Импульсный блок питания своими руками: принцип работы, схемы

Содержание
  1. Конструктивные особенности и принцип работы
  2. БП на основе силового трансформатора
  3. Импульсные устройства
  4. Импульсный блок питания на TL494 своими руками — схема и подробная инструкция по монтажу
  5. Схемы импульсных блоков питания
  6. Входной фильтр
  7. Сетевой выпрямитель и сглаживающий фильтр
  8. Инвертор или блок ключей
  9. Силовой трансформатор
  10. Силовой трансформатор
  11. Как работает инвертор?
  12. Сильные и слабые стороны импульсных источников
  13. Выбор вариантов схем электропитания
  14. Однотранзисторный прямой преобразователь
  15. Двухтактный преобразователь
  16. Двухтранзисторный прямой преобразователь
  17. Односторонний двухтактный преобразователь
  18. Мостовой двухтактный преобразователь
  19. Обратноходовый преобразователь
  20. Инвертирующий (Buck-boost) конвертер
  21. Повышающий преобразователь
  22. Понижающе-повышающий преобразователь
  23. Сфера применения
  24. Как работает импульсный блок питания электронных устройств

Конструктивные особенности и принцип работы

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

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

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

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

Упрощенная структурная схема аналогового БП
Упрощенная структурная схема аналогового БП

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

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

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

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12
Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

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

Импульсные устройства

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

Структурная схема импульсного блока питания
Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

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

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

Пример миниатюрных импульсных БП
Пример миниатюрных импульсных БП

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

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

Импульсный блок питания на TL494 своими руками — схема и подробная инструкция по монтажу

Импульсный блок питания на TL494 крупным планом
Корпус этого самодельного импульсного блока питания состоит из двух частей — основа Kradex Z4A, а так же вентилятор (кулер), который можно увидеть на фото. Он является как бы продолжением корпуса, но обо всем по порядку.
Схематическое изображение импульсного блока питания на TL494
Схема импульсного блока питания на TL494
Что касается необходимых деталей, то нам понадобятся:

  • ШИМ контроллер (IC1) — TL494.
  • Операционный усилитель (IC2) — LM324.
  • 2 линейных регулятора (VR1, VR2) — L7805AB и LM7905.
  • 4 биполярных транзистора T1, T2 — C945 и T3, T4 — MJE13009.
  • 2 диодных моста — VDS2 (MB105) и VDS1 (GBU1506).
  • 5 выпрямительных диодов (D3–D5, D8, D9) — 1N4148.
  • 2 выпрямительных диода (D6, D7) — FR107.
  • 2 выпрямительных диода (D10, D11) — FR207.
  • 2 выпрямительных диода (D12, D13) — FR104.
  • Диод Шоттки (D15) — F20C20.
  • 5 дросселей — L1 (100 мкГн), L5 на желтом кольце (100 мкГн), L3, L4 (10 мкГн), L6 (8 мкГн).
  • Синфазный дроссель (L2) — 29 мГн.
  • 2 импульсных трансформатора — Tr1 (EE16) и Tr2 (EE28–EE33, ER35).
  • Трансформатор (Tr3) — BV EI 382 1189.
  • Предохранитель (F1) — 5А.
  • Терморезистор (NTC1) — 5.1 Ом.
  • Варистор (VDR1) — 250 В.
  • Резисторы — R1, R9, R12, R14 (2.2 кОм); R2, R4, R5, R15, R16, R21 (4.7 кОм); R3 (5.6 кОм); R6, R7 (510 кОм); R8 (1 Мом); R13 (1.5 кОм); R17, R24 (22 кОм); R18 (1 кОм);
  • R19, R20 (22 Ом); R22, R23 (1.8 кОм); R27, R28 (2.2 Ом); R29, R30 (470 кОм, 1–2 Вт); R31 (100 Ом, 1–2 Вт); R32, R33 (15 Ом); R34 (1 кОм, 1–2 Вт).
  • Переменные резисторы (R10, R11) — 10 кОм, можно использовать 3 или 4.
  • Резисторы (R25, R26) — 0.1 Ом; шунты, мощность зависит от выходной мощности БП.
  • Конденсаторы — C1, C8, C27, C28, C30, C31 (0.1 мкФ); C3 (1 нФ, пленочный); C4–C7 (0.01 мкФ); C10 (0.47 мкФ, 275 В, X); C12 (0.1 мкФ, 275 В, X); C13, C14, C19 (0.01 мкФ, 2 кВ, Y); C20 (1 мкФ, 250 В, пленочный); C21 (2.2 нФ, 1 кВ); C23, C24 (3.3 нФ).
  • Электролитические конденсаторы — C2, C9, C22, C25, C26, C34, C35 (47 мкФ); C11 (1 мкФ); C15, C16 (2.2 мкФ); C17, C18 (470 мкФ, 200 В); C29, C32, C33 (1000 мкФ, 35 В).
  • 2 светодиода — D1 (зеленый, 5 мм) и D2 (красный, 5 мм), либо просто диоды, если не нужна индикация.

