Импульсный блок питания – подборка схем для самостоятельного изготовления

В быту часто необходим мощный источник питания на фиксированное напряжение. Он может быть использован в качестве зарядного устройства, для питания звуковой аппаратуры (усилителей) и т.д. Подобные блоки питания целесообразно выполнять по импульсной схеме. Такая схемотехника позволяет создавать легкие и мощные источники постоянного напряжения. Сложность схемы начинает отходить на второй план перед ее преимуществами уже при токах нагрузки более 2А. Сделать импульсный блок питания можно своими руками при наличии приборов и определенной квалификации.

Виды и принцип работы импульсных источников питания

Основной принцип работы импульсного источника питания (ИИП) состоит в том, что постоянное напряжение (выпрямленное сетевое или от стороннего источника) преобразовывается в импульсное частотой до сотен килогерц. За счет этого намоточные детали (трансформаторы, дроссели) получаются легкими и компактными.

Принципиально ИИП делятся на две категории:

• с импульсным трансформатором;
• с накопительной индуктивностью (она также может иметь вторичные обмотки)

Первые подобны обычным трансформаторным сетевым блокам питания, выходное напряжение у них регулируется изменением среднего тока через обмотку трансформатора. Вторые работают по другому принципу – у них регулируется изменением количества накопленной энергии.

По другим признакам ИИП можно разделить на нестабилизированные и стабилизированные, однополярные и двухполярные и т.п. Эти особенности не носят столь принципиального характера.

Структурная и принципиальная схема основных частей блока

На входе блока питания устанавливается сетевой фильтр. Принципиально на работу самодельного или промышленного импульсного блока питания он не влияет – все будет функционировать без него. Но отказываться от схемы фильтрации нельзя – из-за крайне нелинейной формы потребляемого тока импульсные источники интенсивно «сыплют» помехами в бытовую сеть 220 вольт. По этой причине работающие от этой же сети устройства на микропроцессорах и микроконтроллерах – от электронных часов до компьютеров – будут работать со сбоями.

Назначение входного устройства — защита от двух видов помех:

• синфазной (несимметричной) – возникает между любым проводом и землей (корпусом) БП;
• дифференциальной (симметричной) – между проводами (полюсами) питания.

Фильтр, как и весь блок питания, на входе защищен предохранителем F (плавким или самовосстанавливающимся). После предохранителя стоит варистор – резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Пока входное напряжение в норме, сопротивление варистора велико и он не оказывает никакого действия на работу схемы. Если напряжение повышается, сопротивление варистора резко просаживается, что вызывает увеличение тока и сгорание предохранителя.

Статья по теме: Из чего состоит блок питания компьютера

Конденсаторы Cx блокируют дифференциальные помехи на входе и выходе фильтра в диапазоне до 30 МГц. На частоте 50 Гц их сопротивление велико, поэтому влияния на сетевое напряжение они не оказывают. Их емкость может быть выбрана от 10 до 330 нФ. Резистор Rd устанавливается для безопасности – через него разряжаются конденсаторы после отключения питания.

Синфазные помехи подавляет фильтр на Cy и L. Их значения для частоты среза f связаны формулой Томпсона:

f=1/(2*π*√L*C), где:

• f – частота среза в кГц (берется частота преобразования импульсника);
• L – индуктивность дросселя, мкГн;
• С – емкость Cy, мкФ.

Синфазный дроссель наматывается на ферритовом кольце. Обмотки одинаковые, мотаются на противоположных сторонах.

В отличие от выходного фильтра, на расчет элементов фильтра защиты от помех номинальный ток БП не влияет, за исключением провода, которым наматывается дроссель.

После фильтра сетевое напряжение выпрямляется. В большинстве случаев используется стандартный двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Схемы инверторов

Получившееся выпрямленное напряжение поступает на преобразователь (инвертор). Его выполняют на биполярных или полевых транзисторах, а также на IGBT-элементах, сочетающих свойства полевых и биполярных. В последние годы получили распространение мощные и недорогие полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). На таких элементах удобно строить ключевые схемы инверторов. В схемах импульсных блоков питания используются различные варианты включения MOSFET, но в основном применяются двухтактные схемы из-за простоты и возможности наращивания мощности без существенных переделок.

