Полумостовая схема импульсного блока питания как работает
Обновлено: 07.07.2024
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.
Импульсные источники питания (ИИП) заполонили мир. Кажется, что они применяются везде, полностью вытеснив традиционные. На самом деле, этот вопрос неоднозначный.
В обзоре речь пойдет именно об импульсных блоках питания (ИИП) – преобразователях переменного сетевого напряжения в постоянное. Следует отличать такие устройства от импульсных стабилизаторов (стабилизируют входное постоянное напряжение) и преобразователей DC/AC или AC/AC (например, 12VDC/220 VAC, преобразующих напряжение автомобильной бортсети в 220 вольт), хотя в этих устройствах применяются похожие принципы.
Отличия импульсного блока питания от обычного трансформаторного
Традиционный «трансформаторный» блок питания строится по схеме: трансформатор - выпрямитель с фильтром - стабилизатор выходного напряжения (может отсутствовать). Схема несложна и отработана годами, но у нее есть существенный недостаток – при увеличении мощности опережающими темпами растут габариты и вес.
В первую очередь растут размеры и масса трансформатора. Для повышения тока надо увеличивать сечение обмоток, но главный вклад в массогабаритные характеристики вносит сердечник. Не вдаваясь в физические подробности, можно отметить, что эту проблему можно обойти, увеличив частоту, на которой происходит трансформация. Чем выше частота, тем меньшим сердечником можно обойтись. Не зря в авиации и кораблестроении используются электросети на частоту 400 Гц. Многие элементы получаются гораздо легче и компактнее. Но в быту негде взять повышенную частоту. 50 Гц в розетке – все, что доступно потребителю. Поэтому блоки питания на большие токи строят по другому принципу. В них переменное напряжение сети выпрямляется, а затем из него «нарезаются» импульсы более высокой (до нескольких десятков килогерц) частоты. За счет этого трансформатор получается маленьким и легким без потери мощности. Это главное, чем отличается любой импульсный блок питания от обычного.
Еще один источник повышенных размеров и габаритов – стабилизатор. В традиционных БП применяются линейные стабилизаторы. Они требуют повышенного входного напряжения, а разница между входом и выходом, умноженная на ток нагрузки, бесполезно рассеивается. Это ведет к дополнительному увеличению массы трансформатора, который должен обеспечивать необходимый бесполезный запас по мощности, а также требует больших и тяжелых теплоотводящих радиаторов. В ИИП это делается по другому принципу. Напряжение стабилизируется методом изменения ширины импульсов. Это позволяет повысить КПД и не требует отвода излишнего тепла в таком количестве.
В видео-сравнение линейного и импульсного блоков питания.
К недостаткам импульсников можно отнести усложненную схемотехнику и повышенные требования к надежности элементов. Эти минусы сходят на нет с ростом мощности. Считается, что для выходных токов до 2..3 ампер подходят трансформаторные блоки с линейными стабилизаторами, а чем выше нагрузка, тем ярче начинают проявляться преимущества ИИП. При токах от 10 А обычно о трансформаторных БП речь уже не идет.
Среди минусов импульсных источников также надо упомянуть генерацию помех в питающую сеть и «замусоренность» выходного напряжения высокочастотными составляющими.
Какие бывают виды и где применяются
Разделить импульсники можно по разным признакам. По выходному напряжению они делятся на:
- однополярные с одним уровнем напряжения;
- ондополярные с несколькими уровнями напряжения;
- двухполярные.
Эти типы можно комбинировать как угодно – принципиальных ограничений нет. Можно создать блок питания, например, с несколькими однополярными напряжениями (+5 В, +24 В) и с двуполярным (±12 В), или с двумя двуполярными выходами (±12 В, ±5 В). Все зависит от области применения.
Более интересной является информация о типе стабилизации. Здесь ИИП можно разделить на категории:
- Нестабилизированные источники. У них выходное напряжение зависит от нагрузки. Могут быть применены для питания оконечных устройств аудиоаппаратуры (усилители и т.п.).
- Стабилизированные источники. У таких устройств от нагрузки могут не зависеть напряжение, ток или и то, и другое. Источники со стабилизированным напряжением используются, например, в качестве БП для компьютеров и серверов, или для заряжания кислотно-свинцовых аккумуляторов. Стабилизированный ток подойдет для зарядных устройств для других типов АКБ.
- Регулируемые источники. У них уровень выходного напряжения и тока можно выставлять в определенных пределах в зависимости от потребности. Такие устройства используются в качестве лабораторных источников питания.
Описать все области использования импульсников невозможно. Они применяются там, где надо получить большой ток от легкого и компактного источника.
Также можно разделить ИИП по схемотехнике:
- с импульсным трансформатором;
- с накопительной индуктивностью.
