Импульсный блок питания на транзисторах: принцип работы, схема и особенности

Основные этапы доработки:

1. Удаление стабилитронов, задающих фиксированное напряжение
2. Установка регулируемого стабилизатора напряжения (например, TL431)
3. Добавление потенциометра для регулировки опорного напряжения
4. Установка дополнительного LC-фильтра на выходе
5. Модификация цепи обратной связи

После такой доработки блок питания позволяет плавно регулировать выходное напряжение в диапазоне 3.3-9 В при сохранении максимального тока нагрузки.

Особенности выбора компонентов для импульсного блока питания

При разработке или модификации импульсного блока питания важно правильно подобрать ключевые компоненты схемы:

• Силовые транзисторы — выбираются с запасом по напряжению и току, с низким сопротивлением открытого канала
• ШИМ-контроллер — определяет функциональность и эффективность схемы
• Трансформатор — рассчитывается под конкретную мощность и частоту преобразования
• Выходные диоды — быстродействующие, с малым падением напряжения
• Конденсаторы фильтров — с низким ESR, рассчитанные на работу на высоких частотах

Особое внимание следует уделить тепловому режиму работы силовых компонентов и обеспечить их эффективное охлаждение.

Снижение уровня электромагнитных помех

Импульсные блоки питания являются источниками высокочастотных помех. Для их снижения применяются следующие меры:

• Установка входных и выходных фильтров
• Экранирование высокочастотных цепей
• Применение снабберных цепей для подавления выбросов напряжения
• Оптимизация разводки печатной платы
• Использование многослойных печатных плат с выделенными слоями для земли и питания

При правильном проектировании импульсный блок питания на транзисторах может обеспечить низкий уровень электромагнитных помех, соответствующий требованиям стандартов.

Перспективы развития импульсных блоков питания

Основные направления совершенствования импульсных блоков питания на транзисторах:

• Повышение рабочей частоты преобразования для уменьшения габаритов
• Применение новых типов силовых транзисторов (GaN, SiC) для повышения КПД
• Внедрение цифровых методов управления
• Интеграция функций защиты и мониторинга
• Развитие технологий синхронного выпрямления

Эти инновации позволят создавать еще более компактные и эффективные импульсные источники питания для различных применений.

Импульсный блок питания 250 Ватт

Экспериментируя с блоком питания от ПК, я решил улучшить его. Отличия от оригинальной схемы:   

1. Использование FET транзисторов вместо биполярных.
2. Синхронный выпрямитель на вторичной обмотке вместо силовых диодов.
3. Удалено переключение каскадов (текущий пропорциональный контроль)
4. Индикатор перегрузки по току и напряжению.

С магнитными компонентами (выходной трансформатор, дроссели …) из БП от ПК, он обеспечивает выходную мощность 250 Вт с КПД до 90%. Блок питания может работать с 20% перегрузкой в течении короткого времени.

Магнитные компоненты из БП ПК

Магнитные компоненты в БП от ПК не сильно отличаются. Как правило, они работают на частоте 25 … 40кГц и имеют мощность 200…240Вт. Для нового блока питания я предпочел трансформаторы большего размера, поскольку они имеют больше места для увеличения обмоток при необходимости.

Выпрямитель и фильтр

Эта часть схемы достаточно проста. К дросселю Dr1(сетевой фильтр) подключен NTC резистор для ограничения пускового тока. Его сопротивление составляет 5 Ом когда он холодный, и когда он нагревается, его сопротивление составляет менее одного ома. Выпрямитель имеет запас по току и охлаждения не требует. Значение конденсаторов С3 и С4 определяется допустимым Ubr пульсаций напряжения, и напряжение полупериода выпрямителя. Для Ubr = 25В и нулевого полупериода, два конденсатора 470мкФ достаточно. Это применимо к максимальной нагрузке при сетевом напряжения Umin = 230В — 15%

Силовые транзисторные ключи

Полевые транзисторы были использованы из-за их быстрого открытия и закрытия. В случае если достаточно времени переключения около 100нс, то небольшого управляющего трансформатора и двух резисторов достаточно для приведения в действие полевых транзисторов. К сожалению, нельзя избежать перемотки вторичной обмотки трансформатора, которая необходима для обеспечения надлежащего напряжения на затворе. С каждой из 2 обмоток трансформатора TR4 необходимо убрать 8 витков. Вместо этого на них надо намотать по 16 витков. Соотношение напряжений на обмотках должно быть 16, 26 и 20V. Управляющий сигнал с IC1 достаточен для работы полевых транзисторов. Частота трансформатора поднята с 33кГц до 50 кГц, что позволяет получать от трансформатора больше энергии. Однако трансформаторы имеют свой предел по частоте. Эксперименты показали, трансформатор может справиться с увеличением частоты в 1,5 раза без перегрева.

Схема управления

После понижения 230В переменного тока трансформатором Tr1 напряжение с него поступает на ШИМ-контроллер SG3525. Контроллер сравнивает 13.8В выходного напряжения (фактическое значение) с опорным напряжением 5.1В (заданное значение), а также формирует из него  импульсы различной длины. Они подаются на два выхода трансформатора TR4. Длительность импульса обратно пропорциональна разнице между заданным и фактическим напряжением. Повышение нагрузки на выходе 13.8V увеличивает ширину импульсов. Частота переключения питания составляет 50 кГц. Транзисторы могут использоваться на более высоких частотах, но для магнитных компонентов это уже предел. Частота генератора определяется компонентами на выводах 5 и 6. R14 определяет время простоя, что необходимо, чтобы избежать одновременного открытия двух транзисторов. С 1 дает задержку 20мкс. C13 обеспечивает плавный пуск (софт-старт). Трансформатор Tr4 взят с запасом. Для работы хватит 26 витков первичной обмотки и 16 витков вторичной.

