Как сделать самому импульсный блок питания

Обновлено: 19.04.2024

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.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
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.

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.

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.

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.

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.

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 U_П пилообразной формы, поступающее на вход компаратора К_ШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал U_УС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности U_П (опорное напряжение) и U_РС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал U_УС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (U_OUT).

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

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

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Во многих радиолюбительских конструкциях используются импульсные блоки питания (БП). Они отличаются небольшими размерами при значительной мощности. Такое уменьшение стало возможным благодаря высокой частоте. На таких частотах можно получить на выходе большое напряжение при небольшом количестве витков. Например, чтобы получить напряжение 12 В при токе равном 1 А, требуется намотать всего пять витков. Кроме того, импульсные БП имеют высокий коэффициент полезного действия, так как потери на трансформаторе очень небольшие.

Эти блоки питания имеют и недостатки: они создают высокочастотные помехи и предъявляют высокие требования к нагрузке. Последняя не должна быть больше или меньше той, на которую рассчитан блок питания.

Можно ли сделать импульсный блок питания своими руками?

Иногда покупка готового импульсного блока питания является экономически нецелесообразной. В таком случае, если вы разбираетесь в электронике и умеете паять, можете сами сделать импульсный БП. Он пригодится для питания различного низковольтного электроинструмента, чтобы избежать расходования ограниченного ресурса дорогой аккумуляторной батареи. Можно также сделать зарядное устройство для смартфона, ноутбука или других мобильных гаджетов.

Прежде чем приступить к изготовлению источника питания, нужно знать, где он будет использоваться. В зависимости от области его применения определяется мощность изделия. Мощность должна выбираться с запасом. Считается, что импульсный блок питания имеет самый высокий КПД при нагрузке 60-90%.

Кроме того, требуется выбрать схему источника питания, а также определить, должно ли на выходе быть стабильное напряжение и нужно ли для этого вводить обратную связь. Обратите внимание на его номинальные параметры: напряжение, ток и мощность.

Как работает импульсный блок питания

На вход импульсного блока питания подается переменное напряжение от электрической сети. Оно преобразуется в постоянное с помощью выпрямителя и фильтра. В качестве фильтра используется конденсатор большой емкости. В качестве выпрямителя используется однополупериодная или двухполупериодная схема. Ниже приведены типовые схемы, но в нашем случае мы не берем во внимание то, что на них изображена обмотка трансформатора.

Затем выпрямленное напряжение приходит на высокочастотный преобразователь, который генерирует электрические колебания с частотой в диапазоне от 20 кГц до 50 кГц. После этого напряжение понижается трансформатором до требуемого и снова выпрямляется, сглаживаясь конденсатором.

Такое отфильтрованное и выпрямленное постоянное напряжение используется для питания бытовой техники. Кроме того, с выхода БП идёт цепь обратной связи для регулирования выходного напряжения.

Для управления и стабилизации напряжения на выходе источника питания используется широтно-импульсная модуляция. Как показано на схеме, высокочастотный преобразователь приводится в действие генератором ШИМ и таким образом регулирует напряжение, подаваемое на понижающий трансформатор. Обратная связь является отрицательной, то есть значения напряжения на ШИМ контроллере и на понижающем трансформаторе обратно пропорциональны друг другу. Так, при увеличении выходного напряжения растет также напряжение на контроллере. Благодаря отрицательной связи уменьшается напряжение на понижающем трансформаторе, а значит, и на выходе блока питания.

Схемы импульсных БП

В зависимости от конструкции сетевого выпрямителя выделяют три разновидности схем импульсного блока питания:

для однополупериодной схемы требуется минимальное количество деталей, она проста в реализации, но имеет один недостаток – высокую пульсацию на выходе;
конструкция со средней точкой отличается низким уровнем пульсаций. Основной недостаток в том, что необходимо организовывать среднюю точку во входном трансформаторе;
мостовая схема имеет низкие показатели пульсации и не требует наличия средней точки. Для реализации такой схемы потребуется четыре транзистора.

По конструкции высокочастотного преобразователя импульсные блоки питания делятся на две категории: однотактные и двухтактные. Двухтактные источники питания могут быть спроектированы по следующим схемам: с нулевой точкой (пушпульная), полумостовая и мостовая.

