Простейший импульсный блок питания. Как собрать простой импульсный блок питания мощностью 15 Вт своими руками: пошаговая инструкция

Порядок сборки:

1. На входе устанавливаем диодный мост VD1-VD4 и фильтрующий конденсатор C1
2. Подключаем силовой транзистор VT1
3. Устанавливаем намотанный трансформатор T1
4. На выходе ставим выпрямительный диод VD5 и фильтрующий конденсатор C2
5. Собираем цепь обратной связи на резисторах и стабилитроне

Все соединения должны быть надежными. Особое внимание следует уделить изоляции высоковольтных цепей.

Настройка и проверка работоспособности

После сборки необходимо аккуратно проверить правильность монтажа. Как настроить и проверить работу импульсного блока питания?

• Подключите на выход нагрузку — лампочку на 12В
• Подайте входное напряжение через ЛАТР, плавно повышая его
• Проконтролируйте выходное напряжение мультиметром
• При необходимости подстройте число витков трансформатора
• Проверьте нагрев компонентов при работе

Если все в порядке, блок питания готов к использованию. При возникновении проблем нужно еще раз внимательно проверить монтаж и номиналы деталей.

Меры безопасности при работе с ИБП

При сборке и настройке импульсного блока питания необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:

• Не прикасайтесь к схеме и выводам при включенном питании
• Используйте изолированный инструмент
• Не оставляйте включенное устройство без присмотра
• Обеспечьте надежную изоляцию всех соединений
• При работе используйте разделительный трансформатор

Помните, что в схеме присутствует опасное сетевое напряжение. Будьте предельно осторожны и внимательны!

Возможности модернизации простого ИБП

Собранный своими руками простой импульсный блок питания можно в дальнейшем улучшить и модернизировать. Какие есть варианты доработки?

• Увеличение выходной мощности за счет более мощного транзистора
• Добавление защиты от короткого замыкания на выходе
• Установка стабилизатора напряжения на выходе
• Добавление индикации выходного напряжения
• Установка вентилятора охлаждения для повышения надежности

Все эти улучшения позволят сделать блок питания более функциональным и надежным устройством.

лучшие простые и сложные схемы и сборки

Автор Акум Эксперт На чтение 9 мин Просмотров 23.5к. Опубликовано 09.01.2020 Обновлено 07.04.2023

Во многих радиолюбительских конструкциях используются импульсные блоки питания (БП). Они отличаются небольшими размерами при значительной мощности. Такое уменьшение стало возможным благодаря высокой частоте. На таких частотах можно получить на выходе большое напряжение при небольшом количестве витков. Например, чтобы получить напряжение 12 В при токе равном 1 А, требуется намотать всего пять витков. Кроме того, импульсные БП имеют высокий коэффициент полезного действия, так как потери на трансформаторе очень небольшие.

Эти блоки питания имеют и недостатки: они создают высокочастотные помехи и предъявляют высокие требования к нагрузке. Последняя не должна быть больше или меньше той, на которую рассчитан блок питания.

Содержание

1. Можно ли сделать импульсный блок питания своими руками?
2. Как работает импульсный блок питания
3. Схемы импульсных БП
4. Как собрать: пошаговая инструкция
5. Самый простой вариант маломощного импульсного блока питания
6. Однотактный, обратноходовый импульсный блок питания
7. Мощный импульсный источник питания
8. Проверка конструкции

Можно ли сделать импульсный блок питания своими руками?

Иногда покупка готового импульсного блока питания является экономически нецелесообразной. В таком случае, если вы разбираетесь в электронике и умеете паять, можете сами сделать импульсный БП. Он пригодится для чтобы избежать расходования ограниченного ресурса дорогой аккумуляторной батареи. Можно также сделать зарядное устройство для смартфона, ноутбука или других мобильных гаджетов.

Прежде чем приступить к изготовлению источника питания, нужно знать, где он будет использоваться. В зависимости от области его применения определяется мощность изделия. Мощность должна выбираться с запасом. Считается, что импульсный блок питания имеет самый высокий КПД при нагрузке 60-90%.

Кроме того, требуется выбрать схему источника питания, а также определить, должно ли на выходе быть стабильное напряжение и нужно ли для этого вводить обратную связь. Обратите внимание на его номинальные параметры: напряжение, ток и мощность.

Как работает импульсный блок питания

На вход импульсного блока питания подается переменное напряжение от электрической сети. Оно преобразуется в постоянное с помощью выпрямителя и фильтра. В качестве фильтра используется конденсатор большой емкости. В качестве выпрямителя используется однополупериодная или двухполупериодная схема. Ниже приведены типовые схемы, но в нашем случае мы не берем во внимание то, что на них изображена обмотка трансформатора.

Затем выпрямленное напряжение приходит на высокочастотный преобразователь, который генерирует электрические колебания с частотой в диапазоне от 20 кГц до 50 кГц. После этого напряжение понижается трансформатором до требуемого и снова выпрямляется, сглаживаясь конденсатором.

Такое отфильтрованное и выпрямленное постоянное напряжение используется для питания бытовой техники. Кроме того, с выхода БП идёт цепь обратной связи для регулирования выходного напряжения.

Для управления и стабилизации напряжения на выходе источника питания используется широтно-импульсная модуляция. Как показано на схеме, высокочастотный преобразователь приводится в действие генератором ШИМ и таким образом регулирует напряжение, подаваемое на понижающий трансформатор. Обратная связь является отрицательной, то есть значения напряжения на ШИМ контроллере и на понижающем трансформаторе обратно пропорциональны друг другу. Так, при увеличении выходного напряжения растет также напряжение на контроллере. Благодаря отрицательной связи уменьшается напряжение на понижающем трансформаторе, а значит, и на выходе блока питания.

Схемы импульсных БП

В зависимости от конструкции сетевого выпрямителя выделяют три разновидности схем :

• для однополупериодной схемы требуется минимальное количество деталей, она проста в реализации, но имеет один недостаток – высокую пульсацию на выходе;
• конструкция со средней точкой отличается низким уровнем пульсаций. Основной недостаток в том, что необходимо организовывать среднюю точку во входном трансформаторе;
• мостовая схема имеет низкие показатели пульсации и не требует наличия средней точки. Для реализации такой схемы потребуется четыре транзистора.

По конструкции высокочастотного преобразователя импульсные блоки питания делятся на две категории: однотактные и двухтактные. Двухтактные источники питания могут быть спроектированы по следующим схемам: с нулевой точкой (пушпульная), полумостовая и мостовая.

Кроме вышеперечисленных схем преобразователя, существует отдельная разновидность конструкций – это обратноходовые преобразователи. Их основными элементами являются накопительные дроссели. Работа в таких схемах происходит в два этапа. Первый заключается в накоплении энергии, полученной от источника питания, в дросселе. Во время второго этапа запасенная энергия передается во вторичную цепь. На первом шаге ключ замкнут, и напряжение источника питания прикладывается к дросселю (первичной обмотке трансформатора).

В результате ток в первичной цепи возрастает, а вместе с ним и магнитный поток. Ток во вторичной цепи отсутствует, так как диод препятствует его росту. На второй стадии ключ размыкается, и ток, проходящий через первичную обмотку, пропадает. Однако магнитный поток не может мгновенно исчезнуть, и во вторичной цепи индуцируется ЭДС, направленное в обратную сторону. Затем начинает протекать ток, который открывает диод. В результате энергия запасается на конденсаторе и поступает на нагрузку. На первом этапе на нагрузку подается энергия, запасенная конденсатором во время второго этапа. Рассматривая схемы, обратите внимание на точки около обмоток трансформатора — это точки начала обмоток, и для обратноходового преобразователя характерно именно такое подключение элементов.

Как собрать: пошаговая инструкция

Для тех, кто хочет собрать импульсный блок питания своими руками, приведем несколько схем сборки.

Самый простой вариант маломощного импульсного блока питания

Рассмотрим схему импульсного блока питания мощностью до 2 Вт. Выпрямитель и фильтр в нем собраны на резисторе R1 (от 25 до 50 Ом), диоде VD1 и конденсаторе С1 (20,0 мкФ, 400 В). В качестве высокочастотного преобразователя выступает автогенератор, собранный на транзисторе VT1, трансформаторе TR1, частотозадающей цепи резисторе R2 (470 кОм) и конденсаторе С2 (3300 пкФ, 1000 В). Напряжение, снимаемое с выходной обмотки трансформатора, выпрямляется диодом VD2 и сглаживается электролитическим конденсатором С3 (47 пФ, 50 В).

В качестве сердечника для трансформатора подойдет любой от нерабочего трансформатора, использовавшегося в зарядке мобильного телефона или в другом маломощном источнике питания. Намотка происходит в следующем порядке:

• сначала мотаем 200 витков первичной обмотки медным проводом сечением 0,08-0,1 мм;
• изолируем первичную обмотку и мотаем 5 витков базовой обмотки тем же проводом;
• производим намотку вторичной обмотки. Диаметр провода – 0,4 мм. Количество витков зависит от того, какое напряжение нужно получить на выходе из расчета один виток на один вольт.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос

Внимание! Между половинками магнитного сердечника должен присутствовать небольшой немагнитный зазор. Обычно он уже есть на сердечниках, взятых с трансформаторов зарядных устройств смартфонов. Если его нет, положите слой бумаги между половинками сердечника.

Готовый трансформатор стягиваем изолентой или скотчем.

Однотактный, обратноходовый импульсный блок питания

Рассмотрим однотактный блок питания, сделанный по автогенераторной схеме с самовозбуждением. Напряжение на выходе – 16 В, мощность устройства – 15 Вт.

На входе устройства переменное напряжение электрической сети выпрямляется при помощи диодного моста, собранного на диодах D1-D4 (можно использовать любые диоды, рассчитанные на напряжение 400 В и ток 0,5 А, например, N4007). За сглаживание пульсаций отвечает конденсатор С1 (20 мкФ, 400 В). Для предотвращения броска тока при включении служит резистор R1 (25-50 Ом).

Начальное смещение на базе транзистора Т1 (можно использовать 13003 или 13005) устанавливается резистором R2 (470 кОм) и диодом D6 (N4007). Чтобы сгладить скачки напряжения, возникающие при закрытии Т1, в схему включены такие элементы, как: конденсатор С2 (3300 пФ 1000 В), диод D5 (N4007) и резистор R3 (30 кОм 1 Вт либо можно использовать два резистора по 15 кОм).

Импульсы положительной обратной связи, необходимые для поддержания режима автоколебаний, через резистор R4(150 Ом) и конденсатор С3(47 пФ, 50 В) подаются на базу Т1. Цепочка состоящая из Т2, R5 (1,5 кОм), Д9 (стабилитрон КС515), нужна для стабилизации напряжения.

Высокочастотный преобразователь собран по обратноходовой схеме. Когда Т1 открыт, энергия накапливается на трансформаторе, при этом диод D7 (КД213 использовать совместно с радиатором площадью 10 см2) находится в закрытом состоянии. После закрытия транзистора Т1 происходит отдача запасенной магнитной энергии, диод D7 открывается, во вторичной цепи появляется ток, конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Конденсаторы С4 (2200 пФ) и С5 (0,1 мкФ) нужны для уменьшения помех.

Стабилизация выходного напряжения происходит по схеме, описанной далее. При включении прибора в сеть запускается генератор. На вторичной обмотке появляется напряжение. Конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Когда напряжение на нем превысит 16,3 В открывается стабилитрон D9 (КС515). Транзистор Т2 (КТ603) открывается и закорачивает эмиттерный переход Т1. Транзистор Т1 закрывается, генератор перестает работать, и конденсатор С6 начинает разряжаться. Когда напряжение на С6 становится меньше 16,3 вольт, стабилитрон D9 закрывается и закрывает Т2. Благодаря этому Т1 открывается и работа генератора возобновляется.

Первичная обмотка w1 трансформатора намотана проводом 0,25 мм и имеет 179 витков. В базовой обмотке w2 присутствуют два витка, намотанных тем же проводом. Вторичная обмотка w2 состоит из 14 витков провода 0,6-0,7 мм.

Лампочки можно взять любые маломощные, рассчитанные на напряжение от 24 до 36 В и ток от 100 до 200 мА.

Мощный импульсный источник питания

Рассмотрим импульсный БП с выходной мощностью 300 Вт.

Генератором в данной конструкции является интегральная микросхема TL494. Управляющие сигналы с выхода этой ИС подаются поочередно на МОП (MOSFET) транзисторы VT1 и VT2 (IRFZ34). Импульсы с этих транзисторов через трансформатор, формирователь импульсов приходят на мощные транзисторы VT3 и VT4 (IRFP460). Преобразователь сделан на мощных транзисторах VT3 и VT4 по полумостовой схеме.

Все четыре обмотки трансформатора TR1 намотаны проводом 0,5 мм и содержат по 50 витков. В трансформаторе TR2 первая обмотка состоит из 110 витков провода диаметром 0,8 мм. Количество витков обмотки номер два зависит от желаемого напряжения на выходе, из расчета один виток на два вольта. Обмотка три наматывается 12 витками провода диаметром 0,8 мм.

Проверка конструкции

Перед первым включением БП нужно проверить. В первую очередь проверяется монтаж, например, могли остаться следы от пайки, несмытый флюс. Какой-либо компонент, установленный на плате, может оказаться неисправным.

Если с монтажом все в порядке, можно приступать ко второй стадии проверки с помощью лампочки. В качестве лампочки можно использовать любую лампу накаливания. Для этого подключаем изготовленный нами источник питания последовательно с лампочкой, как показано на рисунке ниже.

Если лампочка не светится, значит, в цепи БП есть обрыв. Нужно проверить дорожки платы, дроссель, диодный мост.

Лампочка постоянно горит. В блоке питания короткое замыкание. Причина может быть в пробое конденсаторов, транзисторов. Нужно также проверить дорожки печатной платы, выходные цепи трансформатора.

Если лампочка вспыхнула и погасла, значит, БП исправен, конденсаторы зарядились.

Сейчас читают:

ПРОСТОЙ ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ ИЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЛАМПЫ

ПРОСТОЙ ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ ИЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЛАМПЫ

      В этой статье Вы найдёте подробное описание процесса изготовления импульсных блоков питания разной мощности на базе электронного балласта компактной люминесцентной лампы.
      Импульсный блок питания на 5… 20 Ватт вы сможете изготовить менее чем за час. На изготовление 100-ваттного блока питания понадобится несколько часов. Можно изготовить и более мощные электронные трансформаторы, например на IR2153, а можно КУПИТЬ ГОТОВЫЙ и переделать под свои напряжения.

      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), причем довольно компактный. Единственное, чем схема электронного балласта отличается от настоящего импульсного блока питания, 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 энергосберегающих ламп, то экономия составит значительную сумму, особенно, если речь идёт о трансформаторах на 100 Ватт и больше.

Отличие схемы балласта энергосберегающей лампы от импульсного блока питания

      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.

Схема энергосберегающей лампы

      А это уже законченная схема импульсного блока питания, собранная на основе балласта люминисцентной лампы 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.

Законченная схема импульсного блока питания

Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?

      Мощность импульсного 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.

БП с вторичной обмоткой 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.

БП с дополнительным импульсным трансформатором

      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.

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.

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

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 блока питания, 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 «мальниц». Например, в одноразовых фотоаппаратах Kodak установлены миниатюрные конденсаторы без опознавательных знаков, но их ёмкость аж целых 100µF при напряжении 350 Вольт.

Блок питания мощностью 20 Ватт

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 60°C, а транзисторов – 42°C. 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 – 60?С
            Температура транзисторов – 42?С

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.

Блок питания мощностью 100 Ватт

      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 большие предельно-допустимые токи. Купить отдельно MJE13007 можно ЗДЕСЬ.

      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!

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 – 75?C.
      Площадь радиаторов каждого транзистора – 27см?.
      Температура дросселя TV1 – 45?C.
      TV2 – 2000НМ (O28 х O16 х 9мм)

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 Ват.

      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.

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 исследуемого ИБП от осветительной сети. Выключатель SA2 позволяет блокировать лампу, когда блок питания отдаёт большую мощность.

      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.

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… 65?С, то нужно уменьшить мощность нагрузки.

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

ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ ИЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЛАМП маломощный импульсный блок питания из подручных материалов своими руками

Каково назначение элементов схемы импульсного блока питания?

Схема 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.

По материалам сайта http://www.ruqrz.com/

      Для большей наглядности приведено несколько принципиальных схем ламп популярных производителей:

РЕМОНТ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЛАМП

ОПИСАНИЕ И СХЕМА БОЛЕЕ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ

Как собрать импульсный источник питания

Чтобы понять, почему эволюция электроники привела к гораздо более сложному способу изготовления регулируемых блоков питания, нам нужно вернуться немного назад и посмотреть на линейные источники питания.

Linear — это простые, надежные и тихие блоки питания с хорошим регулированием и низким уровнем пульсаций — так зачем менять? Есть две основные причины, и обе связаны со стоимостью. Во-первых, линейные источники питания требуют больших и дорогих трансформаторов. Во-вторых, регулирующий транзистор выделяет много тепла, что требует больших и дорогих радиаторов. Например, регулируемый источник питания 50 В, настроенный на выходное напряжение 5 В при 2 А, может иметь (50–5 В) * 2 А = 9.0 Вт тепла для рассеивания.

Импульсный источник питания (SMPS) почти устраняет обе эти проблемы, но схема становится более сложной.

Как работает импульсный источник питания

На приведенной выше блок-схеме сеть подается непосредственно в первый блок без использования трансформатора. Конечно, диоды и конденсаторы, используемые здесь, должны справляться со своей задачей. Обратите внимание, что постоянный ток также может подаваться сюда, например, в преобразователе постоянного тока с 12 В на 5 В. Входящий сетевой ток переменного тока теперь представляет собой выпрямленный постоянный ток высокого напряжения.

Следующий блок — это высокочастотный преобразователь, схема прерывателя, которая включает и выключает силовое устройство, такое как полевой МОП-транзистор, с частотой несколько кГц. Это высокочастотный трансформатор, который преобразует входящий постоянный ток в прямоугольную волну.

Следующий этап еще раз исправляет это и отфильтровывает пульсации и шум. В последнем блоке, цепи управления, происходит волшебство. Это цепь обратной связи, управляющая прерывателем MOSFET.

Схема управления имеет делитель/умножитель напряжения, измеряющий выходное напряжение. Поскольку мы будем подавать это обратно в цепь прерывателя, работающую на сотни вольт, ее необходимо изолировать, обычно с помощью оптопары. Имеется опорный сигнал, генерируемый фиксированным опорным диодом или подстроечным потенциометром. Усилитель ошибки сравнивает эти два напряжения и регулирует генератор ШИМ (широтно-импульсная модуляция), который управляет полевым МОП-транзистором.

Собираем все воедино

Приведенная выше функциональная блок-схема дает лучший и более подробный обзор задействованных частей.

Практический пример

Ниже показан простой, но работающий импульсный источник питания. Сердцем этой схемы является импульсный стабилизатор TNY267. Эта микросхема выполняет функции генератора ШИМ, прерывателя MOSFET, усилителя ошибки и схемы управления.

Конечный выход этой схемы 12В, и он может выдавать 1A:

Примечания к цепи

• Vin — сетевой разъем 100–300 В переменного тока.
• MOV представляет собой варистор на основе оксида металла, используемый для защиты цепи от скачков высокого напряжения.
• D3 представляет собой двухполупериодный мостовой выпрямитель, а выход постоянного тока появляется через конденсатор C2. При входном напряжении 220 В переменного тока это будет около 220 В * 1,4 = 308 В постоянного тока, так что будьте осторожны!
• D2 — диод для подавления переходных процессов на 180 В, предназначенный для обработки всплесков обратной ЭДС.
• TNY267 работает на частоте около 132 кГц.
• Диод D1 (Шоттки) на вторичной обмотке выпрямляет переменный ток 132 кГц, а конденсатор С1 сглаживает пульсации.
• Конденсатор C3 является обязательным шунтирующим конденсатором.
• Резисторы R1, R2 и диод D5 обеспечивают цепь обратной связи с TNY267 через оптоизолятор, чтобы обеспечить электрическую изоляцию от сети во всех точках.
• Первичная обмотка транзистора Т1 — 157t, вторичная — 14t. Сердечник представляет собой ферритовый трансформатор типа Е19 с центральным сердечником размером около 4,5×4,5 мм.

Части приведенной выше схемы содержат очень высокие напряжения переменного и постоянного тока. Убедитесь, что используемые вами компоненты рассчитаны на такое напряжение. И никогда не работайте с высоковольтными устройствами, если вы не обучены и не компетентны в этом.

Теперь мы знаем, насколько эффективнее может быть импульсный источник питания, но он более сложен и требует качественных компонентов для обеспечения надежности.

Спасибо за чтение и не забудьте оставить комментарий ниже, если у вас есть вопросы о чем-либо!

Изображения использованы с разрешения www.tutorialspoint.com.

Скачать PDF

Abstract

Импульсные источники питания являются популярным и иногда необходимым выбором для преобразования мощности постоянного тока в постоянный. Эти схемы предлагают явные преимущества и компромиссы по сравнению с альтернативными методами преобразования мощности 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 журнале Maxim’s Engineering Journal, vol. 61 (PDF, 440 КБ).

Учитывая, что многим электронным устройствам требуется несколько уровней постоянного напряжения, разработчикам нужен способ преобразования стандартных потенциалов источника питания в напряжения, диктуемые 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 ИИП?

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 стандартного элемента Li+ или NiMH либо слишком высокое/низкое, либо падает слишком сильно во время разряда, чтобы его можно было использовать 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 основным категориям: эти источники питания повышают, понижают, инвертируют или даже повышают и понижают входное напряжение. В отличие от линейных стабилизаторов, которые могут только понижать входное напряжение, импульсные источники питания привлекательны тем, что можно выбрать топологию, подходящую практически для любого выходного напряжения.

Персонализация

Кроме того, современные ИС SMPS разработаны с различными уровнями интеграции, что позволяет инженеру выбирать среди топологий с более или менее стандартными функциями SMPS, реализованными в ИС. При этом производители упрощают 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.

Эффективность

Инженеры также сталкиваются с другой распространенной проблемой: как эффективно преобразовывать энергию постоянного тока. Например, часто требуется понизить входное напряжение, чтобы получить более низкое выходное напряжение. В простом решении используется линейный регулятор, так как для этого устройства требуется всего несколько конденсаторов и соответствующее управление температурой. Однако там, где такая простота заканчивается, начинается неэффективность — даже до неприемлемого уровня, если перепад напряжения велик.

Эффективность линейного стабилизатора напрямую связана с мощностью, 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 выходного напряжения 1,8 В на линейном регуляторе падает 0,18 Вт. Это падение мощности приводит к низкому КПД 50%, что снижает срок службы батареи на 50% (при идеальной работе).

Понимая эту потерю эффективности, добросовестный инженер стремится найти улучшенное решение, и именно здесь превосходит SMPS. Хорошо спроектированный SMPS может достигать КПД 90% и более, в зависимости от нагрузки и уровня напряжения. Как и в предыдущем примере, при использовании понижающего ИИП на рис. 1 вместо линейного регулятора наблюдается КПД 90%. Это повышение эффективности на 40% по сравнению с линейным регулятором. Преимущество понижающего SMPS очевидно, и аналогичная или лучшая эффективность наблюдается в других топологиях SMPS.

Рис. 1. MAX8640Y используется в простой схеме импульсного источника питания с понижением напряжения.

Хотя высокая эффективность 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 эквивалентно снижению 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.

Топология ИИП и теория преобразования

Как упоминалось в предыдущем разделе, импульсные источники питания могут преобразовывать входное постоянное напряжение в другое выходное постоянное напряжение в зависимости от топологии схемы. Хотя в инженерном мире используется множество топологий SMPS, три из них являются основными и встречаются чаще всего. Эти топологии (показаны на рисунке 2) классифицируются в соответствии с их функцией преобразования: понижающая (понижающая), повышающая (повышающая) и повышающая/понижающая (понижающая-повышающая или инверторная). Пути заряда/разряда катушки индуктивности, представленные на схемах на Рисунке 2, обсуждаются в следующих параграфах.

Рис. 2. Понижение, повышение и понижение-увеличение составляют основные топологии SMPS.

Все три основные топологии включают переключатель MOSFET, диод, выходной конденсатор и катушку индуктивности. МОП-транзистор, который является активно управляемым компонентом в схеме, соединен с контроллером (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 коэффициент заполнения (D) прямоугольного сигнала, определяя, как долго МОП-транзистор остается включенным в течение каждого периода переключения (T _С ). Значение D, представляющее собой отношение времени включения прямоугольной формы к периоду ее переключения (T _ON /T _S ), напрямую влияет на наблюдаемое напряжение на выходе SMPS. Эта взаимосвязь проиллюстрирована уравнениями 4 и 5.

Состояния включения и выключения MOSFET делят схему SMPS на две фазы: фаза заряда и фаза разряда, обе из которых описывают передачу энергии индуктора (см. контуры пути на рисунке 2). Энергия, накопленная в катушке индуктивности во время фазы зарядки, передается на выходную нагрузку и конденсатор во время фазы разрядки. Конденсатор поддерживает нагрузку, пока катушка индуктивности заряжается, и поддерживает выходное напряжение. Эта циклическая передача энергии между элементами схемы поддерживает правильное значение выходного напряжения в соответствии с его топологией.

Индуктор играет центральную роль в передаче энергии от источника к нагрузке во время каждого цикла переключения. Без него SMPS не будет работать при переключении MOSFET. Энергия (E), запасенная в индукторе (L), зависит от его тока (I):

Следовательно, изменение энергии в катушке индуктивности измеряется изменением ее тока (ΔI _L ), которое связано с приложенным к ней напряжением (V _L ) в течение определенного периода времени (ΔT):

(ΔI _L ) представляет собой линейную рампу, поскольку постоянное напряжение прикладывается к индуктору во время каждой фазы переключения (рис. 3). Напряжение катушки индуктивности во время фазы переключения можно определить, выполнив петлю напряжения Кирхгофа, обращая особое внимание на полярность и соотношения V _IN / V _OUT . Например, напряжение катушки индуктивности повышающего преобразователя во время фазы разряда равно -(В _ВЫХ — В _ВХ ). Потому что V _OUT > V _IN , напряжение дросселя отрицательное.

Рис. 3. Подробные характеристики напряжения и тока для катушки индуктивности в установившемся режиме.

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

Циклы заряда/разряда повторяются и поддерживают установившееся состояние переключения. Во время перехода цепи в устойчивое состояние ток дросселя нарастает до своего конечного уровня, который представляет собой суперпозицию постоянного тока и нарастающего переменного тока (или пульсирующего тока дросселя), возникающего в течение двух фаз цепи (рис. 3). Уровень постоянного тока связан с выходным током, но зависит от положения катушки индуктивности в цепи SMPS.

Импульсный ток должен отфильтровываться SMPS, чтобы обеспечить подачу истинного постоянного тока на выход. Это фильтрующее действие осуществляется выходным конденсатором, который мало сопротивляется высокочастотному переменному току. Нежелательный выходной пульсирующий ток 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 пульсациям тока, протекающего через него.

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

Чтобы быть в устойчивом состоянии, переменная, повторяющаяся с периодом T _S , должна быть одинаковой 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 дросселя во время фазы заряда (ΔI _ЗАРЯД ) должен равняться изменению тока дросселя во время фазы разряда (ΔI _РАЗРЯД ). Приравнивая изменение тока дросселя для фаз заряда и разряда, достигается интересный результат, который также называют правилом вольт-секунды:

Проще говоря, произведение напряжения катушки индуктивности на время в каждой фазе цепи одинаково. Это означает, что, наблюдая за цепями SMPS на рис. 2, можно без особых усилий найти идеальные установившиеся коэффициенты преобразования напряжения/тока. Для понижающей схемы петля напряжения Кирхгофа вокруг цепи фазы заряда показывает, что напряжение катушки индуктивности представляет собой разницу между V _IN и V _OUT . Аналогично, напряжение катушки индуктивности во время цепи фазы разряда равно -V _OUT . Используя правило вольт-секунд 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, а входной ток D-кратен 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 анализ сложных топологий может быть более сложным.

Недостатки и недостатки SMPS

Конечно, высокая эффективность, обеспечиваемая SMPS, не лишена недостатков. Возможно, наиболее часто упоминаемой проблемой импульсных преобразователей является их склонность к излучению электромагнитных помех (ЭМП) и проведению шума. Электромагнитное излучение вызвано 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 быстро переключаемые токи контуров заряда/разряда создают магнитные поля. Кондуктивный шум, однако, распространяется на входные и выходные цепи, когда входные/выходные емкости импульсных источников питания и паразитные помехи на печатной плате представляют собой более высокие импедансы по отношению к коммутируемым токам. К счастью, правильное размещение компонентов и методы компоновки 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.