Как сделать импульсный блок питания

Для понижения и выпрямления напряжения сети до 12 В традиционным способом идет передача энергии последовательно. Понадобятся блоки, изображенные на структурной схеме.

Силовой трансформатор на входе снижает напряжение с 220 вольт до 15, с запасом, чтобы потом в дальнейших схемах оно, неизбежно при выпрямлении и сглаживании теряя величину, опустилось как раз до нужных 12 вольт. Выпрямитель делается в виде моста из низковольтных диодов, в результате работы которого получается знакопостоянное пульсирующее напряжение. Делается так, что два полупериода попеременно идут то через одну пару диодов, то через другую, и на выходе напряжение начинает «дергаться» только в одну строну. Схема сглаживания содержит накапливающий заряды инерционный элемент — конденсатор большой емкости. Он заряжается от импульса и медленно поддерживает напряжение своим неторопливым разрядом до поступления следующего импульса. Это называется сглаживание, но еще делается и дополнительная стабилизация выходного напряжения, чтобы на него меньше влияла величина нагрузки.

Плюс такой схемы в том, что трансформатор на входе сразу «отвязывает» все дальнейшие схемы от высокого входного напряжения. Только за это приходится платить физически большим силовым трансформатором. В нашем случае трансформатор, питающий более-менее подходящую мощность прибора, например, в 300 ватт (старый телевизор), должен весить около 4 кг. Ну, понятно, поставил его, такой блок питания, на пол, и стоит, каши не просит. Но как быть для небольших устройств? Неужели катить его с собой на тележке? Кроме того, большая масса железа, работающая на маленькую нагрузку, порождает низкий КПД — около 50%.

Ну и цена, пропорциональная массе прибора, заставляет придумывать нечто более миниатюрное во всех отношениях.

Причина усложнения схемы состоит в следующем: чем выше частота переменного тока, тем меньший требуется трансформатора и тем ниже в нем потери. Вот почему импульсные БП намного меньше своих обычных собратьев.

Импульсный БП состоит из следующих функциональных блоков:

• фильтр. Не пропускает помехи из сети и обратно (генерируются самим БП);
• выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Обычный диодный мост, дает на выходе почти ровное (с низким коэффициентом пульсаций) постоянное напряжение, равное действующему значению переменного селевого напряжения — 311 В;
• инвертор. Состоит из быстро переключающихся силовых ключевых транзисторов и управляющей ими микросхемы. На выходе дает прямоугольный переменный ток. Процесс преобразования в инверторе называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а микросхему — ШИМ-контроллером. В рабочем режиме реализована обратная связь, потому в зависимости от мощности подключенной к БП загрузки, контроллер регулирует продолжительность открытия транзисторов, то есть ширину импульсов. Также благодаря обратной связи, компенсируются скачки напряжения на входе и броски, обусловленные коммутацией мощных потребителей. Это обеспечивает высокое качество выходного напряжения;
• импульсный высокочастотный трансформатор. Понижает напряжение до требуемых 12 или 24 В;
• выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Преобразует высокочастотное переменное напряжение в постоянное.

Дроссель переменного тока

Основной элемент сетевого фильтра — дроссель. Его сопротивление (индуктивное) возрастает с увеличением частоты тока, потому высокочастотные помехи нейтрализуются, а ток частотой 50 Гц проходит свободно. Дроссель работает тем эффективнее, чем больше размеры магнитопровода, толщина проволоки и больше витков. Дополнительно установленные конденсаторы улучшают фильтрацию, закорачивая высокочастотные помехи и отводя их на «землю».

Также емкостные сопротивления не позволяют в/ч помехам, генерируемым БП, поступать в сеть. Высокочастотный трансформатор отличается от обычного материалом магнитопровода: используются ферриты или альсифер. Выпрямитель после трансформатора собирается на диодах Шоттки, отличающихся высоким быстродействием.

Существует два способа генерации высокочастотного переменного тока:

1. однотактная схема. Применяется в БП небольшой мощности — до 50 Вт (зарядки телефонов, планшетов и т.п.). Конструкция простая, но у нее велика амплитуда напряжения на первичной обмотке трансформатора (защищается резисторами и конденсаторами);
2. двухтактная схема. Сложнее в устройстве, но выигрывает в экономичности (выше КПД). Двухтактная схема делится на три разновидности:
   1. двухполупериодная. Самый простой вариант;
   2. двухполярная. Отличается от предыдущей присутствием 2-х дополнительных диодов и сглаживающего конденсатора. Реализован обратноходовый принцип работы. Такие схемы широко применяются в усилителях мощности. Важная особенность: продлевается срок службы конденсаторов за счет того, что через них протекают меньшие токи;
   3. прямоходовая. Используется в БП большой мощности (В ПК и т.п. устройствах). Выделяется наличием габаритного дросселя, накапливающего энергию импульсов ШИМ (направляются на него через два диода, обеспечивающих одинаковую полярность).

   2-тактные БП отличаются схемой силового каскада, есть три модификации:

   1. полумостовая: чувствительна к перегрузкам, потому требуется сложная защита;
   2. мостовая: более экономична, но сложна в наладке;
   3. пушпульная. Наиболее экономична и потому весьма востребована, особенно в мощных БП. Отличается присутствием среднего вывода у первичной и вторичной обмоток трансформатора. В течение периода работает то одна, то другая полуобмотка, подключаемая соответствующим ключевым транзистором.

