- Виды и принцип работы импульсных источников питания
- Основные узлы регулируемого блока питания
- Как подобрать компоненты
- Схемы лабораторных блоков питания
- Импульсный БП на tl494
- На п210 транзисторе
- На lm317
- На lt1083
- Регулировка напряжения и тока
- Как собрать лабораторный блок из китайских модулей
- Структурная и принципиальная схема основных частей блока
- Схемы инверторов
- Пуш-пульная схема
- Мостовая схема
- Полумостовая схема
- Однотактные схемы
- Силовой трансформатор
- Снаббер
- Выпрямитель
- Фильтр
- Схема управления
- Цепи обратной связи
- Схемы и изготовление импульсных блоков питания
- Мощный импульсный блок на ir2153
- Простой блок питания на полевом транзисторе
- Стабилизированный БП на SG3525
- Первое включение блока
Виды и принцип работы импульсных источников питания
Основной принцип работы импульсного источника питания (ИМИП) заключается в преобразовании постоянного напряжения (выпрямленного сетевого или от стороннего источника) в пульсирующее с частотой до сотен килогерц. Благодаря этому намоточные части (трансформаторы, дроссели) легкие и компактные.
По сути, IIP делятся на две категории:
- с импульсным трансформатором;
- с накопительной индуктивностью (может иметь и вторичные обмотки)
Первые аналогичны обычным трансформаторным сетевым источникам питания, их выходное напряжение регулируется изменением среднего тока через обмотку трансформатора. Последние работают по другому принципу – регулируются изменением количества накопленной энергии.
По другим функциям СМПС можно разделить на нестабилизированные и стабилизированные, однополярные и двухполярные и т д. Эти функции не носят столь принципиального характера.
Основные узлы регулируемого блока питания
Питание трансформатора осуществляется в большинстве случаев по следующей блок-схеме.
Трансформаторные узлы БП.
Понижающий трансформатор снижает напряжение сети до необходимого уровня. Полученное переменное напряжение преобразуется в импульсное с помощью выпрямителя. Выбор схемы зависит от схемы вторичных обмоток трансформатора.
Наиболее часто используется мостовая двухполупериодная схема. Реже — полуволна, так как она не позволяет полностью использовать мощность трансформатора, а уровень пульсаций выше. Если вторичная обмотка имеет производную среднюю точку, можно построить двухполупериодную цепь с двумя диодами вместо четырех.
Двухполупериодные выпрямители для трансформатора центральной точки.
Если трансформатор трехфазный (и имеется трехфазная схема для возбуждения первичной обмотки), то выпрямитель можно собрать по трехфазной схеме. В этом случае уровень пульсаций самый низкий, а мощность трансформатора используется больше всего.
После выпрямителя установлен фильтр, который сглаживает импульсное напряжение до постоянного. Обычно фильтр состоит из оксидного конденсатора, соединенного параллельно с небольшим керамическим конденсатором.
Его назначение – компенсация конструктивной индуктивности оксидного конденсатора, выполненного в виде свернутой в рулон полоски фольги. В результате возникающая паразитная индуктивность такой катушки ухудшает фильтрующие свойства на высоких частотах.
Далее стабилизатор. Он может быть как линейным, так и импульсным. Импульсный сложнее и сводит на нет все преимущества трансформаторного БП в нише выходного тока до 2..3 ампера.
Если вам нужен выходной ток выше этого значения, то проще весь блок питания сделать по импульсной схеме, поэтому здесь обычно используется линейный стабилизатор.
Выходной фильтр выполнен на основе относительно небольшого оксидного конденсатора.
Обобщенная блок-схема пульсирующего блока питания.
Замена блоков питания строится по другому принципу. Поскольку потребляемый ток резко несинусоидален, на входе установлен фильтр. На работоспособность устройства это никак не влияет, поэтому многие промышленные производители БП эконом-класса его не устанавливают.
В простой самодельный источник его установить нельзя, а это приведет к тому, что устройства на микроконтроллерах, питающиеся от той же сети 220 вольт, начнут глючить или работать непредсказуемо.
Кроме того, напряжение сети выпрямляется и выравнивается. Преобразователь на транзисторных ключах в первичной цепи трансформатора создает импульсы амплитудой 220 вольт и высокой частотой — до нескольких десятков килогерц, в отличие от 50 герц в сети. Благодаря этому силовой трансформатор компактен и легок.
Напряжение вторичной обмотки выпрямляется и фильтруется. За счет высокой частоты преобразования здесь можно использовать конденсаторы меньшего размера, что положительно сказывается на габаритах устройства.
В фильтрах высокочастотного напряжения также становится целесообразным использование дросселей — малые индуктивности эффективно сглаживают высокочастотные пульсации.
Регулирование напряжения и ограничение тока осуществляются цепями обратной связи, на которые подается напряжение с выхода источника.
Если напряжение стало снижаться из-за увеличения нагрузки, схема управления увеличивает интервал открытого состояния ключей без уменьшения частоты (метод широтно-импульсного регулирования). При необходимости снижения напряжения (в том числе для ограничения выходного тока) сокращается время открытого состояния ключей.
Как подобрать компоненты
Для трансформаторного источника сначала выбирается трансформатор. В большинстве случаев его доделывают из того, что есть. Этот узел должен обеспечивать необходимый ток при максимальном напряжении.
Совокупность этих параметров дает полную мощность трансформатора. Для промышленных установок параметры можно найти в справочнике. Для случайных трансформаторов мощность можно определить по размерам сердечника (в сантиметрах).
Площадь ядра для различных типов трансформаторов.
