Импульсные блоки питания схемы: Импульсный блок питания своими руками: принцип работы, схемы — ПромБытТех

Импульсный блок питания своими руками: принцип работы, схемы

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Пример миниатюрных импульсных БП

Далее вступает в работу выходной выпрямитель, поскольку он работает с высокочастотным напряжением, для процесса необходимы быстродействующие полупроводниковые элементы, поэтому для этой цели применяют диоды Шоттки.
На завершавшей фазе производится сглаживание на выгодном фильтре, после чего напряжение подается на нагрузку.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

частотно-импульсным;
фазо-импульсным;
широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется U_П пилообразной формы, поступающее на вход компаратора К_ШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал U_УС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности U_П(опорное напряжение) и U_РС(регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал U_УС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (U_OUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала U_РС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

различные виды зарядных устройств;
Зарядки и внешние БП
внешние блоки питания;
электронный балласт для осветительных приборов;
БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
Транзистор VT1 – KT872A.
Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Импульсный блок питания: схемы, принцип работы, особенности

Мы имеем множество различных устройств, подключая которые к сети мы даже не задумываемся о том, какое питание им необходимо. Значительная часть бытовой техники имеет импульсный блок питания. Даже светодиодные или люминесцентные цокольные лампы имеют встроенный источник импульсного питания (ИИП).

Содержание статьи

Что делает импульсный блок питания (ИБП)

В сети напряжение имеет синусоидальную форму. Для некоторых устройств это то что нужно, другим надо постоянное или импульсное напряжение. Вот этим и занимаются источники питания — преобразуют синусоидальную форму в нужную и, чаще всего, это постоянное напряжение. Независимо от формы выходного напряжения блок питания называют импульсным, потому что одна из стадий преобразования — формирование импульсов, которые затем выпрямляются.

Примеры импульсных блоков питания:

Зарядное устройство для телефона или смартфона;
Внешний блок питания ноутбука;
Блок питания компьютера;
Блок питания для светодиодной ленты.

Импульсный блок питания Robiton EN5000S. Предназначен для питания от источника переменного тока 100-240В приборов с напряжением 6,0 / 7,5 / 9,0 / 12,0 / 13,5 / 15 / 16В и максимальным входным током 5000 мА

Есть импульсные источники питания выдающие постоянное напряжение одного номинала. Наиболее распространенные на — 5 В, 12 В или 24 В. Есть устройства, выдающие сразу несколько уровней. Такие, например, стоят в компьютерах. На выходе они формируют сразу 5 В и 12 В. Есть — регулируемые ИИП, при помощи переключателей в них можно задавать выходные параметры (в определенных рамках). Импульсный блок питания может быть в виде отдельного устройства или являться частью какого-то более сложного прибора.

Путь преобразования синусоиды в постоянное напряжение при помощи источника импульсного питания

Если говорить об отдельных ИБП, то самыми распространенными, пожалуй, являются зарядные устройства для телефонов, ноутбуков. Они имеют компактные размеры, так как требуется небольшая мощность. Встроенный импульсный блок питания есть в телевизорах, компьютерах и другой сложной электронике, в некоторых бытовых приборах. Блоки питания бывают линейные (трансформаторные) или импульсные (инверторные).

Инвертор — устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде, или дискретного сигнала.

Оба типа блоков питания преобразуют синусоиду в постоянный ток, но вот путь преобразования разный, да и результаты несколько отличаются. Импульсный блок питания отличается высокой стабильностью работы. Тем не менее трансформаторные источники еще в ходу. Почему? Стоит разобраться.

Чем отличается от трансформаторного блока питания

И трансформаторный (линейный) и импульсный (инверторный) БП выдают на выходе постоянное напряжение. Причем вторые имеют меньшие габариты, более стабильны в работе, часто ниже по цене, да еще и напряжение дают более «качественное» и независящее от параметров исходной синусоиды (а она далеко не идеальная в наших сетях). Так почему же используют и трансформаторные блоки, и импульсные? Чтобы понять, надо знать в чем отличие трансформаторного блока питания от импульсного. А для этого придется разбираться в устройстве и принципах работы. На основании этого можно уяснить основные свойства.

Блок-схемы трансформаторного и импульсного блоков питания

Как работает трансформаторный блок питания

В линейном блоке питания основное преобразование происходит при помощи трансформатора. Его первичная обмотка рассчитана под сетевое напряжение, вторичная обычно понижающая. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П. Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.

Следующий блок — выпрямитель, на котором синусоида сглаживается, превращается в пульсирующее напряжение. Этот блок выполнен на основе выпрямительных диодов. Диод может стоять один, может быть установлен диодный мост (мостовая схема). Разница между ними — в частоте импульсов, которые получаем на выходе. Дальше стоит стабилизатор и фильтр, придающие выходному напряжению нужный уровень и форму. На выходе имеем постоянное напряжение.

Самый простой линейный блок питания с двухполупериодным выпрямителем без стабилизации

Основной недостаток линейных источников питания — большие габариты. Они зависят от размеров трансформатора — чем выше требуется мощность, тем больше размеры блока питания. Нужен еще стабилизатор, который корректирует выходное напряжение, а это еще увеличивает габариты, снижает КПД. Зато это устройство не грозит помехами работающему рядом оборудованию.

Устройство импульсного блока питания и его принцип работы

В импульсном блоке питания преобразование сложнее. На входе стоит сетевой фильтр, задача которого не допустить в сеть высокочастотные колебания, вырабатываемые этим устройством. Они могут повлиять на работу рядом расположенных приборов. Сетевой фильтр в дешевых моделях стоит не всегда, и в этом зачастую кроется проблема с нестабильной работой каких-то устройств, которые мы часто списываем на «падение напряжения в сети».

Далее стоит сглаживающий фильтр, который выпрямляет синусоиду. Полученное на его выходе пилообразное напряжение подается на инвертор, преобразуется в импульсы, имеющие положительную и отрицательную полярность. Их параметры (частота и скважность) задаются при помощи блока управления. Частота обычно выбирается высокой — от 10 кГц до 50 кГц. Именно наличие этой ступени преобразования — генерации импульсов — и дало название этому типу преобразователей.

Блок-схема ИИП с формами напряжения в ключевых точках

Высокочастотные импульсы поступают на трансформатор, который является гальванической развязкой от сети. Трансформаторы эти небольшие, так как с возрастанием частоты сердечники нужны все меньше. Причем сердечник может быть набран из ферромагнитных пластин (в линейных БП должен быть из более дорогой электромагнитной стали).

На выходном выпрямителе биполярные импульсы превращаются в положительные, а выходной фильтр на их основе формирует постоянное напряжение. Основное достоинство ИБП в том, что существует обратная связь, которая позволяет регулировать работу устройства таким образом, чтобы напряжение на выходе было близко к идеалу. Это дает возможность получать стабильные параметры на выходе, независимо от того, что имеем на входе.

Достоинства и недостатки импульсных блоков питания

Для новичков не сразу становится понятным, почему лучше использовать импульсные выпрямители, а не линейные. Дело не только в габаритах и материалоемкости. Дело в более стабильных параметрах, которые выдают импульсные устройства. Качество напряжения на выходе не зависит от качества сетевого напряжения. Для наших сетей это актуально. Но не только это. Такое свойство позволяет использовать импульсный блок питания в сети разных стран. Ведь параметры сетевого напряжения в России, Англии и в некоторых странах Европы отличаются. Не кардинально, но отличается напряжение, частота. А зарядки работают в любой из них — практично и удобно.

Размер тоже имеет значение

Кроме того импульсники имеют высокий КПД — до 98%, что не может не радовать. Потери минимальны, в то время как в трансформаторных много энергии уходит на непродуктивный нагрев. Также ИБП меньше стоят, но при этом надежны. При небольших размерах позволяют получить широкий диапазон мощностей.

Но импульсный блок питания имеет серьезные недостатки. Первый — они создают высокочастотные помехи. Это заставляет ставить на входе сетевые фильтры. И даже они не всегда справляются с задачей. Именно поэтому некоторые устройства, особо требовательные к качеству электропитания, работают только от линейных БП. Второй недостаток — импульсный блок питания имеет ограничение по минимальной нагрузке. Если подключенное устройство обладает мощностью ниже этого предела, схема просто не будет работать.

Схемы импульсных блоков питания

Чтобы понимать, как работает импульсный блок питания, надо разобраться в том, что происходит в каждой его части. Сделать это проще по схемам. Мы приведем только некоторые, так как вариантов и вариаций — море. Схема импульсного блока питания содержит пять обязательных блоков плюс обратная связь. Вот о каждом элементе и поговорим отдельно, Попутно приведем полные схемы ИБП с использованием различной элементной базы.

Вариант импульсного источника питания с выходным напряжением 5 В и 12 В и разной полярности

Входной фильтр

Как мы уже говорили, входной фильтр стоит для того, чтобы в сеть не попали высокочастотные помехи, генерируемые источником питания. В самом простейшем варианте это устройство представляет собой дроссель, который подавляет электромагнитные помехи и два конденсатора, включенных параллельно входу и нагрузке.

Схема простейшего входного фильтра

Конденсаторы используются специальные — X-типа. Икс-конденсаторы были разработаны специально для этих целей. Они выдерживают мгновенные киловольтные всплески напряжения (до 2,5 кВ), гася тем самым помехи между фазой и нейтралью (противофазные помехи). Дроссель — это ферритовый сердечник с намотанными лакированными медными проводами. В нем наводятся токи, нейтрализующие токи помех.

Приведенная выше схема входного фильтра для импульсного источника питания не устраняет помехи, которые возникают между фазой и землей (корпусом) или между нейтралью и корпусом. Для их нейтрализации в схему добавляют два конденсатора Y-типа (которые выдерживают скачки напряжения до 5 кВ). Специальная конструкция Y-конденсатора гарантирует обрыв цепи, а не короткое замыкание, в случае выхода его из строя.

Оба типа конденсаторов (X и Y), который ставят во входных фильтрах, выполняют из специальных негорючих материалов, так как они могут греться до очень высоких температур и могут стать причиной пожара. Именно в этом, да еще в конструктивных особенностях кроется причина их высокой стоимости (по сравнению с обычными).

Схема для компенсации всех типов помех

Но для корректной работы этой схемы необходимо рабочее заземление. Его надо подключить к корпусу блока питания. Без заземления, корпус блока питания будет находиться под напряжением около 110 В. Ток будет очень маленьким, но прикосновения будут ощутимы.

Сетевой выпрямитель и сглаживающий фильтр

Как уже сказано выше, выпрямитель проводит предварительное выпрямление синусоиды. Если установлен один диод, он отсекает нижние (отрицательные) полуволны.

Сравнение однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя. При использовании одного диода низкий КПД и большая пульсация выпрямленного напряжения. По этим причинам предпочтительней мостовая схема на четырех диодах

В самом простом случае выпрямитель — диод Шоттки, но может использоваться и диодный мост с параллельно подключенным конденсатором. Для диодных мостов часто применяют обычные диоды типа 1N4007, но лучше все-таки устанавливать все те же диоды Шоттки. Они «быстрее», так что можно получить лучше результаты на выходе.

Несколько схем фильтров разной степени сложности

Один диод ставят в блоках питания к недорогой технике. На его выходе напряжение имеет вид идущих с некоторыми промежутками положительных полуволн. На выходе диодного моста пульсации намного ниже, так что такой выпрямитель ставят для более требовательных к питанию приборов. Пульсирующее напряжение с выхода диода/диодного моста подается на конденсатор (он должен быть рассчитан на напряжение 270-400 В), который из полуволн делает «зубчики». Тут уже получаем более-менее стабильное постоянное напряжение.

Инвертор или блок ключей

На следующем блоке выпрямленное напряжение преобразуется в импульсы. Частота импульсов высокая — от 10 до 50 кГц. Есть два способа реализации этих блоков: при помощи микросхем, на основе автогенератора (блокинг-генератора).

Еще одна блок-схема ИИП

Во втором случае используется пара транзисторов, которые включаются попеременно, формируя на выходе последовательность импульсов. Частота переключений задается генератором. Такие схемы встречаются и сейчас, но большинство реализуется на микросхемах.

Пример схемы инвертора на транзисторах

Если есть микросхема, зачем городить огород из нескольких десятков деталей. Тем более, что требуемый тип микросхем широко распространен и стоит немного. Это так называемые ШИМ-контроллеры ( TL494, UC384х, Dh421, TL431, IR2151, IR2153 и др). К этим микросхемам надо добавить всего-лишь пару полевых транзисторов и несколько мелких деталей и получим требуемый инвертор.

Схема ИИП с ШИМ контроллером для обратноходового и полумостового преобразователей

ШИМ-контроллер отлично встраивается в любой тип схем. Он совместим с обратноходовыми, полумостовыми и мостовыми схемами выпрямителей. Естественно, отличается количество элементов, но все они простые и доступные.В обратноходовых схемах транзисторы должны быть рассчитаны на более высокое напряжение, чем подается на вход.

Устройство импульсного источника напряжения с ШИМ контроллером и двухтактным и мостовым выпрямителем

По полумостовым схемам построены импульсные блоки питания в осветительных приборах, в энергосберегающих и светодиодных лампах, электронный балласт для люминисцентных ламп (ЭПРА). Мостовые схемы применяют в более мощных блоках. Например, в сварочных инверторах.

Есть и более «серьезные» контроллеры, которые параллельно с работой, проверяют параметры входного и выходного напряжения и, при неисправностях, просто блокируют свою работу. Так как в импульсном блоке питания этот компонент, обычно, самый дорогой, это очень неплохо. Заменив неисправные детали (обычно резисторы или конденсаторы), получаем рабочий агрегат.

Силовой трансформатор

Узел трансформатора на блоке питания является одним из самых стабильных. В этом блоке, кроме самого трансформатора, содержится небольшая группа элементов которая нейтрализует выброс тока, который возникает на обмотках трансформатора при смене полярностей. Эта группа называется «снаббер».

Рассматриваемый блок обведен красным, а снаббер — зеленым

Трансформатор — один из самых надежных элементов. В нем очень редко возникают проблемы. Он может повредиться при пробое инвертора. В этом случае через обмотку течет слишком высокий ток, который и выводит из строя трансформатор.

Схема блока силового трансформатора для ИИП

Работает все это следующим образом:

На первом такте работы импульсного источника питания открыт ключ ВТ1 (полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа). Ток течет через первичную обмотку трансформатора, заряд накапливается в сердечнике.
На втором такте ключ закрывается, ток течет во вторичной обмотке через диод VD2.
При переключении на первичной обмотке возникает выброс, который вызван неидеальностью деталей. Тут в работу вступает снаббер. Его задача поглотить этот выброс, так как напряжение может быть достаточно большим и может повредить ключевой транзистор, что приведет к неработоспособности схемы. Ток выброса течет через первичную обмотку трансформатора, диод VD1, через сопротивление R1 и емкость C2.
Далее полярность снова меняется, вступает в работу ключ ВТ1.

Номиналы выбираются исходя из параметров трансформатора. Подбор сложный, так что описывать его не имеет смысла. И еще: не во всех схемах есть снаббер, но его наличие увеличивает надежность и стабильность работы импульсного источника питания.

Несколько слов о диодах, которые используют в снабберах. Это может быть обычный диод, подобранный по параметрам, но более надежны схемы со стабилитроном. Еще может быть вариант без резистора и емкости, но с включенным навстречу супрессором (на схеме ниже).

Еще один вариант блока силового трансформатора с использованием супрессора (защитного диода) D1

Супрессор — это защитный диод, принцип работы похож на стабилитрон, вот только выравнивается импульсный ток и рассеиваемая мощность. Может быть несимметричный и симметричным.

Выходной выпрямитель и фильтр, стабилизатор

На этом, можно считать со схемой импульсного блока питания разобрались, так как выходные выпрямитель и фильтр устроены по тому же принципу. Элементы могут быть другие, а схемы те же. Единственное, что еще стоит рассмотреть — стабилизация выходных параметров. Это опционная часть, но такой импульсный блок питания более надежен.

Наиболее простой и дешевый способ стабилизации используется в дешевых блоках питания — обратная связь на пассивных элементах. На схеме ниже, это два резистора R6 и R7, подключенные к вспомогательной обмотке силового трансформатора. Не слишком надежно, потому что есть влияние между обмотками, но просто и недорого.

Простой способ стабилизации

Второй вариант стабилизатора выходного напряжения сделан на стабилизаторе VD9 и оптроне HL1. Выходное напряжение складывается из падения на стабилитроне и напряжения на оптроне. Это чуть более надежная схема для ИИП средней мощности.