В схемотехнику можно углубляться и дальше и классифицировать БП по другим критериям, но это принципиального значения не имеет.
Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП
Структурная схема импульсника сложнее, чем у трансформаторного источника. Для понимания принципа работы импульсного блока питания в целом, надо разобрать функционирование каждого узла в отдельности.
Плавкий 5-амперный предохранитель перегорает при превышении номинального тока при аварийной ситуации в БП. Для защиты от повышения напряжения предусмотрен варистор V1. В штатном режиме он не влияет на работу устройства. При скачке в сети от открывается, его сопротивление резко увеличивается, ток через варистор возрастает. Это вызывает перегорание предохранителя.
Терморезистор с отрицательным коэффициентом сопротивления THR1 сначала имеет большое сопротивление и ограничивает ток, идущий на зарядку конденсаторов фильтра высоковольтного выпрямителя. Потом термистор прогревается проходящим через него током, его сопротивление падает, но к тому моменту емкости уже будут заряжены. Конденсаторы CX1, C11, C12, CY3 и синфазный дроссель FL1 защищают сеть от синфазных и дифференциальных помех.
Высоковольтный выпрямитель и фильтр
Высоковольтный выпрямитель обычно строится по традиционной мостовой двухполупериодной схеме и особенностей не имеет. Если в преобразователе применяется полумостовая схема, то фильтр выполняется из двух емкостей, включенных последовательно – так формируется средняя точка с напряжением, равным половине питания.
Иногда параллельно конденсаторам ставят резисторы. Они нужны для разряда емкостей после выключения питания.
Инвертор
Преобразование постоянного напряжения в импульсное происходит с помощью инвертора на полупроводниковых ключах (часто на транзисторах). Открываясь и закрываясь, ключи подают в обмотку импульсы напряжения. Таким методом получается своеобразное переменное напряжение (однополярное), которое может быть трансформировано в напряжение другого уровня обычным способом.
Самая простая схема преобразователя постоянного напряжения в импульсное – однотактная. Для ее реализации нужен минимум элементов. Недостаток такого узла – при росте мощности резко растут габариты и масса трансформатора. Связано это с принципом действия такого преобразователя. Он работает в два цикла – во время первого транзистор открыт, энергия запасается в индуктивности первичной обмотки. Во время второго запасенная энергия отдается в нагрузку. Чем больше мощность, тем больше должна быть индуктивность, тем больше должно быть витков в первичной обмотке (соответственно, увеличивается количество витков во вторичных обмотках).
От этого недостатка свободна двухтактная схема со средней точкой (пушпульная). Первичная обмотка трансформатора разделена на две секции, которые через ключи поочередно подключаются к минусовой шине. На рисунке красной стрелкой показано направление тока для одного цикла, а красной – для другого. Минусом является необходимость иметь удвоенное количество витков в первичке, а также наличие выбросов в момент коммутации. Их амплитуда может достигать двойного значения от напряжения питания, поэтому надо применять транзисторы с соответствующими параметрами. Сфера применения такой схемы – низковольтные преобразователи.
Выбросы отсутствуют, если инвертор выполнен по мостовой схеме. Из четырех транзисторов составлен мост, в диагональ которого включена первичная обмотка трансформатора. Транзисторы открываются попарно:
- первый цикл – верхний левый и нижний правый;
- второй цикл – нижний левый и верхний правый.
Обмотка подключается к плюсу питания то одним выводом, то другим. Минусом является применение 4 транзисторов вместо двух.
Компромиссным вариантом считается применение полумостовой схемы. Здесь коммутируется один конец первичной обмотки, а второй подключен к делителю из двух емкостей. В этой схеме также отсутствуют выбросы напряжения, но применено всего два транзистора. Недостаток такого решения – к первичной обмотке прикладывается только половина питающего напряжения. Вторая проблема – при создании мощных источников емкость конденсаторов делителя растет, и их стоимость становится нецелесообразной.
Если ИИП построен по схеме с регулировкой параметров методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то в большинстве случаев ключи приводятся в действие не напрямую от микросхемы ШИМ, а через промежуточный узел – драйвер. Связано это с повышенными требованиями к прямоугольности управляющих сигналов.
В схемах всех преобразователей используются как полевые, так и биполярные транзисторы, а также IGBT, сочетающие свойства обоих типов.
Выпрямитель
Трансформированное во вторичные обмотки напряжение надо выпрямить. Если требуется выходное напряжение выше +12 вольт, можно применять обычные мостовые схемы (как и в высоковольтной части).
Если напряжение низкое, то выгодно применять двухполупериодные схемы со средней точкой. Их преимущество в том, что падение напряжение происходит только на одном диоде для каждого полупериода. Это позволяет сократить количество витков в обмотке. Для этой же цели используют диоды Шоттки и сборки на них. Недостаток такого решения – более сложная конструкция вторичной обмотки.
Фильтр
Выпрямленное напряжение надо отфильтровать. Для этой цели применяются как традиционные емкости, так и индуктивности. Для используемых частот преобразования дроссели получаются небольшими, легкими, но работают эффективно.
Цепи обратной связи
Цепи обратной связи служат для стабилизации и регулировки выходного напряжения, а также для ограничения тока. Если источник нестабилизированный, у него эти цепи отсутствуют. У устройств со стабилизацией тока или напряжения эти цепи выполняются на постоянных элементах (иногда с возможностью подстройки). У регулируемых источников (лабораторных и т.п.) в обратную связь включены органы управления для оперативной регулировки параметров.
У компьютерного БП дополнительно имеется схема управления и формирования служебных сигналов (Power_good, Stand By и т.д.).
Как устроен ШИМ контроллер
В стабилизированных и регулируемых источниках питания напряжение на выходе поддерживается методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Суть метода в том, что первичная обмотка питается импульсами неизменной амплитуды и частоты. Для регулировки напряжения в зависимости от нагрузки или выбранного уровня изменяется ширина импульса. Трансформированные во вторичную обмотку импульсы затем выпрямляются и усредняются на выходном конденсаторе фильтра. Чем больше ширина импульса, тем выше усредненное напряжение. Если в результате увеличения тока нагрузки напряжение на выходе просело, ШИМ-контроллер сравнивает выходное напряжение с заданным и дает команду увеличить ширину импульсов. Если напряжение увеличилось, ширина импульсов уменьшается. Среднее напряжение также уменьшается.
Культовой микросхемой для построения импульсных источников считается TL494. На ее примере можно разобрать принцип действия
шим контроллера блока питания.
Назначение выводов микросхемы указано в таблице.
| Назначение | Обозначение | Номер вывода | Номер вывода | Обозначение | Назначение | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Прямой вход усилителя ошибки 1 | IN1 | 1 | 16 | IN2 | Прямой вход усилителя ошибки 1 | |
| Инверсный вход усилителя ошибки 1 | IN1 | 2 | 15 | IN2 | Инверсный вход усилителя ошибки 1 | |
| Выход обратной связи | FB | 3 | 14 | Vref | Выход опорного напряжения | |
| Управление временем задержки | DTC | 4 | 13 | ОТС | Выбор режима работы | |
| Частотозадающий конденсатор | C | 5 | 12 | VCC | Напряжение питания | |
| Частотозадающий резистор | R | 6 | 11 | С2 | Коллектор 2-го транзистора | |
| Общий провод | GND | 7 | 10 | E1 | Эмиттер 1-го транзистора | |
| Коллектор 1-го транзистора | C1 | 8 | 9 | E2 | Эмиттер 2 -го транзистора | |
Частоту генератора задают элементы, подключаемые к выводам 5 и 6. Напряжением на выводе 4 ограничивают ширину выходного импульса. Это необходимо для исключения «перехлеста» открытия транзисторов чтобы избежать ситуации, когда оба ключа оказываются открыты. Через этот вывод также можно организовать мягкий пуск БП. Вывод 13 служит для перевода микросхемы в однотактный режим. Если его подключить к общему проводу, импульсы на выводах обоих ключей станут одинаковыми. На выводе 14 постоянно присутствует образцовое напряжение, равное +5 вольтам. Оно может быть использовано в любых схемотехнических целях.
Выводы 1 и 2 служат прямым и инверсным выводами усилителя ошибки. Если напряжение на выводе 1 превышает напряжение на 2 ноге, то ширина выходных импульсов будет уменьшаться пропорционально разнице на этих выводах. Если напряжение на 2 выводе выше, чем на 1, то на выходе импульсы будут отсутствовать. Также работает второй усилитель ошибки (выводы 16 и 15). Выходы обоих усилителей соединены по схеме ИЛИ и подключены к ноге 3. Первый усилитель обычно используют для регулирования напряжения, второй – для регулирования тока.
В качестве примера можно рассмотреть схему лабораторного источника на данной микросхеме. Здесь применены практически все технические решения, описанные выше. Регулируемая обратная связь, выполненная на операционных усилителях OP1..OP4, позволяет настраивать уровень выходного напряжения и ограничивать ток. Для создания импульсного напряжения используется полумостовой инвертор на биполярных транзисторах, подключенных к микросхеме посредством драйвера.
Для наглядности рекомендуем серию тематических видеороликов.
Также при создании ИИП применяются и другие микросхемы-регуляторы ШИМ. Они могут отличаться от TL494 по функционалу и назначению выводов, но в них используются те же принципы. Разобраться в их работе не составит труда.
В общем. На самом деле, этот преобразователь в силу схемотехнической простоты и малого количества деталей может быть выполнен даже навесным монтажом с использованием в качестве основания радиатора охлаждения транзисторов, а в качестве монтажных лепестков - жестких выводов силовых транзисторов, диодов и силового трансформатора. Даже в этом случае повторяемость преобразователя достаточно высока и определяется в основном качеством деталей и, собственно, монтажа. Автор и сам не раз монтировал подобные конструкции именно таким образом. Конструктив при навесном монтаже за счет использования объема получается компактным и достаточно жестким. Однако, конструкция, выполненная навесным монтажем имеет низкую ремонтопригодность (довольно сложно, согласитесь, в большинстве случаев при объемном монтаже добраться жалом паяльника до выводов детали, которую предстоит заменить). Печатная плата имеет в этом плане неоспоримое преимущество. А если плата достаточно универсальна, то может послужить и полигоном для импровизаций, позволяющих изменить или дополнить схему уже готового устройства. В данном случае как раз и была произведена попытка создания универсальной (в некотором роде) печатной платы, на которой можно было бы собрать два вида преобразователей - классический полумостовой автогенераторный или квазирезонансный; с использованием мощных биполярных или КМОП-транзисторов. Плата в большей степени задумывалась как проверочная, для испытания практически всех компонентов, применяемых в этом преобразователе, но и могла бы использоваться в качестве платы готового малогабаритного блока питания.
Рис 1. Принципиальная схема блока питания
О схеме (рис 1). Блок питания (далее - БП) рассчитан на работу от осветительной электросети с переменным напряжением
220В с перепадами напряжения +/-15%. На входе БП установлен предохранитель FU1 и токоограничительный резистор R1, предотвращающий короткое замыкание питающей сети при заряде конденсатора С5. Перед выпрямительным мостом D3 включен симметричный LC-фильтр (Dr1, C1, C2) предотвращающий проникновение в осветительную сеть "продуктов" работы преобразователя - нежелательных гармоник, создающих помехи в осветительной сети и способных повлиять на работу прочих приборов, к этой сети подключенных. Цепь запуска преобразователя выполнена на компонентах R5, D6, C8, VD1 и представляет собой релаксационный R-C генератор, где конденсатор С8, заряженный (через резистор R5) до уровня порога срабатывания динистора, разряжается через динистор в обмотку II трансформатора Tr2 коротким и достаточно мощным импульсом, создавая условие для отпирания одного из транзисторов преобразователя, после чего (в обмотках 2 Tr2 наводятся разнополярные импульсы) преобразователь переходит в режим автогенерации. Условия генерации (частота, девиация) преобразователя определяются параметрами положительной обратной связи по напряжению. Напряжение со вторичной обмотки III силового трансформатора (далее - СТ) Tr1 через резисторы (конденсаторы, устанавливаемые вместо одного из резисторов) R7, R9 подается на обмотку I коммутирующего трансформатора (далее - КТ) Tr2. Создаваемый при этом ток в обмотке I Tr2, насыщает его сердечник, и это важно, т.к. на время насыщения сердечника оба транзистора гарантированно запираются перед переключением. То же самое происходит и при смене полярности импульса на выходных обмотках трансформатора Tr1, благодаря чему между сменой полярности выходных импульсов образуется ступенька-пауза, исключающая возможность протекания сквозного тока через транзисторы, который мог бы стать источником возможных дополнительных потерь и дополнительным аварийным фактором. После появления "рабочих" импульсов на вторичных обмотках преобразователя через диод D2 и резистор R2 начинает заряжаться конденсатор C3. Как только напряжение на его обкладках достигнет значения, достаточного для создания необходимого тока через управляющий переход симистора VS1, последний откроется и зашунтирует токоограничительный резистор R1. Такая схема двухступенчатого запуска служит для облегчения старта преобразователя при большой емкостной нагрузке. Поэтому в большинстве случаев можно обойтись и без этого узла, рассчитывая на то, что дроссель Dr3 (при достаточной индуктивности) облегчит запуск преобразователя при больших емкостях конденсаторов С13, С11. В таком случае, обмотка IV трансформатора Tr1 становится избыточной. Вместо резистора R1 в этом случае следует установить NTC-термистор сопротивлением 5-10Ом, с током от 3А.
Немного о квазирезонансном режиме. Работа преобразователя в квазирезонансном режиме предполагает "мягкую" коммутацию силовых ключей, когда их запирание происходит при минимальном токе коллектора (стока). Это обстоятельство позволяет значительно снизить энергетические потери на самом ключе (как следствие и - тепловыделение), повысить КПД блока питания в целом. Уменьшение излучаемых помех так же является полезным свойством квазирезонансного (резонансного) преобразователя. В статье не предусмотрено описание работы преобразователя в квазирезонансном режиме и испытания БП в этом режиме не производились, однако возможность построения в приведенной принципиальной схеме - имеется, и заложена в конструктиве печатной платы (далее - ПП).
