Принцип работы импульсных блоков питания. Схема импульсного блока питания

Импульсный блок питания 180Вт

Мощность блока питания - около 180 Вт, выходное напряжение 2х25 В при токе нагрузки 3,5 А. Размах пульсации при токе нагрузки 3,5 А не превышает 10 % для частоты преобразования 100 Гц и 2 % для частоты 27 кГц. Выходное сопротивление не превышает 0,6 Ом. Габариты блока - 170х80х35 мм; масса - 450 г.

После выпрямления диодным мостом VD1 сетевое напряжение фильтруют конденсаторы С1-С4 (см. схему). Резистор R1 ограничивает ток зарядки конденсаторов фильтра, протекающий через диоды выпрямителя при включении блока. Отфильтрованное напряжение поступает на преобразователь напряжения, построенный по схеме полумостового инвертора на транзисторах VT1, VT2. Преобразователь нагружен первичной обмоткой трансформатора Т1, преобразующего напряжение и гальванически развязывающего выход блока от сети переменного тока. Конденсаторы С3 и С4 препятствуют проникновению в сеть ВЧ помех от блока питания. Полумостовой инвертор преобразует постоянное напряжение а переменное прямоугольной формы с частотой 27 кГц. Трансформатор Т1 рассчитан так, что его магнитопровод не насыщен. Автоколебательный режим работы обеспечен цепью обратной связи, напряжение которой снимается с обмотки, III трансформатора Т1 и подается на обмотку I вспомогательного трансформатора Т2. Резистор R4 ограничивает напряжение на обмотке I трансформатора Т2. От сопротивления этого резистора зависит в определенных пределах частота преобразования (см. примечание в конце страницы). Подробно о работе преобразователей с ненасыщающимся трансформатором можно прочесть в .

Для обеспечения надежного запуска преобразователя и его устойчивой работы служит узел запуска, представляющий собой релаксационный генератор на транзисторе VTЗ, работающем в лавинном режиме . При включении питания через резистор R5 начинает заряжаться конденсатор С5 и когда напряжение на нем достигает 50...70 В, транзистор VТЗ лавинообразно открывается и конденсатор разряжается. Импульс тока открывает транзистор VТ2 и запускает преобразователь.

Транзисторы VT1 и VT2 установлены на теплоотводах площадью 50 см.кв каждый. Диоды VD2-VD5 тоже снабжены пластинчатыми теплоотводами. Диоды зажаты между пятью дюралюминиевыми пластинами размерами 40x30 мм каждая (три средние пластины толщиной 2 мм, две крайние - 3 мм). Весь пакет стягивают двумя винтами М3x30, пропущенными через отверстия в пластинах. Для предотвращения замыкания пластин винтами на них надеты отрезки поливинилхлоридной трубки.

Намоточные характеристики трансформаторов сведены в таблицу.

Провод обмоток - ПЭВ-2. Обмотку I размещают равномерно по длине кольца. Для облегчения запуска преобразователя обмотка III трансформатора Т1должна располагаться на месте, не занятом обмоткой II (см. рисунок). Межобмоточную изоляцию в трансформаторах выполняют лентой из лакоткани. Между обмотками I и II трансформатора Т1 изоляция трехслойная, между остальными обмотками трансформаторов - однослойная.
Конденсаторы С3, С4 в блоке - К73П-3; С1,С2 - К50-12; С5 - К73-11; С8,С9 - КМ-5; С6,С7 -- К52-2. Транзисторы КТ812А можно заменить на КТ812Б, КТ809А, КТ704А-КТ704В, диоды КД213А - на КД213Б.

Правильно собранный блок питания обычно в налаживании не нуждается, однако в отдельных случаях может потребоваться подборка транзистора VТ3. Для проверки его работоспособности временно отключают вывод эмиттера и присоединяют его к минусовому выводу сетевого выпрямителя. На экране осциллографа наблюдают напряжение на конденсаторе С5 - пилообразный сигнал с размахом 20...50 В частотой несколько герц. Если пилообразное напряжение отсутствует, транзистор необходимо заменить.

Применение этого источника питания не исключает необходимости блокирования выходных цепей питания усилителя конденсаторами большой емкости. Подключение таких конденсаторов в еще большей степени уменьшает уровень пульсации.

Литература

1. В. Цибульский Экономичный блок питания. Радио, 1981, № 10, с. 56.
2. Ромаш Э. М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.- М.: Радио и связь, 1981.
3. Бирюков С. Блок питания цифрового частотомера,- Радио. 1981. № 12, с. 54, 55.

Д. БАРАБОШКИН
Радио, 6/85г.

ПРИМЕЧАНИЕ

При включении блока питания измерьте частоту преобразования (на выводах обмотки II) - она может оказаться значительно ниже, чем 27 кГц (например 9 - 12 кГц). И хотя устройство будет работать, силовые транзисторы выйдут из строя от перегрева. Подгонка частоты осуществляется резистором R4. Причем номинал может отличатся от указанного на схеме на десятки Ом.
Правильно настроенный блок питания отлично работает, при нагрузке в 50 - 70% силовые транзисторы остаются холодными.

От параметров источника питания качество звучания зависит не чуть не меньше, чем от самого усилителя и относится халатно к его изготовлению не следует. Описаний методик расчетов типовых трансформаторов более чем достаточно. Поэтому здесь предлагается описание импульсного источника питания, который может использоваться не только с усилителями на базе TDA7293 (TDA7294), но и с любым другим усилителем мощности 3Ч.