Стабилизация выхода ИИП при помощи стабилитрона и оптрона

Наиболее стабильные выходные показатели имеют схемы ИИП со стабилизатором TL431.

TL431 — интегральная схема трёхвыводного регулируемого параллельного стабилизатора напряжения с улучшенной температурной стабильностью. С внешним делителем TL431 способна стабилизировать напряжения от 2,5 до 36 В при токах до 100 мА.

ИБП с использованием микросхемы TL431 более сложные, но надежные. В таких схемах может быть подстроечный переменный резистор, который позволяет изменять выходное напряжение в небольших пределах. Обычно подстройка составляет не более 20%, так как в противном случае схема может быть нестабильной.

Схема со стабильным напряжением на выходе

Если подстройка выходного напряжения не нужна, лучше подстроечный резистор заменить обычным, так как переменные менее надежны.

Пару слов о резисторе R20 (см. схему выше), который стоит на выходе. Это так называемый, нагрузочный резистор. Как известно ИИП не будет работать без нагрузки. Поэтому на выходе и ставят сопротивление, которое обеспечивает минимальную рабочую нагрузку. Но это решение неидеально, так как резистор греется и порой очень сильно. Располагать рядом конденсаторы крайне нежелательно, иначе подогреваются и они. А в качестве выходного сопротивления должны стоять высокоточные резисторы, так как они при нагреве мало меняют свои параметры (блок выдает стабильное напряжение даже при длительной работе).

Импульсные источники питания, теория и простые схемы

Импульсный источник питания — это инверторная система, в которой входное переменное напряжение выпрямляется, а потом полученное постоянное напряжение преобразуется в импульсы высокой частоты и установленой скважности, которые как правило, подаются на импульсный трансформатор.

Импульсные трансформаторы изготавливаются по такому же принципу, как и низкочастотные трансформаторы, только в качестве сердечника используется не сталь (стальные пластины), а феромагнитные материалы — ферритовые сердечники.

Рис. Как работает импульсный источник питания.

Выходное напряжение импульсного источника питания стабилизировано, это осуществляется посредством отрицательной обратной связи, что позволяет удерживать выходное напряжение на одном уровне даже при изменении входного напряжения и нагрузочной мощности на выходе блока.

Обратная отрицательная связь может быть реализована при помощи одной из дополнительных обмоток в импульсном трансформаторе, или же при помощи оптрона, который подключается к выходным цепям источника питания. Использование оптрона или же одной из обмоток трансформатора позволяет реализовать гальваническую развязку от сети переменного напряжения.

Основные плюсы импульсных источников питания (ИИП):

малый вес конструкции;

небольшие размеры;

большая мощность;

высокий КПД;

низкая себестоимость;

высокая стабильность работы;

широкий диапазон питающих напряжений;

множество готовых компонентных решений.

К недостаткам ИИП можно отнести то что такие блоки питания являются источниками помех, это связано с принципом работы схемы преобразователя. Для частичного устранения этого недостатка используют экранировку схемы. Также из-за этого недостатка в некоторых устройствах применение данного типа источников питания является невозможным.

Импульсные источники питания стали фактически непременным атрибутом любой современной бытовой техники, потребляющей от сети мощность свыше 100 Вт. В эту категорию попадают компьютеры, телевизоры, мониторы.

Для создания импульсных источников питания, примеры конкретного воплощения которых будут приведены ниже, применяются специальные схемные решения.

Так, для исключения сквозных токов через выходные транзисторы некоторых импульсных источников питания используют специальную форму импульсов, а именно, биполярные импульсы прямоугольной формы, имеющие между собой промежуток во времени.

Продолжительность этого промежутка должна быть больше времени рассасывания неосновных носителей в базе выходных транзисторов, иначе эти транзисторы будут повреждены. Ширина управляющих импульсов с целью стабилизации выходного напряжения может изменяться с помощью обратной связи.

Обычно для обеспечения надежности в импульсных источниках питания используют высоковольтные транзисторы, которые в силу технологических особенностей не отличаются в лучшую сторону (имеют низкие частоты переключения, малые коэффициенты передачи по току, значительные токи утечки, большие падения напряжения на коллекторном переходе в открытом состоянии).

Особенно это касается устаревших ныне моделей отечественных транзисторов типа КТ809, КТ812, КТ826, КТ828 и многих других. Стоит сказать, что в последние годы появилась достойная замена биполярным транзисторам, традиционно используемых в выходных каскадах импульсных источников питания.

Это специальные высоковольтные полевые транзисторы отечественного, и, главным образом, зарубежного производства. Кроме того, существуют многочисленные микросхемы для импульсных источников питания.

Схема генератора импульсов регулируемой ширины

Биполярные симметричные импульсы регулируемой ширины позволяет получить генератор импульсов по схеме на рис.1. Устройство может быть использовано в схемах авторегулирования выходной мощности импульсных источников питания. На микросхеме DD1 (К561ЛЕ5/К561 ЛАТ) собран генератор прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2.

Симметрии генерируемых импульсов добиваются регулировкой резистора R1. Рабочую частоту генератора (44 кГц) при необходимости можно изменить подбором емкости конденсатора С1.

Рис. 1. Схема формирователя биполярных симметричных импульсов регулируемой длительности.

На элементах DA1.1, DA1.3 (К561КТЗ) собраны компараторы напряжения; на DA1.2, DA1.4 — выходные ключи. На входы компараторов-ключей DA1.1, DA1.3 в противофазе через формирующие RC-диодные цепочки (R3, С2, VD2 и R6, C3, VD5) подаются прямоугольные импульсы.

Заряд конденсаторов С2, C3 происходит по экспоненциальному закону через R3 и R5, соответственно; разряд — практически мгновенно через диоды VD2 и VD5. Когда напряжение на конденсаторе С2 или C3 достигнет порога срабатывания компараторов-ключей DA1.1 или DA1.3, соответственно, происходит их включение, и резисторы R9 и R10, а также управляющие входы ключей DA1.2 и DA1.4 подключаются к положительному полюсу источника питания.

Поскольку включение ключей производится в противофазе, такое переключение происходит строго поочередно, с паузой между импульсами, что исключает возможность протекания сквозного тока через ключи DA1.2 и DA1.4 и управляемые ими транзисторы преобразователя, если генератор двухполярных импульсов используется в схеме импульсного источника питания.

Плавное регулирование ширины импульсов осуществляется одновременной подачей стартового (начального) напряжения на входы компараторов (конденсаторы С2, C3) с потенциометра R5 через диодно-ре-зистивные цепочки VD3, R7 и VD4, R8. Предельный уровень управляющего напряжения (максимальную ширину выходных импульсов) устанавливают подбором резистора R4.

Сопротивление нагрузки можно подключить по мостовой схеме — между точкой соединения элементов DA1.2, DA1.4 и конденсаторами Са, Сb. Импульсы с генератора можно подать и на транзисторный усилитель мощности.

При использовании генератора двухполярных импульсов в схеме импульсного источника питания в состав резистивного делителя R4, R5 следует включить регулирующий элемент — полевой транзистор, фотодиод оптрона и т.д., позволяющий при уменьшении/увеличении тока нагрузки автоматически регулировать ширину генерируемого импульса, управляя тем самым выходной мощностью преобразователя.

В качестве примера практической реализации импульсных источников питания приведем описания и схемы некоторых из них.

Схема испульсного источника питания

Импульсный источник питания (рис. 2) состоит из выпрямителей сетевого напряжения, задающего генератора, формирователя прямоугольных импульсов регулируемой длительности, двухкаскадного усилителя мощности, выходных выпрямителей и схемы стабилизации выходного напряжения.

Задающий генератор выполнен на микросхеме типа К555ЛАЗ (элементы DD1 .1, DD1 .2) и вырабатывает прямоугольные импульсы частотой 150 кГц. На элементах DD1.3, DD1.4 собран RS-триггер, на выходе которого частота вдвое меньше — 75 кГц. Узел управления длительностью коммутирующих импульсов реализован на микросхеме типа К555ЛИ1 (элементы DD2.1, DD2.2), а регулировка длительности осуществляется с помощью оптрона U1.

Выходной каскад формирователя коммутирующих импульсов собран на элементах DD2.3, DD2.4. Максимальная мощность на выходе формирователя импульсов достигает 40 мВт. Предварительный усилитель мощности выполнен на транзисторах VT1, VT2 типа КТ645А, а оконечный — на транзисторах VT3, VT4 типа КТ828 или более современных. Выходная мощность каскадов — 2 и 60…65 Вт, соответственно.

На транзисторах VT5, VT6 и оптроне U1 собрана схема стабилизации выходного напряжения. Если напряжение на выходе источника питания ниже нормы (12 В), стабилитроны VD19, VD20 {КС182+КС139) закрыты, транзистор VT5 закрыт, транзистор VT6 открыт, через светодиод (U1.2) оптрона протекает ток, ограниченный сопротивлением R14; сопротивление фотодиода (U1.1) оптрона минимально.

Сигнал, снимаемый с выхода элемента DD2.1 и поступающий на входы схемы совпадения DD2.2 напрямую и через регулируемый элемент задержки (R3 — R5, С4, VD2, U1.1), в силу его малой постоянной времени поступает практически одновременно на входы схемы совпадения (элемент DD2.2).

На выходе этого элемента формируются широкие управляющие импульсы. На первичной обмотке трансформатора Т1 (выходах элементов DD2.3, DD2.4) формируются двухполярные импульсы регулируемой длительности.

Рис. 2. Схема импульсного источника питания.

Если по какой-либо причине напряжение на выходе источника питания будет увеличиваться сверх нормы, через стабилитроны VD19, VD20 начнет протекать ток, транзистор VT5 приоткроется, VT6 — закроется, уменьшая ток через светодиод оптрона U1.2.

При этом возрастает сопротивление фотодиода оптрона U1.1. Длительность управляющих импульсов уменьшается, и происходит уменьшение выходного напряжения (мощности). При коротком замыкании нагрузки светодиод оптрона гаснет, сопротивление фотодиода оптрона максимально, а длительность управляющих импульсов — минимальна. Кнопка SB1 предназначена для запуска схемы.

При максимальной длительности положительные и отрицательные управляющие импульсы не перекрываются во времени, поскольку между ними существует временная просечка, обусловленная наличием резистора R3 в формирующей цепи.

Тем самым снижается вероятность протекания сквозных токов через выходные относительно низкочастотные транзисторы оконечного каскада усиления мощности, которые имеют большое время рассасывания избыточных носителей на базовом переходе. Выходные транзисторы установлены на ребристые теплоотводящие радиаторы с площадью не менее 200 см^2.2, вторичная обмотка имеет 3×6 витков провода ПЭВ-2 1,28 мм (параллельное включение). При подключении обмоток трансформаторов необходимо правильно их фазировать. Начала обмоток показаны на рисунке звездочками.

Источник питания работоспособен в диапазоне изменения сетевого напряжения 130…250 В. Максимальная выходная мощность при симметричной нагрузке достигает 60…65 Вт (стабилизированное напряжение положительной и отрицательной полярности 12 S и стабилизированное напряжение переменного тока частотой 75 кГц, снимаемые,со вторичной обмотки трансформатора Т3). Напряжение пульсаций на выходе источника питания не превышает 0,6 В.

При налаживании источника питания сетевое напряжение на него подают через разделительный трансформатор или фер-рорезонансный стабилизатор с изолированным от сети выходом. Все перепайки в источнике допустимо производить только при полном отключении устройства от сети.

Последовательно с выходным каскадом на время налаживания устройства рекомендуется включить лампу накаливания 60 Вт на 220 В. Эта лампа защитит выходные транзисторы в случае ошибок в монтаже. Оптрон U1 должен иметь напряжение пробоя изоляции не менее 400 В. Работа устройства без нагрузки не допускается.

Сетевой импульсный источник питания

Сетевой импульсный источник питания (рис. 3) разработан для телефонных аппаратов с автоматическим определителем номера или для других устройств с потребляемой мощностью 3…5Вт, питаемых напряжением 5…24В.

Источник питания защищен от короткого замыкания на выходе. Нестабильность выходного напряжения не превышает 5% при изменении напряжения питания от 150 до 240 В и тока нагрузки в пределах 20… 100% от номинального значения.

Управляемый генератор импульсов обеспечивает на базе транзистора VT3 сигнал частотой 25…30 кГц.

Дроссели L1, L2 и L3 намотаны на магнитопроводах типа К10x6x3 из пресспермаллоя МП140. Обмотки дросселя L1, L2 содержат по 20 витков провода ПЭТВ 0,35 мм и расположены каждая на своей половине кольца с зазором между обмотками не менее 1 мм.

Дроссель L3 наматывают проводом ПЭТВ 0,63 мм виток к витку в один слой по внутреннему периметру кольца. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Б22 из феррита М2000НМ1.

Рис. 3. Схема сетевого импульсного источника питания.

Его обмотки наматывают на разборном каркасе виток к витку проводом ПЭТВ и пропитывают клеем. Первой наматывают в несколько слоев обмотку I, содержащую 260 витков провода 0,12 мм. Таким же проводом наматывают экранирующую обмотку с одним выводом (на рис. 3 показана пунктирной линией), затем наносят клей БФ-2 и обматывают одним слоем лакот-кани.

Обмотку III наматывают проводом 0,56 мм. Для выходного напряжения 5В она содержит 13 витков. Последней наматывают обмотку II. Она содержит 22 витка провода 0,15…0,18 мм. Между чашками обеспечивают немагнитный зазор.

Высоковольтный источник постоянного напряжения

Для создания высокого напряжения (30…35 кВ при токе нагрузки до 1 мА) для питания электроэффлювиальной люстры (люстры А. Л. Чижевского) предназначен источник питания постоянного тока на основе специализированной микросхемы типа К1182ГГЗ.

Источник питания состоит из выпрямителя сетевого напряжения на диодном мосте VD1, конденсатора фильтра С1 и высоковольтного полумостового автогенератора на микросхеме DA1 типа К1182ГГЗ. Микросхема DA1 совместно с трансформатором Т1 преобразует постоянное выпрямленное сетевое напряжение в высокочастотное (30…50 кГц) импульсное.

Выпрямленное сетевое напряжение поступает на микросхему DA1, а стартовая цепочка R2, С2 запускает автогенератор микросхемы. Цепочки R3, C3 и R4, С4 задают частоту генератора. Резисторы R3 и R4 стабилизируют длительность полупериодов генерируемых импульсов. Выходное напряжение повышается обмоткой L4 трансформатора и подается на умножитель напряжения на диодах VD2 — VD7 и конденсаторах С7 — С12. Выпрямленное напряжение подается на нагрузку через ограничительный резистор R5.

Конденсатор сетевого фильтра С1 рассчитан на рабочее напряжение 450 В (К50-29), С2 — любого типа на напряжение 30 В. Конденсаторы С5, С6 выбирают в пределах 0,022…0,22 мкФ на напряжение не менее 250 В (К71-7, К73-17). Конденсаторы умножителя С7 — С12 типа КВИ-3 на напряжение 10 кВ. Возможна замена на конденсаторы типов К15-4, К73-4, ПОВ и другие на рабочее напряжение 10кB или выше.

Рис. 4. Схема высоковольтного источника питания постоянного тока.

Высоковольтные диоды VD2 — VD7 типа КЦ106Г (КЦ105Д). Ограничительный резистор R5 типа КЭВ-1. Его можно заменить тремя резисторами типа МЛТ-2 по 10 МОм.

В качестве трансформатора используется телевизионный строчный трансформатор, например, ТВС-110ЛА. ВЬюоковольтную обмотку оставляют, остальные удаляют и на их месте размещают новые обмотки. Обмотки L1, L3 содержат по 7 витков провода ПЭЛ 0,2 мм, а обмотка L2 — 90 витков такого же провода.

Цепочку резисторов R5, ограничивающих ток короткого замыкания, рекомендуется включить в «минусовой» провод, который подводится к люстре. Этот провод должен иметь вьюоко-вольтную изоляцию.

Корректор коэффициента мощности

Устройство, именуемое корректором коэффициента мощности (рис. 5), собрано на основе специализированной микросхемы TOP202YA3 (фирма Power Integration) и обеспечивает коэффициент мощности не менее 0,95 при мощности нагрузки 65 Вт. Корректор приближает форму тока, потребляемую нагрузкой, к синусоидальной.

Рис. 5. Схема корректора коэффициента мощности на микросхеме TOP202YA3.

Максимальное напряжение на входе — 265 В. Средняя частота преобразователя — 100 кГц. КПД корректора — 0,95.

Импульсный источник питания с микросхемой

Схема источника питания с микросхемой той же фирмы Power Integration показана на рис. 6. В устройстве применен полупроводниковый ограничитель напряжения — 1,5КЕ250А.

