Импульсные источники питания (также называемые SMPS, от английского «коммутируемый источник питания») используются практически во всех электрических и электронных устройствах и служат для эффективного преобразования электрической энергии из одного напряжения в другое.
В сегодняшней статье давайте рассмотрим, что такое импульсные источники питания. Мы также увидим, как они работают и каковы их преимущества и недостатки по сравнению с традиционным источником питания.
Что такое импульсные источники питания (SMPS)?
В двух словах? Импульсный источник питания — это электронный источник питания, который может эффективно преобразовывать электрическую энергию из одного напряжения в другое. Обычно он используется для передачи тока от источника постоянного/переменного тока к нагрузке постоянного тока (например, компьютеру, сотовому телефону и т. д.). Большинство импульсных источников питания преобразуют более высокое напряжение (110 В или 220 В переменного тока) в гораздо более низкое напряжение постоянного тока, например 24 В, 12 В или 5 В.
Блок питания такого типа можно встретить практически во всех электроприборах, которыми мы привыкли пользоваться каждый день. Особенно компактные. Мы не шутим: они действительно повсюду! Например, импульсные источники питания встречаются в зарядных устройствах для мобильных телефонов, компьютерах и т. д. Их также легко найти: найти их можно как в магазинах электроники, так и в Интернете на специализированных сайтах, таких как RS.
История импульсных блоков питания
Изобретение импульсных источников питания относится к 1836 году. Есть свидетельства того, что некоторые катушки индуктивности использовались для генерации всплесков высокого напряжения в лабораторных условиях. Спустя почти столетие, в 1959 году, в Bell Labs Канг и Аталла изобрели мощный полевой МОП-транзистор, который является основой современных источников питания.
Существуют патентные документы, поданные IBM в 1958 году, показывающие конструкцию ИИП, основанного на транзисторных колебаниях. Примерно в том же году корпорация General Motors (GM) также подала аналогичные патенты.
Первый коммерческий и широко известный продукт с импульсным блоком питания внутри? Это карманный калькулятор HP-35 от Hewlett Packard. С тех пор импульсные источники питания используются для питания светодиодов, ПЗУ и других основных элементов, таких как часы. Несмотря на то, что компания Microchip Technology была разработана многими крупными поставщиками, в 1976 году она подала патент на использование термина «импульсный источник питания (SMPS)» и, по сути, взяла на него хорошую ипотеку.
Сегодня он используется во многих устройствах в самых разных отраслях, от механики последнего поколения к робототехнике.
Как они работают
Каждое из этих устройств состоит из сложной схемы, работающей на очень высокой частоте (от 20 кГц до 10 МГц). Высокоскоростное переключение позволяет импульсным источникам питания преобразовывать электроэнергию более эффективно, чем традиционные линейные источники питания.
Схема питания ИИП содержит ряд подсхем. Именно они позволяют эффективно конвертировать ток от одного напряжения к другому. Давайте посмотрим, как это происходит.
Во время входной фазы переменный ток проходит через выпрямитель, который дает отфильтрованный выход постоянного тока с тем же напряжением. Например, на входном каскаде 110 В переменного тока преобразуются в 110 В постоянного тока. Дополнительные LC-фильтры (катушка индуктивности и конденсатор) также находятся на этом уровне для дальнейшего устранения любых пульсаций.
Следующий этап также является самым важным. Обычно импульсные источники питания содержат один или несколько силовых МОП-транзисторов, которые используются в качестве основного переключающего устройства. Сигнал ШИМ быстро включает и выключает МОП-транзистор, действуя как переключатель. Это преобразует напряжение постоянного тока (результат предыдущего шага) в высокочастотный прямоугольный сигнал.
Это подводит нас к фазе выхода
Также на выходе силового трансформатора имеется колебательный сигнал, который дополнительно фильтруется. Даже на этапе мы находим фильтры, похожие на те, что мы видели на входе, но способные выдерживать больший ток при более низких напряжениях. Это последний этап цепи, передающий энергию подключенной нагрузке.
Наконец, коммутационное устройство (транзистор или МОП-транзистор). Он должен быстро включаться и выключаться, чтобы генерировать прямоугольную волну, необходимую для питания трансформатора тока с использованием сигнала ШИМ. Рабочий цикл представляет собой отношение времени включения к общему времени цикла. Выходным напряжением ИИП можно управлять, увеличивая или уменьшая рабочий цикл ШИМ-сигнала, подаваемого на транзистор.