Пуш-пульная схема

Пуш-пульный инвертор (push – толкать, pull – тянуть) — пример двухтактного преобразователя. Транзисторные ключи работают на первичную обмотку трансформатора, состоящую из двух полуобмоток I и II. Транзисторы поочередно открываются на заданный промежуток времени. Когда открыт верхний по схеме транзистор, ток течет через полуобмотку I (красная стрелка), когда второй – через полуобмотку II (зеленая). Чтобы избежать ситуации, когда оба ключа открыты (из-за конечной скорости работы транзисторов), схема управления формирует паузу, называемую Dead time.

Такая схема хорошо работает при низком напряжении питания (до +12 вольт). Минусом является наличие выбросов амплитудой, равной удвоенному напряжению питания. Это влечет за собой применение транзисторов, рассчитанных на вдвое большее напряжение.

Мостовая схема

От главного недостатка предыдущей схемы свободна двухтактная мостовая.

Здесь одновременно открывается пара транзисторов T1 и T4, потом Т2 и Т3 (сигнал управления ключами формируется с учетом Dead time). При этом первичная обмотка подключается к источнику питания то одной стороной, то другой. Амплитуда импульсов равна полному напряжению питания, и выбросы напряжения отсутствуют. К минусам относят применение четырех транзисторов вместо двух. Помимо увеличения габаритов БП это ведет к удвоенным потерям напряжения.

Полумостовая схема

На практике часто применяют полумостовую схему инвертора – в определенной мере компромисс между предыдущими двумя схемами.

В этом случае одна сторона обмотки коммутируется поочередно открывающимися транзисторами Т1 и Т2, а другая подключается к средней точке емкостного делителя С1, С2. Достоинства схемы:

• в отличие от пушпульной отсутствуют выбросы напряжения;
• в отличие от мостовой используются только два транзистора.

На другой чаше весов – обмотка трансформатора запитана лишь от половины напряжения питания.

Однотактные схемы

В схемотехнике преобразователей применяются и однотактные схемы – прямоходовые и обратноходовые. Их принципиальное отличие от двухтактных – трансформатор (точнее, его первичная обмотка) служит одновременно накопительной индуктивностью. В обратноходовых схемах энергия накапливается в первичной обмотке во время открытого состояния транзистора, а отдается в нагрузку через вторичную обмотку во время закрытого. В прямоходовых накопление энергии и отдача потребителю происходит одновременно.

Силовой трансформатор

Силовой трансформатор работает на высоких частотах (до нескольких десятков килогерц), поэтому его можно выполнить на сердечнике не из трансформаторного железа, а на феррите. Также за счет повышенной частоты его размеры будут меньше, чем у сетевого, предназначенного для преобразования на частоте 50 Гц. Расчет импульсного трансформатора достаточно объемен. С ним можно разобраться для общего развития, а для практических целей лучше воспользоваться какой-либо программой, включая онлайн-сервисы.

Популярностью пользуется программа Lite-CalcIT. Она может рассчитать трансформатор под имеющийся сердечник, а может подобрать оптимальный, исходя из введенных данных.

Снаббер

Чтобы скомпенсировать выбросы тока и напряжения, неизбежно возникающие при коммутации первичной обмотки трансформатора, применяются демпферные цепи, в англоязычной технической литературе называемые снабберами. Такие цепи могут устанавливаться по питанию (параллельно первичной обмотке трансформатора) либо отдельно на каждый ключ. Исполнение снабберов может быть разным, но наибольшее распространение получили демпферы в виде последовательной RC-цепочки (схема б на рисунке).

Обоснованной методики расчета снаббера не существует. Для этого надо учесть все паразитные индуктивности (обмотки, дорожек, конденсаторов) на множестве частот и для неизвестных волновых сопротивлений. Поэтому все существующие расчеты носят эмпирический характер.

Мнение экспертаСтановой АлексейИнженер-электроник. Работаю в мастерской по ремонту бытовых приборов. Увлекаюсь схемотехникой.Задать вопросОсновным (и единственным) действующим элементом демпфера является конденсатор. Он «поглощает» импульсные выбросы. Резистор лишь ухудшает демпфирующие свойства, но ограничивает ток через конденсатор, который может достигнуть значительных величин, хотя и кратковременно. Такая схема более актуальна в тиристорных преобразователях.

Что такое снаббер или демпфер можете узнать посмотрев видео.

В схемах RCD-снабберов (в и г на рисунке) присутствуют диоды. Они могут быть полезны для ограничения импульсов обратной полярности в схемах с тиристорами и биполярными транзисторами. Если ключи собраны на полевых или IGBT-транзисторах, то смысла в установке вентилей нет – они дублируют диоды, имеющиеся внутри указанных транзисторов.