Основой данного блока питания (БП) служит полумостовой драйвер с внутренним генератором IR2153 (IR2155), предназначенный для управления транзисторами технологий MOSFET и IGBT в импульсных источниках питания. Функциональная схема микросхем приведена на рисунке 1, зависимость выходной частоты от номиналов RC-задающей цепочки на рисунке 2. Микросхема обеспечивает паузу между импульсами «верхнего» и «нижнего» ключей в течении 10% от длительности импульса, что позволяет не опасаться «сквозных» токов в силовой части преобразователя.

Рис. 1

Рис. 2

Практическая реализация БП приведена на рисунке 3. Используя данную схему можно изготовить БП мощностью от 100 до 500Вт, необходимо лишь пропорционально увеличивать емкость конденсатора фильтра первичного питания С2 и использовать соответствующий силовой трансформатор TV2.

Рис. 1

Емкость конденсатора С2 выбирается из расчета 1... 1,5 мкФ на 1 Вт выходной мощности, например при изготовлении БП на 150 Вт следует использовать конденсатор на 150...220 мкФ. Диодный мост первичного питания VD можно использовать в соответствии с установленным конденсатором фильтра первичного питания, при емкостях до 330 мкФ можно использовать диодные мосты на 4...6 А, например RS407 или RS607. При емкости конденсаторов 470... 680 мкФ нужны уже более мощные диодные мосты, например RS807, RS1007.
Об изготовлении трансформатора можно разговаривать долго, однако вникать в глубокую теорию расчетов слишком долго и далеко не каждому нужно. Поэтому расчеты по книге Эраносяна для самых ходовых типоразмеров ферритовых колец М2000НМ1 просто сведены в таблицу 1.
Как видно из таблицы габаритная мощность трансформатора зависит не только от габаритов сердечника, но и от частоты преобразования. Изготавливать трансформатор для частот ниже 40 кГц не очень логично - гармониками можно создать не преодолимые помехи в звуковом диапазоне. Изготовление трансформаторов на частоты выше 100 кГц уже непозволительно по причине саморазогрева феррита М2000НМ1 вихревыми токами. В таблице приведены данные по первичным обмоткам, из которых легко вычисляются отношения витков/вольт и дальше уже вычислить, сколько витков необходимо для того или иного выходного напряжения труда не составит. Следует обратить внимание на то, что подводимое к первичной обмотке напряжение составляет 155 В - сетевое напряжение 220 В после выпрямителя и слаживающего фильтра будет составлять 310 В постоянного напряжения, схема полу мостовая, следовательно к первичной обмотке будет прилагаться половина этого значения. Так же следует помнить, что форма выходного напряжения будет прямоугольной, поэтому после выпрямителя и слаживающего фильтра величина напряжения от расчетной отличаться будет не значительно.
Диаметры необходимых проводов рассчитываются из отношения 5 А на 1 кв мм сечения провода. Причем лучше использовать несколько проводов меньшего диаметра, чем один, более толстый провод. Это требование относится ко всем преобразователям напряжения, с частотой преобразования выше 10 кГц, так как начинает уже сказываться скинэффект - потери внутри проводника, поскольку на высоких частотах ток течет уже не по всему сечению, а по поверхности проводника и чем выше частота, тем сильнее сказываются потери в толстых проводниках. Поэтому не рекомендуется использовать в преобразователях с частотой преобразования выше 30 кГц проводники толще 1 мм. Следует так же обратить внимание на фазировку обмоток - неправильно сфазированные обмотки могут либо вывести силовые ключи из строя, либо снизить КПД преобразователя. Но вернемся к БП, приведенному на рисунке 3. Минимальная мощность данного БП практически ни чем не ограничена, поэтому можно изготовить БП и на 50 Вт и меньше. Верхний же предел мощности ограничен некоторыми особенностями элементной базы.
Для получения больших мощностей требуются транзисторы MOSFET более мощные, а чем мощнее транзистор, тем больше емкость его затвора. Если емкость затвора силового транзистора довольно высокая, то для её заряда-разряда требуется значительный ток. Ток транзисторов управления IR2153 довольно не велик (200 мА), следовательно, эта микросхема не может управлять слишком мощными силовыми транзисторами на больших частотах преобразования.
Исходя из вышесказанного становится ясно, что максимальная выходная мощность преобразователя на базе IR2153 не может быть более 500...600 Вт при частоте преобразования 50...70 кГц, поскольку использование более мощных силовых транзисторов на этих частотах довольно серьезно снижает надежность устройства. Список рекомендуемых транзисторов для силовых ключей VT1, VT2 с краткими характеристиками сведен в таблицу 2.
Выпрямительные диоды вторичных цепей питания должны иметь наименьшее время восстановления и как минимум двукратный запас по напряжению и трехкратный току. Последние требования обоснованы тем, что выбросы напряжения самоиндукции силового трансформатора составляют 20...50 % от амплитуды выходного напряжения. Например при вторичном питании в 100 В амплитуда импульсов самоиндукции может составлять 120... 150 В и не смотря на то, что длительность импульсов крайне мала ее достаточно чтобы вызвать пробой в диодах, при использовании диодов с обратным напряжением в 150 В. Трехкратный запас по току необходим для того, чтобы в момент включения диоды не вышли из строя, поскольку емкость конденсаторов фильтров вторичного питания довольно высокая, и для их заряда потребуется не малый ток. Наиболее приемлемые диоды VD4-VD11 сведены в таблицу 3.