Из конструктивных элементов нужны будут:

  1. Корпус Z4A.
  2. Выключатель — 250 В, 6 А.
  3. Держатель для предохранителя.
  4. Розетка для подключения к сети 220 В.
  5. Вилка для подключения к сети 220 В.
  6. Разъём для выходного напряжения.
  7. Вентилятор 12 В.
  8. Вольтметр.
  9. Амперметр.

Как видите, схема работает на микросхеме TL494. Существует много аналогов, но лучше использовать оригинальные микросхемы. Стоят они не так уж и дорого, а работают надежно, в отличие от китайских подделок.
Можно также разобрать несколько старых БП от компьютеров и насобирать необходимых деталей оттуда, но лучше по возможности использовать новые детали и микросхемы — это повысит шанс на успех

По причине того, что выходной мощности встроенных ключевых элементов TL494 недостаточно, чтобы управлять мощными транзисторами, работающими на основной импульсный трансформатор Tr2, строится схема управления силовыми транзисторами T3 и T4 с применением управляющего трансформатора Tr1. Данный трансформатор управления можно использовать от старого БП компьютера без внесения изменений в состав обмоток. Трансформатор управления Tr1 раскачивается транзисторами T1 и T2.
Как выглядит трансформатор управления Tr1
Сигналы управляющего трансформатора через диоды D8 и D9 поступают на базы силовых транзисторов. Транзисторы T3 и T4 используются биполярные марки MJE13009. Можно использовать транзисторы на меньший ток — MJE13007, но здесь все же лучше оставить на больший ток, чтобы повысить надежность и мощность схемы, хотя от короткого замыкания в высоковольтных цепях схемы это не спасет.
Далее эти транзисторы раскачивают трансформатор Tr2, который преобразует выпрямленное напряжение 310 Вольт от диодного моста VDS1 в необходимое нам (в данном случае 30–31 вольт). Данные по перемотке или намотке с нуля трансформатора обсудим чуть позже. Выходное напряжение снимается с вторичных обмоток этого трансформатора, к которым подключается выпрямитель и ряд фильтров, чтобы напряжение было максимально без пульсаций.
Выпрямитель необходимо использовать на диодах Шоттки, чтобы минимизировать потери при выпрямлении и исключить большой нагрев этого элемента, по схеме используется сдвоенный диод Шоттки D15. Здесь также чем больше допустимый ток диодов, тем лучше. При неосторожности при первых запусках схемы большая вероятность испортить эти диоды и силовые транзисторы T3 и T4. В выходных фильтрах схемы стоит использовать электролитические конденсаторы с низким ЭПС (Low ESR). Дроссели L5 и L6 в нашем случае были использованы от неисправных блоков питания компьютеров. L6 использован без изменения обмотки, он представляет собой цилиндр с десятком витков толстого медного провода. L5 необходимо перемотать, поскольку в компьютере используется несколько уровней напряжения — нам нужно только одно напряжение, которое мы будем регулировать.
Обмотка дросселя
L5 представляет собой кольцо желтого цвета (не всякое кольцо пойдет, так как могут применяться ферриты с разными характеристиками, нам нужно именно желтого цвета). На это кольцо нужно намотать примерно 50 витков медного провода диаметром 1,5 мм. Резистор R34 гасящий — он разряжает конденсаторы, чтобы при регулировке не возникло ситуации долгого ожидания уменьшения напряжения при повороте ручки регулировки.
Наиболее подверженные нагреву элементы T3 и T4, а также D15 устанавливаются на радиаторы. В данной конструкции они были также взяты от старых блоков и отформатированы (отрезаны и изогнуты под размеры корпуса и печатной платы).
Элементы T3, T4 и D15
Схема является импульсной и может вносить в бытовую сеть собственные помехи, поэтому необходимо использовать синфазный дроссель L2. Чтобы отфильтровывать уже имеющиеся помехи сети используются фильтры с применением дросселей L3 и L4. Терморезистор NTC1 исключит скачок тока в момент включения схемы в розетку, старт схемы получится более мягкий

Чтобы управлять напряжением и током, а также для работы микросхемы TL494 необходимо напряжение более низкого уровня, чем 310 вольт, поэтому используется отдельная схема питания. Построена она на малогабаритном трансформаторе Tr3 BV EI 382 1189.
Со вторичной обмотки напряжение выпрямляется и сглаживается конденсатором — просто и сердито. Таким образом, получаем 12 Вольт, необходимые для управляющей части схемы блока питания. Далее 12 Вольт стабилизируются до 5 вольт при помощи микросхемы линейного стабилизатора 7805 — это напряжение используется для схемы индикации напряжения и тока.
Также искусственно создается напряжение -5 Вольт для питания операционного усилителя схемы индикации напряжения и тока. В принципе можно использовать любую доступную схему вольтметра и амперметра для данного импульсного блока питания и при отсутствии необходимости данный каскад стабилизации напряжения можно исключить. Как правило, используются схемы измерения и индикации, построенные на микроконтроллерах, которым необходимо питания порядка 3,3–5 Вольта. Подключение амперметра и вольтметра указано на схеме.
Провода внутри импульсного блока питания
На фото печатная плата с микроконтроллером. Амперметр и вольтметр к панели прикреплены на болтики, которые ввинчиваются в гайки, надежно приклеенные к пластмассе суперклеем. Данный индикатор имеет ограничение по измерению тока до 9,99 А, что явно маловато для данного блока питания. Кроме как функций индикации модуль измерения тока и напряжения больше никак не задействован относительно основной платы устройства. Функционально подойдет любой измерительный модуль на замену.
Схема регулировки напряжения и тока построена на четырех операционных усилителях (используется LM324 — 4 операционных усилителя в одном корпусе). Для питания этой микросхемы стоит использовать фильтр на элементах L1 и C1, C2. Настройка схемы заключается в подборе элементов, помеченных звездочкой для задания диапазонов регулирования. Схема регулировки собрана на отдельной печатной плате. Кроме того, для более плавной регулировки по току можно использовать несколько переменных резисторов соединенных соответствующим образом.
Для задания частоты преобразователя необходимо подобрать номинал конденсатора C3 и номинал резистора R3. На схеме указана небольшая табличка с расчетными данными. Слишком большая частота может увеличить потери на силовых транзисторах при переключении, поэтому слишком увлекаться не стоит, оптимально, на мой взгляд, использовать частоту 70–80 кГц, а то и меньше.
Теперь о параметрах намотки или перемотки трансформатора Tr2. Основу я также использовал от старых блоков питания компьютера. Если большой ток и большое напряжение вам не нужны, то можно такой трансформатор не перематывать, а использовать готовый, соединив обмотки соответствующим образом. Однако если необходим больший ток и напряжение, то трансформатор необходимо перемотать, чтобы получить более лучший результат.
Прежде всего придется разобрать сердечник, который у нас имеется. Это самый ответственный момент, так как ферриты достаточно хрупкие, а ломать их не стоит, иначе все на мусор. Итак, чтобы разобрать сердечник, его необходимо нагреть, поскольку для склеивания половинок обычно изготовитель использует эпоксидную смолу, которая при нагреве размягчается. Открытые источники огня использовать не стоит. Хорошо подойдет электронагревательное оборудование, в бытовых условиях – это, например, электроплита.
При нагреве аккуратно разъединяем половинки сердечника. После остывания снимаем все родные обмотки. Теперь нужно рассчитать необходимое количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора. Для этого можно использовать программу ExcellentIT (5000), в которой задаем необходимые нам параметры преобразователя и получаем расчет количества витков относительно используемого сердечника.
Далее после намотки сердечник трансформатора необходимо обратно склеить, желательно также использовать высокопрочный клей или эпоксидную смолу. При покупке нового сердечника потребность в склейке может отсутствовать, так как часто половинки сердечника стягиваются металлическими скобами и болтиками. Обмотки необходимо наматывать плотно, чтобы исключить акустический шум при работе устройства. По желанию обмотки можно заливать какими-нибудь парафинами.
Печатные платы проектировались для корпуса Z4A. Он подвергается небольшим доработкам, чтобы обеспечить циркуляцию воздуха для охлаждения. Для этого по бокам и сзади сверлится несколько отверстий, а сверху прорезаем отверстие для вентилятора.
Вентилятор для импульсного блока питания
Вентилятор дует вниз, лишний воздух уходит через отверстия. Можно вентилятор расположить и наоборот, чтобы он высасывал воздух из корпуса. По факту охлаждение вентилятором требуется нечасто, к тому же даже при больших нагрузках элементы схемы сильно не греются.
Также подготавливаются лицевые панели. Индикаторы напряжения и тока используются с применением семисегментных индикаторов, а в качестве светофильтра для этих индикаторов используется металлизированная антистатическая пленка, наподобие той, в которую упаковывают радиоэлементы с пометкой чувствительности к электростатике.
Можно также использовать полупрозрачную пленку, которую клеят на оконные стекла, либо тонирующую пленку для автомобилей. Набор элементов на лицевой панели спереди и сзади можно компоновать по любому вкусу. В нашем случае сзади разъем для подключения к розетке, отсек предохранителя и выключатель. Спереди — индикаторы тока и напряжения, светодиоды индикации стабилизации тока (красный) и стабилизации напряжения (зеленый), ручки переменных резисторов для регулировки тока и напряжения, а также быстрозажимной разъем, к которому подключено выходное напряжение.
Лицевая панель импульсного блока питания
При правильной сборке блок питания нуждается только в подстройке диапазонов регулирования.
Защита по току (стабилизация) работает следующим образом: при превышении установленного тока на микросхему TL494 подается сигнал о снижении напряжения — чем меньше напряжение, тем меньше ток. При этом на лицевой панели загорается красный светодиод, сигнализирующий о превышении установленного тока, либо о коротком замыкании. В нормальном режиме стабилизации напряжения горит зеленый светодиод.
Основные характеристики импульсного блока питания зависят в основном от применяемой элементной базы, в данном варианте они следующие:

