В статье речь об импульсных блоках питания (далее ИБП), которые сегодня получили самое широкое применение во всех современных радиоэлектронных устройствах и самоделках.
Основной принцип заложенный в основу работы ИБП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (50 Герц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.
Преобразование осуществляется с помощью мощных транзисторов, работающих в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый - выполняется по схеме импульсного автогенератора и второй - с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств).
Поскольку частота преобразователя обычно выбирается в среднем от 20 до 50 килогерц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно минимизируются, что является очень важным фактором для современной аппаратуры.
Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением смотрите ниже:

Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через сетевой фильтр (СФ) подается на сетевой выпрямитель (СВ), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 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 тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение. При этом если мы будем 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, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1, а следовательно осуществлять стабилизацию выходных напряжений БП. Единственное что для этого необходимо - схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ контроллер. ШИМ - это широтно-импульсная модуляция. В состав ШИМ контроллера входит задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая и управляет длительностью импульса.
Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора T1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения - процесс обратный.

В ИБП используются 2 принципа реализации цепей слежения - «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный способ называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении 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.
С цепью слежения я думаю, разобрались, теперь давайте рассмотрим такую ситуацию как короткое замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. 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 из строя этого транзистора. 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 на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или другими словами отключится.
В заключении темы хотелось бы более подробно описать преимущества ИБП. Как уже упоминалось, частота импульсного преобразователя достаточно высока, в связи с чем, габаритные размеры импульсного трансформатора уменьшены, а значит, как это не парадоксально звучит, стоимость ИБП меньше традиционного БП, так как меньше расход металла на магнитопровод и меди на обмотки, даже не смотря на то, что количество деталей в ИБП увеличивается. Еще одним из достоинств ИБП является малая, по сравнению с обычным БП, емкость конденсатора фильтра вторичного выпрямителя. Уменьшение емкости стало возможным за счет увеличения частоты. И, наконец, КПД импульсного блока питания доходит до 85 %. Связано это с тем, что ИБП потребляет энергию электрической сети только во время открытого транзистора преобразователя, при его закрытии энергия в нагрузку отдается за счет разряда конденсатора фильтра вторичной цепи.
К минусам можно отнести усложнение схемы ИБП и увеличение импульсных помех излучаемым самим ИБП. Увеличение помех связано с тем, что транзистор преобразователя работает в ключевом режиме. В таком режиме транзистор является источником импульсных помех, возникающих в моменты переходных процессов транзистора. Это является недостатком любого транзистора работающего в ключевом режиме. Но если транзистор работает с малыми напряжениями (например, транзисторная логика с напряжением в 5 вольт) это не страшно, в нашем же случае напряжение, приложенное к коллектору транзистора, составляет, примерно 315 вольт. Для борьбы с этими помехами в ИБП используются более сложные схемы сетевых фильтров, чем в обычном БП.

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

Что же это за ИИП такое?!

Импульсные блоки питания (англ. Switching Power Supply) вновь и вновь становятся предметом дискуссий, споров, а их проектирование и конструирование вызывают некоторые затруднения в радиолюбительских кругах. Все чаще именно к импульсным устройствам питания обращаются взоры домашних радиомастеров, поскольку они обладают целым рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с традиционными трансформаторными блоками. Однако многие радиолюбители, в частности начинающие, не решаются собирать их, несмотря на их повсеместное применение в современном радиоэлектронном производстве.

Причин тому масса. От непонимания принципов действия до сложности схемотехники импульсных блоков вторичного питания. Некоторые просто напросто не могут найти требующуюся радиоэлементную базу. А вот опытные радиоинженеры давно уже отказались от тяжелых габаритных трансформаторов электропитания в бытовой компактной электронике.

Но если для дома применение трансформаторных источников электропитания ещё как то оправдано, то, к примеру, в автомобиле, в дороге, в полевых условиях и т.п. трансформатор вообще бесполезен.

Здесь на выручку приходят импульсные преобразователи напряжения. Они способны черпать электроэнергию буквально от любого аккумулятора или батареи гальванических элементов постоянного тока и преобразовывать ее в нужное напряжение с максимальной мощностью от нескольких ватт до нескольких киловатт.

Согласитесь, когда вы путешествуете любым видом транспорта, и поблизости нет розетки, чтобы подключить к ней зарядное устройство в целях подзарядить севший аккумулятор цифрового фотоаппарата, сотового телефона, цифровой видеокамеры, плеера и мн. др. это, по меньшей мере, доставляет массу неудобств. А сколько раз уже можно было запечатлеть цифровиком что-то понравившееся и тут же отправить с помощью телефона родным и друзьям.

А всего лишь и требуется, что спаять несложную схему импульсного преобразователя напряжения на печатной плате, способной уместиться в ладони, и прихватить с собой пару пальчиковых батареек. Вот и все, что нужно для счастья!

Литературный ликбез на тему ИБП

Однако не будем увлекаться, а перейдем непосредственно к сути статьи. Мы уже не раз рассказывали про теоретические и практические аспекты конструирования в домашних условиях импульсных блоков питания, например, Импульсный преобразователь, Импульсный источник питания, Автомобильный преобразователь напряжения и др; излагали методики расчета трансформаторов, делились полезной литературой по силовой электронике, рекомендуемой для прочтения не только начинающим электронщикам, например, Импульсные источники питания, Расчет силового трансформатора; а в статье Схема преобразователя мощностью 1000 ВА развернулся целый, можно сказать, диспут по переделке схемы.

Ну а сегодня ответим на вопрос, заданный одним из радиолюбителей:

а есть что-то на питание +/-25 - 30 вольт (двухполярное) на 4 тройки выводов для запитки УМЗЧ - 4 x TDA7293? Мощностью ватт на 550-600 … для питания от электросети (~220В).

По этому поводу решили даже отдельную статью опубликовать, дабы показать общие теоретические принципы разработки импульсных блоков питания.

Изложенный материал с заострением внимания на отдельных вопросах проектирования и схемотехники импульсных блоков вторичного электропитания призван показать радиолюбителям весь алгоритм их расчета. Все технические, конструкторские, схемные дополнения и решения по мере необходимости будут выкладываться ниже в комментариях. Всех заинтересованных электронщиков и опытных радиоинженеров просим принять участие в обсуждении импульсных блоков питания.

Начнем, пожалуй…

Итак, для начала в общих чертах обозначим, какие основные модули есть в любом импульсном блоке электропитания. В типовом варианте импульсный блок питания условно можно разделить на три функциональные части. Это:

1. ШИМ(PWM)-контроллер, на базе которого собирается задающий генератор обычно с частотой около 30…60 кГц;

2. каскад силовых ключей, роль которых могут выполнять мощные биполярные, полевые или IGBT (биполярные с изолированным затвором) транзисторы; этот силовой каскад может включать в себя дополнительную схему управления этими самыми ключами на интегральных драйверах или маломощных транзисторах; также важна схема включения силовых ключей: мостовая (фул-бридж), полумостовая (халф-бридж) или со средней точкой (пуш-пул);

3. импульсный трансформатор с первичной(ыми) и вторичной(ыми) обмоткой(ами) и, соответственно, выпрямительными диодами, фильтрами, стабилизаторами и проч. на выходе; в качестве сердечника обычно выбирается феррит или альсифер; в общем, такие магнитные материалы, которые способны работать на высоких частотах (в некоторых случаях свыше 100 кГц).

Вот, собственно, и все, что нужно для сборки импульсного блока питания. Выше на фото основные части ИБП выделены. Для наглядности выделим эти модули и на электрической принципиальной схеме любого импульсного блока питания. Для примера:

К слову, здесь силовой каскад включен по схеме со средней точкой.

Теперь помодульно будем разрабатывать схемотехническое решение будущего устройства.

Для начала определимся с задающим генератором.

Если быть точнее, то с ШИМ-контроллером . В настоящее время, как вы понимаете, их существует огромное количество. Здесь, пожалуй, основными критериями выбора являются доступность и цена вопроса. Нам нужен не любой генератор, а именно с широтно-импульсной модуляцией. Принцип работы, если в двух словах, то «есть/нет сигнала». На выходе контроллера либо единица (высокий уровень) либо ноль (низкий уровень).

В соответствии с этим выходные транзисторы открыты либо закрыты, подают напряжение на катушку импульсного трансформатора либо нет. Причем происходит такое переключение с высокой периодичностью (как указывалось ранее, обычно частота 30…60 кГц).

Настраивается частота в зависимости от потребностей проектировщика внешней цепью обвязки ШИМ-контроллера, состоящей, как правило, из резисторов и конденсаторов. Вот недавно даже наткнулся на идею использования в качестве источника ШИМ COM порт компьютера. Ну да ладно… Для нашего будущего блока питания возьмем ШИМ-контроллер К1156ЕУ2 . Но это не принципиально. Можно взять практически любой двухтактный контроллер. Например, один из наиболее распространенных TL494. Схема задающего генератора на его базе показана выше. Вообще, типовую схему включения любой другой микросхемы можно найти в технической документации на нее (datasheet).

Расчет частоты импульсов блока питания

Контроллер К1156ЕУ2 предназначен для использования в качестве схемы управления импульсными источниками вторичного электропитания, работающими на частоте до 1 МГц. Благодаря высокому быстродействию микросхема нашла широкое применение и хорошо себя зарекомендовала. В случае отсутствия отечественного варианта контроллера его можно заменить на аналоги типа UC1825, UC2825, UC3825. Полумостовые выходные каскады контроллера спроектированы для работы на большую емкостную нагрузку, например, затворы мощных МОП-транзисторов, и коммутируют как втекающий, так и вытекающий ток. Описание выводов К1156ЕУ2 следующее:

Стоит отметить также, что частота импульсов зависит он номиналов резистора и конденсатора на 5 и 6 выводах микросхемы. Причем за паузу (так называемое, мертвое время) между импульсами отвечает емкость конденсатора. А это прямо сказывается на обеспечении одновременного закрытия выходных ключей, дабы избежать сквозных токов. Вопрос особенно актуален при больших мощностях. Сопротивление резистора выбирается из диапазона 3…100 кОм, емкость конденсатора – 0,47…100 нФ. Номограммы для подбора этих радиодеталей ниже на рисунке:

Таим образом, для обеспечения мертвого времени в?1,5 мкс (чтобы снизить вероятность появления сквозных токов через MOSFET в силовом каскаде) понадобится конденсатор емкостью 15 нФ (0,015мкФ или 15000 пФ). Теперь смотрим на левый график. О частоте дополнительно будет сказано ниже. На данном этапе в качестве номинальной примем 60 кГц. Значит резистор для нашего задающего генератора нужен номиналом?3 кОм. Поставим подстроечный на 4,7 кОм. Им можно будет слегка повышать частоту, тем самым повышая мощность блока питания в целом.

Синхронизация двух и более ШИМ-контроллеров

Важной функцией К1156ЕУ2 является их совместное использование. Т.е. один генератор будет ведущим, а другой ведомым. Для этого существует функциональный 4 вывод синхронизации. В итоге можно получить два синхронно работающих генератора ШИМ. Применений такому способу можно найти масса. Поскольку генераторы будут работать синхронно, то каждый из них можно нагрузить отдельным выходным каскадом с силовыми ключами и импульсным трансформатором. При этом можно применить трансформаторы меньшей габаритной мощности. Так, если нам нужна общая мощность импульсного блока питания не менее 600 Вт на 4 УМЗЧ, то можно использовать два трансформатора по 300 Вт с подключенными к ним по два УМЗЧ. Соответственно, мы сможем снять часть нагрузки с транзисторов силового каскада, обмоточного провода, также нам понадобиться сердечник меньшего размера. В связи с этим можно даже сэкономить на покупке радиодеталей для будущего ИБП. Схема синхронизации двух ШИМ-контроллеров (ведущего и ведомого) выглядит так:

Однако в общеобразовательных целях ограничимся включением К1156ЕУ2 в единичном (типовом) варианте, т.к. перед нами стоит цель дать вам общие навыки разработки. А уж рациональность использования той или иной схемы, технического решения будет зависеть от цели использования импульсного блока питания.

С первым функциональным модулем будущего блока вторичного электропитания разобрались. Окончательно принимаем схемотехнический вариант генератора на К1156ЕУ2, как показано на рисунке выше под цифрой 1. В случае необходимости на конечной стадии проектирования номиналы деталей можно будет подкорректировать, что, собственно, не скажется на функциональной схеме генератора.

На дворе 21 век трансформаторных блоков питания остается все меньше, т.к им на смену пришли импульсные блоки питания, иначе их еще называют бестрансформаторным. Почему это протзошло? Во первых импульсные блоки питания куда более компактны, легче и дешевле в производстве. По мимо этого КПД импульсных блоков может доходить до 80%.

В рамках нашей статьи рассмотрим наиболее интересные схемы импульсных блоков питания с использование различных схемотехнических решений. Но сначала разберем принцип работы импульсного блока питания . (ИБП)

Практически все существующие сегодня импульсные источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкционному исполнению и работают по одной, типичной схеме.

Устройство импульсного блока питания

В состав основных компонентов и блоков ИБП входят:

сетевой выпрямитель, типовой вариант состоит из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, диодного моста и сетевого предохранителя;
фильтрующей емкости;
силового транзистора работающего в ключевом режиме;
задающий генератор;
оптопары;
схема обратной связи, построенной обычно на транзисторах;
выпрямительные диоды или диодный мост выходной схемы;
Схемы управления выходным напряжением
фильтрующие емкости;
силовые дроссели, выполняют функцию коррекции напряжения и его диагностики в сети

Пример печатной платы типового импульсного блока питания с кратким обозначением радиоэлектронных узлов показан на рисунке ниже:

Как работает импульсный блок питания?

ИБП выдает стабилизированное напряжение за счет применения принципов взаимодействия компонентов инверторной схемы. Переменное сетевое напряжение 220 вольт идет по проводам на выпрямительное устройство. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет применения конденсаторов, выдерживающих пики до 300 вольт, и отделяется помехоподавляющим фильтром.

Диодный мост выпрямляет проходящие через него переменное напряжение, которые затем преобразуются схемой реализованной на транзисторах. Далее высокочастотные импульсы прямоугольной формы следуют с заданной скважностью. Они могут преобразовываться:

с гальванической развязкой от питающей сети выходных цепей;
без развязки.

В первом случае ВЧ импульсы следуют на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку. За счет высокой частоты получается отличная эффективностьприменения трансформатора, снижаются габариты магнитопровода, а следовательно и вес конечного устройства.

В подобных схемах ИБП работают три взаимосвязанных цепочки: ШИМ-контроллер ; транзисторный каскад из силовых ключей; импульсный трансформатор

Каскад из силовых ключей обычно состоит из мощных полевых, биполярных или транзисторов. Для последних, как правило, создана отдельная система управления на других маломощных транзисторах либо ИМС (драйвера). Силовые ключи могут быть реализованы по различным схемам: полумостовой; мостовой; или со средней точкой.

Импульсный трансформатор его обмотки, размещены вокруг магнитопровода из альсифера или феррита. Они способны передавать ВЧ импульсы с частотой следования до сотен кГц. Их работу обычно дополняют цепочки из стабилизаторов, фильтров, диодов и других элементов.

В ИБП без гальванической развязки высокочастотный разделительный трансформатор не применяется, а сигнал следует сразу на фильтр нижних частот.

Особенности стабилизации выходного напряжения в ИБП

Все ИБП имеют в своем составе радио компоненты, реализующие отрицательную обратную связь (ООС) с выходными параметрами. Поэтому они обладают отличной стабилизацией выходного напряжения при плавающих нагрузках и колебаниях сети питания. Методы реализации ООС зависят от используемой схемы для работы ИБП. Она может реализоваться у ИБП, работающих с гальванической развязкой за следующий счет:

Промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток ВЧ трансформатора;
Испоьзования оптрона.

В обоих вариантах эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера. При применении схемы без гальванической развязки ООС обычно создается за счет подсоединения резистивного делителя.

Простой импульсный блок питания схема которого реализована на микросхеме HV-2405Е в своем внутреннем составе содержит предварительный импульсный стабилизатор напряжения и выходной линейный стабилизатор.

Величина тока, которую способен выдать импульсный блок питания, зависит от емкости C1. Конденсатор С2 адает временную задержку активации микросхемы для стабилизации переходных процессов. Емкость C3 используется для уменьшения пульсации выпрямленного выходного напряжения.

Термистор R1 защищает микросхему от пробоя током заряда конденсатора С1. В схеме был использован малогабаритный термистор марки MZ21-N151RM.

Для получения выходного напряжения в 18 В резистора R1 должен быть составлять 13 кОм, для 15 В - 10кОм,для 12 В - 6,8кОм, а для 9 В - 3,9 кОм.

Микросборка IR2153 это универсальный драйвер управления полевыми и IGBT транзисторами. Разрабатывалась она специально для использования в схемах электронного балласта энергосберегающих ламп, поэтому её функциональные возможности при конструирование блока питания немного ограничены. Микросхема позволяет создать на ее базе простой и надежный источник питания.

Делитель напряжения, собран на неполярном бумажном конденсаторе С1 и электролитических конденсаторах С2 и СЗ, которые создают неполярное плечо сумарной емкостью 100 микрофарад.

Два левых по отношению к схеме диода являются поляризующими к конденсаторной цепи. При указанных номиналах радиокомпонентов, ток короткого замыкания будет около 0,6А, а напряжение на выводах емкости С4 при отсутствие нагрузки приблизительно равно 27 В.

Первичная обмотка трансформатора Т2 преобразователя подсоединена в диагональ моста, образованного транзисторами VT1, VT2 и емкостями С9, С10. Базовые цепи транзисторов питаются от второй и третей обмоток трансформатора Т1, на первичную обмотку которого идет ступенчатое напряжение с формирователя, построенного на микросхемах DD1, DD2.

Задающий генератор формирователя выполнен на инверторах DD1.1, DD1.2 и генерирует колебания частотой 120 кГц. Импульсы с выходов триггеров DD2.1 с частотой 60 кГц и DD2.2 с частотой30 кГц идут на входы элементов DD1.3 я DD1.4, а уже на их выходах генерируются импульсные последовательности со скважностью 4.

Трансформатор Т1 предает это ступенчатое напряжени на базу транзисторов VT1, VT2 работающих в ключевом режиме и поочередно открывает их.

Два источника выходного напряжения выполнены на стабилизаторах напряжения серии К142. Так как, выпрямленное напряжение импульсное на входах фильтров установлены оксидные конденсаторы К52-1 небольшой емкости, хорошо работающие на данной частоте преобразования.

Схема импульсного блока питания собрана на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита. Со стороны радиокомпонентов фольга сохранена и является общим проводом.

Транзисторы устанавливаются на радиатор размерами 40 на 22 мм.

В схеме применены постоянные сопротивления С2-1 (R7) и МТ, подстроечный резистор СП3-196 (R9), емкости КТП-2а (С1, С2), К50-27 (С4, С5), К52-1 (С7, C11, C16, С20), K73-17 на номинальное напряжение 400 (С3) и 250 В (С9, С10), КМ-5 (С6, С14) и КМ-6 (остальные). Индуктивности L1, L2, L4 - ДМ-2,5 L3 - ДМ-0,4.

Первый трансформатор собран на кольцевом магнитопроводе К 10Х6Х5 из феррита 2000НМ. Его первичная обмотка состоит из 180 витков провода ПЭЛШО 0,1, 2 и 3 обмоткиимеют по 18 витков ПЭЛШО 0,27. Магнитопровод второго трансформатора К28Х16Х9 из феррита марки 2000НМ. Его первичная обмотка состоит из 105 витков провода ПЭЛШО 0,27, обмотки 2 и 4 из 14 и 8 витков монтажного провода МГТФ сечением 0,07 мм, 3-я обмотка из 2Х7 витков ПЭВ-2 диаметром 1 мм.

Основа конструкции полумостовой драйвер на микросхеме IR2151. Сигнал с генератора усиливается каскадом на мощных полевых транзисторах. Резистор 47к должен быть с мощностью от 2 ватт. Диод FR107 можно заменить на FR207 и т.п. Электролитические конденсаторы необходимы для сглаживании пульсаций и снижения уровня сетевых помех, их емкость от 22 до 470 мкф. Предохранитель на 3 ампера. Импульсный трансформатор позволяет получить двухполярное напряжение 12 или 2 вольт, поэтому на выходе можно получить 5, 10, 12 и 24 вольта.

Таким БП можно запитать мощные УНЧ или же приспособить его под 12 вольтовый усилитель из серии TDA. Если БП дополнить регулятором напряжения, то можно собрать полноценный импульсный лабораторный блок питания.

Выпрямитель лучше всего собрать на ультрабыстрых диодах на 4-10 ампер их можно позаимствовать из того же компьютерного блока питания. Этот блок питания можно применить еще в качестве зарядного устройства для автомобильного аккумулятора, так как выходной ток более 10 ампер.

Помните были такие популярные в свое время телефоны наподобие Русь 26. К каждому из них шел не плохой сетевой адаптер имеющий на выходе два стабилизированных напряжения +5В и +8 В при токе нагрузки до 0,5 А его можно использовать для питания множества радиолюбительских самоделок и сегодня.

Рассмотрим схему этого БП:

Напряжение сети 220 В через замкнутые контакты тумблера SA1 и защитное сопротивление R1 идет на первичную обмотку трансформатора Т1. Со вторичной обмотки оно пониженое до 11 В переменного тока, выпрямляется выпрямителем, на диодах Шотки VD1 - VD4. Использование таких диодов снижает потери мощности на выпрямителе примерно на 1 В повышает напряжение на конденсаторе фильтра С7.

Импульсный блок питания содержит два линейных стабилизатора DA1 и DA2. Первый выдает стабилизированное выходное напряжение +5 В, а второй +8 В.

Тумблером SB1 можно выбирать напряжение +5 В или + 8 В. При этом, если тумблер находится в положении «+5 В», загорается светодиод HL2, если в положении «+8 В», то HL3.

Для удобства, на выход канала «+5 В» можно добавить USB-розетку и использовать для наладки устройств с питанием от .

Подробная инструкция для изготовления самодельных импульсных блоков питания разной мощности на основе электронного балласта старой люминесцентной лампы. Электронный балласт это почти готовый импульсный Блок Питания, но в ней отсутствует разделительный трансформатор и выпрямитель.

Плюсы ИБП над стандартными аналоговыми

При сравнении конструкций БП с одинаковыми показателями выходных мощностей ИБП обладают следующими преимуществами:

Cниженный вес и габариты ИБП можно объяснить переходом от преобразований НЧ энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на огромных радиаторахи работающими в линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования. За счет роста частоты обрабатываемого сигнала снижается емкость конденсаторов у фильтров и, поэтому, их габариты. Также упрощается схемотехника выпрямления.
Повышенный КПД - У НЧ трансформаторов существенная доля потерь возникаеи за счет рассеивания тепла при электромагнитных преобразованиях. В ИБП максимальные потери энергии возникают во время протекания переходных процессов при коммутациях каскадов. А в остальное время ключевые транзисторы находятся в строго устойчивом состоянии: открыты или закрыты. При этом создаются все условия для минимума потер, при этом КПД может доходить до 90-98%.
Более низкая стоимость;
Расширенный диапазон питающих напряжений - импульсные технологии позволяют запитывать БП от источников с разной амплитудой и частотой. Это расширяет область применения с различными электростандартами.
Встроенная защита. Благодаря применению малогабаритных полупроводниковых модулей, в конструкцию ИБП удается встроить защиту, контролирующую возникновение токов коротких замыканий (КЗ), отключения нагрузок на выходе устройства и другие аварийные ситуации.

Недостатки ИБП

Высокочастотные помехи, т.к они работают по принципу преобразования ВЧ импульсов, то они в любом исполнении генерируют помехи, транслируемые в пространство. Это создает дополнительное требование связанное с их подавлением различными методами.

В некоторых случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает применении ИБП для отдельных типов точной цифровой техники.

Ограничения по мощности ИБП имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и при пониженных нагрузках. Если в выходной цепи случится резкое падение тока за пределы критического значения, то схема запуска может сглючить или ИБП станет выдавать напряжение с искаженными свойствами.

Один из самых важных блоков персонального компьютера - это, конечно, импульсный блок питания. Для более удобного изучения работы блока есть смысл рассматривать каждый его узел по отдельности, особенно, если учесть, что все узлы импульсных блоков питания различных фирм практически одинаковые и выполняют одни и те же функции. Все блоки питания рассчитаны на подключение к однофазной сети переменного тока 110/230 вольт и частотой 50 - 60 герц. Импортные блоки на частоту 60 герц прекрасно работают и в отечественных сетях.

Основной принцип работы импульсных блоков питания заключается в выпрямлении сетевого напряжения с последующим преобразованием его в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое понижается трансформатором до нужных значений, выпрямляется и фильтруется.

Таким образом, основную часть схемы любого компьютерного блока питания, можно разделить на несколько узлов, которые производят определённые электрические преобразования. Перечислим эти узлы:

Сетевой выпрямитель. Выпрямляет переменное напряжение электросети (110/230 вольт).

Высокочастотный преобразователь (Инвертор). Преобразует постоянное напряжение, полученное от выпрямителя в высокочастотное напряжение прямоугольной формы. К высокочастотному преобразователю отнесём и силовой понижающий импульсный трансформатор. Он понижает высокочастотное переменное напряжение от преобразователя до напряжений, требуемых для питания электронных узлов компьютера.

Узел управления. Является "мозгом" блока питания. Отвечает за генерацию импульсов управления мощным инвертором, а также контролирует правильную работу блока питания (стабилизация выходных напряжений, защита от короткого замыкания на выходе и пр.).

Промежуточный каскад усиления. Служит для усиления сигналов от микросхемы ШИМ-контроллера и подачи их на мощные ключевые транзисторы инвертора (высокочастотного преобразователя).

Выходные выпрямители. С помощью выпрямителя происходит выпрямление - преобразование переменного низковольного напряжения в постоянное. Здесь же происходит стабилизация и фильтрация выпрямленного напряжения.

Это основные части блока питания компьютера. Их можно найти в любом импульсном блоке питания, начиная от простейшего зарядника для сотового телефона и заканчивая мощными сварочными инверторами. Отличия заключаются лишь в элементной базе и схемотехнической реализации устройства.

Довольно упрощённо структуру и взаимосвязь электронных узлов компьютерного блока питания (формат AT) можно изобразить следующим образом.

О всех этих частях схемы будет рассказано в дальнейшем.

