Импульсный бп. Структурная схема трансформаторного БП

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:

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.

Импульсный блок питания 180Вт

Мощность блока питания - около 180 Вт, выходное напряжение 2х25 В при токе нагрузки 3,5 А. Размах пульсации при токе нагрузки 3,5 А не превышает 10 % для частоты преобразования 100 Гц и 2 % для частоты 27 кГц. Выходное сопротивление не превышает 0,6 Ом. Габариты блока - 170х80х35 мм; масса - 450 г.

После выпрямления диодным мостом VD1 сетевое напряжение фильтруют конденсаторы С1-С4 (см. схему). Резистор R1 ограничивает ток зарядки конденсаторов фильтра, протекающий через диоды выпрямителя при включении блока. Отфильтрованное напряжение поступает на преобразователь напряжения, построенный по схеме полумостового инвертора на транзисторах VT1, VT2. Преобразователь нагружен первичной обмоткой трансформатора Т1, преобразующего напряжение и гальванически развязывающего выход блока от сети переменного тока. Конденсаторы С3 и С4 препятствуют проникновению в сеть ВЧ помех от блока питания. Полумостовой инвертор преобразует постоянное напряжение а переменное прямоугольной формы с частотой 27 кГц. Трансформатор Т1 рассчитан так, что его магнитопровод не насыщен. Автоколебательный режим работы обеспечен цепью обратной связи, напряжение которой снимается с обмотки, III трансформатора Т1 и подается на обмотку I вспомогательного трансформатора Т2. Резистор R4 ограничивает напряжение на обмотке I трансформатора Т2. От сопротивления этого резистора зависит в определенных пределах частота преобразования (см. примечание в конце страницы). Подробно о работе преобразователей с ненасыщающимся трансформатором можно прочесть в .

Для обеспечения надежного запуска преобразователя и его устойчивой работы служит узел запуска, представляющий собой релаксационный генератор на транзисторе VTЗ, работающем в лавинном режиме . При включении питания через резистор R5 начинает заряжаться конденсатор С5 и когда напряжение на нем достигает 50...70 В, транзистор VТЗ лавинообразно открывается и конденсатор разряжается. Импульс тока открывает транзистор VТ2 и запускает преобразователь.

Транзисторы VT1 и VT2 установлены на теплоотводах площадью 50 см.кв каждый. Диоды VD2-VD5 тоже снабжены пластинчатыми теплоотводами. Диоды зажаты между пятью дюралюминиевыми пластинами размерами 40x30 мм каждая (три средние пластины толщиной 2 мм, две крайние - 3 мм). Весь пакет стягивают двумя винтами М3x30, пропущенными через отверстия в пластинах. Для предотвращения замыкания пластин винтами на них надеты отрезки поливинилхлоридной трубки.

Намоточные характеристики трансформаторов сведены в таблицу.

Провод обмоток - ПЭВ-2. Обмотку I размещают равномерно по длине кольца. Для облегчения запуска преобразователя обмотка III трансформатора Т1должна располагаться на месте, не занятом обмоткой II (см. рисунок). Межобмоточную изоляцию в трансформаторах выполняют лентой из лакоткани. Между обмотками I и II трансформатора Т1 изоляция трехслойная, между остальными обмотками трансформаторов - однослойная.
Конденсаторы С3, С4 в блоке - К73П-3; С1,С2 - К50-12; С5 - К73-11; С8,С9 - КМ-5; С6,С7 -- К52-2. Транзисторы КТ812А можно заменить на КТ812Б, КТ809А, КТ704А-КТ704В, диоды КД213А - на КД213Б.

Правильно собранный блок питания обычно в налаживании не нуждается, однако в отдельных случаях может потребоваться подборка транзистора VТ3. Для проверки его работоспособности временно отключают вывод эмиттера и присоединяют его к минусовому выводу сетевого выпрямителя. На экране осциллографа наблюдают напряжение на конденсаторе С5 - пилообразный сигнал с размахом 20...50 В частотой несколько герц. Если пилообразное напряжение отсутствует, транзистор необходимо заменить.

Применение этого источника питания не исключает необходимости блокирования выходных цепей питания усилителя конденсаторами большой емкости. Подключение таких конденсаторов в еще большей степени уменьшает уровень пульсации.

Литература

1. В. Цибульский Экономичный блок питания. Радио, 1981, № 10, с. 56.
2. Ромаш Э. М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.- М.: Радио и связь, 1981.
3. Бирюков С. Блок питания цифрового частотомера,- Радио. 1981. № 12, с. 54, 55.

Д. БАРАБОШКИН
Радио, 6/85г.

ПРИМЕЧАНИЕ

При включении блока питания измерьте частоту преобразования (на выводах обмотки II) - она может оказаться значительно ниже, чем 27 кГц (например 9 - 12 кГц). И хотя устройство будет работать, силовые транзисторы выйдут из строя от перегрева. Подгонка частоты осуществляется резистором R4. Причем номинал может отличатся от указанного на схеме на десятки Ом.
Правильно настроенный блок питания отлично работает, при нагрузке в 50 - 70% силовые транзисторы остаются холодными.

От параметров источника питания качество звучания зависит не чуть не меньше, чем от самого усилителя и относится халатно к его изготовлению не следует. Описаний методик расчетов типовых трансформаторов более чем достаточно. Поэтому здесь предлагается описание импульсного источника питания, который может использоваться не только с усилителями на базе TDA7293 (TDA7294), но и с любым другим усилителем мощности 3Ч.

Основой данного блока питания (БП) служит полумостовой драйвер с внутренним генератором IR2153 (IR2155), предназначенный для управления транзисторами технологий MOSFET и IGBT в импульсных источниках питания. Функциональная схема микросхем приведена на рисунке 1, зависимость выходной частоты от номиналов RC-задающей цепочки на рисунке 2. Микросхема обеспечивает паузу между импульсами «верхнего» и «нижнего» ключей в течении 10% от длительности импульса, что позволяет не опасаться «сквозных» токов в силовой части преобразователя.

Рис. 1

Рис. 2

Практическая реализация БП приведена на рисунке 3. Используя данную схему можно изготовить БП мощностью от 100 до 500Вт, необходимо лишь пропорционально увеличивать емкость конденсатора фильтра первичного питания С2 и использовать соответствующий силовой трансформатор TV2.

Рис. 1

Емкость конденсатора С2 выбирается из расчета 1... 1,5 мкФ на 1 Вт выходной мощности, например при изготовлении БП на 150 Вт следует использовать конденсатор на 150...220 мкФ. Диодный мост первичного питания VD можно использовать в соответствии с установленным конденсатором фильтра первичного питания, при емкостях до 330 мкФ можно использовать диодные мосты на 4...6 А, например RS407 или RS607. При емкости конденсаторов 470... 680 мкФ нужны уже более мощные диодные мосты, например RS807, RS1007.
Об изготовлении трансформатора можно разговаривать долго, однако вникать в глубокую теорию расчетов слишком долго и далеко не каждому нужно. Поэтому расчеты по книге Эраносяна для самых ходовых типоразмеров ферритовых колец М2000НМ1 просто сведены в таблицу 1.
Как видно из таблицы габаритная мощность трансформатора зависит не только от габаритов сердечника, но и от частоты преобразования. Изготавливать трансформатор для частот ниже 40 кГц не очень логично - гармониками можно создать не преодолимые помехи в звуковом диапазоне. Изготовление трансформаторов на частоты выше 100 кГц уже непозволительно по причине саморазогрева феррита М2000НМ1 вихревыми токами. В таблице приведены данные по первичным обмоткам, из которых легко вычисляются отношения витков/вольт и дальше уже вычислить, сколько витков необходимо для того или иного выходного напряжения труда не составит. Следует обратить внимание на то, что подводимое к первичной обмотке напряжение составляет 155 В - сетевое напряжение 220 В после выпрямителя и слаживающего фильтра будет составлять 310 В постоянного напряжения, схема полу мостовая, следовательно к первичной обмотке будет прилагаться половина этого значения. Так же следует помнить, что форма выходного напряжения будет прямоугольной, поэтому после выпрямителя и слаживающего фильтра величина напряжения от расчетной отличаться будет не значительно.
Диаметры необходимых проводов рассчитываются из отношения 5 А на 1 кв мм сечения провода. Причем лучше использовать несколько проводов меньшего диаметра, чем один, более толстый провод. Это требование относится ко всем преобразователям напряжения, с частотой преобразования выше 10 кГц, так как начинает уже сказываться скинэффект - потери внутри проводника, поскольку на высоких частотах ток течет уже не по всему сечению, а по поверхности проводника и чем выше частота, тем сильнее сказываются потери в толстых проводниках. Поэтому не рекомендуется использовать в преобразователях с частотой преобразования выше 30 кГц проводники толще 1 мм. Следует так же обратить внимание на фазировку обмоток - неправильно сфазированные обмотки могут либо вывести силовые ключи из строя, либо снизить КПД преобразователя. Но вернемся к БП, приведенному на рисунке 3. Минимальная мощность данного БП практически ни чем не ограничена, поэтому можно изготовить БП и на 50 Вт и меньше. Верхний же предел мощности ограничен некоторыми особенностями элементной базы.
Для получения больших мощностей требуются транзисторы MOSFET более мощные, а чем мощнее транзистор, тем больше емкость его затвора. Если емкость затвора силового транзистора довольно высокая, то для её заряда-разряда требуется значительный ток. Ток транзисторов управления IR2153 довольно не велик (200 мА), следовательно, эта микросхема не может управлять слишком мощными силовыми транзисторами на больших частотах преобразования.
Исходя из вышесказанного становится ясно, что максимальная выходная мощность преобразователя на базе IR2153 не может быть более 500...600 Вт при частоте преобразования 50...70 кГц, поскольку использование более мощных силовых транзисторов на этих частотах довольно серьезно снижает надежность устройства. Список рекомендуемых транзисторов для силовых ключей VT1, VT2 с краткими характеристиками сведен в таблицу 2.
Выпрямительные диоды вторичных цепей питания должны иметь наименьшее время восстановления и как минимум двукратный запас по напряжению и трехкратный току. Последние требования обоснованы тем, что выбросы напряжения самоиндукции силового трансформатора составляют 20...50 % от амплитуды выходного напряжения. Например при вторичном питании в 100 В амплитуда импульсов самоиндукции может составлять 120... 150 В и не смотря на то, что длительность импульсов крайне мала ее достаточно чтобы вызвать пробой в диодах, при использовании диодов с обратным напряжением в 150 В. Трехкратный запас по току необходим для того, чтобы в момент включения диоды не вышли из строя, поскольку емкость конденсаторов фильтров вторичного питания довольно высокая, и для их заряда потребуется не малый ток. Наиболее приемлемые диоды VD4-VD11 сведены в таблицу 3.

Емкость фильтров вторичного питания (С11, С12) не следует увеличивать слишком сильно, поскольку преобразование производится на довольно больших частотах. Для уменьшения пульсаций гораздо актуальней использование большой емкости в первичных цепях питания и правильный расчет мощности силового трансформатора. Во вторичных же цепях конденсаторов на 1000 мкФ в плечо вполне достаточно для усилителей до 100 Вт (конденсаторы по питанию, установленные на самих платах УМЗЧ должны быть не менее 470 мкФ) и 4700 мкФ для усилителя на 500 Вт. На принципиальной схеме изображен вариант выпрямителей вторичного силового питания, выполненный на диодах Шотки, под них и разведена печатная плата (рисунок 4). На диодах VD12, VD13 выполнен выпрямитель для вентилятора принудительного охлаждения теплоотводов, на диодах VD14-VD17 выполнен выпрямитель для низковольтного питания (предварительные усилители, активные регуляторы тембра и т.д.). На том же рисунке приведен чертеж расположения деталей и схема подключения. В преобразователе имеется защита от перегрузки, выполненная на трансформаторе тока TV1, состоящая из кольца К20х12х6 феррита М2000 и содержащего 3 витка первичной обмотки (сечение такое же как и первичная обмотка силового трансформатора и 3 витка вторичной обмотки, намотанной двойным проводом диаметром 0,2...0,3 мм. При перегрузке напряжение на вторичной обмотке трансформатора TV1 станет достаточным для открытия тиристора VS1 и он откроется, замкнув питание микросхемы IR2153, тем самым прекратив ее работу. Порог срабатывания защиты регулируется резистором R8. Регулировку производят без нагрузки начиная с максимальной чувствительности и добиваясь устойчивого запуска преобразователя. Принцип регулировки основан на том, что в момент запуска преобразователя он нагружен максимально, поскольку требуется зарядить емкости фильтров вторичного питания и нагрузка на силовую часть преобразователя максимальная.

Об остальных деталях: конденсатор С5 - пленочный на 0,33... 1 мкФ 400В; конденсаторы С9, С10 - пленочные на 0,47...2,2 мкФ минимум на 250В; индуктивности L1...L3 выполнены на ферритовых кольцах К20х12х6 М2000 и наматываются проводом 0,8... 1,0 мм до заполнения виток к витку в один слой; С14, С15 - пленочные на 0,33...2,2 мкФ на напряжение не менее 100 В при выходном напряжении до 80 В; конденсаторы С1, С4, С6, С8 можно керамические, типа К10-73 или К10-17; С7 можно и керамический, но лучше пленочный, типа К73-17.

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.

1. Трансформатор в схеме работает по частной петле гистерезиса, что требует увеличения его размеров и габаритной мощности;
2. 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

Импульсный источник питания – электронная схема, где входное напряжение выпрямляется, фильтруется, нарезается пачками импульсов высокой частоты для передачи через малогабаритный трансформатор. Блок становится управляемым, с гибко подстраиваемыми параметрами. Уменьшается масса самой тяжелой части источника – трансформатора. В англоязычной литературе такие приборы именуются Switching-Mode Power Supply (SMPS).

Прибор SMPS (импульсный источник питания)

Появление импульсных источников питания

Размеры трансформаторов волновали еще Теслу. Ученый повторяя опыт за опытом, установил: высокие частоты тока безопасны для человека, провоцируют большие потери в сердечниках трансформаторов. Результатом споров стало принятие частоты 60 Гц для строительства Ниагарской ГЭС. Начали с Николы Тесла, потому что это первый человек, который понял, что быстрые колебания механическим способом не получишь. Следовательно, приходится использовать колебательные контуры. Так появился трансформатор Тесла (22 сентября 1896 года), при помощи которого ученый задумал передавать на расстояние сообщения и энергию.

Суть изобретения описана в разделе про , приведем краткие сведения. Трансформатор образован двумя частями, включенными последовательно. Первичная обмотка первого подключалась к источнику переменного напряжения сравнительно низкой частоты. Благодаря низкому коэффициенту трансформации происходил заряд конденсатора, подключенного ко вторичной обмотке, до высокого потенциала. Напряжение достигало порога, пробивался разрядник, включенный параллельно конденсатору. Начинался колебательный процесс разряда через первичную обмотку второго трансформатора во внешнюю цепь. Тесла получал напряжения радиодиапазона амплитудой миллионы вольт.

Первые шаг в создании импульсных блоков питания, где напряжение сравнительно низкой частоты преобразуется в импульсы. Аналогичную конструкцию создал в 1910 году Чарльз Кеттеринг, оборудуя системы зажигания автомобилей. Импульсные блоки питания появились в 60-е годы. Идея минимизации размеров трансформаторов (после Николы Тесла) выдвинута компанией General Electric в 1959 году в лице Джозефа Мерфи и Фрэнсиса Старчеца (U.S. Patent 3,040,271). Идея не сразу нашла горячий отклик (отсутствовала подходящая элементная база), в 1970 году компания Тектроникс выпустила линейку осциллографов с новым источником питания.

