ПРОСТОЙ ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ ИЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЛАМПЫ

ПРОСТОЙ ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ ИЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЛАМПЫ

      В этой статье Вы найдёте подробное описание процесса изготовления импульсных блоков питания разной мощности на базе электронного балласта компактной люминесцентной лампы.
      Импульсный блок питания на 5… 20 Ватт вы сможете изготовить менее чем за час. На изготовление 100-ваттного блока питания понадобится несколько часов. Можно изготовить и более мощные электронные трансформаторы, например на IR2153, а можно КУПИТЬ ГОТОВЫЙ и переделать под свои напряжения.

      В настоящее время получили широкое распространение Компактные Люминесцентные Лампы (КЛЛ). Для уменьшения размеров балластного дросселя в них используется схема высокочастотного преобразователя напряжения, которая позволяет значительно снизить размер дросселя.

      В случае выхода из строя электронного балласта, его можно легко отремонтировать. Но, когда выходит из строя сама колба, то лампочку обычно выбрасывают.

      Однако электронный балласт такой лампочки, это почти готовый импульсный Блок Питания (БП), причем довольно компактный. Единственное, чем схема электронного балласта отличается от настоящего импульсного блока питания, это отсутствием разделительного трансформатора и выпрямителя, если он необходим.

      В то же время, современные радиолюбители испытывают большие трудности при поиске силовых трансформаторов для питания своих самоделок. Если даже трансформатор найден, то его перемотка требует использования большого количества медного провода, да и массо-габаритные параметры изделий, собранных на основе силовых трансформаторов не радуют. А ведь в подавляющем большинстве случаев силовой трансформатор можно заменить импульсным блоком питания. Если же для этих целей использовать балласт от неисправных энергосберегающих ламп, то экономия составит значительную сумму, особенно, если речь идёт о трансформаторах на 100 Ватт и больше.

Отличие схемы балласта энергосберегающей лампы от импульсного блока питания

      Это одна из самых распространённых электрических схем энергосберегающих ламп. Для преобразования схемы КЛЛ в импульсный блок питания достаточно установить всего одну перемычку между точками А – А’ и добавить импульсный трансформатор с выпрямителем. Красным цветом отмечены элементы, которые можно удалить.

Схема энергосберегающей лампы

      А это уже законченная схема импульсного блока питания, собранная на основе балласта люминисцентной лампы с использованием дополнительного импульсного трансформатора.

      Для упрощения, удалена люминесцентная лампа и несколько деталей, которые были заменены перемычкой.

      Как видите, схема КЛЛ не требует больших изменений. Красным цветом отмечены дополнительные элементы, привнесённые в схему.

Законченная схема импульсного блока питания

Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?

      Мощность импульсного блока питания ограничивается габаритной мощностью импульсного трансформатора, максимально допустимым током ключевых транзисторов и величиной радиатора охлаждения, если он используется.

      Блок питания небольшой мощности можно построить, намотав вторичную обмотку прямо на каркас уже имеющегося дросселя.

БП с вторичной обмоткой прямо на каркас уже имеющегося дросселя

      В случае если окно дросселя не позволяет намотать вторичную обмотку или если требуется построить блок питания мощностью, значительно превышающей мощность КЛЛ, то понадобится дополнительный импульсный трансформатор.

БП с дополнительным импульсным трансформатором

      Если требуется получить блок питания мощностью свыше 100 Ватт, а используется балласт от лампы на 20-30 Ватт, то, скорее всего, придётся внести небольшие изменения и в схему электронного балласта.

      В частности, может понадобиться установить более мощные диоды VD1-VD4 во входной мостовой выпрямитель и перемотать входной дроссель L0 более толстым проводом. Если коэффициент усиления транзисторов по току окажется недостаточным, то придётся увеличить базовый ток транзисторов, уменьшив номиналы резисторов R5, R6. Кроме этого придётся увеличить мощность резисторов в базовых и эмиттерных цепях.

      Если частота генерации окажется не очень высокой, то возможно придётся увеличить емкость разделительных конденсаторов C4, C6.

Импульсный трансформатор для блока питания

      Особенностью полумостовых импульсных блоков питания с самовозбуждением является способность адаптироваться к параметрам используемого трансформатора. А тот факт, что цепь обратной связи не будет проходить через наш самодельный трансформатор и вовсе упрощает задачу расчёта трансформатора и наладки блока. Блоки питания, собранные по этим схемам прощают ошибки в расчётах до 150% и выше. Проверено на практике.

      Не пугайтесь! Намотать импульсный трансформатор можно в течение просмотра одного фильма или даже быстрее, если Вы собираетесь выполнять эту монотонную работу сосредоточенно.

Ёмкость входного фильтра и пульсации напряжения

      Во входных фильтрах электронных балластов, из-за экономии места, используются конденсаторы небольшой ёмкости, от которых зависит величина пульсаций напряжения с частотой 100 Hz.

      Чтобы снизить уровень пульсаций напряжения на выходе блока питания, нужно увеличить ёмкость конденсатора входного фильтра. Желательно, чтобы на каждый Ватт мощности БП приходилось по одной микрофараде или около того. Увеличение ёмкости С0 повлечёт за собой рост пикового тока, протекающего через диоды выпрямителя в момент включения БП. Чтобы ограничить этот ток, необходим резистор R0. Но, мощность исходного резистора КЛЛ мала для таких токов и его следует заменить на более мощный.

      Если требуется построить компактный блок питания, то можно использовать электролитические конденсаторы, применяющиеся в лампах вспышках плёночных «мальниц». Например, в одноразовых фотоаппаратах Kodak установлены миниатюрные конденсаторы без опознавательных знаков, но их ёмкость аж целых 100µF при напряжении 350 Вольт.

Блок питания мощностью 20 Ватт

Блок питания мощностью 20 Ватт

      Блок питания мощностью, близкой к мощности исходной КЛЛ, можно собрать, даже не мотая отдельный трансформатор. Если у оригинального дросселя есть достаточно свободного места в окне магнитопровода, то можно намотать пару десятков витков провода и получить, например, блок питания для зарядного устройства или небольшого усилителя мощности.

      На картинке видно, что поверх имеющейся обмотки был намотан один слой изолированного провода. Я использовал провод МГТФ (многожильный провод во фторопластовой изоляции). Однако таким способом можно получить мощность всего в несколько Ватт, так как большую часть окна будет занимать изоляция провода, а сечение самой меди будет невелико.

      Если требуется бо’льшая мощность, то можно использовать обыкновенный медный лакированный обмоточный провод.

      Внимание! Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При описанной выше доработке, обязательно побеспокойтесь о надёжной межобмоточной изоляции, особенно, если вторичная обмотка мотается обычным лакированным обмоточным проводом. Даже если первичная обмотка покрыта синтетической защитной плёнкой, дополнительная бумажная прокладка необходима!

      Как видите, обмотка дросселя покрыта синтетической плёнкой, хотя часто обмотка этих дросселей вообще ничем не защищена.

      Наматываем поверх плёнки два слоя электрокартона толщиной 0,05мм или один слой толщиной 0,1мм. Если нет электрокартона, используем любую подходящую по толщине бумагу.

      Поверх изолирующей прокладки мотаем вторичную обмотку будущего трансформатора. Сечение провода следует выбирать максимально возможное. Количество витков подбирается экспериментальным путём, благо их будет немного.

      Мне, таким образом, удалось получить мощность на нагрузке 20 Ватт при температуре трансформатора 60°C, а транзисторов – 42°C. Получить ещё большую мощность, при разумной температуре трансформатора, не позволила слишком малая площадь окна магнитопровода и обусловленное этим сечение провода.

На картинке действующая модель БП

            Мощность, подводимая к нагрузке – 20 Ватт.
            Частота автоколебаний без нагрузки – 26 кГц.
            Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 32 кГц
            Температура трансформатора – 60?С
            Температура транзисторов – 42?С

Блок питания мощностью 100 Ватт

      Для увеличения мощности блока питания пришлось намотать импульсный трансформатор TV2. Кроме этого, я увеличил ёмкость конденсатора фильтра сетевого напряжения C0 до 100µF.

Блок питания мощностью 100 Ватт

      Так как КПД блока питания вовсе не равен 100%, пришлось прикрутить к транзисторам какие-то радиаторы.

      Ведь если КПД блока будет даже 90%, рассеять 10 Ватт мощности всё равно придётся.

      Мне не повезло, в моём электроном балласте были установлены транзисторы 13003 поз.1 такой конструкции, которая, видимо, рассчитана на крепление к радиатору при помощи фасонных пружин. Эти транзисторы не нуждаются в прокладках, так как не снабжены металлической площадкой, но и тепло отдают намного хуже. Я их заменил транзисторами 13007 поз.2 с отверстиями, чтобы их можно было прикрутить к радиаторам обычными винтами. Кроме того, 13007 имеют в несколько раз большие предельно-допустимые токи. Купить отдельно MJE13007 можно ЗДЕСЬ.

      Если пожелаете, можете смело прикручивать оба транзистора на один радиатор. Я проверил, это работает.

      Только, корпуса обоих транзисторов должны быть изолированы от корпуса радиатора, даже если радиатор находится внутри корпуса электронного устройства.

      Крепление удобно осуществлять винтами М2,5, на которые нужно предварительно надеть изоляционные шайбы и отрезки изоляционной трубки (кембрика). Допускается использование теплопроводной пасты КПТ-8, так как она не проводит ток.

      Внимание! Транзисторы находятся под напряжением сети, поэтому изоляционные прокладки должны обеспечивать условия электробезопасности!

Действующий стоваттный импульсный блок питания

      Резисторы эквивалента нагрузки помещены в воду, так как их мощность недостаточна.
      Мощность, выделяемая на нагрузке – 100 Ватт.
      Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 90 кГц.
      Частота автоколебаний без нагрузки – 28,5 кГц.
      Температура транзисторов – 75?C.
      Площадь радиаторов каждого транзистора – 27см?.
      Температура дросселя TV1 – 45?C.
      TV2 – 2000НМ (O28 х O16 х 9мм)

Выпрямитель

      Все вторичные выпрямители полумостового импульсного блока питания должны быть обязательно двухполупериодным. Если не соблюсти это условие, то магинтопровод может войти в насыщение.

      Существуют две широко распространённые схемы двухполупериодных выпрямителей.

      1. Мостовая схема.
      2. Схема с нулевой точкой.

      Мостовая схема позволяет сэкономить метр провода, но рассеивает в два раза больше энергии на диодах.

      Схема с нулевой точкой более экономична, но требует наличия двух совершенно симметричных вторичных обмоток. Асимметрия по количеству витков или расположению может привести к насыщению магнитопровода.

      Однако именно схемы с нулевой точкой используются, когда требуется получить большие токи при малом выходном напряжении. Тогда, для дополнительной минимизации потерь, вместо обычных кремниевых диодов, используют диоды Шоттки, на которых падение напряжения в два-три раза меньше.

            Пример.
      Выпрямители компьютерных блоков питания выполнены по схеме с нулевой точкой. При отдаваемой в нагрузку мощности 100 Ватт и напряжении 5 Вольт даже на диодах Шоттки может рассеяться 8 Ват.

      100 / 5 * 0,4 = 8(Ватт)

      Если же применить мостовой выпрямитель, да ещё и обычные диоды, то рассеиваемая на диодах мощность может достигнуть 32 Ватт или даже больше.

      100 / 5 * 0,8 * 2 = 32(Ватт).

      Обратите внимание на это, когда будете проектировать блок питания, чтобы потом не искать, куда исчезла половина мощности.

      В низковольтных выпрямителях лучше использовать именно схему с нулевой точкой. Тем более что при ручной намотке можно просто намотать обмотку в два провода. Кроме этого, мощные импульсные диоды недёшевы.

Как правильно подключить импульсный блок питания к сети?

      Для наладки импульсных блоков питания обычно используют вот такую схему включения. Здесь лампа накаливания используется в качестве балласта с нелинейной характеристикой и защищает ИБП от выхода из строя при нештатных ситуациях. Мощность лампы обычно выбирают близкой к мощности испытываемого импульсного БП.

      При работе импульсного БП на холостом ходу или при небольшой нагрузке, сопротивление нити какала лампы невелико и оно не влияет на работу блока. Когда же, по каким-либо причинам, ток ключевых транзисторов возрастает, спираль лампы накаливается и её сопротивление увеличивается, что приводит к ограничению тока до безопасной величины.

      На этом чертеже изображена схема стенда для тестирования и наладки импульсных БП, отвечающая нормам электробезопасности. Отличие этой схемы от предыдущей в том, что она снабжена разделительным трансформатором, который обеспечивает гальваническую развязку исследуемого ИБП от осветительной сети. Выключатель SA2 позволяет блокировать лампу, когда блок питания отдаёт большую мощность.

      Важной операцией при тестировании БП является испытание на эквиваленте нагрузки. В качестве нагрузки удобно использовать мощные резисторы типа ПЭВ, ППБ, ПСБ и т.д. Эти «стекло-керамические» резисторы легко найти на радиорынке по зелёной раскраске. Красные цифры – рассеиваемая мощность.

      Из опыта известно, что мощности эквивалента нагрузки почему-то всегда не хватает. Перечисленные же выше резисторы могут ограниченное время рассеивать мощность в два-три раза превышающую номинальную. Когда БП включается на длительное время для проверки теплового режима, а мощность эквивалента нагрузки недостаточна, то резисторы можно просто опустить в воду.

      Будьте осторожны, берегитесь ожога!
Нагрузочные резисторы этого типа могут нагреться до температуры в несколько сотен градусов без каких-либо внешних проявлений!
То есть, ни дыма, ни изменения окраски Вы не заметите и можете попытаться тронуть резистор пальцами.

Как наладить импульсный блок питания?

      Собственно, блок питания, собранный на основе исправного электронного балласта, особой наладки не требует.

      Его нужно подключить к эквиваленту нагрузки и убедиться, что БП способен отдать расчетную мощность.

      Во время прогона под максимальной нагрузкой, нужно проследить за динамикой роста температуры транзисторов и трансформатора. Если слишком сильно греется трансформатор, то нужно, либо увеличить сечение провода, либо увеличить габаритную мощность магнитопровода, либо и то и другое.

      Если сильно греются транзисторы, то нужно установить их на радиаторы.

      Если в качестве импульсного трансформатора используется домотанный дроссель от КЛЛ, а его температура превышает 60… 65?С, то нужно уменьшить мощность нагрузки.

      Не рекомендуется доводить температуру трансформатора выше 60… 65?С, а транзисторов выше 80… 85?С.

ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ ИЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЛАМП маломощный импульсный блок питания из подручных материалов своими руками

Каково назначение элементов схемы импульсного блока питания?

Схема импульсного блока питания

R0 – ограничивает пиковый ток, протекающий через диоды выпрямителя, в момент включения. В КЛЛ также часто выполняет функцию предохранителя.

VD1… VD4 – мостовой выпрямитель.

L0, C0 – фильтр питания.

R1, C1, VD2, VD8 – цепь запуска преобразователя.

      Работает узел запуска следующим образом. Конденсатор C1 заряжается от источника через резистор R1. Когда напряжения на конденсаторе C1 достигает напряжения пробоя динистора VD2, динистор отпирается сам и отпирает транзистор VT2, вызывая автоколебания. После возникновения генерации, прямоугольные импульсы прикладываются к катоду диода VD8 и отрицательный потенциал надёжно запирает динистор VD2.

R2, C11, C8 – облегчают запуск преобразователя.

R7, R8 – улучшают запирание транзисторов.

R5, R6 – ограничивают ток баз транзисторов.

R3, R4 – предотвращают насыщение транзисторов и исполняют роль предохранителей при пробое транзисторов.

VD7, VD6 – защищают транзисторы от обратного напряжения.

TV1 – трансформатор обратной связи.

L5 – балластный дроссель.

C4, C6 – разделительные конденсаторы, на которых напряжение питания делится пополам.

TV2 – импульсный трансформатор.

VD14, VD15 – импульсные диоды.

C9, C10 – конденсаторы фильтра.

По материалам сайта http://www.ruqrz.com/

     

      Для большей наглядности приведено несколько принципиальных схем ламп популярных производителей:

 

РЕМОНТ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЛАМП

 

ОПИСАНИЕ И СХЕМА БОЛЕЕ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ

 

Адрес администрации сайта: [email protected]
   

 

лучшие простые и сложные схемы и сборки

Автор Акум Эксперт На чтение 9 мин Просмотров 12.9к. Опубликовано 09.01.2020 Обновлено 30.06.2021

Во многих радиолюбительских конструкциях используются импульсные блоки питания (БП). Они отличаются небольшими размерами при значительной мощности. Такое уменьшение стало возможным благодаря высокой частоте. На таких частотах можно получить на выходе большое напряжение при небольшом количестве витков. Например, чтобы получить напряжение 12 В при токе равном 1 А, требуется намотать всего пять витков. Кроме того, импульсные БП имеют высокий коэффициент полезного действия, так как потери на трансформаторе очень небольшие.

Эти блоки питания имеют и недостатки: они создают высокочастотные помехи и предъявляют высокие требования к нагрузке. Последняя не должна быть больше или меньше той, на которую рассчитан блок питания.

Можно ли сделать импульсный блок питания своими руками?

Иногда покупка готового импульсного блока питания является экономически нецелесообразной. В таком случае, если вы разбираетесь в электронике и умеете паять, можете сами сделать импульсный БП. Он пригодится для питания различного низковольтного электроинструмента, чтобы избежать расходования ограниченного ресурса дорогой аккумуляторной батареи. Можно также сделать зарядное устройство для смартфона, ноутбука или других мобильных гаджетов.

Прежде чем приступить к изготовлению источника питания, нужно знать, где он будет использоваться. В зависимости от области его применения определяется мощность изделия. Мощность должна выбираться с запасом. Считается, что импульсный блок питания имеет самый высокий КПД при нагрузке 60-90%.

