Между трансформаторным и импульсными, а также их достоинства и недостатки. Например трансформаторный блок питания, в составе которого имеется трансформатор выполняющий функцию понижения сетевого напряжения до заданного, такая конструкция называется понижающим трансформатором.

Блоки питания работающие в импульсном режиме являются импульсным преобразователем или инвертором. В импульсных источниках питания переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а затем происходит формирование импульсов необходимой частоты. У такого ИП в отличии от обыкновенного силового трансформатора при одинаковой мощности намного меньше потерь и незначительные габаритные размеры полученные в следствии высокочастотного преобразования. p>

Трансформаторные блоки питания

Самым распространенным блоком питания считается конструкция, в составе которого имеется понижающий трансформатор, его определенная обязанность — понижать входное напряжение. Его первичная обмотка намотана с учетом работы с сетевым напряжением. Кроме понижающего трансформатора в таком БП установлен еще выпрямитель собранный на диодах, как правило применяется две пары выпрямительных диодов (диодный мост) и конденсаторах фильтра. Такое устройство служит для преобразования однонаправленного пульсирующего переменного напряжение в постоянное. Не редко применяются и другие конструктивно выполненные устройства, например, выполняющий в выпрямителях функцию удвоения напряжения. Кроме сглаживающих пульсации фильтров, там же могут быть элементы фильтра помех высокой частоты и всплесков, схема защиты от короткого замыкания, полупроводниковые приборы для стабилизации напряжения и тока.

Схема простейшего трансформаторного БП c двухполупериодным выпрямителем

Достоинства трансформаторных блоков питания

Импульсные блоки питания

Отличия импульсного блока питания от обычного — импульсные источники питания это инверторное устройство и является составляющей частью аппаратов бесперебойного электрического питания. В импульсных блоках переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а потом формирует импульсы определенной частоты. Преобразованное выходное постоянное напряжение имеет импульсы прямоугольной формы высокой частоты поступающее на трансформатор или сразу на выходной фильтр нижних частот. В импульсных блоках питания часто используются небольшие по размерам трансформаторы - это вызвано тем, что при возрастании частоты увеличивается эффективность работы устройства, тем самым становятся меньше требования к размерам магнитопровода, необходимого для отдачи равнозначной мощности. В основном такой магнитопровод изготавливается из ферромагнитных материалов служащих проводниками магнитного потока. Отличия источников питания в частности от сердечника трансформатора низкой частоты, для изготовления которых применяется электротехническая сталь.

Отличия импульсного блока питания от обычного — происходящая в импульсных источниках питания стабилизация напряжения возникает за счет цепи отрицательной обратной связи. ООС дает возможность обеспечивать выходное напряжение на достаточно устойчивом уровне не взирая на периодические скачки входящего напряжения и значение сопротивления нагрузки. Отрицательную обратную связь также можно создать иными способами. Относительно импульсных источников питания имеющих гальваническую развязку от электрической сети, наиболее применяемый в таких случаях способ — это образование связи с помощью выходной обмотки трансформатора либо воспользоваться оптроном. С учетом значения величины сигнала отрицательной обратной связи, которое зависит от напряжения на выходе, меняется скважность импульсных сигналов на выходном выводе ШИМ-контроллера. Если можно обойтись без гальванической развязки то, в таком случае, применяется обычный делитель напряжения собранный на постоянных резисторах. В конечном итоге, источник питания обеспечивает выходное напряжение стабильного характера.

Принципиальная схема простейшего однотактного импульсного БП

Достоинства импульсных блоков питания

● Если сравнивать относительно выходной мощности линейный стабилизатор и импульсный, то последний имеет некоторые достоинства:
● Относительно небольшой вес, получившийся в следствии того, что с увеличением частоты можно применять трансформаторы малых габаритов имея аналогичную выдаваемую выходную мощность.
● Большой вес линейного стабилизатора получается за счет использования массивных силовых трансформаторов, а также тяжелых теплоотводов силовых компонентов.
● Высокий КПД, который составляет около 98% полученный в следствии того, что штатные потери происходящие в импульсных стабилизирующих устройствах зависят от переходных процессов на стадии переключения ключа.
● Поскольку больший отрезок времени ключи находятся в стабильном либо включенном или выключенном состоянии, то соответственно и энергетические потери ничтожны;
● Относительно небольшая стоимость, образовавшаяся в следствии выпуска большого количества необходимых электронных элементов, в частности появление на рынке электронных товаров высокомощных транзисторных ключей. ● Помимо всего этого необходимо заметить существенно малую стоимость импульсных трансформаторов при аналогичной отдаваемой в нагрузку мощности.
● Имеющиеся в подавляющем большинстве блоках питания установленных схем защиты от всевозможных нештатных ситуаций, таких как защита от короткого замыкания или если не подключена нагрузка на выходе устройства.

На дворе 21 век трансформаторных блоков питания остается все меньше, т.к им на смену пришли импульсные блоки питания, иначе их еще называют бестрансформаторным. Почему это протзошло? Во первых импульсные блоки питания куда более компактны, легче и дешевле в производстве. По мимо этого КПД импульсных блоков может доходить до 80%.

В рамках нашей статьи рассмотрим наиболее интересные схемы импульсных блоков питания с использование различных схемотехнических решений. Но сначала разберем принцип работы импульсного блока питания . (ИБП)

Практически все существующие сегодня импульсные источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкционному исполнению и работают по одной, типичной схеме.

Устройство импульсного блока питания

В состав основных компонентов и блоков ИБП входят:

сетевой выпрямитель, типовой вариант состоит из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, диодного моста и сетевого предохранителя;
фильтрующей емкости;
силового транзистора работающего в ключевом режиме;
задающий генератор;
оптопары;
схема обратной связи, построенной обычно на транзисторах;
выпрямительные диоды или диодный мост выходной схемы;
Схемы управления выходным напряжением
фильтрующие емкости;
силовые дроссели, выполняют функцию коррекции напряжения и его диагностики в сети

Пример печатной платы типового импульсного блока питания с кратким обозначением радиоэлектронных узлов показан на рисунке ниже:

Как работает импульсный блок питания?

ИБП выдает стабилизированное напряжение за счет применения принципов взаимодействия компонентов инверторной схемы. Переменное сетевое напряжение 220 вольт идет по проводам на выпрямительное устройство. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет применения конденсаторов, выдерживающих пики до 300 вольт, и отделяется помехоподавляющим фильтром.

Диодный мост выпрямляет проходящие через него переменное напряжение, которые затем преобразуются схемой реализованной на транзисторах. Далее высокочастотные импульсы прямоугольной формы следуют с заданной скважностью. Они могут преобразовываться:

с гальванической развязкой от питающей сети выходных цепей;
без развязки.

В первом случае ВЧ импульсы следуют на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку. За счет высокой частоты получается отличная эффективностьприменения трансформатора, снижаются габариты магнитопровода, а следовательно и вес конечного устройства.

В подобных схемах ИБП работают три взаимосвязанных цепочки: ШИМ-контроллер ; транзисторный каскад из силовых ключей; импульсный трансформатор

Каскад из силовых ключей обычно состоит из мощных полевых, биполярных или транзисторов. Для последних, как правило, создана отдельная система управления на других маломощных транзисторах либо ИМС (драйвера). Силовые ключи могут быть реализованы по различным схемам: полумостовой; мостовой; или со средней точкой.

Импульсный трансформатор его обмотки, размещены вокруг магнитопровода из альсифера или феррита. Они способны передавать ВЧ импульсы с частотой следования до сотен кГц. Их работу обычно дополняют цепочки из стабилизаторов, фильтров, диодов и других элементов.

В ИБП без гальванической развязки высокочастотный разделительный трансформатор не применяется, а сигнал следует сразу на фильтр нижних частот.

Особенности стабилизации выходного напряжения в ИБП

Все ИБП имеют в своем составе радио компоненты, реализующие отрицательную обратную связь (ООС) с выходными параметрами. Поэтому они обладают отличной стабилизацией выходного напряжения при плавающих нагрузках и колебаниях сети питания. Методы реализации ООС зависят от используемой схемы для работы ИБП. Она может реализоваться у ИБП, работающих с гальванической развязкой за следующий счет:

Промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток ВЧ трансформатора;
Испоьзования оптрона.

В обоих вариантах эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера. При применении схемы без гальванической развязки ООС обычно создается за счет подсоединения резистивного делителя.

Простой импульсный блок питания схема которого реализована на микросхеме HV-2405Е в своем внутреннем составе содержит предварительный импульсный стабилизатор напряжения и выходной линейный стабилизатор.

Величина тока, которую способен выдать импульсный блок питания, зависит от емкости C1. Конденсатор С2 адает временную задержку активации микросхемы для стабилизации переходных процессов. Емкость C3 используется для уменьшения пульсации выпрямленного выходного напряжения.

Термистор R1 защищает микросхему от пробоя током заряда конденсатора С1. В схеме был использован малогабаритный термистор марки MZ21-N151RM.

Для получения выходного напряжения в 18 В резистора R1 должен быть составлять 13 кОм, для 15 В - 10кОм,для 12 В - 6,8кОм, а для 9 В - 3,9 кОм.

Микросборка IR2153 это универсальный драйвер управления полевыми и IGBT транзисторами. Разрабатывалась она специально для использования в схемах электронного балласта энергосберегающих ламп, поэтому её функциональные возможности при конструирование блока питания немного ограничены. Микросхема позволяет создать на ее базе простой и надежный источник питания.

Делитель напряжения, собран на неполярном бумажном конденсаторе С1 и электролитических конденсаторах С2 и СЗ, которые создают неполярное плечо сумарной емкостью 100 микрофарад.

Два левых по отношению к схеме диода являются поляризующими к конденсаторной цепи. При указанных номиналах радиокомпонентов, ток короткого замыкания будет около 0,6А, а напряжение на выводах емкости С4 при отсутствие нагрузки приблизительно равно 27 В.

Первичная обмотка трансформатора Т2 преобразователя подсоединена в диагональ моста, образованного транзисторами VT1, VT2 и емкостями С9, С10. Базовые цепи транзисторов питаются от второй и третей обмоток трансформатора Т1, на первичную обмотку которого идет ступенчатое напряжение с формирователя, построенного на микросхемах DD1, DD2.

Задающий генератор формирователя выполнен на инверторах DD1.1, DD1.2 и генерирует колебания частотой 120 кГц. Импульсы с выходов триггеров DD2.1 с частотой 60 кГц и DD2.2 с частотой30 кГц идут на входы элементов DD1.3 я DD1.4, а уже на их выходах генерируются импульсные последовательности со скважностью 4.

Трансформатор Т1 предает это ступенчатое напряжени на базу транзисторов VT1, VT2 работающих в ключевом режиме и поочередно открывает их.

Два источника выходного напряжения выполнены на стабилизаторах напряжения серии К142. Так как, выпрямленное напряжение импульсное на входах фильтров установлены оксидные конденсаторы К52-1 небольшой емкости, хорошо работающие на данной частоте преобразования.

Схема импульсного блока питания собрана на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита. Со стороны радиокомпонентов фольга сохранена и является общим проводом.

Транзисторы устанавливаются на радиатор размерами 40 на 22 мм.

В схеме применены постоянные сопротивления С2-1 (R7) и МТ, подстроечный резистор СП3-196 (R9), емкости КТП-2а (С1, С2), К50-27 (С4, С5), К52-1 (С7, C11, C16, С20), K73-17 на номинальное напряжение 400 (С3) и 250 В (С9, С10), КМ-5 (С6, С14) и КМ-6 (остальные). Индуктивности L1, L2, L4 - ДМ-2,5 L3 - ДМ-0,4.

Первый трансформатор собран на кольцевом магнитопроводе К 10Х6Х5 из феррита 2000НМ. Его первичная обмотка состоит из 180 витков провода ПЭЛШО 0,1, 2 и 3 обмоткиимеют по 18 витков ПЭЛШО 0,27. Магнитопровод второго трансформатора К28Х16Х9 из феррита марки 2000НМ. Его первичная обмотка состоит из 105 витков провода ПЭЛШО 0,27, обмотки 2 и 4 из 14 и 8 витков монтажного провода МГТФ сечением 0,07 мм, 3-я обмотка из 2Х7 витков ПЭВ-2 диаметром 1 мм.

Основа конструкции полумостовой драйвер на микросхеме IR2151. Сигнал с генератора усиливается каскадом на мощных полевых транзисторах. Резистор 47к должен быть с мощностью от 2 ватт. Диод FR107 можно заменить на FR207 и т.п. Электролитические конденсаторы необходимы для сглаживании пульсаций и снижения уровня сетевых помех, их емкость от 22 до 470 мкф. Предохранитель на 3 ампера. Импульсный трансформатор позволяет получить двухполярное напряжение 12 или 2 вольт, поэтому на выходе можно получить 5, 10, 12 и 24 вольта.

Таким БП можно запитать мощные УНЧ или же приспособить его под 12 вольтовый усилитель из серии TDA. Если БП дополнить регулятором напряжения, то можно собрать полноценный импульсный лабораторный блок питания.

Выпрямитель лучше всего собрать на ультрабыстрых диодах на 4-10 ампер их можно позаимствовать из того же компьютерного блока питания. Этот блок питания можно применить еще в качестве зарядного устройства для автомобильного аккумулятора, так как выходной ток более 10 ампер.

Помните были такие популярные в свое время телефоны наподобие Русь 26. К каждому из них шел не плохой сетевой адаптер имеющий на выходе два стабилизированных напряжения +5В и +8 В при токе нагрузки до 0,5 А его можно использовать для питания множества радиолюбительских самоделок и сегодня.

Рассмотрим схему этого БП:

Напряжение сети 220 В через замкнутые контакты тумблера SA1 и защитное сопротивление R1 идет на первичную обмотку трансформатора Т1. Со вторичной обмотки оно пониженое до 11 В переменного тока, выпрямляется выпрямителем, на диодах Шотки VD1 - VD4. Использование таких диодов снижает потери мощности на выпрямителе примерно на 1 В повышает напряжение на конденсаторе фильтра С7.

Импульсный блок питания содержит два линейных стабилизатора DA1 и DA2. Первый выдает стабилизированное выходное напряжение +5 В, а второй +8 В.

Тумблером SB1 можно выбирать напряжение +5 В или + 8 В. При этом, если тумблер находится в положении «+5 В», загорается светодиод HL2, если в положении «+8 В», то HL3.

Для удобства, на выход канала «+5 В» можно добавить USB-розетку и использовать для наладки устройств с питанием от .

Подробная инструкция для изготовления самодельных импульсных блоков питания разной мощности на основе электронного балласта старой люминесцентной лампы. Электронный балласт это почти готовый импульсный Блок Питания, но в ней отсутствует разделительный трансформатор и выпрямитель.

Плюсы ИБП над стандартными аналоговыми

При сравнении конструкций БП с одинаковыми показателями выходных мощностей ИБП обладают следующими преимуществами:

Cниженный вес и габариты ИБП можно объяснить переходом от преобразований НЧ энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на огромных радиаторахи работающими в линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования. За счет роста частоты обрабатываемого сигнала снижается емкость конденсаторов у фильтров и, поэтому, их габариты. Также упрощается схемотехника выпрямления.
Повышенный КПД - У НЧ трансформаторов существенная доля потерь возникаеи за счет рассеивания тепла при электромагнитных преобразованиях. В ИБП максимальные потери энергии возникают во время протекания переходных процессов при коммутациях каскадов. А в остальное время ключевые транзисторы находятся в строго устойчивом состоянии: открыты или закрыты. При этом создаются все условия для минимума потер, при этом КПД может доходить до 90-98%.
Более низкая стоимость;
Расширенный диапазон питающих напряжений - импульсные технологии позволяют запитывать БП от источников с разной амплитудой и частотой. Это расширяет область применения с различными электростандартами.
Встроенная защита. Благодаря применению малогабаритных полупроводниковых модулей, в конструкцию ИБП удается встроить защиту, контролирующую возникновение токов коротких замыканий (КЗ), отключения нагрузок на выходе устройства и другие аварийные ситуации.

Недостатки ИБП

Высокочастотные помехи, т.к они работают по принципу преобразования ВЧ импульсов, то они в любом исполнении генерируют помехи, транслируемые в пространство. Это создает дополнительное требование связанное с их подавлением различными методами.

В некоторых случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает применении ИБП для отдельных типов точной цифровой техники.

Ограничения по мощности ИБП имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и при пониженных нагрузках. Если в выходной цепи случится резкое падение тока за пределы критического значения, то схема запуска может сглючить или ИБП станет выдавать напряжение с искаженными свойствами.

Что же это за ИИП такое?!

Импульсные блоки питания (англ. Switching Power Supply) вновь и вновь становятся предметом дискуссий, споров, а их проектирование и конструирование вызывают некоторые затруднения в радиолюбительских кругах. Все чаще именно к импульсным устройствам питания обращаются взоры домашних радиомастеров, поскольку они обладают целым рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с традиционными трансформаторными блоками. Однако многие радиолюбители, в частности начинающие, не решаются собирать их, несмотря на их повсеместное применение в современном радиоэлектронном производстве.

Причин тому масса. От непонимания принципов действия до сложности схемотехники импульсных блоков вторичного питания. Некоторые просто напросто не могут найти требующуюся радиоэлементную базу. А вот опытные радиоинженеры давно уже отказались от тяжелых габаритных трансформаторов электропитания в бытовой компактной электронике.

Но если для дома применение трансформаторных источников электропитания ещё как то оправдано, то, к примеру, в автомобиле, в дороге, в полевых условиях и т.п. трансформатор вообще бесполезен.

Здесь на выручку приходят импульсные преобразователи напряжения. Они способны черпать электроэнергию буквально от любого аккумулятора или батареи гальванических элементов постоянного тока и преобразовывать ее в нужное напряжение с максимальной мощностью от нескольких ватт до нескольких киловатт.