Эффект рассчитывается по формуле:
P=S2/1,44, где:
- P мощность в ваттах;
- S — сечение в квадратных сантиметрах.
Экспертное мнениеСтановой АлексейИнженер-электронщик. Я работаю в мастерской по ремонту бытовой техники. Я занимаюсь схемотехникой. Задать вопрос Для практических целей мощность также должна быть умножена на эффективность.
Например, трансформатор с площадью сердечника 6 кв м при напряжении 35 вольт и выходном напряжении стабилизатора 30 вольт (общий КПД можно принять равным 0,75) способен отдавать мощность P = (36/1,44) * 0,75 = 18,75 Вт. Наибольший ток в этом случае будет I=P/U=18,75/35=0,5 А.
Если трансформатор пропускает ток, но вторичная обмотка рассчитана на другое напряжение, ее можно снять и намотать новую (если подходит). Количество витков рассчитывается следующим образом:
- количество оборотов на вольт определяется по формуле 50/S, где S – площадь сердечника в кв.см.;
- это значение умножается на требуемый уровень напряжения.
Так, для площади 6 см на 1 вольт это 50/6 = 8,3 витка на вольт. Для напряжения 35 вольт обмотка должна иметь 35*8,3=291 виток. Диаметр провода рассчитывается по формуле D=0,02, где I — сила тока в миллиамперах. На ток 5 ампер нужно взять провод диаметром 0,02*=70*0,02=1,4 мм.
Если для линейного регулятора выбирается мощный транзистор, то основным критерием применения является ток коллектора. Он должен с запасом покрывать ток нагрузки. Этот параметр для распространенных отечественных и зарубежных транзисторов приведен в таблице.
КТ818 (819) | 10 |
КТ825 (827) | двадцать |
КТ805 | пять |
СОВЕТ36 | 25 |
2Н3055 | пятнадцать |
MJE13009 | 12 |
При работе в режимах, близких к максимальному току, транзисторы необходимо устанавливать на радиаторы.
Также нужно учитывать такой параметр, как максимальное напряжение между коллектором и эмиттером. При входном напряжении 35 вольт и выходе 1,5 разница будет 33,5 вольта, для некоторых полупроводниковых приборов это недопустимо.
Емкость оксидного конденсатора после выпрямителя подбирается исходя из нагрузки. Есть формулы расчета параметров фильтров, но на практике подход прост: чем больше, тем лучше. Сверху на контейнер накладываются два ограничения:
- размеры конденсатора;
- пусковой ток на одну зарядку, который может быть значительным при большой емкости.
Выходной конденсатор БП может иметь емкость около 1000 мкФ.
Схемы лабораторных блоков питания
В интернете можно найти множество схем лабораторных блоков питания. Выбор определяется исходя из поставленных задач, квалификации мастера и наличия комплектующих.
Импульсный БП на tl494
Микросхема TL494 — это культ в создании блоков питания переменного тока. Большинство настольных БП сделаны на его основе.
Распиновка и распиновка задача TL494.
На основе TL494 можно сделать и лабораторный источник по рассмотренной выше конструкции.
Заменить цепь питания на TL494.
На входе в блок установлен сетевой фильтр. После этого стоит высоковольтный выпрямитель на VDS1 (можно использовать любые сборки и диоды на соответствующее напряжение и то), который вырабатывает постоянное напряжение 220 вольт. Вспомогательный трансформатор TR3 с выпрямителем VDS2 включен параллельно выпрямителю.
Эти элементы формируют напряжение +12 вольт для питания микросхем. TL494 генерирует последовательность импульсов, частота которых определяется цепочкой C3R3. Сигнал усиливается ключами на транзисторах Т1, Т2 и подается через трансформатор ТР1 на базы Т3, Т4. Эти мощные транзисторы генерируют импульсы высокого напряжения в первичной обмотке трансформатора TR2.
Импульсы с частотой следования несколько десятков килогерц преобразуются во вторичную обмотку трансформатора, выпрямляются блоком Д5, фильтруются и поступают к потребителю.
Цепь обратной связи по напряжению образована на элементах ОР3, ОР4 операционного усилителя. Резистор R15 задает необходимый уровень выходного сигнала. Фактический ток измеряется как падение напряжения на шунтирующих резисторах R25, R26.
Элементы ОР1, ОР2 создают схему ограничения максимального тока (необходимое значение устанавливается потенциометром). Микросхема TL494 в зависимости от заданного тока и напряжения увеличивает или уменьшает длительность открытого состояния ключей. Транзисторы Т3, Т4 и диод D5 необходимо установить на радиаторы.
Крайне желательно организовать принудительный обдув элементов схемы. Вентилятор можно подключить к источнику постоянного тока +12 В.
Ранги и типы предметов показаны на диаграмме. Многие комплектующие, в том числе элементы обмотки, можно взять из неисправного или ненужного компьютерного БП. Дроссель L5 намотан на желтом тороидальном сердечнике и содержит 50 витков провода диаметром 1,5 мм.
Блок питания с импульсным регулятором.
Другой вариант использования микросхемы TL494 — в импульсном стабилизаторе блока питания, выполненном по «трансформаторной» схеме. Этот источник выдает напряжение от 0 до 30 вольт при силе тока до 5 ампер.
Здесь микросхема управляет открытием и закрытием ключа на транзисторе VT1. В открытом состоянии энергия накапливается в индукторе L1, в закрытом — передается от индуктора к потребителю. Диод VD1 «съедает» отрицательный импульс напряжения, возникающий при коммутации цепи с большой индуктивностью.
Чем больше нагрузка, тем быстрее расходуется энергия в дросселе, тем быстрее падает напряжение на конденсаторе С4, тем дольше должен открываться транзистор. Напряжение обратной связи подается на микросхему с ползунка потенциометра R9.