Кроме того, требуется выбрать схему источника питания, а также определить, должно ли на выходе быть стабильное напряжение и нужно ли для этого вводить обратную связь. Обратите внимание на его номинальные параметры: напряжение, ток и мощность.

Как работает импульсный блок питания

На вход импульсного блока питания подается переменное напряжение от электрической сети. Оно преобразуется в постоянное с помощью выпрямителя и фильтра. В качестве фильтра используется конденсатор большой емкости. В качестве выпрямителя используется однополупериодная или двухполупериодная схема. Ниже приведены типовые схемы, но в нашем случае мы не берем во внимание то, что на них изображена обмотка трансформатора.

Схемы выпрямителей

Затем выпрямленное напряжение приходит на высокочастотный преобразователь, который генерирует электрические колебания с частотой в диапазоне от 20 кГц до 50 кГц. После этого напряжение понижается трансформатором до требуемого и снова выпрямляется, сглаживаясь конденсатором.

Такое отфильтрованное и выпрямленное постоянное напряжение используется для питания бытовой техники. Кроме того, с выхода БП идёт цепь обратной связи для регулирования выходного напряжения.

Схема работы импульсного блока питания

Для управления и стабилизации напряжения на выходе источника питания используется широтно-импульсная модуляция. Как показано на схеме, высокочастотный преобразователь приводится в действие генератором ШИМ и таким образом регулирует напряжение, подаваемое на понижающий трансформатор. Обратная связь является отрицательной, то есть значения напряжения на ШИМ контроллере и на понижающем трансформаторе обратно пропорциональны друг другу. Так, при увеличении выходного напряжения растет также напряжение на контроллере. Благодаря отрицательной связи уменьшается напряжение на понижающем трансформаторе, а значит, и на выходе блока питания.

Схемы импульсных БП

В зависимости от конструкции сетевого выпрямителя выделяют три разновидности схем импульсного блока питания:

• для однополупериодной схемы требуется минимальное количество деталей, она проста в реализации, но имеет один недостаток – высокую пульсацию на выходе;
• конструкция со средней точкой отличается низким уровнем пульсаций. Основной недостаток в том, что необходимо организовывать среднюю точку во входном трансформаторе;
• мостовая схема имеет низкие показатели пульсации и не требует наличия средней точки. Для реализации такой схемы потребуется четыре транзистора.

Разновидности высокочастотного преобразователя

По конструкции высокочастотного преобразователя импульсные блоки питания делятся на две категории: однотактные и двухтактные. Двухтактные источники питания могут быть спроектированы по следующим схемам: с нулевой точкой (пушпульная), полумостовая и мостовая.

Кроме вышеперечисленных схем преобразователя, существует отдельная разновидность конструкций – это обратноходовые преобразователи. Их основными элементами являются накопительные дроссели. Работа в таких схемах происходит в два этапа. Первый заключается в накоплении энергии, полученной от источника питания, в дросселе. Во время второго этапа запасенная энергия передается во вторичную цепь. На первом шаге ключ замкнут, и напряжение источника питания прикладывается к дросселю (первичной обмотке трансформатора).

В результате ток в первичной цепи возрастает, а вместе с ним и магнитный поток. Ток во вторичной цепи отсутствует, так как диод препятствует его росту. На второй стадии ключ размыкается, и ток, проходящий через первичную обмотку, пропадает. Однако магнитный поток не может мгновенно исчезнуть, и во вторичной цепи индуцируется ЭДС, направленное в обратную сторону. Затем начинает протекать ток, который открывает диод. В результате энергия запасается на конденсаторе и поступает на нагрузку. На первом этапе на нагрузку подается энергия, запасенная конденсатором во время второго этапа. Рассматривая схемы, обратите внимание на точки около обмоток трансформатора — это точки начала обмоток, и для обратноходового преобразователя характерно именно такое подключение элементов.

Этапы работы обратноходового источника питания

Как собрать: пошаговая инструкция

Для тех, кто хочет собрать импульсный блок питания своими руками, приведем несколько схем сборки.

Самый простой вариант маломощного импульсного блока питания

Рассмотрим схему импульсного блока питания мощностью до 2 Вт. Выпрямитель и фильтр в нем собраны на резисторе R1 (от 25 до 50 Ом), диоде VD1 и конденсаторе С1 (20,0 мкФ, 400 В). В качестве высокочастотного преобразователя выступает автогенератор, собранный на транзисторе VT1, трансформаторе TR1, частотозадающей цепи резисторе R2 (470 кОм) и конденсаторе С2 (3300 пкФ, 1000 В). Напряжение, снимаемое с выходной обмотки трансформатора, выпрямляется диодом VD2 и сглаживается электролитическим конденсатором С3 (47 пФ, 50 В).

Импульсный БП на одном транзисторе

В качестве сердечника для трансформатора подойдет любой от нерабочего трансформатора, использовавшегося в зарядке мобильного телефона или в другом маломощном источнике питания. Намотка происходит в следующем порядке:

• сначала мотаем 200 витков первичной обмотки медным проводом сечением 0,08-0,1 мм;
• изолируем первичную обмотку и мотаем 5 витков базовой обмотки тем же проводом;
• производим намотку вторичной обмотки. Диаметр провода – 0,4 мм. Количество витков зависит от того, какое напряжение нужно получить на выходе из расчета один виток на один вольт.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос

Внимание! Между половинками магнитного сердечника должен присутствовать небольшой немагнитный зазор. Обычно он уже есть на сердечниках, взятых с трансформаторов зарядных устройств смартфонов. Если его нет, положите слой бумаги между половинками сердечника.

Готовый трансформатор стягиваем изолентой или скотчем.

Готовый трансформатор в сборе

Однотактный, обратноходовый импульсный блок питания

Рассмотрим однотактный блок питания, сделанный по автогенераторной схеме с самовозбуждением. Напряжение на выходе – 16 В, мощность устройства – 15 Вт.

На входе устройства переменное напряжение электрической сети выпрямляется при помощи диодного моста, собранного на диодах D1-D4 (можно использовать любые диоды, рассчитанные на напряжение 400 В и ток 0,5 А, например, N4007). За сглаживание пульсаций отвечает конденсатор С1 (20 мкФ, 400 В). Для предотвращения броска тока при включении служит резистор R1 (25-50 Ом).

Начальное смещение на базе транзистора Т1 (можно использовать 13003 или 13005) устанавливается резистором R2 (470 кОм) и диодом D6 (N4007). Чтобы сгладить скачки напряжения, возникающие при закрытии Т1, в схему включены такие элементы, как: конденсатор С2 (3300 пФ 1000 В), диод D5 (N4007) и резистор R3 (30 кОм 1 Вт либо можно использовать два резистора по 15 кОм).

Импульсы положительной обратной связи, необходимые для поддержания режима автоколебаний, через резистор R4(150 Ом) и конденсатор С3(47 пФ, 50 В) подаются на базу Т1. Цепочка состоящая из Т2, R5 (1,5 кОм), Д9 (стабилитрон КС515), нужна для стабилизации напряжения.

Высокочастотный преобразователь собран по обратноходовой схеме. Когда Т1 открыт, энергия накапливается на трансформаторе, при этом диод D7 (КД213 использовать совместно с радиатором площадью 10 см2) находится в закрытом состоянии. После закрытия транзистора Т1 происходит отдача запасенной магнитной энергии, диод D7 открывается, во вторичной цепи появляется ток, конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Конденсаторы С4 (2200 пФ) и С5 (0,1 мкФ) нужны для уменьшения помех.

Схема однотактного, обратноходового импульсного блока питания

Стабилизация выходного напряжения происходит по схеме, описанной далее. При включении прибора в сеть запускается генератор. На вторичной обмотке появляется напряжение. Конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Когда напряжение на нем превысит 16,3 В открывается стабилитрон D9 (КС515). Транзистор Т2 (КТ603) открывается и закорачивает эмиттерный переход Т1. Транзистор Т1 закрывается, генератор перестает работать, и конденсатор С6 начинает разряжаться. Когда напряжение на С6 становится меньше 16,3 вольт, стабилитрон D9 закрывается и закрывает Т2. Благодаря этому Т1 открывается и работа генератора возобновляется.

Первичная обмотка w1 трансформатора намотана проводом 0,25 мм и имеет 179 витков. В базовой обмотке w2 присутствуют два витка, намотанных тем же проводом. Вторичная обмотка w2 состоит из 14 витков провода 0,6-0,7 мм.

Лампочки можно взять любые маломощные, рассчитанные на напряжение от 24 до 36 В и ток от 100 до 200 мА.

Мощный импульсный источник питания

Рассмотрим импульсный БП с выходной мощностью 300 Вт.

Генератором в данной конструкции является интегральная микросхема TL494. Управляющие сигналы с выхода этой ИС подаются поочередно на МОП (MOSFET) транзисторы VT1 и VT2 (IRFZ34). Импульсы с этих транзисторов через трансформатор, формирователь импульсов приходят на мощные транзисторы VT3 и VT4 (IRFP460). Преобразователь сделан на мощных транзисторах VT3 и VT4 по полумостовой схеме.

Схема мощного блока питания

Все четыре обмотки трансформатора TR1 намотаны проводом 0,5 мм и содержат по 50 витков. В трансформаторе TR2 первая обмотка состоит из 110 витков провода диаметром 0,8 мм. Количество витков обмотки номер два зависит от желаемого напряжения на выходе, из расчета один виток на два вольта. Обмотка три наматывается 12 витками провода диаметром 0,8 мм.

Проверка конструкции

Перед первым включением БП нужно проверить. В первую очередь проверяется монтаж, например, могли остаться следы от пайки, несмытый флюс. Какой-либо компонент, установленный на плате, может оказаться неисправным.

Если с монтажом все в порядке, можно приступать ко второй стадии проверки с помощью лампочки. В качестве лампочки можно использовать любую лампу накаливания. Для этого подключаем изготовленный нами источник питания последовательно с лампочкой, как показано на рисунке ниже.

Схема проверки с помощью лампочки.

Если лампочка не светится, значит, в цепи БП есть обрыв. Нужно проверить дорожки платы, дроссель, диодный мост.

Лампочка постоянно горит. В блоке питания короткое замыкание. Причина может быть в пробое конденсаторов, транзисторов. Нужно также проверить дорожки печатной платы, выходные цепи трансформатора.

Если лампочка вспыхнула и погасла, значит, БП исправен, конденсаторы зарядились.

Спасибо, помогло!9Не помогло2

Простой, импульсный блок питания на IR2153

Сегодня поговорим и рассмотрим распространённую схему импульсного источника питания построенную на микросхеме IR2153.

Итак, мы имеем схему импульсного источника питания, которая запитывается от 220 вольт и скажем на выходе у неё появляется некоторое напряжение для запитки чего-либо, то есть, какой-то усилитель, либо какая-то другая конструкция.

По входу у нас 220 переменки, идёт на фильтр L1 с плёночными С1 и С2 конденсаторами, но этот дроссель можно убрать из схемы и просто заменить перемычками, всё прекрасно будет работать и без него.

Дальше напряжение поступает на полноценный двухполупериодный диодный мост, я использовал не готовую диодную сборку, а обычные диоды 1N4007, 4 диода собрал из них диодный мост, на диодном мосту напряжение выпрямляется, но выпрямляется не до конца, потому что там, всё равно остается какая-то полуволна, этот синус поступает на сглаживающий конденсатор, в данном случае здесь 100 микрофарад 400 вольт.

Сглаживающий конденсатор, если когда поступает на него напряжение мультиметром сделать замер, напряжение будет чуть больше, чем скажем 220 вольт, может быть 250-280 вольт. С чем это связано? — это конденсатор заряжается до своего амплитудного значения, дальше после сглаживающего конденсатора напряжение поступает на схему.

Минус диодного моста у нас получается общий, то есть для запитки всей схемы силовой части и для микросхемы это IR2153, то есть для генератора.

Питание микросхемы осуществляется — плюс на первый вывод, минус на четвертый вывод. Микросхема запитывается через цепочку, R1, VD3, сглаживающий конденсатор С4, который сглаживает помехи от резистора и всей этой цепочки, чтобы микросхема нормально работала.

При подключении и сборки всей схемы необходимым мультиметром проверить выводы на микросхеме 1 + и 4 нога минус напряжение должно быть в районе 15 вольт, тогда микросхема будет нормально работать и генерировать импульсы.

Дальше у нас между 8 и 6 ногой микросхемы стоит пленочный конденсатор (С6) на 220 нанофарад, вообще емкость этого конденсатора подбирается исходя из частоты генератора, то есть в данном случае частота генератора в районе 47- 48 килогерц, конденсатор может быть и 0,2 микрофарад и 0,47 и 0,68 даже один микрофарад, то есть, тут этот конденсатор особо не критичен.

Данная микросхема работает на частоте 47-48 килогерц, цепочка которая обеспечивает данную частоту это резистор R2 — 15К и пленочный или керамический конденсатор (С5) один нанофарад или можно поставить 820 пикофарад.

5 вывод и 7 вывод микросхемы генерируют прямоугольные, управляющие импульсы, которые через резисторы R4 и R3 поступают на затворы мощных, полевых транзисторов, то есть эти резисторы нужны, чтобы не спалить случайно транзисторы.

Например импульс поступает на затвор мощного полевого транзистора, далее через балластный конденсатор (С7) на 220 нанофарад 400 вольт на первичную обмотку трансформатора Т1.

Что касаемо трансформатора, трансформатор был взят с компьютерного блока питания.

Его нужно немного доработать, то есть выпаять, разобрать, опустить в кипяток, чтобы расплавить клей, которым склеен феррит или нагреть паяльный феном, одеваем какие-то перчатки, чтобы не обжечь руки и потихонечку располовиниваем и сматываем все обмотки этого трансформатора.

Из расчета того, что мне на выходе нужно было получить в районе 25 вольт, первичная обмотка проводом 0,6 миллиметров в две жилы наматывается целиком 38 витков. Каждый слой изолировал скотчем, то есть слой обмотки, слой изоляции, потом сверху вниз опять все мотаем в одну сторону, изолируем всё и мотаем вторичную обмотку.

Вторичная обмотка — 7 жил, тем же проводам 0,6 миллиметров и мотаем в ту же сторону — это очень важно, те кто начинает разбираться в импульсных источниках питания, всё мотаем в одну и ту же сторону.

Всего 7 или 8 витков вторичной обмотки и потом всё это дело обратно склеиваем и собираем весь феррит на место.

Транзисторы установлена на небольшой теплоотвод, этого вполне достаточно при нагрузке где-то в районе 100 ватт. Два транзистора закреплены через теплопроводящие прокладки и термопасту.

Сейчас мы всё это включим в сеть, возьмём мультиметр и померяем напряжение на выходе.

Но есть еще такой момент, перед запуском блока питания всё делаем последовательно, то есть берём лампочку на 100 ватт 220 вольт и через лампочку подключаем наш блок питания, если лампочка не загорелась или там слегка вспыхнула спираль, значит конденсатор зарядился и как бы всё нормально, можно аккуратно проверять на выходе наше напряжение.

Если допустим лампочка горит, то уже в схеме есть какие-то косяки, либо где-то не пропаяно, либо где-то сопли на плате или какой-то компонент неисправен. Так что, перед сборкой берите исправные детали.

Включаем мультиметр в режим измерения постоянного напряжения 200 вольт и измеряем на выходе наше напряжение у меня выдаёт 29 вольт

Хотелось бы сказать, что это моя первая конструкция, то есть я собирал также, как и начинающий радиолюбитель, которые побаиваются собирать свои первые и импульсные источники питания, и больше прибегают к сетевым трансформатором.

Архив к статье, можно скачать.

Автор; Тумин Игорь

Простейший импульсный блок питания своими руками схема

Всем привет! После сборки усилителя на ТДА7294, сделал еще и инвертор, чтобы можно было питать от 12 В, то есть автомобильный вариант. После того как все сделал в плане УНЧ, был поставлен вопрос: чем теперь его питать? Даже для тех же тестов, или чтобы просто послушать? Думал обойдется все АТХ БП, но при попытке «навалить», БП надежно уходит в защиту, а переделывать как-то не очень хочется. И тут осенила мысль сделать свой, без всяких «прибамбасов» БП (кроме защиты разумеется). Начал с поиска схем, присматривался к относительно не сложным для меня схем. В итоге остановился на этой:

Схема ИБП для УМЗЧ

Нагрузку держит отлично, но замена некоторых деталей на более мощные позволит выжать из неё 400 Вт и более. Микросхема IR2153 – самотактируемый драйвер, который разрабатывался специально для работы в балластах энергосберегающих ламп. Она имеет очень малое потребление тока и может питаться через ограничительный резистор.

Сборка устройства

Начнем с травления платы (травление, зачистка, сверление). Архив с ПП скачайте тут.

Сначала прикупил некоторые отсутствующие детали (транзисторы, ирка, и мощные резисторы).

Кстати, сетевой фильтр полностью снял с БП от проигрывателя дисков:

Далее внимательно распаиваем детали на плате согласно схеме и ПП.

Теперь самое интересное в ИИП – трансформатор, хотя ничего сложного тут нету, просто надо понять, как его правильно мотать, и всего то. Для начала нужно знать, чего и сколько наматывать, для этого есть множество программ, однако самая распространённая и пользующаяся популярностью у радиолюбителей это – ExcellentIT. В ней мы и будем рассчитывать наш трансформатор.

Как видим, получилось у нас 49 витков первичная обмотка, и две обмотки по 6 витков (вторичная). Будем мотать!

Изготовление трансформатора

Так как у нас кольцо, скорее всего грани его будут под углом 90 градусов, и если провод мотать прямо на кольцо, возможно повреждение лаковой изоляции, и как следствие межвитковое КЗ и тому подобное. Дабы исключить этот момент, грани можно аккуратно спилить напильником, или же обмотать Х/Б изолентой. После этого можно мотать первичку.

