Импульсный блок питания на двух транзисторах. Импульсный блок питания своими руками. Особенности лабораторных блоков

Наибольшее распространение получили двухтактные источники вторичного электропитания, хотя и имеют более сложную электрическую схему по сравнению с однотактными. Они позволяют получать на выходе значительно большую выходную мощность при высоком КПД.
Схемы двухтактных преобразователей-инверторов имеют три вида включения ключевых транзисторов и первичной обмотки выходного трансформатора: полумостовая, мостовая и с первичной обмоткой имеющей отвод от середины.

Полумостовая схема построения ключевого каскада.
Ее особенностью является включение первичной обмотки выходного трансформатора в среднюю точку емкостного делителя С1 — С2.

Амплитуда импульсов напряжения на переходах транзисторов эмиттер-коллектор Т1 и Т2 не превышает Uпит величины питающего напряжения. Это позволяет использовать транзисторы с максимальным напряжением Uэк до 400 вольт.
В то же время напряжение на первичной обмотке трансформатора Т2 не превышает значения Uпит/2, потому, что снимается с делителя С1 — С2 (Uпит/2).
Управляющее напряжение противоположной полярности подается на базы ключевых транзисторов Т1 и Т2 через трансформатор Тр1.

В мостовом преобразователе емкостной делитель (С1 и С2) заменен транзисторами Т3 и Т4. Транзисторы в каждом полупериоде открываются попарно по диагонали (Т1, Т4) и (Т2, Т3).

Напряжение на переходах Uэк закрытых транзисторов не превышает напряжения питания Uпит. Но напряжение на первичной обмотке трансформатора Тр3 увеличится и будет равно величине Uпит, что повышает КПД преобразователя. Ток же через первичную обмотку трансформатора Тр3 при той же мощности, по сравнению с полумостовой схемой, будет меньше.
Из за сложности в наладке цепей управления транзисторов Т1 – Т4, мостовая схема включения применяется редко.

Схема инвертора с так называемым пушпульным выходом наиболее предпочтительна в мощных преобразователях-инверторах. Отличительной особенностью в данной схеме является то, что первичная обмотка выходного трансформатора Тр2 имеет вывод от середины. За каждый полупериод напряжения поочередно работает один транзистор и одна полуобмотка трансформатора.

Данная схема отличается наибольшим КПД, низким уровнем пульсаций и слабым излучением помех. Достигается это за счет уменьшения тока в первичной обмотке и уменьшения рассеиваемой мощности в ключевых транзисторах.
Амплитуда напряжения импульсов в половине первичной обмотки Тр2 возрастает до значения Uпит, а напряжение Uэк на каждом транзисторе достигает значения 2 Uпит (ЭДС самоиндукции + Uпит).
Необходимо использовать транзисторы с высоким значением Uкэmах, равным 600 – 700 вольт.
Средний ток через каждый транзистор равен половине тока потребления от питающей сети.

Обратная связь по току или по напряжению.

Особенностью двухтактных схем с самовозбуждением является наличие обратной связи (ОС) с выхода на вход, по току или по напряжению.

В схеме обратной связи по току обмотка связи w3 трансформатора Тр1 включена последовательно с первичной обмоткой w1 выходного трансформатора Тр2. Чем больше нагрузка на выходе инвертора, тем больше ток в первичной обмотке Тр2, тем больше обратная связь и больше базовый ток транзисторов Т1 и Т2.
Если нагрузка меньше минимально допустимой, ток обратной связи в обмотке w3 трансформатора Тр1 недостаточен для управления транзисторами и генерация переменного напряжения срывается.
Иными словами, при пропадании нагрузки — генератор не работает.

В схеме обратной связи по напряжению обмотка обратной связи w3 трансформатора Тр2 соединена через резистор R с обмоткой связи w3 трансформатора Тр1. По этой цепи осуществляется обратная связь с выходного трансформатора на вход управляющего трансформатора Тр1 и далее в базовые цепи транзисторов Т1 и Т2.
Обратная связь по напряжению слабо зависит от нагрузки. Если же на выходе будет очень большая нагрузка (короткое замыкание), напряжение на обмотке w3 трансформатора Тр2 снижается и может наступить такой момент, когда напряжение на базовых обмотках w1 и w2 трансформатора Тр1 будет недостаточно для управления транзисторами. Генератор перестанет работать.
При определенных обстоятельствах это явление может быть использовано как защита от короткого замыкания на выходе.
На практике широко применяются обе схемы с обратной связью ОС как по току, так и по напряжению.

Двухтактная схема инвертора с ОС по напряжению

Для примера, рассмотрим работу наиболее распространенной схемы преобразователя-инвертора – полумостовой схемы.
Схема состоит из нескольких независимых блоков:

— выпрямительный блок – преобразует переменное напряжение 220 вольт 50 Гц в постоянное напряжение 310 вольт;
— устройство запускающих импульсов – вырабатывает короткие импульсы напряжения для запуска автогенератора;
— генератор переменного напряжения – преобразует постоянное напряжение 310 вольт в переменное напряжение прямоугольной формы высокой частоты 20 – 100 КГц;
— выпрямитель – преобразует переменное напряжение 20 -100 КГц в постоянное напряжение.

Сразу после включения питания 220 вольт начинает работать устройство запускающих импульсов, представляющий из себя генератор пилообразного напряжения (R2, С2, Д7). От него запускающие импульсы поступают на базу транзистора Т2. Происходит запуск автогенератора.
Ключевые транзисторы открываются поочередно и в первичной обмотке выходного трансформатора Тр2, включенной в диагональ моста (Т1,Т2 – С3,С4), образуется переменное напряжение прямоугольной формы.
С вторичной обмотки трансформатора Тр2 снимается выходное напряжение, выпрямляется диодами Д9 — Д12 (двухполупериодное выпрямление) и сглаживается конденсатором С5.
На выходе получается постоянное напряжение заданной величины.
Трансформатор Т1 используется для передачи импульсов обратной связи от выходного трансформатора Тр2 на базы ключевых транзисторов Т1 и Т2.