Преобразователь обеспечивает гальваническую развязку выходного напряжения от напряжения сети. При указанных на схеме номиналах и элементах устройство позволяет подключать нагрузку, потребляющую 20 Вт при напряжении 24 В. КПД преобразователя приближается к 90%. Частота преобразования — 100 Гц. Устройство защищено от коротких замыканий в нагрузке.

Рис. 6. Схема импульсного источника питания 24В на микросхеме фирмы Power Integration.

Выходная мощность преобразователя определяется типом используемой микросхемы, основные характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики микросхем серии TOP221Y — TOP227Y.

Тип микросхемы	Рmax, Вт	Ток срабатывания защиты, А	Сопротивление открытого транзистора, Ом
TOP221Y	7	0,25	31,2
T0P222Y	15	0,5	15,6
T0P223Y	30	1	7,8
T0P224Y	45	1,5	5,2
T0P225Y	60	2	3,9
T0P226Y	75	2,5	3,1
T0P227Y	90	3	2,6

Простой и высокоэффективный преобразователь напряжения

На основе одной из микросхем ТОР200/204/214 фирмы Power Integration может быть собран простой и высокоэффективный преобразователь напряжения (рис. 7) с выходной мощностью до 100 Вт.

Рис. 7. Схема импульсного Buck-Boost преобразователя на микросхеме ТОР200/204/214.

Преобразователь содержит сетевой фильтр (С1, L1, L2), мостовой выпрямитель (VD1 — VD4), собственно сам преобразователь U1, схему стабилизации выходного напряжения, выпрямители и выходной LC-фильтр.

Входной фильтр L1, L2 намотан в два провода на феррито-вом кольце М2000 (2×8 витков). Индуктивность полученной катушки — 18…40 мГн. Трансформатор Т1 выполнен на ферритовом сердечнике со стандартным каркасом ETD34 фирмы Siemens или Matsushita, хотя можно использовать и иные импортные сердечники типа ЕР, ЕС, EF или отечественные Ш-образные ферритовые сердечники М2000.

Обмотка I имеет 4×90 витков ПЭВ-2 0,15 мм; II — 3×6 того же провода; III — 2×21 витков ПЭВ-2 0,35 мм. Все обмотки наматывают виток к витку. Между слоями должна быть обеспечена надежная изоляция.

Источник: Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения (2002).

Исправления: в схеме на рисунке 3 для катушки L2 изменена точка, указывающая начало намотки.

Как работают импульсные блоки питания: 7 правил

Домашний мастер часто сталкивается с поломками сложной бытовой техники из-за отказов ее электрической схемы. Не всегда удается сразу выполнить такой ремонт. Часто требуются знания про импульсные блоки питания, принципы работы их составных частей.

Такие работники популярны, всегда востребованы, заслуживают уважения. Однако не все так сложно в этом вопросе, как кажется на первый взгляд.

Я выделил 7 правил, по которым работает любой ИБП, постарался объяснить их простыми словами для новичков. А что получилось — оценивайте сами.

Содержание статьи

Блоки питания — это электротехнические устройства, которые изменяют характеристики промышленной электроэнергии до уровня параметров, необходимых для работы конечных механизмов.

Они подразделяются на трансформаторные и импульсные изделия.

Силовой трансформатор понижает входное напряжение и одновременно обеспечивает гальваническую развязку между электрической энергией первичной и вторичной цепи.

Трансформаторные модули тратят значительную часть мощности на электромагнитные преобразования и нагрев, имеют повышенные габариты, вес.

Импульсные блоки питания: как работает структурная схема и взаимодействуют ее части — краткое пояснение

Правило №1 всех ИБП: чем выше рабочая частота, тем лучше. Преобразование электроэнергии выполняется не на промышленных 50 герц, а на более высоких сигналах в пределах 1÷100кГц.

За счет этого снижаются потери и общий вес всех элементов, но усложняется технология. Принципы работы импульсного блока питания помогает понять его структурная схема.

Показываю ее составные части прямоугольниками, связи стрелками, а форму выходного сигнала из каждого блока — мнемонической фигурой преобразованного напряжения (темно синий цвет сверху).

Сетевой фильтр пропускает через себя промышленную синусоиду. Одновременно он отделяет из нее все посторонние помехи.

Очищенная от помех синусоида поступает на выпрямитель со сглаживающим фильтром. Он превращает полученную гармонику в сигнал напряжения строго постоянной формы действующей величины.

Следующим этапом начинается работа инвертора. Он из постоянного стабилизированного сигнала формирует высокочастотные колебания уже не синусоидальной, а практически строго прямоугольной формы.

Преобразованная в подобный вид электрическая энергия поступает на силовой высокочастотный трансформатор, который, как и обычный аналоговый, видоизменяет ее на пониженное напряжение с увеличенным током.

После силового трансформатора наступает очередь работы выходного выпрямителя.

Заключительным звеном работает сглаживающий выходной фильтр. После него на блок управления бытового прибора поступает стабилизированное напряжение постоянной величины.

Качество работы импульсного блока поддерживается за счет создания в рабочем состоянии обратной связи, реализованной в блоке управления инвертора. Она компенсирует все посадки и броски напряжения, вызываемые колебаниями входной величины или коммутациями нагрузок.

Пример монтажа деталей показан на фотографии платы импульсного блока питания ниже.

Сетевой выпрямитель имеет в своем составе предохранитель на основе плавкой вставки, диодный мост, электромеханический фильтр, набор дросселей, конденсаторы развязки со статикой.

Накопительная емкость сглаживает пульсации.

Генератор инвертора на основе силового ключевого транзистора
в комплекте с импульсным трансформатором выдает напряжение на выходной
выпрямитель с диодами, конденсаторами и дросселями.

Оптопара в узле обратной связи обеспечивает оптическую развязку электрических сигналов.

Разберем все эти части подробнее.

Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций

Правило №2: у качественных ИБП в конструкции блока должен работать надежный фильтр в/ч сигналов.

Важно понимать, что импульсы высокой частоты играют двоякую роль:

в/ч помехи могут приходить из бытовой сети в блок питания;
импульсы высокочастотного тока генерируются встроенным преобразователем и выходят из него в домашнюю проводку.

Причины появления помех в бытовой сети:

апериодические составляющие переходных процессов, возникающие от коммутации мощных нагрузок;
работы близкорасположенных приборов с сильными электромагнитными полями, например, сварочных аппаратов, мощных тяговых электродвигателей, силовых трансформаторов;
последствия погашенных импульсов атмосферных разрядов и других факторов, включая наложение высокочастотных гармоник.

Помехи ухудшают работу радиоэлектронной аппаратуры, мобильных устройств и цифровых гаджетов. Их необходимо подавлять и блокировать внутри конструкции импульсного блока питания.

Основу фильтра составляет дроссель, выполненный двумя обмотками на одном сердечнике.

Дроссели могут быть выполнены разными габаритами, намотаны толстой или тонкой проволокой на больших или маленьких сердечниках.

Начинающему мастеру достаточно запомнить простое правило: лучше работает фильтр с дросселем большого магнитопровода, увеличенным числом витков и поперечным сечением проволоки. (Принцип: чем больше — тем и лучше.)

Дроссель обладает индуктивным сопротивлением, которое резко ограничивает высокочастотный сигнал, протекающий по проводу фазы или нуля. В то же время оно не оказывает особого влияния на ток бытовой сети.

Работу дросселя эффективно дополняют емкостные сопротивления.

Конденсаторы подобраны так, что закорачивают ослабленные дросселем в/ч сигналы помех, направляя их на потенциал земли.

Принцип работы фильтра в/ч помех от проникновения на блок питания входных сигналов показан на картинке ниже.

Между потенциалами земли с нулем и фазой устанавливают Y конденсаторы. Их конструктивная особенность — они при пробое не способны создать внутреннее короткое замыкание и подать 220 вольт на корпус прибора.

Между цепями фазы и нуля ставят конденсаторы, способные выдерживать 400 вольт, а лучше — 630. Они обычно имеют форму параллепипеда.

Однако следует хорошо представлять, что ИБП в преобразователе напряжения сами выправляют сигнал и помехи им практически не мешают. Поэтому такая система актуальна для обычных аналоговых блоков со стабилизацией выходного сигнала.

У импульсного блока питания важно предотвратить выход в/ч помех в бытовую сеть. Эту возможность реализует другое решение.

Как видите, принцип тот же. Просто емкостные сопротивления всегда располагаются по пути движения помехи за дросселем.

Третья схема в/ч фильтра считается универсальной. Она объединила элементы первых двух. Y конденсаторы в ней просто работают с двух сторон каждого дросселя.

У самых дорогих и надежных устройств используется сложный фильтр с дополнительно подключенными дросселями и конденсаторами.

Сразу же показываю схему расположения фильтров на всех цепочках блока питания: входе и выходе.

Обратите внимание, что на кабель, выходящий из ИБП и подключаемый к электронному прибору, может быть дополнительно установлен ферритовый фильтр, состоящий из двух разъемных полуцилиндров или выполненный цельной конструкцией.

Примером его использования является импульсный блок питания ноутбука. Это уже четвертый вариант применения фильтра.

Сетевой выпрямитель напряжения: самая популярная конструкция

Правило №3: после выхода с фильтра напряжение подается на схему выпрямителя, состоящего в базовой версии из диодного моста и электролитического конденсатора.

В ходе электрического преобразования форма синусоиды, состоящая из полуволн противоположных знаков, вначале меняется на сигнал положительного направления после диодной сборки, а затем эти пульсации сглаживаются до практически постоянной амплитудной величины 311 вольт.

Такой сетевой выпрямитель напряжения заложен в работу всех блоков питания.

Преобразователь импульсного напряжения: объяснение простыми словами с поясняющими картинками

Правило №4: выпрямленный сигнал подвергается широтно-импульсной модуляции на силовом ключе под управлением ШИМ контроллера.

Силовой ключ выполняется первичной обмоткой высокочастотного трансформатора. Для эффективной трансформации в/ч импульсов до 100 килогерц конструкцию магнитопровода делают из альсифера или ферритов.

На обмотку трансформатора от цепей управления через в/ч транзистор поступают импульсы сигналов в несколько десятков килогерц.

Прямоугольные импульсы тока подаются по времени, чередуются с паузами, обозначаются единицей (1) и нулем (0).

Продолжительность протекания импульса или его ширина в каждый момент низкочастотного синусоидального напряжения соответствует его амплитуде: чем она больше, тем шире ШИМ. И наоборот.

ШИМ контроллер отслеживает величину подключенной нагрузки на выходе импульсного блока питания. По ее значению он вырабатывает импульсы, кратковременно открывающие силовой транзистор.

Если подключенная к ИБП мощность начинает возрастать, то схема управления увеличивает длительность импульсов управления, а когда она снижается, то — уменьшает.

За счет работы этой конструкции производится стабилизация напряжения на выходе блока в строго определенном диапазоне.

Импульсный трансформатор: принцип работы одного импульса в 2 такта

Правило №5: импульсный трансформатор для блока питания передает каждый ШИМ импульс за счет двух преобразований электромагнитной энергии.

Во время преобразования электрической энергии в магнитную и обратно в электрическую с пониженным напряжением обеспечивается гальваническое разделение первичных входных цепей с вторичной выходной схемой.

Каждый ШИМ импульс тока, поступающий при кратковременном открытии силового транзистора, протекает по замкнутой цепи первичной обмотки трансформатора.

Его энергия расходуется:

вначале на намагничивание сердечника магнитопровода;
затем на его размагничивание с протеканием тока по вторичной обмотке и дополнительной подзарядкой конденсатора.

По этому принципу каждый ШИМ импульс из первичной сети подзаряжает накопительный конденсатор.

Генераторы ИБП могут работать по простой однотактной или более сложной двухтактной технологии построения.

Однотактная схема импульсного блока питания: состав и принцип работы

На стороне 220 расположены: предохранитель, выпрямительный диодный мост, сглаживающий конденсатор, биполярный транзистор, цепочки колебательного контура и коллекторного тока, а также обмотки импульсного трансформатора.

Однотактная схема импульсного блока питания создается для передачи мощности 10÷50 ватт, не более. По ней изготавливают зарядные устройства мобильных телефонов, планшетов и других цифровых гаджетов.

В выходной цепочке трансформатора используется выпрямительный диод Д7. Он может быть включен в прямом направлении, как показано на картинке, или обратно, что важно учитывать.

При прямом включении импульсный трансформатор накапливает индуктивную энергию и передает ее в выходную цепь к подключенной нагрузке с задержкой по времени.

Если диод включен обратно, то трансформация энергии из первичной схемы во вторичную цепь происходит во время закрытого состояния транзистора.

Однотактная схема ИБП отмечается простотой конструкции, но большими амплитудами напряжения, приложенными к виткам первичной обмотки импульсного трансформатора.

Их защита осуществляется дополнительными цепочками из
резисторов R2÷R4 и конденсаторов С2, С3.

Двухтактная схема импульсного блока питания: 3 варианта исполнения

Более высокий КПД и пониженные потери мощности являются неоспоримыми преимуществами этих ИБП по сравнению с однотактными моделями.

Простейший вариант исполнения двухполупериодной методики показан на картинке.

Если в нее дополнительно подключить два диода и один сглаживающий конденсатор, то на этом же трансформаторе получается двухполярная схема.

Она распространена в усилителях мощности, работает по обратноходовому принципу. В ней через каждую емкость протекают меньшие токи, обеспечивающие повышенный ресурс конденсаторов при эксплуатации.

Продлить ресурс работы электролитических конденсаторов в ИБП можно заменой одного большой мощности несколькими составными. Ток будет распределяться по всем, что вызовет меньший нагрев. А отвод тепла с каждого отдельного происходит лучше.

Прямоходовая схема блока питания имеет в своей конструкции дроссель, который выполняет функцию накопления энергии. Для этого два диода направляют поступающие импульсы ШИМ на его вход в одной полярности.

Дроссель этих устройств изготавливается большими габаритами и устанавливается отдельно внутри платы ИБП. Он дополняет работу накопительного конденсатора.

Это наглядно видно по верхней форме сигнала, показанного осциллограммой выпрямления одного и того же блока без дросселя и с ним.

Прямоходовая схема используется в мощных блоках питания, например, внутри компьютера.

В ней выпрямлением тока занимаются диоды Шоттки. Их применяют за счет:

уменьшенного падения напряжения на прямом включении;
и повышенного быстродействия во время обработки высокочастотных импульсов.

3 схемы силовых каскадов двухтактных ИБП

По порядку сложности их исполнения генераторы выполняют по:

полумостовому;
мостовому;
или пушпульному принципу построения выходного каскада.

Полумостовая схема импульсного блока питания: обзор

Конденсаторы С1, С2 собраны последовательно емкостным делителем. На него и переходы коллектор-эмиттер транзисторов Т1, Т2 подается напряжение постоянного питания.

К средней точке емкостного делителя и транзисторов подключена первичная обмотка трансформатора Тр2. С ее вторичной обмотки снимается выходное напряжение генератора, которое пропорционально входному сигналу ТР1, трансформируемому на базы Т1 и Т2.

Полумостовая схема ИБП работает для нагрузок от нескольких ватт до киловатт. Ее недостатком является возможность повреждения элементов при перегрузках, что требует использования сложных защит.

Мостовая схема импульсного блока питания: краткое пояснение

Вместо емкостного делителя предыдущей технологии здесь работают транзисторы T3 и T4. Они попарно открываются совместно с Т1 и Т2: (пара Т1-Т4), (пара Т2-Т3).

Напряжение переходов эмиттер-коллектор у закрытых транзисторов не выше величины питающего напряжения, а на обмотке w1 ТР3 оно возрастает до значения U пит. За счет этого увеличивается величина КПД.

Мостовая схема сложна в наладке из-за трудностей с настройкой цепей управления транзисторов Т1÷Т4.

Пушпульная схема: важные особенности

Первичная обмотка выходного ТР2 имеет средний вывод, на который подается плюсовой потенциал источника питания, а его минус — на среднюю точку вторичной обмотки Т1.

Во время прохождения одного полупериода колебания работает один из транзисторов Т1 или Т2 и соответствующая ему часть полуобмотки трансформатора.

Здесь создается самый высокий КПД, малые пульсации и низкие помехи. Амплитудное значение импульсного напряжения на любой половине обмотки w1 ТР2 достигает величины U пит.

К напряжению перехода коллектор-эмиттер каждого транзистора добавляется ЭДС самоиндукции, и оно возрастает до 2U пит. Поэтому Т1 и Т2 надо подбирать на 600÷700 вольт.

Пушпульная схема ключевого каскада пользуется большей популярностью. Она применяется в наиболее мощных преобразователях.

Выходной выпрямитель: самое популярное устройство

Правило №6: сигнал, поступающий с выхода ИБП, выпрямляется и сглаживается.

Простейшая схема выпрямителя, состоящая из диода и накапливающего конденсатора, показана картинкой ниже.

Она может дорабатываться подключением дополнительных конденсаторов, дросселей, элементов фильтров.

Схема стабилизации напряжения: как работает

Правило №7: оптимальные условия для работы нагрузки при изменяющихся условиях эксплуатации обеспечивает принцип стабилизации вторичного напряжения.

Самая примитивная схема стабилизации выходного напряжения создается на дополнительной обмотке импульсного трансформатора.

С нее снимается напряжение и подается для корректировки величины сигнала первичной обмотки.

Лучшая стабилизация создается за счет контроля выходного сигнала с вторичной обмотки и отделения его гальванической связи через оптопару.

В ней используется светодиод, через который проходит ток, пропорциональный значению выходного напряжения. Его свечение воспринимается фототранзистором, который посылает соответствующий электрический сигнал на схему управления генератора ключевого каскада.

Повысить качество стабилизации выходного напряжения позволяет последовательное дополнение к оптопаре стабилитрона, как показано на примере микросхемы TL431 на картинке ниже.

Для закрепления материала в памяти рекомендую посмотреть видеоролик владельца Паяльник TV, который хорошо объясняет информацию про импульсные блоки питания: принципы работы на примере конкретной модели.

Надеюсь, что моя статья поможет вам выполнить ремонт ИБП своими руками за 7 шагов, которые я изложил в другой статье.

Задавайте возникшие вопросы в разделе комментариев, высказывайте свое мнение. Его будет полезно знать другим людям.

Импульсные источники питания, теория и простые схемы

Рис. Как работает импульсный источник питания.

Основные плюсы импульсных источников питания (ИИП):

малый вес конструкции;

небольшие размеры;

большая мощность;

высокий КПД;

низкая себестоимость;

высокая стабильность работы;

широкий диапазон питающих напряжений;

множество готовых компонентных решений.

Обычно для обеспечения надежности в импульсных источниках питания используют вьюоковольтные транзисторы, которые в силу технологических особенностей не отличаются в лучшую сторону (имеют низкие частоты переключения, малые коэффициенты передачи по току, значительные токи утечки, большие падения напряжения на коллекторном переходе в открытом состоянии).

Схема генератора импульсов регулируемой ширины

Рис. 1. Схема формирователя биполярных симметричных импульсов регулируемой длительности.

На элементах DA1.1, DA1.3 (К561КТЗ) собраны компараторы напряжения; на DA1.2, DA1.4 — выходные ключи. На входы компараторов-ключей DA1.1, DA1.3 в противофазе через формирующие RC-диодные цепочки (R3, С2, VD2 и R6, СЗ, VD5) подаются прямоугольные импульсы.

Заряд конденсаторов С2, СЗ происходит по экспоненциальному закону через R3 и R5, соответственно; разряд — практически мгновенно через диоды VD2 и VD5. Когда напряжение на конденсаторе С2 или СЗ достигнет порога срабатывания компараторов-ключей DA1.1 или DA1.3, соответственно, происходит их включение, и резисторы R9 и R10, а также управляющие входы ключей DA1.2 и DA1.4 подключаются к положительному полюсу источника питания.

Плавное регулирование ширины импульсов осуществляется одновременной подачей стартового (начального) напряжения на входы компараторов (конденсаторы С2, СЗ) с потенциометра R5 через диодно-ре-зистивные цепочки VD3, R7 и VD4, R8. Предельный уровень управляющего напряжения (максимальную ширину выходных импульсов) устанавливают подбором резистора R4.

Схема испульсного источника питания

Задающий генератор выполнен на микросхеме типа К555ЛАЗ (элементы DDI .1, DDI .2) и вырабатывает прямоугольные импульсы частотой 150 кГц. На элементах DD1.3, DD1.4 собран RS-триггер, на выходе которого частота вдвое меньше — 75 кГц. Узел управления длительностью коммутирующих импульсов реализован на микросхеме типа К555ЛИ1 (элементы DD2.1, DD2.2), а регулировка длительности осуществляется с помощью оптрона U1.

Рис. 2. Схема импульсного источника питания.

При этом возрастает сопротивление фотодиода оптрона U1.2, вторичная обмотка имеет 3×6 витков провода ПЭВ-2 1,28 мм (параллельное включение). При подключении обмоток трансформаторов необходимо правильно их фазировать. Начала обмоток показаны на рисунке звездочками.

Сетевой импульсный источник питания

Управляемый генератор импульсов обеспечивает на базе транзистора VT3 сигнал частотой 25…30 кГц.

Рис. 3. Схема сетевого импульсного источника питания.

Высоковольтный источник постоянного напряжения

Выпрямленное сетевое напряжение поступает на микросхему DA1, а стартовая цепочка R2, С2 запускает автогенератор микросхемы. Цепочки R3, СЗ и R4, С4 задают частоту генератора. Резисторы R3 и R4 стабилизируют длительность полупериодов генерируемых импульсов. Выходное напряжение повышается обмоткой L4 трансформатора и подается на умножитель напряжения на диодах VD2 — VD7 и конденсаторах С7 — С12. Выпрямленное напряжение подается на нагрузку через ограничительный резистор R5.

Рис. 4. Схема высоковольтного источника питания постоянного тока.

Корректор коэффициента мощности

Рис. 5. Схема корректора коэффициента мощности на микросхеме TOP202YA3.

Максимальное напряжение на входе — 265 В. Средняя частота преобразователя — 100 кГц. КПД корректора — 0,95.

Импульсный источник питания с микросхемой

Рис. 6. Схема импульсного источника питания 24В на микросхеме фирмы Power Integration.

Таблица 1. Характеристики микросхем серии TOP221Y — TOP227Y.

Тип микросхемы	Рmax, Вт	Ток срабатывания защиты, А	Сопротивление открытого транзистора, Ом
TOP221Y	7	0,25	31,2
T0P222Y	15	0,5	15,6
T0P223Y	30	1	7,8
T0P224Y	45	1,5	5,2
T0P225Y	60	2	3,9
T0P226Y	75	2,5	3,1
T0P227Y	90	3	2,6

Простой и высокоэффективный преобразователь напряжения

Рис. 7. Схема импульсного Buck-Boost преобразователя на микросхеме ТОР200/204/214.

Источник: Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения (2002).

Исправления: в схеме на рисунке 3 для катушки L2 изменена точка, указывающая начало намотки.

Импульсный блок питания из сгоревшей лампочки

Импульсный блок питания на 5… 20 Ватт вы сможете изготовить менее чем за час. На изготовление 100-ваттного блока питания понадобится несколько часов.

Построить блок питания будет ненамного сложнее, чем прочитать эту статью. И уж точно, это будет проще, чем найти низкочастотный трансформатор подходящей мощности и перемотать его вторичные обмотки под свои нужды.

Оглавление статьи.

Вступление.
Отличие схемы КЛЛ от импульсного БП.
Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?
Импульсный трансформатор для блока питания.
Ёмкость входного фильтра и пульсации напряжения.
Блок питания мощностю 20 Ватт.
Блок питания мощностью 100 ватт
Выпрямитель.
Как правильно подключить импульсный блок питания к сети?
Как наладить импульсный блок питания?
Каково назначение элементов схемы импульсного блока питания?

Вступление.

В настоящее время получили широкое распространение Компактные Люминесцентные Лампы (КЛЛ). Для уменьшения размеров балластного дросселя в них используется схема высокочастотного преобразователя напряжения, которая позволяет значительно снизить размер дросселя.

В случае выхода из строя электронного балласта, его можно легко отремонтировать. Но, когда выходит из строя сама колба, то лампочку обычно выбрасывают.

Однако электронный балласт такой лампочки, это почти готовый импульсный Блок Питания (БП). Единственное, чем схема электронного балласта отличается от настоящего импульсного БП, это отсутствием разделительного трансформатора и выпрямителя, если он необходим.

В то же время, современные радиолюбители испытывают большие трудности при поиске силовых трансформаторов для питания своих самоделок. Если даже трансформатор найден, то его перемотка требует использования большого количества медного провода, да и массо-габаритные параметры изделий, собранных на основе силовых трансформаторов не радуют. А ведь в подавляющем большинстве случаев силовой трансформатор можно заменить импульсным блоком питания. Если же для этих целей использовать балласт от неисправных КЛЛ, то экономия составит значительную сумму, особенно, если речь идёт о трансформаторах на 100 Ватт и больше.

Вернуться наверх к меню

Отличие схемы КЛЛ от импульсного БП.

Это одна из самых распространённых электрических схем энергосберегающих ламп. Для преобразования схемы КЛЛ в импульсный блок питания достаточно установить всего одну перемычку между точками А – А’ и добавить импульсный трансформатор с выпрямителем. Красным цветом отмечены элементы, которые можно удалить.

А это уже законченная схема импульсного блока питания, собранная на основе КЛЛ с использованием дополнительного импульсного трансформатора.

Для упрощения, удалена люминесцентная лампа и несколько деталей, которые были заменены перемычкой.

Как видите, схема КЛЛ не требует больших изменений. Красным цветом отмечены дополнительные элементы, привнесённые в схему.

Вернуться наверх к меню

Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?

Мощность блока питания ограничивается габаритной мощностью импульсного трансформатора, максимально допустимым током ключевых транзисторов и величиной радиатора охлаждения, если он используется.

Блок питания небольшой мощности можно построить, намотав вторичную обмотку прямо на каркас уже имеющегося дросселя.

В случае если окно дросселя не позволяет намотать вторичную обмотку или если требуется построить блок питания мощностью, значительно превышающей мощность КЛЛ, то понадобится дополнительный импульсный трансформатор.

Если требуется получить блок питания мощностью свыше 100 Ватт, а используется балласт от лампы на 20-30 Ватт, то, скорее всего, придётся внести небольшие изменения и в схему электронного балласта.

В частности, может понадобиться установить более мощные диоды VD1-VD4 во входной мостовой выпрямитель и перемотать входной дроссель L0 более толстым проводом. Если коэффициент усиления транзисторов по току окажется недостаточным, то придётся увеличить базовый ток транзисторов, уменьшив номиналы резисторов R5, R6. Кроме этого придётся увеличить мощность резисторов в базовых и эмиттерных цепях.

Если частота генерации окажется не очень высокой, то возможно придётся увеличить емкость разделительных конденсаторов C4, C6.

Вернуться наверх к меню

Импульсный трансформатор для блока питания.

Особенностью полумостовых импульсных блоков питания с самовозбуждением является способность адаптироваться к параметрам используемого трансформатора. А тот факт, что цепь обратной связи не будет проходить через наш самодельный трансформатор и вовсе упрощает задачу расчёта трансформатора и наладки блока. Блоки питания, собранные по этим схемам прощают ошибки в расчётах до 150% и выше. 🙂 Проверено на практике.

Здесь подробно рассказано, как произвести самые простые расчёты импульсного трансформатора, а так же, как его правильно намотать… чтобы не пришлось подсчитывать витки. 🙂

Не пугайтесь! Намотать импульсный трансформатор можно в течение просмотра одного фильма или даже быстрее, если Вы собираетесь выполнять эту монотонную работу сосредоточенно.

Вернуться наверх к меню

Ёмкость входного фильтра и пульсации напряжения.

Во входных фильтрах электронных балластов, из-за экономии места, используются конденсаторы небольшой ёмкости, от которых зависит величина пульсаций напряжения с частотой 100 Hz.

Чтобы снизить уровень пульсаций напряжения на выходе БП, нужно увеличить ёмкость конденсатора входного фильтра. Желательно, чтобы на каждый Ватт мощности БП приходилось по одной микрофараде или около того. Увеличение ёмкости С0 повлечёт за собой рост пикового тока, протекающего через диоды выпрямителя в момент включения БП. Чтобы ограничить этот ток, необходим резистор R0. Но, мощность исходного резистора КЛЛ мала для таких токов и его следует заменить на более мощный.

Если требуется построить компактный блок питания, то можно использовать электролитические конденсаторы, применяющиеся в лампах вспышках плёночных «мыльниц». Например, в одноразовых фотоаппаратах Kodak установлены миниатюрные конденсаторы без опознавательных знаков, но их ёмкость аж целых 100µF при напряжении 350 Вольт.

Вернуться наверх к меню

Блок питания мощностью 20 Ватт.

Блок питания мощностью, близкой к мощности исходной КЛЛ, можно собрать, даже не мотая отдельный трансформатор. Если у оригинального дросселя есть достаточно свободного места в окне магнитопровода, то можно намотать пару десятков витков провода и получить, например, блок питания для зарядного устройства или небольшого усилителя мощности.

На картинке видно, что поверх имеющейся обмотки был намотан один слой изолированного провода. Я использовал провод МГТФ (многожильный провод во фторопластовой изоляции). Однако таким способом можно получить мощность всего в несколько Ватт, так как большую часть окна будет занимать изоляция провода, а сечение самой меди будет невелико.

Если требуется бо’льшая мощность, то можно использовать обыкновенный медный лакированный обмоточный провод.

Внимание! Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При описанной выше доработке, обязательно побеспокойтесь о надёжной межобмоточной изоляции, особенно, если вторичная обмотка мотается обычным лакированным обмоточным проводом. Даже если первичная обмотка покрыта синтетической защитной плёнкой, дополнительная бумажная прокладка необходима!

Как видите, обмотка дросселя покрыта синтетической плёнкой, хотя часто обмотка этих дросселей вообще ничем не защищена.

Наматываем поверх плёнки два слоя электрокартона толщиной 0,05мм или один слой толщиной 0,1мм. Если нет электрокартона, используем любую подходящую по толщине бумагу.

Поверх изолирующей прокладки мотаем вторичную обмотку будущего трансформатора. Сечение провода следует выбирать максимально возможное. Количество витков подбирается экспериментальным путём, благо их будет немного.

Мне, таким образом, удалось получить мощность на нагрузке 20 Ватт при температуре трансформатора 60ºC, а транзисторов – 42ºC. Получить ещё большую мощность, при разумной температуре трансформатора, не позволила слишком малая площадь окна магнитопровода и обусловленное этим сечение провода.

На картинке действующая модель БП.

Мощность, подводимая к нагрузке – 20 Ватт. Частота автоколебаний без нагрузки – 26 кГц. Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 32 кГц Температура трансформатора – 60ºС Температура транзисторов – 42ºС

Вернуться наверх к меню

Блок питания мощностью 100 Ватт.

Для увеличения мощности блока питания пришлось намотать импульсный трансформатор TV2. Кроме этого, я увеличил ёмкость конденсатора фильтра сетевого напряжения C0 до 100µF.

Так как КПД блока питания вовсе не равен 100%, пришлось прикрутить к транзисторам какие-то радиаторы.

Ведь если КПД блока будет даже 90%, рассеять 10 Ватт мощности всё равно придётся.

Мне не повезло, в моём электроном балласте были установлены транзисторы 13003 поз.1 такой конструкции, которая, видимо, рассчитана на крепление к радиатору при помощи фасонных пружин. Эти транзисторы не нуждаются в прокладках, так как не снабжены металлической площадкой, но и тепло отдают намного хуже. Я их заменил транзисторами 13007 поз.2 с отверстиями, чтобы их можно было прикрутить к радиаторам обычными винтами. Кроме того, 13007 имеют в несколько раз бо’льшие предельно-допустимые токи.

Если пожелаете, можете смело прикручивать оба транзистора на один радиатор. Я проверил, это работает.

Только, корпуса обоих транзисторов должны быть изолированы от корпуса радиатора, даже если радиатор находится внутри корпуса электронного устройства.

Крепление удобно осуществлять винтами М2,5, на которые нужно предварительно надеть изоляционные шайбы и отрезки изоляционной трубки (кембрика). Допускается использование теплопроводной пасты КПТ-8, так как она не проводит ток.

Внимание! Транзисторы находятся под напряжением сети, поэтому изоляционные прокладки должны обеспечивать условия электробезопасности!

На чертеже изображено соединение транзистора с радиатором охлаждения в разрезе.

Винт М2,5.
Шайба М2,5.
Шайба изоляционная М2,5 – стеклотекстолит, текстолит, гетинакс.
Корпус транзистора.
Прокладка – отрезок трубки (кембрика).
Прокладка – слюда, керамика, фторопласт и т.д.
Радиатор охлаждения.

А это действующий стоваттный импульсный блок питания.

Резисторы эквивалента нагрузки помещены в воду, так как их мощность недостаточна.