После того как намотали, еще раз заматываем изолентой кольцо с первичной обмоткой.

Затем сверху мотаем вторичную обмотку, правда тут чуть сложней.

Как видно в программе, вторичная обмотка имеет 6+6 витков, и 6 жил. То есть, нам нужно намотать две обмотки по 6 витков 6 жилами провода 0,63 (можно выбрать, предварительно написав в поле с желаемым диаметром провода). Или еще проще, нужно намотать 1 обмотку, 6 витков 6 жилами, а потом еще раз такую же. Что бы сделать этот процесс проще, можно, и даже нужно мотать в две шины (шина-6 жил одной обмотки), так мы избегаем перекоса по напряжению (хотя он может быть, но маленький, и часто не критичный).

По желанию, вторичную обмотку можно изолировать, но не обязательно. Теперь после этого припаиваем трансформатор первичной обмоткой к плате, вторичную к выпрямителю, а выпрямитель у меня использован однополярный со средней точкой.

Расход меди конечно больше, но меньше потерей (соответственно меньше нагрева), и можно использовать всего одну диодную сборку с БП АТХ отслуживший свой срок, или просто нерабочий. Первое включение обязательно проводим с включённой в разрыв питания от сети лампочкой, в моем случае просто вытащил предохранитель, и в его гнездо отлично вставляется вилка от лампы.

Если лампа вспыхнула и погасла, это нормально, так как зарядился сетевой конденсатор, но у меня данного явления не было, либо из-за термистора, или из-за того, что я временно поставил конденсатор всего на 82 мкФ, а может все месте обеспечивает плавный пуск. В итоге если никаких неполадок нету, можно включать в сеть ИИП. У меня при нагрузке 5-10 А, ниже 12 В не просаживалось, то что нужно для питания авто усилителей!

Примечания и советы

1. Если мощность всего около 200 Вт, то резистор, задающий порог защиты R10, должен быть 0,33 Ом 5 Вт. Если он будет в обрыве, или сгорит, сгорят все транзисторы, а также микросхема.
2. Сетевой конденсатор выбирается из расчета: 1-1,5 мкФ на 1 Вт мощности блока.
3. В данной схеме частота преобразования примерно 63 кГц, и в ходе эксплуатации, наверное, лучше для кольца марки 2000НМ, частоту уменьшить до 40-50 кГц, так как предельная частота, на которой кольцо работает без нагрева – 70-75 кГц. Не стоит гнаться за большой частотой, для данной схемы, и кольца марки 2000НМ, будет оптимально 40-50 кГц. Слишком большая частота приведет к коммутационным потерям на транзисторах и значительных потерях на трансформаторе, что вызовет его значительный нагрев.
4. Если у вас на холостом ходу при правильной сборке греется трансформатор и ключи, попробуйте снизить емкость конденсатора снаббера С10 с 1 нФ до 100-220 пкФ. Ключи нужно изолировать от радиатора. Вместо R1 можно использовать термистор с БП АТХ.

Вот конечные фото проекта блока питания:

​

Всем удачи! Специально для Радиосхем – с вами был Alex Sky.

Обсудить статью МОЩНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ СЕТЕВОЙ ДВУХПОЛЯРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

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

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

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

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

Упрощенная структурная схема аналогового БП

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

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

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

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

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

Импульсные устройства

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

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

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

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

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

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

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

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

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

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

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

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

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

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

Сильные и слабые стороны импульсных источников

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

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

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

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

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

Сфера применения

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

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

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

• Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
• Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 – 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
• Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
• Транзистор VT1 – KT872A.
• Стабилизатор напряжения D1 – микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
• Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
• Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Если нет желания устанавливать громоздкий трансформатор или создавать намотку, можно своими руками собрать блок питания импульсного типа, который требует трансформатора всего с несколькими витками.

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

Для работы понадобятся следующие материалы и детали:

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

Кроме этого, понадобятся следующие инструменты:

1. Паяльник и расходные материалы.
2. Отвертка и плоскогубцы.
3. Пинцет.

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

Пошаговая инструкция

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

Сборка проводится следующим образом:

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

Проверка

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

Проверить правильность работы блока питания можно следующим образом:

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

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

Рекомендации по сборке:

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

Достоинства и недостатки

Импульсный преобразователь имеет следующие достоинства:

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

Есть и недостатки:

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

Устройство и особенности работы

При рассмотрении особенностей работы импульсного блока, можно отметить следующие:

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

Обратная связь может быть организована следующим образом:

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

Подобными способами выдерживается выходное напряжение с нужными параметрами.

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

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

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

Схема импульсного блока питания на 12 вольт 10 ампер. Импульсный блок питания: ремонт и доработка

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

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

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

• Сетевой выпрямитель.
• Выпрямитель напряжения.
• Система управления.

Структура блока питания показана на нижнем рисунке.

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

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

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

Принципиальные схемы

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

• Выпрямитель напряжения.

О них и пойдет речь.

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

Схема высокочастотного преобразователя

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

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

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

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

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

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

Выбор трансформатора

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

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

Выпрямитель напряжения

Существует три основные схемы выпрямления напряжения номиналом 220 вольт.

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

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

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

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

Заключение по теме

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

Похожие записи:

Устанавливаются во многих электроприборах. Основным их элементом принято считать катушку индуктивности. По своим параметрам она может довольно сильно отличаться, и в первую очередь это связано с пороговым напряжением в сети.

Дополнительно следует учитывать мощность самого прибора. Сделать простой блок питания в домашних условиях довольно просто. Однако в данном случае необходимо уметь рассчитывать показатель частотной модуляции. Для этого учитывается вектор прерывания в сети и параметр интеграции.

Как сделать блок для компьютера?

Для того чтобы собирать импульсные блоки питания своими руками для компьютеров, потребуются катушки индуктивности средней мощности. Частотный сдвиг в данном случае будет полностью зависеть от типа используемых конденсаторов. Дополнительно перед началом работы следует рассчитать показатель модуляции. При этом важно учесть пороговое напряжение в системе.

Если параметр модуляции находится в районе 80 %, то конденсаторы можно использовать с емкостью менее 4 пФ. Однако следует позаботиться о наличии мощных транзисторов. Основной проблемой данных блоков принято считать перегрев обмотки катушки. При этом человек может наблюдать небольшую задымленность. Ремонт импульсного блока питания в данном случае следует начинать с отключения в первую очередь всех конденсаторов. После этого контакты необходимо тщательно зачистить. Если в конечном счете проблема будет не устранена, катушку индуктивности придется полностью заменить.

Модель на 3 В

Сделать импульсные блоки питания своими руками на 3 В можно используя обычные катушки индуктивности серии РР202. Показатели проводимости у них находятся на среднем уровне. В данной ситуации параметр модуляции в системе не должен превышать 70 %. В противном случае пользователь может столкнуть с частотным сдвигом, который будет происходить в блоке.

Дополнительно важно подбирать конденсаторы с емкостью не менее 5 пФ. Принцип работы импульсного блока питания данного типа основывается на смене фазы. При этом нередко специалистами дополнительно устанавливаются преобразователи. Все это необходимо для того, чтобы промежуточная частота была как можно меньше. Кулеры на блоки данного типа монтируются крайне редко.

Устройство на 5 В

Чтобы сделать импульсные блоки питания своими руками, необходимо обязательно подобрать выпрямитель, исходя из мощности электроприбора. Конденсаторы в данном случае используются с емкостью до 6 пФ. При этом дополнительно в приборе устанавливаются попарно транзисторы. Это необходимо для того, чтобы показатель модуляции как минимум вывести на уровень 80 %.

Все это позволит повысить также параметр индуктивности. Проблемы данных блоков чаще всего связаны именно с перегревом конденсаторов. При этом на катушку особого напряжения не оказывается. Ремонт импульсного блока питания в данном случае следует начинать стандартно — с зачистки контактов. Только после этого устанавливается более мощный преобразователь.

Что понадобится для блока на 12 В?

Стандартная схема импульсного блока питания данного типа включает в себя катушку индуктивности, конденсаторы, а также выпрямитель вместе с фильтрами. Параметр модуляции в этом случае значительно зависит от показателя предельной частоты. Дополнительно важно учитывать скорость интегрального процессора. Транзисторы для блока данного типа в основном подбираются полевого вида.

Конденсаторы необходимы только с емкостью на уровне 5 пФ. Все это в конечном счете позволит значительно понизить риск термального повышения в системе. Катушки индуктивности устанавливаются, как правило, средней мощности. При этом обмотки для них обязательно должны использоваться медные. Регулируется импульсный блок питания 12В за счет специальных контролеров. Однако многое в данной ситуации зависит от типа электроприбора.

Блоки с фильтрами ММ1

Схема импульсного блока питания с фильтрами данной серии включает в себя, помимо катушки индуктивности, выпрямитель, конденсатор и резистор вместе с преобразователем. Использование фильтров в устройстве позволяет значительно сократить риск термального повышения. При этом чувствительность модели повышается. Коэффициент модуляции в этом случае напрямую зависит от прерывания сигнала.

Для повышения порогового напряжения специалисты резисторы рекомендуют применять только полевого типа. При этом емкость конденсатора минимум должна быть на уровне 4 Ом. Основной проблемой таких устройств принято считать повышение отрицательного сопротивления. В результате все резисторы на плате довольно быстро выгорают. Ремонт блока в такой ситуации необходимо начинать с замены внешней обмотки катушки индуктивности. Дополнительно следует проверить полярность резисторов. В некоторых случаях повышение отрицательного сопротивления в цепи связано с увеличением диапазона частоты. В данном случае целесообразнее поставить более мощный преобразователь.

Как собрать блок с выпрямителем?

Чтобы сделать импульсные блоки питания своими руками с выпрямителем, транзисторы понадобятся закрытого типа. При этом конденсаторов в системе должно быть предусмотрено как минимум четыре единицы. Минимальная их емкость обязана находиться на уровне 5 пФ. Принцип работы импульсного блока питания данного типа основывается на изменении фазы тока. Происходит данный процесс непосредственно за счет преобразователя. Фильтры у таких моделей устанавливаются довольно редко. Связано это в большей степени с тем, что пороговое напряжение вследствие их использования значительно повышается.

Модели со сглаживающими фильтрами

Схема импульсного блока питания 12В со сглаживающими фильтрами конденсаторы предусматривает с емкостью как минимум в 4 пФ. За счет этого показатель модуляции должен находится на уровне 70 %. Для того чтобы стабилизировать процесс преобразования, многие используют резисторы только закрытого типа. Пропускная способность у них довольно малая, однако проблему они решают. Принцип импульсного блока питания основывается на изменении фазы устройства. Фильтры у него чаще всего устанавливаются сразу возле катушки.

Блоки повышенной стабилизации

Сделать блок данного типа можно используя катушку индуктивности только большой мощности. При этом конденсаторов в системе должно быть как минимум пять единиц. Также следует заранее подсчитать количество необходимых резисторов. Если преобразователь используется в блоке низкочастотный, то резисторов необходимо использовать только два. В противном случае они устанавливаются также и на выходе. Фильтры для данных систем применяются самые разнообразные.

В этой ситуации многое зависит от показателя модуляции. Основной проблемой таких систем принято считать перегрев резисторов. Происходит это из-за резкого повышения порогового напряжения. При этом преобразователь также выходит из строя. Ремонт блока в такой ситуации необходимо начинать также с зачистки контактов. Только после этого можно проверить уровень отрицательного сопротивления. Если данный параметр превышает 5 Ом, то необходимо полностью заменить все конденсаторы в устройстве.

Модели с конденсаторами РС

Сделать блоки с конденсаторами данной серии можно довольно просто. Резисторы для них используются только закрытого типа. При этом полевые аналоги значительно снизят параметр модуляции до 50 %. Катушки индуктивности с конденсаторами применяются средней мощности. Прерывание сигнала в данном случае напрямую зависит от скорости возрастания предельного напряжения. Преобразователи в устройствах используются довольно редко. В данном случае интегрирование происходит за счет изменения положения резистора.

Устройства с конденсаторами СХ

Сделать блоки данного типа можно только на резисторах закрытого типа. Катушки индуктивности на них можно устанавливать различной мощности. В данном случае параметр модуляции зависит исключительно от порогового напряжения. Если рассматривать модели для телевизоров, то блок лучше всего делать сразу с системой фильтрации. В данном случае низкочастотные помехи будут отсеиваться сразу на входе. Конденсаторов в устройстве должно быть предусмотрено как минимум пять. Емкость их в среднем обязана составлять 5 пФ.

Если устанавливать их непосредственно возле катушки индуктивности, то лучше всего использовать дополнительно многослойный конденсатор. Контролеры в данном случае устанавливаются только поворотного типа. При этом регулировка импульсного блока питания будет происходить довольно плавно.

Как сделать блок с синазным дросселем?

Схема импульсного блока питания 12В с синазным дросселем включает в себя катушку, конденсатор, а также преобразователь. Последний элемент подбирается исходя из уровня отрицательного сопротивления в цепи. Также важно заранее рассчитать параметр предельной частоты. В среднем он должен быть не ниже 45 Гц. За счет этого стабильность системы значительно повысится. Работа импульсного блока питания данного типа основывается на изменении фазы за счет повышения модуляции.

Блоки с применением керамических конденсаторов

Сделать мощный импульсный блок питания с керамическими конденсаторами довольно сложно из-за высокого сопротивления цепи. В результате встретить такие модификации на сегодняшний день проблематично. Как правило, они изредка применяются на различном аудиоборудовании. Резисторы в данном случае подходят только полевого типа. Также следует заранее подбирать качественный преобразователь. Обмотка на нем должна быть только медная.

При этом витки обязаны быть направлены как сверху вниз, так и снизу вверх. Прерывание сигнала в данном случае напрямую зависит от скорости процесса преобразования. Если температура в системе повышается довольно быстро, в первую очередь страдают именно конденсаторы. При этом дымок над платой появляется довольно часто. В таком случае ремонт блока следует начинать с замены конденсаторов. После этого проверяется пороговое напряжение на внешней обмотке катушки индуктивности. Завершать работы следует с зачистки контактов.

Модели с каплевидными конденсаторами

Принцип работы блоков с каплевидными конденсаторами стандартно заключается в изменении фазы. При этом преобразователь в процессе играет ключевую роль. Для стабильной работы системы параметр отрицательного сопротивления должен находиться на уровне не ниже 5 Ом. В противном случае конденсаторы перегружаются. Катушку индуктивности в данном случае можно использовать любую. При этом параметр модуляции обязан находиться в районе 70 %. Резисторы для таких блоков используются только векторные. Проходимость тока у них довольно высокая. При этом стоят они на рынке дешево.

Применение варисторов

Варисторы в маломощных блоках используются крайне редко. При этом они способны значительно повысить стабильность работы прибора. Устанавливаются данные элементы, как правило, возле катушки индуктивности. Скорость процесса интегрирования в данном случае зависит напрямую от типов конденсаторов. Если использовать их с предельной емкостью на уровне 5 пФ, то коэффициент модуляции будет находиться на уровне 60 %.

Прерывание сигнала в данном случае может происходить из-за сбоев преобразователя. Ремонт блока необходимо начинать с обследования состояния контактов. Только после этого проверяется целостность обмотки катушки индуктивности. Контролеры для таких блоков подходят самые разнообразные. Кнопочные варианты следует рассматривать в последнюю очередь. Регулирование блока при этом будет зависеть во многом от проводимости контактов.

Как отремонтировать и доработать импульсный блок питания китайского производства на 12 вольт

Хочу начать с того, что ко мне в руки попали несколько сгоревших и кем-то уже «поремонтированных» блоков питания 220/12 В. Все блоки были однотипными – HF55W-S-12, поэтому, забив в поисковике название, я надеялся найти схему. Но кроме фотографий внешнего вида, параметров и цен на них, ничего не нашел. Поэтому пришлось схему рисовать самому с платы. Схема рисовалась не для изучения принципа работы БП, а исключительно в ремонтных целях. Поэтому сетевой выпрямитель не нарисован, так-же я не распиливал импульсный трансформатор и не знаю в каком месте сделан отвод (начало-конец) на 2 обмотке трансформатора. Так же не надо считать опечаткой С14 -62 Ома, – на плате маркировка и разметка под электролитический конденсатор (+ показан на схеме), но везде на его месте стояли резисторы номиналом 62 Ома.

При ремонте подобных устройств их нужно подключать через лампочку (лампа накаливания 100-200 Вт, последовательно с нагрузкой), что-бы в случае КЗ в нагрузке, не вышел из строя выходной транзистор и не погорели дорожки на плате. Да и вашим домочадцам спокойнее, если вдруг внезапно не погаснет свет в квартире.
Основной неисправностью является пробой Q1 (FJP5027 – 3 А,800 В, 15 мГц) и как следствие – обрыв резисторов R9, R8 и выход из строя Q2 (2SC2655 50 В\2 А 100 мГц). На схеме они выделены цветом. Q1 можно заменить любым подходящим по току и напряжению транзистором. Я ставил BUT11, BU508. Если мощность нагрузки не будет превышать 20 Вт можно ставить даже J1003, которые можно найти на плате от перегоревшей энергосберегающей лампы. В одном блоке совсем отсутствовал VD-01 (диод шоттки STPR1020CT -140 В\2х10 А) я поставил вместо него MBR2545CT (45 В\30 А), что характерно, он вообще не греется на нагрузке 1,8 А (использовалась лампа автомобильная 21 Вт\12 В). А родной диод за минуту работы (без радиатора) разогревается так, что рукой невозможно дотронуться. Проверил потребляемый устройством (с лампой 21 Вт) ток с родным диодом и с MBR2545CT – ток (потребляемый из сети, у меня напряжение 230 В) понизился с 0,115 А до 0,11 А. Мощность снизилась на 1,15 Вт, я считаю, что именно столько рассеивалось на родном диоде.
Заменить Q2 было нечем, под рукой нашелся транзистор С945. Пришлось “умощнить” его схемой с транзистором КТ837 (рис 2) . Ток остался под контролем и при сравнении тока с родной схемой на 2SC2655, получилось ещё снижение потребляемой мощности c той же нагрузкой на 1 Вт.