Они устанавливают желаемый уровень выходного сигнала. Ток измеряется как падение напряжения на шунте R12. Требуемое значение уровня ограничения тока устанавливается с помощью R3.
Участок схемы, содержащий операционный усилитель LM358 и микросхему логики К155ЛА3 (лучше использовать К555ЛА3), служит для индикации режима БП — стабилизация тока или стабилизация напряжения.
Резисторы R4 и R10, предназначенные для точной подстройки напряжения и тока, можно не ставить — на практике они бесполезны. При сборке необходимо обеспечить эффективное охлаждение элементов:
- транзистор VT1;
- диод VD1;
- дроссель L1;
- шунт R12.
На п210 транзисторе
Транзисторы П210 сохранились в запасах многих радиолюбителей. Найти им применение не так просто — появились более современные компоненты, их частотные характеристики и усиление оставляют далеко позади устаревшее устройство.
Но один параметр — максимальный ток коллектора Р210, который составляет 12 А при установке на радиатор — уже сегодня позволяет использовать их в регулируемых блоках питания.
Схема проста, но следует отметить, что транзистор подключен к отрицательному плечу (P210 имеет структуру p-n-p). Конденсатор после выпрямителя должен иметь емкость не менее 5000 мкФ, а на выходе — не менее 1000 мкФ. П210 может иметь малый коэффициент усиления, поэтому к нему добавлен транзистор VT2 — любая маломощная p-n-p структура.
Схема блока питания на транзисторе П210 или аналогичном.
В источнике можно использовать трансформатор ТН-36-127/220-50, имеющий 4 вторичные обмотки по 6,3 вольта. Соединив два из них последовательно, можно собрать самодельный блок питания с выходным напряжением до 12 В, а соединив таким же образом 4 обмотки, до 24 В. Можно использовать и другие понижающие трансформаторы подходит по току и напряжению.
Схема соединения обмоток ТН-36-127/220-50.
Аналогичные регулируемые источники напряжения могут быть построены на других транзисторах, в том числе и на npn. При этом силовой элемент включается в положительное плечо БП.
Транзистор питания КТ829.
Эти простые блоки питания не имеют защиты от короткого замыкания и перегрузки. На выходе крайне желательно установить вольтметр и амперметр для проверки режима. Транзистор необходимо установить на радиатор.
На lm317
На микросхеме LM317 можно собрать блок питания с линейным стабилизатором напряжения и регулируемым ограничением тока. Главное достоинство этой микросхемы — простая схема включения с минимумом обвязки. Стандартная схема подключения выглядит так:
Стандартная схема подключения LM317.
Выходное напряжение задается делителем R1R2. Изменяя выходное напряжение, микросхема пытается поддерживать ток через делитель так, чтобы падение напряжения на R1 стало равным 1,25 вольта.
Следовательно, чем больше R2, тем больше выходное напряжение. Если вместо R2 поставить потенциометр, то можно регулировать выходное напряжение. Выходной уровень рассчитывается по формуле Uвых=1,25*(1+R2/R1).
Если R2=0, на выходе будет 1,25 вольта — это минимально возможное напряжение для данного включения.
В интернете много схем на LM317 с регулировкой напряжения от нуля вольт (в том числе и с отрицательным смещением, подаваемым на вывод Adjust). Большинство этих технических решений работают только на бумаге.
В даташите на микросхему есть такая схема подключения.
Этого достаточно, чтобы построить простую регулируемую лабораторию, но есть проблема. Микросхема в этом включении не дает более 1,5 А, даже если она установлена на радиатор. Другой минус заключается в том, что для получения выходного напряжения 30 В необходимо подать на вход около 35 В постоянного тока.
При необходимости достижения на выходе уровня, близкого к минимальному, вступают в силу ограничения по максимальной теряемой мощности — при разнице 35/1,25 максимальный ток может составлять 0,3..0,5 А (в зависимости от корпуса микросхемы). Это очень мало. Поэтому микросхема должна питаться от внешнего транзистора.
Такую компоновку предлагает производитель.
В качестве внешнего можно использовать отечественный транзистор p-n-p структуры КТ818 с буквенным индексом БГ (КТ818А может не пропускать напряжение коллектор-эмиттер). Если установить его на радиатор, то максимальный ток теоретически будет 10 А, но это если нет ограничений по току диодов выпрямителя и мощности трансформатора.
Более распространены силовые транзисторы npn-структуры. Если вам нужно усилить стабилизатор таким элементом, вы можете воспользоваться схемой из техпаспорта.
Использует мощный элемент npn, рекомендованный разработчиком микросхемы.
Здесь применен маломощный pnp-транзистор (можно отечественный КТ814), который управляет мощным npn-элементом (например, КТ819).
На практике часто используется использование мощного элемента npn.
Но чаще используется не предусмотренный разработчиком ключ — транзистор включается базой вывода микросхемы.
Каждая из предложенных схем может быть использована в качестве лабораторного блока питания на LM317, но на практике популярна схема LBP, дополненная регулировкой максимального тока.
Принципиальная схема блока питания LM317.
Питание агрегата осуществляется от сетевого трансформатора с двумя обмотками. Дополнительная обмотка используется для создания отрицательного плеча питания ОУ LM301, на котором смонтирована схема ограничения тока.
Операционный усилитель включен по схеме компаратора — на одном выходе образцовое напряжение, регулируемое с помощью Р1, на другом — напряжение, создаваемое действительным током на шунтирующем резисторе R5.
Если фактический ток превышает установленное значение, состояние на выходе компаратора меняется на противоположное. Загорается светодиод, напряжение ограничивается до уровня, поддерживающего установленное значение тока.
На основе этой схемы собран стационарный блок питания, обеспечивающий два канала напряжения с регулировкой 1,25..30 вольт и ограничением тока в пределах 5А по каждому каналу.
Внешний вид БП.
При необходимости каналы можно соединить последовательно с общей точкой — получится двухполярный источник. 90+ процентов комплектующих и материалов, включая корпус, обычно можно найти в запасах любого радиолюбителя.
Внутренняя конструкция блока питания.
Прибор собран в корпусе из неисправного измерителя частотных характеристик «Испытание». Использовались силовые трансформаторы неизвестного происхождения, подходящие по мощности и напряжению (приходилось перематывать вторичную обмотку, чтобы получить напряжение 35 вольт).
На нем не хватило места для дополнительной обмотки, поэтому отрицательное плечо одного из каналов питается от отдельного небольшого трансформатора.
Плата стабилизатора.
Большинство элементов размещено на платах, чертеж и расположение деталей можно найти в интернете. Вы можете спроектировать и изготовить собственную доску.
Рекомендуемый чертеж печатной платы и расположение элементов на ней.
Изменилась схема измерения — используются блоки вольтметр-амперметр, которые можно купить на торговых площадках в интернете. Элементы R8, R9, P4 и аналоговый вольтметр в этом варианте устанавливать не нужно. Выходные транзисторы смонтированы на радиаторах, расположенных на задней стенке шкафа. Выпрямительные диоды устанавливаются на самодельные радиаторы.
Отечественным аналогом LM317 является микросхема 142ЕН12А.
При настройке БП он был нагружен автомобильными лампочками до тока 5 А, подстроечный резистор Р1 (на максимальное сопротивление Р2) был выставлен на срабатывание защиты.
Схема оказалась работоспособной, хотя ограничение тока работает не по лучшему алгоритму. Когда ток выходит за пределы, напряжение просто падает до минимума. Лучше найти схему, которая в этом случае переводит БП в режим стабилизации тока.
Если вам нужен более высоковольтный ЛБП (с выходным уровнем до 60 вольт), то его можно сделать на микросхеме LM317HV и использовать трансформаторы с соответствующим напряжением.
Схема подключения самодельных зарядных устройств
На lt1083
Вместо микросхемы LM317 можно использовать LT1083. Его особенности:
- низкое падение напряжения (при максимальном токе не более 1,5 В);
- повышенный выходной ток.
Первое преимущество приводит к тому, что на микросхеме будет рассеиваться меньший ток, следовательно, с нее можно снимать повышенный ток при малых значениях напряжения. Кроме того, выходное напряжение трансформатора можно сделать ниже (ненамного, на 1..2 вольта, но иногда это критично).
Второй плюс приводит к тому, что во многих случаях можно обойтись без внешнего мощного транзистора. Максимальный ток, обеспечиваемый стабилизаторами серии LT108X, указан в таблице.
LT1083 | 7,5 |
LT1084 | пять |
LT1085 | 3 |
Ток в 7,5 ампер покрывает 90+ процентов потребностей домашней лаборатории. В остальном с точки зрения обзора схема не отличается от схемы LM317.
Цоколёвка и типовая схема включения линейных стабилизаторов серии LT108X.
Регулировка напряжения и тока
Не существует универсального способа регулирования тока и напряжения. Все зависит от конструкции и компоновки регулируемого блока питания. В некоторых вариантах осуществления это делается путем изменения параметров обратной связи, в других — путем изменения опорного напряжения (для напряжения) или установки опорного уровня компаратора (для тока).
Но все оперативные регулировки производятся органами управления, расположенными на передней панели БП — так удобнее.
Как собрать лабораторный блок из китайских модулей
На интернет-маркетплейсах можно купить готовые китайские модули, на основе которых можно собрать хороший лабораторный блок питания.
ЛБП построен по структуре линейного источника, но компоненты имеют совершенно другой принцип работы. Так, вместо обмоточного трансформатора можно использовать плату WX-DC2416 36V-5, которая при питании от сети переменного тока 220 вольт выдает постоянный ток напряжением 36 вольт с силой тока до 5 А.
Плата импульсного преобразователя 220 В переменного тока/26 В постоянного тока.
В качестве стабилизатора можно использовать плату на базе микросхемы LM2596. В продаже есть несколько вариантов таких плат, удобнее всего использовать модуль с готовым техническим решением для регулировки максимального тока. Отличить такой модуль можно по наличию на плате трех (а не одного) подстроечных резисторов.
Плата на базе LM2596 с регулировкой максимального тока, распиновки и потенциометров.
При подаче на вход 35 вольт, регулировкой выхода можно получить постоянное напряжение 1,5..30 вольт. Производитель заявляет максимальный ток 3 ампера, но на практике уже при токах выше 1 А микросхема начинает греться.
Для выдачи максимальной мощности нужен дополнительный радиатор достаточной площади. Есть сведения, что микросхема комфортно работает даже при нагрузке до 4 А при условии организации принудительного притока воздуха к радиатору.
Для оперативной регулировки необходимо ослабить два крайних триммера и заменить их потенциометрами, которые необходимо вывести на переднюю панель блока питания. Чтобы получить полноценный блок питания, нужно добавить еще один прибор для измерения тока и напряжения.
Его также можно приобрести онлайн. Удобнее использовать счетчик в одном блоке, чем два блока по отдельности.
Цифровой блок вольтметр-амперметр.
Осталось только добавить выключатель питания, клеммную колодку для подключения потребителя, соединить модули в единую систему и разместить их в корпусе. По габаритам хорошо подходит корпус от бракованного компьютерного блока питания.
Подключение китайских модулей в БП.
Некоторые пользователи жалуются, что выходное напряжение грязное. В этом нет ничего удивительного, ведь блок питания импульсный. Если это не устраивает владельца БП, можно попытаться устранить проблему установкой дополнительных конденсаторов (показаны на схеме). Емкость подобрана экспериментально, но не менее 1000 мкФ.
Структурная и принципиальная схема основных частей блока
Обобщенная блок-схема пульсирующего блока питания.
На входе в блок питания установлен сетевой фильтр. В принципе, на работу самодельного или промышленного импульсного блока питания он не влияет — все будет работать и без него. А вот схему фильтрации отрицать нельзя — из-за крайне нелинейной формы потребляемого тока пульсирующие источники интенсивно «вливают» помехи в бытовую сеть 220 вольт.
По этой причине работающие от одной сети устройства на микропроцессорах и микроконтроллерах — от электронных часов до компьютеров — будут работать со сбоями.
Настройка сетевого фильтра.
Назначение вводного устройства – защита от двух видов помех:
- синфазный (асимметричный) – возникает между любым проводом и землей (корпусом) БП;
- дифференциальный (симметричный) — между проводами (полюсами) электропитания.
Фильтр, как и весь источник питания, защищен на входе предохранителем F (плавким или самовосстанавливающимся). После предохранителя стоит варистор — резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения.
Пока входное напряжение нормальное, сопротивление варистора велико и не влияет на работу схемы. При повышении напряжения сопротивление варистора резко падает, вызывая увеличение тока и перегорание предохранителя.
Конденсаторы Сх блокируют дифференциальные помехи на входе и выходе фильтра до 30 МГц. При частоте 50 Гц их сопротивление велико, поэтому на напряжение сети они не влияют. Их емкость может быть выбрана от 10 до 330 нФ. Резистор Rд установлен для подстраховки — через него происходит разряд конденсаторов после отключения питания.
Синфазный шум подавляется фильтром на Cy и L. Их значения для частоты среза f связаны формулой Томпсона:
f=1/(2*π*√L*C), где:
- f – частота среза в кГц (частота преобразования принимаемого импульса);
- L – индуктивность индуктора, мкГн;
- C – емкость Cy, мкФ.
Синфазный дроссель намотан на ферритовом кольце. Обмотки одинаковые, намотаны с противоположных сторон.
Конструкция синфазного дросселя.
В отличие от выходного фильтра номинальный ток БП не влияет на расчет элементов помехоподавляющего фильтра, за исключением провода обмотки дросселя.
После фильтра сетевое напряжение выравнивается. В большинстве случаев используется стандартный двухполупериодный мостовой выпрямитель.
Читайте также: Двухполупериодный выпрямитель: схемы, принцип работы
Схемы инверторов
Полученное выпрямленное напряжение поступает на преобразователь (инвертор). Выполняется на биполярных или полевых транзисторах, а также на элементах IGBT, сочетающих характеристики полевых и биполярных. В последние годы стали популярны мощные и недорогие полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП-транзисторы).
На таких элементах удобно строить ключевые схемы инвертора. В импульсных схемах питания используются разные варианты включения МОП-транзисторов, но в основном используются двухтактные схемы из-за их простоты и возможности увеличения мощности без существенных изменений.
Пуш-пульная схема
Принципиальная схема двухтактного преобразователя.
Двухтактный преобразователь (push — push, pull — pull) — пример двухтактного преобразователя. Транзисторные ключи работают на первичную обмотку трансформатора, состоящую из двух полуобмоток I и II. Транзисторы включаются по очереди на заданный промежуток времени.
Когда верхний транзистор открыт, ток течет через полуобмотку I (красная стрелка), когда другой проходит через полуобмотку II (зеленая). Чтобы избежать ситуации, когда оба ключа открыты (из-за ограниченного быстродействия транзисторов), схема управления вырабатывает паузу, называемую мертвым временем.
Управление транзистором учитывает мертвое время.
Такая схема хорошо работает при низком напряжении питания (до +12 вольт). Недостатком является наличие перенапряжений с амплитудой, равной удвоенному напряжению питания. Это предполагает использование транзисторов, рассчитанных на удвоенное напряжение.
Мостовая схема
Двухтактный мост свободен от основного недостатка предыдущей схемы.
Двухтактная мостовая схема инвертора.
Здесь открывается одновременно пара транзисторов Т1 и Т4, затем Т2 и Т3 (сигнал управления ключом формируется с учетом мертвого времени). При этом первичная обмотка подключается к источнику питания либо с одной, либо с другой стороны.
Амплитуда импульсов равна полному напряжению питания, пики напряжения отсутствуют. К недостаткам можно отнести использование четырех транзисторов вместо двух. Помимо увеличения габаритов БП, это приводит к удвоению потерь напряжения.
Полумостовая схема
На практике часто используется полумостовая инверторная схема — в какой-то мере компромисс между двумя предыдущими схемами.
Полумостовая схема.
При этом одна сторона обмотки коммутируется поочередно открывающимися транзисторами Т1 и Т2, а другая подключается к средней точке емкостного делителя С1, С2. Преимущества схемы:
- в отличие от двухтактного, нет скачка напряжения;
- в отличие от моста используются только два транзистора.
На другой стороне шкалы обмотка трансформатора питается только половиной напряжения питания.
Однотактные схемы
В схеме преобразователей применяются также однотактные схемы — прямой и реверсивный. Их принципиальное отличие от двухтактных состоит в том, что трансформатор (точнее, его первичная обмотка) одновременно выполняет роль накопительной индуктивности.
