Самодельный лабораторный блок питания

Когда то у меня был советский источник питания Б5-47, он очень громко и противно пищал, грелся, периодически из него шел дым. Таким образом пользование сей девайсом более 5 минут причиняло просто невыносимые моральные страдания. Явно он был неисправен. Вскрытие показало что лучше его сразу выбросить и забыть. К тому же его интерфейс управления мне никогда не нравился, юзабельность тоже оставляла желать лучшего. Понятно, что без нормального БП жизнь скучна, решил быстренько сделать БП из того что было под рукой. В итоге изготовление данной конструкции по разным причинам затянулось аж на 2 года. Собственно вот результат:Требования были следующие: регулируемое выходное напряжение до 30 В с регулируемым токоограничением до 5 А. Разумеется должна применяться цифровая индикация. Дизайн должен напоминать MASTECH HY3005D и им подобные. Единственное — мне никогда не нравилось что первый прибор показывает ток. Ну неправильно это — напряжение всегда первично, соответственно первый прибор должен показывать именно напряжение.Первоначально проектировал схему на базе линейного стабилизатора К142ЕН2А, но в итоге отказался от этой идеи — низкий КПД, регулирующий силовой транзистор сильно грелся даже с учетом того что был предусмотрен переключатель отпаек на вторичной стороне трансформатора. Да и вообще всё как-то криво работало. Пришлось выпилить.Второй вариант схемы разработал на базе легендарного ШИМ-контроллера TL494, который в разных вариациях встречается во многих компьютерных блоках питания. На этот раз всё получилось как надо.Вкратце о конструкции:Принципиальная схема (кликабельно)Как уже говорил — девайс собрал из запчастей, большинство которых были в радиусе 5 метров от меня.Понижающий трансформатор нашелся под столом, марки я его не знаю. Напряжение на вторичке около 40 В.D1 — TL494, VD1 — диод шоттки и тороидальный дроссель L1 выпаял из неисправного компьютерного блока питания: диод шоттки используется в схеме выпрямления, он установлен на радиаторе возле импульсного трансформатора, тороидальный дроссель расположен рядом с ним.LM358 — весьма хороший и распространенный операционный усилитель. Продаётся почти на каждом углу. Рекомендован к приобретению.Шунт R12 — взял из какого-то старого связисткого оборудования: представляет собой 3 толстых изогнутых проволочки.Резисторы R9, R10 используются для регулирования выходного напряжения (грубо, точно). Резисторы R3, R4 используются для регулирования токоограничения (грубо, точно).При наладке БП подстроечным резистором R15 регулируется порог переключения светодиодной сигнализации. Еще возникли проблемы с интегральным стабилизатором 7805 — при входном напряжении около 40 В он начинал ужасно глючить — просаживал выходное напряжение, решил проблему установив по входу 1 Вт гасящий резистор R13.Сам корпус взят от древнего самопишущего регистратора. Компоновка получилась следующей — в середине корпуса установлен силовой трансформатор, который вошел туда как родной, видимо они были созданы друг для друга. В передней части БП расположена электронная схема управления, органы управления и сигнализации. В задней части корпуса расположена вся силовая электроника. Таким образом трансформатор как бы делит БП на 2 части — слаботочную и силовую.Передняя часть корпуса с откинутой лицевой крышкой. Цифровые измерительные приборы приехали из Китая, они заводского производства. Электронная схема управления состоит из 2 плат: плата регулятора напряжения — TL494 c обвязкой, и плата сигнализации — включает в себя микросхемы D3,D4. Почему не сделал на одной плате? Просто сигнализацию я делал несколько позже чем регулятор, и отдельно доводил её «до ума». Там тоже были свои заморочки.Задняя часть корпуса. На общем радиаторе установлены диодный мост KBPC 3510, силовой транзистор КТ827А, дроссель L1, шунт R12. Всё это дело изнутри обдувается 12 сантиметровым вентилятором. В задней части корпуса установлены также предохранители, сглаживающие конденсаторы C1, C4 и маленький вспомогательный импульсный блок питания для работы вентилятора и цифровых измерительных приборов.Конечно, можно было бы купить фирменный БП и не городить огород. Но иногда хочется самому поизобретать велосипедЕсли кто-то задумает повторить конструкцию вот здесь выложил принципиальную схему в высоком разрешении и чертежи печатных плат в формате Sprint Layout.Обновление 09.01.2019По прошествии времени пользователи в комментариях поделились своими модификациями блоков питания. Рассмотрим подробнее предложенные варианты. Обсуждение всех конструкций по-прежнему доступно в комментариях Модификация № 1Предложена Принципиальная схемаДрайвер полевика (точнее, двух параллельно — выравниванием токов занимаются сами полевики) запитан от отдельного источника 15в. У себя взял промагрегат 9-36в/15в TEN 12-2413. От него же запитаны кулеры.TL494 запитана от отдельного источника 24 в.Потенциометр вольтажа любой, замер тока с шунта амперметра. Трансформатор выдает 34 в, выпрямленного около 45.Проблема мощности упиралась в дросселе. Если 5-амперник нормально шел, то 20 помучал.Практическим путем нашел вариант два параллельно на кольцах от компового. 23 витка проводом 1,15мм.Внешний вид конструкции

Модификация № 2Предложена Принципиальная схемаНедавно натолкнулся на эту статью про ЛБП на TL494. Загорелся желанием собрать БП по этой схеме, тем более уже давно валялся трансформатор от польского блока питания на 24в и 4а. Вторичка выдает 34в переменки, после моста с кондером 10000х63в — 42в. Собрал навесным монтажом по этой схеме, включил и сразу дым из 494-й. Все проверил, заменил микросхему, включаю — на холостом работает, на выходе напряжение пытается регулироваться, прикоснулся к 494 — горячая! Добавил номинал 4.7к резистору R1 — блок работает, но стоило подключить лампочку 24в 21вт, как взорвалась микросхема в районе 9, 10 ножки. Отмотал с вторичной обмотки транс-ра несколько витков (снизил напряжение на 4 вольта) и все равно горят микросхемы. Питание на 8,11,12 ноги подавал 12в с другого БП, мотал дроссель разным по диаметру проводом и количеством витков — толку нет (сжег 6 микрух). У меня есть кой — какой опыт по переделке компьютерных блоков в зарядные устройства и регулируемые блоки питания на основе TL494 и ее аналогах. Начал собирать обвязку ШИМа по схемам к комповым БП. Изменил управление силовым транзистором, подал питание на ШИМ от отдельного источника на 12в (переделал зарядку от сотового телефона) и все — блок заработал! Пару дней настраивал на регулировки и свист дросселя (оссцила нет) теперь надо отлутить плату управления и можно собирать в корпус.Сегодня настраивал свой БП. Спасибо большое за подсказку проверять пульсации на выходе динамиком если нет осциллографа. При малой нагрузке (лампочка 12в, 21вт) из динамика слышался гул и вой когда крутил регулятор тока. Устранил это безобразие установкой дополнительных конденсаторов (на схеме обведено красным цветом).Как рекомендовал конденсатор С15 действительно жизненно важный. Еще с помощью динамика определил бракованный потенциометр на регулировку тока. При его вращении из динамика слышался шорох и треск. После его замены и установки доп. конденсаторов из динамика тишина (чуть слышное шипение) при разной нагрузке на выходе БП.Делал тест на нагрев деталей блока. При такой нагрузке в течении 1.5 часов только транзистор грелся (трогал пальцем его корпус), а радиатор, где он установлен, чуть теплый (обдувается вентилятором). Дроссель — холодный, трансформатор тоже.Внешний вид конструкцииМодификация № 3Предложена За основу была взята схема с полевиком https://ic.pics.livejournal.com/rond_60/78751049/3328/3328_original.jpgПри отладке появились проблемы с управлением полевика через трансформатор. На небольших токах нагрузки он работал, при увеличении более 2 ампер происходил срыв и падение тока (при скважности ШИМ > 30%). Пришлось убрать трансформатор и вместо него поставить оптодрайвер ACPL3180 с питанием от отдельной обмотки трансформатора.Сделал 2 независимых канала с регулировкой напряжения до 30V и ограничения тока до 10A. Второй канал запустился сразу, только пришлось подстроить максимальные значения напряжения и тока. Регулировочные резисторы — 10 оборотныеhttps://ru.aliexpress.com/item/Free-Shipping-3590S-2-103L-3590S-10K-ohm-Precision-Multiturn-Potentiometer-10-Ring-Adjustable-Resistor/32673624883.html?spm=a2g0s.11045068.rcmd404.3.de3456a4CSwuV3&pvid=b572f0cb-2d84-4353-a657-a28824b99672&gps-id=detail404&scm=1007.16891.96945.0&scm-url=1007.16891.96945.0&scm_id=1007.16891.96945.0В качестве V-A метра применён китайский модульhttps://ru.aliexpress.com/item/DC-100-10A-50A-100A/32834619911.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.466b33edLWGUwZ с доработкой, достигнута точность показаний 2% при больших токах и 10 мА при токах до 1А.Радиатор на транзисторе и диоде один от компьютерного блока питания. При нагрузке на лампу 15V 150W он нагревается до 80 градусов (больше греется диод). Настроил включение вентилятора охлаждения на 50 град. (один на 2 канала)Окончательная схема одного каналаRшунт 0,0015 Ом — Это встроенный шунт прибора, к нему добавляются сопротивление проводов от индикатора до клемм XS104 и «-«, при большом токе они оказывают значительное влияние. Провод 1,5 кв.ммНастройка:1 Запускаем задающий генератор на TL494 и драйвер с отключенным затвором VT101. На выходе драйвера будет ШИМ около 90%. Настраиваем частоту TL в пределах 80 — 100 кГц подбирая R1072 Подключаем затвор транзистора (для подстраховки питание +45 подаём через токоограничивающий балласт, я брал 2 лампы 24V 150W последовательно) и смотрим выход БП. Подключаем небольшую нагрузку (я брал 100 Ом). Если напряжение на выходе регулируется то устанавливаем максимальное значение выхода с помощью R122.3 Убираем токоограничивающий балласт, нагружаем выход сильнотоковой нагрузкой (я брал лампу 15V 150W) и настраиваем максимальный ток в нагрузке: R106 постепенно выводим в нижнее по схеме положение, подбираем R104 и R105 добиваясь срабатывания защиты по току (у меня ограничение по току 10А). При сработке токовой защиты регулировка напряжения с помощью R101 в большую сторону не приводит к его росту на выходе.4 Узел индикации на операционнике и светодиодах не нуждается в настройке (его единственный недостаток — небольшая подсветка красного светодиода когда горит зелёный, можно исправить включив последовательно с красным обычный диод.5 настраиваем Р101 на нужную температуру срабатывания вентилятора нагрузив блок питания на приличную нагрузку измеряя температуру диода и транзистора на радиаторе. Внешний вид:Осциллограммы

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

Содержание:

• Пошаговая инструкция ↓
• Проверка ↓
• Достоинства и недостатки ↓
• Устройство и особенности работы ↓

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

Для работы понадобятся следующие материалы и детали:

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

Кроме этого, понадобятся следующие инструменты:

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

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

Пошаговая инструкция

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

Сборка проводится следующим образом:

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

Все элементы устанавливаются в отведенные места на плате и припаиваются с обратной стороны.

Проверка

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

Проверить правильность работы блока питания можно следующим образом:

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

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

Рекомендации по сборке:

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

Достоинства и недостатки

Импульсный преобразователь имеет следующие достоинства:

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

Есть и недостатки:

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

При самостоятельном создании подобной конструкции, следует учитывать то, что допущенные ошибки могут привести к выходу из строя электропотребителя. Поэтому нужно предусмотреть наличие защиты в системе.

Устройство и особенности работы

При рассмотрении особенностей работы импульсного блока, можно отметить следующие:

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

Обратная связь может быть организована следующим образом:

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

Подобными способами выдерживается выходное напряжение с нужными параметрами.

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

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

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

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

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

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

Содержание статьи

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

Они подразделяются на трансформаторные и импульсные изделия.

• 
• 

• 
• 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

После силового трансформатора наступает очередь работы выходного выпрямителя.

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

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

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

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

Накопительная емкость сглаживает пульсации.

Оптопара в узле обратной связи обеспечивает оптическую развязку электрических сигналов.

Разберем все эти части подробнее.

Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций

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

Важно понимать, что импульсы высокой частоты играют двоякую роль:

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

Причины появления помех в бытовой сети:

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

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

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

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

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

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

Работу дросселя эффективно дополняют емкостные сопротивления.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Сетевой выпрямитель напряжения: самая популярная конструкция

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

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

Такой сетевой выпрямитель напряжения заложен в работу всех блоков питания.

Преобразователь импульсного напряжения: объяснение простыми словами с поясняющими картинками

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

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

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

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

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

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

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

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

Импульсный трансформатор: принцип работы одного импульса в 2 такта

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

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

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

Его энергия расходуется:

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

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

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

Однотактная схема импульсного блока питания: состав и принцип работы

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

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

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

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

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

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

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.

Используемые источники:

• https://vladikoms.livejournal.com/2204.html
• https://slarkenergy.ru/oborudovanie/bp/impulsnye-svoimi-rukami.html
• https://electrikblog.ru/impulsnye-bloki-pitaniya-printsipy-raboty-dlya-novichkov/