Емкость фильтров вторичного питания (С11, С12) не следует увеличивать слишком сильно, поскольку преобразование производится на довольно больших частотах. Для уменьшения пульсаций гораздо актуальней использование большой емкости в первичных цепях питания и правильный расчет мощности силового трансформатора. Во вторичных же цепях конденсаторов на 1000 мкФ в плечо вполне достаточно для усилителей до 100 Вт (конденсаторы по питанию, установленные на самих платах УМЗЧ должны быть не менее 470 мкФ) и 4700 мкФ для усилителя на 500 Вт. На принципиальной схеме изображен вариант выпрямителей вторичного силового питания, выполненный на диодах Шотки, под них и разведена печатная плата (рисунок 4). На диодах VD12, VD13 выполнен выпрямитель для вентилятора принудительного охлаждения теплоотводов, на диодах VD14-VD17 выполнен выпрямитель для низковольтного питания (предварительные усилители, активные регуляторы тембра и т.д.). На том же рисунке приведен чертеж расположения деталей и схема подключения. В преобразователе имеется защита от перегрузки, выполненная на трансформаторе тока TV1, состоящая из кольца К20х12х6 феррита М2000 и содержащего 3 витка первичной обмотки (сечение такое же как и первичная обмотка силового трансформатора и 3 витка вторичной обмотки, намотанной двойным проводом диаметром 0,2...0,3 мм. При перегрузке напряжение на вторичной обмотке трансформатора TV1 станет достаточным для открытия тиристора VS1 и он откроется, замкнув питание микросхемы IR2153, тем самым прекратив ее работу. Порог срабатывания защиты регулируется резистором R8. Регулировку производят без нагрузки начиная с максимальной чувствительности и добиваясь устойчивого запуска преобразователя. Принцип регулировки основан на том, что в момент запуска преобразователя он нагружен максимально, поскольку требуется зарядить емкости фильтров вторичного питания и нагрузка на силовую часть преобразователя максимальная.

Об остальных деталях: конденсатор С5 - пленочный на 0,33... 1 мкФ 400В; конденсаторы С9, С10 - пленочные на 0,47...2,2 мкФ минимум на 250В; индуктивности L1...L3 выполнены на ферритовых кольцах К20х12х6 М2000 и наматываются проводом 0,8... 1,0 мм до заполнения виток к витку в один слой; С14, С15 - пленочные на 0,33...2,2 мкФ на напряжение не менее 100 В при выходном напряжении до 80 В; конденсаторы С1, С4, С6, С8 можно керамические, типа К10-73 или К10-17; С7 можно и керамический, но лучше пленочный, типа К73-17.

РАДИОпитание

Импульсный БЛОК ПИТАНИЯ

Основная задача - немного систематизировать разрозненные знания и материалы, собрав их в одном месте под единым заголовком. Информация не для спецов, а для тех, кто хочет понять основы принципа действия импульсных блоков питания и немного разобраться в том, как они устроены.

Используемые сокращения: БП – блок питания (радиоэлектронной аппаратуры); ТЭРЦ – теория электро-радио цепей; НСБП – нестабилизированный БП; Uвых – выходное напряжение; СБП – стабилизированный БП; ИБП – импульсный БП; КПД – коэффициент полезного действия: БППТ – блок питания переменного тока; ЗУ – зарядные устройства; КЗ – короткое замыкание; СВ – сетевой выпрямитель; СФ – сетевой фильтр; ВЧП – высокочастотный преобразователь; ШИМ – широтно-импульсная модуляция; const–постоянная величина.

1. Классификация БП:

1.1. Нестабилизированные БП;
1.2. Стабилизированные БП;
1.3. Импульсные БП;
1.4. БП переменного тока.

2. Сравнительный анализ:

2.1. Структура трансформаторного БП;
2.2. Преимущества и недостатки трансформаторных БП;
2.3. Структура ИБП;
2.4. Преимущества и недостатки ИБП.

3. Схемные решения отдельных элементов ИБП:

3.1. СВи фильтр;
3.2. ВПЧ (ключевой элемент с импульсным трансформатором);
3.3. ШИМ-контроллер и обратная связь.

4. Схемы разных ИБП.
5. Реальный ИБП.
6. ПростейшийИБП – своими руками.

1. Классификация БП
В соответствии с дисциплиной ТЭРЦ (которую я изучал довольно давно), классификация БП предусматривает следующие группы:
1.1. НСБП – это самые распространенные трансформаторные блоки питания. Обеспечивают выходное напряжение постоянного тока. Такой БП обычно содержит сетевой трансформатор и выпрямитель. В НСБП выходное напряжение соответствует номинальному только при номинальном сетевом напряжении и номинальном токе нагрузки. Эти БП пригодны для питания осветительных и нагревательных приборов, электромоторов и любых устройств со встроенным стабилизатором напряжения (например, большинство радиотелефонов и автоответчиков). Они имеют значительный уровень пульсаций Uвыхи не пригодны для питания звуковой техники (радиоприемников, плееров, музыкальных синтезаторов).
1.2. СБП обеспечивают, ясен пень, стабилизированноеUвых постоянного тока. Такой БП обычно содержит сетевой трансформатор, выпрямитель и стабилизатор. Uвых не зависит (или почти не зависит) от изменения сетевого напряжения (в разумных пределах) и от изменения тока нагрузки. В СБП Uвых будет почти одинаковым как на холостом ходу, так и при номинальной нагрузке. Кроме того, для них характерны достаточно малые пульсации напряжения переменного тока на выходе. СБП практически всегда может заменить НСБП. СБП могут не иметь трансформатора.
1.3. ИБП обеспечивают на выходе стабилизированное напряжение постоянного тока. Они имеют следующие преимущества по сравнению с трансформаторными (такими могут быть ЭП первых двух групп): высокий КПД, незначительный нагрев, малый вес и габариты, большой допустимый диапазон сетевого напряжения. Обычно имеется встроенная защита от перегрузки и замыканий на выходе. Важнейшими элементами ИБП являются ключ - устройство, способное за короткое время изменить сопротивление прохождению тока с минимального на максимальное, и наоборот, и интегратор, напряжение на котором не может измениться мгновенно, а плавно растёт по мере накопления им энергии и так же плавно падает по мере отдачи её в нагрузку. Преимущества ИБП растут с увеличением мощности, т.е. для самой маломощной бытовой аппаратуры их применение может быть экономически не оправдано, а блоки питания мощностью от 50 Вт уже существенно дешевле в импульсном варианте. ИБП схемотехнически сложнее трансформаторных.
1.4. БППТ (включая автотрансформаторы) – применяются для питания осветительных и нагревательных электроприборов, а также для тех бытовых приборов, которые содержат внутренний выпрямитель и стабилизатор напряжения (например многие радиотелефоны Siemens, Toshiba, ряд автоответчиков).
1.5. ЗУ – это устройства, предназначенные исключительно для заряда аккумуляторов различных типов. При этом аккумуляторы могут в процессе заряда располагаться как внутри зарядного устройства, так и снаружи. Однако, например, сетевые адаптеры для радиотелефонов, принято относить к БП, т.к., во-первых, аккумуляторы при этом подключаются к устройству заряда не напрямую, а через внутреннюю схему, а во-вторых, кроме заряда аккумуляторов такой блок питания, как правило, обеспечивает и работу от сети.