Немного о коммутирующем трансформаторе. Те, кто хотел бы применить КТ собственной конструкции, - под имеющиеся магнитопроводы, должны знать, что сердечник КТ не должен иметь магнитных зазоров и должен быть ферритовым, - это условие насыщения сердечника. Чем меньше индуктивность обмотки I и площадь сечения магнитопровода, тем выше частота коммутации. Магнитопроводы можно выбирать любых геометрических размеров (с наружным диаметром 10-22мм по крайней мере работали без проблем), с магнитной проницаемостью 600-3000НН. Для расчета витков и их соотношений нужно иметь ввиду следующие факторы. Напряжение на вторичных обмотка КТ (Tr2) всегда должно быть несколько выше максимального напряжения входа управляемого прибора. Т.е., если это биполярный транзистор с падением напряжения на эмиттерном переходе = 0,6В, то расчетное напряжение на вторичной обмотке должно быть примерно в пару раз выше. Для МОСФЕТ (КМОП)-транзисторов следует выбирать не менее чем полуторное значение запаса по напряжению вторичных обмоток КТ относительно напряжения затвор-исток, указанного в datasheet для минимального сопротивления канала. В этом случае преобразователь надежно будет функционировать при заниженных значениях входного напряжения, а силовые ключи преобразователя гарантированно не войдут в область линейного режима, при котором могут быть разрушены в течении пары секунд. Избыточное напряжение (мощность - для биполярных транзисторов) будет рассеиваться на сопротивлениях резисторов R6-R9. Таким образом, при расчете КТ можно отталкиваться от геометрических размеров магнитопровода, имея ввиду предполагаемое максимальное количество витков; напряжением вторичных обмоток СТ, с которых будет производиться съем напряжения для ОС; отношением количества витков обмотки I к количеству витков обмотки II КТ. Так, если рассчитывается КТ для биполярных транзисторов, имеется ферритовый кольцевой сердечник с геометрическими размерами 10Х6Х4, а напряжение вторичной обмотки, желаемую для съема ОС, составляет 12В, наматываем на сердечник первичную обмотку любым проводом в изоляции, имеющим совокупный диаметр 0,25-0,4мм. Число витков берем произвольное, например – 20. При этом в окне магнитопровода КТ должно остаться место для пары вторичных обмоток. Разделив напряжение, подаваемое с в торичной обмотки СТ на количество витков первичной обмотки КТ, получаем значение вольт на виток = 0,6В. Учитывая то, что для нормальной работы биполярных ключей необходимо вдвое большее значение, понимаем, что витков должно быть не менее, чем 2. Можно и 3, если ток базы транзистора (определяется суммой сопротивлений резисторов R6-R9 соответствующей мощности) не превышает допустимого значения для выбранного транзистора.
О компонентах. Практически все компоненты могут быть использованы от старых компьютерных блоков питания (далее - БПК). Так, например, плата приспособлена для размещения СТ от БПК АТ-АТХ с выходной мощностью 200-400Вт, схема которых имела двухтактное полумостовое построение. ПП разрабатывалась под размеры основания каркаса СТ 29,5Х28мм с расстоянием между рядами выводов 22,5мм. Транзисторы так же могут быть использованы от старых БПК, как биполярные (далее - БТ), так и полевые (далее - ПТ); как от корректоров мощности, так и от преобразовательных каскадов; как от прямоходовых однотактных преобразователей, так и от полумостовых. Первичное условие: транзисторы должны иметь рабочее напряжение от 300В, а ток не менее 5А. Вторичное условие: транзисторы должны быть однотипными. Т.е., если будут использоваться ПТ, то напряжение затвора, соответствующее полному отпиранию канала должно быть одинаково для обоих транзисторов. Для БТ немаловажно близкое значение коэффициента усиления, напряжение насыщения К-Э транзисторов. Симметричный динистор для схемы запуска можно извлечь из платы преобразователя электронного балласта практически любой энергосберегающей люминесцентной лампы или электронного трансформатора для галогенных ламп. В качестве КТ можно использовать развязывающий трансформатор от БПК (без доработки, как для работы с БТ, так и для работы с ПТ) или КТ, извлеченные из электронных трансформаторов или балластов (с последующей доработкой). Данные по использованию КТ в различных вариантах приведены в таблице на рис 3.
