Андрей Смирнов
Время чтения: ~26 мин.
Просмотров: 12

Собираем импульсный блок питания своими руками: пошаговая инструкция и схемы

Содержание

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.

Содержание

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.

uproshhennaya-strukturnaya-shema-analogovogo-bp.jpg
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.

ponizhayushhij-transformator-oso-025.jpg
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.

strukturnaya-shema-impulsnogo-bloka-pitaniya.jpg
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.

primer-miniatyurnyh-impulsnyh-bp.jpg
Пример миниатюрных импульсных БП
  • Далее вступает в работу выходной выпрямитель, поскольку он работает с высокочастотным напряжением, для процесса необходимы быстродействующие полупроводниковые элементы, поэтому для этой цели применяют диоды Шоттки.
  • На завершавшей фазе производится сглаживание на выгодном фильтре, после чего напряжение подается на нагрузку.

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.

strukturnaya-shema-shim-kontrolera.jpg
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 UП пилообразной формы, поступающее на вход компаратора КШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал UУС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности UП (опорное напряжение) и UРС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал UУС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (UOUT).

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 UРС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

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

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;
    zaryadki-i-vneshnie-bp.jpg
    Зарядки и внешние БП
  • внешние блоки питания;
  • электронный балласт для осветительных приборов;
  • БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.
impulsnyj-modul-pitaniya-monitora.jpg
Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

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

principialnaya-shema-impulsnogo-bp.jpg
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.

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.

Silovoj-transformator.png

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).

Strukturnaya-shema-impulsnogo-bloka-pitaniya.png

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.

Impulsnyj-blok-pitaniya.png

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.

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.

Drosseli-filtrov.png

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.

Kondensatory-dlya-VCH-filtrov.png

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.

Kak-rabotaet-filtr.png

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.

Samodelnyj-blok-pitaniya.png

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.

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.

Подробно рассмотрим, как работает импульсный блок питания (ИБП) любого типа. Сегодня такие компоненты являются основными источниками электрической энергии любой электронной аппаратуры. Аудио аппаратуру мы в счет не берем. Там по-прежнему доминируют линейные или трансформаторные блоки питания.

Концепция ИБП известна давно. Однако реализация ее стала возможной относительно недавно. Этому способствовало появление управляемых полупроводниковых ключей с требуемыми характеристиками. В первую очередь речь идет о полевых транзисторах MOSFET. Сегодня MOSFET вытеснили практически все другие управляемые полупроводниковые приборы в области преобразователей электрической энергии малой и средней мощности. В преобразователях большой мощности лидирующие позиции занимают IGBT транзисторы, а также некоторые виды тиристоров.

Главное и неоспоримое преимущество импульсных блоков питания по сравнению с линейными (трансформаторными) БП – это значительно меньший вес и габариты при равных мощностях. Для сравнения можно взять импульсный блок питания компьютера мощностью 500 Вт и только один трансформатор мощностью 500 ВА. Разница, особенно по массе, будет ощутима.

Impulsnyj-blok-pitaniya-1024x768.png

Существует много схем ИБП. Однако все они сводятся к тому, чтобы снизить в первую очередь массу и габариты трансформатора. Почему именно трансформатора? Потому что он является самым громоздким, тяжелым и дорогим элемент блока питания.

Чтобы хорошо представлять, как работает импульсный блок питания, сначала рассмотрим классическую схему линейного БП.

Схема линейного блока питания

Основные задачи любого промышленного БП заключаются в снижении переменного напряжения 220 В (230 В) до требуемой величины, затем его выпрямление, сглаживание и стабилизация.

Поэтому любая схема линейного бока питания обязательно содержат как минимум следующие элементы: трансформатор, выпрямитель, фильтр, узел стабилизации. Назначение каждого элемента было более полно рассказано здесь.

Shema-linejnogo-bloka-pitniya-1024x324.png

Теперь, глядя на составляющие функциональной схемы линейного БП, давайте рассуждать, какие элементы приводят к росту его массы и веса. В качестве выпрямителя чаще служит диодный мост. Снизить его размеров не даст особого эффекта. Да и реализовать этот будет затруднительно.

Узел стабилизации может быть реализован по-разному. Поэтому на нем мы тоже сэкономить мало что сможем. Остаются только два элемента: фильтр и трансформатор. Фильтр представляет собой электролитический конденсатор большой емкости. Но изменение его параметров, как мы увидим далее, не позволит получить сколь-нибудь ощутимый выигрыш. Остается исследовать возможности способы минимизации трансформатора.

Основная задача его заключается в передаче мощности со стороны источника высокого на сторону низкого напряжения. При этом необходимо обеспечить гальваническую развязку высоковольтных с низковольтными цепями. Гальваническая развязка необходима для преимущественного большинства устройств по условиям безопасности, как персонала, так и низковольтного оборудования. А трансформатор, как никакой другой элемент выполняет эти и другие условия. При этом он имеет максимальный коэффициент полезного действия, достигающий 99 %. По этой причине ему до сих пор не могут найти альтернативу, за что приходится расплачиваться повышенной массой и размерами в целом БП.

Безтранформаторные источники питания

Конечно, всегда возникал вопрос: а можно ли вообще обойтись без трансформатора? Здесь ответ неоднозначный. И можно и нельзя. Более того, существуют безтрансформаторные источники питания. Для снижения напряжения применяют конденсатор. Конденсатор характеризуется реактивным сопротивлением при работе в цепях переменного тока. Именно это свойство благополучно используется. Однако реактивное сопротивление конденсатора зависит обратно пропорционально от его емкости. Поэтому с увеличением нагрузки необходимо применять конденсатор большей емкости, что очень сказывается на его размерах. Кроме того возрастает его цена, поскольку он должен быть рассчитан на 400…450 В. Помимо всего прочего, использование реактивного сопротивления негативно влияет на качестве электроэнергии питающей сети. Снижается коэффициент мощности cosφ. Но самый главный недостаток заключается в отсутствии гальванической развязки. Это исключает применение подобных схем в преимущественном большинстве радиоэлектронной аппаратуре.

Как снизить массу и габариты трансформатора

Так вот, мощность любого узла ИБП определяется всего двумя параметрами: напряжением и током.

P = U∙I.

Полная мощность трансформатора (Т) также определяется произведением тока на напряжение. Поэтому давайте рассмотрим, как зависят габариты Т от величины приложенного U и протекающего I. Возможно, здесь у нас получится на что-то повлиять.

Напряжение или, точнее говоря, ЭДС данного электромагнитного устройства определяется частотой приложенного напряжения f, количеством витков w и магнитным потоком Φ.

E = 4,44∙f∙w∙Φ

Коэффициент 4,44 уберем для упрочения, поскольку он соответствует синусоидальной форме тока. В импульсных блоках питания, где форма сигнала имеет вид прямоугольника, это коэффициент имеет другое значение.

E ~ f∙w∙Φ

Магнитный поток представляет собой произведение магнитной индукции B на площадь поперечного сечения сердечника магнитопровода Sс.

E ~ f∙w∙B∙Sс

Давайте поразмыслим над этой формулой с интересующей нас позиции. Размеры Т определяются размерами его сердечника и обмотками. Упрощенно говоря, мы можем вполне обосновано сказать, что габариты сердечника зависят от площади поперечного сечения сердечника (магнитопровода) Sс. А габариты обмотки зависят от числа витков w.

Теперь становится очевидно, что для сохранения прежней величины электродвижущей силы E при снижении числа витков w и площади поперечного сечения Sс, а соответственно и габаритов трансформатора, необходимо повышать или частоту или индукцию или эти два параметра одновременно.

Преимущественное большинство сердечников промышленных трансформаторов выполняются из электротехнической стали. Такая сталь имеет индукцию насыщения порядка 1,7 Тл. Это довольно большое значение индукции. Выше только у чистого железа, обладающего максимально возможной индукцией из всех магнитных материалов, и составляет чуть более 2 Тл. К сожалению, чистое железо не пригодно к использованию в электромагнитных устройствах вследствие сильных потерь энергии при перемагничивании.

Альтернативные магнитные материалы

Также в ряде стран применяется пермаллой. Пермаллой имеет несколько меньшую индукцию, чем электротехническая стать, но обладает большим электрическим сопротивлением. Благодаря чему снижаются потери на вихревые токи, а соответственно и потери холостого хода.