  1. Входное напряжение — 220 вольт переменного тока.
  2. Выходное напряжение — от 0 до 30 вольт постоянного тока.
  3. Выходной ток составляет более 15 А (фактически тестированное значение).
  4. Режим стабилизации напряжения.
  5. Режим стабилизации тока (защита от короткого замыкания).
  6. Индикация обоих режимов светодиодами.
  7. Малые габариты и вес при большой мощности.
  8. Регулировка ограничения тока и напряжения.

Подводя итог, можно отметить, что данный импульсный блок питания получился достаточно качественный и мощный. Это позволяет использовать данный вариант блока питания как для тестирования каких-то своих схем, так и вплоть до зарядки автомобильных аккумуляторов.
Стоит отметить также то, что емкости на выходе стоят достаточно большие, поэтому коротких замыканий лучше не допускать, так как разряд конденсаторов с большой вероятностью может вывести схему из строя (ту, к которой подключаемся), однако без этой емкости выходное напряжение будет хуже — возрастут пульсации. Это особенность именно импульсного блока, в аналоговых БП выходная емкость, как правило, не превышает 10 мкФ в силу своей схемотехники. Таким образом, получаем универсальный лабораторный импульсный блок питания способный работать в широком диапазоне нагрузок практически от нуля до десятков Ампер и Вольт. Блок питания прекрасно зарекомендовал себя как при питании небольших схем при тестировании (но тут защита от КЗ поможет мало из-за большой выходной емкости) с потреблением в миллиамперы, так и в применении в ситуациях, когда необходима большая выходная.
Прилагаем также печатные платы (вольтметр и амперметр сюда не входят, поскольку можно применять абсолютно любые).
Файлы для скачивания: pechatnaya-plata-dlya-impulsnogo-bloka-pitaniya.rar
Видео о тестировании данного блока питания:

Схемы импульсных блоков питания

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

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

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

Входной фильтр

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

Схема простейшего входного фильтра

Схема простейшего входного фильтра

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

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

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

Схема для компенсации всех типов помех

Схема для компенсации всех типов помех

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

Сетевой выпрямитель и сглаживающий фильтр

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

Сравнение однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя. При использовании одного диода, уровень пульсаций на выходе в два раза выше

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

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

Несколько схем фильтров разной степени сложности

Несколько схем фильтров разной степени сложности

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

Инвертор или блок ключей

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

Еще одна блок-схема ИИП

Еще одна блок-схема ИИП

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

Пример схемы инвертора на транзисторах

Пример схемы инвертора на транзисторах

Если есть микросхема, зачем городить огород из нескольких десятков деталей. Тем более, что требуемый тип микросхем широко распространен и стоит немного. Это так называемые ШИМ-контроллеры ( TL494, UC384х, DH321,  TL431, IR2151, IR2153 и др).  К этим микросхемам надо добавить всего-лишь пару полевых транзисторов и несколько мелких деталей и получим требуемый инвертор.

Схема ИИП с ШИМ контроллером для обратноходового и полумостового преобразователей

Схема ИИП с ШИМ контроллером для обратноходового и полумостового преобразователей

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

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

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

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

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

Силовой трансформатор

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

Рассматриваемый блок обведен красным, а снаббер - зеленым

Рассматриваемый блок обведен красным, а снаббер — зеленым

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

Схема блока силового трансформатора для ИБП

Схема блока силового трансформатора для ИИП

Работает все это следующим образом:

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

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

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

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

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

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

Силовой трансформатор

Силовой трансформатор работает на высоких частотах (до нескольких десятков килогерц), поэтому его можно выполнить на сердечнике не из трансформаторного железа, а на феррите. Также за счет повышенной частоты его размеры будут меньше, чем у сетевого, предназначенного для преобразования на частоте 50 Гц. Расчет импульсного трансформатора достаточно объемен. С ним можно разобраться для общего развития, а для практических целей лучше воспользоваться какой-либо программой, включая онлайн-сервисы.

Импульсный блок питания – подборка схем для самостоятельного изготовления
Интерфейс программы Lite-CalcIT.

Популярностью пользуется программа Lite-CalcIT. Она может рассчитать трансформатор под имеющийся сердечник, а может подобрать оптимальный, исходя из введенных данных.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

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

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

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов
Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

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

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

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

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

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

Сильные и слабые стороны импульсных источников

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

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

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

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

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

Выбор вариантов схем электропитания

Однотранзисторный прямой преобразователь

Преимущества:

  • легкое размагничивание сердечника
  • дешевый в сборке

Недостатки:

  • обратное напряжение на транзисторе Uds> 2Ue
  • необходима размагничивающая обмотка
  • нужна хорошая магнитная связь между первичной и размагничивающей обмоткой

Twt / T — коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Двухтактный преобразователь

Преимущества:

  • управляющее напряжение транзисторов имеет одинаковое значение

Недостатки:

  • обратное напряжение на транзисторе Uds> 2Ue
  • проблемы связанные с симметричностью
  • нужна хорошая магнитная связь между первичными обмотками
  • опасность одновременной проводимости транзисторов

Twt / T — коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Двухтранзисторный прямой преобразователь

Преимущества:

  • напряжение на транзисторе Uds = Ue
  • легкое размагничивание сердечника
  • трансформатор может иметь большую индуктивность рассеяния

Недостатки:

  • управляющие напряжения должны быть гальванически развязаны

Twt / T — коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Односторонний двухтактный преобразователь

Преимущества:

  • напряжение на транзисторе Uds = Ue
  • трансформатор может иметь большую индуктивность рассеяния

Недостатки:

  • проблемы, связанные с симметризацией
  • опасность одновременной проводимости транзисторов
  • управляющие напряжения должны быть гальванически развязаны

Twt / T — коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Мостовой двухтактный преобразователь

Преимущества:

  • напряжение на транзисторе Uds = Ue
  • трансформатор может иметь большую индуктивность рассеяния

Недостатки:

  • проблемы, связанные с симметризацией
  • опасность одновременного включения транзисторов на одном плече моста
  • управляющие напряжения должны быть гальванически развязаны

Twt / T — коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Обратноходовый преобразователь

Преимущества:

  • можно регулировать несколько выходных напряжений одновременно
  • большой диапазон регулировки при изменении входного напряжения

Недостатки:

  • обратное напряжение на транзисторе Uds> 2Ue
  • сильная нагрузка на конденсатор и диод на выходе
  • необходим сердечник большого поперечного сечения с воздушным зазором
  • проблемы связанные с излучением электромагнитным и вихревые токи

Twt / T — коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Инвертирующий (Buck-boost) конвертер

Преимущества:

  • напряжение на транзисторе Uds = Ue
  • простой дроссель
  • нет проблем с магнитной обратной связью
  • небольшая нагрузка на входной конденсатор

Недостатки:

  • нет гальванической развязки между входом и выходом
  • управляющее напряжение должно быть «плавающим»

Twt / T — коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Повышающий преобразователь

Преимущества:

  • простой дроссель
  • нет проблем с магнитной обратной связью

Недостатки:

  • обратное напряжение на транзисторе Uds = Ua> Ue
  • нет гальванической развязки между входом и выходом
  • средняя нагрузка на выходной конденсатор

Twt / T — коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Понижающе-повышающий преобразователь

Преимущества:

  • простой дроссель
  • нет проблем с магнитной обратной связью

Недостатки:

  • обратное напряжение на транзисторе Uds = Ua + Ue
  • нет гальванической развязки между входом и выходом
  • сильная нагрузка на выходной конденсатор
  • управляющее напряжение должно быть «плавающим»
  • выходное напряжение отрицательно по отношению к входному напряжению

Twt / T — коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Сфера применения

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

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

Импульсный модуль питания монитора
Импульсный модуль питания монитора

Как работает импульсный блок питания электронных устройств

Мы знаем, что в сети 220 В или 230 В f равна 50 Гц, отсюда возникает вопрос: как ее повысить? А делается это следующим образом. Сначала переменное напряжение 220 В, 50 Гц выпрямляется с помощью обычного диодного моста. Затем оно сглаживается электролитическим конденсатором большей емкости. Далее сглаженное напряжение снова преобразуется в переменное, но уже значительно большей частоты. В современных импульсных блоках питания она составляет порядка единиц мегагерц. И уже это высокочастотное напряжение подается на обмотку трансформатора. Это позволяет значительно снизить его размеры при сохранении прежнего значения электродвижущей силы. Затем сниженное напряжение со вторичной обмотки снова выпрямляется, сглаживается, и стабилизируется.

Постоянное напряжение преобразуется в переменное с помощью инвертора. Транзисторы инвертора работают в ключевом режиме, что приводит к появлению значительных импульсов тока. Поэтому на входе первого выпрямителя обязательно устанавливают дроссель для снижения уровня пульсаций тока, вызванных работой инвертора. Кроме того, для борьбы и электромагнитными импульсами, ИБП полностью экранируют.

Схема импульсного блока питания

Именно по причине этих пульсаций ИБП не применяются в аудиотехнике. В первую очередь это относиться к усилителям звука. Они вместе с полезным аудиосигналом могут усилить и помехи или пульсации, создаваемые полупроводниковыми приборами, работающими в ключевом режиме. В конечном итоге это негативно отобразится на качестве звука.

Сечение провода тр-ра по-прежнему рассчитывается на аналогичный ток. Однако в качестве магнитопровода электротехническая сталь не применяется, поскольку на высоких частотах возникают сильных потери энергии, вызванные действием вихревых токов. Поэтому применяют магнитные материалы с максимально высоким электрическим сопротивлением. К ним относятся ферриты и различного рода магнитодиэлектрики

Оцените статью
Топотушки
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять
Отказаться
Политика конфиденциальности
Adblock
detector