В цепях обратной связи энергия запасается в первичной обмотке при открытом состоянии транзистора и передается в нагрузку через вторичную обмотку при закрытом состоянии. При правильной работе накопление энергии и ее возврат к потребителю происходят одновременно.
Двухфазная работа обратноходового однотактного преобразователя.
Силовой трансформатор
Силовой трансформатор работает на высоких частотах (до нескольких десятков килогерц), поэтому его можно сделать на сердечнике не из трансформаторного железа, а на феррите. Из-за повышенной частоты размеры также будут меньше размеров сети, рассчитанной на преобразование на частоту 50 Гц.
Расчет импульсного трансформатора довольно объемный. Для общего развития можно справиться, но для практических целей лучше использовать программу, в том числе и веб-сервисы.
Популярна программа Lite-CalcIT. Она может рассчитать трансформатор под имеющийся сердечник, либо подобрать оптимальный исходя из введенных данных.
Снаббер
Для компенсации бросков тока и напряжения, неизбежно возникающих при переключении первичной обмотки трансформатора, применяют демпферные схемы, которые в англоязычной литературе называются снабберами.
Такие схемы могут быть установлены на блоке питания (параллельно первичной обмотке трансформатора) или отдельно на каждый ключ. Конструкция демпферов может быть различной, но чаще всего используются аттенюаторы в виде последовательной RC-цепочки (рис bi рисунок).
Различные конструкции амортизаторов.
Не существует хорошо обоснованной методики расчета пренебрежительного отношения. Для этого необходимо учесть все паразитные индуктивности (обмотки, дорожки, конденсаторы) в диапазоне частот и при неизвестных волновых сопротивлениях. Поэтому все существующие расчеты являются эмпирическими.
Становой Алексей Инженер-электронщик. Я работаю в мастерской по ремонту бытовой техники. Я занимаюсь схемотехникой. Задать вопрос Самым главным (и единственным) активным элементом в демпфере является конденсатор.
Он «поглощает» импульсные излучения. Сопротивление только ухудшает демпфирующие свойства, но ограничивает ток через конденсатор, который может достигать значительных значений, хотя и на короткое время. Такая компоновка более актуальна в тиристорных преобразователях.
В демпферных цепях УЗО присутствуют диоды (рисунок c и di). Они могут быть полезны для ограничения импульсов обратной полярности в схемах с тиристорами и биполярными транзисторами. Если ключи собраны на полевых или IGBT транзисторах, ставить вентили нет смысла — они дублируют диоды внутри этих транзисторов.
Емкость конденсатора выбирают в пределах 0,1–0,33 мкФ. В 90+ процентах случаев этого достаточно. Увеличение или уменьшение номинала применяется для ключей, работающих в нестандартных условиях (повышенная частота конвертации и т.п.)
Выпрямитель
Напряжение на вторичной обмотке должно быть выпрямлено. Для уровней до 12 вольт желательно использовать двухполупериодную схему с центральной точкой.
Схема выпрямителя с центральной точкой и токоподводом.
Преимущество этой схемы в том, что ток в каждую сторону протекает только через один диод, а падение напряжения на вентилях, в отличие от классической мостовой схемы, вдвое меньше. Это позволяет значительно уменьшить необходимое количество витков вторичной обмотки. Этой же цели служит использование диодов Шоттки и их сборок.
Схема мостового выпрямителя и по ней течет ток.
Если выходное напряжение БП выше +12 вольт, то экономия 0,6 вольта становится незначительной, и можно сделать выпрямитель по стандартной схеме и использовать трансформатор без отвода.
В том случае, если выход импульсного источника питания должен быть двуполярным, вновь становится рациональным осуществлять подачу напряжения со средней точки. При этом к ним запасаются 4 диода и радиаторы одновременно — выигрыш в размерах может быть существенным.
Биполярный выпрямитель с центральной точкой.
Фильтр
Выходное напряжение необходимо фильтровать — оно содержит большое количество продуктов преобразования. Поскольку преобразователь работает на достаточно высокой частоте, эффективными становятся фильтры, содержащие не только конденсаторы, но и небольшие дроссели с относительно небольшой индуктивностью.
L- и U-образные LC-фильтры.
Для расчета фильтрующих элементов необходимо задать коэффициент пульсаций Кр. Выбирается из ожидаемой нагрузки:
- чувствительная аппаратура радиоприема, предварительные каскады звуковой аппаратуры, микрофонные усилители — Кп=10-5..10-4;
- усилители звуковой частоты — Кп=10-4..10-3;
- приемная и звуковоспроизводящая аппаратура среднего и низкого класса — Кп=10-2..10-3.
Для Г-образного фильтра, установленного после двухполупериодного выпрямителя, применяются следующие условия:
- L*C=25000/(f2+Kp);
- Л/К=1000/Р2н.
В этих формулах:
- L — индуктивность индуктора в мкГн;
- C – емкость конденсатора в мкФ;
- f – частота преобразования в Гц;
- Rl — сопротивление нагрузки в омах.
Для U-образного фильтра:
- Cl=C2=C;
- Л/К=1176/R2n.
Размерность значений такая же, как и для предыдущего фильтра.
Схема управления
Схема управления вырабатывает импульсы, открывающие транзисторы. Для регулирования напряжения используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Импульсы генерируются с постоянной частотой. Для увеличения напряжения увеличивают ширину импульса (транзисторы включаются на большее время). Для снижения напряжения время открытия клавиш уменьшено.