Рассмотрим принципиальную схему импульсного блока питания по отдельным узлам. Начнём с сетевого выпрямителя и фильтра.

Сетевой фильтр и выпрямитель.

Отсюда, собственно, и начинается блок питания. С сетевого шнура и вилки. Вилка используется, естественно, по «евростандарту» с третьим заземляющим контактом.

Следует обратить внимание, что многие недобросовестные производители в целях экономии не ставят конденсатор С2 и варистор R3, а иногда и дроссель фильтра L1. То есть посадочные места есть, и печатные дорожки тоже, а деталей нет. Ну, вот прям как здесь.

Как говорится: "No comment ".

Во время ремонта желательно довести фильтр до нужной кондиции. Резисторы R1, R4, R5 выполняют функцию разрядников для конденсаторов фильтра после того как блок отключен от сети. Термистор R2 ограничивает амплитуду тока заряда конденсаторов С4 и С5, а варистор R3 защищает блок питания от бросков сетевого напряжения.

Стоит особо рассказать о выключателе S1 ("230/115" ). При замыкании данного выключателя, блок питания способен работать от сети с напряжением 110...127 вольт. В результате выпрямитель работает по схеме с удвоением напряжения и на его выходе напряжение вдвое больше сетевого.

Если необходимо, чтобы блок питания работал от сети 220...230 вольт, то выключатель S1 размыкают. В таком случае выпрямитель работает по классической схеме диодный мост . При такой схеме включения удвоения напряжения не происходит, да это и не нужно, так как блок работает от сети 220 вольт.

В некоторых блоках питания выключатель S1 отсутствует. В других же его располагают на тыльной стенке корпуса и помечают предупреждающей надписью. Нетрудно догадаться, что если замкнуть S1 и включить блок питания в сеть 220 вольт, то это кончится плачевно. За счёт удвоения напряжения на выходе оно достигнет величины около 500 вольт, что приведёт к выходу из строя элементов схемы инвертора.

Поэтому стоит внимательнее относиться к выключателю S1. Если предполагается использование блока питания только совместно с сетью 220 вольт, то его можно вообще выпаять из схемы.

Вообще все компьютеры поступают в нашу торговую сеть уже адаптированными на родные 220 вольт. Выключатель S1 либо отсутствует, либо переключен на работу в сети 220 вольт. Но если есть возможность и желание то лучше проверить. Выходное напряжение, подаваемое на следующий каскад составляет порядка 300 вольт.

Можно повысить надёжность блока питания небольшой модернизацией. Достаточно подключить варисторы параллельно резисторам R4 и R5. Варисторы стоит подобрать на классификационное напряжение 180...220 вольт. Такое решение сможет уберечь блок питания при случайном замыкании выключателя S1 и включении блока в сеть 220 вольт. Дополнительные варисторы ограничат напряжение, а плакий предохранитель FU1 перегорит. При этом после несложного ремонта блок питания можно вернуть в строй.

Конденсаторы С1, С3 и двухобмоточный дроссель на ферритовом сердечнике L1 образуют фильтр способный защитить компьютер от помех, которые могут проникнуть по сети и одновременно этот фильтр защищает сеть от помех, создаваемых компьютером.

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра.

Характерные неисправности выпрямителя, это выход из строя одного из диодов "моста" (редко), хотя бывают случаи, когда выгорает весь диодный мост, или утечка электролитических конденсаторов (гораздо чаще). Внешне это характеризуется вздутием корпуса и утечкой электролита. Подтёки очень хорошо заметны. При пробое хотя бы одного из диодов выпрямительного моста, как правило, перегорает плавкий предохранитель FU1.

При ремонте цепей сетевого выпрямителя и фильтра имейте в виду то, что эти цепи находятся под высоким напряжением, опасным для жизни ! Соблюдайте технику электробезопасности и не забывайте принудительно разряжать высоковольные электролитические конденсаторы фильтра перед проведением работ!