Мощность, выделяемая на нагрузке – 100 Ватт.

Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 90 кГц.

Частота автоколебаний без нагрузки – 28,5 кГц.

Температура транзисторов – 75ºC.

Площадь радиаторов каждого транзистора – 27см².

Температура дросселя TV1 – 45ºC.

TV2 – 2000НМ (Ø28 х Ø16 х 9мм)

Вернуться наверх к меню

Выпрямитель.

Все вторичные выпрямители полумостового импульсного блока питания должны быть обязательно двухполупериодным. Если не соблюсти это условие, то магинтопровод может войти в насыщение.

Существуют две широко распространённые схемы двухполупериодных выпрямителей.

1. Мостовая схема.

2. Схема с нулевой точкой.

Мостовая схема позволяет сэкономить метр провода, но рассеивает в два раза больше энергии на диодах.

Схема с нулевой точкой более экономична, но требует наличия двух совершенно симметричных вторичных обмоток. Асимметрия по количеству витков или расположению может привести к насыщению магнитопровода.

Однако именно схемы с нулевой точкой используются, когда требуется получить большие токи при малом выходном напряжении. Тогда, для дополнительной минимизации потерь, вместо обычных кремниевых диодов, используют диоды Шоттки, на которых падение напряжения в два-три раза меньше.

Пример.

Выпрямители компьютерных блоков питания выполнены по схеме с нулевой точкой. При отдаваемой в нагрузку мощности 100 Ватт и напряжении 5 Вольт даже на диодах Шоттки может рассеяться 8 Ватт.

100 / 5 * 0,4 = 8(Ватт)

Если же применить мостовой выпрямитель, да ещё и обычные диоды, то рассеиваемая на диодах мощность может достигнуть 32 Ватт или даже больше.

100 / 5 * 0,8 * 2 = 32(Ватт).

Обратите внимание на это, когда будете проектировать блок питания, чтобы потом не искать, куда исчезла половина мощности. 🙂

В низковольтных выпрямителях лучше использовать именно схему с нулевой точкой. Тем более что при ручной намотке можно просто намотать обмотку в два провода. Кроме этого, мощные импульсные диоды недёшевы.

Вернуться наверх к меню

Как правильно подключить импульсный блок питания к сети?

Для наладки импульсных блоков питания обычно используют вот такую схему включения. Здесь лампа накаливания используется в качестве балласта с нелинейной характеристикой и защищает ИБП от выхода из строя при нештатных ситуациях. Мощность лампы обычно выбирают близкой к мощности испытываемого импульсного БП.

При работе импульсного БП на холостом ходу или при небольшой нагрузке, сопротивление нити какала лампы невелико и оно не влияет на работу блока. Когда же, по каким-либо причинам, ток ключевых транзисторов возрастает, спираль лампы накаливается и её сопротивление увеличивается, что приводит к ограничению тока до безопасной величины.

На этом чертеже изображена схема стенда для тестирования и наладки импульсных БП, отвечающая нормам электробезопасности. Отличие этой схемы от предыдущей в том, что она снабжена разделительным трансформатором, который обеспечивает гальваническую развязку между исследуемым ИБП и осветительной сети. Выключатель SA2 позволяет блокировать лампу, когда блок питания отдаёт большую мощность.

А это уже изображение реального стенда для ремонта и наладки импульсных БП, который я изготовил много лет назад по схеме, расположенной выше.

Важной операцией при тестировании БП является испытание на эквиваленте нагрузки. В качестве нагрузки удобно использовать мощные резисторы типа ПЭВ, ППБ, ПСБ и т.д. Эти «стекло-керамические» резисторы легко найти на радиорынке по зелёной раскраске. Красные цифры – рассеиваемая мощность.

Из опыта известно, что мощности эквивалента нагрузки почему-то всегда не хватает. Перечисленные же выше резисторы могут ограниченное время рассеивать мощность в два-три раза превышающую номинальную. Когда БП включается на длительное время для проверки теплового режима, а мощность эквивалента нагрузки недостаточна, то резисторы можно просто опустить в воду.

Будьте осторожны, берегитесь ожога!

Нагрузочные резисторы этого типа могут нагреться до температуры в несколько сотен градусов без каких-либо внешних проявлений!

То есть, ни дыма, ни изменения окраски Вы не заметите и можете попытаться тронуть резистор пальцами.

Вернуться наверх к меню

Как наладить импульсный блок питания?

Собственно, блок питания, собранный на основе исправного электронного балласта, особой наладки не требует.

Его нужно подключить к эквиваленту нагрузки и убедиться, что БП способен отдать расчетную мощность.

Во время прогона под максимальной нагрузкой, нужно проследить за динамикой роста температуры транзисторов и трансформатора. Если слишком сильно греется трансформатор, то нужно, либо увеличить сечение провода, либо увеличить габаритную мощность магнитопровода, либо и то и другое.

Если сильно греются транзисторы, то нужно установить их на радиаторы.

Если в качестве импульсного трансформатора используется домотанный дроссель от КЛЛ, а его температура превышает 60… 65ºС, то нужно уменьшить мощность нагрузки.

Не рекомендуется доводить температуру трансформатора выше 60… 65ºС, а транзисторов выше 80… 85ºС.

Вернуться наверх к меню

Каково назначение элементов схемы импульсного блока питания?

R0 – ограничивает пиковый ток, протекающий через диоды выпрямителя, в момент включения. В КЛЛ также часто выполняет функцию предохранителя.

VD1… VD4 – мостовой выпрямитель.

L0, C0 – фильтр питания.

R1, C1, VD2, VD8 – цепь запуска преобразователя.

Работает узел запуска следующим образом. Конденсатор C1 заряжается от источника через резистор R1. Когда напряжения на конденсаторе C1 достигает напряжения пробоя динистора VD2, динистор отпирается сам и отпирает транзистор VT2, вызывая автоколебания. После возникновения генерации, прямоугольные импульсы прикладываются к катоду диода VD8 и отрицательный потенциал надёжно запирает динистор VD2.

R2, C11, C8 – облегчают запуск преобразователя.

R7, R8 – улучшают запирание транзисторов.

R5, R6 – ограничивают ток баз транзисторов.

R3, R4 – предотвращают насыщение транзисторов и исполняют роль предохранителей при пробое транзисторов.

VD7, VD6 – защищают транзисторы от обратного напряжения.

TV1 – трансформатор обратной связи.

L5 – балластный дроссель.

C4, C6 – разделительные конденсаторы, на которых напряжение питания делится пополам.

TV2 – импульсный трансформатор.

VD14, VD15 – импульсные диоды.

C9, C10 – конденсаторы фильтра.

Вернуться наверх к меню

Источник http://oldoctober.com/

Импульсные блоки питания.Виды и работа.Особенности и применение

Практически в каждом электронном приборе есть блок питания – важный элемент монтажной схемы. Блоки применяются в устройствах, требующих пониженного питания. Базовой задачей блока питания считается уменьшение сетевого напряжения. Первые импульсные блоки питания сконструированы после изобретения катушки, которая работала с переменным током.

Применение трансформаторов дало толчок развития блоков питания. После выпрямителя тока осуществляется выравнивание напряжения. В блоках с преобразователем частоты этот процесс проходит по-другому.

В импульсном блоке основу составляет инверторная система. После выпрямления напряжения образуются прямоугольные импульсы с высокой частотой, подаются на фильтр выхода низкой частоты. Импульсные блоки питания преобразовывают напряжение, отдают мощность на нагрузку.

Рассеивание энергии от импульсного блока не происходит. От линейного источника идет рассеивание на полупроводниках (транзисторах). Его компактность и малый вес также дает превосходство над трансформаторными блоками при одинаковой мощности, поэтому часто линейные блоки заменяют импульсными.

Принцип действия

Работа ИБП простой конструкции следующая. Если входной ток является переменным, как в большинстве бытовых приборах, то сначала происходит преобразование напряжения в постоянное. Некоторые конструкции блоков имеют переключатели, удваивающие напряжение. Это делается для того, чтобы подключаться к сети с разным номиналом напряжения, например, 115 и 230 вольт.

Выпрямитель выравнивает переменное напряжение и на выходе отдает постоянный ток, который поступает в фильтр конденсаторов. Ток от выпрямителя выходит в виде малых импульсов высокой частоты. Сигналы обладают высокой энергией, за счет которой снижается коэффициент мощности трансформатора импульсов. Благодаря этому габариты импульсного блока небольшие.

Чтобы скорректировать уменьшение мощности в новых блоках питания применяют схему, в которой ток на входе получается в виде синуса. По такой схеме смонтированы блоки в компьютерах, видеокамерах и других устройствах. Импульсный блок работает от постоянного напряжения, проходящего через блок, не изменяясь. Такой блок называют обратноходовым. Если он служит для 115 В, для работы на постоянном напряжении необходимо уже 163 вольта, это рассчитывается как (115 × √2).

Для выпрямителя такая схема вредна, так как половина диодов не используется в работе, это вызывает перегрев рабочей части выпрямителя. Долговечность в этом случае снижается.

После выпрямления напряжения сети в действие вступает инвертор, который преобразовывает ток. Пройдя через коммутатор, имеющий большую энергию выхода, из постоянного получается переменный ток. С обмоткой трансформатора в несколько десятков витков и частотой сотни герц блок питания работает в качестве усилителя низкой частоты, она получается больше 20 кГц, она не доступна слуху человека. Коммутатор изготовлен на транзисторах с многоступенчатым сигналом. Такие транзисторы имеют низкое сопротивление, высокую возможность прохода токов.

Схема работы ИБП

В сетевых блоках вход и выход изолируют между собой, в импульсных блоках ток применяется для первичной обмотки высокой частоты. На вторичной обмотке трансформатор создает нужное напряжение.

Для напряжения выхода более 10 В применяют кремниевые диоды. На низких напряжениях ставят диоды Шоттки, которые имеют достоинства:

Быстрое восстановление, что дает возможность иметь малые потери.
Малое падение напряжения. Для снижения напряжения выхода применяют транзистор, в нем выпрямляется основная часть напряжения.

Далее напряжение сглаживается фильтром, в него входят конденсатор, дроссель. Для частот коммутации выше требуются составляющие с малой индуктивностью и емкостью.

Схема импульсного блока минимального размера

В простой схеме ИБП вместо трансформатора применен дроссель. Это преобразователи для понижения или повышения напряжения, относятся к самому простому классу, применяется один переключатель и дроссель.

Некоторые виды ИБП

Простой ИБП на IR2153, распространен в России.
Импульсные блоки питания на TL494.
Импульсные блоки питания на UC3842.
Гибридного типа, из энергосберегающей лампы.
Для усилителя с повышенными данными.
Из электронного балласта.
Регулируемый ИБП, механическое устройство.
Для УМЗЧ, узкоспециализированный блок питания.
Мощный ИБП, имеет высокие характеристики.
На 200 В – на напряжение не более 220 вольт.
Сетевой ИБП на 150 ватт, только для сети.
Для 12 В – нормально работает при 12 вольтах.
Для 24 В – работает только на 24 вольта.
Мостовой – применена мостовая схема.
Для усилителя на лампах – характеристики для ламп.
Для светодиодов – высокая чувствительность.
Двухполярный ИБП, отличается качеством.
Обратноходовый, имеет повышенные напряжение и мощность.

Особенности

Простой ИБП может состоять из трансформаторов малых размеров, так как при повышении частоты эффективность трансформатора выше, требования к размерам сердечника меньше. Такой сердечник изготовлен из ферромагнитных сплавов, а для низкой частоты используется сталь.

Напряжение в блоке питания стабилизируется путем обратной связи отрицательной величины. Осуществляется поддержка напряжения выхода на одном уровне, не зависит от нагрузки и входных колебаний. Обратная связь создается разными методами. Если в блоке есть гальваническая развязка от сети, то применяется связь одной обмотки трансформатора на выходе или с помощью оптрона. Если развязка не нужна, то используют простой резистивный делитель. За счет этого напряжение выхода стабилизируется.

Особенности лабораторных блоков

Принцип действия осуществлен на активном преобразовании напряжения. Для удаления помех ставят фильтры в конце и начале цепи. Насыщение транзисторов положительно отражается на диодах, имеется регулировка напряжения. Встроенная защита блокирует короткие замыкания. Кабели питания применены немодульной серии, мощность достигает 500 ватт.

В корпусе установлен вентилятор охлаждения, скорость вентилятора регулируется. Наибольшая нагрузка блока составляет 23 ампера, сопротивление 3 Ом, наибольшая частота 5 герц.

Применение импульсных блоков

Сфера их использования постоянно растет как в быту, так и в промышленном производстве.

Импульсные блоки питания применяются в источниках бесперебойного питания, усилителях, приемниках, телевизорах, зарядных устройствах, для низковольтных линий освещения, компьютерной, медицинской технике и других различных приборах, и устройствах широкого назначения.

Достоинства и недостатки

ИБП имеет следующие преимущества и достоинства:

Небольшой вес.
Увеличенный КПД.
Небольшая стоимость.
Интервал напряжения питания шире.
Встроенные защитные блокировки.

Уменьшенная масса и размеры связано с применением элементов с радиаторами охлаждения линейного режима, импульсного регулирования вместо тяжелых трансформаторов. Емкость конденсаторов уменьшена за счет увеличения частоты. Схема выпрямления стала проще, самая простая схема – однополупериодная.

У трансформаторов низкой частоты теряется много энергии, рассеивается тепло во время преобразований. В ИБП максимальные потери возникают при переходных процессах коммутации. В другое время транзисторы устойчивы, они закрыты или открыты. Созданы условия для сохранения энергии, КПД достигает 98%.

Стоимость ИБП снижена из-за унификации элементов широкого ассортимента на роботизированных предприятиях. Силовые элементы из управляемых ключей состоят из полупроводников меньшей мощности.

Технологии импульсов дают возможность применять сеть питания с разной частотой, что расширяет применение блоков питания в различных сетях энергии. Модули на полупроводниках с небольшими габаритами с цифровой технологией имеют защиты от короткого замыкания и других аварий.

Недостатки

Импульсные блоки питания функционируют с помощью преобразования импульсов высокой частоты, создают помехи, уходящие в окружающую среду. Возникает необходимость подавления и борьбы с помехами разными методами. Иногда подавление помех не дает эффекта, и применение импульсных блоков становится невозможным для некоторых типов устройств.

Импульсные блоки питания не рекомендуется подключать как с низкой нагрузкой, так и с высокой. Если на выходе резко упадет ток ниже установленного предела, то запуск может оказаться невозможным, а питание будет с искажениями данных, которые не подходят к диапазону работ.

16 способов создания импульсного источника питания

Загрузите эту статью в формате PDF.

Проще говоря, проектирование источника питания — серьезная задача. После принятия решения о создании и покупке перед вами встает множество вариантов схем — больше, чем вы, вероятно, думаете. Раньше создание источника питания было относительно простым, но с преобладанием методов переключения режимов работы в наши дни, это стало сложной специальностью. Если вы не являетесь экспертом по источникам питания и / или это одна из ваших первых разработок, вам может потребоваться некоторое руководство.Информация, представленная здесь, должна помочь вам определить ваши варианты и сосредоточиться на одном из них.

Шаг 1. Хорошая спецификация

Все начинается с хорошей спецификации. Очень важно найти время, чтобы изучить свои потребности и написать подробную спецификацию. В качестве отправной точки перечислите следующие ключевые особенности:

Диапазон входного напряжения (переменного или постоянного тока)
Выходные напряжения (постоянного или переменного тока) и допуски
Требования к выходному току
Пульсация максимальная
Расчетная общая необходимая мощность
Требования к эффективности, если есть
Соображения по поводу электромагнитных помех (EMI), если таковые имеются

Шаг 2: Первое решение

С этими характеристиками вы сможете сделать свой первый большой выбор: линейный или линейный.переключаемый дизайн. Да, линейные источники питания все еще возможны даже в нынешней среде с преобладанием импульсного режима. Если ваша конструкция допускает более низкую эффективность линейного источника питания, вы можете оценить ее преимущества. Основными преимуществами линейного источника питания являются простота конструкции, низкая стоимость, большое количество соответствующих компонентов, проверенные методы и низкие выбросы электромагнитных помех.

С другой стороны, конструкции с импульсным режимом по своей природе зашумлены, и цепи, которые вы запитываете, могут быть восприимчивы к этому шуму.Например, для генератора, синхросигнала, синтезатора или другой критической схемы может потребоваться низкий фазовый шум или джиттер. Линейный источник питания с регулятором с малым падением напряжения (LDO) обеспечит чистый постоянный ток для удовлетворения этой потребности. По крайней мере, имейте в виду линейный вариант, так как он все равно может быть вашим лучшим выбором для некоторых дизайнов.