Емкость конденсатора выбирается в пределах 0,1–0,33 мкФ. В 90+ процентах случаев этого достаточно. Увеличение или уменьшение номинала применяется для ключей, работающих в нестандартных условиях (повышенная частота преобразования и т.п.)

Выпрямитель

Напряжение вторичной обмотки надо выпрямить. Для уровней до 12 вольт желательно использовать двухполупериодную схему со средней точкой.

Преимущество данной схемы – ток проходит в каждую сторону только через один диод, и падение напряжения на вентилях, в отличие от классической мостовой схемы, в два раза меньше. Это может существенно сократить потребное число витков вторичной обмотки. Этой же цели служит применение диодов Шоттки и сборок из них.

Если выходное напряжение БП выше +12 вольт, то экономия 0,6 вольт становится несущественной, и можно выполнить выпрямитель по стандартной схеме и применить трансформатор без отвода.

В случае, если выход импульсного блока питания должен быть двухполярным, снова становится рациональным выполнение отвода от средней точки. В этом случае экономится сразу 4 диода и радиаторы для них – выигрыш в габаритах может быть существенным.

Фильтр

Выходное напряжение надо отфильтровать – оно содержит большое количество продуктов преобразования. Так как инвертор работает на достаточно большой частоте, то эффективными становятся фильтры, содержащие не только конденсаторы, но и малогабаритные дроссели относительно небольшой индуктивности.

Для расчета элементов фильтра надо задаться коэффициентом пульсаций Кп. Он выбирается из предполагаемой нагрузки:

• чувствительная аппаратура для радиоприема, предварительные каскады аудиоаппаратуры, микрофонные усилители – Кп=10-5..10-4;
• усилители звуковой частоты – Кп=10-4..10-3;
• приемная и звуковоспроизводящая аппаратура среднего и низкого класса – Кп=10-2..10-3.

Для Г-образного фильтра, устанавливаемого после двухполупериодного выпрямителя, действуют соотношения:

• L*C=25000/(f2+Кп);
• L/C=1000/R2н.

В этих формулах:

• L – индуктивность дросселя в мкГн;
• С – емкость конденсатора в мкФ;
• f – частота преобразования в Гц;
• Rн – сопротивление нагрузки в Омах.

Для П-образного фильтра:

• С1=С2=С;
• L/C=1176/R2н.

Размерность величин та же, что и для предыдущего фильтра.

Схема управления

Схема управления формирует импульсы, открывающие транзисторы. Для регулирования напряжения применяется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Импульсы генерируются с постоянной частотой. Для увеличения напряжения ширина импульса увеличивается (транзисторы открываются на большее время). Для уменьшения напряжения время открытия ключей уменьшается.

Цепи обратной связи

Цепи обратной связи служат для регулирования напряжения или стабилизации тока. Напряжение может поддерживаться на заданном уровне либо регулироваться вручную изменением параметров обратной связи. В источниках с нерегулируемым выходом часто выполняется на быстродействующих оптронах.

Схемы и изготовление импульсных блоков питания

Импульсные блоки питания собираются на различной элементной базе. Обычно для построения ИИП применяются специализированные микросхемы, специально разработанные для создания таких устройств. За исключением самых простых блоков.

Мощный импульсный блок на ir2153

Несложные блоки питания можно строить на микросхеме IR2153. Она представляет собой мощный интегральный драйвер с таймером, подобным NE555. Частота генерации задается внешними элементами. Входов для организации обратной связи микросхема не имеет, поэтому стабилизацию тока и напряжения методом ШИМ не получить.

Назначение выводов приведено в таблице.

Для наилучшего понимания работы и назначения выводов лучше изучить внутреннюю схему. Основной момент, на который надо обратить внимание – выходные ключи собраны по полумостовой схеме.

На этой микросхеме можно собрать простой блок питания.

Питается IR2153 от 220 вольт через гасящий резистор R1, выпрямитель на диоде VD3, фильтр на С4. Частота генерации задается элементами С5, R2 (с указанными на схеме номиналами получается около 47 кГц). Трансформатор можно посчитать программой. В авторском варианте использовался силовой трансформатор от компьютерного БП. Штатные обмотки удалены, первичка намотана в две жилы проводом в эмалевой изоляции диаметром 0,6 мм.

Читайте также: Переделка компьютерного блока питания в лабораторный с регулировкой напряжения

Обмотка содержит 38 витков. Слои проложены изолентой. Вторичка из скрутки в 7 жил тем же проводом, для получения 24В вольт надо 7-8 витков, для другого напряжения пересчитать пропорционально.