О сборке. ПП (рис 2, рис 2а, рис 2б, рис 2в) при наличии готовых моточных компонентов собирается в течении получаса без каких-либо затруднений. Дроссель Dr1 используется без каких либо доработок от БПК. В качестве Tr1 использован СТ от БПК без доработки. Если в качестве КТ будет использоваться развязывающий тр-р от БПК, то к выводам самого тр-ра необходимо будет припаять удлиняющие проволочные выводы и сформовать их под расположение отверстий позиции трансформатора Tr2. Сделать это совершенно не сложно, т.к. последовательность выводов тр-ра БПК "правильная" для большинства из них. Рекомендую сразу же впаять поверенную комбинацию элементов ОС для КТ, имеющих моточные данные из таблицы: конденсатор 62нФ (вместо резистора R9) и резистор R7 номиналом 56 Ом (1-3Вт). Резисторы R6 и R8 или прочие компоненты их заменяющие на плате в этом случае не нужны. И не рекомендую до процесса наладки устанавливать на плату выходные диоды D13-D19. Далее необходимо выводы обмотки III Tr1 впаять в отверстия платы с обозначением Pad3, Pad4 или, если эта обмотка отсутствует, перемычками от этих отверстий - до концов выбранных по таблице на рис 2 вторичных обмоток (II Tr2). В случае использования классической схемы преобразователя следует вместо дросселя Dr2 установить перемычку. Восстановить на плате пару конденсаторов с указанными значениями номиналов. Вот и - классический полумостовой автогенератор. Обмотка III Tr1 так же может оказаться не обязательной к использованию, т.к. для съема напряжения для ОС можно использовать напряжения выходных силовых обмоток II Tr2. В случае использования квазирезонансного построения схемы, следует отказаться от использования конденсатора С6, а вместо конденсатора С7 использовать конденсатор расчетной емкости для соответствующей частоты преобразования. индуктивность дросселя Dr2 так же следует изначально рассчитать. В снабберной цепочке R10/C9 при работе преобразователя в указанном режиме так же нет особой нужды.
О подключении и мерах безопасности. Следующий этап - подключение БП к сети. В процессе наладки это лучше делать через развязывающий трансформатор
220В и подключенной в разрыв между одним из входных питающих проводов между БП и развязывающим тр-ром балластного сопротивления (токового ограничителя) в виде лампы накаливания, рассчитанной на напряжение осветительной сети (
220В) и мощностью 100-150Вт. Применение развязывающего тр-ра защитит при случайном касании от попадания под потенциал осветительной сети, а лампа в случае неправильного монтажа или действий предохранит электронные компоненты от повреждения. Для удобства установка выключателя в разрыв одного из питающих проводов не помешала бы. К вторичной полуобмотке II Tr1, соответствующей одному из выходных напряжений (+12В или -12В) следует припаять контрольную лампу небольшой мощности в качестве индикатора. Я использовал галогенную лампу 12В/20Вт. Контроль осциллографом следует осуществлять по любой из вторичных обмоток (так безопаснее для самого осциллографа).
О наладке. Предположим, что собран вариант БП с ПТ и использованием в качестве КТ - кольцевого ферритового магнитопровода размера 10Х6Х5 с намотанными на нем обмотками 2Х10+20 витков эмалированного провода диаметром 0,25-0,35мм (по таблице). КТ распаивается на месте, обозначенном Tr2 с точкой, обозначающей вывод 1. Отсчет прочих выводов - по часовой стрелке. Отверстие 1 - начало обмотки I; отверстие 2 начало обмотки II; 3 - конец обмотки II; 4 - начало второй обмотки II; 5 - конец второй обмотки II; 6 - конец обмотки I. При правильной фазировке обмоток II КТ относительно управляющих входов силовых ключей (затвор-исток) и обмотки I относительно выбранной обмотки II (или доп. обмотки III) СТ, а так же при указанных компонентах цепи ОС, запуск БП гарантирован при любых нагрузках в пределах заявленной мощности БП (правда, для начала, при последовательно подключенной балластной лампе следует ограничиться мощностью нагрузки 40-60Вт). При подаче питания на БП - короткая вспышка на балластной лампе, индицирующая заряд конденсатора С5 с дальнейшим ярким свечением индикаторной лампы, - так все и должно быть в идеале. Если этого не произошло, необходимо сменить фазировку обмотки I коммутирующего тр-ра относительно обмотки II (III) СТ. Если и в этом случае не произошло запуска, необходимо проверить наличие импульсов запуска. Эти импульсы можно увидеть на медленной развертке (1-5мс) осциллографом на пределе 0,5В/дел. Очень короткие по длительности импульсы с частотой следования от единиц до нескольких десятков Герц амплитудой до 1В (на самом деле они имеют большую амплитуду, но моим осциллографом я вижу только основание импульсов). При использовании рекомендованного развязывающего тр-ра, импульсы можно посмотреть в точке соединения R5-C8. При наличии импульсов запуска и при уверенности в правильности монтажа и целостности деталей, а, так же, в правильности намотки тр-ра, следует подобрать сопротивление резистора R7 с изменением фазировки обмотки I Tr2 при очередном неудачном запуске после изменения номинала резистора R7. Если все получилось и БП запускается без проблем, следует оставить его включенным на некоторое время без нагрузки (при одной лишь индикаторной лампе) и определить частоту преобразования. Оптимальной следует считать частотный диапазон от 27 до 100кГц. Именно в этом диапазоне хорошо (без ощутимых потерь) работают и ПТ и трансформаторы от БПК. Частоту для работы с БТ следует выбирать в диапазоне 25-55кГц. Через 2-5 минут БП следует отключить и проверить силовые компоненты на нагрев. Его не должно быть в принципе. И ключи и трансформаторы должны быть холодными, как будто их и не включали (для ПТ). Нить балластной лампы не должна светиться в процессе работы БП на индикаторную лампу. Если все так, то можно продолжить процесс наладки с помощью более мощных нагрузок. Пока еще не удаляя защитную лампу из схемы, подключаем нагрузку мощностью 50Вт. БП должен запуститься без проблем. При работе с ПТ в качестве ключей, частота генерации имеет значительно меньшие изменения нагруженного БП относительно его холостого хода; при использовании БТ изменение частоты гораздо существеннее (отображено в таблице). После проверки БП с нагрузками без участия выходных выпрямителей, следует распаять на ПП диоды выпрямителей (D12-D19 - расположены с обеих сторон ПП с одинаковой нумерацией - впараллель).
