме:Імпульсне джерело живлення цього типу спочатку… перетворює вхідну мережну напругу у більш високочастотну імпульсну.

Цим процесом керує спеціальний контролер, який генерує високочастотні імпульси, часто використовуючи широтно-імпульсну модуляцію (ШІМ, PWM). Завдяки такій високій частоті можна використовувати менші та легші трансформатори та інші компоненти. Що керує процесом створення високочастотних імпульсів напруги?проходить через високочастотний трансформатор. Трансформатор забезпечує необхідне масштабування напруги (підвищення або зниження) та гальванічну розв'язку між первинною та вторинною частинами схеми. Отримана високочастотна імпульсна напруга… Що відбувається з високочастотною вихідною трансформованою напругою?Знижена або підвищена імпульсна напруга на вторинній обмотці трансформатора знову випрямляється (зазвичай за допомогою швидких діодів) і фільтрується за допомогою індукторів та конденсаторів для отримання чистої, стабільної постійної напруги на виході.

ЗАПАМ’ЯТАЄМО!Змінний струм зазвичай вважається більш небезпечним для контакту з людиною через його здатність викликати скорочення м'язів, що потенційно заважає людині відпустити джерело. Давайте пригадаємо. Який струм є небезпечним для людини?Небезпека змінного струму полягає у його здатності спричиняти фібриляцію серця, що може призвести до його зупинки, а такожвикликати опіки, судоми та порушення роботи нервової системи. Особливо небезпечним є змінний струм побутової частоти (50-60 Гц), оскільки його частота збігається з частотою серцевих скорочень людини, що робить його смертельним навіть при відносно низьких напругах. Постійний струм, хоч і небезпечний, але менш здатний викликати тривале скорочення м'язів.

Працювати під напругою Заборонено!Накопичувальні конденсатори довго зберігають запасену енергію навіть при відключеній напрузі, вимагають обережного поводження. Підключайте імпульсний блок живлення для перевірок лише через роздільний трансформатор, або контрольну лампу розжарення 220 В . Електричний опір людського тіла дуже низький: наш організм складається із рідин. Якщо працювати під напругою, існує велика ймовірність створити шлях для проходження струму короткого замикання через своє тіло. Адже, кілька десятків міліампер вже можуть викликати фібриляцію серця та його зупинку!!!

Імпульсні джерела живлення SMPS (що значить "Switch Mode Power Supply") здійснили революцію в перетворенні енергії, пропонуючи високу ефективність, компактні розміри та стабільне регулювання напруги. Порівняно з традиційними трансформаторами та лінійними джерелами живлення, імпульсне ДЖ має: значно вищий ККД (аж до 90-98%6:), вищу енергоефективність 80-95%, що знижує споживання електроенергії.ІДЖ є оптимальним вибором для більшості сучасних застосувань, від промислової автоматизації до телекомунікацій. Основними перевагами ІДЖ живлення є поліпшення масогабаритних характеристик та підвищений коефіцієнт корисної дії. Вибір правильного джерела живлення залежить від таких факторів, як ефективність, вимоги до потужності, обмеження за розміром і толерантність до шуму. Для галузей, які потребують надійних, енергоефективних та масштабованих рішень, ІДЖ залишається домінуючою технологією. Висновок

 На сьогоднішній день імпульсне джерело живлення  забезпечує надійне електроживлення для сучасних електронних пристроїв завдяки ефективному перетворенню енергії та різноманітним топологіям схем. Незважаючи на складну конструкцію, переваги високої ефективності та мініатюризації роблять її ідеальним вибором для комп'ютерів, комунікаційного обладнання та різних промислових застосувань. З розвитком технологій конструкція і застосування SMPS продовжуватимуть розвиватися, надаючи більше можливостей для майбутніх силових електронних пристроїв.

Дякую за увагу.