Двухтактная схема ИБП имеет ряд преимуществ перед однотактной схемой:

— ферритовый сердечник выходного трансформатора Тр2 работает с активным перемагничиванием (наиболее полно используется магнитный сердечник по мощности);
— напряжение коллектор – эмиттер Uэк на каждом транзисторе не превышает напряжение источника постоянного тока в 310 вольт;
— при изменении тока нагрузки от I = 0 до Imax, выходное напряжение изменяется незначительно;
— выбросы высокого напряжения в первичной обмотке трансформатора Тр2 очень малы, соответственно меньше уровень излучаемых помех.

И еще одно замечание в пользу двухтактной схемы!!

Сравним работу двухтактного и однотактного автогенераторов с одинаковой нагрузкой.
Каждый ключевой транзистор Т1 и Т2 за один такт работы генератора используется всего половину времени (одну полуволну), вторую половину такта «отдыхает». То есть вся вырабатываемая мощность генератора, делится пополам между обоими транзисторами и передача энергии в нагрузку идет непрерывно (то от одного транзистора, то от другого), во время всего такта. Транзисторы работают в щадящем режиме.
В однотактном же генераторе накопление энергии в ферритовом сердечнике происходит во время половины такта, во второй половине такта идет ее отдача в нагрузку.

Ключевой транзистор в однотактной схеме работает в четыре раза более напряженном режиме, чем ключевой транзистор в двухтактной схеме.

Импульсные блоки питания на 12В сегодня все чаще применяются в быту. С их помощью заряжаются различные виды аккумуляторных батарей, реализуются некоторые виды освещения, даже бесперебойное электрическое питания для компьютерных и других сетей. Конечно, самый простой способ обзавестись необходимым импульсным блоком питания – это купить его в магазине. К примеру, импульсный блок питания на tl494.

Но нас интересует возможность собрать этот прибор своими руками. Итак, импульсный блок питания – схема, детализация и рекомендации по его сборке.

Если рассматривать структурную схему, то состоит она из четырех элементов:

Сетевой выпрямитель.
Выпрямитель напряжения.
Система управления.

Структура блока питания показана на нижнем рисунке.

Итак, какие функции выполняет каждый из этих элементов. Сетевой выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный. То есть, происходит сглаживание пульсации напряжения. Высокочастотный преобразователь, наоборот, преобразует постоянное напряжение в переменное. При этом форма импульсов становится, во-первых, прямоугольной, во-вторых, с необходимой амплитудой.

Выпрямитель напряжения частично сглаживает напряжение. Кстати, в некоторых блоках питания этот элемент отсутствует, электрический ток поступает сразу на сглаживающий фильтр, который своим выходом соединяется с нагрузкой. На схеме показано, что система управления связана и с высокочастотным преобразователем, и с выпрямителем напряжения. Все дело в том, что управление ВЧП происходит за счет обратной связи с выпрямителем.

Эта структурная схема простого импульсного блока питания на 12В, кстати, имеет большое количество критиков, которые уверяют, что коэффициент полезного ее действия достаточно мал. В принципе, так оно и есть, но если правильно подойти к подбору всех элементов, если правильно провести расчеты, то импульсные блоки питания этого типа будут обладать КПД не ниже 90%. А это уже кое-что, да и значит.

Принципиальные схемы

Итак, в основе сборки импульсного блока питания лежит не только принципиальная схема, а точнее, ее обоснованный выбор, но и выбор ее основных элементов. В принципе, в данном случае необходимо точно подобрать два элемента:

Выпрямитель напряжения.

О них и пойдет речь.

По сути, это длинное название можно заменить коротким – инвертор. Он бывает одно- или двухтактным, в котором используется импульсный трансформатор. Вот несколько схем этого элемента:

Схема высокочастотного преобразователя

Самая простая схема, в которой установлен только трансформатор, однотактная (первая позиция). Именно простота создает некоторые недостатки:

Необходима установка трансформатора большого размера, потому что этот прибор действует по частной петле гистерезиса.
Чтобы мощность тока на выходе была большой, надо увеличить его импульсную амплитуду.

Поэтому данная схема чаще всего применяется в блоках питания для маломощных приборов, где влияние этих недостатков не будет сказываться на работе самого прибора.

Вторая позиция – это схема двухтактная, которая носит название пушпульная. Здесь нет недостатков однотактной, но и у нее есть свои минусы: повышенные требования к максимальному значению напряжения ключей и более сложная конструкция самого трансформатора.

Третья позиция – двухтактная полумостовая. По сути, это предыдущая модель только с упрощенным трансформатором. Именно этот критерий стал основой импульсных источников питания, которые используются для электрических приборов мощностью не больше 3 кВт.

Четвертая позиция – мостовой импульсный блок питания. В нем увеличено количество силовых ключей в два раза, что дает возможность увеличить мощность. А этой выгодно и с технической точки зрения, и с экономической.

Выбор трансформатора

Импульсный блок питания, а точнее сказать, его мощность, будет зависеть от выбранного вида трансформаторного сердечника. Для источников питания до 1 кВт устанавливается трансформатор с ферритовым сердечником.

Внимание! Необходимо помнить, что в трансформаторах с ферритовым сердечником происходят большие потери напряжения, если его частота будет приближаться к 100 Гц.

Выпрямитель напряжения

Существует три основные схемы выпрямления напряжения номиналом 220 вольт.

Однополупериодная.
Двухполупериодная.
Нулевая или, как и предыдущая, только со средней точкой.

Первая схема самая простая, в которой используется минимальное количество полупроводниковых элементов. Единственный ее минус – это высокая пульсация напряжения на выходе. Хотя можно было бы добавить и небольшой коэффициент выпрямления (0,45), поэтому, используя эту схему, придется устанавливать мощный фильтр.

Нулевая является обладателем высокого коэффициента выпрямления – 0,9. Правда, при этом необходимо увеличить число диодов выпрямления практически в два раза. Недостаток – наличие сетевого трансформатора. То есть, его габаритные размеры мало связаны с понятием малогабаритных приборов, тем более, когда это касается импульсного блока питания.

Третья позиция – это одно и то же, что и вторая, только без трансформатора. Его заменяет емкостной фильтр, который имеет свой недостаток – это высокий импульс выходного тока. Правда, данный недостаток не критичен.

Заключение по теме

Как видите, принципиальная схема для импульсных блоков питания имеет несколько разновидностей. Но чтобы каждая из них работала корректно, необходимо правильно подобрать ее составляющие. Конечно, все это не так просто как может показаться на первый взгляд, но если принять во внимание наши рекомендации, то можно самостоятельно собрать небольшой мощности блок, к примеру, для освещения помещений LED-лампами.

Или создавать намотку, можно своими руками собрать блок питания импульсного типа, который требует трансформатора всего с несколькими витками.

При этом, потребуется небольшое количество деталей, а работу можно выполнить за 1 час. В данном случае, основой для блока питания используется микросхема IR2151.

Для работы понадобятся следующие материалы и детали:

PTC термистор любого типа.
Пара конденсаторов , которые выбираются с расчетом 1мкф. на 1 Вт. При создании конструкции подбираем конденсаторы так, чтобы они вытянули 220 Вт.
Диодная сборка типа «вертикалка».
Драйвера типа IR2152, IR2153, IR2153D.
Полевые транзисторы типа IRF740, IRF840. Можно выбрать и другие, если у них хороший показатель сопротивления.
Трансформатор можно взять из старых компьютерных системных блоков.
Диоды , устанавливаемые на выходе, рекомендуется брать из семейства HER.

Кроме этого, понадобятся следующие инструменты:

Паяльник и расходные материалы.
Отвертка и плоскогубцы.
Пинцет.

Также, не стоит забывать и о необходимости хорошего освещения на месте работы.

Пошаговая инструкция

принципиальная схема

структурная схема

Сборка проводится согласно составленной схеме цепи. Микросхема была подобрана согласно особенностям цепи.

Сборка проводится следующим образом:

На входе устанавливаем PTC термистор и диодные мосты.
Затем , устанавливается пара конденсаторов.
Драйвера необходимы для регулирования работы затворов полевых транзисторов. При наличии у драйверов индекс D в конце маркировки устанавливать FR107 не нужно.
Полевые транзисторы устанавливаются без закорачивания фланцев. При проведении крепления к радиатору, используют специальные изоляционные прокладки и шайбы.
Трансформаторы устанавливаются с закороченными выводами.
На выходе диоды.

Все элементы устанавливаются в отведенные места на плате и припаиваются с обратной стороны.

Проверка

Для того, чтобы правильно собрать блок питания, нужно внимательно отнестись к установке полярных элементов, а также следует быть осторожным при работе с сетевым напряжением. После отключения блока от источника питания, в цепи не должно оставаться опасного напряжения. При правильной сборке, последующая наладка не проводится.

Проверить правильность работы блока питания можно следующим образом:

Включаем в цепь, на выходе лампочка, к примеру,12 Вольт. При первом кратковременном пуске, лампочка должна гореть. Кроме этого, следует обратить внимание на то, что все элементы не должны нагреваться. Если что-то греется, значит, схема собрана неправильно.
При втором пуске замеряем значение тока при помощи тестера. Даем проработать блоку достаточное количество времени для того, чтобы убедиться в отсутствии нагревающихся элементов.

Кроме этого, нелишним будет проверка всех элементов при помощи тестера на наличие высокого тока после выключения питания.

Как ранее было отмечено , работа импульсного блока питания основана на обратной связи. Рассматриваемая схема не требует специальной организации обратной связи и различных фильтров по питанию.
Особое внимание следует уделить выбору полевых транзисторов. В данном случае, рекомендуются полевые транзисторы IR, которые славятся устойчивостью к тепловому разрешению. Согласно данным производителя, они могут стабильно работать до 150 градусов Цельсия. Однако, в этой схеме они не сильно нагреваются, что можно назвать весьма важной особенностью.
Если нагрев транзисторов происходит постоянно , следует устанавливать активное охлаждение. Как правило, оно представлено вентилятором.

Достоинства и недостатки

Импульсный преобразователь имеет следующие достоинства:

Высокий показатель коэффициента стабилизации позволяет обеспечить условия питания, которые не будут вредить чувствительной электронике.
Рассматриваемые конструкции обладают высоким показателем КПД. Современные варианты исполнения имеют этот показатель на уровне 98%. Это связано с тем, что потери снижены до минимума, о чем говорит малый нагрев блока.
Большой диапазон входного напряжения – одно из качеств, из-за которого распространилась подобная конструкция. При этом, КПД не зависит от входных показателей тока. Именно невосприимчивость к показателю напряжения тока позволяет продлить срок службы электроники, так как в отечественной сети электроснабжения прыжки показателя напряжения частое явление.
Частота входящего тока оказывает влияние на работу только входных элементов конструкции.
Малые габариты и вес , также обуславливают популярность из-за распространения портативного и переносного оборудования. Ведь при использовании линейного блока вес и габариты увеличиваются в несколько раз.
Организация дистанционного управления.
Меньшая стоимость.

Есть и недостатки:

Наличие импульсных помех.
Необходимость включения в цепь компенсаторов коэффициента мощности.
Сложность самостоятельного регулирования.
Меньшая надежность из-за усложнения цепи.
Тяжелые последствия при выходе одного или нескольких элементов цепи.

При самостоятельном создании подобной конструкции, следует учитывать то, что допущенные ошибки могут привести к выходу из строя электропотребителя. Поэтому нужно предусмотреть наличие защиты в системе.

Устройство и особенности работы

При рассмотрении особенностей работы импульсного блока, можно отметить следующие:

Сначала происходит выпрямление входного напряжения.
Выпрямленное напряжение в зависимости от предназначения и особенностей всей конструкции, перенаправляется в виде прямоугольного импульса высокой частоты и подается на установленный трансформатор или фильтр, работающий с низкими частотами.
Трансформаторы имеют небольшие размеры и вес при использовании импульсного блока по причине того, что повышение частоты позволяет повысить эффективность их работы, а также уменьшить толщину сердечника. Кроме этого, при изготовлении сердечника может использоваться ферромагнитный материал. При низкой частоте, можно использовать только электротехническую сталь.
Стабилизация напряжения происходит при помощи отрицательной обратной связи. Благодаря использованию данного метода, напряжение, подаваемое к потребителю, остается неизменным, несмотря на колебание входящего напряжения, и создаваемой нагрузки.

Обратная связь может быть организована следующим образом:

При гальванической развязке , используется оптрон или выход обмотки трансформатора.
Если не нужно создавать развязку , используется резисторный делитель напряжения.

Подобными способами выдерживается выходное напряжение с нужными параметрами.

Стандартные блоки импульсного питания, который может использоваться, к примеру, для регулирования выходного напряжения при питании , состоит из следующих элементов:

Часть входная, высоковольтная. Она, как правило, представлена генератором импульсов. Ширина импульса – основной показатель, оказывающий влияние на выходной ток: чем шире показатель, тем больше напряжение, и наоборот. Импульсный трансформатор стоит на разделе входной и выходной части, проводит выделение импульса.
На выходной части стоит PTC термистор . Он изготавливается из полупроводника, имеет положительный показатель коэффициента температуры. Данная особенность означает, что при повышении температуры элемента выше определенного значения, значительно поднимается показатель сопротивления. Используется в качестве защитного механизма ключа.
Низковольтная часть. С низковольтной обмотки проводится снятие импульса, выпрямление происходит при помощи диода, а конденсатор выступает в качестве фильтрующего элемента. Диодная сборка может провести выпрямление тока до значения 10А. Следует учитывать, что конденсаторы могут быть рассчитаны на различную нагрузку. Конденсатор проводит снятие оставшихся пиков импульса.
Драйвера проводят гашение возникающего сопротивления в цепи питания. Драйвера во время работы проводят поочередное открытие затворов установленных транзисторов. Работа происходит с определенной частотой
Полевые транзисторы выбирают с учетом показателей сопротивления и максимального напряжения при открытом состоянии. При минимальном значении, сопротивления значительно повышается КПД и уменьшается нагрев во время работы.
Трансформатор типовой для понижения.

С учетом выбранной схемы, можно приступать к созданию блока питания рассматриваемого типа.

Сфера применения импульсных блоков питания в быту постоянно расширяется. Такие источники применяются для питания всей современной бытовой и компьютерной аппаратуры, для реализации источников бесперебойного электропитания, зарядных устройств для аккумуляторов различного назначения, реализации низковольтных систем освещения и для других нужд.

В некоторых случаях покупка готового источника питания мало приемлема с экономической или технической точки зрения и сборка импульсного источника собственными руками является оптимальным выходом из такой ситуации. Упрощает такой вариант и широкая доступность современной элементной базы по низким ценам.

Наиболее востребованными в быту являются импульсные источники с питанием от стандартной сети переменного тока и мощным низковольтным выходом. Структурная схема такого источника показана на рисунке.

Сетевой выпрямитель СВ преобразует переменное напряжение питающей сети в постоянное и осуществляет сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения на выходе. Высокочастотный преобразователь ВЧП осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в переменное или однополярное , имеющее форму прямоугольных импульсов необходимой амплитуды.

В дальнейшем такое напряжение либо непосредственно, либо после выпрямления (ВН) поступает на сглаживающий фильтр, к выходу которого подключается нагрузка. Управление ВЧП осуществляется системой управления, получающей сигнал обратной связи от выпрямителя нагрузки.

Такая структура устройства может быть подвергнута критике из-за наличия нескольких звеньев преобразования, что снижает КПД источника. Однако, при верном выборе полупроводниковых элементов и качественном расчете и изготовлении моточных узлов, уровень потерь мощности в схеме мал, что позволяет получать реальные значения КПД выше 90%.

Принципиальные схемы импульсных блоков питания

Решения структурных блоков включают не только обоснование выбора вариантов схемной реализации, но и практические рекомендации по выбору основных элементов.

Для выпрямления сетевого однофазного напряжения используют одну из трех классических схем изображенных на рисунке:

однополупериодную;
нулевую (двухполупериодную со средней точкой);
двхполупериодную мостовую.

Каждой из них присущи достоинства и недостатки, которые определяют область применения.

Однополупериодная схема отличается простотой реализации и минимальным количеством полупроводниковых компонентов. Основными недостатками такого выпрямителя являются значительная величина пульсации выходного напряжения (в выпрямленном присутствует лишь одна полуволна сетевого напряжения) и малый коэффициент выпрямления.

Коэффициент выпрямления Кв определяется соотношением среднего значения напряжения на выходе выпрямителя Udк действующему значению фазного сетевого напряжения Uф .

Для однополупериодной схемы Кв=0.45.

Для сглаживания пульсации на выходе такого выпрямителя требуются мощные фильтры.

Нулевая, или двухполупериодная схема со средней точкой , хоть и требует удвоенного числа выпрямительных диодов, однако, этот недостаток в значительной мере компенсируется более низким уровнем пульсаций выпрямленного напряжения и ростом величины коэффициента выпрямления до 0.9.

Основным недостатком такой схемы для использования в бытовых условиях является необходимость организации средней точки сетевого напряжения, что подразумевает наличие сетевого трансформатора. Его габариты и масса оказываются несовместимыми с идеей малогабаритного самодельного импульсного источника.

Двухполупериодная мостовая схема выпрямления имеет те же показатели по уровню пульсации и коэффициенту выпрямления, что и нулевая схема,но не требует наличия сетевого . Это компенсирует и главный недостаток – удвоенное количество выпрямительных диодов как с точки зрения КПД, так и по стоимости.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения наилучшим решением является использование емкостного фильтра. Его применение позволяет поднять величину выпрямленного напряжения до амплитудного значения сетевого (при Uф=220В Uфм=314В). Недостатками такого фильтра принято считать большие величины импульсных токов выпрямительных элементов, но критичным этот недостаток не является.

Выбор диодов выпрямителя осуществляется по величине среднего прямого тока Ia и максимального обратного напряжения U BM .

Приняв величину коэффициента пульсации выходного напряжения Кп=10%, получим среднее значение выпрямленного напряжения Ud=300В. С учетом мощности нагрузки и КПД ВЧ преобразователя (для расчета принимается 80%, но на практике получится выше, это позволит получить некоторый запас).

Ia – средний ток диода выпрямителя, Рн- мощность нагрузки, η – КПД ВЧ преобразователя.

Максимальное обратное напряжение выпрямительного элемента не превышает амплитудного значения напряжения сети (314В), что позволяет использовать компоненты с величиной U BM =400В со значительным запасом. Использовать можно как дискретные диоды, так и готовые выпрямительные мосты от различных производителей.

Для обеспечения заданной (10%) пульсации на выходе выпрямителя емкость конденсаторов фильтра принимается из расчета 1мкФ на 1Вт выходной мощности. Используются электролитические конденсаторы с максимальным напряжением не менее 350В. Емкости фильтров для различных мощностей приведены в таблице.

Высокочастотный преобразователь: его функции и схемы

Высокочастотный преобразователь представляет собой однотактный или двухтактный ключевой преобразователь (инвертор) с импульсным трансформатором. Варианты схем ВЧ преобразователей приведены на рисунке.

Однотактная схема . При минимальном количестве силовых элементов и простоте реализации имеет несколько недостатков.

Трансформатор в схеме работает по частной петле гистерезиса, что требует увеличения его размеров и габаритной мощности;
Для обеспечения мощности на выходе необходимо получить значительную амплитуду импульсного тока, протекающего через полупроводниковый ключ.

Схема нашла наибольшее применение в маломощных устройствах, где влияние указанных недостатков не столь значительно.

Чтобы самостоятельно поменять или установить новый счетчик, не требуется особых навыков. Выбор правильной обеспечит корректный учет потребляемого тока и повысит безопасность домашней электросети.

В современных условиях обеспечения освещения как внутри помещений, так и на улице все чаще используют датчики движения. Это придает не только комфорт и удобства в наши жилища, но и позволяет существенно экономить. Узнать практические советы по выбору места установки, схем подключения можно .

Двухтактная схема со средней точкой трансформатора (пушпульная) . Получила свое второе название от английского варианта (push-pull) описания работы. Схема свободна от недостатков однотактного варианта, но имеет собственные – усложненная конструкция трансформатора (требуется изготовление идентичных секций первичной обмотки) и повышенные требования к максимальному напряжению ключей. В остальном решение заслуживает внимания и широко применяется в импульсных источниках питания, изготавливаемых своими руками и не только.

Двухтактная полумостовая схема . По параметрам схема аналогична схеме со средней точкой, но не требует сложной конфигурации обмоток трансформатора. Собственным недостатком схемы является необходимость организации средней точки фильтра выпрямителя, что влечет четырехкратное увеличение количества конденсаторов.

Благодаря простоте реализации схема наиболее широко используется в импульсных источниках питания мощностью до 3 кВт. При больших мощностях стоимость конденсаторов фильтра становится неприемлемо высокой по сравнению с полупроводниковыми ключами инвертора и наиболее выгодной оказывается мостовая схема.

Двухтактная мостовая схема . По параметрам аналогична другим двухтактным схемам, но лишена необходимости создания искусственных «средних точек». Платой за это становится удвоенное количество силовых ключей, что выгодно с экономической и технической точек зрения для построения мощных импульсных источников.

Выбор ключей инвертора осуществляется по амплитуде тока коллектора (стока) I КМАХ и максимальному напряжению коллектор-эмиттер U КЭМАХ. Для расчета используются мощность нагрузки и коэффициент трансформации импульсного трансформатора.

Однако, прежде необходимо рассчитать сам трансформатор. Импульсный трансформатор выполняется на сердечнике из феррита, пермаллоя или витого в кольцо трансформаторного железа. Для мощностей до единиц кВт вполне подойдут ферритовые сердечники кольцевого или Ш-образного типа. Расчет трансформатора ведется исходя из требуемой мощности и частоты преобразования. Для исключения появления акустического шума частоту преобразования желательно вынести за пределы звукового диапазона (сделать выше 20 кГц).

При этом необходимо помнить, что при частотах близких к 100 кГц значительно возрастают потери в ферритовых магнитопроводах. Сам расчет трансформатора не составляет труда и легко может быть найден в литературе. Некоторые результаты для различных мощностей источников и магнитопроводов приведены в таблице ниже.

Расчет произведен для частоты преобразования 50 кГц. Стоит обратить внимание, что при работе на высокой частоте имеет место эффект вытеснения тока к поверхности проводника, что приводит к снижению эффективной площади обмотки. Для предотвращения подобного рода неприятностей и снижения потерь в проводниках необходимо выполнять обмотку из нескольких жил меньшего сечения. При частоте 50 кГц допустимый диаметр провода обмотки не превышает 0.85 мм.

Зная мощность нагрузки и коэффициент трансформации можно рассчитать ток в первичной обмотке трансформатора и максимальный ток коллектора силового ключа. Напряжение на транзисторе в закрытом состоянии выбирается выше, чем выпрямленное напряжение, поступающее на вход ВЧ-преобразователя с некоторым запасом (U КЭМАХ >=400В). По этим данным производится выбор ключей. В настоящее время наилучшим вариантом является использование силовых транзисторов IGBT или MOSFET.

Для диодов выпрямителя на вторичной стороне необходимо соблюдать одно правило – их максимальная рабочая частота должна превышать частоту преобразования. В противном случае КПД выходного выпрямителя и преобразователя в целом значительно снизятся.

Видео о изготовлении простейшего импульсного питающего устройства

РАДИОпитание

Импульсный БЛОК ПИТАНИЯ

Основная задача - немного систематизировать разрозненные знания и материалы, собрав их в одном месте под единым заголовком. Информация не для спецов, а для тех, кто хочет понять основы принципа действия импульсных блоков питания и немного разобраться в том, как они устроены.

Используемые сокращения: БП – блок питания (радиоэлектронной аппаратуры); ТЭРЦ – теория электро-радио цепей; НСБП – нестабилизированный БП; Uвых – выходное напряжение; СБП – стабилизированный БП; ИБП – импульсный БП; КПД – коэффициент полезного действия: БППТ – блок питания переменного тока; ЗУ – зарядные устройства; КЗ – короткое замыкание; СВ – сетевой выпрямитель; СФ – сетевой фильтр; ВЧП – высокочастотный преобразователь; ШИМ – широтно-импульсная модуляция; const–постоянная величина.

1. Классификация БП:

1.1. Нестабилизированные БП;
1.2. Стабилизированные БП;
1.3. Импульсные БП;
1.4. БП переменного тока.

2. Сравнительный анализ:

2.1. Структура трансформаторного БП;
2.2. Преимущества и недостатки трансформаторных БП;
2.3. Структура ИБП;
2.4. Преимущества и недостатки ИБП.

3. Схемные решения отдельных элементов ИБП:

3.1. СВи фильтр;
3.2. ВПЧ (ключевой элемент с импульсным трансформатором);
3.3. ШИМ-контроллер и обратная связь.

4. Схемы разных ИБП.
5. Реальный ИБП.
6. ПростейшийИБП – своими руками.

1. Классификация БП
В соответствии с дисциплиной ТЭРЦ (которую я изучал довольно давно), классификация БП предусматривает следующие группы:
1.1. НСБП – это самые распространенные трансформаторные блоки питания. Обеспечивают выходное напряжение постоянного тока. Такой БП обычно содержит сетевой трансформатор и выпрямитель. В НСБП выходное напряжение соответствует номинальному только при номинальном сетевом напряжении и номинальном токе нагрузки. Эти БП пригодны для питания осветительных и нагревательных приборов, электромоторов и любых устройств со встроенным стабилизатором напряжения (например, большинство радиотелефонов и автоответчиков). Они имеют значительный уровень пульсаций Uвыхи не пригодны для питания звуковой техники (радиоприемников, плееров, музыкальных синтезаторов).
1.2. СБП обеспечивают, ясен пень, стабилизированноеUвых постоянного тока. Такой БП обычно содержит сетевой трансформатор, выпрямитель и стабилизатор. Uвых не зависит (или почти не зависит) от изменения сетевого напряжения (в разумных пределах) и от изменения тока нагрузки. В СБП Uвых будет почти одинаковым как на холостом ходу, так и при номинальной нагрузке. Кроме того, для них характерны достаточно малые пульсации напряжения переменного тока на выходе. СБП практически всегда может заменить НСБП. СБП могут не иметь трансформатора.
1.3. ИБП обеспечивают на выходе стабилизированное напряжение постоянного тока. Они имеют следующие преимущества по сравнению с трансформаторными (такими могут быть ЭП первых двух групп): высокий КПД, незначительный нагрев, малый вес и габариты, большой допустимый диапазон сетевого напряжения. Обычно имеется встроенная защита от перегрузки и замыканий на выходе. Важнейшими элементами ИБП являются ключ - устройство, способное за короткое время изменить сопротивление прохождению тока с минимального на максимальное, и наоборот, и интегратор, напряжение на котором не может измениться мгновенно, а плавно растёт по мере накопления им энергии и так же плавно падает по мере отдачи её в нагрузку. Преимущества ИБП растут с увеличением мощности, т.е. для самой маломощной бытовой аппаратуры их применение может быть экономически не оправдано, а блоки питания мощностью от 50 Вт уже существенно дешевле в импульсном варианте. ИБП схемотехнически сложнее трансформаторных.
1.4. БППТ (включая автотрансформаторы) – применяются для питания осветительных и нагревательных электроприборов, а также для тех бытовых приборов, которые содержат внутренний выпрямитель и стабилизатор напряжения (например многие радиотелефоны Siemens, Toshiba, ряд автоответчиков).
1.5. ЗУ – это устройства, предназначенные исключительно для заряда аккумуляторов различных типов. При этом аккумуляторы могут в процессе заряда располагаться как внутри зарядного устройства, так и снаружи. Однако, например, сетевые адаптеры для радиотелефонов, принято относить к БП, т.к., во-первых, аккумуляторы при этом подключаются к устройству заряда не напрямую, а через внутреннюю схему, а во-вторых, кроме заряда аккумуляторов такой блок питания, как правило, обеспечивает и работу от сети.

2. Сравнительный анализ .
Рассмотрим два основных типа БП –трансформаторные (1.1.-1.2.) и импульсные (1.3.). Каждый из них имеет как свои преимущества, так и свои недостатки. Поэтому нельзя точно сказать, какой лучше или хуже, просто каждый тип БП может в бо льшей степени подходить для тех или иных устройств, в зависимости от своих технических характеристик.

2.1. Структурная схема трансформаторного БП.

Если рассмотреть трансформаторный БП (их также называют аналоговыми, линейными, параметрическими), то он состоит из понижающего трансформатора 1 , где первичная обмотка выполнена из расчета на сетевое напряжение. Этот трансформатор часто называют силовым, и он служит одновременно для гальванической развязки. Преобразование переменного напряжения в пульсирующее однонаправленное (постоянное) напряжение происходит с помощью выпрямителя 2 на полупроводниковых диодах, мостах, сборках. Емкостной фильтр 3 сглаживает пульсирующее напряжение (часто для этого используется конденсатор большо й емкости). Кроме этого, в схеме трансформаторного БП может присутствоватьстабилизатор 4 иэлементы защиты от КЗ в нагрузке.
2.2. Преимущества и недостатки трансформаторного БП
Преимущества трансформаторного БП: высокая надежность, простота конструкции, доступность элементной базы, а также низкий уровень создаваемых помех.
Недостатки трансформаторного БП: большие габариты и вес, металлоемкость и низкий КПД (до 50% в лучшем случае!).
Подробнее о таких БП см. в моей статье "Блоки питания" в этом же разделе.
2.3. Структурная схема импульсного БП.

В ИБП входящее переменное напряжение сети сначала выпрямляется полупроводниковым диодами 1 (сборками, мостами), затем емкостной фильтр 2 сглаживает пульсирующее напряжение. Электронный ключ 3 является элементом генератора, вырабатывающего прямоугольные импульсы высокой частоты, которые поступают на импульсный трансформатор 4 , который служит одновременно гальванической развязкой. Таким образом, в ИБП снова создаётся переменный ток. На выходе снова стоят выпрямитель 1 и фильтр 2 . Для того, чтобы стабилизировать Uвых, в ИБП используется обратная связь 5 . Это позволяет удерживать Uвых на относительно постоянном уровне. Управление электронным ключом 3 происходит через ШИМ-контроллер 6 . Благодаря такому способу управления Uвых не зависит от возможных колебаний входного (сетевого) напряжения, а также от величины нагрузки.

2.4. Преимущества и недостатки ИБП
Преимущества ИБП: небольшие габариты и вес, широкий диапазон входного напряжения и частоты, высокий КПД (более 90%) и, по сравнению с трансформаторными БП, меньшая стоимость, если брать современную элементную базу. Также к их достоинствам относится и то, что в большинстве современных ИБП присутствуют встроенные цепи защиты от отсутствия нагрузки на выходе и от короткого замыкания.
Высокий КПД ИБП связан с особенностью схемотехники. Основные потери в аналоговом БП – это силовой трансформатор и аналоговый стабилизатор (регулятор). В ИБП нет ни того, ни другого. Вместо сетевого трансформатора используется высокочастотный, а вместо стабилизатора – ключевой элемент. Поскольку основную часть времени ключевые элементы либо включены, либо выключены, потери энергии в импульсном блоке питания минимальны.
Недостатки ИБП: все они представляют собой источник высокочастотных помех, что непосредственно связано с их принципом работы, а также то, что основная часть схемы работает без гальванической развязки от входящего напряжения.

3. Схемные решения отдельных элементов ИБП.
3.1. СВ и фильтр
Для выпрямления сетевого однофазного напряжения используют одну из трех классических схем:

Каждой из них присущи достоинства и недостатки, которые определяют область применения.
Однополупериодная схема отличается простотой реализации и минимальным количеством полупроводниковых компонентов. Основными недостатками такого выпрямителя являются значительная величина пульсаций выходного напряжения (в выпрямленном присутствует лишь одна полуволна сетевого напряжения) и малый коэффициент выпрямления Кв. Он определяется соотношением среднего значения напряжения на выходе выпрямителя Uвых действующему значению фазного сетевого напряжения Uд. Для однополупериодной схемы Кв=0,45. Для сглаживания пульсаций на выходе такого выпрямителя требуются мощные фильтры.
Двухполупериодная схема со средней (нулевой) точкой требует удвоенного числа выпрямительных диодов, однако, этот недостаток в значительной мере компенсируется более низким уровнем пульсаций выпрямленного напряжения и ростом величины Кв до 0,9. Основным недостатком такой схемы для использования в бытовых условиях является необходимость организации средней точки сетевого напряжения, что подразумевает наличие сетевого (силового) трансформатора. Его габариты и масса оказываются несовместимыми с идеей малогабаритного импульсного источника.
Двухполупериодная мостовая схема выпрямления имеет те же показатели по уровню пульсаций и Кв, что и схема со средней точкой, но не требует наличия сетевого трансформатора. Это компенсирует и главный недостаток – удвоенное количество выпрямительных диодов, как с точки зрения КПД, так и по стоимости.
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения наилучшим решением является использование емкостного фильтра. Его применение позволяет поднять величину выпрямленного напряжения до амплитудного значения сетевого (при Uд=220В Uампл=314В). Недостатками такого фильтра принято считать большие величины импульсных токов выпрямительных элементов, но критичным этот недостаток не является.
Выбор диодов выпрямителя осуществляется по величине среднего прямого тока Iпр и максимального обратного напряжения Uобр.

3.2. ВЧП – ключевой элемент с импульсным трансформатором.
ВЧП представляет собой однотактный или двухтактный ключевой преобразователь (инвертор) с импульсным трансформатором. Варианты схем ВЧП приведены на рисунке.

Однотактная схема при минимальном количестве силовых элементов и простоте реализации имеет недостатки:
а) трансформатор в схеме работает по частной петле гистерезиса, что требует увеличения его размеров и габаритной мощности;
б) для обеспечения мощности на выходе необходимо получить значительную амплитуду импульсного тока, протекающего через полупроводниковый ключ.
Схема нашла наибольшее применение в маломощных устройствах, где влияние указанных недостатков не столь значительно.
Двухтактная схема со средней точкой трансформатора (push-pull) свободна от недостатков однотактного варианта, но имеет собственные – усложненная конструкция трансформатора (требуется изготовление идентичных секций первичной обмотки) и повышенные требования к максимальному напряжению ключей. В остальном решение заслуживает внимания и широко применяется в импульсных источниках питания.
Двухтактная полумостовая схема по параметрам схема аналогична схеме со средней точкой, но не требует сложной конфигурации обмоток трансформатора. Собственным недостатком схемы является необходимость организации средней точки фильтра выпрямителя, что влечёт двухкратное увеличение количества конденсаторов.
Благодаря простоте реализации схема наиболее широко используется в импульсных источниках питания мощностью до 3 кВт. При больших мощностях стоимость конденсаторов фильтра становится неприемлемо высокой по сравнению с полупроводниковыми ключами инвертора и наиболее выгодной оказывается мостовая схема.

Двухтактная мостовая схема по параметрам аналогична другим двухтактным схемам, но лишена необходимости создания искусственных «средних точек». Платой за это становится удвоенное количество силовых ключей, что выгодно с экономической и технической точек зрения для построения мощных импульсных источников.

3.3. ШИМ-контроллер и обратная связь.
Сам по себе ключевой элемент, выполненный на полевых или биполярных транзисторах, не может выработать прямоугольные импульсы. Для этого он должен быть составным элементом автогенератора или управляться неким устройством, подающим на него такие импульсы.
Для более близкого знакомства с реализацией данной функции придётся рассмотреть более сложные (и более близкие к реальным) схемы.
Преобразование осуществляется с помощью мощного транзистора VT1, работающего в режиме ключа и импульсного трансформатораT1, вместе образующих схему ВЧП. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей.
Первый выполняется по схеме импульсного автогенератора. К примеру, такой использовался в ИБП телевизоров 3 – 4 УСЦТ), например:

Телевизор «Садко-61ТЦ-423Д» - единственный ретро-телевизор в моём музее, который использовался по прямому назначению, как демонстрационный монитор для компьютерного класса КУВТ-86 и для просмотра видео с кассетного видеомагнитофона «Электроника-ВМ12».

Фото ИБП для аналогичных телевизоров.

Второй – с внешним управлением, используется в большинстве современных (и не очень) радиоэлектронных устройств, например:

Поскольку частота преобразователя обычно выбирается от 20 до 60 кГц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего БП будут достаточно компактны, что является немаловажным фактором при создании современной аппаратуры.

Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением приведена ниже:

Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через СФ подается на СВ, где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 импульсного трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к увеличению магнитного потока в сердечнике трансформатора и возникновению во вторичной обмотке W2 ЭДС индукции. В итоге на выходе диода VD появится положительное напряжение.
При этом, если увеличивать длительность импульса, приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к. энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, можно изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1 и осуществлять, таким образом, стабилизацию выходных напряжений. Единственное, что для этого необходимо - схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ-контроллер. Это, сам по себе довольно сложный элемент (в принципе, как и любая ИМС), в состав которого входят: задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая управляет длительностью импульса.

Пример формирования ШИМ-последовательностей:

Скважность импульсов определяется отношением периода колебаний к длительности импульса S=T/tимп. Кстати, об импульсах, скважности и т.п. см. мои статьи из цикла «Мультивибратор» в разделе РАДИОбиблиотека .
Для А: S=0,5;
для В: S<0,5;
для C: S>0,5.
Обращаю внимание, что во всех случаях период T=const, а, значит, и частота f=const.
Импульсы такого типа формируются на выходе ШИМ-контроллера и поступают на базу VT1.
Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ-контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь обратной связи (или цепь слежения), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 приведёт к увеличению интенсивности излучения светодиода, а, следовательно, уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (они входят в состав оптопары U1). Это, в свою очередь, приведёт к увеличению падения напряжения на резисторе R2 (включен последовательно фототранзистору) и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ-контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ-контроллера, увеличивать длительность импульса (вариант С на диаграмме) до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный (вариант В на диаграмме).
В ИБП используются два принципа реализации обратной связи (цепей слежения) – «непосредственный» и «косвенный». Вышеописанный метод называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя.
При «косвенном» методе напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора:

Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ-контроллера.
Представим ситуацию, когда в нагрузке ИБП возникает КЗ. В этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ-контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу этого транзистора из строя. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк, протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов и блок питания перейдет в режим защиты или, другими, словами отключится.

4. Схемы разных ИБП.
Без комментариев приведу несколько схем ИБП разной степени сложности и на разной элементной базе. При желании Вы легко сможете найти их в сети.

Этиэти схемы приведены «для тренировки», чтобы, рассматривая их, можно было найти основные элементы, присущие всем ИБП, независимо от конкретной, так сказать, реализации. Ну и сравнить схемные решения и элементную базу.

5. Реальный ИБП.
Однажды в моём компьютерном классе перестал работать коммутатор ЛВС «D-Link DES-1016D».
Как выяснилось, причина была в неисправности его ИБП, а точнее – в элементах питания ШИМ-контроллера.

Switch открыт.

Его ИБП должен выдавать на выходе 3,3В х 1,5А.

Его схема. Пришлось заменить конденсатор С3 в цепи питания ШИМ-контроллера. ИБП запустился, и Switch снова стал нормально работать.
Подробнее см. «Ремонт коммутатора D - LinkDES -1016 D » в разделе РАДИОмастерская .

6. ПростейшийИБП – своими руками.
Видео создания этого ИБП я сходу обнаружил на полутора десятках сайтов. И даже от двух разных авторов!

Надо полагать, это говорит о хорошей повторяемости конструкции («Делаем самый простой импульсный блок питания», 18 мин, на youtube.com). Автор подробно излагает весь процесс изготовления ИБП, рекомендации по подбору деталей, демонстрирует рабочий блок. Правда, терминология несколько… местами… не совсем. Но, в данном случае, это не принципиально.

Специалст назвал данное устройство не ИБП, а преобразователем. У него сразу возник вопрос: а как поддерживать стабильное напряжение на выходе?Значит ли это, что такой БП без обратной связии ШИМ-контроллера вовсе и не ИБП?

Спасибо за внимание, которое Вы уделили моему материалу.
В проекте разработка двух продолжений: изготовление ИБП в РАДИОмастерской и описание раритетных реальных ИБП в новом разделе РАДИОхабар , который я планирую открыть в скором времени.