О тестировании. Биполярные транзисторы, используемые при тестировании БП: КТ854А, КТ872, КТ8110А, 2SC2625, MJE13007, 2SC4106, BU508. МОСФЕТы: IRFP460, IRF840, IRF740, PQPF20N60, RHJ3047. Самые хорошие результаты по таким критериям, как термостабильность, малый уход частоты, был получен с применением практически любых ПТ из списка тестируемых (включая IGBT RHJ3047). Все без исключения ПТ до мощности нагрузки 150Вт способны были работать без радиаторов с температурой корпуса не более 40С. Самые плохие результаты были продемонстрированы при использовании отечественных БТ. Сильный разогрев, вызываемый не столько мощностью нагрузки, сколько током, протекающим через переход Б-Э (отсюда необходим тщательный подбор компонентов ОС). Сильный уход частоты во времени даже без нагрузки, невозможность работы без хорошего охлаждения. Тем не менее транзисторы КТ854А и КТ8110А неплохо работали в качестве замены в 150 ваттных электронных трансформаторах Ташибра (Tashibra), где в их базовых цепях были установлены низкоомные резисторы. Импортные биполярные транзисторы (из списка) работали неплохо в целом, беспричинный разогрев не наблюдался, частота во времени держалась стабильно при различных нагрузках и холостом ходе. Все же 2SC2625 по всем параметрам - №1 среди биполярных транзисторов.
Идея прямоходового преобразователя с исключением излишних скачков напряжения на силовых элементах, описанная здесь, может быть усовершенствована до мостовой и полумостовой топологий. Полумостовую топологию мы рассмотрим здесь.
С помощью конденсаторов C3, C4 создана казисредняя точка источника питания. Работа схемы основана на попеременном пропускании тока через верхнее и нижнее плечо. При этом через первичную обмотку трансформатора проходит симметричный ток. Напряжение в точке соединения конденсаторов C3, C4 формируется немного отличным от половины напряжения питания как раз так, чтобы компенсировать некоторую асимметрию плеч.
Вашему вниманию подборки материалов:
Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам
Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам
В схеме исключено возникновение на силовых ключах напряжения больше питающего, так как обратные диоды немедленно отведут такое напряжение в цепи питания. Платой за это является то, что амплитуда напряжения, приложенного к первичной обмотке равно только половине напряжения питания. В результате для формирования выходного тока понадобится двойной ток через силовые ключи по сравнению с пушпульной схемой.
На картинке я показал контуры, по которым идет электрический ток, когда замкнут нижний ключ (контур S1), и когда оба ключа разомкнуты (контур S2). Когда оба ключа разомкнуты, накопленная в трансформаторе энергия сбрасывается в цепи питания через шунтирующий диод верхнего плеча. Нарисовать направление движения токов при замыкании верхнего ключа и после его размыкания Вы легко сможете сами по аналогии.
Типичные схемы полумостовых преобразователей
На этих схемах изображен вариант, когда контроллер и силовая часть питаются одним напряжением. Тут вариант питания от разного напряжения. Он используется, например, в источниках питания, работающих от сети.
В схемах может применяться ШИМ - контроллер 1156ЕУ2 (D1) и драйвер верхнего плеча полумоста IR2125 (D2).
Для этих схем подходит только контроллер с двухтактными каскадами на выходе, то есть предназначенный для управления полевыми транзисторами. Хотя во второй схеме применены биполярные транзисторы, в такой схеме управления контроллер нужен именно для полевых. Контроллер с открытыми эмиттерами на выходе здесь не годится.
Применение
Полумостовая схема лучше всего подходит для относительно маломощных (до 500 Вт) источников питания с высоковольтным входом и низковольтным выходом. Большинство компьютерных блоков питания и импульсных зарядных устройств, построено по такой схеме. Примером может быть следующее зарядное устройство. Применение полумостовой схемы при низком входном напряжении ограничено тем, что в этом случае получаются высокие потери на силовых ключах, и нужны конденсаторы C10, C11 большой емкости, рассчитанные на большие токи.
Расчет управляющего трансформатора L7, L8, L9
[Коэффициент трансформации управляющего трансформатора] = 3 * [Напряжение насыщения база - эмиттер VT2, В] / [Минимальное входное напряжение, В]
[Сопротивление резистора R6, Ом] = 4 / 3 * [Минимальное входное напряжение, В] / [Пиковый ток коллектора VT2, А] / [Коэффициент трансформации управляющего трансформатора]
Расчет прочих номиналов
Элементы управления верхним плечом описаны в статье о понижающем преобразователе.
В целом расчет аналогичен расчету для пушпульной схемы. Так что я приведу только те формулы, которые отличаются.
Как и для пушпульной схемы, мы рекомендуем выбирать максимальный коэффициент заполнения около 80%
[Коэффициент трансформации] = [Минимальная амплитуда напряжения на вторичной обмотке, В] / [Минимальное входное напряжение, В] * 2
Двойка появилась потому, что к первичной обмотке приложена только половина напряжения питания.
Силовые транзисторы
[Максимальное напряжение коллектор - эмиттер VT2, VT9, В] = [Максимальное входное напряжение, В].
Защита по току
Защиту от перегрузок и короткого замыкания выходной цепи для полумостовых схем лучше всего делать на основе трансформатора тока, так как простого и надежного варианта схемы со считывающим резистором нет.
Элементы обратной связи по напряжению
Конденсаторы C10, C11
[Емкость конденсатора С10, Ф] = [Емкость конденсатора С11, Ф] = 2.5 * [Максимальная средняя сила тока через дроссель L1, А] * [Коэффициент трансформации] / [Минимальное входное напряжение, В] / [Частота работы контроллера D1, Гц] * [Максимальный коэффициент заполнения]
Такой выбор емкости обеспечит изменение напряжения в точке соединения этих конденсаторов в пределах 10% от минимального входного.
Конденсаторы С10, C11 лучше выбирать рассчитанные на максимальное входное напряжение. Это обеспечит надежный запас.
Добрый день! А как самому рассчитать управляющий трансформатор полумостового преобразователя? Сколько нужно витков первичной, чтобы индукция не превысила заданную - это понятно, а какие принимать напряжения для базовых цепей транзисторов, токи? Какой типоразмер можно применить? Читать ответ.
Добрый день! Я собрал на макетной плате полумостовой источник с питанием от сети по Вашей схеме. Мощность источника - 24 Вт. Питание контроллера осуществляется с помощью гасящего конденсатора, диодного моста и стабилитрона, при этом цепи питания контроллера и собственно моста разделены, контроллер управляет транзисторами через управляющий трансформатор, поэтому удалось обойтис Читать ответ.
(1) А использовать умножитель напряжения на выходе полумостового преобразователя тоже нельзя? Емкость конденсаторов в умножителе будет около 5-10 нФ, это намного меньше емкости обычных конденсаторов фильтра. А если использовать мостовой выпр. и далее дроссель, то при выходном напряжении 700 В обратное напряж-ие на диодах будет примерно 1200 В. Может, хотя бы подскажете, какие Читать ответ.
(1) Здравствуйте! Я писал по поводу большой мощности, выделяемой на силовых ключах, которая получается в результате расчета. В исходных данных питающее напряжение 310 В, выходное - 40 В, ток нагрузки - 1,1 А. Если задать времена включения и выключения транзисторов, как в примере - 20 нс и 300 нс, то рассеиваемая мощность - в разумных пределах. Но реально эти значения у биполяр Читать ответ.
Обратноходовый импульсный преобразователь напряжения, источник питания.
Как работает обратноходовый стабилизатор напряжения. Где он применяется. Описани.
Инвертор, преобразователь, чистая синусоида, синус.
Как получить чистую синусоиду 220 вольт от автомобильного аккумулятора, чтобы за.
Пушпульный импульсный источник питания. Онлайн расчет. Форма. Подавлен.
Как рассчитать пуш-пульный импульсный преобразователь напряжения. Как подавить п.
Двухполярный, двухполупериодный бестрансформаторный источник питания, .
Примеры схем двуполярного и двухполупериодного бестрансформаторного источника пи.
Преобразователь однофазного напряжения в трехфазное. Принцип действия.
Принцип действия, сборка и наладка преобразователя однофазного напряжения в трех.
Читайте также: