Преобразование энергии в линейных источниках питания происходит в большинстве случаев на довольно низкой частоте в 50 Гц или 60Гц. Из-за этого велики масса и габариты таких источников питания. В случае, при котором выдвинуто требование обеспечения большой мощности нагрузки при малой массе и габаритах, необходимо увеличить частоту преобразования энергии. Для этой цели применяют преобразователи напряжения, рабочая частота которых выше, чем частота питающей сети. Например, выпускают специальные преобразователи, функционирующие на частоте 400 Гц.
Для достижения высокого ККД электронный ключ коммутирует, кратковременно подключая к сети постоянного тока, трансформатор. В качестве основного компонента электронного ключа чаще всего используют полупроводниковые компоненты: тиристоры или транзисторы. В специальных источниках питания с частотой преобразования более 4 МГц или работающих в условиях повышенной радиации, в качестве ключей применяют электронные лампы.
Через первичную обмотку трансформатора протекают импульсы тока, и в связи с этим источник питания называют импульсным. В современных импульсных источниках питания (ИИП), встроенных в бытовую аппаратуру, почти всегда частота преобразования превосходит различимую человеческим ухом, т.е. она выше 20 кГц. Это нужно для того, чтобы пользователь не слышал раздражающий гул или свист эксплуатируемого аппарата.
Запомним важные термины. Инвертором называют преобразователь, потребляющий от питающей сети постоянный ток и отдающий в нагрузку переменный ток, а конвертором – преобразователь, потребляющий постоянный ток и обеспечивающий питание нагрузки постоянным током. В силу традиции, сварочные аппараты, имеющие импульсные преобразователи, с выходом как постоянного, так и переменного тока, также называют инверторами.
Преобразователь, трансформатор которого отдает в нагрузку ток один раз в течении длительности периода, называют однотактными, а преобразователи, у которых ток протекает через обмотку трансформатора два раза в течении периода, – двухтактными . Нагрузкой трансформаторов преобразователей обычно служат выпрямители.
Для управления переключением преобразователей чаще всего используют специальные устройства – задающие генераторы. Задающие генераторы вырабатывают импульсы малой мощности, поступающие на цепи управления ключевыми компонентами, изменяют параметры импульсов в соответствии с сигналами от датчиков и регулирующих органов. Основные достоинства задающих генераторов – это простота и гибкость управления преобразователем. Функции, выполняемые задающими генераторами, могут быть строго фиксированы (реализованы аппаратно), но возможно также и программирование откликов на возмущающие воздействия сигналов с датчиков (заданы программно).
Недостатки задающих генераторов – это потребление ими энергии, поступающей обычно от вспомогательного источника питания, а также довольно большое количество компонентов устройства.
Задающие генераторы могут быть реализованы полностью на дискретных компонентах и контроллерах, специализированных микропроцессорах или только на контроллерах без дополнительных цепей обвязки.
Контроллеры представляют собой микросхемы, воздействие на выводы которых приводит к строго фиксированному отклику. У контроллеров, как правило, немного выводов, и они обеспечивают реализацию лишь основных функций. Не всякий контроллер пригоден для работы в импульсном источнике питания, а только такой, возможности которого позволяю выполнить требования, поставленные перед ним. Так, например, контроллер однотактного ИИП не следует использовать в двухтактном источнике питания.
Контроллеры ИИП почти всегда позволяют реализовать стабилизацию напряжения, приложенного к нагрузке, для чего в них встроены источники опорного напряжения и усилители напряжения ошибки. В некоторых контроллерах предусмотрена дополнительная возможность стабилизации тока, протекающего через нагрузку. Обычно в контроллерах предусмотрен вывод, при подаче на который сигнала от датчика тока будет инициирован запрет на генерацию импульсов, чем будет обеспечена реализация системы защиты от перегрузки по току.
К наиболее распространенным контроллерам для однотактных ИИП можно отнести микросхемы марок SC1101, UC3844, UC3823, а к контроллерам для двухтактных ИИП – TL495, UC3825, SG2524 и другие.
Некоторые микросхемы для ИИП представляют собой компоненты, содержащие в одном корпусе и задающий генератор, и ключевые транзисторы. Использование таких монолитных приборов очень удобно ввиду минимизации числа компонентов «обвязки», однако мощность таких интегрированных компонентов не превышает примерно 300 Вт в связи со сложностью отвода тепла от полупроводникового кристалла. К таким микросхемам относят компоненты марок L6590, TNY253–TNY255, VIPer100A, TOP227 и пр.