В результате ток в первичной цепи возрастает, а вместе с ним и магнитный поток. Ток во вторичной цепи отсутствует, так как диод препятствует его росту. На второй стадии ключ размыкается, и ток, проходящий через первичную обмотку, пропадает. Однако магнитный поток не может мгновенно исчезнуть, и во вторичной цепи индуцируется ЭДС, направленное в обратную сторону. Затем начинает протекать ток, который открывает диод. В результате энергия запасается на конденсаторе и поступает на нагрузку. На первом этапе на нагрузку подается энергия, запасенная конденсатором во время второго этапа. Рассматривая схемы, обратите внимание на точки около обмоток трансформатора — это точки начала обмоток, и для обратноходового преобразователя характерно именно такое подключение элементов.

Как собрать: пошаговая инструкция

Для тех, кто хочет собрать импульсный блок питания своими руками, приведем несколько схем сборки.

Самый простой вариант маломощного импульсного блока питания

Рассмотрим схему импульсного блока питания мощностью до 2 Вт. Выпрямитель и фильтр в нем собраны на резисторе R1 (от 25 до 50 Ом), диоде VD1 и конденсаторе С1 (20,0 мкФ, 400 В). В качестве высокочастотного преобразователя выступает автогенератор, собранный на транзисторе VT1, трансформаторе TR1, частотозадающей цепи резисторе R2 (470 кОм) и конденсаторе С2 (3300 пкФ, 1000 В). Напряжение, снимаемое с выходной обмотки трансформатора, выпрямляется диодом VD2 и сглаживается электролитическим конденсатором С3 (47 пФ, 50 В).

В качестве сердечника для трансформатора подойдет любой от нерабочего трансформатора, использовавшегося в зарядке мобильного телефона или в другом маломощном источнике питания. Намотка происходит в следующем порядке:

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники. Внимание! Между половинками магнитного сердечника должен присутствовать небольшой немагнитный зазор. Обычно он уже есть на сердечниках, взятых с трансформаторов зарядных устройств смартфонов. Если его нет, положите слой бумаги между половинками сердечника.

Готовый трансформатор стягиваем изолентой или скотчем.

Однотактный, обратноходовый импульсный блок питания

На входе устройства переменное напряжение электрической сети выпрямляется при помощи диодного моста, собранного на диодах D1-D4 (можно использовать любые диоды, рассчитанные на напряжение 400 В и ток 0,5 А, например, N4007). За сглаживание пульсаций отвечает конденсатор С1 (20 мкФ, 400 В). Для предотвращения броска тока при включении служит резистор R1 (25-50 Ом).

Начальное смещение на базе транзистора Т1 (можно использовать 13003 или 13005) устанавливается резистором R2 (470 кОм) и диодом D6 (N4007). Чтобы сгладить скачки напряжения, возникающие при закрытии Т1, в схему включены такие элементы, как: конденсатор С2 (3300 пФ 1000 В), диод D5 (N4007) и резистор R3 (30 кОм 1 Вт либо можно использовать два резистора по 15 кОм).

Импульсы положительной обратной связи, необходимые для поддержания режима автоколебаний, через резистор R4(150 Ом) и конденсатор С3(47 пФ, 50 В) подаются на базу Т1. Цепочка состоящая из Т2, R5 (1,5 кОм), Д9 (стабилитрон КС515), нужна для стабилизации напряжения.

Высокочастотный преобразователь собран по обратноходовой схеме. Когда Т1 открыт, энергия накапливается на трансформаторе, при этом диод D7 (КД213 использовать совместно с радиатором площадью 10 см2) находится в закрытом состоянии. После закрытия транзистора Т1 происходит отдача запасенной магнитной энергии, диод D7 открывается, во вторичной цепи появляется ток, конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Конденсаторы С4 (2200 пФ) и С5 (0,1 мкФ) нужны для уменьшения помех.

Стабилизация выходного напряжения происходит по схеме, описанной далее. При включении прибора в сеть запускается генератор. На вторичной обмотке появляется напряжение. Конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Когда напряжение на нем превысит 16,3 В открывается стабилитрон D9 (КС515). Транзистор Т2 (КТ603) открывается и закорачивает эмиттерный переход Т1. Транзистор Т1 закрывается, генератор перестает работать, и конденсатор С6 начинает разряжаться. Когда напряжение на С6 становится меньше 16,3 вольт, стабилитрон D9 закрывается и закрывает Т2. Благодаря этому Т1 открывается и работа генератора возобновляется.

Первичная обмотка w1 трансформатора намотана проводом 0,25 мм и имеет 179 витков. В базовой обмотке w2 присутствуют два витка, намотанных тем же проводом. Вторичная обмотка w2 состоит из 14 витков провода 0,6-0,7 мм.

Лампочки можно взять любые маломощные, рассчитанные на напряжение от 24 до 36 В и ток от 100 до 200 мА.

Мощный импульсный источник питания

Рассмотрим импульсный БП с выходной мощностью 300 Вт.

Генератором в данной конструкции является интегральная микросхема TL494. Управляющие сигналы с выхода этой ИС подаются поочередно на МОП (MOSFET) транзисторы VT1 и VT2 (IRFZ34). Импульсы с этих транзисторов через трансформатор, формирователь импульсов приходят на мощные транзисторы VT3 и VT4 (IRFP460). Преобразователь сделан на мощных транзисторах VT3 и VT4 по полумостовой схеме.

Все четыре обмотки трансформатора TR1 намотаны проводом 0,5 мм и содержат по 50 витков. В трансформаторе TR2 первая обмотка состоит из 110 витков провода диаметром 0,8 мм. Количество витков обмотки номер два зависит от желаемого напряжения на выходе, из расчета один виток на два вольта. Обмотка три наматывается 12 витками провода диаметром 0,8 мм.

Проверка конструкции

Перед первым включением БП нужно проверить. В первую очередь проверяется монтаж, например, могли остаться следы от пайки, несмытый флюс. Какой-либо компонент, установленный на плате, может оказаться неисправным.

Если с монтажом все в порядке, можно приступать ко второй стадии проверки с помощью лампочки. В качестве лампочки можно использовать любую лампу накаливания. Для этого подключаем изготовленный нами источник питания последовательно с лампочкой, как показано на рисунке ниже.

Если лампочка не светится, значит, в цепи БП есть обрыв. Нужно проверить дорожки платы, дроссель, диодный мост.

Лампочка постоянно горит. В блоке питания короткое замыкание. Причина может быть в пробое конденсаторов, транзисторов. Нужно также проверить дорожки печатной платы, выходные цепи трансформатора.

Если лампочка вспыхнула и погасла, значит, БП исправен, конденсаторы зарядились.

Часто собирая какую нибудь электронную конструкцию,как то, усилитель звуковой частоты,средства автоматики,устройства на базе микроконтроллеров,и многое другое,мы задаемся вопросом а чем питать аппаратуру? Радиоэлектронные устройства в большинстве своем питаются постоянным напряжением отличным от напряжения сети. В последнее время все чаще импульсная техника вытесняет из повседневного обихода традиционные трансформаторные схемы блоков питания. Выигрыш тут очевиден, во первых это экономия намоточного материала, который стоит не дешево. Во вторых, это габариты и масса приборов,на сегодняшний день при современной миниатюризации аппаратуры различного назначения,этот вопрос очень актуален, большинство схем ИБП довольно сложны в сборке и настройке и не доступны для повторения начинающими радиолюбителями.

В данной статье приводится схема простого ИБП, при разработке которого ставилась задача простоты конструкции, хорошей повторяемости, использование подручного материала, несложности в сборке и настройке. Несмотря на простоту, ИБП имеет довольно неплохие характеристики.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРА

Питающее напряжение сети: 220В/50Гц.
Номинальная выходная мощность: 300Вт.
Максимальная выходная мощность: до 500Вт.
Частота преобразования напряжения: 30кГц.
Вторичное выпрямленное напряжение варьируется по необходимости.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ИПБ

Принцип работы ИБП заключается в следующем: импульсы для управления ключами генерирует задающий генератор, построенный на специальном драйвере TL494, частота импульсов управления 30кГц. Импульсы управления с выходов микросхемы подаются поочередно на транзисторные ключи VT1,VT2 предварительного формирователя импульсов для выходных силовых ключей. Ключи VT1,VT2 нагружены трансформатором управления TR1, который и формирует импульсы управления мощными выходными ключами VT3,VT4 ,формирователь необходим для гальванической развязки затворных цепей выходного каскада. ИБП построен по полумостовой схеме, средняя точка для полумоста создается конденсаторами С3,С4, которые одновременно служат сглаживающим фильтром выпрямленного диодным мостом VDS1 питающего напряжения сети. Цепь R7,C8 обеспечивает кратковременно питание на задающий генератор и формирователь импульсов управления,для первичного запуска ИБП, после полного заряда конденсатора С8 питание формирователя осуществляется непосредственно обмоткой 3 трансформатора TR2 c которой снимается переменное напряжение 12В. Цепочка VD2 ,C6 служит для выпрямления и сглаживания питающего формирователь напряжения. Стабилитрон VD1 ограничивает напряжение первичного запуска до 12В.Вторичное напряжение питания для РЭА снимается с обмотки 3 трансформатора TR2, выпрямляется диодами шотки VD3,VD4 и подается на сглаживающий фильтр С9,С10. Если необходимое напряжение питания превышает 35В, включаются по два диода последовательно.

Несколько слов о конструкции ИБП: большинство компонентов взяты из неисправного компьютерного БП АТХ. А именно это микросхема TL494, конденсаторы С9,С10, диодный мост VDS1, конденсаторы С1,С2, С5,С6,С7, диод VD2, диоды Шоттки VD3,VD4, и ферритовые сердечники с каркасами TR1,TR2.

Сам ИБП конструктивно был собран в корпусе того же разобранного БП АТХ. Транзисторы VT3,VT4 установлены на радиаторы площадью 50 см 2 .

Данные перемотки трансформаторов TR1,TR2:
TR1, все четыре обмотки содержат по 50 витков провода 0.5 мм
TR2, Обмотка 1 наматывается проводом 0.8мм 110 витков. Обмотка 3 содержит 12 витков проводом 0.8мм. Обмотка 2 наматывается в зависимости от необходимого вторичного напряжения питания и рассчитывается из соотношения 1 виток на 2 вольта. Так как на выходе стоит удвоитель напряжения.

Аналогичные схемы разрабатывались многими радиолюбителями для разных целей, но каждый конструктор вкладывал в схему что-то свое, менял расчеты, отдельные компоненты схемы, частоту преобразования, мощность, подстраивая под какие-то, известные только самому автору, нужды…

Мне же часто приходилось использовать подобные схемы вместо их громоздких трансформаторных аналогов, облегчая вес и объем своих конструкций, которые необходимо было запитать от сети. Как пример: стерео-усилитель на микросхеме, собранный в дюралевом корпусе от старого модема.

Содержание / Contents

Описание работы схемы, коль она классическая, приводить особого смысла нет. Замечу лишь, что я отказался от использования в качестве схемы запуска от транзистора, работающего в режиме лавинного пробоя, т.к. однопереходные транзисторы типа КТ117 работают в узле запуска гораздо надежнее. Запуск на динисторе мне тоже нравится.

На рисунке представлены: а) цоколёвка старых транзисторов КТ117 (без язычка), б) современная цоколёвка КТ117, в) расположение выводов на схеме, г) аналог однопереходного транзистора на двух обычных (подойдут любые транзисторы верной структуры - структуры p-n-p (VT1) типа КТ208, КТ209, КТ213, КТ361, КТ501, КТ502, КТ3107; структуры n-p-n (VT2) типа КТ315, КТ340, КТ342, КТ503, КТ3102)

↑ Схема ИБП на биполярных транзисторах

↑ Схема ИБП на полевых транзисторах

Схема на полевых транзисторах несколько сложнее, что вызвано необходимостью защиты их затворов от перенапряжения.

Все намоточные данные трансформаторов приведены на рисунках. Максимальная мощность нагрузки, которую может запитать блок питания с трансформатором, выполненном на ферритовом кольце марки 3000НМ 32×16Х8, около 70Вт, на К40×25Х11 той же марки, — 150Вт.

Диод VD1 в обеих схемах запирает схему запуска подачей отрицательного напряжения на эмиттер однопереходного транзистора после запуска преобразователя.

Из особенностей — выключение блоков питания производится замыканием обмотки II коммутирующего трансформатора. При этом нижний по схеме транзистор запирается и происходит срыв генерации. Но, кстати, срыв генерации происходит именно по причине «закорачивания» обмотки.

Запирание транзистора в данном случае, хоть и явно происходит по причине замыкания контактом выключателя эмиттерного перехода, — вторично. Однопереходной транзистор в данном случае не сможет запустить преобразователь, который может находиться в таком состоянии (оба ключа заперты по постоянному току через нулевое практически сопротивление обмоток трансформатора) сколь угодно долго.

Правильно расчитанная и аккуратно собранная конструкция блока питания, как правило, легко запускается под требуемой нагрузкой и в работе ведет себя стабильно.

Читайте также: