Лабораторный блок питания

Введение
Технический прогресс во всех областях неизбежно предполагает максимально широкое использование электронной техники, что требует особого внимания к ее надежности. Современное общество невозможно представить без электронных устройств, которые выполняют широкий спектр функций — от бытовых до высокотехнологичных промышленных применений. Важно отметить, что основой стабильной работы любой электронной аппаратуры является надежное и эффективное электропитание. Лабораторные блоки питания играют в этом ключевую роль, обеспечивая стабильное и регулируемое питание для различных устройств.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛАБОРАТОРНЫХ БЛОКАХ ПИТАНИЯ

1.1. Исторический аспект блока питания
Импульсное распыление высокой мощности (HIPIMS или HPPMS) — это новый метод распыления, который вызывает большой ажиотаж ¬из-за высоких процентов ионизации, которые он может производить в потоке распыления от стандартных магнетронов. Импульсы во много МВт длительностью около 100 микросекунд применяются в плазме HIPIMS. Высокая плотность плазмы, которую это вызывает, приводит к высокой ионизации, которая представляет такой интерес. Такие источники питания нетривиальны и должны иметь дело с импульсами тока во много кА.
В России работа проводилась в течение предыдущих двух десятилетий или больше. Эту относительно неизвестную российскую работу трудно получить. Поэтому полную историю почти невозможно воссоздать ¬. У нас есть статьи с разницей в несколько лет, написанные разными авторами.
В 1974 году О.А. Малкин [2] из Московского инженерно-физического института опубликовал работу «Импульсный ток и релаксация газа», в которой были изложены эксперименты, проведенные в период с 1968 по 1972 год в институте в отделе Е.С. Трехова. Предметом исследований были не напыление, а источники света, лазеры, искровая эрозия и сварка.
Их плазмы были тлеющими разрядами (без приложенного магнитного поля), и они запускали их при очень высоких плотностях тока (до 24 кА в электроде диаметром 20–60 мм). При таких высоких плотностях тока было бы нормально, если бы плазма схлопнулась ¬в дугу. Однако они обнаружили, что этот коллапс в дугу занимал некоторое время, и поэтому их сильноточная плазма могла поддерживаться в течение примерно сотен микросекунд. Поэтому они назвали эти сильноточные тлеющие разряды квазистационарными разрядами. Квазистационарный разряд в том смысле, что если поддерживать его неопределенно долго, плазма схлопнется в дугу.
1.2.Виды лабораторных блоков питания
Изолированный обратноходовой преобразователь
Топология использует только один основной магнитный компонент, который представляет собой связанный индуктор, обеспечивающий как хранение энергии, так и изоляцию. Передача энергии на вторичную обмотку и нагрузку происходит во время выключения коммутационного элемента.

Эта топология обеспечивает недорогие средства преобразования переменного тока в постоянный ток благодаря своей простоте и малому количеству компонентов. Уровень мощности ограничен высокими уровнями пульсирующего тока в выходном конденсаторе и необходимостью хранить высокие уровни энергии в связанной катушке индуктивности в ограниченном объеме. Обратноходовые преобразователи обычно используют контроллеры режима долины или перехода, которые снижают потери за счет включения основного силового устройства в точке минимального приложенного напряжения, а также контроллеры зеленого режима для максимизации эффективности во всем диапазоне нагрузок и минимизации потребления энергии без нагрузки.
 
Энергия передается на вторичную обмотку и нагрузку во время включения каждого коммутационного элемента с использованием разделенной вторичной обмотки. Это дает дополнительное преимущество в виде удвоения частоты переключения, воспринимаемой вторичной обмоткой, что помогает уменьшить объем выходного индуктора и требуемого конденсатора и вдвое уменьшить напряжение, воспринимаемое каждым коммутационным элементом.
Такая топология обеспечивает удвоение выходной мощности при том же первичном токе переключения, но увеличивает сложность схем управления коммутационными элементами по сравнению с полумостовой схемой. 
В источниках питания DC-DC используется топология, похожая на полумост, называемая двухтактным преобразователем. Поскольку напряжение, приложенное к коммутационному элементу, обычно низкое, эта схема предназначена для уменьшения вдвое первичного тока переключения в каждом коммутационном элементе, в противном случае работа аналогична работе полумоста.


ГЛАВА 2. ЛАБОРАТОРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ: ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ УСТРОЙСТВА

2.1. Достоинства и недостатки устройства

Лабораторные блоки питания (ЛБП) представляют собой неотъемлемую часть оборудования, используемого в различных областях электроники, научных исследованиях, производстве и ремонте. В зависимости от типа и функциональных особенностей, различные модели блоков питания предлагают различные преимущества и недостатки. В этом разделе рассмотрены основные типы лабораторных блоков питания, их особенности, достоинства и недостатки.
Преимущества различных типов блоков питания:
Изолированный обратноходовой преобразователь:
• Достоинства. Отличается высокой эффективностью и стабильностью. Изолированная схема уменьшает влияние помех на другие части системы, обеспечивая высокий уровень защиты и безопасности.
• Недостатки. Более сложная конструкция и высокая стоимость, что может сделать такие источники питания менее доступными для общего использования.
Прямой преобразователь:
• Достоинства. Простота конструкции и высокая скорость отклика на изменения нагрузки. Может обеспечивать высокое качество выходного сигнала.
• Недостатки. Иногда возникают проблемы с выходными пульсациями, которые необходимо дополнительно фильтровать.




2.4 Разработка конструкции устройства лабораторного блока питания

Вход блока питания оснащён термистором и предохранителем для защиты устройства. Термистор с сопротивлением 10 Ом может выдерживать ток до 3 А, а предохранитель срабатывает при превышении тока в 3,15 А.
Далее в схеме идёт сетевой фильтр, включающий элементы C1, L1 и C2. Дроссель L1 с индуктивностью 10 мГн помогает фильтровать высокочастотные помехи в сети.
Для выпрямления сетевого напряжения в зависимости от модели платы используется либо диодный мост RS607 (6 А, 700 В), либо мост из четырёх диодов 1N5408 (3 А, 1000 В). При необходимости замены диодного моста, можно использовать аналогичные мосты, рассчитанные на ток от 4 А.
Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения используется электролитический конденсатор C8 ёмкостью 330 мкФ и напряжением 400 В. Его ёмкость выбирается по формуле: 1 мкФ на каждый ватт выходной мощности блока питания.
Конденсатор C5 устраняет высокочастотные помехи в первичной цепи блока питания, а C12 помогает снизить помехи, генерируемые самим импульсным источником питания.
Контроллер IR2161 питается через цепь, включающую диод VD1 и резисторы R2 и R3. Эти резисторы выделяют около 2 Вт мощности, что приводит к их нагреву до 70-80°C. Конденсаторы C3 и C4 стабилизируют напряжение питания контроллера и помогают в софт-старте.
Резистор R7 регулирует ток, при котором срабатывает защита от перегрузки и короткого замыкания. Значение его номинала зависит от требуемой выходной мощности блока питания, и для точной настройки можно использовать таблицу, которая определяет сопротивление резистора в зависимости от мощности.
Заключение
В ходе исследования было рассмотрено множество аспектов лабораторных блоков питания, включая их принципы работы, разнообразие типов и их области применения. Мы узнали о ключевых преимуществах и недостатках, присущих различным моделям блоков питания, а также их значении для надежности и стабильности работы электронной техники.