Защита

В БП используется две схемы защиты. Tr2 является датчиком тока и дает напряжение на R16. Если напряжение на 10 выводе не превышает предельного значения установленного P1, микросхема отключается сразу и перезапуск после непродолжительной паузы. Причина этого, как правило, избыточный ток на вторичной обмотке трансформатора, короткое замыкание или перегрузка на выходе. SG3525 выключается при Vo > 15 В. Примечание: Обе схемы защиты являются неэффективными, если P1 настроен неверно.

Выпрямитель

Диодный выпрямитель теряет до 17 Вт при выходном токе 18А. Даже с применение диодов Шоттки, потери будут около 12 Вт, а это очень и очень много. Выходом из этого положения является полу синхронный выпрямитель. Полевые транзисторы с низким Rон имеют падение напряжения 0,3В при токе 18А. Хорошие диоды Шоттки имеют падение около 0,6 В. Однако, в некоторой литературе это считают не лучшим решением, потому что ток дросселя DR2 будет течь в обратном направлении через полевые транзисторы. Также могут быть высокие потери при переключении, а это убирает полученные преимущества. Следующая схема лишена этого недостатка. Диод D3 имеет существенно меньшее прямое напряжение мкФ, чем полевой транзистор, и поэтому после него стоит дроссель DR2. В качестве теста, D3 был удален. Полевые транзисторы при этом достаточно сильно грелись. При нагрузке 57% потери составляют около 8,2Вт. Потери ниже 8,2 Вт могут быть достигнуты путем замены диода D3 на транзисторе. Так как управление этим транзистором сложнее, чем VT3 и VT4, я отказался от этого.

Сборка

Блок питания собран на ПП 82 х 122мм. Схема управления и защиты монтируется на небольшой отдельной плате.

Для сборки схемы контроля и защиты используется макетная плата 40х45мм.

Трансформаторы

На рисунке показаны характеристики трансформаторов из БП ПК. Если вы не уверены в соответствии ваших трансформаторов этим требованиям, не используйте их.

Радиаторы

Радиаторы сделаны из алюминиевой пластины толщиной 1 мм. Транзисторы должны быть прикреплены на радиатор через слюду во избежание КЗ.

Список деталей

Резисторы, конденсаторы и полупроводники

Parts No.	Value
R1, 2	120 кОм, 0,5 Вт
R3	100 Ом , 2 Вт
R4, 5, 9	1 кОм
R6	10 Ом, 2 Вт
R7, 10	10 кОм
R8	1,5 кОм + 150 Ом
R11	5,6 кОм
R12, 13, 14	47 Ом
R15, 16	150 Ом
P1	10 кОм потенциометр, 10 оборотов
NTC	Термистор, 5 Ом при 25 °C
C1, 2	0,1 мкФ 250 Впер
C3, 4	470 мкФ 200 В, 22 x 36 мм
C5, 15	2,2 нФ
C6	1 мкФ, 250 Впер
C9, 10	2200 мкФ, 35В low ESR, 16 x 34 мм
C7	100 мкФ, 35 В
C8, C20	10 нФ
C11,12	0,22 мкФ
C13	10 мкФ, 25 В
C14	2,2 нФ Styroflex
C16	2,2 мкФ
C17, 18, 19	0,047 мкФ
D1, 2	PXPR1507 и т. п. быстрый 200 В / 1A диод
D3	MBR3045, 30 A / 45 В диоды Шоттки
D4, 5, 6	BAT 46
D7	Стабилитрон, 13 В / 0,5 Вт
D8	1N4148
VT1, 2	IRF730
VT3, 4	IRFZ44N
IC1	SG3525A
Gl1	Диодный мост, dual in-line B40C800 DIP
Gl2	Диодный мост 400 В / 4 A

Трансформаторы, дроссели и др.

Parts No.	Value
Tr1	0,5 W print транформатор EE20/10, 15 Vac при 34 mA, 24 x 32 мм
Tr2	16 x 15 x 5 мм (W,H,D)
	1 виток перв. обмотка
	2x 100 витков вторичная обмотка
Tr3	40 x 35 x 12 мм (W,H,D) например Tokin 25812 or. 25801
	2x 20 витков перв. обмотка. (L  = 7 mH между a <=> c)
	2x (3 + 4) витков втор. обмотка. (L = 200 uH между d <=> f or d* <=> f*)
	2x 4 витков дополн. обмотка для управления VT3/4
Tr4	22 x 19 x 6 мм (W,H,D)
	2x 26 витков перв. обмотка
	2x 16 витков втор. обмотка
Dr1	2A дроссель
Dr2	20 uH, T26-106 (yel. / white), 16 витков. 2x 1 мм, жилы параллельно
	Magnetics Kool 259-77934-A7, 20 витков. 2×1 mm жилы параллельно
Доп. фильтр	230 V / 2 A
Si	3,15 AT медленно перегорающий предохранитель
PS	Два двухполюсных выключателя
Разное	ПП, радиаторы, изоляторы и т.п.

Серым выделены детали, которые были извлечены из БП компьютера

Тестирование

Тестирование БП проходит в несколько этапов. Это сделано в целях безопасности и сохранности компонентов.

Предупреждение: Проверяйте температуру компонентов только при выключенном напряжении питания.

Этап 1: Первым тестируется PWM-IC и защита. Для запуска PWM-IC, подключите 24В к Gnd и + C7 (Vx). После включения, микросхема формирует управляющие импульсы на контактах 11 и 14. Сигнал на затворе-истоке VT1 и VT2 при измерении осциллографом должен соответствовать рисунку 9. Кроме того, сигналы у VT1 и VT2 должны быть противоположны по фазе.

Этап 2: Теперь подключите три автомобильные лампы (12 В/21 Вт) на 13,8V выход. Питание регулировки и защиты по прежнему подключено. Сигнал в контрольных точках X и Y должен соответствовать осциллограммам приведённым ниже.