Двумя годами позже инверторы находят применение в электронике (Patent US3697854 A), главное – появляются первые отечественные модели! Патенты ссылаются друг на друга, невозможно понять, кто первым предложил использовать идею в персональных компьютерах. В СССР разработки начались в 1970 году, связано с появлением в продаже высокочастотного мощного германиевого транзистора 2Т809А. Как оговаривается в литературе, первым в 1972 году добился успеха москвич, кандидат технических наук Л. Н. Шаров. Позже появился импульсный блок питания 400 Вт авторством А. И. Гинзбурга, С. А. Эраносяна. Вычислительные машины ЕС новинкой оборудованы в 1976 году коллективом под руководством Ж. А. Мкртчяна.

Первые импульсные блоки питания, известные отечественному потребителю по цифровым телевизорам и видеомагнитофонам, часто ломались, современные изделия лишены недостатка – работают непрерывно годами. Момент начала 90-х годов снабжает следующими сведениями:

1. Удельная мощность: 35 — 120 Вт на кубический дециметр.
2. Рабочая частота инвертора: 30 — 150 кГц.
3. КПД: 75 — 85%.
4. Время наработки на отказ: 50 — 200 тысяч часов (6250 рабочих дней).

Достоинства импульсных блоков питания

Линейные источники питания громоздкие, эффективность хромает. КПД редко превышает 30%. Для импульсных блоков питания средние цифры лежат в диапазоне 70 — 80%, существуют изделия, сильно выбивающиеся из ряда. В лучшую сторону, разумеется. Приводятся сведения: КПД импульсного блока питания достигает 98%. Одновременно снижаются требуемые фильтрации емкости конденсаторов. Энергия, запасаемая за период, сильно падает с повышением частоты. Зависит прямо пропорционально от ёмкости конденсатора, квадратично от амплитуды напряжения.

Повышение до частоты 20 кГц (в сравнении с 50/60) снижает линейные размеры элементов в 4 раза. Цветочки в сравнении с ожиданиями в радиодиапазоне. Объясняет причину оснащения приемников конденсаторами малого размера.

Устройство импульсных источников питания

Входное напряжение выпрямляется. Процесс осуществляет диодный мост, реже одиночный диод. Затем напряжение нарезается импульсами, здесь литература бодро переходят к описанию трансформатора. Читателей наверняка мучает вопрос – как работает чоппер (устройство, формирующее импульсы). На основе микросхемы, питающейся непосредственно сетевым напряжением 230 вольт. Реже специально ставится стабилитрон (стабилизатор параллельного типа).

Микросхема формирует импульсы (20 — 200 кГц), сравнительно малой амплитуды, управляющие тиристором или иным полупроводниковым силовым ключом. Тиристор нарезает высокое напряжение импульсами, по гибкой программе, формируемой микросхемой генератора. Поскольку на входе действует высокое напряжения, нужна защита. Генератор охраняется варистором, сопротивление которого резко падает при превышении порога, замыкая вредный скачок на землю. С силового ключа пачки импульсов поступают на малогабаритный высокочастотный трансформатор. Линейные размеры сравнительно невысоки. Для компьютерного блока питания мощностью 500 Вт умещается детской ладонью.

Полученное напряжения вновь выпрямляется. Используются диоды Шоттки, спасибо низкому падению напряжения перехода металл-полупроводник. Спрямленное напряжение фильтруется, подается потребителям. Благодаря наличию множества вторичных обмоток достаточно просто получаются номиналы различной полярности и амплитуды. Рассказ неполон без упоминания цепи обратной связи. Выходные напряжения сравниваются с эталоном (например, стабилитрон), происходит подстройка режима генератора импульсов: от частоты, скважности зависит передаваемая мощность (амплитуда). Изделия считаются сравнительно неприхотливыми, могут функционировать в широком диапазоне питающих напряжений.

Корпусной блок питания

Технология носит название инверторной, используется сварщиками, микроволновыми печами, индукционными варочными панелями, адаптерами сотовых телефонов, iPad. Компьютерный блок питания работает подобным образом.

Схемотехника импульсных блоков питания

Природой предоставлено 14 базовых топологий реализации импульсных блоков питания. С присущими достоинствами, уникальными характеристиками. Некоторые подходят созданию маломощных блоков питания (ниже 200 Вт), другие лучшие качества проявляют при питании сетевым напряжением 230 вольт (50/60 Гц). И чтобы выбрать нужную топологию, сумейте представить свойства каждой. Исторически первыми называют три:

• Buck – бак, олень, доллар.
• Boost – ускорение.
• Polarity inverter – инвертор полярности.

Три топологии относятся к линейным регуляторам. Тип приборов считается предшественником импульсных блоков питания, не включая достоинств. Напряжение подается через трансформатор, спрямляется, нарезается на силовом ключе. Работой регулятора заведует обратная связь, в задачи которой входит формирование сигнала ошибки. Тип приборов составлял многомиллиардный оборот в 60-е годы, мог лишь понижать напряжение, а общий провод потребителя замыкался с сетью питания.

Buck топология

Так появились «олени». Первоначально предназначенные для постоянного напряжения нарезали входной сигнал импульсами, затем пачки спрямлялись, фильтровались с получением средней мощности. Обратная связь контролировала скважность, частоту (широтно-импульсная модуляция). Аналогичное делается сегодня компьютерными блоками питания. Практически сразу были достигнуты значения плотности мощности 1 — 4 Вт на кубический дюйм (впоследствии до 50 Вт на кубический дюйм). Прелестно, что стало можно получать множество выходных напряжений, развязанных со входом.

Недостатком сочтем потери в момент переключения транзистора, напряжение меняет полярность, остается ниже нуля до следующего импульса. Указанная часть сигнала, минуя диод, замыкается на землю, не доходя фильтра. Обнаружено существование оптимальных частот переключения, при которых издержки минимизируются. Диапазон 25 — 50 кГц.

Boost топология

Топология именуется кольцевым дросселем, ставится вперед ключа. Удается повысить входное напряжение до нужного номинала. Схема работает следующим образом:

1. В начальный момент времени транзистор открыт, дроссель запасается энергией источника напряжения через коллекторный, эмиттерный p-n-переходы, землю.
2. Затем ключ запирается, стартует процесс зарядки конденсатора. Дроссель отдает энергию.
3. В некоторый момент отрабатывает усилитель обратной связи, начинается питание нагрузки. Конденсатор неспособен отдать энергию в сторону силового ключа, мешает диод. Заряд забирает полезная нагрузка.
4. Падение напряжения вызовет повторное срабатывание цепи обратной связи, начнется накопление энергии дросселем.

Polarity Inverter топология

Топология полярного инвертора похожа на предыдущую схему, дроссель расположен за ключом. Работает следующим образом:

В этом случае наблюдаем параллельность процессов запасания/расходования энергии. Все три рассмотренные схемы демонстрируют следующие недостатки:

1. Имеется связь по постоянному току между входом и выходом. Другими словами, отсутствует гальваническая развязка.
2. Невозможно получить несколько номиналов напряжений из одной схемы.

Минусы устраняются двухтактной тяни-толкай (push-pull), запаздывающей (latter) топологиями. Обе используют чоппер с технологией опережения (forward). В первом случае используется дифференциальная пара транзисторов. Становится возможным использовать один ключ на половину периода. Для управления нужна специальная формирующая схема, попеременно раскачивающая эти качели, улучшаются условия отвода тепла. Нарезанное напряжение двухполярное, питает первичную обмотку трансформатора, вторичных много – сообразно требованиям потребителей.

В запаздывающей топологии один транзистор заменен диодом. Схема часто эксплуатируется маломощными блоками питания (до 200 Вт) с постоянным напряжением на выходе 60 — 200 В.

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

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

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

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

Принцип действия

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

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

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

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

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

Схема работы ИБП

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

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

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

Схема импульсного блока минимального размера

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

Некоторые виды ИБП

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

Особенности

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

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

Особенности лабораторных блоков

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

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

Применение импульсных блоков

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

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

Достоинства и недостатки

ИБП имеет следующие преимущества и достоинства:

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

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

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

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

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

Недостатки

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

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