Относительно недавно на рынке в доступной цене появились аморфные и нанокристаллические сплавы. Они обладают высоким электрическим сопротивлением, при этом индукция их приближается к электротехническим сплавам. Кроме того они обладают рядом положительных свойств, превосходящих другие магнитные материалы. Но на этом мы здесь останавливаться не будем.

Однако индукция известных на сегодняшний день магнитных материалов и сплавов не достигает величины, значительно превосходящей индукцию электротехнической стали, то есть более 1,7 Тл. Поэтому сейчас невозможно существенно снизить габариты электромагнитного устройства за счет применения новых магнитных материалов. Поэтому остается единственный способ, который даст ощутимое снижение массы и размеров – это повышение частоты f переменного тока.

Как работает импульсный блок питания электронных устройств

Мы знаем, что в сети 220 В или 230 В f равна 50 Гц, отсюда возникает вопрос: как ее повысить? А делается это следующим образом. Сначала переменное напряжение 220 В, 50 Гц выпрямляется с помощью обычного диодного моста. Затем оно сглаживается электролитическим конденсатором большей емкости. Далее сглаженное напряжение снова преобразуется в переменное, но уже значительно большей частоты. В современных импульсных блоках питания она составляет порядка единиц мегагерц. И уже это высокочастотное напряжение подается на обмотку трансформатора. Это позволяет значительно снизить его размеры при сохранении прежнего значения электродвижущей силы. Затем сниженное напряжение со вторичной обмотки снова выпрямляется, сглаживается, и стабилизируется.

Постоянное напряжение преобразуется в переменное с помощью инвертора. Транзисторы инвертора работают в ключевом режиме, что приводит к появлению значительных импульсов тока. Поэтому на входе первого выпрямителя обязательно устанавливают дроссель для снижения уровня пульсаций тока, вызванных работой инвертора. Кроме того, для борьбы и электромагнитными импульсами, ИБП полностью экранируют.

Shema-impulsnogo-bloka-pitniya-1024x306.png

Именно по причине этих пульсаций ИБП не применяются в аудиотехнике. В первую очередь это относиться к усилителям звука. Они вместе с полезным аудиосигналом могут усилить и помехи или пульсации, создаваемые полупроводниковыми приборами, работающими в ключевом режиме. В конечном итоге это негативно отобразится на качестве звука.

Сечение провода тр-ра по-прежнему рассчитывается на аналогичный ток. Однако в качестве магнитопровода электротехническая сталь не применяется, поскольку на высоких частотах возникают сильных потери энергии, вызванные действием вихревых токов. Поэтому применяют магнитные материалы с максимально высоким электрическим сопротивлением. К ним относятся ферриты и различного рода магнитодиэлектрики.

ШИМ-контроллер

Работой полупроводниковых приборов инвертора управляет ШИМ-контроллер. ШИМ-контроллер может выполняться в виде отдельной микросхемы или в едином корпусе с полупроводниковыми ключами. Для поддержания заданного уровня напряжения на нагрузке в не зависимости от изменения ее параметров и других воздействующих факторов, необходимо изменять параметры широтно-импульсной модуляции. За это отвечает ШИМ-контроллер, который получает сигнал по обратной связи. В качестве элемента, образующего обратную связь применяется оптопара. Может применяться и другой радиоэлектронный элемент, как правило, способный осуществить гальваническую развязку.

Теперь должно быть понятно, как работает импульсный блок питания. Его схема состоит из входного фильтра, входного выпрямителя, сглаживающего входного фильтра, инвертора, импульсного трансформатора, выходного выпрямителя и выходного фильтра.

Kak-rabotaet-impulsnyj-blok-pitaniya-1-1024x768.png

В качестве входного фильтра применяется дроссель. Сглаживающими фильтрами служат электролитические конденсаторы большей емкости.

Мощный импульсный блок питания?

Значительно повысить f удается только в относительно маломощных ИБП с точки зрения силовой электроники. В преобразователях электрической энергии большой мощности – десятки, сотни и тысячи киловатт, сколь существенно увеличить частоту не получится. Это вызвано отсутствием транзисторов или тиристоров, способных быстро переключать большую нагрузку, сохраняя при этом приемлемый уровень потерь энергии. Максимум удается повысить f до тысячи герц, 400 Гц, а то и вовсе ниже. К тому же возникают трудности с охлаждением таких преобразовательных установок.