Этап 3: Если все в порядке до сих пор, можно приступить к подключению БП к 230В переменного тока. Источник 24В и измерительные приборы должны быть удалены. Лампы ещё необходимы в качестве нагрузки. Если после подключения 230В лампы загораются ярко, выходное напряжение 13,8 В, то всё в порядке. Если ошибка проскочила на первых этапах, то прощайтесь с транзисторами.

Этап 4: Для следующего теста нужна более мощная нагрузка. В таблице ниже приведены результаты при разных сопротивлениях нагрузки.

Дополнительные меры по снижению помех

Во время модификации БП от ПК оказалось, что стандартной фильтрации не хватает для радиолюбительских целей. Дополнительные фильтры установлены на выходе БП.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
IC1	Микросхема	SG3525A	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VT1, VT2	MOSFET-транзистор	IRF730	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
VT3, VT4	MOSFET-транзистор	AUIRFZ44N	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
D1, D2	Диод	PXPR1507	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
D3	Диод Шоттки	MBR3045CT	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
D4, D5, D6	Выпрямительный диод	BAT46	3		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
D7	Стабилитрон	13 В 0. 5 Вт	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
D8	Выпрямительный диод	1N4148	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Gl1	Выпрямительный диод	B40C800DM	1	Диодный мост	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Gl2	Диодный мост	400 В 4 А	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С1, С2	Конденсатор	0.1 мкФ 250 В	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С3, С4	Электролитический конденсатор	470 мкФ 200 В	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С5, С14, С15	Конденсатор	2200 пФ	3		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С6	Конденсатор	1 мкФ 250 В	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С7	Трансформатор	100 мкФ 35 В	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С8, С20	Конденсатор	0. 01 мкФ	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С9, С10	Электролитический конденсатор	2200 мкФ 35 В	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С11, С12	Конденсатор	0.22 мкФ	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С13	Электролитический конденсатор	10 мкФ 25 В	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С16	Конденсатор	2.2 мкФ	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
С17-С19	Конденсатор	0.047 мкФ	3		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R1, R2	Резистор	120 кОм	2	0. 5 Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R3	Резистор	100 Ом	1	2 Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R4, R5, R9	Резистор	1 кОм	3		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R6	Резистор	10 Ом	1	2 Вт	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R7, R10	Резистор	10 кОм	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R8	Резистор	1.5 кОм + 150 Ом	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R11	Резистор	5. 6 кОм	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R12-R14	Резистор	47 Ом	3		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
R15, R16	Резистор	150 Ом	2		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Р1	Переменный резистор	10 кОм	1	10 оборотов	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
NTC	Термистор	5 Ом	1	При 25*C	Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Tr1	Трансформатор	Вых. 15 В	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Tr2-Tr4	Трансформатор		3		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Dr1	Фильтр питания	2 А	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Dr2	Дроссель	20 мкГн	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Si	Медленно перегорающий предохранитель	3. 15 А	1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
Ps	Сдвоенный выключатель		1		Поиск в магазине Отрон	В блокнот
						Добавить все

^{Скачать список элементов (PDF)}

Оригинал статьи

Теги:

• Блок питания
• Перевод

Импульсный блок питания на четырех транзисторах (6В при 0,5А)

Принципиальная схема несложного импульсного блока питания, который выдает на выходе 6В при токе нагрузки 0,5А. Импульсные источники питания, в отличие от обычных, с силовым понижающим трансформатором, при одинаковой выходной мощности, отличаются меньшимигабаритами, меньшим весом и, не всегда, но, как правило, более высоким КПД.

Блоки питания с регулируемым выходным напряжением обычно изготавливают с применением силового понижающего трансформатора, работающего на частоте сети переменного тока 50 Гц и линейного или импульсного стабилизатора выходного напряжения постоянного тока.

Импульсные источники питания с регулируемым выходным напряжением, преобразователь сетевого напряжения которых работает на высокой частоте, распространены мало из-за их повышенной сложности.

Не обязательно изготавливать такой источник питания с чистого листа, для значительного упрощения и ускорения сборки можно применить уже готовый импульсный БП на фиксированное выходное напряжение, который после несложной доработки станет регулируемым.

Принципиальная схема

На рис. 1 показана схема импульсного БП от одной из «зарядок», маркированный как СТ-1В. Выходное стабилизированное напряжение этого БП около 6,2 В при токе нагрузки до 0,5 А. Принципиальная схема была составлена по монтажной плате.

Высоковольтная часть этого БП выглядит традиционно — узел преобразователя напряжения собран на популярном мощном высоковольтном транзисторе MJE13003, на транзисторе Q4 собран узел защиты от перегрузки Q1. Также, Q4 участвует в схеме стабилизации выходного напряжения.

Отличительной особенностью этого БП является наличие ещё одного узла защиты от перегрузки, реализованного на Q2, R8, R9. При увеличении тока нагрузки до 0,5…0,6 А, подключенной к выходу БП, напряжение на выводах резистора R8 достигает 0,5…0,6 В, транзистор Q2 открывается, ток через светодиод оптрона U1 увеличивается, фототранзистор оптрона открывается сильнее, что приводит к большему открывания Q4, который частично шунтирует эмиттерный переход Q1, выходное напряжение БП понижается.

При уменьшении тока нагрузки выходное напряжение БП стремится увеличиться, ток через стабилитрон ZD1 возрастает, что так же приводит к увеличению тока через светодиод оптрона U1. Зелёный кристалл сдвоенного светодиода LED1 светит при наличии выходного напряжения.

Рис. 1. Принципиальная схема импульсного источника питания на транзисторах.

Красный кристалл светит в полную яркость при подключении к выходу БП нагрузки. Стабилитрон ZD2 защищает подключенную нагрузку от повышенного напряжения при неисправности преобразователя напряжения. При отключении узла защиты на транзисторе Q2 выходной ток БП ограничивают на уровне около 1 А при напряжении сети 220 В узел на Q4 и датчик тока на R10.

Схема доработки

Чтобы в этом импульсном источнике питания появилась возможность регулировать выходное напряжение, он был доработан по схеме, показанной на рис. 2. Модернизированный БП рассчитан на выходное напряжение 3,3…9 В при токе нагрузки до 0,5 А. Нумерация дополнительно установленных элементов продолжает нумерацию элементов, установленных изготовителем БП.

На входе блока питания был установлен дополнительный RC фильтр C10R3L4C11, который понижает уровень помех, как поступающих из сети питания, так и проникающих в питающую сеть от работающего импульсного преобразователя напряжения. Резистор R16 ограничивает пусковой ток БП, а также, выполняет предохранительные функции.

Пусковой ток при включении питания также ограничивается сопротивлением обмоток дросселей L3, L4. Конденсатор С1 был установлен ёмкостью 2,2 мкФ вместо 1 мкФ, а на место C3 припаян конденсатор ёмкостью 4,7 мкФ вместо 1 мкФ. Резистор R10 установлен сопротивлением 3,9 Ом вместо 3,3 Ом.

Это снизило ток срабатывания защиты от перегрузки до 0,8 А вместо 1 А. Конденсатор С7 удалён. Конденсатор С8 установлен ёмкостью 1000 мкФ вместо 220 мкФ. Конденсатор С9 установлен на 470 мкФ вместо 220 мкФ. Параллельно этим двум конденсатором припаяно по SMD керамическому конденсатору емкостью по 10 мкФ.

На место диода D8 вместо FR103 установлен более мощный диод FR203. Поскольку размах амплитуды напряжения на обмотке III превышает 50 В, диод Шотки на место D8 было решено не устанавливать. Резистор R8 установлен сопротивлением 0,5 Ом вместо 1 Ом. Стабилитроны ZD1 и ZD2 удалены.

Выходное напряжение БП регулируют переменным резистором R20. Этот резистор используется в реостатном включении, чтобы в случае обрыва в цепи его подвижного контакта, на выходе БП было минимальное напряжение. Чем ниже по схеме положение движка R20, тем больше выходное напряжение БП. R19 и С13 устраняют самовозбуждение микросхемы регулируемого стабилитрона DA1.

Рис. 2. Схема доработки блока питания для возможности регулировки напряжения.

Узел индикации тока подключенной нагрузки был модернизирован. Вместо кремниевого р-п-р транзистора типа SS9015 установлен германиевый МП25Б и изменена схема его включения. Теперь для этого узла на Q5 не требуется отдельный датчик протекающего тока, роль которого ранее выполнял кремниевый диод D3.

В новой схеме резистор R8 является датчиком тока как для кремниевого Q2, так и для германиевого Q5. При выходном напряжении 5 В свечение красного кристалла светодиода становится хорошо заметным при токе подключенной нагрузки около 60 мА.

При токе нагрузки 0,35 А свечение красного кристалла полностью перекрывает свечение зелёного кристалла светодиода, при токе 0,45 А яркость свечения красного кристалла светодиода достигает максимума.

На выход блока питания установлен дополнительный LC фильтр L5C15. Амплитуда напряжения пульсаций и шумов на выходе БП 20…40 мВ. Резистор R13 установлен сопротивлением 1 кОм вместо 560 Ом, а R1 680 Ом вместо 470 Ом.

Рис. 3. Продолжение доработанной схемы блока питания (выходная часть).

Микросхема KIA431 установлена на место, где раньше был припаян светодиод. Вместо такой микросхемы можно применить TL431, AZ431, LM431, выполненную в трёхвыводном корпусе ТО-92. Вместо неисправного транзистора MJE13003 можно применить MJE13005.

К высоковольтному транзистору нужно прикрепить дюралюминиевый теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности около 8 см.кв, это значительно повысит надёжность устройства. Теплоотвод с помощью тонкой слюдяной прокладки и ПВХ трубки или втулки должен быть надёжно электрически изолирован от коллектора Q1, иначе он станет эффективной излучающей антенной.

Детали

Вместо транзистора ВС847 подойдёт любой из серий 2SC1815, 2SC945, ВС548, SS9014, КТ315, КТ3102, КТ645, КТ6111. Транзистор 2SA733 можно заменить на SS9012, SS9015, ВС557, ВС558, 2SA708, КТ361, КТ209, КТ3107, КТ6112, КТ6115.

Вместо германиевого транзистора МП25Б подойдёт любой из серий МП20, МП21, МП25, МП26, МП39 — МП42. Рекомендованные в вариантах замен транзисторы имеют отличия в типах корпусов и цоколёвке выводов. Диоды 1N4007 можно заменить на 1 N4005, 1 N4007, UF4005 -UF4007, 1N4937GP, 11DF4, КД 209Б, КД243Д, КД247Г.

Вместо диода FR107 может работать любой из UF4007, 1N4937GP, 1 N5399, RG2M, КД247Д. Диод FR203 можно заменить на любой из FR202 — FR207, FR302 -FR307, SRP300D SRP300K, КД226А -КД226Е. Вместо диода 1N4148 можно установить 1SS176S, 1SS244, 1 N914, КД510А,

Дроссели L3, L4 малогабаритные промышленного изготовления, намотанные на Н-образных ферритовых сердечниках. Подойдут любые индуктивностью от 100 мкГн и сопротивлением обмоток 10…

100 Ом. Дроссель L5 двухобмоточный, содержит несколько витков сложенного вдвое многожильного монтажного провода на кольце из низкочастотного феррита или пермаллоя, чем больше индуктивность и чем меньше сопротивление обмоток этого дросселя, тем лучше. Конденсаторы C10, С11 керамические высоковольтные.

Переменный резистор R20 подключают к схеме экранированным проводом минимальной длины, металлический экран переменного резистора должен быть соединён с минусом С9. Резистор R16 желательно применить невозгораемый или разрывной. Светодиод любой двухкристальный с общим катодом, например, серий L-119, L-293.

Вместо такого светодиода можно применить и два обычных светодиода непрерывного свечения. Оптрон РС817 можно заменить на любой из PS817, LTV817, EL817, SFH617A-2, PS2501-1, РС814, РС120, РС123, выполненный в стандартном четырёхвыводном корпусе.

Все детали модернизированного блока питания размещены в коробке из полистирола размером 80x50x44 мм от сетевого адаптера для игровой приставки «Денди». Контактные штыри для подключения к сетевой розетке удалены с корпуса, вместо них используется гибкий сетевой шнур с вилкой, что гораздо удобнее. Вес устройства в сборе 110 грамм.

Узел на германиевом транзисторе Q5 смонтирован на отдельной небольшой плате. Дроссель L5 приклеен к корпусу полимерным клеем «Квинтол». При сборке следите за тем, чтобы провода «горячей» высоковольтной части схемы не перехлёствывались с проводами и узлами её низковольтной части. В режиме холостого хода БП потребляет от сети ток 2 мА при напряжении сети 240 В переменного тока и 24 мА при выходном напряжении 9 В при токе нагрузки 0,5 А. Таким образом, КПД этого источника питания составляет около 78 %.

Бутов А. Л. РК-2015-08.

Литература:

1. Бутов А.Л. Доработка зарядного устройства STA-U12RD. РК-2013-03.
2. Бутов А.Л. Импульсный блок питания из старого видеоплеера. РК-2014-12.
3. Бутов А.Л. Высоковольтный стабилизатор напряжения постоянного тока. РК-2010-11.

транзисторов — Почему переключение вызывает рассеивание мощности?

\$\начало группы\$

Я знаю, что переключение логических значений вызывает рассеивание мощности, но никогда не мог понять почему.

Это потому, что транзисторы нужно включать каждый раз, когда мы хотим зарядить/подтянуть узел и разрядить/подтянуть узел? Является ли эта мощность, потребляемая транзистором, ответственным за переключение, умноженная на коэффициент активности и частоту, называемую динамической мощностью? Является ли рассеивание мощности просто другим словом для «потребляемой» мощности?

• транзисторы
• питание
• cmos
• переключение

\$\конечная группа\$

6

\$\начало группы\$

Почему переключение вызывает рассеивание мощности?

Представьте, что у вас есть почти идеальный переключающий транзистор, которому не требуется управляющая энергия для перехода от разомкнутой цепи к замкнутой цепи с очень низким сопротивлением (или наоборот). По определению, на управление этим транзистором не тратится энергия.

Затем представьте, что транзистор должен разрядить узел с (скажем) 5 вольт до 0 вольт — представьте также, что узел не обладает собственной емкостью. Тогда это будет означать, что для изменения напряжения на этом узле с 5 вольт до 0 вольт не требуется энергии.

Это также означает, что рассматриваемому узлу не потребуется энергии для восстановления 5 вольт, когда разрядный транзистор разомкнется.

Но каждый узел имеет емкость , и изначально эта емкость заряжается до 5 вольт, поэтому, чтобы разрядить этот узел, вам необходимо удалить энергию и преобразовать ее в тепло при очень низком омическом сопротивлении «включено». этого транзистора. Итак, вы «сожгли» энергию и превратили ее в тепло, и, когда транзистор отключается, емкость узла перезаряжается до 5 вольт — для этого ему необходимо брать энергию с шин питания для перезарядки емкости.

Итак, если это повторяется циклически, вы циклически берете энергию из силовых шин и преобразуете эту энергию в тепло.

Мощность — это энергия в секунду. Таким образом, переключение вызывает рассеивание мощности. Если вы делаете это переключение на низкой частоте, мощность ниже; если вы делаете это на высокой частоте, мощность выше.

\$\конечная группа\$

0

\$\начало группы\$

Рассмотрим переключение MOSFET.

Переключение — это кратковременное событие, поэтому потери обычно не моделируются как «мощность». Каждое действие переключения рассеивает немного энергии. Затем вы умножаете это на частоту переключения (или делите на период), и вы получаете рассеиваемую мощность, то есть энергию, рассеиваемую в течение одной секунды.

Чтобы переключиться из состояния «выключено» в состояние «включено», его затвор должен быть заряжен до подходящего напряжения, которое включает емкость затвор-исток и затвор-сток. Требуемая плата называется «платой за ворота». Ток для его зарядки исходит от управляющей схемы, которая должна затратить немного энергии для его обеспечения. Сколько зависит от емкости полевого транзистора и из-за емкости затвор-сток \$C_{gd}\$, его напряжения сток-исток \$V_{ds}\$. По сути, драйвер переключает полевой транзистор между VCC и управляемым затвором полевого транзистора, этот полевой транзистор является резистивным, когда он включен, и ток затвора несет резистивные потери. При отключении управляемого полевого транзистора его затвор замыкается на землю другим полевым транзистором драйвера, так что он не потребляет ток от VCC, и хотя мощность рассеивается в управляющем полевом транзисторе, она не учитывается в общем бюджете энергии. Для быстрого переключения полевого МОП-транзистора большой мощности схема возбуждения должна обеспечивать довольно большой ток (несколько ампер).