Остальные элементы схемы отдельных пояснений не требуют. Детали размещены на печатной плате, транзисторы закреплены на радиаторе.

Более сложная схема — с защитой транзисторов от сверхтока. Измерение организовано на трансформаторе TV1. Он мотается на ферритовом кольце диаметром 12..16 мм. Вторичная обмотка содержит 50..60 витков в два провода диаметром 0,1..0,15 мм. Потом начало одной обмотки соединяется с концом второй. Первичная обмотка содержит 1..2 витка. Уровень срабатывания защиты регулируется потенциометром R13. При превышении установленного лимита срабатывает тиристор VD4 и шунтирует стабилитрон VD3. Напряжение питания микросхемы уменьшается почти до нуля.

В схеме БП предусмотрен мягкий старт. Если генерация началась, импульсы с вывода 6 через делитель R8R9 и конденсатор С8 выпрямляются. Постоянное напряжение заряжает С7 и открывает транзистор VT1. Конденсатор С3 подключается к частотозадающей цепочке и частота генератора микросхемы снижается до рабочей частоты.

Рекомендуем: Как отремонтировать импульсный блок питания и Схемы компьютерных БП — описание + примеры

Простой блок питания на полевом транзисторе

Несложный блок питания можно собрать на основе мощного полевого транзистора. Особенностью схемы является использование первичной обмотки трансформатора в качестве индуктивности, накапливающей энергию. Этим блок питания принципиально отличается от рассмотренных выше. Хотя он содержит многие элементы приведенной блок-схемы, работают большинство из них по-другому принципу.

На входе источника установлен выпрямитель и сетевой фильтр. При подаче напряжения и зарядке конденсатора С4 (а также цепочки С2С3) транзистор VT1 приоткрывается, и в первичной обмотке I начинает нарастать ток. В обмотке II возникает ЭДС, напряжение через цепочку положительной обратной связи R9VD5C5 поступает на затвор VT1, отчего он открывается еще больше. Процесс развивается лавинообразно и приводит к полному открыванию транзистора. Ток в обмотке I нарастает, создавая запас энергии. Напряжение на R10 возрастает, поступая на базу фототранзистора приемной части оптрона U1. Он при этом приоткрывается, напряжение на затворе VT1 уменьшается, и он закрывается. Начинается второй цикл работы преобразователя. Накопленная в обмотке энергия через диоды VD8 передается в конденсатор фильтра С9 и в нагрузку. Если напряжение превысит установленный уровень, загорится светодиод оптрона и транзистор VT1 закроется раньше.

Трансформатор в данной схеме работает по-другому, и рассчитывать его через упомянутую программу нельзя. Он намотан на двух склеенных кольцах из пермаллоя МП140 типоразмера 19х11х6,7. Первичная обмотка I выполнена проводом ПЭВ диаметром 0,35 мм и содержит 180 витков. Обмотка II — 8 витков провода ПЭВ-2 0,2, обмотка III — 7 витков из пяти проводов ПЭВ-2 0,56.

Дроссели L1 и L2 намотаны на кольцах из того же материала типоразмера 15x7x6,7. Первый содержит две обмотки по 30 витков из провода ПЭВ 0,2 на противоположных половинах магнитопровода. Второй выполнен проводом ПЭВ-2 0,8 в один слой по всей длине кольца до заполнения. Дроссели можно намотать и на кольцах из феррита. Данный БП способен выдать до 5А при напряжении 5В.

Читайте также

Схема и сборка самодельного блока питания с регулировкой напряжения и тока

Стабилизированный БП на SG3525

Культовой микросхемой для построения импульсных источников питания является TL494. Дешевая и распространенная, она позволяет строить источники питания для любых целей – регулируемые, стабилизированные и т.п. Для сборки ИИП рекомендуется обратить внимание на микросхему SG3525. Она похожа по функционалу на TL494, но ее выходные каскады оптимизированы для работы с мощными полевыми транзисторами, поэтому схема инвертора упрощается. Зато усложняется схема ограничения или стабилизации тока, потому что усилитель ошибки только один, и он обычно уже задействован под управление напряжением. Но если этот режим не нужен, то этот момент непринципиален. Несомненным достоинством SG3525 является возможность мягкого пуска, которая реализуется цепью из одного конденсатора.

Для начального освоения микросхемы и экспериментов для выявления ее возможностей, можно собрать простой импульсный блок по следующей принципиальной схеме.