Большинство новых разработок относятся к числу переключаемых. Преимущества импульсного источника питания (SMPS) слишком велики, чтобы их игнорировать. Эффективность является основным преимуществом, при этом для многих конструкций КПД превышает 90%.Другими преимуществами являются небольшой размер и разумная стоимость. Обратной стороной является сложный и хитрый дизайн с множеством альтернативных подходов. Однако вы можете сделать более осознанный выбор дизайна, если расширите свой список спецификаций.

Шаг 3: Расширенные спецификации

В дополнение к базовым спецификациям, собранным ранее, они также должны быть определены для вашего проекта:

Требования к гальванической развязке между входом и выходом
Диапазон рабочих температур
Ожидаемый пусковой ток
Пиковый и средний выходной ток
Временное воздействие и потребности в ответных действиях
Требования к регулированию нагрузки и линии
Частота переключения
В дополнение к требованиям EMI, включает необходимость коррекции коэффициента мощности (PFC), Underwriters Laboratories (UL) или другие сертификаты

Шаг 4. Выбор топологии

Самыми популярными топологиями DC-DC SMPS являются понижающая (a), повышающая (b), инвертирующая понижающая-повышающая (c), SEPIC (d) и Zeta (e).MOSFET выполняет переключение, катушки индуктивности и конденсаторы накапливают энергию, а диод контролирует направление тока.

Возможно, вы уже знаете, что доступно несколько различных схем переключения режимов. Но знаете ли вы, что на самом деле существует 16 топологий, о которых вам следует знать? Один из них наверняка подойдет вам:

Бак
Синхронный бак
Повышение
Инвертирующий понижающий-повышающий
SEPIC
Cuk
Zeta
Мухобойка
Обратный ход
Обратный ход с двумя переключателями
Актив-прижим передний
Однопереключатель передний
Двухпозиционный передний
Полумост
Полный мост
Полный мост со сдвигом фазы

Недостаток места препятствует полному охвату.Однако есть два отличных источника, которые вы можете изучить, чтобы оценить свой выбор топологии:

Краткое руководство по топологиям питания. Эти девять страниц содержат краткое описание наиболее распространенных топологий импульсных источников питания. Он заполнен соответствующими формами сигналов и уравнениями.

Более подробную информацию можно найти в 200-страничном Руководстве по топологиям питания. Пояснения к схемам и рекомендации по проектированию основаны на требованиях.

Шаг 5. Начните свой дизайн

Типичный подход — сузить выбор топологии перед принятием окончательного решения.Самыми популярными топологиями являются понижающая, повышающая, понижательно-повышающая (и инвертирующая версия), SEPIC и Zeta. На рисунке 1 показаны упрощенные схемы для каждого из них. В понижающем формате входное напряжение понижается, при повышении — повышается. Остальные трое могут сделать то же самое. Топология Cuk хороша, если вам нужно изменить полярность выхода.

Если вам нужна изоляция, можно использовать трансформаторы. Топологии, которые будут включать их в конструкцию, включают обратный ход, прямой зажим, двухтактный, полумост или полный мост.

Что касается частоты коммутации, она обычно сводится к наилучшей оценке, основанной на вашем приложении. Сегодня типичные частоты переключения находятся в диапазоне от примерно 100 кГц до нескольких мегагерц. Низкие частоты обычно лучше для приложений с более высокой мощностью, требующих максимальной эффективности. Более высокие частоты облегчают фильтрацию с меньшими конденсаторами и катушками индуктивности и могут привести к уменьшению как размера, так и стоимости.

Также не забудьте принять во внимание влияние основной гармоники и гармоник на другое оборудование поблизости.Одно из возможных решений для ограничения электромагнитных помех переключения — дизеринг. Это включает случайное изменение частоты переключения для уменьшения любых электромагнитных помех за счет расширения спектра в более широком диапазоне.

Импульсный источник питания

может оказаться загадочным делом, если вы не знаете, как и с чего начать. Прочтите этот рекомендуемый блог, чтобы лучше понять, как выбрать наиболее подходящую топологию источника питания для вашего приложения.

Шаг 6: Другие ресурсы

Диоды и интегральные схемы лежат в основе вашего дизайна.Имейте в виду, что большинство компаний, производящих полупроводники, имеют продукты или услуги поддержки, например программное обеспечение для онлайн-проектирования, такое как WEBENCH от Texas Instruments. Не забывайте о возможности использования эталонных дизайнов и оценочных комплектов, чтобы еще больше ускорить и упростить разработку.

Руководство по основам импульсного источника питания

Аннотация: Импульсные источники питания — популярный, а иногда и необходимый выбор для преобразования энергии постоянного тока в постоянный. Эти схемы предлагают явные преимущества и недостатки по сравнению с альтернативными методами преобразования энергии постоянного тока.В этой статье представлен краткий обзор преимуществ и недостатков импульсных источников питания, а также предлагается простой обзор их работы и теории.

Эта статья также была опубликована в Maxim’s Engineering Journal, vol. 61 (PDF, 440кБ).

Учитывая, что многие электронные устройства требуют нескольких уровней постоянного напряжения, разработчикам нужен способ преобразования стандартных потенциалов источника питания в напряжения, определяемые нагрузкой. Преобразование напряжения должно быть универсальным, эффективным и надежным процессом.Импульсные источники питания (SMPS) часто используются для обеспечения различных уровней выходной мощности постоянного тока, необходимых для современных приложений, и незаменимы для создания высокоэффективных и надежных систем преобразования мощности постоянного тока в постоянный.

Почему SMPS?

Большинство электронных нагрузок постоянного тока питаются от стандартных источников питания. К сожалению, стандартные напряжения источника могут не соответствовать уровням, требуемым микропроцессорами, двигателями, светодиодами или другими нагрузками, особенно когда напряжение источника не регулируется.Устройства с батарейным питанием являются яркими примерами проблемы: типичное напряжение стандартной батареи Li + или NiMH либо слишком высокое / низкое, либо слишком сильно падает во время разряда для использования в обычных приложениях.

Универсальность

К счастью, универсальность SMPS решает проблему преобразования стандартного напряжения источника в пригодное для использования заданное выходное напряжение. Существует множество топологий SMPS, которые классифицируются по фундаментальным категориям — эти источники питания повышают, понижают, инвертируют или даже повышают и понижают входное напряжение.В отличие от линейных регуляторов, которые могут только понижать входное напряжение, SMPS привлекательны тем, что можно выбрать топологию, подходящую практически для любого выходного напряжения.

Настройка

Кроме того, современные ИС SMPS спроектированы с различными уровнями интеграции, что позволяет инженеру выбирать среди топологий с более или менее стандартными функциями SMPS, внесенными в ИС. Поступая таким образом, производители облегчают проектирование широко используемых источников питания для конкретных приложений или предлагают инженерам базовые ИС SMPS для индивидуальных проектов, тем самым повышая универсальность этих широко используемых устройств.

КПД

Инженеры также сталкиваются с другой распространенной проблемой — как эффективно преобразовать мощность постоянного тока. Например, часто требуется понизить входное напряжение для достижения более низкого выходного напряжения. Простым решением является использование линейного регулятора, поскольку для этого устройства требуется всего несколько конденсаторов и адекватное управление температурой. Однако там, где такая простота заканчивается, начинается неэффективность — даже до неприемлемых уровней, если разность напряжений велика.

КПД линейного регулятора напрямую зависит от мощности, падающей на его проходной транзистор.Это падение мощности может быть значительным, поскольку рассеиваемая мощность равна I _LDO × (V _IN — V _OUT). Например, при понижении нагрузки 100 мА от батареи 3,6 В до выхода 1,8 В на линейном регуляторе падает 0,18 Вт. Это падение мощности дает низкий КПД 50%, что сокращает срок службы батареи на 50% (при условии идеальной работы).

Понимая эту потерю эффективности, добросовестный инженер стремится найти улучшенное решение, и именно здесь SMPS выделяется.Хорошо спроектированный SMPS может достичь КПД 90% или более, в зависимости от уровней нагрузки и напряжения. Как и в предыдущем примере, при использовании понижающего ИИП типа (рис. 1) вместо линейного регулятора наблюдается КПД 90%. Это повышение эффективности на 40% по сравнению с линейным регулятором. Преимущество понижающего SMPS очевидно, и аналогичный или более высокий КПД наблюдается в других топологиях SMPS.

Рис. 1. MAX8640Y используется в простой схеме понижающего SMPS.

Хотя высокий КПД является основным преимуществом конструкций SMPS, другие преимущества, естественно, возникают как прямой результат минимизации потерь мощности. Например, в SMPS наблюдается уменьшенный тепловой след по сравнению с его менее эффективными аналогами. Это преимущество означает снижение требований к управлению температурным режимом. Кроме того, что более важно, срок службы увеличивается за счет повышения надежности, поскольку компоненты не подвергаются чрезмерному нагреву, как это было бы в менее эффективной системе.

Топологии SMPS и теория преобразования

Как упоминалось в предыдущем разделе, SMPS могут преобразовывать входное напряжение постоянного тока в другое выходное напряжение постоянного тока в зависимости от топологии схемы. Хотя в мире инженерии используется множество топологий SMPS, три из них являются фундаментальными и встречаются чаще всего. Эти топологии (см. , рис. 2, ) классифицируются в соответствии с их функцией преобразования: понижающие (понижающие), повышающие (повышающие) и повышающие / понижающие (понижающие-повышающие или инверторные).Пути заряда / разряда индуктора, показанные на диаграммах на Рисунке 2, обсуждаются в следующих параграфах.

Рис. 2. Понижающий, повышающий и повышающий понижающий ток составляют основные топологии SMPS.

Все три основные топологии включают переключатель MOSFET, диод, выходной конденсатор и катушку индуктивности. MOSFET, который является активно управляемым компонентом в схеме, подключен к контроллеру (не показан). Этот контроллер подает прямоугольный сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) на затвор полевого МОП-транзистора, тем самым включая и выключая устройство.Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, контроллер определяет выходное напряжение SMPS и изменяет рабочий цикл (D) прямоугольного сигнала, определяя, как долго полевой МОП-транзистор остается включенным в течение каждого периода переключения (T _S). Значение D, которое представляет собой отношение времени включения прямоугольной волны к периоду ее переключения (T _ON / T _S), напрямую влияет на напряжение, наблюдаемое на выходе SMPS. Эта взаимосвязь проиллюстрирована в уравнениях 4 и 5.

Включенное и выключенное состояния полевого МОП-транзистора делят схему SMPS на две фазы: фазу заряда и фазу разряда, каждая из которых описывает передачу энергии катушки индуктивности (см. петли на рисунке 2).Энергия, накопленная в катушке индуктивности во время фазы зарядки, передается выходной нагрузке и конденсатору во время фазы разряда. Конденсатор поддерживает нагрузку, пока индуктор заряжается, и поддерживает выходное напряжение. Эта циклическая передача энергии между элементами схемы поддерживает выходное напряжение на должном уровне в соответствии с ее топологией.

Катушка индуктивности играет центральную роль в передаче энергии от источника к нагрузке во время каждого цикла переключения. Без него SMPS не работал бы при переключении MOSFET.Энергия (E), запасенная в катушке индуктивности (L), зависит от ее тока (I):

Следовательно, изменение энергии в катушке индуктивности измеряется по изменению ее тока (ΔI _L), что связано к напряжению, приложенному к нему (V _L) в течение определенного периода времени (ΔT):

(ΔI _L) является линейным нарастанием, поскольку постоянное напряжение подается на катушку индуктивности во время каждой фазы переключения ( Рисунок 3 ). Напряжение индуктора во время фазы переключения можно определить, выполнив петлю напряжения Кирхгофа, уделяя особое внимание полярности и соотношениям V _IN / V _OUT.Например, напряжение индуктора повышающего преобразователя во время фазы разряда составляет — (V _OUT — V _IN). Поскольку V _OUT> V _IN, напряжение на катушке индуктивности отрицательное.

Рисунок 3. Характеристики напряжения и тока подробно описаны для установившегося индуктора.

Во время фазы заряда полевой МОП-транзистор включен, диод смещен в обратном направлении, и энергия передается от источника напряжения к катушке индуктивности (рис. 2). Ток индуктора нарастает, потому что напряжение V _L положительное.Кроме того, выходная емкость передает энергию, накопленную в предыдущем цикле, на нагрузку, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. Во время фазы разряда полевой МОП-транзистор отключается, а диод становится смещенным в прямом направлении и, следовательно, проводит ток. Поскольку источник больше не заряжает катушку индуктивности, клеммы катушки индуктивности меняют полярность, поскольку она разряжает энергию на нагрузку и пополняет выходной конденсатор (рис. 2). Ток катушки индуктивности снижается по мере передачи энергии в соответствии с тем же соотношением передачи, указанным ранее.

Циклы заряда / разряда повторяются и поддерживают установившееся состояние переключения. Во время перехода схемы в установившееся состояние ток индуктора нарастает до своего конечного уровня, который представляет собой суперпозицию постоянного тока и нарастающего переменного тока (или пульсирующего тока индуктора), возникающего во время двух фаз схемы (рис. Уровень постоянного тока связан с выходным током, но зависит от положения катушки индуктивности в цепи SMPS.

Импульсный ток должен отфильтровываться SMPS, чтобы подавать на выход истинный постоянный ток.Это фильтрующее действие осуществляется выходным конденсатором, который мало противодействует высокочастотному переменному току. Нежелательная пульсация выходного тока проходит через выходной конденсатор и поддерживает заряд конденсатора, пока ток проходит на землю. Таким образом, выходной конденсатор также стабилизирует выходное напряжение. Однако в неидеальных приложениях эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) выходного конденсатора вызывает пульсации выходного напряжения, пропорциональные току пульсаций, протекающему через него.

Таким образом, энергия передается между источником, катушкой индуктивности и выходным конденсатором для поддержания постоянного выходного напряжения и питания нагрузки. Но как передача энергии ИИП определяет коэффициент преобразования выходного напряжения? Это соотношение легко вычислить, если понимать установившееся состояние применительно к периодическим сигналам.

Чтобы быть в устойчивом состоянии, переменная, повторяющаяся с периодом T _S, должна быть равна в начале и в конце каждого периода.Поскольку ток катушки индуктивности является периодическим из-за фаз заряда и разряда, описанных ранее, ток катушки индуктивности в начале периода ШИМ должен равняться току катушки индуктивности в конце. Это означает, что изменение тока индуктора во время фазы заряда (ΔI _CHARGE) должно равняться изменению тока индуктора во время фазы разряда (ΔI _DISCHARGE). Приравнивая изменение тока индуктора для фаз заряда и разряда, достигается интересный результат, который также называют правилом вольт-секунды:

Проще говоря, произведение напряжения индуктора на время в каждой фазе цепи равно .Это означает, что, наблюдая за схемами SMPS на Рисунке 2, можно без особых усилий найти идеальные установившиеся отношения преобразования напряжения / тока. Для понижающей схемы петля напряжения Кирхгофа вокруг цепи фазы заряда показывает, что напряжение индуктора является разницей между V _IN и V _OUT. Аналогично, напряжение индуктора во время цепи фазы разряда составляет -V _OUT. Используя правило вольт-секунды из уравнения 3, определяется следующий коэффициент преобразования напряжения:

Кроме того, входная мощность (P _IN) равна выходной мощности (P _OUT) в идеальной схеме.Таким образом, коэффициент преобразования тока находится:

Из этих результатов видно, что понижающий преобразователь уменьшает V _IN в D раз, в то время как входной ток является D-кратным току нагрузки. В таблице 1 перечислены коэффициенты преобразования для топологий, изображенных на рисунке 2. Как правило, все коэффициенты преобразования SMPS можно найти с помощью метода, используемого для решения уравнений 3 и 5, хотя сложные топологии могут быть более трудными для анализа.

Таблица 1.Коэффициенты преобразования SMPS

Топология	Коэффициент преобразования напряжения	Коэффициент преобразования тока
Понижающий	В _ВЫХ / V _ВХОД = D	I _IN / I _OUT = D
Повышение	В _ВЫХ / V _ВХОД = 1 / (1 — D)	I _IN / I _OUT = 1 / (1 — D)
Повышение / понижение	В _ВЫХ / V _ВХОД = D / (1 — D)	I _IN / I _OUT = D / (1 — D)

Недостатки и недостатки ИИП

Конечно, высокий КПД, обеспечиваемый ИИП, имеет свои недостатки.Возможно, наиболее часто упоминаемая проблема импульсных преобразователей — это их склонность к излучению электромагнитных помех (EMI) и кондуктивным шумам. Электромагнитное излучение вызывается быстрыми переходами сигналов переключения тока и напряжения, которые существуют в цепях SMPS. Быстро меняющиеся напряжения в узле индуктора вызывают излучаемые электрические поля, в то время как токи быстрого переключения в контурах заряда / разряда создают магнитные поля. Однако кондуктивный шум распространяется на входные и выходные цепи, когда входные / выходные емкости SMPS и паразитные характеристики печатной платы представляют более высокие импедансы для коммутирующих токов.К счастью, правильное размещение компонентов и компоновка печатной платы могут успешно бороться с электромагнитными помехами и снижать уровень шума. SMPS

также могут быть довольно сложными и требовать дополнительных внешних компонентов, что может привести к увеличению общей стоимости источника питания. К счастью, большинство производителей ИС SMPS предоставляют подробную литературу не только о работе устройства, но и о правильном выборе внешних компонентов. Кроме того, высокий уровень интеграции в современные ИС SMPS может уменьшить количество требуемых внешних компонентов.

Несмотря на эти проблемы, SMPS широко используются во многих приложениях. С недостатками можно справиться, а эффективность и универсальность, получаемые от их использования, очень желательны и часто требуются.

Цепи питания | Практические аналоговые полупроводниковые схемы

Существует три основных типа источников питания: нерегулируемые (также называемые грубой силой), линейные регулируемые и переключаемые. Четвертый тип схемы источника питания, называемый схемой с регулируемой пульсацией, представляет собой гибрид между схемами «грубой силы» и «переключением» и заслуживает отдельного раздела.

Нерегулируемый

Нерегулируемый источник питания — это самый примитивный тип, состоящий из трансформатора , выпрямителя и фильтра нижних частот . Эти источники питания обычно демонстрируют большое количество пульсаций напряжения (то есть быстро меняющуюся нестабильность) и другие «шумы» переменного тока, накладываемые на мощность постоянного тока. Если входное напряжение изменяется, выходное напряжение будет изменяться пропорционально. Преимущество нерегулируемых поставок в том, что они дешевы, просты и эффективны.

линейно регулируемый

Линейный стабилизированный источник питания — это просто «грубый» (нерегулируемый) источник питания, за которым следует транзисторная схема, работающая в «активном» или «линейном» режиме, отсюда и название линейный стабилизатор. (В ретроспективе это очевидно, не так ли?) Типичный линейный регулятор предназначен для вывода фиксированного напряжения для широкого диапазона входных напряжений, и он просто сбрасывает любое избыточное входное напряжение, чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение на нагрузке. Это чрезмерное падение напряжения приводит к значительному рассеиванию мощности в виде тепла.Если входное напряжение станет слишком низким, транзисторная схема потеряет стабилизацию, что означает, что она не сможет поддерживать постоянное напряжение. Он может только снизить избыточное напряжение, но не восполнить недостаток напряжения в цепи грубой силы. Следовательно, вы должны поддерживать входное напряжение как минимум на 1–3 вольт выше желаемого выходного напряжения, в зависимости от типа регулятора. Это означает, что эквивалент мощности не менее 1–3 вольт, умноженный на ток полной нагрузки, будет рассеиваться схемой регулятора, выделяя много тепла.Это делает источники питания с линейной регулировкой неэффективными. Кроме того, чтобы избавиться от всего этого тепла, они должны использовать большие радиаторы, которые делают их большими, тяжелыми и дорогими.

Переключение

Импульсный регулируемый источник питания («переключатель») — это попытка реализовать преимущества схем с прямым и линейным регулированием (компактность, эффективность и дешевизна, но также «чистое» стабильное выходное напряжение). Импульсные источники питания работают по принципу выпрямления входящего переменного напряжения линии электропередачи в постоянный ток, преобразования его в высокочастотный прямоугольный переменный ток через транзисторы, работающие как переключатели включения / выключения, повышая или понижая это напряжение переменного тока с помощью легкого веса. трансформатор, затем выпрямляет выход переменного тока трансформатора в постоянный ток и фильтрует его для конечного выхода.Регулировка напряжения достигается изменением «рабочего цикла» инверсии постоянного тока в переменный на первичной стороне трансформатора. Помимо более легкого веса из-за меньшего размера сердечника трансформатора, коммутаторы имеют еще одно огромное преимущество перед двумя предыдущими конструкциями: этот источник питания типа может быть сделан настолько независимым от входного напряжения, что он может работать в любой системе электроснабжения. мир; они называются «универсальными» источниками питания. Обратной стороной коммутаторов является то, что они более сложны и из-за своей работы имеют тенденцию генерировать много высокочастотного «шума» переменного тока в линии электропередачи.Большинство коммутаторов также имеют на своих выходах значительные пульсации напряжения. У более дешевых типов этот шум и пульсации могут быть такими же сильными, как и для нерегулируемого источника питания; такие коммутаторы начального уровня не бесполезны, потому что они по-прежнему обеспечивают стабильное среднее выходное напряжение, и есть «универсальные» входные возможности. Дорогие переключатели не имеют пульсаций и имеют почти такой же низкий уровень шума, как и некоторые линейные переключатели; эти переключатели обычно столь же дороги, как и линейные источники питания. Причина использования дорогостоящего коммутатора вместо хорошего линейного в том, что вам нужна универсальная совместимость с энергосистемой или высокая эффективность.Высокая эффективность, легкий вес и небольшие размеры — вот причины, по которым импульсные источники питания почти повсеместно используются для питания цифровых компьютерных схем.

Регулируемая пульсация

Источник питания с пульсирующим регулированием является альтернативой линейно регулируемой проектной схеме: источник питания «грубой силы» (трансформатор, выпрямитель, фильтр) составляет «входной конец» схемы, но транзистор работает строго в его включенном состоянии. В режиме выключения (насыщение / отсечка) мощность постоянного тока передается на большой конденсатор по мере необходимости для поддержания выходного напряжения между высокой и низкой уставкой.Как и в переключателях, транзистор в стабилизаторе пульсаций никогда не пропускает ток, находясь в «активном» или «линейном» режиме в течение значительного промежутка времени, что означает, что очень мало энергии будет потрачено впустую в виде тепла. Однако самым большим недостатком этой схемы регулирования является необходимое присутствие некоторой пульсации напряжения на выходе, поскольку напряжение постоянного тока изменяется между двумя уставками управления напряжением. Кроме того, частота пульсаций напряжения изменяется в зависимости от тока нагрузки, что затрудняет окончательную фильтрацию постоянного тока.Цепи регулятора пульсаций, как правило, немного проще, чем схемы переключателя, и они не должны обрабатывать высокие напряжения в линии питания, с которыми должны работать переключающие транзисторы, что делает их более безопасными в эксплуатации.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Проект схемы импульсного источника питания 0-45 В 8 А постоянного тока

Сегодня я порекомендовал схему импульсного источника питания постоянного тока 0-45 В 8 А как схему, которая способна к более высокой общей линейной цепи, но имеет много деталей.

Особенность:
— Выходное напряжение ……….0-45 В
— Непрерывный выходной ток 8 часов при напряжении ниже 35 В и 6 А при 40 В
— пульсации и шум: 5 мВпик-пик при 6 А 13 В
: 10 мВ пик-пик при 8 А 18 В
: 40 мВ пик-пик при 8 А 35 В
— Минимальный выходной ток:… .800 мА
-Максимальный выходной ток:… .8.2A
— Отображение при использовании превышения напряжения, установленного, и когда напряжение не регулируется
— Может отключать выходную нагрузку без проводов
— Регулируемое постоянное напряжение, такое как 13,8 В.

Базовая работа
На рисунке 1 показана простая схема этого импульсного источника питания.Транзистор Q1 будет служить схемой включения / выключения, мы контролируем их подключением освещения. Эта схема контроллера будет управлять цепью включения / выключения Q1 с частотой 20 кГц.

Рисунок 1 — основные принципы импульсного источника питания постоянного тока

Оба Q1 и D2 будут переданы на высокий ток, это будет работать поочередно. Во время выполнения Q1 ток проходит через C8, C9, L1 и Q1, когда Q1 останавливается или разомкнута цепь Энергия, накопленная в L1, будет развиваться через D2 и C8, C9 в том же направлении, что делает выходное напряжение постоянным во все времена. .

И, если импульс, который посылают для управления Q1, имеет низкий диапазон рабочего цикла. Ток, протекающий через Q1 и L1, слишком мал, поэтому выходной сигнал также низкий. Какой рабочий цикл этого импульсного переключения будет иметь высокое или низкое значение в зависимости от регулировки выходного напряжения, которое.

Научитесь строить: Регулируемый стабилизатор напряжения 0-50 В, 3 А

Как это работает
На рисунке 2 показана полная схема этого импульсного источника питания. IC5 / 4 схемы усилителя опорного напряжения, который на выходе IC5 / 4 будет в зависимости от настройки VR3.Это опорное напряжение с выхода IC5 / 4 пошлет к контакту 7 из IC3 / 2, для сравнения с сигналом на выводе 6 IC3 / 2, соединенного с IC3 / 1, который является схема рампы генератора частоты 20 кГц.

Рисунок 2 полная схема 0-45V 8A импульсного источника питания

IC3 / 2 будет сравнивать напряжение на обоих штифтов, если опорное напряжение имеет слишком много выход IC3 / 2 будет переключающий импульс (квадрат волновой импульс), который имеет много диапазонов рабочего цикла. Но если опорное напряжение меньше значения переключения импульса так, низкий рабочий цикл как показано на рисунке 3

Импульсный сигнал от сравнения схемы будет отправлен на Q3 и Q4, который является буферной схемой для привода светодиода в IC, то есть оптоизолятор.Он обнаружит свет как импульсный сигнал переключения, а затем отправит на Q2 для повышения сигнала. Затем IC2 / 1 установит форму сигнала, а затем отправит его на IC2 / 2-IC2 / 6. Он управляет затвором Q1, который используется как инвертор, параллельно 5 шт. С током, достаточным для запуска затвора Q1.

Переключение Q1 иногда приводит к тому, что кратковременный момент напряжения на стоке ветви может быть выше, чем у истока. В результате катушка индуктивности L1. Таким образом, D1 и ZD3 предотвращают это напряжение, которое может вызвать отказ полевого транзистора.В цепи ограничено напряжение пока всего 75 вольт. Это означает, что, если напряжение не превышает 75 В. Это напряжение упадет на все ZD3, не повлияет на схему. Если мгновенное напряжение превышает 75 В, это может вызвать эффект прохождения через Q1. D1 провести еще один ход не должен работать.

IC4 / 1 и IC5 / 1 на акцию, для обслуживания условно не регулируется. Этот IC4 / 1 будет сравнивать напряжение между контактом 6, который представляет собой импульс переключения, и установившимся напряжением на контакте 7. Когда приходит отрицательный импульс, на выходе IC4 / 1 будет высокий уровень, он может заряжать C23 на контакте 2 IC5 / 1.И когда выход IC4 / 1 меньше, конденсатор C23 на выводе 2 IC5 / 1 будет выше. Светодиод LED1 не будет отображаться, если Q1 будет постоянно запускать строб или неисправности. Выходное напряжение схемы будет снижаться в нерегулируемой форме. Конденсаторы C23 на выводе 2 IC5 / 1 разряжены. До тех пор, пока на выходе IC5 / 1 не будет высокого уровня, LED1 горит, индикатор не регулируется.

Обычно выход импульсного источника питания непостоянен. Если ток питания очень низкий. Или пока без нагрузки. Таким образом, у вас должна быть нагрузка схемы.Применять самый низкий ток всегда.

При выходном напряжении до 10 вольт, R24 и R43, соединенные параллельно 2 шт., Будут действовать как нагрузка для цепи. Когда напряжение находится в диапазоне от 5 В до 10 В, выход IC4 / 2 будет представлять собой схему сравнения с высоким током, потому что Q6 работает. R40 подключены к нагрузке цепи, и когда выходное напряжение ниже 5 вольт, выход IC4 / 3 будет высоким, вместо этого Q5 будет работать, а R41 будет обеспечивать нагрузку цепи.

IC3 / 3 снижает выходной ток.При обнаружении использования ток нагрузки более чем 9 Ампер, будет вызывать напряжение через R1 и R2 являются более ценными (более 0,45 вольт) В результате, выход IC3 / 3 минимума, и тянуть опорное напряжение на выводе 7 IC3 / 2 к IC3 / 2, чтобы произвести импульс переключения с более низким рабочим циклом, как следствие, выходной сигнал упал до значения менее 2А.

Во время тока, превышающего значение, установленное VR1, выход IC5 / 3 будет ниже, в соответствии с IC3 / 2 — D8, сделайте выход IC4 / 4 выше.LED2 покажет, превышает ли ток заданное значение.

Как это построить

См. Компоновку медной печатной платы и компоновку компонентов ниже.

Компоновка печатной платы

Компоновка компонентов этого проекта

К сожалению, не понятно, как это построить.

Детали, которые вам понадобятся

0,25 Вт 5% резисторы
R1, R2, R42, R43_______1K 5 Вт
R3___________________390 Ом 0,5 Вт
R4___________________270 Ом
R5, R11, R21, R32, R45__1K
R6, R50___________
R6, R50________ R35___________470 Ом
R8, R17_______________6.8K
R9, R18, R57___________ 47K
R10, R30______________ 18K
R12, R14, R15, R16_____100K
R19, R27, R28, R29, R54_100K
R13, R23, R24, R26_______ 10K
R20________________15___470 R26_______10K
R20________________15___4 , R39__2.2K
R58 ___________________ 2.2K
R33, R46_______________22K
R36 ___________________ 4.7K
R40___________________39 Ом 5W
R41___________________ 10 Ом 5W
R44___________________270K
R471___________________27K 20 R48___________________1K
R51, R52 _______________ 0,1 Ом 5W
R53___________________47 Ом
R55___________________220 Ом
R56 ___________________ 1,5K
VR1, VR3______________ 10K (B) Объем
VR2___________________500 Ом ___trimpots
VR4___ 500 Ом ___trimpots
VR4_____250V500 , C15, C23: 0,1 мкФ 50 В Полиэстер
C26, C28, C29: 0,1 мкФ 50 В Полиэстер
C8, C9, C12, C14: 100 мкФ 50 В Электролитический
C10, C21, C22, C24: 1 мкФ 16 В Электролитический
C11: 0.001uF 50V Полиэстер
C16, C17: 0,1uF 25V Поликарбонат
C18: 1000uF 25V Электролитический
C19, C25, C27: 10uF 16V Электролитический
C20: 820pF 50V Керамический

Полупроводники
BD1 D7-D11 ____________ 1N4148
IC1________________h21L1
IC2________________74C14 или CD40106
IC3, IC4____________LM339
IC5________________LM324
IC6________________LM7812
LED1, LED2_________Red LED
Q1__________________MTP12N10
Q2__________________BF199
Q3__________________BC338
Q4__________________BC328
Q5, Q6_______________BC639
ZD1: 15V 3W
ZD2: 4.7V 1W
ZD3: 75V 1W
ZD4: LM336Z-2.5
Другое
F1______ Предохранитель 7,5A
L1, L2___ См. Схему

L1____ Тороидальный сердечник, Внешний диаметр 46,7 мм, Круги диаметром 24,1 мм, толщиной 18 мм; L1 — 10 витков 17 AWG (1,2 мм)
L2____ Тороидальный сердечник, внешний диаметр 33 мм, витки 19,8 мм, толщина 11,1 мм; L1 — 5 витков 17 AWG (1,2 мм)

M1, M2__ 1 мА Измеритель
S1 ___ ВКЛ / ВЫКЛ 10A Переключатели
S2___ 3 ножки, нормально разомкнутые кнопочные переключатели
S3___ 10A Переключатели ВКЛ / ВЫКЛ
S4___2 ходовой переключатель
T1___ трансформатор
Тороидальный сердечник , 35-0 / 35-0 В, 300 ВА
T2___Трансформатор 220В 12.6V 150mA
Коробка, печатная плата, провода и многое другое.

Примечание: мы сожалеем, что у этой схемы нет полного руководства по сборке.

ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ПО ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЕ

Я всегда стараюсь упростить обучение электронике.

Проектирование импульсных источников питания SMPS; Схема

<------------------------------------------------- -------------------------------------------------- ------------------------>

Очевидно, что электрическая энергия не используется в том виде, в котором она была произведена или распределена.Все электронные системы требуют некоторого преобразования энергии, которое может быть выполнено разными методами. Блок питания (БП) относится к устройству, которое передает электрическую энергию от источника к нагрузке с помощью электронных схем. Конечно, блок питания на самом деле не обеспечивает питание, он просто преобразует его из одной формы в другую, поэтому «преобразователь» будет более точным термином для такого устройства.