В результате, при нагрузке 21 Вт и при работе в течении 5 мин, выходной транзистор и выпрямительный диод (без радиатора) нагреваются градусов до 40 (чуть тёплые). В первоначальном варианте, через минуту работы без радиатора, до них нельзя было дотронуться. Следующим шагом к повышению надёжности блоков сделанных по этой схеме – это замена электролитического конденсатора С12 (склонного к высыханию электролита со временем) на обычный неполярный -неэлектролитический. Таким же номиналом 0,47 мкФ и напряжением не ниже 50 В.
С такими характеристиками БП, теперь можно смело подключать светодиодные ленты, не боясь что КПД блока питания ухудшит эффект экономичности светодиодного освещения.

Как работают импульсные блоки питания: 7 правил

Домашний мастер часто сталкивается с поломками сложной бытовой техники из-за отказов ее электрической схемы. Не всегда удается сразу выполнить такой ремонт. Часто требуются знания про импульсные блоки питания, принципы работы их составных частей.

Такие работники популярны, всегда востребованы, заслуживают уважения. Однако не все так сложно в этом вопросе, как кажется на первый взгляд.

Я выделил 7 правил, по которым работает любой ИБП, постарался объяснить их простыми словами для новичков. А что получилось — оценивайте сами.

Содержание статьи

Блоки питания — это электротехнические устройства, которые изменяют характеристики промышленной электроэнергии до уровня параметров, необходимых для работы конечных механизмов.

Они подразделяются на трансформаторные и импульсные изделия.

Силовой трансформатор понижает входное напряжение и одновременно обеспечивает гальваническую развязку между электрической энергией первичной и вторичной цепи.

Трансформаторные модули тратят значительную часть мощности на электромагнитные преобразования и нагрев, имеют повышенные габариты, вес.

Импульсные блоки питания: как работает структурная схема и взаимодействуют ее части — краткое пояснение

Правило №1 всех ИБП: чем выше рабочая частота, тем лучше. Преобразование электроэнергии выполняется не на промышленных 50 герц, а на более высоких сигналах в пределах 1÷100кГц.

За счет этого снижаются потери и общий вес всех элементов, но усложняется технология. Принципы работы импульсного блока питания помогает понять его структурная схема.

Показываю ее составные части прямоугольниками, связи стрелками, а форму выходного сигнала из каждого блока — мнемонической фигурой преобразованного напряжения (темно синий цвет сверху).

Сетевой фильтр пропускает через себя промышленную синусоиду. Одновременно он отделяет из нее все посторонние помехи.

Очищенная от помех синусоида поступает на выпрямитель со сглаживающим фильтром. Он превращает полученную гармонику в сигнал напряжения строго постоянной формы действующей величины.

Следующим этапом начинается работа инвертора. Он из постоянного стабилизированного сигнала формирует высокочастотные колебания уже не синусоидальной, а практически строго прямоугольной формы.

Преобразованная в подобный вид электрическая энергия поступает на силовой высокочастотный трансформатор, который, как и обычный аналоговый, видоизменяет ее на пониженное напряжение с увеличенным током.

После силового трансформатора наступает очередь работы выходного выпрямителя.

Заключительным звеном работает сглаживающий выходной фильтр. После него на блок управления бытового прибора поступает стабилизированное напряжение постоянной величины.

Качество работы импульсного блока поддерживается за счет создания в рабочем состоянии обратной связи, реализованной в блоке управления инвертора. Она компенсирует все посадки и броски напряжения, вызываемые колебаниями входной величины или коммутациями нагрузок.

Пример монтажа деталей показан на фотографии платы импульсного блока питания ниже.

Сетевой выпрямитель имеет в своем составе предохранитель на основе плавкой вставки, диодный мост, электромеханический фильтр, набор дросселей, конденсаторы развязки со статикой.

Накопительная емкость сглаживает пульсации.

Генератор инвертора на основе силового ключевого транзистора
в комплекте с импульсным трансформатором выдает напряжение на выходной
выпрямитель с диодами, конденсаторами и дросселями.

Оптопара в узле обратной связи обеспечивает оптическую развязку электрических сигналов.

Разберем все эти части подробнее.

Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций

Правило №2: у качественных ИБП в конструкции блока должен работать надежный фильтр в/ч сигналов.

Важно понимать, что импульсы высокой частоты играют двоякую роль:

1. в/ч помехи могут приходить из бытовой сети в блок питания;
2. импульсы высокочастотного тока генерируются встроенным преобразователем и выходят из него в домашнюю проводку.

Причины появления помех в бытовой сети:

• апериодические составляющие переходных процессов, возникающие от коммутации мощных нагрузок;
• работы близкорасположенных приборов с сильными электромагнитными полями, например, сварочных аппаратов, мощных тяговых электродвигателей, силовых трансформаторов;
• последствия погашенных импульсов атмосферных разрядов и других факторов, включая наложение высокочастотных гармоник.

Помехи ухудшают работу радиоэлектронной аппаратуры, мобильных устройств и цифровых гаджетов. Их необходимо подавлять и блокировать внутри конструкции импульсного блока питания.

Основу фильтра составляет дроссель, выполненный двумя обмотками на одном сердечнике.

Дроссели могут быть выполнены разными габаритами, намотаны толстой или тонкой проволокой на больших или маленьких сердечниках.

Начинающему мастеру достаточно запомнить простое правило: лучше работает фильтр с дросселем большого магнитопровода, увеличенным числом витков и поперечным сечением проволоки. (Принцип: чем больше — тем и лучше.)

Дроссель обладает индуктивным сопротивлением, которое резко ограничивает высокочастотный сигнал, протекающий по проводу фазы или нуля. В то же время оно не оказывает особого влияния на ток бытовой сети.

Работу дросселя эффективно дополняют емкостные сопротивления.

Конденсаторы подобраны так, что закорачивают ослабленные дросселем в/ч сигналы помех, направляя их на потенциал земли.

Принцип работы фильтра в/ч помех от проникновения на блок питания входных сигналов показан на картинке ниже.

Между потенциалами земли с нулем и фазой устанавливают Y конденсаторы. Их конструктивная особенность — они при пробое не способны создать внутреннее короткое замыкание и подать 220 вольт на корпус прибора.

Между цепями фазы и нуля ставят конденсаторы, способные выдерживать 400 вольт, а лучше — 630. Они обычно имеют форму параллепипеда.

Однако следует хорошо представлять, что ИБП в преобразователе напряжения сами выправляют сигнал и помехи им практически не мешают. Поэтому такая система актуальна для обычных аналоговых блоков со стабилизацией выходного сигнала.

У импульсного блока питания важно предотвратить выход в/ч помех в бытовую сеть. Эту возможность реализует другое решение.

Как видите, принцип тот же. Просто емкостные сопротивления всегда располагаются по пути движения помехи за дросселем.

Третья схема в/ч фильтра считается универсальной. Она объединила элементы первых двух. Y конденсаторы в ней просто работают с двух сторон каждого дросселя.

У самых дорогих и надежных устройств используется сложный фильтр с дополнительно подключенными дросселями и конденсаторами.

Сразу же показываю схему расположения фильтров на всех цепочках блока питания: входе и выходе.

Обратите внимание, что на кабель, выходящий из ИБП и подключаемый к электронному прибору, может быть дополнительно установлен ферритовый фильтр, состоящий из двух разъемных полуцилиндров или выполненный цельной конструкцией.

Примером его использования является импульсный блок питания ноутбука. Это уже четвертый вариант применения фильтра.

Сетевой выпрямитель напряжения: самая популярная конструкция

Правило №3: после выхода с фильтра напряжение подается на схему выпрямителя, состоящего в базовой версии из диодного моста и электролитического конденсатора.

В ходе электрического преобразования форма синусоиды, состоящая из полуволн противоположных знаков, вначале меняется на сигнал положительного направления после диодной сборки, а затем эти пульсации сглаживаются до практически постоянной амплитудной величины 311 вольт.

Такой сетевой выпрямитель напряжения заложен в работу всех блоков питания.

Преобразователь импульсного напряжения: объяснение простыми словами с поясняющими картинками

Правило №4: выпрямленный сигнал подвергается широтно-импульсной модуляции на силовом ключе под управлением ШИМ контроллера.

Силовой ключ выполняется первичной обмоткой высокочастотного трансформатора. Для эффективной трансформации в/ч импульсов до 100 килогерц конструкцию магнитопровода делают из альсифера или ферритов.

На обмотку трансформатора от цепей управления через в/ч транзистор поступают импульсы сигналов в несколько десятков килогерц.

Прямоугольные импульсы тока подаются по времени, чередуются с паузами, обозначаются единицей (1) и нулем (0).

Продолжительность протекания импульса или его ширина в каждый момент низкочастотного синусоидального напряжения соответствует его амплитуде: чем она больше, тем шире ШИМ. И наоборот.

ШИМ контроллер отслеживает величину подключенной нагрузки на выходе импульсного блока питания. По ее значению он вырабатывает импульсы, кратковременно открывающие силовой транзистор.

Если подключенная к ИБП мощность начинает возрастать, то схема управления увеличивает длительность импульсов управления, а когда она снижается, то — уменьшает.

За счет работы этой конструкции производится стабилизация напряжения на выходе блока в строго определенном диапазоне.

Импульсный трансформатор: принцип работы одного импульса в 2 такта

Правило №5: импульсный трансформатор для блока питания передает каждый ШИМ импульс за счет двух преобразований электромагнитной энергии.

Во время преобразования электрической энергии в магнитную и обратно в электрическую с пониженным напряжением обеспечивается гальваническое разделение первичных входных цепей с вторичной выходной схемой.

Каждый ШИМ импульс тока, поступающий при кратковременном открытии силового транзистора, протекает по замкнутой цепи первичной обмотки трансформатора.

Его энергия расходуется:

1. вначале на намагничивание сердечника магнитопровода;
2. затем на его размагничивание с протеканием тока по вторичной обмотке и дополнительной подзарядкой конденсатора.

По этому принципу каждый ШИМ импульс из первичной сети подзаряжает накопительный конденсатор.

Генераторы ИБП могут работать по простой однотактной или более сложной двухтактной технологии построения.

Однотактная схема импульсного блока питания: состав и принцип работы

На стороне 220 расположены: предохранитель, выпрямительный диодный мост, сглаживающий конденсатор, биполярный транзистор, цепочки колебательного контура и коллекторного тока, а также обмотки импульсного трансформатора.

Однотактная схема импульсного блока питания создается для передачи мощности 10÷50 ватт, не более. По ней изготавливают зарядные устройства мобильных телефонов, планшетов и других цифровых гаджетов.

В выходной цепочке трансформатора используется выпрямительный диод Д7. Он может быть включен в прямом направлении, как показано на картинке, или обратно, что важно учитывать.

При прямом включении импульсный трансформатор накапливает индуктивную энергию и передает ее в выходную цепь к подключенной нагрузке с задержкой по времени.

Если диод включен обратно, то трансформация энергии из первичной схемы во вторичную цепь происходит во время закрытого состояния транзистора.

Однотактная схема ИБП отмечается простотой конструкции, но большими амплитудами напряжения, приложенными к виткам первичной обмотки импульсного трансформатора.

Их защита осуществляется дополнительными цепочками из
резисторов R2÷R4 и конденсаторов С2, С3.

Двухтактная схема импульсного блока питания: 3 варианта исполнения

Более высокий КПД и пониженные потери мощности являются неоспоримыми преимуществами этих ИБП по сравнению с однотактными моделями.

Простейший вариант исполнения двухполупериодной методики показан на картинке.

Если в нее дополнительно подключить два диода и один сглаживающий конденсатор, то на этом же трансформаторе получается двухполярная схема.

Она распространена в усилителях мощности, работает по обратноходовому принципу. В ней через каждую емкость протекают меньшие токи, обеспечивающие повышенный ресурс конденсаторов при эксплуатации.

Продлить ресурс работы электролитических конденсаторов в ИБП можно заменой одного большой мощности несколькими составными. Ток будет распределяться по всем, что вызовет меньший нагрев. А отвод тепла с каждого отдельного происходит лучше.

Прямоходовая схема блока питания имеет в своей конструкции дроссель, который выполняет функцию накопления энергии. Для этого два диода направляют поступающие импульсы ШИМ на его вход в одной полярности.

Дроссель этих устройств изготавливается большими габаритами и устанавливается отдельно внутри платы ИБП. Он дополняет работу накопительного конденсатора.

Это наглядно видно по верхней форме сигнала, показанного осциллограммой выпрямления одного и того же блока без дросселя и с ним.

Прямоходовая схема используется в мощных блоках питания, например, внутри компьютера.

В ней выпрямлением тока занимаются диоды Шоттки. Их применяют за счет:

• уменьшенного падения напряжения на прямом включении;
• и повышенного быстродействия во время обработки высокочастотных импульсов.

3 схемы силовых каскадов двухтактных ИБП

По порядку сложности их исполнения генераторы выполняют по:

• полумостовому;
• мостовому;
• или пушпульному принципу построения выходного каскада.

Полумостовая схема импульсного блока питания: обзор

Конденсаторы С1, С2 собраны последовательно емкостным делителем. На него и переходы коллектор-эмиттер транзисторов Т1, Т2 подается напряжение постоянного питания.

К средней точке емкостного делителя и транзисторов подключена первичная обмотка трансформатора Тр2. С ее вторичной обмотки снимается выходное напряжение генератора, которое пропорционально входному сигналу ТР1, трансформируемому на базы Т1 и Т2.

Полумостовая схема ИБП работает для нагрузок от нескольких ватт до киловатт. Ее недостатком является возможность повреждения элементов при перегрузках, что требует использования сложных защит.

Мостовая схема импульсного блока питания: краткое пояснение

Вместо емкостного делителя предыдущей технологии здесь работают транзисторы T3 и T4. Они попарно открываются совместно с Т1 и Т2: (пара Т1-Т4), (пара Т2-Т3).

Напряжение переходов эмиттер-коллектор у закрытых транзисторов не выше величины питающего напряжения, а на обмотке w1 ТР3 оно возрастает до значения U пит. За счет этого увеличивается величина КПД.

Мостовая схема сложна в наладке из-за трудностей с настройкой цепей управления транзисторов Т1÷Т4.

Пушпульная схема: важные особенности

Первичная обмотка выходного ТР2 имеет средний вывод, на который подается плюсовой потенциал источника питания, а его минус — на среднюю точку вторичной обмотки Т1.

Во время прохождения одного полупериода колебания работает один из транзисторов Т1 или Т2 и соответствующая ему часть полуобмотки трансформатора.

Здесь создается самый высокий КПД, малые пульсации и низкие помехи. Амплитудное значение импульсного напряжения на любой половине обмотки w1 ТР2 достигает величины U пит.

К напряжению перехода коллектор-эмиттер каждого транзистора добавляется ЭДС самоиндукции, и оно возрастает до 2U пит. Поэтому Т1 и Т2 надо подбирать на 600÷700 вольт.

Пушпульная схема ключевого каскада пользуется большей популярностью. Она применяется в наиболее мощных преобразователях.

Выходной выпрямитель: самое популярное устройство

Правило №6: сигнал, поступающий с выхода ИБП, выпрямляется и сглаживается.

Простейшая схема выпрямителя, состоящая из диода и накапливающего конденсатора, показана картинкой ниже.

Она может дорабатываться подключением дополнительных конденсаторов, дросселей, элементов фильтров.

Схема стабилизации напряжения: как работает

Правило №7: оптимальные условия для работы нагрузки при изменяющихся условиях эксплуатации обеспечивает принцип стабилизации вторичного напряжения.

Самая примитивная схема стабилизации выходного напряжения создается на дополнительной обмотке импульсного трансформатора.

С нее снимается напряжение и подается для корректировки величины сигнала первичной обмотки.

Лучшая стабилизация создается за счет контроля выходного сигнала с вторичной обмотки и отделения его гальванической связи через оптопару.

В ней используется светодиод, через который проходит ток, пропорциональный значению выходного напряжения. Его свечение воспринимается фототранзистором, который посылает соответствующий электрический сигнал на схему управления генератора ключевого каскада.

Повысить качество стабилизации выходного напряжения позволяет последовательное дополнение к оптопаре стабилитрона, как показано на примере микросхемы TL431 на картинке ниже.

Для закрепления материала в памяти рекомендую посмотреть видеоролик владельца Паяльник TV, который хорошо объясняет информацию про импульсные блоки питания: принципы работы на примере конкретной модели.

Надеюсь, что моя статья поможет вам выполнить ремонт ИБП своими руками за 7 шагов, которые я изложил в другой статье.

Задавайте возникшие вопросы в разделе комментариев, высказывайте свое мнение. Его будет полезно знать другим людям.

Простой импульсный блок питания на IR2153 своими руками

Простой импульсный блок питания на IR2153 своими руками

Импульсный источник питания на IR2153 с отдельной платой управления. Включение трансформатора полумост.

Понадобилось сделать печку для инкубатора от 12В. Решил БП собрать сам. Выбор пал на IR2153, так как стабилизация была не нужна. Перечитал много статей по этому БП, плавный старт на реле решил не делать, так как тестировал без реле и даже при КЗ ничего и так не сгорело.

Скачать схему и разводку в формате DipTrace.

Намотка трансформатора для ИБП.

Трансформатор намотал на колечке из неизвестной марки феррита диаметром 40 мм. Сначала обточил края. Затем обмотал термоскотчем.

Рассчитал в программке число витков для феррита марки 2000. Мотал проводом примерно 1 мм с втягивающего реле от авто. Измерив индуктивность показания примерно сошлись.

Вторичную обмотку мотал в 3 провода, рассчитывал на 200 Вт. Так же сделал еще одну обмотку на питание самой платы управления.

Схема силовой части ИБП на IR2153.

Тут все стандартно.

Начальное питание IR2153 берется сразу со входа. Это позволит запустить микросхему немного раньше, и уменьшить стартовый ток. То есть пока ток потечет через входной фильтр и будут заряжаться емкости на микросхему напряжение уже пойдет.

С15 будет зависеть от индуктивности рассеивания трансформатора + L1. Я путем подбора выяснил, что лучшие показатели для моего БП это 220 нФ.

C16, R7 — снаббер, я не ставил, т.к. нет осциллографа и наугад не вижу смысла ставить. И так работает.

R8 0.5 Ом, 5 Вт. Этот резистор для измерения тока, для защиты от перегрузки и КЗ.

R2, R3 — подтягивают гейты к земле во избежании открытия если контакт плохой или плату не установили. В конечном девайсе я установил на 23 кОм.

C17 — Y конденсатор.

Вот такая вышла плата.

Схема платы управления БП на IR2153.

Сразу после включения в сеть плата будет запитана через 1 и 6 вход J1. R1 5 Вт. Можно поставить на 18 кОм и более. В теории тока должно хватить для запуска. Я установил какой был, на 10 кОм.

На Q3, D1 собран линейный стабилизатор.  D1 на 12В. Этого напряжения достаточно для запуска микросхемы.

Когда с трансформатора пойдет ток через 7 ногу J1, напряжение будет ограниченно внутренним стабилитроном IR2153 до 15.6В. Расчетное напряжение обмотки 16В. Таким образом транзистор Q3 будет всегда закрыт и через R1 ток будет мизерный, через R6 на D1. R6 можно увеличить, я ставил более 100 кОм и работало. Тут зависит от характеристик стабилитрона, какой ток ему достаточен для работы.

D7, D8 я не ставил, это диоды Шоттки которые должны быстрей закрыть силовые ключи.

R10 для регулировки частоты. Я выставил смотря через логический анализатор частоту 40 кГц.

Я сделал два варианта, для DIP и SMD корпусов.

  

Защита от перегрузки и КЗ для БП на IR2153.

Схемы защиты от КЗ с прижатием питания к земле через светодиод показались странными. В ДШ на IR2153 сказано, что выключать тактирование нужно замыканием полевым транзистором 3 ноги на землю. Так и сделал.

Чем больше тока на R8 с силовой схемы, тем больше будет падение напряжение на данном резисторе. Допустим ток 2 А, резистор 0.5 Ом. Напряжение будет U = 2 * 0.5 = 1 В.

1 В прийдет на 5 ногу J1 платы управления. Чтобы открыть Q4, достаточно 0.6В на его базе. R12 выполняет роль делителя напряжения. С его помощью можно выставить при каком токе будет срабатывать защита.

Q4 откроет Q5 Который в свою очередь откроет Q1 и будет поддерживать открытым Q4. Таким образом Q4, Q5 образуют защелку, то есть даже если ток больше не превышает норму, БП будет отключен пока не будет обесточен.

Когда Q1 открыт, на 3 ноге IR2153 будет низкий уровень и микросхема не будет генерировать импульсы переключения силовых ключей.

Видео демонстрации работы защиты от КЗ:

При копировании материалов ссылка на https://terraideas.ru/ обязательна

6 Простая схема импульсного источника питания

Вы когда-нибудь задумывались, что означает «переключатель» в импульсном источнике питания? Если быть точным, что такое «включение» и «выключение»?

Как следует из названия, импульсный источник питания использует электронные переключающие устройства (такие как транзисторы, полевые транзисторы, тиристоры и т. Д.) Для постоянного включения и выключения электронных переключающих устройств через цепь управления. Что произошло дальше? Затем позвольте электронному коммутационному устройству импульсным образом модулировать входное напряжение для реализации преобразования постоянного / переменного тока, постоянного / постоянного напряжения, а также регулируемого выходного напряжения и автоматической стабилизации напряжения.

После того, как вы поймете основное определение импульсного источника питания, вы, возможно, захотите дополнительно изучить его применение и углубить свое понимание. Поэтому в этом блоге мы познакомим вас с 6 простыми схемами проектирования импульсных цепей питания.

Конечно, если у вас возникнут какие-либо вопросы по принципиальной схеме, оставьте свои вопросы в комментариях, и мы дадим вам восторженные и профессиональные ответы.

Видео об основах импульсных источников питания

Каталог

I Что такое импульсный источник питания

Импульсный источник питания (SMPS), также известный как импульсный источник питания и импульсный преобразователь, представляет собой высокочастотное устройство преобразования электрической энергии и тип источника питания.Его функция состоит в том, чтобы преобразовать уровень напряжения в напряжение или ток, требуемый пользователем, с помощью различных архитектурных форм.

Имя	Импульсный источник питания
Природа	Использовать современные технологии силовой электроники
Метод	Широтно-импульсная модуляция
Характеристики	Небольшой размер, легкий вес и высокая эффективность

II 6 Схемы импульсных источников питания

2.1 Простая схема импульсного источника питания

Эта схема несложна и может нормально работать без особых требований. В основном обращайте внимание на следующие моменты:

1. Отрегулируйте C3 и R5 так, чтобы частота колебаний составляла 30–45 кГц;
2. Требуется стабилизация выходного напряжения;
3. Выходной ток может достигать 500 мА.
4. Эффективная мощность 8 Вт, КПД 87%.

2.2 Импульсная цепь питания 24 В

Импульсный источник питания

24 В — это импульсный источник питания с высокочастотным инвертором. Трубка переключателя управляется схемой для проведения высокоскоростного прохода и отсечки, преобразования постоянного тока в высокочастотный переменный ток и подачи его на трансформатор для преобразования, тем самым генерируя требуемый один или несколько наборов напряжений.

Принцип работы импульсного источника питания 24 В:

1. Входная мощность переменного тока выпрямляется и преобразуется в постоянный ток;
2. Управляйте переключающей трубкой с помощью высокочастотного сигнала ШИМ (широтно-импульсной модуляции) и добавляйте этот постоянный ток к первичной обмотке переключающего трансформатора;
3. Во вторичной обмотке переключающего трансформатора индуцируется высокочастотное напряжение, которое выпрямляется, фильтруется и подается на нагрузку;
4. Выходная часть возвращается в схему управления через определенную цепь для управления рабочим циклом ШИМ для достижения цели стабильного выхода.

2.3 Несимметричная прямая импульсная цепь питания

Типовая схема несимметричного импульсного источника питания прямого включения показана на рисунке ниже. Эта схема аналогична по форме несимметричной схеме обратного хода, но условия работы другие:

Когда переключающая трубка VT1 включена, VD2 также включен. В это время сеть передает энергию нагрузке, а катушка индуктивности L фильтра накапливает энергию;

Когда переключатель VT1 выключен, катушка индуктивности L продолжает отдавать энергию нагрузке через диод свободного хода VD3.

Также в цепи присутствует прижимная катушка и диод VD2. Диод может ограничивать максимальное напряжение на переключающей трубке VT1 в два раза выше напряжения источника питания. Чтобы соответствовать условию сброса магнитного сердечника, то есть время установления магнитного потока и время сброса должны быть одинаковыми, поэтому коэффициент заполнения импульса в цепи не может превышать 50%.

Поскольку эта схема передает энергию нагрузке через трансформатор, когда трубка переключателя VT1 включена, диапазон выходной мощности велик, и она может выходить мощностью 50-200 Вт.Однако практических применений этой схемы немного. Причина в том, что используемый в этой схеме трансформатор имеет сложную конструкцию и большой объем.

2,4 Двухтактная импульсная схема питания

Типовая схема двухтактного импульсного источника питания показана на рисунке ниже. Это двусторонняя схема преобразования, и магнитный сердечник высокочастотного трансформатора работает по обе стороны от петли гистерезиса. В схеме используются две коммутационные лампы VT1 и VT2.Две переключающие лампы включаются и выключаются поочередно под управлением прямоугольного сигнала внешнего возбуждения. Напряжение прямоугольной формы получается во вторичной группе трансформатора T, которое выпрямляется и фильтруется до необходимого постоянного напряжения.

Преимущество этой схемы состоит в том, что две переключающие лампы легко управлять, а главный недостаток состоит в том, что выдерживаемое напряжение переключающих трубок должно в два раза превышать пиковое напряжение схемы. Выходная мощность схемы относительно велика, обычно в пределах 100-500 Вт.

2,5 Схема развязки обратной связи по мощности

В импульсном источнике питания схема развязки обратной связи по мощности состоит из оптопары, такой как PC817, и шунтирующего стабилизатора TL431, и ее типичное применение показано на следующем рисунке. Когда выходное напряжение колеблется, дискретизированное напряжение, полученное после резистивного делителя, сравнивается с опорным напряжением запрещенной зоны 2,5 В в TL431, и на катоде формируется напряжение ошибки. Впоследствии рабочий ток светодиода в оптическом соединительном устройстве изменяется соответствующим образом.Таким образом, текущий размер управляющего вывода TOPSwitch может быть изменен с помощью оптического соединительного устройства, а затем может быть отрегулирован выходной коэффициент заполнения, так что Uo может оставаться неизменным для достижения цели стабилизации напряжения.

Роль и выбор основных компонентов в цепи обратной связи: Основная роль R1R4R5 заключается в работе с TL431 и устройством оптической связи. Среди них R1 — токоограничивающий резистор оптопары, а R4 и R5 — резисторы делителя напряжения TL431, которые обеспечивают необходимый рабочий ток для полной защиты TL431.

2,6 Инверторно-выпрямительная цепь

Схема использует микросхему генератора UC3842 в качестве ядра для формирования схемы инвертора и выпрямителя. UC3842 — это высокопроизводительная микросхема широтно-импульсного модулятора с несимметричным выходом, управляемая по току. Источник питания переменного тока 220 В подается через фильтр синфазных помех L1, который может лучше подавлять высокочастотные помехи от электросети и излучение самого источника питания. Напряжение переменного тока фильтруется схемой мостового выпрямителя и конденсатором C4, чтобы получить нестабильное постоянное напряжение около 280 В, которое служит схемой инвертора, состоящей из колебательного кристалла U1, переключающей трубки Q1, переключающего трансформатора T1 и других компонентов.

III Заключение

Выше представлены 6 простых схем импульсных источников питания, которые мы подготовили для вас. Есть ли что-нибудь, что я не понимаю или в чем сомневаюсь в процессе просмотра? Если да, не стесняйтесь оставлять свои мысли в области комментариев.

Руководство по основам импульсного источника питания

Аннотация: Импульсные источники питания — популярный, а иногда и необходимый выбор для преобразования энергии постоянного тока в постоянный. Эти схемы предлагают явные преимущества и недостатки по сравнению с альтернативными методами преобразования энергии постоянного тока.В этой статье представлен краткий обзор преимуществ и недостатков импульсных источников питания, а также предлагается простой обзор их работы и теории.

Эта статья также была опубликована в Maxim’s Engineering Journal, vol. 61 (PDF, 440кБ).

Учитывая, что многие электронные устройства требуют нескольких уровней постоянного напряжения, разработчикам нужен способ преобразования стандартных потенциалов источника питания в напряжения, определяемые нагрузкой. Преобразование напряжения должно быть универсальным, эффективным и надежным процессом.Импульсные источники питания (SMPS) часто используются для обеспечения различных уровней выходной мощности постоянного тока, необходимых для современных приложений, и незаменимы для создания высокоэффективных и надежных систем преобразования мощности постоянного тока в постоянный.

Почему SMPS?

Большинство электронных нагрузок постоянного тока получают питание от стандартных источников питания. К сожалению, стандартные напряжения источника могут не соответствовать уровням, требуемым микропроцессорами, двигателями, светодиодами или другими нагрузками, особенно когда напряжение источника не регулируется.Устройства с батарейным питанием являются яркими примерами проблемы: типичное напряжение стандартной батареи Li + или NiMH либо слишком высокое / низкое, либо слишком сильно падает во время разряда для использования в обычных приложениях.

Универсальность

К счастью, универсальность SMPS решает проблему преобразования стандартного напряжения источника в пригодное для использования заданное выходное напряжение. Существует множество топологий SMPS, которые классифицируются по основным категориям — эти источники питания повышают, понижают, инвертируют или даже повышают и понижают входное напряжение.В отличие от линейных регуляторов, которые могут только понижать входное напряжение, SMPS привлекательны тем, что можно выбрать топологию, подходящую практически для любого выходного напряжения.

Настройка

Кроме того, современные ИС SMPS спроектированы с различными уровнями интеграции, что позволяет инженеру выбирать среди топологий с более или менее стандартными функциями SMPS, внесенными в ИС. Поступая таким образом, производители облегчают проектирование широко используемых источников питания для конкретных приложений или предлагают инженерам базовые ИС SMPS для индивидуальных проектов, тем самым повышая универсальность этих широко используемых устройств.

КПД

Инженеры также сталкиваются с другой распространенной проблемой — как эффективно преобразовать мощность постоянного тока. Например, часто требуется понизить входное напряжение для достижения более низкого выходного напряжения. Простым решением является использование линейного регулятора, поскольку для этого устройства требуется всего несколько конденсаторов и адекватное управление температурой. Однако там, где такая простота заканчивается, начинается неэффективность — даже до неприемлемых уровней, если разность напряжений велика.

КПД линейного регулятора напрямую зависит от мощности, падающей на его проходной транзистор.Это падение мощности может быть значительным, поскольку рассеиваемая мощность равна I _LDO × (V _IN — V _OUT ). Например, при понижении нагрузки 100 мА от батареи 3,6 В до выхода 1,8 В на линейном регуляторе падает 0,18 Вт. Это падение мощности дает низкий КПД 50%, что сокращает срок службы батареи на 50% (при условии идеальной работы).

Понимая эту потерю эффективности, добросовестный инженер стремится достичь улучшенного решения, и именно здесь SMPS выделяется.Хорошо спроектированный SMPS может достичь КПД 90% или более, в зависимости от уровней нагрузки и напряжения. Как и в предыдущем примере, при использовании понижающего ИИП типа Рисунок 1 вместо линейного регулятора наблюдается КПД 90%. Это повышение эффективности на 40% по сравнению с линейным регулятором. Преимущество понижающего SMPS очевидно, и аналогичный или более высокий КПД наблюдается в других топологиях SMPS.

Рис. 1. MAX8640Y используется в простой понижающей цепи SMPS.

Хотя высокий КПД является основным преимуществом конструкций SMPS, другие преимущества, естественно, возникают как прямой результат минимизации потерь мощности. Например, в SMPS наблюдается уменьшенный тепловой след по сравнению с его менее эффективными аналогами. Это преимущество означает снижение требований к управлению температурным режимом. Кроме того, что более важно, срок службы увеличивается за счет повышения надежности, поскольку компоненты не подвергаются чрезмерному нагреву, как это было бы в менее эффективной системе.

Топологии SMPS и теория преобразования

Как упоминалось в предыдущем разделе, SMPS могут преобразовывать входное напряжение постоянного тока в другое выходное напряжение постоянного тока в зависимости от топологии схемы. Хотя в мире инженерии используется множество топологий SMPS, три из них являются фундаментальными и встречаются чаще всего. Эти топологии (см. , рис. 2, ) классифицируются в соответствии с их функцией преобразования: понижающие (понижающие), повышающие (повышающие) и повышающие / понижающие (понижающие-повышающие или инверторные).Пути заряда / разряда индуктора, показанные на диаграммах на Рисунке 2, обсуждаются в следующих параграфах.

Рис. 2. Понижающий, повышающий и понижающий-повышающий составляющие составляют основные топологии SMPS.

Все три основные топологии включают переключатель MOSFET, диод, выходной конденсатор и катушку индуктивности. МОП-транзистор, который является активно управляемым компонентом в схеме, подключен к контроллеру (не показан). Этот контроллер подает прямоугольный сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) на затвор полевого МОП-транзистора, тем самым включая и выключая устройство.Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, контроллер определяет выходное напряжение SMPS и изменяет рабочий цикл (D) прямоугольного сигнала, определяя, как долго полевой МОП-транзистор остается включенным в течение каждого периода переключения (T _S ). Значение D, которое представляет собой отношение времени включения прямоугольной волны к периоду ее переключения (T _ON / T _S ), напрямую влияет на напряжение, наблюдаемое на выходе SMPS. Эта взаимосвязь проиллюстрирована в уравнениях 4 и 5.

Состояния включения и выключения полевого МОП-транзистора делят схему SMPS на две фазы: фазу заряда и фазу разряда, каждая из которых описывает передачу энергии катушки индуктивности (см. петли на рисунке 2).Энергия, накопленная в катушке индуктивности во время фазы зарядки, передается выходной нагрузке и конденсатору во время фазы разряда. Конденсатор поддерживает нагрузку, пока индуктор заряжается, и поддерживает выходное напряжение. Эта циклическая передача энергии между элементами схемы поддерживает выходное напряжение на должном уровне в соответствии с ее топологией.

Катушка индуктивности играет центральную роль в передаче энергии от источника к нагрузке во время каждого цикла переключения. Без него SMPS не работал бы при переключении MOSFET.Энергия (E), запасенная в катушке индуктивности (L), зависит от ее тока (I):

Следовательно, изменение энергии в катушке индуктивности измеряется по изменению ее тока (ΔI _L ), что связано с к напряжению, приложенному к нему (V _L ) в течение определенного периода времени (ΔT):

(ΔI _L ) является линейным нарастанием, поскольку постоянное напряжение подается на катушку индуктивности во время каждой фазы переключения ( Рисунок 3 ). Напряжение индуктора во время фазы переключения можно определить, выполнив петлю напряжения Кирхгофа, уделяя особое внимание полярности и соотношениям V _IN / V _OUT .Например, напряжение катушки индуктивности повышающего преобразователя во время фазы разряда составляет — (V _OUT — V _IN ). Поскольку V _OUT > V _IN , напряжение на катушке индуктивности отрицательное.