Здесь частота генерации задается элементами С1 и R1 и составляет около 50 кГц. Резистор R2 определяет длительность Dead time. Режим мягкого старта задается конденсатором С4. Вывод 10 Shutdown, обычно используемый для защиты мощных транзисторов, здесь задействован под включение-выключение инвертора.

Преобразователь собран по пушпульной схеме, поэтому управление ключами крайне простое. Трансформатор намотан на кольце, первичная обмотка содержит 5 витков в несколько жил провода (зависит от потребной мощности), вторичная — в зависимости от необходимого напряжения (блок питания может быть как повышающим, так и понижающим относительно напряжения на первичной обмотке, к которой прикладывается 6 вольт – половина напряжения питания).

Возможно будет интересно: Схема бестрансформаторного источника питания и Электрические схемы для самодельных зарядных устройств

Выпрямитель собран по мостовой схеме на диодах Шоттки, выходной фильтр L1C8 – по Г-образной. На делителе R10R11 собрана цепь обратной связи. Часть выходного напряжения поступает на вывод 1 микросхемы. Если напряжение уменьшается, период открытого состояния ключей увеличивается.

Для работы блока микросхему надо запитать от стороннего источника питания +12 В.

Освоив микросхему и поэкспериментировав с ней, можно собрать источник питания посложнее. Этот стабилизированный блок обеспечивает мощность до 500 ватт.

Здесь микросхема запитывается от отдельной обмотки трансформатора. Напряжение на ней появляется только после запуска БП, поэтому для начальной запитки SG3525 собрана схема микростарта. При включении БП в сеть заряжается конденсатор 1, когда напряжение на нем достигнет установленного уровня, открываются транзисторы следующего каскада и разряжают импульс на микросхему. Этого достаточно для запуска, а при работе SG3525 питается от дополнительной обмотки. Резистор 2 служит нагрузкой, без него схема не запустится.

Мягкий пуск реализован на конденсаторе 3. Элементы 4,5 служат для защиты транзисторов от сверхтока. Уровень срабатывания устанавливается потенциометром. Ключи управляются через трансформатор гальванической развязки (ТГР) 6. Такое решение позволило упростить схему управления. Мотается такой трансформатор на кольце из материала 2000НН в три провода. Начала и концы обмоток соединяются согласно схеме.

Основные элементы обратной связи, введенной для стабилизации напряжения – стабилитроны 7 и оптрон 8. Выходное напряжение рассчитывается по формуле:

Uвых=2+Uстаб1+Uстаб2, где:

• Uвых – выходное напряжение в вольтах;
• Uстаб – напряжение стабилизации каждого стабилитрона.

Таким образом можно получить любое выходное напряжение. Количество стабилитронов может быть иным, лишь бы суммарное напряжение стабилизации цепочки было на 2 вольта желаемого выходного уровня. Трансформатор можно рассчитать в имеющейся программе исходя из имеющихся материалов и потребного напряжения.

Для работы схемы стабилизации нужен запас по напряжению. При расчете силового трансформатора этот момент надо учесть, установив отметку в чекбоксе.

Большая часть деталей собрана на печатной плате. Если разрабатывать рисунок самостоятельно, надо иметь в виду, что печатные проводники должны быть как можно короче и шире. Не надо делать дорожки длинными и узкими. Мощные транзисторы устанавливаются на радиаторе.

Читайте такжеСхемы защиты от короткого замыкания и перегрузок в блоке питания

Первое включение блока

Если БП собран на микросхеме, перед первым включением желательно проверить исправность обвязки. Для этого надо подать на микросхему напряжение питания от стороннего источника и осциллографом проверить наличие импульсов.

Если все нормально, можно подавать напряжение 220 вольт и приступать к наладке устройства. Первое включение в сеть (да и последующие после переделок или при наладке) надо делать через лампу накаливания на 220 вольт, включив ее в разрыв провода питания.

Если в схеме что-то не так, лампа вспыхнет, сигнализируя о неисправности. Если все в порядке, лампа гореть не будет или будет светиться в полнакала. На выходе надо нагрузить БП хотя бы одной автомобильной лампой на 12 вольт – без этого некоторые источники не запустятся.

Импульсный блок питания – не самое простое электронное устройство. Успех сборки и эксплуатации зависит от разных факторов, в том числе от конструктива устройства. На работоспособность влияют, например, тщательность изготовления намоточных деталей или топология разводки печатной платы. Рекомендуется сначала повторить уже опробованную конструкцию, и, по мере наработки опыта, творить что-то свое.

В завершении для наглядности рекомендуем к просмотру серию тематических видеороликов.