Цепи обратной связи
Цепи обратной связи используются для регулирования напряжения или стабилизации тока. Напряжение можно поддерживать на заданном уровне или регулировать вручную, изменяя параметры обратной связи. В источниках с нерегулируемым выходом его часто выполняют на быстродействующих оптронах.
Схемы и изготовление импульсных блоков питания
Импульсные блоки питания собраны на другой элементной базе. Обычно для построения ИИП используются специализированные микросхемы, специально предназначенные для изготовления таких устройств. Кроме самых простых блоков.
Мощный импульсный блок на ir2153
Простые блоки питания можно построить на микросхеме IR2153. Это мощный встроенный драйвер таймера, аналогичный NE555. Частота генерации задается внешними элементами. Микросхема не имеет входов для организации обратной связи, поэтому стабилизация тока и напряжения методом ШИМ не может быть достигнута.
Распиновка микросхемы IR2153.
Назначение выводов приведено в табл.
один | Вкк | Логика питания и драйверы | Клавиши выходной мощности | Вб | восемь |
2 | Рт | Сопротивление цепи привода | Выход верхнего драйвера | ХО | 7 |
3 | Кт | Конденсатор привода | Верхний возврат мощности драйвера | Против | 6 |
4 | COM | Общий | Нижний выход драйвера | LO | пять |
Внутренняя схема IR2153.
Для лучшего понимания работы и назначения штырей лучше изучить внутреннюю схему. Главное, о чем нужно знать, это то, что выходные ключи собраны по полумостовой схеме.
На этой микросхеме можно собрать простой блок питания.
Схема простого БП на IR2153.
IR2153 питается от 220 вольт через гасящий резистор R1, выпрямитель на диоде VD3, фильтр на С4. Частота генерации задается элементами С5, R2 (при указанных на схеме значениях получается примерно 47 кГц).
Трансформатор можно рассчитать по программе. В авторском варианте использовался силовой трансформатор от компьютерного БП. Штатные обмотки сняты, первичка намотана на две жилы проводом в эмалевой изоляции диаметром 0,6 мм.
Обмотка содержит 38 витков. Слои наносятся изолентой. Вторичка из скрутки в 7 проводов с таким же проводом, для получения 24В вольт нужно 7-8 витков, на другое напряжение пересчитайте пропорционально.
Конструкция простого БП.
Остальные элементы схемы не требуют отдельных пояснений. Детали размещены на плате, транзисторы закреплены на радиаторе.
БП с защитой от перегрузки по току.
Более сложная схема — с защитой транзисторов от перегрузки по току. Измерение организовано на трансформаторе ТВ1. Он намотан на ферритовом кольце диаметром 12..16 мм. Вторичная обмотка содержит 50..60 витков двумя проводами диаметром 0,1..0,15 мм. Затем начало одной обмотки соединяется с концом другой.
Первичная обмотка содержит 1..2 витка. Уровень защиты регулируется потенциометром R13. При превышении установленного предела тиристор VD4 срабатывает и шунтирует стабилитрон VD3. Напряжение питания микросхемы падает практически до нуля.
Схема БП обеспечивает плавный пуск. Если генерация началась, то импульсы с вывода 6 через делитель R8R9 и конденсатор С8 выпрямляются. Постоянное напряжение заряжает С7 и открывает транзистор VT1. Конденсатор С3 подключают к цепи задания частоты и частоту генератора микросхемы снижают до рабочей частоты.
Простой блок питания на полевом транзисторе
Простой блок питания можно собрать на основе мощного полевого транзистора. Особенностью схемы является использование первичной обмотки трансформатора в качестве индуктивности, аккумулирующей энергию.
Этот блок питания принципиально отличается от рассмотренных выше. Хотя он содержит многие элементы приведенной выше блок-схемы, большинство из них работают по-другому.
Блок питания на полевых транзисторах.
На входе источника установлены выпрямитель и токовый фильтр. При подаче напряжения и заряде конденсатора С4 (а также цепи С2С3) транзистор VT1 приоткрывается, и в первичной обмотке I начинает возрастать ток.
В обмотке II возникает ЭДС, напряжение через Цепь положительной обратной связи R9VD5C5 поступает на затвор VT1, что заставляет его еще больше открыться. Процесс развивается лавинообразно и приводит к полному открытию транзистора. Ток в обмотке I увеличивается, создавая запас энергии.
Напряжение на R10 увеличивается, попадая с базы фототранзистора на приемную часть оптопары U1. При этом он приоткрывается, напряжение на затворе VT1 падает, и он закрывается. Начинается второй цикл работы инвертора. Накопленная в обмотке энергия передается через диоды VD8 на фильтрующий конденсатор С9 и в нагрузку.
Если напряжение превысит установленный уровень, загорится светодиод оптопары и транзистор VT1 закроется раньше.
Трансформатор в этой схеме работает иначе и рассчитать его через указанную программу невозможно. Намотана на два склеенных кольца из пермаллоя МР140 размером 19х11х6,7. Первичная обмотка I выполнена проводом ПЭВ диаметром 0,35 мм и содержит 180 витков. Обмотка II — 8 витков провода ПЭВ-2 0,2, обмотка III — 7 витков пяти проводов ПЭВ-2 0,56.
Катушки индуктивности L1 и L2 намотаны на кольцах из того же материала размером 15х7х6,7. Первая содержит две обмотки по 30 витков провода ПЭВ 0,2 на противоположных половинах магнитопровода. Второй делают нитью ПЭВ-2 0,8 в один слой по всей длине кольца до его заполнения. Чокеры также могут быть намотаны на ферритовые кольца. Этот БП способен отдавать до 5А при напряжении 5В.