Рисунок 3. Характеристики напряжения и тока подробно описаны для установившегося индуктора.

Во время фазы заряда полевой МОП-транзистор включен, диод смещен в обратном направлении, и энергия передается от источника напряжения к катушке индуктивности (рис. 2). Ток в катушке индуктивности нарастает, потому что напряжение V _L положительное.Кроме того, выходная емкость передает энергию, накопленную в предыдущем цикле, на нагрузку, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. Во время фазы разряда полевой МОП-транзистор отключается, а диод становится смещенным в прямом направлении и, следовательно, проводит ток. Поскольку источник больше не заряжает катушку индуктивности, клеммы катушки индуктивности меняют полярность, поскольку она отдает энергию нагрузке и пополняет выходной конденсатор (рис. 2). Ток катушки индуктивности снижается по мере передачи энергии в соответствии с тем же соотношением передачи, указанным ранее.

Циклы заряда / разряда повторяются и поддерживают установившееся состояние переключения. Во время перехода схемы в установившееся состояние ток индуктора нарастает до своего конечного уровня, который представляет собой суперпозицию постоянного тока и нарастающего переменного тока (или пульсирующего тока индуктора), возникающего во время двух фаз схемы (рисунок 3). Уровень постоянного тока связан с выходным током, но зависит от положения катушки индуктивности в цепи SMPS.

Импульсный ток должен отфильтровываться SMPS, чтобы подавать на выход истинный постоянный ток.Это фильтрующее действие осуществляется выходным конденсатором, который мало противодействует высокочастотному переменному току. Нежелательная пульсация выходного тока проходит через выходной конденсатор и поддерживает заряд конденсатора, пока ток проходит на землю. Таким образом, выходной конденсатор также стабилизирует выходное напряжение. Однако в неидеальных приложениях эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) выходного конденсатора вызывает пульсации выходного напряжения, пропорциональные току пульсаций, протекающему через него.

Таким образом, энергия передается между источником, катушкой индуктивности и выходным конденсатором для поддержания постоянного выходного напряжения и питания нагрузки. Но как передача энергии ИИП определяет коэффициент преобразования выходного напряжения? Это соотношение легко вычислить, если понимать установившееся состояние применительно к периодическим сигналам.

Чтобы быть в устойчивом состоянии, переменная, которая повторяется с периодом T _S , должна быть равна в начале и в конце каждого периода.Поскольку ток катушки индуктивности является периодическим из-за фаз заряда и разряда, описанных ранее, ток катушки индуктивности в начале периода ШИМ должен равняться току катушки индуктивности в конце. Это означает, что изменение тока индуктора во время фазы заряда (ΔI _CHARGE ) должно равняться изменению тока индуктора во время фазы разряда (ΔI _DISCHARGE ). Приравнивая изменение тока индуктора для фаз заряда и разряда, достигается интересный результат, который также называют правилом вольт-секунды:

Проще говоря, произведение напряжения индуктора на время в каждой фазе цепи равно .Это означает, что, наблюдая за схемами SMPS на Рисунке 2, можно без особых усилий найти идеальные установившиеся отношения преобразования напряжения / тока. Для понижающей схемы петля напряжения Кирхгофа вокруг цепи фазы заряда показывает, что напряжение индуктора является разницей между V _IN и V _OUT . Аналогичным образом, напряжение индуктора во время цепи фазы разряда составляет -V _OUT . Используя правило вольт-секунды из уравнения 3, определяется следующий коэффициент преобразования напряжения:

Кроме того, входная мощность (P _IN ) равна выходной мощности (P _OUT ) в идеальной схеме.Таким образом, коэффициент преобразования тока находится:

Из этих результатов видно, что понижающий преобразователь уменьшает V _IN в D раз, в то время как входной ток является D-кратным току нагрузки. В таблице 1 перечислены коэффициенты преобразования для топологий, изображенных на рисунке 2. Как правило, все коэффициенты преобразования SMPS можно найти с помощью метода, используемого для решения уравнений 3 и 5, хотя сложные топологии могут быть более трудными для анализа.

Таблица 1.Коэффициенты преобразования SMPS

Топология	Коэффициент преобразования напряжения	Коэффициент преобразования тока
Понижающий	В ВЫХ / V ВХОД = D	I IN / I OUT = D
Повышение	В ВЫХ / V ВХОД = 1 / (1 — D)	I ВХОД / I ВЫХ = 1 / (1 — D)
Повышение / понижение	В ВЫХ / V ВХОД = D / (1 — D)	I ВХОД / I ВЫХ = D / (1 — D)

Недостатки и недостатки ИИП

Конечно, высокий КПД, обеспечиваемый ИИП, имеет свои недостатки.Возможно, наиболее часто упоминаемая проблема импульсных преобразователей — это их склонность к излучению электромагнитных помех (EMI) и кондуктивным шумам. Электромагнитное излучение вызывается быстрыми переходами сигналов переключения тока и напряжения, которые существуют в цепях SMPS. Быстро меняющиеся напряжения в узле индуктора вызывают излучаемые электрические поля, в то время как токи быстрого переключения в контурах заряда / разряда создают магнитные поля. Однако кондуктивный шум распространяется на входные и выходные цепи, когда входные / выходные емкости SMPS и паразитные характеристики печатной платы представляют более высокие импедансы для коммутирующих токов.К счастью, правильное размещение компонентов и компоновка печатной платы могут успешно бороться с электромагнитными помехами и снижать уровень шума. SMPS

также могут быть довольно сложными и требовать дополнительных внешних компонентов, что может привести к увеличению общей стоимости источника питания. К счастью, большинство производителей ИС SMPS предоставляют подробную литературу не только о работе устройства, но и о правильном выборе внешних компонентов. Кроме того, высокий уровень интеграции в современные ИС SMPS может уменьшить количество требуемых внешних компонентов.

Несмотря на эти проблемы, SMPS широко используются во многих приложениях. С недостатками можно справиться, а эффективность и универсальность, получаемые от их использования, очень желательны и часто требуются.

Импульсные источники питания для начинающих: учебник по эффективности, часть 1

Энергетическая эффективность является фундаментальной характеристикой любого импульсного источника питания (SMPS), и ее мера обычно определяет качество устройства преобразования. Высокие числа дают право хвастаться успешному инженеру, в то время как низкие числа обычно указывают на необходимость модификации или перепроектирования.

Максимальная эффективность — первоочередное значение для всех SMPS, но тем более для тех, которые используются в портативных устройствах, где необходимо продлить срок службы батареи, чтобы обеспечить потребителям увеличенное время работы при использовании их любимых гаджетов и игрушек. Высокая эффективность также является обязательным условием для тех конструкций, которые требуют улучшенного управления температурным режимом или где затраты на подачу электроэнергии вызывают озабоченность.

Чтобы достичь максимальной эффективности преобразования в конструкции SMPS, инженер должен понимать элементарные механизмы потери мощности, присущие этим преобразователям, и то, что можно сделать, чтобы уменьшить их влияние.Кроме того, знакомство с общими функциями ИС SMPS, которые способствуют повышению эффективности, позволяет инженеру делать лучший выбор, когда сталкивается с конструкцией импульсного преобразователя.

В этом обсуждении, состоящем из двух частей, объясняются основные факторы, влияющие на эффективность SMPS, и дается руководство о том, как начать новую конструкцию. Потери мощности вводных материалов и коммутационных компонентов покрываются в этом первом взносе.

Ожидаемая эффективность

Энергетические потери являются неотъемлемой частью систем преобразования энергии.Неидеальности мира природы мешают нам достичь этой конечной награды в виде 100% эффективности преобразования. Тем не менее, хорошо спроектированные блоки питания могут достигать весьма заметного КПД, обычно приближающегося к процентным значениям в диапазоне от середины до высокого уровня 90-х годов.

Для любознательных людей эталонный КПД можно получить, изучив типичные рабочие характеристики, указанные в таблицах данных, предоставляемых производителями ИС источников питания. Например, схема понижающего преобразователя в рис.1 достигает КПД до 97% для определенных выходных конфигураций и дает высокий КПД для очень легких нагрузок.

Как реализованы такие высокие показатели эффективности? Уделять особое внимание фундаментальным потерям, общим для всех SMPS, — отличное начало. Эти потери обнаруживаются в основном в переключающих компонентах (полевые МОП-транзисторы и диоды) и, в меньшей степени, в катушках индуктивности и конденсаторах общей схемы SMPS. В зависимости от ИС могут быть выбраны специальные функции, которые будут бороться с потерями в эффективности, например варианты архитектуры управления и интеграция компонентов.Например, в схеме (рис. 1) используются несколько методов борьбы с собственными потерями, включая синхронное выпрямление, интегрированные полевые МОП-транзисторы с низким сопротивлением, низкое потребление тока покоя и архитектуру управления с пропуском импульсов, преимущества которой будут описаны ниже. эта статья разворачивается.

Краткий обзор Stepdown SMPS

Хотя потери, которые будут обсуждаться, применимы ко всем базовым топологиям SMPS, следующий текст поясняется со ссылкой на общую схему понижающего преобразователя понижающего преобразователя в рис.2 . На рисунке также показаны некоторые формы сигналов переключения схемы, которые будут использоваться в расчетах, представленных позже.

Понижающий преобразователь снижает более высокое входное напряжение постоянного тока до более низкого выходного напряжения постоянного тока. При этом MOSFET включается и выключается с постоянной частотой модуляции (f _S ) прямоугольным сигналом с широтно-импульсной модуляцией (PWM). Короче говоря, когда полевой МОП-транзистор включен, входной источник питания заряжает катушку индуктивности и конденсатор и подает мощность на нагрузку.В течение этого времени величина тока катушки индуктивности нарастает по мере его прохождения через контур 1, как показано на рис. 2 .

Когда полевой МОП-транзистор выключается, входное питание отключается от выхода, а индуктор и выходной конденсатор поддерживают нагрузку. Величина тока катушки индуктивности снижается по мере прохождения через диод в соответствии с направлением, указанным в контуре 2. Доля периода переключения, в которой включен полевой МОП-транзистор, определяется скважностью (D) сигнала ШИМ.D делит каждый период переключения (t _S ) на интервалы [D xt _S ] и [(1-D) xt _S ], которые связаны с проводимостью MOSFET (петля 1) и проводимостью диода (петля 2). , соответственно.

Во всех топологиях SMPS это разделение периода переключения используется для преобразования выходного напряжения. Для понижающего преобразователя, чем больше рабочий цикл, тем больше энергии подводится к нагрузке и увеличивается среднее выходное напряжение. И наоборот, когда рабочий цикл уменьшается, среднее выходное напряжение уменьшается.

В связи с этим соотношением коэффициенты преобразования для понижающего ИИП составляют:
V _ВЫХ = D x V _IN
I _IN = D x I _OUT .

Важно отметить, что чем дольше любой ИИП остается в определенном интервале, тем больше относительные потери, совпадающие с этим интервалом. Для понижающего преобразователя низкий D означает большие относительные потери в контуре 2, поскольку этот контур доминирует в периоде переключения.

Потери коммутационных компонентов

МОП-транзистор и диод, изображенные на рис. 2 (и в большинстве других базовых топологий преобразователя), имеют тенденцию вызывать наибольшее снижение эффективности из-за природы этих полупроводниковых устройств. Оба являются жертвами двух видов потери мощности: потери проводимости и потери переключения.

Более простой для понимания — это потеря проводимости. Интуитивно понятно, что там, где есть ток, естественно будет противодействие току, и в результате будет тратиться энергия.И полевой МОП-транзистор, и диод действуют как переключатели, которые направляют ток через цепь, когда любое устройство включено в течение каждого интервала переключения. Следовательно, при включении этого конкретного устройства будут возникать потери проводимости из-за сопротивления открытого МОП-транзистора (R _DSon ) и прямого напряжения диода.

Поскольку ток MOSFET течет только тогда, когда он включен, потери проводимости MOSFET (P _CONDmosfet ) приблизительно равны произведению R _DSon , рабочего цикла и квадрата тока в открытом состоянии:

P _CONDmosfet = I _{MOSFETon (сред.)} ² x R _DSon x D

, где I _{MOSFETon (avg)} — средний ток MOSFET за интервал включения.Ссылаясь на понижающий преобразователь на рис.2 , MOSFET проводит выходной ток (I _OUT ), когда он включен, в результате чего предполагаемые потери проводимости MOSFET составляют:

P _CONDmosfet = I _OUT ² x R _DSon x (V _OUT / V _IN )

В то время как потери проводимости MOSFET пропорциональны рассеянию на его низком R _DSon , потери проводимости диода зависят от сравнительно большего прямого напряжения (V _F ).Таким образом, диоды обычно имеют большие потери проводимости, чем полевые МОП-транзисторы. Потери проводимости диода пропорциональны прямому току, VF и времени проводимости. Поскольку диод будет проводить, когда MOSFET выключен, потери проводимости диода (P _CONDdiode ) приблизительно равны:

P _CONDдиод = I _{DIODEon (avg)} x V _F x (1-D)

, где I _{DIODEon (avg)} — средний ток диода за интервал включения. В рис. 2 средний прямой ток диода равен I _OUT во время его интервала проводимости.Следовательно, P _CONDдиод для понижающего преобразователя оценивается как:

P _CONDдиод = I _OUT x V _F x (1 — V _OUT / V _IN )

Из этих уравнений становится очевидным, что чем дольше какое-либо устройство остается включенным в течение каждого интервала переключения, тем больше относительные потери проводимости этого устройства. Для понижающего преобразователя, чем ниже установлено выходное напряжение (при постоянном входном напряжении), тем больше диод способствует потере мощности, поскольку он проводит большую часть интервала переключения.

Возможно, менее интуитивно понятны потери переключения MOSFET и диодов, которые возникают из-за неидеальности их характеристик переключения. Для перехода устройств из полностью выключенного состояния в полностью включенное и наоборот требуется время, что приводит к энергопотреблению при изменении состояния устройства.

Упрощенный график напряжения сток-исток (V _DS ) и тока сток-исток (I _DS ) обычно дается для объяснения потерь при переключении, встречающихся в полевых МОП-транзисторах.Верхний график рис. 3 изображает такие формы сигналов, в которых не мгновенные переходы напряжения и тока происходят во время t _SWon и t _SWoff из-за зарядки и разрядки емкостей, обнаруженных в MOSFET.

Как показано на графиках, ток полной нагрузки (I _D ) должен быть передан на полевой МОП-транзистор до того, как его V _DS уменьшится до конечного значения в открытом состоянии (= I _D x R _DSon ). И наоборот, переход выключения требует, чтобы V _DS увеличился до своего конечного значения выключенного состояния до того, как ток будет передан от полевого МОП-транзистора.Эти переходы приводят к перекрытию форм сигналов напряжения и тока и приводят к рассеянию мощности, как показано на нижнем графике рис. 3 .

Времена переключения более или менее постоянны по частоте, что приводит к увеличению потерь переключения по мере увеличения частоты SMPS. Это можно понять, отметив, что периоды постоянного перехода потребляют больше доступного периода переключения по мере того, как этот период переключения сокращается.

Переключение переключения, которое требует только одну двадцатую рабочего цикла, будет иметь гораздо меньшее влияние на эффективность, чем переключение, которое потребляет одну десятую рабочего цикла.Из-за своей частотной зависимости коммутационные потери преобладают над потерями проводимости на высоких частотах.

Потери переключения полевого МОП-транзистора

(P _SWmosfet ) оцениваются путем применения треугольной геометрии к (рис. 3) для получения следующего уравнения:

P _SWmosfet 0,5 x V _D x I _D x (t _SWon + t _SWoff ) x f _s

, где V _D — напряжение сток-исток полевого МОП-транзистора во время отключения, I _D — ток канала во время работы, а t _SWon и t _SWoff — включение и выключение. -время перехода соответственно.Для понижающего преобразователя V _IN подается на полевой МОП-транзистор во время выключенного состояния, и он передает I _OUT , когда он включен.

Чтобы продемонстрировать вышеупомянутые уравнения проводимости и коммутационных потерь полевого МОП-транзистора, был использован осциллограф для захвата сигналов V _DS и I _DS типичного интегрированного полевого МОП-транзистора высокого напряжения в понижающем преобразователе. Условия схемы были следующие: V _IN = 10 В, V _OUT = 3,3 В, I _OUT = 500 мА, R _DSon = 0.1 Ом, f _S = 1 МГц, и переходный процесс переключения (t _ON + t _OFF ) составляет 38 нс.

Как видно из Рис. 4 , переключение не происходит мгновенно, и перекрытие форм сигналов тока и напряжения приводит к потере мощности, обозначенной нижним сигналом. Форма волны тока нарастает, поскольку I _DS следует за током катушки индуктивности в течение цикла «включено» ( рис. 2 ), что приводит к большим потерям переключения, возникающим во время переходного процесса «выключено».

Используя ранее упомянутые приближения, вычисляются общие средние потери MOSFET:

P _Tmosfet = P _CONDmosfet + P _SWmosfet

= I _OUT ² x R _DSon x (V _OUT / V _IN ) + 0,5 x V _IN x I _OUT x (t _SWon + t _SWoff ) xf _с

= 0,5 ² x 0,1 x 0,33 + 0,5 x 10 x 0,5 x (38 x 10 ^-9 ) x 1 x 10 ⁶

8.3 мВт + 95 мВт

P _Tmosfet = 103,3 мВт

Результат соответствует среднему значению 117,4 мВт нижней кривой. Обратите внимание, что в этом случае f _S достаточно велико, чтобы P _SWmosfet преобладал над потерями проводимости.

Как и полевой МОП-транзистор, диод также демонстрирует потери при переключении. Однако эти потери в значительной степени зависят от времени обратного восстановления (t _RR ) используемого диода. Потери при переключении диода возникают при переходе диода из состояния прямого смещения в обратное.

Заряд, присутствующий в диоде из-за прямого тока, должен быть снят с перехода, поскольку к нему приложено обратное напряжение, что приводит к всплеску тока (I _RRpeak ), противоположному прямому току. Это действие приводит к потере мощности V × I, поскольку во время этого события обратного восстановления на диод подается обратное напряжение. На рис. 5 представлен упрощенный график периода обратного восстановления pn-диода.

Когда характеристики обратного восстановления диода известны, для оценки потерь мощности переключения (P _{SW диод} ) диода используется следующее уравнение:

P _{SW диод} 0.5 x V _REVERSE x I _RRpeak x t _RR2 x f _s

, где V _REVERSE — напряжение обратного смещения на полевом МОП-транзисторе, I _RRpeak — пиковый ток обратного восстановления, t _RR2 — это часть времени обратного восстановления после пикового значения I _RR . Для понижающего преобразователя V _IN смещает диод в обратном направлении после включения полевого МОП-транзистора.

Чтобы продемонстрировать уравнения диодов, на Рис. 6 показаны формы сигналов напряжения и тока, наблюдаемые для pn-переключающего диода в типичном понижающем преобразователе.V _IN = 10 В, V _OUT = 3,3 В, измеренное I _RRpeak = 250 мА, I _OUT = 500 мА, f _S = 1 МГц, t _RR2 = 28 нс и В _F = 0,9 В. Используя эти значения:

P _{TOTAL диод} = P _{SW диод} + P _{COND диод}

(1 — V _OUT / V _IN ) x I _OUT x V _F + 0,5 x V _IN x I _RRpeak x t _RR2 x f _S

= (1-0.33) x 0,5 x 0,9 + 0,5 x 10 x 0,25 x 28 x 10 ^-9 x 1 x 10 ⁶

= 301,5 мВт + 35 мВт

= 336,5 мВт

Этот результат совпадает со средней потерей мощности 358,7 мВт, указанной на нижнем графике рис. 6 . Из-за большого значения V _F и большого интервала проводимости диода, а также из-за того, что t _RR является относительно быстрым, потери проводимости (P _{SW диод} ) преобладают в диоде.

Учитывая предыдущее обсуждение, что можно сделать, чтобы уменьшить потери, вызванные переключающими компонентами источника питания? Простой ответ — выбирайте полевые МОП-транзисторы с низким R _DSon и быстрыми переходными процессами, а также диоды с низким V _F и быстрым периодом восстановления.

Несколько явлений напрямую влияют на сопротивление полевого МОП-транзистора в открытом состоянии. Естественно, что R _DSon увеличивается с увеличением размеров кристалла и напряжения пробоя сток-исток (V _BRdss ) из-за увеличения количества полупроводникового материала в устройстве. Таким образом, увеличение размера полевого МОП-транзистора может привести к снижению эффективности, которого могло бы не быть у меньшего по размеру, правильно выбранного устройства.

Кроме того, из-за положительного температурного коэффициента полевого МОП-транзистора R _DSon увеличивается с увеличением температуры кристалла.Таким образом, необходимо соблюдать надлежащие методы управления температурным режимом, чтобы поддерживать низкие температуры перехода и гарантировать, что R _DSon не будет чрезмерно расти.

Сопротивление в открытом состоянии также изменяется обратно пропорционально смещению затвор-исток, вплоть до определенного значения. Следовательно, рекомендуется максимальное напряжение управления затвором для достижения самого низкого R _DSon , с учетом увеличенных потерь управления затвором, возникающих при этом. Однако напряжение управления затвором в ИИП часто не регулируется. То есть, если только опция не позволяет пользователю сделать это, например, самонастройка источника питания IC, или когда внешний драйвер затвора используется для проекта SMPS.

Коммутационные потери

MOSFET зависят от емкости устройства. Большие емкости заряжаются медленнее, в результате чего переходы при переключении длятся дольше и рассеивают больше энергии. Емкость Миллера, обычно называемая емкостью обратной передачи (C _RSS ) или емкостью затвор-сток (C _GD ) в таблицах данных MOSFET, является основным фактором времени перехода во время переключения.

Заряд, необходимый для емкости Миллера, обозначается Q _GD и, как и в случае емкости Миллера, должен быть минимальным для более быстрого переключения.Поскольку емкость полевого МОП-транзистора также зависит от размера кристалла, обычно рассматривается компромисс между потерями проводимости и коммутационными потерями, при этом особое внимание уделяется частоте коммутации схемы.

Для диода прямое напряжение должно быть минимизировано, так как потери из-за него могут быть большими. Прямое напряжение обычно находится в диапазоне от 0,7 В до 1,5 В для небольших диодов с более низким номиналом. Опять же, размеры, процесс и номинальное напряжение влияют на прямое напряжение и время обратного восстановления, при этом более высокие характеристики и большие размеры демонстрируют более высокие V _F и t _RR , что приводит к большим потерям.

Переключающие диоды, предназначенные для высокоскоростных приложений, часто классифицируются по скорости, а именно: быстрые, сверхбыстрые и сверхбыстрые восстанавливающиеся диоды, причем время обратного восстановления уменьшается с увеличением скорости. Быстрые диоды имеют тенденцию иметь t _RR за сотни наносекунд, в то время как сверхбыстрые диоды имеют тенденцию к нескольким десяткам наносекунд.

Хотя pn-диоды обычно имеют большие падения напряжения в прямом направлении, они также доступны с большими номинальными значениями напряжения и тока, что делает их пригодными для приложений с более высокой мощностью.Но даже с оптимизированными диодами V _F и _RR , как правило, не встретишь высокоскоростной восстанавливающий диод в маломощных или портативных устройствах, поскольку потери энергии слишком велики.

В качестве возможной альтернативы диодам с быстрым восстановлением в маломощных приложениях диоды Шоттки предлагают практически полное время восстановления и V _F , что почти вдвое меньше, чем у диодов с быстрым восстановлением (часто от 0,4 В до 1 В), но недоступно с такими высокими номинальными напряжениями, как у диодов с быстрым восстановлением.Из-за преимуществ диоды Шоттки широко используются в приложениях с низким энергопотреблением, чтобы значительно снизить потери мощности, связанные с переключающим диодом, особенно в приложениях с низким рабочим циклом.

Однако даже при низком падении прямого напряжения диод Шоттки может иметь недопустимые потери проводимости в низковольтных устройствах. Рассмотрим понижающий выход 1,5 В, где используется типичный диод Шоттки 0,5 В. Это 33% выходного напряжения во время диодной проводимости!

Эту ситуацию с высокими потерями можно улучшить, воспользовавшись преимуществом низкого R _DSon полевого МОП-транзистора в методе, называемом синхронным выпрямлением.Здесь полевой МОП-транзистор заменяет диод (сравните , рис. 1, и , рис. 2, ) и синхронизируется с другим полевым МОП-транзистором, так что оба они проводят попеременно во время соответствующих интервалов переключения. Теперь относительно высокое напряжение V _F диода заменено гораздо меньшим падением напряжения R _DSon (в зависимости от тока) полевого МОП-транзистора, компенсируя потерю эффективности из-за проводимости диода.

Однако у синхронного выпрямления есть свои недостатки, такие как повышенная сложность и стоимость, и он может не оказаться значительным преимуществом для очень высоких уровней тока, поскольку потери проводимости полевого МОП-транзистора возрастают пропорционально квадрату его тока.Кроме того, поскольку мощность расходуется при включении затвора синхронного выпрямителя, инженер должен взвесить эффективный штраф дополнительного привода затвора.

Лист данных

До сих пор обсуждались потери мощности, присущие двум основным компонентам универсального импульсного источника питания, полевому МОП-транзистору и диоду. Вспоминая схему понижения в Fig. 1 , можно сказать, что несколько важных аспектов ИС контроллера, которые помогают в ее очень эффективной работе, можно связать, обратившись к ее техническому описанию.

Во-первых, коммутационные компоненты интегрированы в корпус ИС, что позволяет сэкономить место и снизить паразитные потери. Во-вторых, используются полевые МОП-транзисторы DSon с низким R _{. Они указаны на 0,27 Ом (тип.) И 0,19 Ом (тип.) Для NMOS и PMOS, соответственно. В-третьих, используется синхронное выпрямление. Для 50% рабочего цикла и нагрузки 500 мА это снижает более низкие потери проводимости переключателя с 250 мВт при использовании диода 1 В до примерно 34 мВт из-за низкого R DSon синхронного транзистора NMOS.}

Хотя коммутационные компоненты сильно влияют на эффективность SMPS, есть больше областей, в которых инженер может бороться с агрессивными эффектами потери мощности. Во второй части этой статьи будут рассмотрены потери в пассивных компонентах и ​​важные особенности повышения эффективности микросхем SMPS.

Список литературы

Мохан, Нед; Undeland, Tore M .; и Роббинс, Уильям П. Силовая электроника: преобразователи, приложения и дизайн , главы 2, 7, 20 и 22, John Wiley & Sons, третье издание, 2003 г.

Как работают схемы импульсного источника питания (SMPS)

SMPS — это аббревиатура от слова Switch Mode Power Supply. Название ясно предполагает, что концепция имеет какое-то или полностью отношение к импульсам или переключению используемых устройств. Давайте узнаем, как адаптеры SMPS работают для преобразования сетевого напряжения в более низкое напряжение постоянного тока.

Преимущество топологии SMPS

В адаптерах SMPS идея состоит в том, чтобы переключить входное напряжение сети на первичную обмотку трансформатора, чтобы на вторичной обмотке трансформатора можно было получить более низкое значение постоянного напряжения.

Однако вопрос в том, что то же самое можно сделать с обычным трансформатором, так зачем нужна такая сложная конфигурация, когда функционирование может быть просто реализовано через обычные трансформаторы?

Что ж, концепция была разработана именно для того, чтобы исключить использование тяжелых и громоздких трансформаторов с более эффективными версиями схем питания SMPS.

Хотя принцип работы очень похож, результаты сильно отличаются.

Наше сетевое напряжение также представляет собой пульсирующее напряжение или переменный ток, который обычно подается в обычный трансформатор для требуемых преобразований, но мы не можем сделать трансформатор меньше по размеру даже при токе всего 500 мА.

Причиной этого является очень низкая частота наших сетевых входов переменного тока.
При 50 Гц или 60 Гц значение чрезвычайно низкое для реализации их на выходах с большим постоянным током с использованием трансформаторов меньшего размера.

Это связано с тем, что с уменьшением частоты потери на вихревые токи с намагниченностью трансформатора увеличиваются, что приводит к огромным потерям тока из-за тепла, и, следовательно, весь процесс становится очень неэффективным.

Чтобы компенсировать вышеуказанные потери, используются относительно большие сердечники трансформатора с соответствующей толщиной провода, что делает весь блок тяжелым и громоздким.

Импульсный источник питания очень ловко решает эту проблему.

Если более низкая частота увеличивает потери на вихревые токи, это означает, что увеличение частоты приведет к прямо противоположному эффекту.

Это означает, что если частота увеличивается, трансформатор можно сделать намного меньше, но при этом он будет обеспечивать более высокий ток на их выходах.

Это именно то, что мы делаем со схемой SMPS. Давайте разберемся в функционировании с помощью следующих пунктов:

Как работают адаптеры SMPS

На схеме импульсного источника питания входной переменный ток сначала выпрямляется и фильтруется для получения постоянного тока соответствующей величины.

Вышеупомянутый постоянный ток применяется к конфигурации генератора, состоящей из высоковольтного транзистора или МОП-транзистора, установленного на первичной обмотке небольшого ферритового трансформатора хорошего размера.

Схема становится автоколебательной конфигурацией, которая начинает колебаться с некоторой заранее определенной частотой, установленной другими пассивными компонентами, такими как конденсаторы и резисторы.

Частота обычно выше 50 кГц.

Эта частота индуцирует эквивалентное напряжение и ток на вторичной обмотке трансформатора, определяемые количеством витков и шириной SWG провода.

Из-за использования высоких частот потери на вихревые токи становятся пренебрежимо малыми, а выход постоянного тока с высоким током может быть получен через меньшие трансформаторы с ферритовым сердечником и относительно более тонкую проволочную обмотку.

Однако вторичное напряжение также будет на первичной частоте, поэтому оно снова выпрямляется и фильтруется с помощью диода быстрого восстановления и конденсатора высокой емкости.

Результатом на выходе является идеально отфильтрованный низкий постоянный ток, который можно эффективно использовать для управления любой электронной схемой.

В современных версиях ИИП на входе вместо транзисторов используются high-end микросхемы.
Микросхемы оснащены встроенным высоковольтным МОП-транзистором для поддержания высокочастотных колебаний и многими другими функциями защиты.

Что делают встроенные средства защиты SMPS?

Эти ИС имеют соответствующие встроенные схемы защиты, такие как защита от лавин, защита от перегрева и защита от перенапряжения на выходе, а также функцию импульсного режима.

Защита от лавин гарантирует, что ИС не будет повреждена при резком включении питания.

Защита от перегрева обеспечивает автоматическое отключение ИС, если трансформатор неправильно намотан, и потребляет больше тока от ИС, что делает ее опасно горячей.

Пакетный режим — интересная функция, включенная в современные блоки SMPS.

Здесь выходной постоянный ток возвращается на чувствительный вход ИС. Если по какой-либо причине, обычно из-за неправильной вторичной обмотки или выбора резисторов, выходное напряжение поднимается выше определенного заранее определенного значения, ИС отключает переключение входа и пропускает переключение в прерывистые всплески.

Это помогает контролировать напряжение на выходе, а также ток на выходе.

Эта функция также гарантирует, что если выходное напряжение настроено на некоторую высокую точку и выход не загружен, ИС переключается в пакетный режим, гарантируя, что устройство работает с перебоями до тех пор, пока выход не будет достаточно загружен, это экономит энергию блок в режиме ожидания или когда выход не работает.

Обратная связь от выходной секции к ИС осуществляется через оптопару, так что выход остается в стороне от входной сети переменного тока высокого напряжения, избегая опасных ударов.

Введение в конструкцию импульсного источника питания

В этой статье представлен простой для понимания подход к объяснению того, как работает импульсный, понижающий или повышающий источник питания.

Опубликовано 29 июля 2020 г. Джон Тил

Большинство производителей или энтузиастов знают, что делает повышающий или понижающий преобразователь, и использовали их раньше. Однако, как правило, они просто следуют шаблонному подходу к его разработке, не понимая, что именно он делает.

Давайте подробнее рассмотрим, как работает импульсный, понижающий или повышающий источник питания. Цель состоит не в том, чтобы предоставить подробную информацию о конструкции этих типов источников питания, а в том, чтобы понять их работу достаточно хорошо, чтобы принимать обоснованные решения по необходимым аспектам таких схемных блоков. Таким образом, математика и любые расчетные уравнения будут сведены к минимуму.

Кроме того, существует множество топологий импульсных источников питания или SMPS. Чтобы сохранить философию этой статьи, обсуждение будет ограничено простыми схемами повышения или понижения.

Основные компоненты

Прежде чем перейти к тому, как работает настоящий SMPS, в этом разделе кратко рассматриваются некоторые из основных компонентов типичного SMPS.

Электронный выключатель

Для всех импульсных источников питания требуется переключатель с электронным управлением. Два наиболее часто используемых устройства в маломощных SMPS — это биполярный NPN-транзистор и N-Ch MOSFET. На рисунке 1 показаны эти два типа переключателей.

Рисунок 1 — Два распространенных типа электронных переключателей, используемых в простых схемах SMPS

Ключевым моментом здесь является то, что эти переключатели работают в режиме насыщения: либо полностью насыщенный, либо полностью отключенный.В обоих случаях рассеиваемая мощность в коммутаторе сводится к минимуму. Фактически, именно так импульсные источники питания достигают высокого КПД по сравнению с линейными регуляторами.

Конденсаторы и индукторы

Несмотря на то, что в импульсном источнике питания индуктор является элементом схемы, который играет наиболее важную роль в его основной работе, этот раздел начнется с обзора некоторых ключевых рабочих характеристик конденсатора, поскольку это концептуально легче понять.Это создает основу для лучшего понимания роли катушки индуктивности.

Рассмотрим схему, состоящую из полностью разряженного конденсатора, заряжающегося от источника напряжения, как показано на рисунке 2. Когда переключатель замыкается, напряжение конденсатора экспоненциально возрастает в сторону напряжения батареи V, в то время как ток экспоненциально уменьшается.

Рисунок 2 — Конденсатор заряжается от источника напряжения

Обратите внимание: чтобы быть технически правильным, напряжение конденсатора никогда не достигнет того же значения, что и напряжение батареи, и ток никогда не упадет полностью до нуля.Однако для всех практических целей они в конечном итоге приближаются к своим соответствующим пределам, чтобы считаться равными.

Также обратите внимание, что когда переключатель замыкается, ток конденсатора мгновенно повышается до значения, фактически равного V / R. Напряжение, с другой стороны, медленно возрастает до значения V.

Теперь рассмотрим схему на рисунке 3 ниже. Когда переключатель S1 замкнут, конденсатор заряжается как обычно.

Теперь, если позже (T) переключатель S1 размыкается, а S2 одновременно замыкается, то напряжение на конденсаторе будет равным некоторому напряжению V _OPEN , которое будет зависеть от того, как долго конденсатор заряжался до к открытию переключателя.

Рисунок 3 — Заряд и разряд конденсатора

То же самое напряжение теперь будет на R, заставляя ток течь через R, равный V _OPEN / R в момент переключения переключателей.

Конденсатор, конечно, разрядится, отдав часть своей накопленной энергии, и напряжение на R будет уменьшаться, как и ток. Здесь следует отметить, что ток конденсатора мгновенно изменился на противоположный.

Таким образом, вместо того, чтобы течь в конденсатор, как при включении переключателя S1, теперь она вытекает из конденсатора. Однако напряжение на конденсаторе не изменилось.

Теперь перейдем к индукторам. На рисунке 4 показан индуктор, приводимый в действие источником постоянного напряжения — батареей. Он во многом похож на конденсатор, за исключением того, что кривые тока и напряжения поменяны местами.

Рисунок 4 — Индуктор, приводимый в действие источником постоянного напряжения

Максимальный ток, который может быть в конечном итоге достигнут, будет ограничен сопротивлением постоянному току провода, из которого изготовлен индуктор, плюс любой фактический физический резистор в последовательной цепи и напряжением батареи.

На рис. 5 показано, что происходит, когда переключатель S1 размыкается для катушки индуктивности, которая некоторое время «заряжалась». В некоторой степени аналогично корпусу конденсатора, но с заменой ролей тока и напряжения, напряжение на катушке индуктивности мгновенно меняется на противоположное, чтобы поддерживать тот же ток, протекающий в тот момент, когда переключатели переключаются.

Рисунок 5 — Индуктор, приводящий в действие нагрузку

Опять же, чтобы провести параллель с конденсатором, на этот раз напряжение на катушке индуктивности изменило направление, в то время как направление тока осталось прежним.Также, как и в случае с конденсатором, напряжение и ток будут медленно падать, поскольку катушка индуктивности откажется от накопленной энергии.

Повышающий преобразователь

Из предыдущих описаний основных компонентов типичного SMPS теперь можно понять работу повышающего преобразователя. Это показано на рисунке 6.

Рисунок 6 — Блок-схема повышающего преобразователя

Как показано, переключатель представляет собой электронный переключатель, такой как N-канальный полевой МОП-транзистор, который постоянно замыкается или размыкается.Когда он замкнут, возрастающий ток индуктора протекает через переключатель, и напряжение на катушке индуктивности медленно падает, но в течение этого периода оно снова находится в оппозиции к напряжению батареи.

При размыкании, как показано ранее, напряжение на катушке индуктивности мгновенно меняет направление, чтобы сохранить ток. Этот индуктивный ток должен течь через диод D в нагрузку, поскольку переключатель открыт.

Обратите внимание, что напряжение индуктора теперь добавляется к напряжению батареи, поэтому выходное напряжение будет выше, чем напряжение батареи.Таким образом достигается действие повышающего преобразователя.

Также обратите внимание, что ток, который изначально протекал в индукторе, когда переключатель был замкнут, будет зависеть от того, как долго переключатель был замкнут. Этот ток будет использоваться для зарядки конденсатора, а также течет в нагрузку.

ПРИМЕЧАНИЕ: Обязательно загрузите бесплатное руководство в формате PDF 15 шагов для разработки нового электронного оборудования .

Управляя током катушки индуктивности, можно также управлять напряжением конденсатора и, следовательно, напряжением нагрузки.Другими словами, контролируя время включения переключателя, можно управлять напряжением на нагрузке.

Понижающий (понижающий) преобразователь

Базовый понижающий преобразователь состоит из тех же компонентов, что и повышающий, но они устроены иначе. На рисунке 7 показана блок-схема базового понижающего преобразователя. Когда переключатель замкнут, ток в катушке индуктивности увеличивается, как и раньше.

Рисунок 7 — Блок-схема понижающего преобразователя

Напряжение в любой момент на катушке индуктивности в течение этого периода ВКЛ будет противоположным напряжению батареи.Таким образом, конденсатор и нагрузка будут видеть напряжение ниже напряжения батареи.

Когда переключатель находится в положении ВЫКЛ, напряжение на катушке индуктивности мгновенно меняет направление, чтобы поддерживать ток, протекающий в том же направлении, что и при включении переключателя. Диод D обеспечивает путь для этого обратного тока.

При правильном управлении временем переключения ВКЛ / ВЫКЛ на конденсаторе и нагрузочном резисторе может поддерживаться относительно стабильное напряжение ниже, чем напряжение батареи.

Контроллер SMPS

Даже несмотря на то, что почти все SMPS включают в себя микросхему, которая выполняет все функции управления, все же достаточно поучительно понять, как этого можно достичь.

Прежде чем вдаваться в это, следует упомянуть, что многие современные контроллеры SMPS включают в себя внутренний блок цифровой обработки, который позволяет использовать гораздо более сложные контуры управления, повышающие универсальность таких контроллеров.

На рисунке 8 показано, как можно создать простой аналоговый понижающий контроллер SMPS PWM.Он состоит из треугольной волны, питающей неинвертирующий вход компаратора, и образца выходного напряжения, питающего инвертирующий вход компаратора.

Рисунок 8 — Реализация простого аналогового ШИМ-контроллера SMPS

Выход компаратора будет высоким каждый раз, когда уровень неинвертирующего входа выше, чем уровень инвертирующего входа. Обратите внимание, что в реальной реализации есть компоненты контура управления и фильтра и гистерезиса для предотвращения нестабильности в контуре управления.Здесь они не показаны.

На рисунке 9 показано, что происходит при трех разных уровнях выходного напряжения. Когда выходное напряжение высокое, время включения выхода ШИМ невелико. Это, конечно, приводит к снижению выходного напряжения.

И наоборот, когда выходное напряжение низкое, время включения больше, что приводит к увеличению выходного напряжения. Таким образом, путем правильного выбора значений компонентов может быть достигнуто стабильное регулируемое выходное напряжение.

Рисунок 9 — Формы сигналов ШИМ при различных выходных напряжениях

Сравнение коммутации и линейных регуляторов

Существует два вида регуляторов напряжения: импульсные и линейные.Если выходное напряжение выше входного, то необходимо использовать импульсный источник питания, будь то прямое усиление или какая-либо другая топология переключения.

В противном случае можно выбрать между ИИП или линейным источником питания. Итак, каковы некоторые соображения?

Во-первых, эффективность. Рассмотрим, например, случай регулятора на 1 А с входным напряжением 10 В и выходным напряжением 5 В. Тогда мощность, рассеиваемая линейным регулятором (и теряемая в виде тепла), будет равна (10 В — 5 В) * 1 А = 5 Вт.

Это много потраченной впустую мощности, и большинство линейных регуляторов не справятся с такой большой рассеиваемой мощностью.

КПД в данном конкретном случае составляет в лучшем случае 50%. Это означает, что половина мощности тратится впустую в виде тепла, и только половина мощности идет на выходную нагрузку. Еще хуже, если входное напряжение выше 10 В.

С другой стороны, SMPS может достичь КПД 90% или больше. В этом случае он потратит только 0,5 Вт. Даже если потеря энергии не является прямой проблемой, вы должны подумать, как безопасно отвести это избыточное тепло, особенно в замкнутых пространствах.

Какие недостатки использования SMPS? Первый — стоимость и сложность. Типичный SMPS более сложен и использует больше компонентов, чем линейный. Следовательно, это обычно стоит дороже.

Еще одна проблема с SMPS — наличие пульсаций на регулируемом выходе. Это просто из-за его характера переключения. В некоторых случаях это может быть не слишком важно. В случаях, когда это имеет значение, это обычно решается установкой SMPS, за которым следует линейный пострегулятор.

SMPS доводит входное напряжение до точки, при которой разница между входным и выходным напряжением линейного пострегулятора достаточно мала.В свою очередь, линейный регулятор обеспечивает более чистое регулируемое напряжение на нагрузку.

Еще одна проблема — плохой переходный отклик. Например, ИИП требуется некоторое время, чтобы отреагировать и компенсировать скачок или внезапное изменение нагрузки. Требуется несколько циклов ШИМ, чтобы должным образом вернуть выходной сигнал в нужное положение.

Наконец, опять же из-за своей коммутационной природы, SMPS действительно создает нежелательные радиочастотные помехи. Таким образом, помимо дополнительной сложности, по всей вероятности, потребуется больше компонентов для подавления радиочастот, чтобы конечный продукт соответствовал требованиям по эмиссии.

Не только это, но в некоторых случаях блоки обработки сигналов низкого уровня должны быть правильно размещены, и следует уделить определенное внимание правильной трассировке трассировки печатной платы, чтобы минимизировать влияние этого шума переключения на эти чувствительные участки.

Заключение

В этой статье дается краткое введение в импульсные регуляторы и некоторые их характеристики. Теперь вы должны иметь гораздо лучшее фундаментальное представление о работе импульсных источников питания.

Надеюсь, эта информация поможет вам выбрать лучшие блоки питания, соответствующие требованиям к питанию вашего конечного продукта.

Автор Шон Литингтун

Наконец, не забудьте загрузить бесплатно PDF : Ultimate Guide to Develop and Sell Your New Electronic Hardware Product . Вы также будете получать мой еженедельный информационный бюллетень, в котором я делюсь премиальным контентом, недоступным в моем блоге.

Другой контент, который может вам понравиться:

Простые коммутируемые источники питания — PocketMagic

Импульсный источник питания — это электронный источник питания, который эффективно преобразует электроэнергию.Они работают, подавая постоянное напряжение (сначала выпрямленное из переменного тока, если необходимо) на ферритовый высокочастотный трансформатор через управляемый генератор. Выходной выпрямитель преобразует высокочастотный выход переменного тока в постоянный. Механизм обратной связи (обычно реализуемый через оптрон, регулирует выход). При таком подходе можно использовать переменный рабочий цикл колебаний и параметры трансформатора для управления выходным напряжением и током.

Создать простой импульсный источник питания легко! Приведенные ниже схемы были разработаны Дэниелом.Вся заслуга ему. Я не тестировал эти источники питания, но, просмотрев схемы, они кажутся правильными. Мало что может пойти не так, как надо, с простым дизайном, для более сложных вам следует перепроверить. Вы можете найти больше его проектов на его веб-странице. Не пугайтесь его грязных досок для тестов, у него действительно есть очень интересные идеи!

1. Простейший ИИП . Подробности здесь:

Это маломощный источник питания, использующий оптрон для регулирования выхода.Легко и прямо.

2. Одиночный биполярный транзистор SMPS . Подробности здесь.

В нем используется высоковольтный транзистор в простом генераторе Армстронга с катушкой обратной связи. Выход регулируется с помощью оптрона.
А вот второй вариант с улучшенным выпрямлением:

И, наконец, другой вариант, в котором используется еще меньше деталей, без оптопары:

3. ИИМ мощностью 90 Вт с МОП-транзистором . Подробности здесь.

Сюда также входит базовая защита от короткого замыкания.

4. UC3842 SMPS . Подробности здесь.

Отличный, но простой пример использования специальной микросхемы UC3842 SMPS. В нем не используется оптопара, поэтому регулировка не идеальна. Вместо этого используется катушка обратной связи.
Вот вариант получше, с оптопарой:

5. IR2153 SMPS . Подробности здесь.

Это более мощный источник питания, так как он использует полумост для управления ферритовым трансформатором. К сожалению, это не регулируется ограничениями IR2153 (нет обратной связи), но все же схема отличная.
Другой вариант доступен здесь.

Вот источник очень сильного тока:

Отлично подходит для некоторых экзотических приложений, эта схема использует несколько МОП-транзисторов в параллельном драйвере IR2153 через тотемные полюса. Командная часть схемы нуждается в достаточном токе, чтобы открывать ворота всех МОП-транзисторов. Я не рекомендую такой подход.

6. ИИП UC3844 с оптопарой . Подробности здесь.

Лучше SMPS, поскольку он использует как выделенную IC, так и правильный механизм обратной связи с оптопарой.

7. ИИП высокой мощности для сварки . Подробности здесь.

Дэниел неправильно назвал этот «инвертор». Это по-прежнему источник высокого или низкого напряжения, с плохой стабилизацией напряжения, но способный выдерживать большой ток.
Вот еще один вариант с регулируемым напряжением и улучшенным регулированием!

Очевидно, что вышеперечисленные схемы построены в режиме «сделай сам». Отличное начало знакомства с конструкциями SMPS.

Импульсные источники питания

Введение

Импульсные источники питания

(часто сокращенно SMPS) значительно сложнее, чем линейные регулируемые источники питания, описанные в модуле источников питания 2.Основное преимущество этой дополнительной сложности состоит в том, что работа в коммутируемом режиме дает регулируемые источники постоянного тока, которые могут обеспечивать большую мощность для данного размера, стоимости и веса блока питания.

Конструкции с переключением режимов

Используется ряд различных типов дизайна. Если входом является сеть переменного тока (линия), переменный ток выпрямляется и сглаживается накопительным конденсатором перед обработкой преобразователем постоянного тока в постоянный для получения регулируемого выходного постоянного тока на требуемом уровне.Следовательно, SMPS можно использовать в качестве преобразователя переменного тока в постоянный для использования во многих цепях с питанием от сети или постоянного тока в постоянный, повышая или понижая напряжение постоянного тока по мере необходимости, в системах с батарейным питанием.

Блок-схема переключаемого режима

Рис. 3.0.1 Типовая блок-схема SMPS

На рис. 3.0.1 показан пример блок-схемы типичного SMPS с входом сети переменного тока (линейным) и регулируемым выходом постоянного тока. Выходное выпрямление и фильтр изолированы от секции высокочастотной коммутации высокочастотным трансформатором, а обратная связь по управлению напряжением осуществляется через оптоизолятор.Блок схемы управления типичен для специализированных ИС, содержащих высокочастотный генератор, широтно-импульсную модуляцию, управление напряжением и током, а также секции отключения выхода.

Независимо от назначения SMPS, общей особенностью (после преобразования переменного тока в постоянный, если требуется) является использование высокочастотной прямоугольной волны для управления схемой электронного переключения питания. Эта схема используется для преобразования источника постоянного тока в высокочастотный сильноточный переменный ток, который различными способами, в зависимости от конструкции схемы, преобразуется в регулируемый выход постоянного тока.Причина этого процесса двойного преобразования заключается в том, что при изменении постоянного тока или частоты сети переменного тока на высокочастотный переменный ток компоненты, такие как трансформаторы, катушки индуктивности и конденсаторы, необходимые для обратного преобразования в стабилизированный источник постоянного тока, могут быть намного меньше и дешевле, чем те, которые необходимы для выполнения той же работы на сетевой (сетевой) частоте.

Высокочастотный переменный ток, создаваемый в процессе преобразования, представляет собой прямоугольную волну, которая обеспечивает средства управления выходным напряжением посредством широтно-импульсной модуляции.Это позволяет регулировать выходную мощность намного эффективнее, чем это возможно в линейно регулируемых источниках питания.

Комбинация прямоугольного генератора и переключателя, используемая в импульсных источниках питания, также может использоваться для преобразования постоянного тока в переменный. Таким образом, метод переключения режимов также может использоваться в качестве «инвертора» для создания источника переменного тока с потенциалом сети от источников постоянного тока, таких как батареи, солнечные панели и т. Д.

Регулировка напряжения

В большинстве импульсных источников питания обычно обеспечивается регулировка как линии (входное напряжение), так и нагрузки (выходное напряжение).Это достигается путем изменения отношения метки к пространству формы волны генератора перед ее применением к переключателям. Контроль отношения метки к пространству достигается путем сравнения обратной связи по напряжению на выходе источника питания со стабильным опорным напряжением. Используя эту обратную связь для управления отношением метки к пространству генератора, можно управлять рабочим циклом и, следовательно, средним выходным постоянным током схемы. Таким образом может быть обеспечена защита как от перенапряжения, так и от перегрузки по току.

В тех случаях, когда важно поддерживать электрическую изоляцию от сети, это обеспечивается с помощью трансформатора либо на входе переменного тока, где он также может использоваться для изменения напряжения переменного тока перед выпрямлением, либо между секциями управления источником питания. секции питания и выхода, где, помимо обеспечения изоляции, трансформатор с несколькими вторичными обмотками может выдавать несколько различных выходных напряжений.

Для обеспечения хорошо регулируемого выхода образец выходного напряжения постоянного тока обычно подается обратно в схему управления и сравнивается со стабильным опорным напряжением. Любая возникшая ошибка используется для управления выходным напряжением. Для поддержания гальванической развязки между входом и выходом обратная связь обычно осуществляется через такое устройство, как оптоизолятор.

ВЧ переключение

Использование высокой частоты для импульсного привода дает несколько преимуществ:

• Трансформатор будет ВЧ-типа, который намного меньше стандартного сетевого трансформатора.

• Частота пульсаций будет намного выше (например, 100 кГц), чем при линейном питании, поэтому требуется меньшее значение сглаживающего конденсатора.

• Также использование прямоугольной волны для управления переключающими транзисторами (режим переключения) гарантирует, что они рассеивают гораздо меньше энергии, чем обычный транзистор последовательного стабилизатора. Это снова означает, что для заданной выходной мощности можно использовать меньшие и более дешевые транзисторы, чем в линейных источниках питания аналогичного номинала.

• Использование трансформаторов меньшего размера и сглаживающих конденсаторов делает импульсные источники питания более легкими и менее громоздкими.Дополнительные затраты на сложную схему управления также компенсируются меньшими и, следовательно, более дешевыми трансформаторами и сглаживающими конденсаторами, что делает некоторые конструкции с переключаемым режимом менее дорогими, чем эквивалентные линейные источники питания.

Хотя линейные источники питания могут обеспечить лучшее регулирование и лучшее подавление пульсаций на низких уровнях мощности, чем источники с импульсным режимом, вышеуказанные преимущества делают SMPS наиболее распространенным выбором для блоков питания в любом оборудовании, где требуется стабилизированный источник питания для доставки средних и больших объемов. власти.

Недостатком использования такой высокочастотной прямоугольной волны в мощной цепи, такой как SMPS, является то, что создается много мощных высокочастотных гармоник, так что без очень эффективного RF-экранирования и фильтрации существует опасность того, что SMPS создаст радиочастотные помехи.

.