2. Сравнительный анализ .
Рассмотрим два основных типа БП –трансформаторные (1.1.-1.2.) и импульсные (1.3.). Каждый из них имеет как свои преимущества, так и свои недостатки. Поэтому нельзя точно сказать, какой лучше или хуже, просто каждый тип БП может в бо льшей степени подходить для тех или иных устройств, в зависимости от своих технических характеристик.

2.1. Структурная схема трансформаторного БП.

Если рассмотреть трансформаторный БП (их также называют аналоговыми, линейными, параметрическими), то он состоит из понижающего трансформатора 1 , где первичная обмотка выполнена из расчета на сетевое напряжение. Этот трансформатор часто называют силовым, и он служит одновременно для гальванической развязки. Преобразование переменного напряжения в пульсирующее однонаправленное (постоянное) напряжение происходит с помощью выпрямителя 2 на полупроводниковых диодах, мостах, сборках. Емкостной фильтр 3 сглаживает пульсирующее напряжение (часто для этого используется конденсатор большо й емкости). Кроме этого, в схеме трансформаторного БП может присутствоватьстабилизатор 4 иэлементы защиты от КЗ в нагрузке.
2.2. Преимущества и недостатки трансформаторного БП
Преимущества трансформаторного БП: высокая надежность, простота конструкции, доступность элементной базы, а также низкий уровень создаваемых помех.
Недостатки трансформаторного БП: большие габариты и вес, металлоемкость и низкий КПД (до 50% в лучшем случае!).
Подробнее о таких БП см. в моей статье "Блоки питания" в этом же разделе.
2.3. Структурная схема импульсного БП.


В ИБП входящее переменное напряжение сети сначала выпрямляется полупроводниковым диодами 1 (сборками, мостами), затем емкостной фильтр 2 сглаживает пульсирующее напряжение. Электронный ключ 3 является элементом генератора, вырабатывающего прямоугольные импульсы высокой частоты, которые поступают на импульсный трансформатор 4 , который служит одновременно гальванической развязкой. Таким образом, в ИБП снова создаётся переменный ток. На выходе снова стоят выпрямитель 1 и фильтр 2 . Для того, чтобы стабилизировать Uвых, в ИБП используется обратная связь 5 . Это позволяет удерживать Uвых на относительно постоянном уровне. Управление электронным ключом 3 происходит через ШИМ-контроллер 6 . Благодаря такому способу управления Uвых не зависит от возможных колебаний входного (сетевого) напряжения, а также от величины нагрузки.

2.4. Преимущества и недостатки ИБП
Преимущества ИБП: небольшие габариты и вес, широкий диапазон входного напряжения и частоты, высокий КПД (более 90%) и, по сравнению с трансформаторными БП, меньшая стоимость, если брать современную элементную базу. Также к их достоинствам относится и то, что в большинстве современных ИБП присутствуют встроенные цепи защиты от отсутствия нагрузки на выходе и от короткого замыкания.
Высокий КПД ИБП связан с особенностью схемотехники. Основные потери в аналоговом БП – это силовой трансформатор и аналоговый стабилизатор (регулятор). В ИБП нет ни того, ни другого. Вместо сетевого трансформатора используется высокочастотный, а вместо стабилизатора – ключевой элемент. Поскольку основную часть времени ключевые элементы либо включены, либо выключены, потери энергии в импульсном блоке питания минимальны.
Недостатки ИБП: все они представляют собой источник высокочастотных помех, что непосредственно связано с их принципом работы, а также то, что основная часть схемы работает без гальванической развязки от входящего напряжения.