Разводка и монтаж самодельного блока питания с регулировкой напряжения и тока
Стабилизированный БП на SG3525
Отличным чипом для создания блоков питания переменного тока является TL494. Дешевый и распространенный, он позволяет собирать блоки питания любого назначения — регулируемые, стабилизированные и т.д. Для сборки ИИП рекомендуется обратить внимание на микросхему SG3525.
По функциональности аналогичен TL494, но выходные каскады оптимизированы для работы с мощными полевыми транзисторами, поэтому схема преобразователя упрощена. А вот схема ограничения или стабилизации тока усложняется, потому что это всего лишь усилитель ошибки, а он обычно уже участвует в контроле напряжения.
Но если этот режим не нужен, этот момент непринципиален. Несомненным преимуществом SG3525 является возможность плавного пуска, который реализован схемой с одним конденсатором.
Назначение контактов SG3525.
Для начальной разработки микросхемы и экспериментов по выявлению ее возможностей можно собрать простой импульсный блок по следующей принципиальной схеме.
Схема простого стабилизированного БП на SG3525.
Здесь частота генерации задается элементами С1 и R1 и составляет примерно 50 кГц. Резистор R2 определяет продолжительность мертвого времени. Режим плавного пуска задается конденсатором С4. Контакт 10 Shutdown, обычно используемый для защиты мощных транзисторов, используется здесь для включения и выключения инвертора.
Преобразователь собран по двухтактной схеме, поэтому обращение с ключом предельно простое. Трансформатор намотан по кольцу, первичная обмотка содержит 5 витков в несколько проводов (в зависимости от требуемой мощности), вторичная — в зависимости от требуемого напряжения (питание может быть как вверх, так и вниз относительно напряжения на первичке обмотка, на которую подается 6 вольт — половина питающего напряжения).
Выпрямитель собран по мостовой схеме на диодах Шоттки, выходной фильтр L1C8 Г-образный. Цепь обратной связи собрана на делителе R10R11. Часть выходного напряжения подается на вывод 1 микросхемы. При снижении напряжения период открытого состояния ключей увеличивается.
Для работы устройства микросхема должна питаться от стороннего источника питания +12 В.
Освоив микросхему и поэкспериментировав с ней, можно собрать блок питания посложнее. Этот стабилизированный блок обеспечивает мощность до 500 Вт.
Стабилизированный блок питания на SG3525.
Здесь микросхема питается от отдельной обмотки трансформатора. Напряжение на нем появляется только после запуска блока питания, поэтому для первого блока питания SG3525 собрана схема микропуска.
При включении БП в сеть заряжается конденсатор 1, при достижении напряжения на нем установленного уровня транзисторы следующего каскада открываются и разряжают импульс на микросхему. Этого достаточно для запуска, а во время работы SG3525 питается от дополнительной обмотки. Резистор 2 выполняет роль нагрузки, без него схема не запустится.
Плавный пуск реализован на конденсаторе 3. Элементы 4.5 служат для защиты транзисторов от перегрузки по току. Уровень срабатывания устанавливается потенциометром. Управление ключами осуществляется через трансформатор гальванической развязки (ТГР) 6.
Такое решение позволило упростить схему управления. Такой трансформатор намотан на кольце из материала 2000НН на три провода. Начало и концы обмоток соединяются по схеме.
Производство ТГР.
Основными элементами обратной связи, введенными для стабилизации напряжения, являются стабилитроны 7 и оптопары 8. Выходное напряжение рассчитывается по формуле:
Uвых=2+Uстaб1+Uстaб2, где:
- Uвых — выходное напряжение в вольтах;
- Uстаб — напряжение стабилизации для каждого стабилитрона.
Таким образом, можно получить любое выходное напряжение. Количество стабилитронов может быть разным, главное, чтобы общее напряжение стабилизации цепи составляло 2 вольта от нужного выходного уровня. Трансформатор можно рассчитать в существующей программе исходя из имеющихся материалов и требуемого напряжения.
Для работы схемы стабилизации необходим запас по напряжению. При расчете силового трансформатора этот момент необходимо учитывать, поставив галочку.
Флажок с отметкой о необходимости стабилизации напряжения.
Большая часть деталей собрана на печатной плате. Если вы разрабатываете чертеж самостоятельно, имейте в виду, что печатные проводники должны быть максимально короткими и широкими. Не нужно делать дорожки длинными и узкими. Мощные транзисторы установлены на радиаторе.
Конструкция БП на SG3525 также читать
Цепи защиты от короткого замыкания и перегрузки в блоке питания
Первое включение блока
Если блок питания смонтирован на микросхеме, перед первым включением желательно проверить состояние шлейфа. Для этого нужно подать на микросхему питающее напряжение от стороннего источника и проверить наличие импульсов осциллографом.
Напряжение питания от стороннего источника.
Если все в порядке, можно подавать 220 вольт и приступать к настройке устройства. Первое подключение к сети (и последующие после изменений или при наладке) необходимо производить через лампу накаливания 220 вольт, включив ее в разрыв шнура питания.
Если в цепи что-то не так, лампа будет мигать и сигнализировать о неисправности. Если все в порядке, лампа не будет гореть или светить на полную мощность. На выходе нужно нагрузить БП хотя бы одной автомобильной лампой на 12 вольт — без этого некоторые источники не запустятся.
Схема пробного подключения БП.
Замена блока питания не самое простое электронное устройство. Успех установки и эксплуатации зависит от различных факторов, в том числе и от конструкции устройства.
На производительность влияет, например, тщательность изготовления деталей обмотки или топология компоновки печатной платы. Рекомендуется сначала повторить уже опробованный дизайн, а по мере накопления опыта создавать что-то свое.