   Стабилизации выходного напряжения добиваются следующими способами:

   

   • применением дополнительной обмотки на трансформаторе. Это самый простой способ, но и наименее действенный. Снимаемое с нее напряжение корректирует сигнал на первичной обмотке;
   • применением оптопары. Это более эффективный способ. Основные элементы оптопары — светодиод и фототранзистор. Схема устроена так, что протекающий через светодиод ток пропорционален выходному напряжению. Свечение диода управляет работой фототранзистора, подающего сигналы ШИМ-контроллеру.

   Таким образом, в данной методике контролируется непосредственно напряжение на вторичной обмотке, при этом отсутствует гальваническая связь с генератором ключевого каскада.

   ↑ Наладка ИБП

   ВНИМАНИЕ. ПЕРВИЧНЫЕ ЦЕПИ БП НАХОДЯТСЯ ПОД СЕТЕВЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ, ПОЭТОМУ НУЖНО СОБЛЮДАТЬ МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ ПРИ НАЛАДКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ.

   Первый запуск блока желательно производить подключив его через токоограничивающий резистор, представляющий из себя лампу накаливания мощностью 200 Вт и напряжением 220 В. Как правило, правильно собранный БП в наладке не нуждается, исключение составляет лишь транзистор VT3. Проверить релаксатор можно подключив эмиттер транзистора к минусовому полюсу. После включения блока, на коллекторе транзистора должны наблюдаться пилообразные импульсы частотой около 5 Гц.

   Техника безопасности при ремонте импульсного блока питания

   Высокая сторона устройства не имеет гальванической развязки с сетью, поэтому нельзя прикасаться к элементам этой части двумя руками. При касании одной рукой вы получите ощутимый удар током, но это не смертельно. Нельзя проверять элементы, находящиеся под напряжением отверткой, пинцетом.

   Высоковольтная схема устройства обозначается широкой полосой, а внутренняя часть мелкими штрихами краски. Устройство имеет высоковольтный конденсатор, который после выключения блока держит опасное напряжение до 3 минут. Поэтому после выключения нужно ждать пока конденсаторы не разрядятся или их разрядить через резистор 3 — 5 Ком. Повысить безопасность при ремонте устройства можно с помощью трансформатора безопасности.

   

   Схема трансформатора безопасности

   Этот трансформатор имеет две обмотки на 220 В мощностью до 200 Вт (зависит от мощности ИБП). Такой трансформатор имеет гальваническую развязку с сетью. Первичная обмотка трансформатора включается в сеть, а вторичная с лампой подсоединяется к ИБП. В этом случае вы можете прикасаться к элементам высокой части устройства одной рукой, вы не получите удар током.

   Что же выбрать? Преимущества и недостатки линейных и импульсных блоков питания.

   К достоинствам импульсных агрегатов нужно отнести:
   • Высокий коэффициент стабилизации;
   • Высокий коэффициент полезного действия;
   • Более широкий диапазон входных напряжений;
   • Более высокая мощность по сравнению с линейными устройствами.
   • Отсутствие чувствительности к качеству электропитания и частоте входного напряжения;
   • Небольшие габариты и достойная транспортабельность;
   • Доступная цена.

   К явным недостаткам импульсных источников питания стоит отнести:
   • Наличие импульсных помех;
   • Сложность схем, что негативно сказывается на надежности;
   • Ремонт далеко не всегда удается произвести своими руками.

   Трансформаторные блоки питания также имеют ряд плюсов, среди которых:
   • Простота и надежность конструкции;
   • Высокая ремонтопригодность и дешевизна запчастей;
   • Отсутствие радиопомех;

   Как вы понимаете, у трансформаторных блоков питания есть и недостатки, среди которых:
   • Большой вес и габариты, что часто делает транспортировку очень неудобной;
   • Обратная зависимость между КПД и стабильностью выходного напряжения;
   • Металлоемкость конструкции.

   Лабораторные блоки питания на сегодняшний день представлены огромным ассортиментом агрегатов. Спросом пользуются и импульсные, и трансформаторные блоки. Удачный выбор оборудования напрямую зависит от того, какие цели вы преследуете, приобретая блок питания. Если вы хотите всегда иметь под рукой надежный агрегат с отсутствием радиопомех, который редко ломается и легко поддается ремонту, тогда стоит обратить внимание на трансформаторные блоки питания. Если же для вас важна мощность и коэффициент полезного действия, тогда вам стоит подробнее изучить импульсные устройства.

   Наиболее мощные лабораторный блоки питания представлены импульсными моделями:

   Сфера применения импульсного блока питания

   Импульсные преобразователи напряжения применяются в большинстве случаев вместо традиционных трансформаторных с полупроводниковыми стабилизаторами. При одинаковой мощности инверторы отличаются меньшими габаритными размерами и массой, высокой надежностью, а главное — более высоким КПД и возможностью работать в широком диапазоне входного напряжения. А при сравнимых габаритах максимальная мощность инвертора в несколько раз выше.

   В такой области, как преобразование постоянного напряжения, импульсные источники практически не имеют альтернативной замены и способны работать не только по понижению напряжения, но и вырабатывать повышенное, организовывать смену полярности. Высокая частота преобразования существенно облегчает фильтрацию и стабилизацию выходных параметров.

   Малогабаритные инверторы на специализированных интегральных микросхемах используются в качестве зарядных устройств всевозможных гаджетов, а их надежность такова, что срок службы зарядного блока может превосходить время работоспособности мобильного устройства в несколько раз.

   Драйверы питания на 12 Вольт для включения светодиодных источников освещения также построены по импульсной схеме.

   0 0 голоса

   Рейтинг статьи