3. Схемные решения отдельных элементов ИБП.
3.1. СВ и фильтр
Для выпрямления сетевого однофазного напряжения используют одну из трех классических схем:


Каждой из них присущи достоинства и недостатки, которые определяют область применения.
Однополупериодная схема отличается простотой реализации и минимальным количеством полупроводниковых компонентов. Основными недостатками такого выпрямителя являются значительная величина пульсаций выходного напряжения (в выпрямленном присутствует лишь одна полуволна сетевого напряжения) и малый коэффициент выпрямления Кв. Он определяется соотношением среднего значения напряжения на выходе выпрямителя Uвых действующему значению фазного сетевого напряжения Uд. Для однополупериодной схемы Кв=0,45. Для сглаживания пульсаций на выходе такого выпрямителя требуются мощные фильтры.
Двухполупериодная схема со средней (нулевой) точкой требует удвоенного числа выпрямительных диодов, однако, этот недостаток в значительной мере компенсируется более низким уровнем пульсаций выпрямленного напряжения и ростом величины Кв до 0,9. Основным недостатком такой схемы для использования в бытовых условиях является необходимость организации средней точки сетевого напряжения, что подразумевает наличие сетевого (силового) трансформатора. Его габариты и масса оказываются несовместимыми с идеей малогабаритного импульсного источника.
Двухполупериодная мостовая схема выпрямления имеет те же показатели по уровню пульсаций и Кв, что и схема со средней точкой, но не требует наличия сетевого трансформатора. Это компенсирует и главный недостаток – удвоенное количество выпрямительных диодов, как с точки зрения КПД, так и по стоимости.
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения наилучшим решением является использование емкостного фильтра. Его применение позволяет поднять величину выпрямленного напряжения до амплитудного значения сетевого (при Uд=220В Uампл=314В). Недостатками такого фильтра принято считать большие величины импульсных токов выпрямительных элементов, но критичным этот недостаток не является.
Выбор диодов выпрямителя осуществляется по величине среднего прямого тока Iпр и максимального обратного напряжения Uобр.

3.2. ВЧП – ключевой элемент с импульсным трансформатором.
ВЧП представляет собой однотактный или двухтактный ключевой преобразователь (инвертор) с импульсным трансформатором. Варианты схем ВЧП приведены на рисунке.


Однотактная схема при минимальном количестве силовых элементов и простоте реализации имеет недостатки:
а) трансформатор в схеме работает по частной петле гистерезиса, что требует увеличения его размеров и габаритной мощности;
б) для обеспечения мощности на выходе необходимо получить значительную амплитуду импульсного тока, протекающего через полупроводниковый ключ.
Схема нашла наибольшее применение в маломощных устройствах, где влияние указанных недостатков не столь значительно.
Двухтактная схема со средней точкой трансформатора (push-pull) свободна от недостатков однотактного варианта, но имеет собственные – усложненная конструкция трансформатора (требуется изготовление идентичных секций первичной обмотки) и повышенные требования к максимальному напряжению ключей. В остальном решение заслуживает внимания и широко применяется в импульсных источниках питания.
Двухтактная полумостовая схема по параметрам схема аналогична схеме со средней точкой, но не требует сложной конфигурации обмоток трансформатора. Собственным недостатком схемы является необходимость организации средней точки фильтра выпрямителя, что влечёт двухкратное увеличение количества конденсаторов.
Благодаря простоте реализации схема наиболее широко используется в импульсных источниках питания мощностью до 3 кВт. При больших мощностях стоимость конденсаторов фильтра становится неприемлемо высокой по сравнению с полупроводниковыми ключами инвертора и наиболее выгодной оказывается мостовая схема.

Двухтактная мостовая схема по параметрам аналогична другим двухтактным схемам, но лишена необходимости создания искусственных «средних точек». Платой за это становится удвоенное количество силовых ключей, что выгодно с экономической и технической точек зрения для построения мощных импульсных источников.

3.3. ШИМ-контроллер и обратная связь.
Сам по себе ключевой элемент, выполненный на полевых или биполярных транзисторах, не может выработать прямоугольные импульсы. Для этого он должен быть составным элементом автогенератора или управляться неким устройством, подающим на него такие импульсы.
Для более близкого знакомства с реализацией данной функции придётся рассмотреть более сложные (и более близкие к реальным) схемы.
Преобразование осуществляется с помощью мощного транзистора VT1, работающего в режиме ключа и импульсного трансформатораT1, вместе образующих схему ВЧП. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей.
Первый выполняется по схеме импульсного автогенератора. К примеру, такой использовался в ИБП телевизоров 3 – 4 УСЦТ), например:


Телевизор «Садко-61ТЦ-423Д» - единственный ретро-телевизор в моём музее, который использовался по прямому назначению, как демонстрационный монитор для компьютерного класса КУВТ-86 и для просмотра видео с кассетного видеомагнитофона «Электроника-ВМ12».

Фото ИБП для аналогичных телевизоров.

Второй – с внешним управлением, используется в большинстве современных (и не очень) радиоэлектронных устройств, например:

Поскольку частота преобразователя обычно выбирается от 20 до 60 кГц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего БП будут достаточно компактны, что является немаловажным фактором при создании современной аппаратуры.

Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением приведена ниже:


Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через СФ подается на СВ, где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 импульсного трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к увеличению магнитного потока в сердечнике трансформатора и возникновению во вторичной обмотке W2 ЭДС индукции. В итоге на выходе диода VD появится положительное напряжение.
При этом, если увеличивать длительность импульса, приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к. энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, можно изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1 и осуществлять, таким образом, стабилизацию выходных напряжений. Единственное, что для этого необходимо - схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ-контроллер. Это, сам по себе довольно сложный элемент (в принципе, как и любая ИМС), в состав которого входят: задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая управляет длительностью импульса.

Пример формирования ШИМ-последовательностей:


Скважность импульсов определяется отношением периода колебаний к длительности импульса S=T/tимп. Кстати, об импульсах, скважности и т.п. см. мои статьи из цикла «Мультивибратор» в разделе РАДИОбиблиотека .
Для А: S=0,5;
для В: S<0,5;
для C: S>0,5.
Обращаю внимание, что во всех случаях период T=const, а, значит, и частота f=const.
Импульсы такого типа формируются на выходе ШИМ-контроллера и поступают на базу VT1.
Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ-контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь обратной связи (или цепь слежения), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 приведёт к увеличению интенсивности излучения светодиода, а, следовательно, уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (они входят в состав оптопары U1). Это, в свою очередь, приведёт к увеличению падения напряжения на резисторе R2 (включен последовательно фототранзистору) и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ-контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ-контроллера, увеличивать длительность импульса (вариант С на диаграмме) до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный (вариант В на диаграмме).
В ИБП используются два принципа реализации обратной связи (цепей слежения) – «непосредственный» и «косвенный». Вышеописанный метод называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя.
При «косвенном» методе напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора:


Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ-контроллера.
Представим ситуацию, когда в нагрузке ИБП возникает КЗ. В этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ-контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу этого транзистора из строя. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк, протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов и блок питания перейдет в режим защиты или, другими, словами отключится.

4. Схемы разных ИБП.
Без комментариев приведу несколько схем ИБП разной степени сложности и на разной элементной базе. При желании Вы легко сможете найти их в сети.

Этиэти схемы приведены «для тренировки», чтобы, рассматривая их, можно было найти основные элементы, присущие всем ИБП, независимо от конкретной, так сказать, реализации. Ну и сравнить схемные решения и элементную базу.

5. Реальный ИБП.
Однажды в моём компьютерном классе перестал работать коммутатор ЛВС «D-Link DES-1016D».
Как выяснилось, причина была в неисправности его ИБП, а точнее – в элементах питания ШИМ-контроллера.


Switch открыт.


Его ИБП должен выдавать на выходе 3,3В х 1,5А.


Его схема. Пришлось заменить конденсатор С3 в цепи питания ШИМ-контроллера. ИБП запустился, и Switch снова стал нормально работать.
Подробнее см. «Ремонт коммутатора D - LinkDES -1016 D » в разделе РАДИОмастерская .

6. ПростейшийИБП – своими руками.
Видео создания этого ИБП я сходу обнаружил на полутора десятках сайтов. И даже от двух разных авторов!


Надо полагать, это говорит о хорошей повторяемости конструкции («Делаем самый простой импульсный блок питания», 18 мин, на youtube.com). Автор подробно излагает весь процесс изготовления ИБП, рекомендации по подбору деталей, демонстрирует рабочий блок. Правда, терминология несколько… местами… не совсем. Но, в данном случае, это не принципиально.

Специалст назвал данное устройство не ИБП, а преобразователем. У него сразу возник вопрос: а как поддерживать стабильное напряжение на выходе?Значит ли это, что такой БП без обратной связии ШИМ-контроллера вовсе и не ИБП?

Спасибо за внимание, которое Вы уделили моему материалу.
В проекте разработка двух продолжений: изготовление ИБП в РАДИОмастерской и описание раритетных реальных ИБП в новом разделе РАДИОхабар , который я планирую открыть в скором времени.

Отличия импульсного блока питания от обычного 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.

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.

Многих радиолюбителей интересует, как работает и на каких механизмах базируется импульсный блок питания. Подробно рассмотрим на примере блока от двд плейера BBK DV811X. Данный блок был выбран потому, что все компоненты схемы здесь стоят свободно, понятно и не залиты клеем. Это очень поможет новичкам разобраться с принципом их работы. Для сравнения типичный блок питания от ноутбука. Сложно сразу понять, что здесь и где.
Для четкого разъяснения всех моментов построим принципиальную схему. Максимально просто расскажем о каждом элементе, зачем он тут стоит и какую функцию выполняет.

Рассмотрим общие принципы работы блоков питания.
Для начала линейный.

В нем сетевое напряжение подается на трансформатор, понижающий его после чего стоит выпрямитель, фильтр и стабилизатор. Трансформаторы в таких блоках обладают большими габаритами и чаще всего находят свое применение в лабораторных источниках питания и аудио усилителях.

Теперь импульсные блоки питания. 220 вольт выпрямляется, после чего постоянное напряжение преобразуется в импульсы с большей частотой, которые подаются на высокочастотный трансформатор. С выходных обмоток снимается напряжение и выпрямляется. Далее подается через цепь обратной связи в формирователь импульсов для поддержания стабильного напряжение на выходе путем регулирования длительности или скважности импульсов. Выпрямленное фильтруется для получения стабильного значения.
Объяснение схемы
Клеммы – питание от сети 220 вольт и сетевое кнопка, и видим предохранитель. При превышении тока, проходящего через предохранитель, его номинального порога, он сгорает, размыкая блок питания с сетью. Дальше мы видим сетевой фильтр.

Он состоит из двух конденсаторов и дросселя подавления электромагнитных помех.
Посмотрим на типовую схему этого фильтра. Таким фильтром оснащено большинство современных устройств. Он состоит из 2 X-конденсаторов и дросселя подавления электромагнитных помех. Это конденсаторы, которые были специально разработаны для применения сетевых фильтров. Они выдерживают всплески напряжения до нескольких киловольт и сделаны из негорючих материалов. Для противофазных помех, которые возникают между фазой и нейтралью, является кратчайшим путем следования, а значит они не дают помехам сети попасть в блок питания и, соответственно, шумам блока питания в сеть.
Что касается дросселей подавления электромагнитных помех, существует множество видов, но в целом, это катушки, намотанные на ферритовый сердечник. Помехи наводят ток разных знаков, компенсируя друг друга. Стоит добавить еще про синфазные помехи – между фазой и корпусом или между нейтралью и корпусом. Для компенсации таких помех часто применяют так называемые Y-конденсаторы. В случае перегорания они точно будут разомкнуты. Они также выдерживают всплески напряжения. Пару таких конденсаторов подключают между проводами сети и корпусом. А корпус в свою очередь подключается к заземлению.

Если в вашей розетке не будет заземления, то корпус устройства будет кусаться около 110 Вольт с очень маленьким током. В данном блоке питания предусмотрены посадочные места под эти конденсаторы.

Но производитель вывел сетевой провод без заземления. Поэтому нет никакого смысла в данных конденсаторах в данном случае. После сетевого фильтра стоит диодный мост, выполненный на 4 диодах 1n 4007. Выпрямленное напряжение подается на конденсатор. Он сглаживает его форму. Конденсатор в данном случае на 22 микрофарада, 400 вольт. Напряжение на конденсаторе должно быть около 290-300 вольт. Теперь нам надо преобразовать его в высокочастотную последовательность импульсов. Для начала посмотрим, что это за микросхема. Маркировка dh321. Рассмотрим, как В целом устроены подобные преобразователи.

Онлайн калькулятор: http://cxem.net/calc/divider_calc.php

Вопросы по импульсным источникам питания: http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=1480

Импульсный источник питания – электронная схема, где входное напряжение выпрямляется, фильтруется, нарезается пачками импульсов высокой частоты для передачи через малогабаритный трансформатор. Блок становится управляемым, с гибко подстраиваемыми параметрами. Уменьшается масса самой тяжелой части источника – трансформатора. В англоязычной литературе такие приборы именуются Switching-Mode Power Supply (SMPS).

Прибор SMPS (импульсный источник питания)

Появление импульсных источников питания

Размеры трансформаторов волновали еще Теслу. Ученый повторяя опыт за опытом, установил: высокие частоты тока безопасны для человека, провоцируют большие потери в сердечниках трансформаторов. Результатом споров стало принятие частоты 60 Гц для строительства Ниагарской ГЭС. Начали с Николы Тесла, потому что это первый человек, который понял, что быстрые колебания механическим способом не получишь. Следовательно, приходится использовать колебательные контуры. Так появился трансформатор Тесла (22 сентября 1896 года), при помощи которого ученый задумал передавать на расстояние сообщения и энергию.

Суть изобретения описана в разделе про , приведем краткие сведения. Трансформатор образован двумя частями, включенными последовательно. Первичная обмотка первого подключалась к источнику переменного напряжения сравнительно низкой частоты. Благодаря низкому коэффициенту трансформации происходил заряд конденсатора, подключенного ко вторичной обмотке, до высокого потенциала. Напряжение достигало порога, пробивался разрядник, включенный параллельно конденсатору. Начинался колебательный процесс разряда через первичную обмотку второго трансформатора во внешнюю цепь. Тесла получал напряжения радиодиапазона амплитудой миллионы вольт.

Первые шаг в создании импульсных блоков питания, где напряжение сравнительно низкой частоты преобразуется в импульсы. Аналогичную конструкцию создал в 1910 году Чарльз Кеттеринг, оборудуя системы зажигания автомобилей. Импульсные блоки питания появились в 60-е годы. Идея минимизации размеров трансформаторов (после Николы Тесла) выдвинута компанией General Electric в 1959 году в лице Джозефа Мерфи и Фрэнсиса Старчеца (U.S. Patent 3,040,271). Идея не сразу нашла горячий отклик (отсутствовала подходящая элементная база), в 1970 году компания Тектроникс выпустила линейку осциллографов с новым источником питания.

Двумя годами позже инверторы находят применение в электронике (Patent US3697854 A), главное – появляются первые отечественные модели! Патенты ссылаются друг на друга, невозможно понять, кто первым предложил использовать идею в персональных компьютерах. В СССР разработки начались в 1970 году, связано с появлением в продаже высокочастотного мощного германиевого транзистора 2Т809А. Как оговаривается в литературе, первым в 1972 году добился успеха москвич, кандидат технических наук Л. Н. Шаров. Позже появился импульсный блок питания 400 Вт авторством А. И. Гинзбурга, С. А. Эраносяна. Вычислительные машины ЕС новинкой оборудованы в 1976 году коллективом под руководством Ж. А. Мкртчяна.

Первые импульсные блоки питания, известные отечественному потребителю по цифровым телевизорам и видеомагнитофонам, часто ломались, современные изделия лишены недостатка – работают непрерывно годами. Момент начала 90-х годов снабжает следующими сведениями:

1. Удельная мощность: 35 — 120 Вт на кубический дециметр.
2. Рабочая частота инвертора: 30 — 150 кГц.
3. КПД: 75 — 85%.
4. Время наработки на отказ: 50 — 200 тысяч часов (6250 рабочих дней).

Достоинства импульсных блоков питания

Линейные источники питания громоздкие, эффективность хромает. КПД редко превышает 30%. Для импульсных блоков питания средние цифры лежат в диапазоне 70 — 80%, существуют изделия, сильно выбивающиеся из ряда. В лучшую сторону, разумеется. Приводятся сведения: КПД импульсного блока питания достигает 98%. Одновременно снижаются требуемые фильтрации емкости конденсаторов. Энергия, запасаемая за период, сильно падает с повышением частоты. Зависит прямо пропорционально от ёмкости конденсатора, квадратично от амплитуды напряжения.

Повышение до частоты 20 кГц (в сравнении с 50/60) снижает линейные размеры элементов в 4 раза. Цветочки в сравнении с ожиданиями в радиодиапазоне. Объясняет причину оснащения приемников конденсаторами малого размера.