Затем, когда его затвор заряжается, МОП-транзистор не переключается мгновенно из состояния «выключено» во состояние «включено». Между ними есть короткий интервал, когда напряжение на затворе растет (или падает), и полевой транзистор работает в линейном режиме. В понижающем преобразователе, например, ток дросселя не перестает течь во время переключения, он просто переключается с верхнего полевого транзистора на диод (или нижний полевой транзистор). Например, когда верхний полевой транзистор выключается, напряжение на его стоке падает с нуля (когда он был проводящим) до полного напряжения питания. В течение всего этого времени ток катушки индуктивности все еще протекает через полевой транзистор, который рассеивает мощность v.i, где i примерно постоянно, а \$V\$ линейно изменяется от 0 В до VCC. Только когда включается другой полевой транзистор (или диод), ток индуктора перестает течь в верхний полевой транзистор и вместо этого течет в другой. Это приводит к потере энергии в полевом транзисторе, которая составляет примерно половину произведения времени переключения, \$V_{ds}\$ и \$I_d\$. Поскольку это происходит дважды в каждом периоде, вы можете рассчитать потери энергии при переключении за период как \$T_{переключатель} \cdot V_{ds} \cdot I_d\$.

Вышесказанное в основном относится к силовым полевым транзисторам, а не к полевым транзисторам в логических элементах. Последние не являются катушками индуктивности, поэтому нет катушки индуктивности, которая пропускала бы ток через полевой транзистор при его выключении. Его затвор по-прежнему требует управления, но если тока стока нет, то и потерь на переключение нет.

Затем идет емкость нагрузки. Всегда есть емкость, поэтому, когда ваш полевой транзистор переключается, выходное напряжение на нагрузке будет меняться от 0 В до VCC и обратно. Каждый раз это заряжает и разряжает емкость нагрузки, что вызывает такие же потери, как описано выше, при управлении затвором полевого транзистора.

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Давайте сосредоточимся на КМОП-технологии, которая в настоящее время является наиболее широко используемой логической технологией и довольно проста для понимания.

Основным строительным блоком вентилей CMOS является структура, которая работает как инвертор, при этом NMOS и PMOS действуют как переключатели, которые включаются и выключаются попеременно ( Дополнительный MOS — CMOS). Другие ворота представляют собой просто более сложные настройки пар переключателей NMOS-PMOS.

Итак, давайте рассмотрим базовую структуру инвертора:

^{смоделируйте эту схему – Схема создана с помощью CircuitLab}

В этой схеме есть два источника потерь энергии при переключении: должны быть заряжены/разряжены, чтобы перевести вход в состояние переключения (и, следовательно, чтобы перевести инвертор на выходе в состояние переключения). Вы можете представить этот процесс как цикл заряда-разряда RC-цепи, где R — это выходное сопротивление того, что управляет затворами.

Конечно, эти маленькие глотки энергии, которые теряются при каждом переключении, становятся все более актуальными по мере увеличения частоты переключения и замедления фронтов управляющего сигнала (увеличение времени нарастания).

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Помимо предела Ландауэра, упомянутого @jonk, самая реальная физическая реализация необратимого переключателя состояния рассеивает дополнительную энергию.

В простой электронной системе, такой как триггер или вентиль НЕ, изменение состояния вызывается током электрического заряда через резистивные дорожки. Зарядный ток, протекающий через резистор, выделяет тепло. Это тепло по большей части необратимо, потому что рассеивание тепла увеличивает энтропию.

Этим электронным системам также необходимо сопротивление для работы. Если вы удалите все сопротивления из электрической цепи, у вас останется постоянно колеблющаяся сетка зарядного тока. Это означает, что без сопротивления не может быть необратимого переключателя состояния в чисто электронной системе. В этом также состоит суть упомянутого выше предела Ландауэра. Если у вас есть два различных состояния, то должен быть энергетический барьер, разделяющий их, и преодоление энергетического барьера рассеивает соответствующее количество энергии.

\$\конечная группа\$

12

\$\начало группы\$

Я думаю, что в других ответах не хватает расчета, чтобы показать истинные последствия энергопотребления в цифровых схемах.

Для простоты можно сказать, что транзисторы включаются/выключаются при наличии высокого/низкого напряжения на их входе, называемом «затвор». Чтобы остаться включенным, здесь должна быть какая-то емкость, \$C\$. Для того, чтобы изменить состояние транзистора с выключенного на включенное, мы должны зарядить эту емкость напряжением от \$0\$ до \$V\$ (где \$V\$ — логический «высокий» уровень в нашей схеме) и чтобы изменить его с on на off, мы должны разрядить напряжение на этой емкости \$C\$ от \$V\$ до \$0\$.

Мы заряжаем и разряжаем эту емкость, используя другие транзисторы (представьте, что эти «управляющие» транзисторы являются входом от предыдущего логического элемента, а «управляемый» транзистор является следующим логическим элементом в цепочке). Когда мы хотим зарядить входной конденсатор, ток течет от источника с напряжением \$V\$ через управляющий транзистор в конденсатор. Этот ток течет, уменьшаясь до нуля по мере заполнения емкости.

Сколько энергии использовала эта последовательность включения? Ну, протекал некоторый ток, и на управляющем транзисторе было напряжение, но по мере того, как емкость заполнялась, ток и напряжение на управляющем транзисторе падало до нуля. Поскольку \$P = IV\$, очевидно, что во время зарядки конденсатора на транзисторе рассеивалась некоторая мощность, но после зарядки мощность отсутствует. Это то, что подразумевается под потреблением только «динамической мощности» или «мощности переключения»: энергия требуется только для зарядки и разрядки этого конденсатора, потому что мы тратим энергию, немного нагревая управляющий транзистор во время этого процесса. 9\infty I(t) V_t(t)dt\$, где \$V_t(t)\$ — напряжение на транзисторе, а \$I(t)\$ — ток. Но на самом деле мы не знаем точную кривую зарядки, связанную с транзистором, или точную кривую напряжения, поэтому нам нужно более простое выражение для этого уравнения. Чтобы понять это, поймите, что конденсатор и транзистор — единственные два элемента, соединенные последовательно от источника питания до земли, и, таким образом, их напряжения складываются, чтобы равняться мощности источника, \$V\$ (согласно закону напряжения Кирхгофа). Таким образом, \$V_t(t) = V — V_c(t)\$. Подставляя в уравнение: $$ E_{1/2 цикла} = \int_0^\infty I(t)(V-V_c(t)) dt = \int_0^\infty I(t)V dt — \int_0^\infty I(t) V_c( т) дт. $$ 9\infty I(t)V dt\$, просто напряжение питания, умноженное на ток питания, интегрированный для получения подводимой энергии), за вычетом энергии, которую мы не тратим на рассеяние, а сохраняем в конденсаторе (\$E_c\$) .

Что произойдет, если мы повернем этот процесс вспять? Теперь вся энергия, накопленная в конденсаторе, рассеивается через управляющий транзистор, опустошая емкость. Весь ток течет по петле обратно в другой конец конденсатора: конденсатор при разрядке здесь действует как источник. Таким образом, очевидно, что вся энергия, хранящаяся в конденсаторе, теперь теряется, рассеиваясь на разряжающем транзисторе. Таким образом, хотя мощность, которую мы тратили на зарядку конденсатора, ранее не терялась, теперь она теряется. Таким образом, общая мощность, теряемая за полный цикл включения-выключения, увеличивается на \$E_c\$: 92\$, таким образом,

$$ E_{общий} = 2E_c $$

Таким образом, что бы мы ни делали, как бы мы ни управляли нашими транзисторами, энергия, которую мы тратим впустую в каждом цикле, вдвое превышает энергию, которую мы запасаем на затворах транзисторов во время циклов. Такова природа динамической мощности — она ​​потребляет энергию только для зарядки и разрядки конденсаторов. Чтобы использовать меньше энергии, мы можем уменьшить емкость или реже включать и выключать их.

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Мои мысли совпадают с комментарием @Bart, поэтому я опубликую (надеюсь) тысячу слов: 0 и 1 . Поскольку в природе ничего не происходит мгновенно, переходы между значениями занимают конечное время. Если одно из них представляет собой напряжение, а другое — ток, то их умножение даст мощность. Но когда V(a)=1, V(b)=0 и наоборот, поэтому, когда умножение происходит во время их максимального/минимального значения, мощность равна нулю. Следовательно, мощность принимает значение только во время переходов, и, поскольку эти две величины идеальны и линейны, она принимает форму x (1-x) .

В остальном все остальные ответы уже подробно объяснены с примерами и упомянуты, что ничего не происходит бесплатно (вам нужно работать, чтобы переключения происходили).

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Думаю, на этот вопрос нужен простой ответ…

Перемещение кулона электронов (это 6*10 ¹⁸ из них) от земли к, скажем, 5-вольтовой шине тратит 5 джоулей энергии.

Транзистор FET/MOSFET/JFET/и т. д. включается или выключается перемещением части электронов из земли в затвор или перемещением части электронов из затвора в положительную шину. Таким образом, каждый цикл тратит немного энергии, и чем чаще вы это делаете, тем быстрее вы тратите эту энергию. Норма расхода энергии — это расход энергии.

Транзистор BJT включается, когда некоторые электроны просачиваются из земли через переход эмиттер-база в положительную шину. Такие транзисторы (больше не используемые в компьютерах) постоянно расходуют энергию, пока они включены.

Чтобы ответить на ваши другие вопросы:

1. Да, «динамическая мощность», рассеиваемая схемой CMOS/MOSFET, является стоимостью всех этих циклов зарядки/разрядки затвора. Обратите внимание, что не все они тратятся на конкретный компонент. Если вы переключаетесь медленно, то в основном он тратится на переключатель, который управляет транзистором (как объясняют ответы выше). Чем быстрее вы переключаетесь, тем больше его уходит в провода или в управляемый транзистор. Однако количество затрачиваемой энергии при этом не меняется.

2. Рассеиваемая мощность теряется в виде тепла. Это не включает выходную мощность в полезных формах, таких как механическая работа. Для логической микросхемы мощность, рассеиваемая в микросхеме, не включает мощность, фактически выдаваемую микросхемой, хотя чаще всего она просто рассеивается где-то еще.

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Ответ простой и не слишком точный.

Транзисторам необходим непрерывный ток в базе, чтобы оставаться во включенном состоянии, поэтому они потребляют энергию, пока находятся во включенном состоянии. Когда их выключаешь, они просто перестают потреблять энергию. Таким образом, непрерывное переключение в этом случае не является основной причиной рассеяния энергии (но в любом случае есть другие потери).

НО для переключения приложений (логические схемы и силовые цепи) вместо транзисторов используются полевые МОП-транзисторы. МОП-транзистор потребляет очень мало энергии в своем затворе. Его затвор похож на конденсатор: вы заряжаете конденсатор (затвор) и мосфет включается, вы разряжаете затвор и мосфет выключается. Каждый раз, когда вы разряжаете ворота, вы теряете энергию, и если вы делаете это много-много раз в секунду, эта потерянная энергия становится важной. Подумайте о ЦП с таким количеством мосфетов, которые включаются и выключаются с частотой в несколько гигагерц, и вы можете себе представить, почему ЦП потребляет так много энергии.

Философское примечание: я сказал, что энергия тратится впустую, когда вы выключаете ворота, потому что обычно это делается путем рассеивания этой энергии в резисторе, который преобразует энергию в тепло. Когда вы направляете энергию в затвор, эта энергия еще не тратится впустую, потому что она хранится в конденсаторе затвора, но я не знаю системы, способной вернуть эту энергию, чтобы использовать ее для чего-то полезного. Может быть, это будет следующее большое улучшение в цифровой электронике? 🙂

— ОБНОВЛЕНИЕ — Кажется, никто не думает, что резистор, включенный последовательно с затвором, часто необходим, конечно, когда управляемый MOSFET является силовым MOSFET, как те, которые используются в H-мостах. Третий результат поиска в Интернете привел к этому документу Toshiba, в котором в пункте 2.1 «Базовая схема привода» показан резистор затвора с соответствующим объяснением:

Другой пример, взятый из реальной платы (бесколлекторный контроллер), который также показывает номинал резистора (драйвер — FAN7382:

Теперь я согласен, что часто резистора затвора нет. Это является частным случаем, когда резистор затвора близок к нулю, но в любом случае накопленный заряд в затворе должен рассеиваться при выключении MOSFET Если драйвер затвора может выдержать пиковый ток и / или полную мощность, принимая также Учитывая частоту коммутации, то резистор не нужен.

Наконец, интересный вопрос с ответами есть на этом самом сайте электротехника.

\$\конечная группа\$

13

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя адрес электронной почты и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

Блок питания 101: резисторы, транзисторы и диоды

Резисторы, транзисторы и диоды

Резисторы

Резисторы являются наиболее часто используемыми электронными компонентами. Их роль состоит в том, чтобы просто ограничить поток электрического тока, когда это необходимо, и убедиться, что на компонент подается правильное напряжение. Измеряем сопротивление в омах. Однако, поскольку ом представляет собой очень маленькое сопротивление, в большинстве случаев вы увидите сопротивление, измеренное в кОм (1000 Ом) или МОм (1 000 000 Ом) .

Изображение 1 из 2

Когда мы объединяем несколько резисторов в ряд, то мы просто добавляем их сопротивление (уравнение 1 ниже). Один и тот же ток протекает через все резисторы, соединенные последовательно, но на каждом резисторе есть некоторое падение напряжения.

        (1)             R _серия = R1+R2+R3…

Когда мы соединяем несколько резисторов параллельно, мы уменьшаем общее сопротивление (уравнение 2). Кроме того, при наличии в цепи нескольких ветвей сопротивления ток, протекающий по каждой из них, обратно пропорционален сопротивлению ветви.

        (2)             R _{параллельный} = 1/(1/R1+1/R2+1/R3…)

Поскольку мы дошли до этого места, следует упомянуть закон Ома: напряжение равно току, умноженному на сопротивление ( уравнение 3). Другим не менее известным законом является закон Джоуля (уравнение 4), который дает отношение мощности (P) к напряжению (V) и току (I).

        (3)             V = I x R

        (4)               P = V x I = (I x R) x I = I ² X R

Транзисторы

Транзистор считается самым большим открытием или инновацией 20 ^-го -го века. Действительно, внутри каждого электронного устройства в настоящее время вы найдете транзисторы, работающие легко и надежно. Двумя наиболее распространенными типами транзисторов являются транзисторы с биполярным переходом (BJT), которые можно разделить на транзисторы NPN и PNP, и полевые транзисторы (FET). Подобно BJT, полевые транзисторы бывают N-канального и P-канального типов. Двумя основными типами полевых транзисторов являются MOSFET (металло-оксидные полупроводниковые полевые транзисторы) и JFET (переходные полевые транзисторы).

Транзистор имеет три вывода: исток, затвор и сток. Чтобы объяснить его работу, мы будем использовать простую парадигму. Подумайте о трубе, которая соединяет источник воды с канализацией. Клапан (заслонка) регулирует поток воды, будучи полностью закрытым, частично открытым или полностью открытым. То же самое и в транзисторе. Подавая напряжение или ток (в зависимости от типа транзистора) на затвор, мы можем контролировать ток, протекающий от истока к стоку. В NPN-транзисторах исток, затвор и сток называются коллектором, базой и эмиттером соответственно. Двумя основными функциями транзисторов являются усиление слабых сигналов и переключение.

Изображение 1 из 2

В блоках питания в основном используются полевые транзисторы NPN в преобразователе APFC и в качестве основных переключателей. Для дальнейшего повышения эффективности они также используются во вторичной обмотке для выпрямления выходов постоянного тока (синхронная конструкция).

Диоды

Диод можно рассматривать как односторонний клапан. Когда к нему приложено напряжение, он позволяет току течь в одном направлении, но не в другом. Этот процесс иногда также называют процессом ректификации. Один конец диода называется анодом, а другой — катодом. Большинство диодов позволяют току свободно течь от анода к катоду. Когда с диода начинает течь ток, на нем происходит постоянное падение напряжения. Для большинства диодов это падение напряжения составляет примерно 0,7 В.

Все диоды имеют номинальный ток, который указывает максимальный прямой ток, который они могут выдержать. Кроме того, показатель пикового обратного напряжения (PIV) отображает максимальное обратное напряжение, которое может выдержать диод, прежде чем он выйдет из строя. Теперь, если вы хотите узнать, правильно ли работает диод, все, что вам нужно сделать, это измерить его мультиметром, используя шкалу омов. В одном направлении диод должен иметь низкое сопротивление (прямое смещение), а в обратном направлении вы увидите высокое сопротивление (обратное смещение).

Изображение 1 из 2

Диоды имеют множество применений. Некоторыми из наиболее распространенных являются регулирование напряжения, выпрямление переменного тока (мостовые выпрямители), применение светодиодов, защита от перенапряжения и многое другое. Во многих блоках питания, помимо обычных диодов, мы почти всегда находим мостовые выпрямители (четыре диода в мостовой схеме, которая обеспечивает двухполупериодное выпрямление входящего сигнала переменного тока) и диоды с барьером Шоттки (SBR). SBR используются в секции APFC (повышающие диоды) и иногда для процесса выпрямления выходов постоянного тока на вторичной стороне. Диоды Шоттки — это специальные диоды с меньшим падением прямого напряжения, чем у обычных диодов. Однако в высокоэффективных блоках питания они полностью заменены полевыми транзисторами, которые рассеивают меньше энергии. Но есть также случаи, когда SBR работают вместе с полевым транзистором, заменяющим его внутренний диод, обеспечивая повышенную эффективность, поскольку фактическое регулирование по-прежнему выполняется полевым транзистором.