Импульсные блоки питания. Виды и работа. Особенности и применение

Импульсные блоки питания. Виды и работа. Особенности и применение

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

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

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

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

Типы блоков питания для компьютера

Блоки питания делятся на разные категории по их размеру:

• Блоки питания ATX – это самые популярные конструкции. Однако, вы должны быть осторожны с их. размерами. Если их ширина и длина фиксированы размерами 150×86 мм, толщина этих блоков питания может варьироваться. Разница зависит от мощности – чем больше мощности, тем больше установит производитель внутри устройства.
• Блоки питания SFX – они немного меньше, а их размеры составляют 63,5×125×100 мм. Иногда вы можете встретить расширенные SFX. Это означает, что их длина больше и составляет 120 мм.
• Блок питания TFX – это, безусловно, самые маленькие конструкции для наименее требовательных компьютеров. Их стандартные размеры – 65×85×175 мм.

Блок питания своими руками

Блок питания своими руками

Многие устройства требуют 2-х канального, или как его ещё называют двухполярного питания. В простеёшем варианте можно обойтись предлагаемой схемой блока питания своими руками, которая обеспечивает стабильную регулировку и поддержание при разных токах двухполярного напряжения в диапазоне от ±1.5 В до ±17 В. Она основана на линейных регуляторах напряжения LM317/LM337, которые имеют защиту от короткого замыкания.

Наладка устройства

Налаживание блока питания начинают с проверки пределов регулирования выходного напряжения (переключатель SA1 — в положении «U») по образцовому вольтметру. Стабилизатор тока на это время отключают, отпаяв провод, идущий от вывода 3 печатной платы к выводу 3 ШИ-контроллера. Если необходимо, пределы корректируют подбором резисторов R4 и R8.

Затем к блоку подсоединяют нагрузку с током потребления 5 — 10 А, переводят переключатель в положение «I» и по образцовому амперметру подстроечным резистором R12 устанавливают необходимое показание.

Далее, переключив индикатор на измерение напряжения, корректируют его показания по образцовому вольтметру подстроенным резистором R9. После этого восстанавливают цепь обратной связи стабилизатора тока, переключают индикатор на измерение тока и, изменяя сопротивление нагрузки, убеждаются в работоспособности стабилизатора. При необходимости границы интервала регулирования тока устанавливают подбором резисторов R1 nR4.

При нагрузке током 15 А и напряжении 15 В, может несколько увеличивался нагрев обмотки дросселя L2 в импульсном блоке питания. Этот недостаток можно устранить, перемотав его обмотку проводом вдвое большего сечения.

При зарядке батареи аккумуляторов стабильным током сначала следует установить регуляторами R1 и R2 напряжение окончания зарядки, а затем, подключив батарею, переменным резистором R4 — требуемый ток. Во время зарядки должен светиться светодиод HL1. По её окончании, когда напряжение на батарее возрастет до заданного значения, ток уменьшится, светодиод погаснет и блок питания перейдёт в режим стабилизации напряжения, в котором она может находиться длительное время. Таким образом, нет необходимости контролировать процесс зарядки и момент её окончания, не нужно отключать батарею по окончании зарядки.

Схема ИБП

Рассмотрим, как устроен не самый сложный импульсный блок питания в наиболее распространённой конфигурации:

• помехоподавляющий фильтр;
• диодный выпрямитель;
• сглаживающий фильтр;
• ШИП;
• блок силовых ключевых транзисторов;
• высокочастотный трансформатор;
• выпрямители;
• групповые/индивидуальные фильтры.

В зону ответственности помехоподавляющего фильтра входит функция фильтрация помех, источником появления которых является сам блок питания. Дело в том, что использование мощных полупроводниковых компонентов часто приводит к формированию кратковременных импульсов, наблюдаемых в обширном диапазоне частот. Чтобы снизить их влияние на выходной сигнал, применяются цепочки специальных проходных конденсаторов, служащих фильтром для подобных импульсов.

Назначение диодного выпрямителя – преобразование переменного напряжения на входе блока в постоянное на выходе. Возникающие паразитные пульсации сглаживает установленный долее по схеме фильтр.

Если устройство импульсного блока включает преобразователь постоянного напряжения, цепочка из выпрямителя и фильтра будет лишней, поскольку входной сигнал будет сглаживаться на участке помехоподавляющего фильтра.

Широтно-импульсный преобразователь (его ещё называют модулятором) – наиболее сложная часть устройства. Он выполняет несколько функций:

• генерирует импульсы высокой частоты (от килогерца до сотен КГц);
• на основании параметров сигнала обратной связи корректирует характеристики импульсной последовательности на выходе;
• осуществляет защиту схемы от перегрузок.