Устройство импульсных источников питания

Входное напряжение выпрямляется. Процесс осуществляет диодный мост, реже одиночный диод. Затем напряжение нарезается импульсами, здесь литература бодро переходят к описанию трансформатора. Читателей наверняка мучает вопрос – как работает чоппер (устройство, формирующее импульсы). На основе микросхемы, питающейся непосредственно сетевым напряжением 230 вольт. Реже специально ставится стабилитрон (стабилизатор параллельного типа).

Микросхема формирует импульсы (20 — 200 кГц), сравнительно малой амплитуды, управляющие тиристором или иным полупроводниковым силовым ключом. Тиристор нарезает высокое напряжение импульсами, по гибкой программе, формируемой микросхемой генератора. Поскольку на входе действует высокое напряжения, нужна защита. Генератор охраняется варистором, сопротивление которого резко падает при превышении порога, замыкая вредный скачок на землю. С силового ключа пачки импульсов поступают на малогабаритный высокочастотный трансформатор. Линейные размеры сравнительно невысоки. Для компьютерного блока питания мощностью 500 Вт умещается детской ладонью.

Полученное напряжения вновь выпрямляется. Используются диоды Шоттки, спасибо низкому падению напряжения перехода металл-полупроводник. Спрямленное напряжение фильтруется, подается потребителям. Благодаря наличию множества вторичных обмоток достаточно просто получаются номиналы различной полярности и амплитуды. Рассказ неполон без упоминания цепи обратной связи. Выходные напряжения сравниваются с эталоном (например, стабилитрон), происходит подстройка режима генератора импульсов: от частоты, скважности зависит передаваемая мощность (амплитуда). Изделия считаются сравнительно неприхотливыми, могут функционировать в широком диапазоне питающих напряжений.

Корпусной блок питания

Технология носит название инверторной, используется сварщиками, микроволновыми печами, индукционными варочными панелями, адаптерами сотовых телефонов, iPad. Компьютерный блок питания работает подобным образом.

Схемотехника импульсных блоков питания

Природой предоставлено 14 базовых топологий реализации импульсных блоков питания. С присущими достоинствами, уникальными характеристиками. Некоторые подходят созданию маломощных блоков питания (ниже 200 Вт), другие лучшие качества проявляют при питании сетевым напряжением 230 вольт (50/60 Гц). И чтобы выбрать нужную топологию, сумейте представить свойства каждой. Исторически первыми называют три:

• Buck – бак, олень, доллар.
• Boost – ускорение.
• Polarity inverter – инвертор полярности.

Три топологии относятся к линейным регуляторам. Тип приборов считается предшественником импульсных блоков питания, не включая достоинств. Напряжение подается через трансформатор, спрямляется, нарезается на силовом ключе. Работой регулятора заведует обратная связь, в задачи которой входит формирование сигнала ошибки. Тип приборов составлял многомиллиардный оборот в 60-е годы, мог лишь понижать напряжение, а общий провод потребителя замыкался с сетью питания.

Buck топология

Так появились «олени». Первоначально предназначенные для постоянного напряжения нарезали входной сигнал импульсами, затем пачки спрямлялись, фильтровались с получением средней мощности. Обратная связь контролировала скважность, частоту (широтно-импульсная модуляция). Аналогичное делается сегодня компьютерными блоками питания. Практически сразу были достигнуты значения плотности мощности 1 — 4 Вт на кубический дюйм (впоследствии до 50 Вт на кубический дюйм). Прелестно, что стало можно получать множество выходных напряжений, развязанных со входом.

Недостатком сочтем потери в момент переключения транзистора, напряжение меняет полярность, остается ниже нуля до следующего импульса. Указанная часть сигнала, минуя диод, замыкается на землю, не доходя фильтра. Обнаружено существование оптимальных частот переключения, при которых издержки минимизируются. Диапазон 25 — 50 кГц.

Boost топология

Топология именуется кольцевым дросселем, ставится вперед ключа. Удается повысить входное напряжение до нужного номинала. Схема работает следующим образом:

1. В начальный момент времени транзистор открыт, дроссель запасается энергией источника напряжения через коллекторный, эмиттерный p-n-переходы, землю.
2. Затем ключ запирается, стартует процесс зарядки конденсатора. Дроссель отдает энергию.
3. В некоторый момент отрабатывает усилитель обратной связи, начинается питание нагрузки. Конденсатор неспособен отдать энергию в сторону силового ключа, мешает диод. Заряд забирает полезная нагрузка.
4. Падение напряжения вызовет повторное срабатывание цепи обратной связи, начнется накопление энергии дросселем.

Polarity Inverter топология

Топология полярного инвертора похожа на предыдущую схему, дроссель расположен за ключом. Работает следующим образом:

В этом случае наблюдаем параллельность процессов запасания/расходования энергии. Все три рассмотренные схемы демонстрируют следующие недостатки:

1. Имеется связь по постоянному току между входом и выходом. Другими словами, отсутствует гальваническая развязка.
2. Невозможно получить несколько номиналов напряжений из одной схемы.

Минусы устраняются двухтактной тяни-толкай (push-pull), запаздывающей (latter) топологиями. Обе используют чоппер с технологией опережения (forward). В первом случае используется дифференциальная пара транзисторов. Становится возможным использовать один ключ на половину периода. Для управления нужна специальная формирующая схема, попеременно раскачивающая эти качели, улучшаются условия отвода тепла. Нарезанное напряжение двухполярное, питает первичную обмотку трансформатора, вторичных много – сообразно требованиям потребителей.

В запаздывающей топологии один транзистор заменен диодом. Схема часто эксплуатируется маломощными блоками питания (до 200 Вт) с постоянным напряжением на выходе 60 — 200 В.