Согласитесь, когда вы путешествуете любым видом транспорта, и поблизости нет розетки, чтобы подключить к ней зарядное устройство в целях подзарядить севший аккумулятор цифрового фотоаппарата, сотового телефона, цифровой видеокамеры, плеера и мн. др. это, по меньшей мере, доставляет массу неудобств. А сколько раз уже можно было запечатлеть цифровиком что-то понравившееся и тут же отправить с помощью телефона родным и друзьям.

А всего лишь и требуется, что спаять несложную схему импульсного преобразователя напряжения на печатной плате, способной уместиться в ладони, и прихватить с собой пару пальчиковых батареек. Вот и все, что нужно для счастья!

Литературный ликбез на тему ИБП

Однако не будем увлекаться, а перейдем непосредственно к сути статьи. Мы уже не раз рассказывали про теоретические и практические аспекты конструирования в домашних условиях импульсных блоков питания, например, Импульсный преобразователь , Автомобильный преобразователь напряжения и ; излагали методики расчета трансформаторов, делились полезной литературой по силовой электронике, рекомендуемой для прочтения не только начинающим электронщикам, например, Расчет силового трансформатора ; а в статье Схема преобразователя мощностью 1000 ВА развернулся целый, можно сказать, диспут по переделке схемы.

Ну а сегодня ответим на вопрос, заданный одним из радиолюбителей:

а есть что-то на питание +/-25 - 30 вольт (двухполярное) на 4 тройки выводов для запитки УМЗЧ - 4 x TDA7293 ? Мощностью ватт на 550-600 … для питания от электросети (~220В).

По этому поводу решили даже отдельную статью опубликовать, дабы показать общие теоретические принципы разработки импульсных блоков питания.

Изложенный материал с заострением внимания на отдельных вопросах проектирования и схемотехники импульсных блоков вторичного электропитания призван показать радиолюбителям весь алгоритм их расчета. Все технические, конструкторские, схемные дополнения и решения по мере необходимости будут выкладываться ниже в комментариях. Всех заинтересованных электронщиков и опытных радиоинженеров просим принять участие в обсуждении импульсных блоков питания.

Начнем, пожалуй…

Итак, для начала в общих чертах обозначим, какие основные модули есть в любом импульсном блоке электропитания. В типовом варианте импульсный блок питания условно можно разделить на три функциональные части. Это:

1. ШИМ(PWM)-контроллер, на базе которого собирается задающий генератор обычно с частотой около 30…60 кГц;

2. каскад силовых ключей, роль которых могут выполнять мощные биполярные, полевые или IGBT (биполярные с изолированным затвором) транзисторы; этот силовой каскад может включать в себя дополнительную схему управления этими самыми ключами на интегральных драйверах или маломощных транзисторах; также важна схема включения силовых ключей: мостовая (фул-бридж), полумостовая (халф-бридж) или со средней точкой (пуш-пул);

3. импульсный трансформатор с первичной(ыми) и вторичной(ыми) обмоткой(ами) и, соответственно, выпрямительными диодами, фильтрами, стабилизаторами и проч. на выходе; в качестве сердечника обычно выбирается феррит или альсифер; в общем, такие магнитные материалы, которые способны работать на высоких частотах (в некоторых случаях свыше 100 кГц).

Вот, собственно, и все, что нужно для сборки импульсного блока питания. на фото основные части ИБП выделены. Для наглядности выделим эти модули и на электрической принципиальной схеме любого импульсного блока питания. Для примера:

К слову, здесь силовой каскад включен по схеме со средней точкой.

Теперь помодульно будем разрабатывать схемотехническое решение будущего устройства.

Для начала определимся с задающим генератором. Если быть точнее, то с ШИМ-контроллером . В настоящее время, как вы понимаете, их существует огромное количество. Здесь, пожалуй, основными критериями выбора являются доступность и цена вопроса. Нам нужен не любой генератор, а именно с широтно-импульсной модуляцией. Принцип работы, если в двух словах, то «есть/нет сигнала». На выходе контроллера либо единица (высокий уровень) либо ноль (низкий уровень).

В соответствии с этим выходные транзисторы открыты либо закрыты, подают напряжение на катушку импульсного трансформатора либо нет. Причем происходит такое переключение с высокой периодичностью (как указывалось ранее, обычно частота 30…60 кГц).

Настраивается частота в зависимости от потребностей проектировщика внешней цепью обвязки ШИМ-контроллера, состоящей, как правило, из резисторов и конденсаторов. Вот недавно даже наткнулся на идею использования в качестве источника ШИМ COM порт компьютера. Ну да ладно… Для нашего будущего блока питания возьмем ШИМ-контроллер К1156ЕУ2 . Но это не принципиально. Можно взять практически любой двухтактный контроллер. Например, один из наиболее распространенных TL494. Схема задающего генератора на его базе показана . Вообще, типовую схему включения любой другой микросхемы можно найти в технической документации на нее (datasheet).

Расчет частоты импульсов блока питания

Контроллер К1156ЕУ2 предназначен для использования в качестве схемы управления импульсными источниками вторичного электропитания, работающими на частоте до 1 МГц. Благодаря высокому быстродействию микросхема нашла широкое применение и хорошо себя зарекомендовала. В случае отсутствия отечественного варианта контроллера его можно заменить на аналоги типа UC1825, UC2825, UC3825. Полумостовые выходные каскады контроллера спроектированы для работы на большую емкостную нагрузку, например, затворы мощных МОП-транзисторов, и коммутируют как втекающий, так и вытекающий ток. Описание выводов К1156ЕУ2 следующее:

Стоит отметить также, что частота импульсов зависит он номиналов резистора и конденсатора на 5 и 6 выводах микросхемы. Причем за паузу (так называемое, мертвое время) между импульсами отвечает емкость конденсатора. А это прямо сказывается на обеспечении одновременного закрытия выходных ключей, дабы избежать сквозных токов. Вопрос особенно актуален при больших мощностях. Сопротивление резистора выбирается из диапазона 3…100 кОм, емкость конденсатора – 0,47…100 нФ. Номограммы для подбора этих радиодеталей ниже на рисунке:

Таим образом, для обеспечения мертвого времени в?1,5 мкс (чтобы снизить вероятность появления сквозных токов через MOSFET в силовом каскаде) понадобится конденсатор емкостью 15 нФ (0,015мкФ или 15000 пФ). Теперь смотрим на левый график. О частоте дополнительно будет . На данном этапе в качестве номинальной примем 60 кГц. Значит резистор для нашего задающего генератора нужен номиналом?3 кОм. Поставим подстроечный на 4,7 кОм. Им можно будет слегка повышать частоту, тем самым повышая мощность блока питания в целом.

Синхронизация двух и более ШИМ-контроллеров

Важной функцией К1156ЕУ2 является их совместное использование. Т.е. один генератор будет ведущим, а другой ведомым. Для этого существует функциональный 4 вывод синхронизации. В итоге можно получить два синхронно работающих генератора ШИМ. Применений такому способу можно найти масса. Поскольку генераторы будут работать синхронно, то каждый из них можно нагрузить отдельным выходным каскадом с силовыми ключами и импульсным трансформатором. При этом можно применить трансформаторы меньшей габаритной мощности. Так, если нам нужна общая мощность импульсного блока питания не менее 600 Вт на 4 УМЗЧ, то можно использовать два трансформатора по 300 Вт с подключенными к ним по два УМЗЧ. Соответственно, мы сможем снять часть нагрузки с транзисторов силового каскада, обмоточного провода, также нам понадобиться сердечник меньшего размера. В связи с этим можно даже сэкономить на покупке радиодеталей для будущего ИБП. Схема синхронизации двух ШИМ-контроллеров (ведущего и ведомого) выглядит так:

Однако в общеобразовательных целях ограничимся включением К1156ЕУ2 в единичном (типовом) варианте, т.к. перед нами стоит цель дать вам общие навыки разработки. А уж рациональность использования той или иной схемы, технического решения будет зависеть от цели использования импульсного блока питания.

С первым функциональным модулем будущего блока вторичного электропитания разобрались. Окончательно принимаем схемотехнический вариант генератора на К1156ЕУ2, как показано на под цифрой 1. В случае необходимости на конечной стадии проектирования номиналы деталей можно будет подкорректировать, что, собственно, не скажется на функциональной схеме генератора.

Подбор силовых ключей для блока питания

Теперь о том, чем будет управлять ШИМ-контроллер К1156ЕУ2 или TL494 или любая другая ИМС. В качестве силовых ключей будем использовать MOSFET транзисторы , как наиболее эффективные. Что касается биполярных, то их существенными недостатками являются повышенное остаточное напряжение на коллекторе в режиме насыщения, большая мощность управления по базовой цепи и большое время рассасывания. Все это приводит к значительному снижению КПД ключей. А IGBT или биполярные транзисторы с изолированным затвором слишком дороги и не особо распространены. Значит выбор падает на MOSFET.

Давайте определим границы подбора МОП-транзисторов. По условию нам нужен импульсный блок питания мощностью 600 ватт от электросети 220 вольт. Это значит, что после выпрямительных диодов и фильтрующего конденсатора 220 вольт переменного тока преобразуются в 300…310 вольт постоянного. Это при номинальном напряжении 220 В. Но в электросети может быть и 175 и 250 вольт. Сила тока в цепи номинально будет равна I=P/U или I=600 Вт/300(310) В=1,94…2 ампера.

Будущий импульсный преобразователь будет двухтактного типа , т.к. однотактные хорошо зарекомендовали себя на мощностях до 100 ватт. Схему включения силового каскада двухтактного импульсного блока питания выбираем из трех существующих. Это, как было сказано, мостовая (full-bridge), полумостовая (half-bridge) или со средней точкой (push-pull). Последняя схема наиболее эффективна с напряжением на входе до 100 вольт и мощностью до 500 ватт. В принципе можно использовать и пуш-пульную схему включения, но не будем повторяться, т.к. она как раз и является темой диспута в статье “Схема преобразователя мощностью 1000 ВА”. Полумостовая и мостовая схемы эффективно используются при более высоком напряжении на входе (а у нас 310 В) и с мощностями до 1 кВт в первом и выше 1 кВт во втором случае. Нам подходит полумостовая схема включения силового каскада.

Частоту переключения силовых транзисторов возьмем порядка 60 кГц. Из-за возможного дрейфа частоты она может повыситься до 65 кГц. Можно, конечно, увеличить частоту до 100 кГц, а то и больше. Однако многие магнитные материалы, применяемые в качестве сердечников импульсных трансформаторов, не способны работать на таких частотах. К тому же при повышении частоты нам понадобятся высокочастотные выпрямительные мощные диоды. А они не дешевы и для многих труднодоступны. К тому же, после двухполупериодного выпрямителя частота повышается в два раза. Так что ограничимся частотой в 60 кГц, как наиболее оптимальной.

Теперь определим амплитуду номинального напряжения на первичной обмотке импульсного трансформатора с учетом падения напряжения на переходе транзисторов. U=310/2 – u, где u – падение напряжения на переходе MOSFET. Поскольку транзисторы мы ещё не выбрали, то возьмем в среднем u=0,7 В. Отсюда U=(310/2)-0,7=154,3 В. Минимальная амплитуда при падении напряжения в сети до 175 вольт составит не более 123 В, а максимальная при повышении до 250 В – не менее 176 В. Для выбора МДП транзисторов исходим из максимально допустимой силы тока (600/123=4,8 А) и напряжения (176 В). По расчетам нам нужен MOSFET с напряжением сток-исток от 200 вольт и максимально допустимой силой тока через переход не ниже 6 ампер. Данным условиям отвечают, например, IRF630, 2SK1117, 2SK1917, IRF740, IRFP460, IRF830 и пр. Здесь опять же исходим из доступности и стоимости. Для нашего примера возьмем IRFP460. Силовые ключи подобрали.

Диоды выпрямительного моста на входе импульсного блока питания подбираем с учетом обратного напряжения от 400 вольт и силу тока от 2 ампер (600/(175 В*2 шт.)=1,71 А) при мостовой схеме. Берем диодный мост типа KBU810. Схема сетевого выпрямителя будет выглядеть следующим образом:

Резисторы R1 и R2 являются балластными и использованы для разряда высоковольтных конденсаторов в целях безопасности.

Расчет и намотка импульсного трансформатора

Теперь произведем расчет импульсного трансформатора.

Расчет трансформатора является наиболее сложной, важной и «тонкой» частью всего расчета импульсного блока питания. Для этого эффективнее всего воспользоваться компьютерными программами, самые популярные из которых можно скачать на нашем радиолюбительском сайте . Ссылки на программы для расчета трансформатора и их подробное описание находятся также в вышеназванных статьях.

Итак, мы имеем в качестве исходных данных размах напряжений питания 247…355 В (при девиации напряжения сети 175…250 В), мощность не менее 600 ватт, эффективная индукция магнитопровода от 0,1 до 0,2 Тл, эффективная магнитная проницаемость магнитопровода при использовании в качестве сердечника ферритовое кольцо марки М2500НМС1 К65х40х9 составляет 1800…2000. Выше приведено действительное напряжение электросети для расчета импульсного трансформатора в программе Design tools pulse transformers 4.0.0.0 и ей подобных (см. статьи). Однако, как я советовал, программы лучше применять сразу все комплексно. Соответственно, в некоторых нужно указывать напряжение непосредственно на первичной обмотке импульсного трансформатора. мы приводили схему сетевого выпрямителя для питания импульсного блока. Как видите, там сетевое напряжение с помощью делителя преобразуется в двуполярное +/-154,3 В. Указано номинальное напряжение при сетевом в 220 В. Соответственно, при девиации напряжения сети 175…250 В на первичной обмотке оно будет колебаться в пределах не 247…355 вольт (такое после выпрямительных диодов и фильтрующих конденсаторов), а 247/2-0,7…355/2-0,7, т.е. 122,8…176,8 вольт. Будьте внимательны!

Думаем, что с помощью программ не составит особого труда определить основные характеристики необходимого импульсного трансформатора. Для взятого нами кольца К65х40х9 мы имеем следующее. КПД около 98%; число витков в первичной обмотке порядка 55 диаметром 1,2 мм; число витков каждой вторичной обмотки для напряжения +/-30 В составляет 10+10 с отводом от середины провода диаметром 1,5 мм. Все данные для намотки трансформатора нам известны. В результате самостоятельного изготовления должно получиться что-то подобное, а может и лучше (обмотки лучше размещать более равномерно по кольцу):

Переходим непосредственно к схемотехнической части разработки.

Проектирование схемы электрической принципиальной ИБП

Мы уже определили, что импульсный блок питания у нас будет двухтактный с полумостовым включением силового оконечного каскада, состоящего из двух мощных MOSFET IRFP460. В качестве ШИМ-контроллера выбрали микросхему К1156ЕУ2Р. Теперь перед нами стоит задача по объединению всех трех функциональных модулей, каждый из которых имеет свою электрическую цепь. Вместо того, чтобы изобретать велосипед, можно доработать имеющуюся типовую электрическую схему уже спроектированного ИБП на выбранном нами контроллере. В конечном счете, мы получили вот такой вариант схемы импульсного блока питания:

Как можно видеть, в нее входят все три модуля, рассмотренные нами выше.

Дополнительно с помощью реле и ограничивающего резистора R1 (типа С5-16MB или С5-5В) на входе реализован плавный пуск, позволяющий избежать резких бросков тока. Реле можно применить на напряжение как 12, так и 24 вольта с подбором резистора R19. Варистор RU1 защищает входную цепь от импульсов чрезмерной амплитуды. Конденсаторы С1-С4 и двухобмоточный дроссель L1 образуют сетевой помехоподавляющий фильтр, предотвращающий проникновение высокочастотных пульсаций, создаваемых преобразователем, в питающую сеть. L1 наматывается до заполнения окна проводом диаметра 0,5 мм на магнитопроводе Ш7х7 из альсифера ТЧ60, ТЧК55 или феррита типа 2000НМ. Обмотки дросселя содержат равное число витков. Можно применить магнитопровод типа К24х14х7. Тогда мотают 50 витков в 2 провода.

Подстроечный резистор R16 и конденсатор С12 определяют частоту преобразования. Для уменьшения ЭДС самоиндукции трансформатора Т2 параллельно каналам транзисторов включены демпферные диоды VD7 и VD8. Диоды Шоттки VD2 и VD3 защищают коммутирующие транзисторы и выходы микросхемы DA2 от импульсов обратного напряжения.

Токовый трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце К10×6x3 марки 4000НМ или на К12×8x3 марки 2000НМ. Первичная обмотка содержит 1 виток провода диаметром 0,5 мм или монтажного провода в поливинилхлоридной изоляции. Вторичная обмотка - 100 витков с отводом от середины провода ПЭЛШО диаметром 0,06…0,12 мм. Обмотки следует изолировать, например, лакотканью. Ток протекает через первичную обмотку трансформатора Т1. Напряжение вторичной обмотки через резистор R12 поступает на вход компаратора тока 9 вывод микросхемы DA2. В момент, когда напряжение на этом входе превысит порог срабатывания компаратора (1 вольт), генерация импульсов возбуждения будет прекращена. Ток срабатывания защиты зависит от числа витков вторичной обмотки трансформатора Т1, емкости конденсатора С8 и сопротивления резисторов R8, R9 (подстроечный), R12.

С момента включения в сеть до возбуждения инвертора микросхема К1156ЕУ2Р получает питание от параметрического стабилизатора напряжения на резисторе R2 (сопротивление которого, возможно, нужно будет понизить) и стабилитроне VD4 через диод VD5. В этом режиме микросхема потребляет ток не более 2 мА. После возбуждения инвертора ШИМ-контроллер питает вспомогательный выпрямитель VD13-VD16, напряжение с которого стабилизировано микросхемой КР142ЕН8В (или любой другой на напряжение стабилизации 15 вольт). Диоды VD5 и VD18 исключают взаимное влияние двух источников питания микросхемы К1156ЕУ2Р.

Оптрон U1 обеспечивает гальваническую развязку цепи обратной связи. Цепь ОС нужна для стабилизации выходного напряжения импульсного блока питания. Если оно превысит номинальное, то резко возрастет ток через стабилитрон VD17 и излучающий диод оптрона. В результате этого открывается фототранзистор оптрона. Напряжение на входе компаратора обратной связи по напряжению увеличивается (1 ножка микросхемы). Уменьшается длительность импульсов на выходе генератора. Это приводит к снижению выходного напряжения до номинального уровня.

Принцип действия схемы импульсного блока питания должен быть понятен. Теперь перейдем к советам по проектированию компоновки печатной платы и монтажу радиодеталей.

В заключение стоит пару слов уделить такому нехорошему явлению, как скин-эффект . В результате него переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое. Это может иметь печальные последствия для нашего импульсного трансформатора при больших мощностях. Поэтому рекомендуется мотать силовые обмотки трансформатора не одиночным проводом большого сечения, т.к. пользы от него никакой не будет, а «косичкой», сплетенной из нескольких проводов меньшего диаметра. Получается своего рода литцендрат . Тем самым мы улучшим добротность обмоток, повысим КПД и качество импульсного трансформатора. Обратите внимание, как намотана первичная обмотка:

На фото 8 косичек по 15 проводов в каждой. Смотрится солидно, не правда ли?

Эпилог

В данной, как оказалось, далеко некороткой, статье рассмотрены наиважнейшие моменты конструирования импульсных боков питания, с которыми обязательно столкнется каждый решившийся на создание ИИП радиолюбитель. Мы постарались максимально четко расписать весь алгоритм действий. Более подробно рассмотрели моменты, на которых стоит акцентировать внимание. Все дополнительные советы и рекомендации выкладывайте в комментариях.

Принцип реализации вторичной мощности за счёт применения дополнительных устройств, обеспечивающих энергией схемы, уже достаточно давно используется в большей части электроприборов. Этими устройствами являются блоки питания . Они служат для преобразования напряжения до необходимого уровня. БП могут быть как встроенными, так и отдельными элементами. Принципов преобразования электроэнергии существует два. Первый основан на применении аналоговых трансформаторов, а второй основан на использовании импульсных блоков питания. Разница между этими принципами довольно большая, но, к сожалению, не все её понимают. В этой статье разберёмся, как работает импульсный блок питания и чем же он так отличается от аналогового. Давайте же начнём. Поехали!

Первыми появились именно трансформаторные БП. Их принцип работы заключается в том, что они меняют структуру напряжения с помощью силового трансформатора, который подключён к сети 220 В. Там снижается амплитуда синусоидальной гармоники, которая направляется дальше к выпрямительному устройству. Затем происходит сглаживание напряжения параллельно подключенной ёмкостью, которая подбирается по допустимой мощности. Регулирование напряжения на выходных клеммах обеспечивается благодаря смене положения подстроечных резисторов.

Теперь перейдём к импульсным БП. Они появились несколько позже, однако, сразу завоевали немалую популярность за счёт ряда положительных особенностей, а именно:

• Доступности комплектования;
• Надёжности;
• Возможности расширить рабочий диапазон для выходных напряжений.

Все устройства, в которых заложен принцип импульсного питания, практически ничем не отличаются друг от друга.

Элементами импульсного БП являются:

• Линейный источник питания;
• Источник питания Standby;
• Генератор (ЗПИ, управление);
• Ключевой транзистор;
• Оптопара;
• Цепи управления.

Чтобы подобрать блок питания с конкретным набором параметров, воспользуйтесь сайтом ChipHunt.

Давайте, наконец, разберёмся, как работает импульсный блок питания. В нём применяются принципы взаимодействия элементов инверторной схемы и именно благодаря этому достигается стабилизированное напряжение.

Сперва на выпрямитель поступает обычное напряжение 220 В, далее происходит сглаживание амплитуды при помощи конденсаторов ёмкостного фильтра. После этого выполняется выпрямление проходящих синусоид выходным диодным мостом. Затем происходит преобразование синусоид в импульсы высоких частот. Преобразование может выполняться либо с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей, либо без выполнения такой развязки.

Если БП с гальванической развязкой, то сигналы высокой частоты направляются на трансформатор, который и осуществляет гальваническую развязку. Для увеличения эффективности трансформатора повышается частота.

Работа импульсного БП основана на взаимодействии трёх цепочек:

• ШИМ-контроллера (управляет преобразованием широтно-импульсной модуляции);
• Каскада силовых ключей (состоит из транзисторов, которые включаются по одной из трёх схем: мостовой, полумостовой, со средней точкой);
• Импульсного трансформатора (имеет первичную и вторичную обмотки, которые монтируются вокруг магнитопровода).

Если же блок питания без развязки, то ВСЧ разделительный трансформатор не используется, при этом сигнал подаётся сразу на фильтр низких частот.

Сравнивая импульсные блоки питания с аналоговыми, можно увидеть очевидные преимущества первых. ИБП имеют меньший вес, при этом их КПД значительно выше. Они имеют более широкий диапазон питающих напряжений и встроенную защиту. Стоимость таких БП, как правило, ниже.

Из недостатков можно выделить наличие высокочастотных помех и ограничений по мощности (как при высоких, так и при низких нагрузках).

Проверить ИБП можно при помощи обычной лампы накаливания. Обратите внимание, что не следует подключать лампу в разрыв удалённого транзистора, поскольку первичная обмотка не рассчитана на то, чтобы пропускать постоянный ток, поэтому ни в коем случае нельзя допускать его пропускания.

Если лампа светится, значит, БП работает нормально, если же не светится, то блок питания не работает. Короткая вспышка говорит о том, что ИБП блокируется сразу после запуска. Очень яркое свечение свидетельствует об отсутствии стабилизации выходного напряжения.

Теперь вы будете знать на чём основан принцип работы импульсного и обычного аналогового блоков питания. Каждый из них имеет свои особенности строения и работы, которые следует понимать. Также вы сможете проверить работоспособность ИБП при помощи обычной лампы накаливания. Пишите в комментариях была полезной для вас эта статья и задавайте любые интересующие вопросы по рассмотренной теме.

Один из используемых подходов, позволяющих существенно сократить потери на нагревании силовых компонентов радиосхем, представляет собой использование переключательных режимов работы установок. При подобных системах электросиловой компонент или раскрыт - в это время на нем наблюдается фактически нулевое падение напряжения, или открыт - в это время на него подается нулевой ток. Рассеиваемую мощность можно вычислить, перемножив показатели силы тока и напряжения. В этом режиме получается достичь коэффициента полезного действия около 75-80% и более.

Что такое ШИМ?

Для получения на выходе сигнала требуемой формы силовой ключ должен открываться всего лишь на определенное время, пропорциональное вычисленным показателям выходного напряжения. В этом и заключается принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM). Далее сигнал такой формы, состоящий из импульсов, разнящихся по своей ширине, поступает в область фильтра на основе дросселя и конденсатора. После преобразования на выходе будет практически идеальный сигнал требуемой формы.

Область применения ШИМ не ограничивается импульсными стабилизаторами и преобразователями напряжения. Использование данного принципа при проектировании мощного усилителя звуковой частоты дает возможность существенно снизить потребление устройством электроэнергии, приводит к миниатюризации схемы и оптимизирует систему теплоотдачи. К недостаткам можно причислить посредственное качество сигнала на выходе.

Формирование ШИМ-сигналов

Создавать ШИМ-сигналы нужной формы достаточно трудно. Тем не менее индустрия сегодня может порадовать замечательными специальными микросхемами, известными как ШИМ-контроллеры. Они недорогие и целиком решают задачу формирования широтно-импульсного сигнала. Сориентироваться в устройстве подобных контроллеров и их использовании поможет ознакомление с их типичной конструкцией.

Стандартная схема контроллера ШИМ предполагает наличие следующих выходов:

• Общий вывод (GND). Он реализуется в виде ножки, которая подключается к общему проводу схемы питания устройства.
• Вывод питания (VC). Отвечает за электропитание схемы. Важно не спутать его с соседом с похожим названием - выводом VCC.
• Вывод контроля питания (VCC). Как правило, чип контроллера ШИМ принимает на себя руководство силовыми транзисторами (биполярными либо полевыми). В случае если напряжение на выходе снизится, транзисторы станут открываться лишь частично, а не целиком. Стремительно нагреваясь, они в скором времени выйдут из строя, не справившись с нагрузкой. Для того чтобы исключить такую возможность, необходимо следить за показателями напряжения питания на входе микросхемы и не допускать превышения расчетной отметки. Если напряжение на данном выводе опускается ниже установленного специально для этого контроллера, управляющее устройство отключается. Как правило, данную ножку соединяют напрямую с выводом VC.

Выходное управляющее напряжение (OUT)

Количество выводов микросхемы определяется её конструкцией и принципом работы. Не всегда удается сразу разобраться в сложных терминах, но попробуем выделить суть. Существуют микросхемы на 2-х выводах, управляющие двухтактными (двухплечевыми) каскадами (примеры: мост, полумост, 2-тактный обратный преобразователь). Существуют и аналоги ШИМ-контроллеров для управления однотактными (одноплечевыми) каскадами (примеры: прямой/обратный, повышающий/понижающий, инвертирующий).

Помимо этого, выходной каскад может быть по строению одно- и двухтактным. Двухтактный используется в основном для управления полевым транзистором, зависящим от напряжения. Для быстрого закрытия необходимо добиться быстрой разрядки емкостей "затвор - исток" и "затвор - сток". Для этого как раз и используется двухтактный выходной каскад контроллера, задачей которого является обеспечение замыкание выхода на общий кабель, если требуется закрыть полевой транзистор.

ШИМ-контроллеры для источников питания большой мощности могут иметь также элементы управления выходным ключом (драйверы). В качестве выходных ключей рекомендуется использовать IGBT-транзисторы.

Основные проблемы ШИМ-преобразователей

При работе любого устройства полностью исключить вероятность поломки невозможно, и преобразователей это тоже касается. Сложность конструкции при этом не имеет значения, проблемы в эксплуатации может вызвать даже известный ШИМ-контроллер TL494. Неисправности имеют различную природу - некоторые из них можно выявить на глаз, а для обнаружения других требуется специальное измерительное оборудование.

Чтобы узнать, как проверить ШИМ-контроллер, следует ознакомится со списком основных неисправностей приборов, а лишь позже - с вариантами их устранения.

Диагностика неисправностей

Одна из часто встречающихся проблем - пробой ключевых транзисторов. Результаты можно увидеть не только при попытке запуска устройства, но и при его обследовании с помощью мультиметра.

Кроме того, существуют и другие неисправности, которые несколько сложнее обнаружить. Перед тем как проверить ШИМ-контроллер непосредственно, можно рассмотреть самые распространенные случаи поломок. К примеру:

• Контроллер глохнет после старта - обрыв петли ОС, перепад по току, проблемы с конденсатором на выходе фильтра (если таковой имеется), драйвером; возможно, разладилось управление ШИМ-контроллером. Надо осмотреть устройство на предмет сколов и деформаций, замерить показатели нагрузки и сравнить их с типовыми.
• ШИМ-контроллер не стартует - отсутствует одно из входных напряжений или устройство неисправно. Может помочь осмотр и замер выходного напряжения, в крайнем случае, замена на заведомо рабочий аналог.
• Напряжение на выходе отличается от номинального - проблемы с петлей ООС или с контроллером.
• После старта ШИМ на БП уходит в защиту при отсутствии КЗ на ключах - некорректная работа ШИМ или драйверов.
• Нестабильная работа платы, наличие странных звуков - обрыв петли ООС или цепочки RC, деградация емкости фильтра.

В заключение

Универсальные и многофункциональные ШИМ-контроллеры сейчас можно встретить практически везде. Они служат не только в качестве неотъемлемой составляющей блоков питания большинства современных устройств - типовых компьютеров и других повседневных девайсов. На основе контроллеров разрабатываются новые технологии, позволяющие существенно сократить расход ресурсов во многих отраслях человеческой деятельности. Владельцам частных домов пригодятся контроллеры заряда аккумуляторов от фотоэлектрических батарей, основанные на принципе широтно-импульсной модуляции тока заряда.

Высокий коэффициент полезного действия делает разработку новых устройств, действие которых основывается на принципе ШИМ, весьма перспективной. Вторичные источники питания - вовсе не единственное направление деятельности.