С ШИМ импульсы подаются на ключевые транзисторы высокой мощности, чаще всего выполненные по мостовой/полумостовой схемам. Выводы ключевых транзисторов поступают на первичную обмотку трансформаторного блока. В качестве элементной базы используются транзисторы типа MOSFET или IGBT, отличающиеся от биполярных аналогов незначительным снижение напряжения на участке перехода, а также более высоким быстродействием. Это позволило снизить параметр рассеиваемой мощности при тех же габаритах.

Что касается принципа работы импульсного трансформатора, то он использует тот же способ преобразования, что и классические трансформаторные БП. Единственное, но важное отличие – он работает на гораздо более высоких частотах. Это и позволило при той же выходной мощности заметно уменьшить массу и размеры блока.

С вторичной обмотки трансформатора (напоминаем, их может быть несколько) импульс поступает на выходные выпрямители. В отличие от аналога на входе блока, здесь диоды должны обеспечивать работу на высоких частотах. Лучше всего с такой работой справляются диоды Шоттки. Они устроены так, что обеспечивают малую ёмкость p-n перехода и, соответственно, небольшое падение напряжения при высоком показателе рабочей частоты.

Последний элемент схемы, выходной фильтр, сглаживает пульсации поступающего на вход выпрямленного напряжения. Поскольку это высокочастотные импульсы, здесь отпадает необходимость в применении конденсаторов и катушек большой мощности.

Электронный трансформатор

Принцип действия электронного трансформатора схож с классическим – при подаче переменного напряжения на первичную обмотку, с его вторички снимается тоже переменное напряжение, но уже другого значения. Отличие заключается в том, что пониженное напряжение имеет совсем другую частоту и форму кривой, так как его искусственно создает генератор импульсов.

Пример схемы электронного трансформатора и принцип действия приведен на рисунке ниже:

Рис. 2. Электронный трансформатор

Как видите, в нем напряжение питания от сети 220 В не подается на обмотки трансформатора, а использует диодный мост в качестве основного преобразователя с переменной электрической величины в постоянную. Затем сигнал подается на выходные транзисторы, выступающие в роли электронного ключа, которые производят генерацию импульсов определенного количества и частоты. Следует отметить, что частота от генератора импульсов может достигать нескольких десятков кГц, но затем подается на импульсный преобразователь, который представлен силовым трансформатором.

Импульсные трансформаторы или, как их еще называют, импульсные БП нашли широкое применение в питании люминесцентных ламп. Однако его расположение по отношению к питаемым приборам освещения должно выполняться в непосредственной близи, чтобы сократить потери, нагрузку в сетевых проводах и нагрев. В сравнении с трансформаторным БП, импульсный имеет ряд весомых преимуществ:

1. Меньшие габариты для такой же мощности, что снижает и стоимость устройства;
2. Обладает лучшими параметрами в регулировке подаваемого напряжения;
3. Отличается более высоким КПД.

Но наряду с преимуществами импульсный блок имеет и некоторые недостатки. У электронного трансформатора куда более сложная схема, что влечет за собой снижение надежности. Если продешевить с моделью трансформатора, то выходной ток выдаст в сеть много импульсных помех, способных повлиять на работу смежного оборудования.

Компьютерный блок питания как регулировать напряжение

При наладке радиоэлектронных устройств часто возникает потребность в лабораторном блоке питания, позволяющий регулировать выходное напряжение и ток, и имеющий защиту. В магазинах они довольно дороги, поэтому я решил его собрать самостоятельно.

Покопавшись в закромах, я нашёл компьютерный блок питания ATX, и решил использовать его в качестве источника питания. Эти блоки питания (относительно) маломощны и не подходят для новых компьютеров. Так же, старый блок питания легко купить за дешево в магазинах подержанных компьютеров. Это очень хороший источник питания для отладки самоделок.

Компьютерный блок питания имеет свой корпус, поэтому о нём не нужно особо заботиться. Остаётся решить вопрос с регулированием выходного напряжения, ограничения тока и защиты. Потребовалось устройство, которое соответствовало моим требованиям:

• Обеспечивает регулирование напряжения и тока;
• Работает от входного напряжения 12В;
• Максимальное выходное напряжение не менее 24В;
• Максимальный выходной ток не менее 3А;
• Дешёвый.

На просторах интернет-магазинов я нашел модуль преобразователя DC-DC Buck-Boost ZK-4KX, который соответствует всем моим запросам. Этот модуль оснащен пользовательскими интерфейсами (дисплей, кнопки, поворотный энкодер).

Модуль имеет следующие параметры:

• Входное напряжение: 5-30В;
• Выходное напряжение: 0,5 — 30В;
• Выходной ток: 0-4А;
• Разрешение дисплея: 0,01В и 0,001А;
• Цена:

DC-DC преобразователь имеет защиту, и при превышении напряжения, тока, мощности и температуры отключит выход.

Помимо DC-DC преобразователя и компьютерного блока питания так же потребуется:

• Светодиод + резистор 1 кОм для индикации состояния блока ATX;
• Простой переключатель для включения блока ATX;
• Разъемы Banana female (2 пары).

У меня компьютерный блок питания на 300W, но для этой цели подойдёт любой. У блока питания на выходе куча выходных напряжений, их можно отличить по цвету провода:

• Зеленый: он понадобится нам для включения устройства, замкнув его вместе с землей.
• Фиолетовый: + 5В в режиме ожидания. Мы будем использовать для обозначения статуса ATX.
• Желтый: + 12В. Он будет источником питания DC-DC преобразователя.
• Красный: + 5В. Это будет фиксированный выход 5V.

Остальные выходы не используются, но если вам нужна какая-либо из них, просто подключите ее провод к передней панели.

• Серый: + 5V Power Ok.
• Оранжевый: +3,3 В.
• Синий: -12В.
• Белый: -5В.

После разборки я удалил все ненужные кабели и разъем выхода переменного тока.

Несмотря на то, что внутри блока ATX мало места, при некоторой компоновке мне удалось разместить весь пользовательский интерфейс на одной стороне. После компоновки и разметки я вырезал отверстия в пластине с помощью лобзика и дрели.

Также я установил дополнительные клеммы для вывода фиксированного напряжения выход +5 В.

Так как корпус выглядит не очень красиво, я купил краску в баллончике, и покрасил его в черный цвет.

Внутри корпуса компоненты необходимо соединить следующим образом:

• Провод включения питания (зеленый) + масса → переключатель
• Резервный провод (фиолетовый) + земля → светодиод + резистор 1 кОм
• Провод + 12В (желтый) + масса → Вход модуля ZK-4KX
• Выход модуля ZK-4KX → Банановые клеммы
• + 5V провод (красный) + масса → другие банановые клеммы

Поскольку значения, измеренные модулем ZK-4KX отличались от значений мультиметра, я откалибровал его зайдя в режим установки параметров, в соответствующий раздел.

На панели имеются две кнопки, которые позволяют отобразить на индикаторе различные параметры, а так же настроить защиту блока, и произвести калибровку.

Коротким нажатием кнопки SW можено переключить отображаемый параметр во второй строке:

• Выходной ток [A]
• Выходная мощность [Вт]
• Выходная мощность [Ач]
• Время, прошедшее с момента включения [ч]

Длинным нажатием кнопки SW можно переключить отображаемый параметр в первой строке:

• Входное напряжение [В]
• Выходное напряжение [В]
• Температура [°C]

Чтобы войти в режим установки параметров, нужно долго нажимать кнопку U/I. Тут можно установить следующие параметры:

• Нормально открытый [ВКЛ/ВЫКЛ]
• Пониженное напряжение [В]
• Повышенное напряжение [В]
• Перегрузка по току [A]
• Превышение мощности [Вт]
• Перегрев [° C]
• Избыточная мощность [Ач / ВЫКЛ]
• Тайм-аут [ч / ВЫКЛ]
• Калибровка входного напряжения [В]
• Калибровка выходного напряжения [В]
• Калибровка выходного тока [A]

• Назад
• Вперед

Связанные статьи

Преобразователь для Гаусс-пушки

Инвертор Вальдемара — нашел широкую популярность среди любителей пушек Гаусса. Инвертор имеет простую конструкцию, функцию самоотключения при полной зарядке.

Маломощный инвертор своими руками

Повышающие инверторы нашли широкое применение в быту и не только. Достаточно простые конструкции повышающих инверторов можно реализовать по двухтактным схемам.

Автомобильный инвертор 12-220 50 ватт

Недавно понадобилось собрать маломощный и компактный инвертор 12>220 Вольт. Устройство было сделано на скорую руку, поэтому особого внимания к монтажу и внешнему виду не уделил.

Простой однотактный инвертор на UC3845

Микросхема UC3845 является высокоточным ШИМ контроллером, которая нашла широкое применение в импульсных блоках питания. Эта микросхема может работать в широком.