Типичное применение источника питания — преобразование напряжения переменного тока сети в набор регулируемых напряжений постоянного тока, необходимых для электронного оборудования.В зависимости от режима работы существуют разные типы блоков питания. В 70-х годах большинство PSE были линейными, КПД составлял около 50%, удельная мощность была менее одного ватта на кубический дюйм, а коэффициент мощности составлял 0,5-0,7. В настоящее время большинство блоков питания относятся к типу SMPS с КПД более 90%, удельной мощностью в десятки ватт на кубический дюйм и коэффициентом мощности до 0,99. Этот тип является основной темой этого сайта.

ЧТО ЭТО?

SMPS — импульсный источник питания. Это электронное устройство, в котором преобразование и регулирование энергии обеспечивается силовыми полупроводниками, которые непрерывно с высокой частотой переключаются между состояниями «включено» и «выключено».Выходной параметр (обычно выходное напряжение) регулируется путем изменения рабочего цикла, частоты или фазового сдвига этих переходов.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ?

. Поток энергии в любом БП контролируется силовыми полупроводниками. Однако в разных системах они работают в разных режимах. В устаревших системах они работали в линейном режиме , и чрезмерная мощность рассеивалась в последовательном транзисторе. Когда полупроводник работает в режиме переключения , он может управлять потоком энергии с низкими потерями: когда переключатель включен, он имеет низкое падение напряжения и пропускает любой ток, наложенный на него; когда он выключен, он блокирует ток.В результате в таком электронном устройстве рассеиваемая мощность, которая является произведением напряжения и тока, может быть относительно низкой в обоих состояниях. Вот почему импульсные блоки питания обладают большей эффективностью по сравнению с линейными. Такие блоки также меньше по размеру и легче по весу из-за меньшего размера пассивных компонентов и меньшего тепловыделения. Более высокая эффективность и меньший размер в сочетании с достижениями в полупроводниковой технологии и различными нормативными актами по энергоэффективности сделали «коммутатор» доминирующим типом блоков питания практически во всем спектре приложений.Большинство блоков питания, производимых сегодня для систем ввода переменного тока, также включают в себя другой каскад преобразования — интерфейс коррекции коэффициента мощности (PFC). На рынке представлено огромное количество готовых готовых блоков питания и модулей DC-DC, отвечающих большинству практических требований и стандартов безопасности.

Тем не менее, нестандартные конструкции все еще создаются, когда есть необходимость в особых характеристиках или необычном форм-факторе, особенно для военных приложений в суровых условиях или авионики.

В целом преобразователи мощности можно разделить на четыре типа в зависимости от формы входного и выходного напряжения: переменный ток в постоянный (также называемый автономным источником постоянного тока), постоянный ток в постоянный (преобразователь напряжения или тока), переменный ток в переменный ( преобразователь частоты или циклоконвертер), а также постоянный ток в переменный (инвертор).В дополнение к основному преобразователю постоянного тока в постоянный, большинство блоков питания, производимых сегодня для приложений ввода переменного тока, также включают еще один интерфейсный модуль импульсного регулятора с коррекцией коэффициента мощности (PFC) и могут включать дополнительные регуляторы на печатной плате для вспомогательных выходов.

Область техники, которая занимается проектированием и анализом схем и устройств преобразования энергии, называется силовой электроникой, хотя проектирование источников питания — это настоящая междисциплинарная задача. Он включает вопросы схемы, магнетизма, терморегулирования, контроля и соблюдения нормативных требований.Этот сайт представляет собой информационное руководство по SMPS / силовой электронике. Здесь вы найдете учебное пособие, инструменты, обзоры, схемы и другие бесплатные онлайн-ресурсы по всем аспектам проектирования и выбора импульсных источников питания, информацию о других устройствах преобразования энергии, а также основные справочные материалы по электротехнике и электронные формулы.

ОСНОВЫ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ — Электроника с длиной волны

Теория нерегулируемых источников питания

Поскольку нерегулируемые источники питания не имеют встроенных регуляторов напряжения, они обычно предназначены для выработки определенного напряжения при определенном максимальном выходном токе нагрузки.Обычно это блочные настенные зарядные устройства, которые превращают переменный ток в небольшую струйку постоянного тока и часто используются для питания таких устройств, как бытовая электроника. Они являются наиболее распространенными адаптерами питания и получили прозвище «настенная бородавка».

Выходное напряжение постоянного тока зависит от внутреннего понижающего трансформатора напряжения и должно быть максимально приближено к току, необходимому для нагрузки. Обычно выходное напряжение уменьшается по мере увеличения тока, подаваемого на нагрузку.

При нерегулируемом источнике питания постоянного тока выходное напряжение зависит от размера нагрузки.Обычно он состоит из выпрямителя и конденсатора сглаживания, но без регулятора для стабилизации напряжения. Он может иметь цепи безопасности и лучше всего подходит для приложений, не требующих точности.

Рисунок 4: Блок-схема — нерегулируемая линейная подача

Преимущества нерегулируемых источников питания в том, что они долговечны и могут стоить недорого. Однако их лучше всего использовать, когда точность не является требованием. Они имеют остаточную пульсацию, аналогичную показанной на рисунке 3.

ПРИМЕЧАНИЕ: Wavelength не рекомендует использовать нерегулируемые источники питания с какими-либо из наших продуктов.

Теория регулируемых источников питания

Стабилизированный источник питания постоянного тока — это, по сути, нерегулируемый источник питания с добавлением регулятора напряжения. Это позволяет напряжению оставаться стабильным независимо от величины тока, потребляемого нагрузкой, при условии, что предварительно определенные пределы не превышаются.

Рисунок 5: Блок-схема — Регулируемая поставка

В регулируемых источниках питания схема непрерывно производит выборку части выходного напряжения и регулирует систему, чтобы поддерживать выходное напряжение на требуемом уровне.Во многих случаях включается дополнительная схема для обеспечения ограничений по току или напряжению, фильтрации шума и регулировки выхода.

Линейные, переключаемые или на батарейках?

Существует три подгруппы регулируемых источников питания: линейные, переключаемые и аккумуляторные. Из трех основных конструкций регулируемых источников питания линейная является наименее сложной системой, но переключаемое и аккумуляторное питание имеет свои преимущества.

Линейный источник питания
Линейный источник питания используется, когда наиболее важным является точное регулирование и устранение шума.Хотя они не являются наиболее эффективными источниками питания, они обеспечивают лучшую производительность. Название происходит от того факта, что они не используют переключатель для регулирования выходного напряжения.

Линейные источники питания доступны в течение многих лет, и их использование широко распространено и надежно. Они также относительно бесшумны и коммерчески доступны. Недостатком линейных источников питания является то, что они требуют более крупных компонентов, следовательно, они больше и рассеивают больше тепла, чем импульсные источники питания.По сравнению с импульсными источниками питания и батареями они также менее эффективны, иногда демонстрируя лишь 50% эффективности.

Импульсный источник питания
Импульсный источник питания (SMPS) более сложен в конструкции, но имеет большую гибкость в полярности и при правильной конструкции может иметь КПД 80% или более. Хотя в них больше компонентов, они меньше и дешевле, чем линейные источники питания.

Рисунок 6: Блок-схема — регулируемое импульсное питание

Одно из преимуществ коммутируемого режима — меньшие потери на коммутаторе.Поскольку SMPS работают на более высоких частотах, они могут излучать шум и создавать помехи для других цепей. Необходимо принять меры по подавлению помех, такие как экранирование и соблюдение протоколов компоновки.

Преимущества импульсных источников питания заключаются в том, что они, как правило, небольшие и легкие, имеют широкий диапазон входного напряжения и более высокий диапазон выходного напряжения и намного более эффективны, чем линейные источники питания. Однако SMPS имеет сложную схему, может загрязнять сеть переменного тока, является более шумным и работает на высоких частотах, требующих уменьшения помех.

Аккумуляторный
Аккумуляторный источник питания — это третий тип источника питания, по сути, мобильный накопитель энергии. Питание от батарей производит незначительный шум, мешающий работе электроники, но теряет емкость и не обеспечивает постоянного напряжения по мере разряда батарей. В большинстве случаев, когда используются лазерные диоды, батареи — наименее эффективный метод питания оборудования. Для большинства аккумуляторов трудно подобрать правильное напряжение для нагрузки. Использование батареи, которая может превышать внутреннюю рассеиваемую мощность драйвера или контроллера, может повредить ваше устройство.

Выбор источника питания

При выборе источника питания необходимо учитывать несколько требований.
Требования к мощности нагрузки или цепи, включая
Функции безопасности, такие как ограничения по напряжению и току для защиты нагрузки.
Физический размер и эффективность.
Помехозащищенность системы.

Как работают схемы импульсного источника питания (SMPS)

SMPS — это аббревиатура от слова Switch Mode Power Supply.Название ясно предполагает, что концепция имеет какое-то или полностью отношение к импульсам или переключению используемых устройств. Давайте узнаем, как адаптеры SMPS работают для преобразования сетевого напряжения в более низкое напряжение постоянного тока.

Преимущество топологии SMPS

В адаптерах SMPS идея состоит в том, чтобы переключить входное напряжение сети на первичную обмотку трансформатора, чтобы на вторичной обмотке трансформатора можно было получить более низкое значение постоянного напряжения.

Однако вопрос в том, что то же самое можно сделать с обычным трансформатором, так зачем нужна такая сложная конфигурация, когда функционирование может быть просто реализовано через обычные трансформаторы?

Что ж, концепция была разработана именно для того, чтобы исключить использование тяжелых и громоздких трансформаторов с более эффективными версиями схем питания SMPS.

Хотя принцип работы очень похож, результаты сильно отличаются.

Наше сетевое напряжение также представляет собой пульсирующее напряжение или переменный ток, который обычно подается в обычный трансформатор для требуемых преобразований, но мы не можем сделать трансформатор меньше по размеру даже при токе всего 500 мА.

Причиной этого является очень низкая частота наших сетевых входов переменного тока.
При 50 Гц или 60 Гц значение чрезвычайно низкое для реализации их на выходах с большим постоянным током с использованием трансформаторов меньшего размера.

Это связано с тем, что с уменьшением частоты потери на вихревые токи с намагниченностью трансформатора увеличиваются, что приводит к огромным потерям тока из-за тепла, и, следовательно, весь процесс становится очень неэффективным.

Для компенсации вышеуказанных потерь используются относительно большие сердечники трансформатора с соответствующей толщиной провода, что делает весь блок тяжелым и громоздким.

Импульсный источник питания решает эту проблему очень умно.

Если более низкая частота увеличивает потери на вихревые токи, это означает, что увеличение частоты приведет к обратному эффекту.

Это означает, что если частота увеличивается, трансформатор можно сделать намного меньше, но при этом он будет обеспечивать более высокий ток на их выходах.

Это именно то, что мы делаем со схемой SMPS. Давайте разберемся в функционировании с помощью следующих пунктов:

Как работают адаптеры SMPS

На схеме импульсного источника питания входной переменный ток сначала выпрямляется и фильтруется для получения постоянного тока соответствующей величины.

Вышеупомянутый постоянный ток применяется к конфигурации генератора, состоящей из высоковольтного транзистора или МОП-транзистора, установленного на первичной обмотке небольшого ферритового трансформатора хорошего размера.

Схема становится автоколебательной конфигурацией, которая начинает колебаться с некоторой заранее определенной частотой, установленной другими пассивными компонентами, такими как конденсаторы и резисторы.

Частота обычно выше 50 кГц.

Эта частота индуцирует эквивалентное напряжение и ток на вторичной обмотке трансформатора, определяемые количеством витков и шириной SWG провода.

Из-за использования высоких частот потери на вихревые токи становятся пренебрежимо малыми, и выход постоянного тока с высоким током может быть получен через меньшие трансформаторы с ферритовым сердечником и относительно более тонкую проволочную обмотку.

Однако вторичное напряжение также будет на первичной частоте, поэтому оно снова выпрямляется и фильтруется с помощью диода быстрого восстановления и конденсатора высокой емкости.

Результатом на выходе является идеально отфильтрованный низкий постоянный ток, который может эффективно использоваться для управления любой электронной схемой.

В современных версиях ИИП на входе вместо транзисторов используются high-end микросхемы.
Микросхемы оснащены встроенным высоковольтным МОП-транзистором для поддержания высокочастотных колебаний и многими другими функциями защиты.

Что делают встроенные средства защиты SMPS?

Эти ИС имеют соответствующие встроенные схемы защиты, такие как защита от лавин, защита от перегрева и защита от перенапряжения на выходе, а также функцию импульсного режима.

Защита от лавин гарантирует, что ИС не будет повреждена во время быстрого включения питания.

Защита от перегрева обеспечивает автоматическое отключение ИС, если трансформатор неправильно намотан, и потребляет больше тока от ИС, что делает ее опасно горячей.

Пакетный режим — интересная функция, включенная в современные блоки SMPS.

Здесь выходной постоянный ток возвращается на чувствительный вход ИС. Если по какой-либо причине, обычно из-за неправильной вторичной обмотки или выбора резисторов, выходное напряжение поднимается выше определенного заранее определенного значения, IC отключает переключение входа и пропускает переключение в прерывистые всплески.

Это помогает контролировать напряжение на выходе, а также ток на выходе.

Импульсный блок питания своими руками: принцип работы, схемы

Конструктивные особенности и принцип работы

БП на основе силового трансформатора

Импульсные устройства

Как работает инвертор?

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Сфера применения

Собираем импульсный БП своими руками

Импульсный блок питания: схемы, принцип работы, особенности

Что делает импульсный блок питания (ИБП)

Чем отличается от трансформаторного блока питания

Как работает трансформаторный блок питания

Устройство импульсного блока питания и его принцип работы

Достоинства и недостатки импульсных блоков питания

Схемы импульсных блоков питания

Входной фильтр

Сетевой выпрямитель и сглаживающий фильтр

Инвертор или блок ключей

Силовой трансформатор

Выходной выпрямитель и фильтр, стабилизатор

Импульсные источники питания, теория и простые схемы

Схема генератора импульсов регулируемой ширины

Схема испульсного источника питания

Сетевой импульсный источник питания

Высоковольтный источник постоянного напряжения

Корректор коэффициента мощности

Импульсный источник питания с микросхемой

Простой и высокоэффективный преобразователь напряжения

Как работают импульсные блоки питания: 7 правил

Импульсные блоки питания: как работает структурная схема и взаимодействуют ее части — краткое пояснение

Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций

Сетевой выпрямитель напряжения: самая популярная конструкция

Преобразователь импульсного напряжения: объяснение простыми словами с поясняющими картинками

Импульсный трансформатор: принцип работы одного импульса в 2 такта

Однотактная схема импульсного блока питания: состав и принцип работы

Двухтактная схема импульсного блока питания: 3 варианта исполнения

3 схемы силовых каскадов двухтактных ИБП

Выходной выпрямитель: самое популярное устройство

Схема стабилизации напряжения: как работает

Импульсные источники питания, теория и простые схемы

Схема генератора импульсов регулируемой ширины

Схема испульсного источника питания

Сетевой импульсный источник питания

Высоковольтный источник постоянного напряжения

Корректор коэффициента мощ­ности

Импульсный источник питания с микросхемой

Простой и высокоэффек­тивный преобразователь напряжения

Импульсный блок питания из сгоревшей лампочки

Вступление.

Отличие схемы КЛЛ от импульсного БП.

Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?

Импульсный трансформатор для блока питания.

Ёмкость входного фильтра и пульсации напряжения.

Блок питания мощностью 20 Ватт.

Блок питания мощностью 100 Ватт.

Выпрямитель.

Как правильно подключить импульсный блок питания к сети?

Как наладить импульсный блок питания?

Каково назначение элементов схемы импульсного блока питания?

Импульсные блоки питания.Виды и работа.Особенности и применение

Принцип действия

Схема работы ИБП

Для напряжения выхода более 10 В применяют кремниевые диоды. На низких напряжениях ставят диоды Шоттки, которые имеют достоинства:

Схема импульсного блока минимального размера

Некоторые виды ИБП

Особенности

Особенности лабораторных блоков

Применение импульсных блоков

Достоинства и недостатки

ИБП имеет следующие преимущества и достоинства:

Недостатки

Похожие темы:

16 способов создания импульсного источника питания

Руководство по основам импульсного источника питания

Почему SMPS?

Универсальность

Настройка

КПД

Топологии SMPS и теория преобразования

Недостатки и недостатки ИИП

Корректор коэффициента мощности

Простой и высокоэффективный преобразователь напряжения