Потери в полупроводниковых ключах зависят от приложенного к ним напряжения, протекающего I и частоты переключения. С ростом f потери энергии в полупроводниковых ключах сильно возрастают. Поэтому существенно снижается коэффициент полезного действия всей преобразовательной установки. Отсюда данный способ пока что не находит применения для мощных преобразователей и является малоэффективным.

Но и здесь был найден выход. Все усилия были направлены в сторону уменьшения размеров и веса обмоток. В преобразователях она может достигать нескольких тонн. Если получится существенно уменьшить ее размеры, тогда можно домотать некоторое количество витков и за счет этого снизить габариты магнитопровода при сохранении прежнего значения электродвижущей силы.

Масса меди обмоток mо зависит от суммарной длины одного витка lв, их числа w, площади поперечного сечения Sв и удельного веса меди γм.

mо = lвwSвγм.

Длина витка lв определяется его диаметром dв, поэтому можем переписать предыдущее выражение следующим образом:

mо = πdвwSвγм.

В свою очередь диаметр dв определяет индуктивность Т. Поэтому его мы уменьшить не можем, поскольку это в конечном итоге повлечет за собой уменьшение ЭДС, а это не допустимо.

Также нельзя снизить удельный вес меди. Остается снижать площадь поперечно сечения витка.

Она в свою очередь зависит от величины протекающего I и допустимой плотности тока j.

Sв = Ij.

Величину тока мы также снизить не можем, поскольку она определяет мощность трансформатора при заданном значении электродвижущей силы. Остается только один способ – увеличить допустимую плотность j.

Сверхпроводники

Эта величина для меди в среднем находится в пределах от 8 до 10 А/мм2. Для обмоток электрических машин она будет иметь меньшее, а для монтажных проводов или линий электропередач – большее значение.

Величина j показывает, какой максимальный ток можно пропустить через заданное сечение проводника. Для простоты примем допустимое значение j = 10 А/мм2. Это значит, что через медный провод сечением 1 мм2 можно пропустить I величиной 1 А. Если превысить эту величину, то он будет перегреваться, что недопустимо. Главная причина заключается в перегреве изоляции, которая для электрических машин обходится дороже стоимости самого провода. С ростом температуры эксплуатационный срок изоляции резко снижается. Отсюда преждевременная постановка на ремонт и затратная перемотка изоляции.

Если проводник принудительно охлаждать, то через ту же Sв можно пропустить больший I. Именно таким способом удается существенно уменьшить сечение Sв. Применяют так называемые сверхпроводящие обмотки. Они находятся в специальной герметичной емкости, заполненной жидким азотом. Точка кипения азота чуть более -195 °С. Жидкий азот хорош тем, что он не взрывоопасен и не ядовит.

Благодаря применению жидкого азота снижается сопротивление проводника. Это позволяет повысить j почти в 30 раз, не перегревая его. А соответственно снизить площадь поперечного сечения обмоточного провода, что в свою очередь приводит к снижению веса электромагнитного устройства.

Подытожим сказанное выше. Для снижения массы и габаритов ИБП малой и средней мощности повышают частоту подводимого напряжения к обмоткам трансформатора за счет специальных схемных решений. В силовых преобразователях такой способ пока что трудно реализуем по причине отсутствия полупроводниковых ключей с приемлемыми коммутационными характеристиками. Единственный рациональный способ заключается в использовании сверхпроводящих обмоток.

Теперь, я надеюсь, Вам стало понятно, как работает импульсный блок питания и почему он имеет такую структуру.

Используемые источники:

  • https://www.asutpp.ru/impulsnyj-blok-pitaniya.html
  • https://electrikblog.ru/impulsnye-bloki-pitaniya-printsipy-raboty-dlya-novichkov/
  • https://diodov.net/kak-rabotaet-impulsnyj-blok-pitaniya/

Рейтинг автора
5
Подборку подготовил
Андрей Ульянов
Наш эксперт
Написано статей
168
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации