|
Сейчас мало кто при построении мощных, на ток более 3-х ампер, блоков питания, ставит обычные железные трансформаторы на 50 Гц. Во-первых они слишком габаритные и тяжёлые, а во-вторых их просто нелегко (дорого) достать. Сами посудите, во сколько обоййдётся 5-10 амперный трансформатор. Поэтому когда потребовался импульсный блок питания, то собрал его на базе стандартного преобразователя TL494. Транзисторы выходные 2s2625.
За основу схемы взял с ИБП на драйвере SG6105D (или похожую IW1688). Фото готовой платы прилагаю. Многие опасаются связываться с подобными устройствами, но напрасно - если все правильно собрано, то запуск без проблем.
Предназначается данный ИБП для зарядного автомобильного аккумулятора, покупать готовое не стал - интереснее сделать своими руками.
После успешного запуска, гонял под нагрузкой 5 А. грелось не существенно - выходной диод и дроссель. Напряжение держалось стабильно 12 В. Силовые транзисторы еле теплые.
Иногда в нашей практике бывает необходим довольно мощный нестабилизированный источник постоянного напряжения. От такого источника можно запитать например подогреваемый столик 3D принтера , батарейный шуруповерт или даже мощный усилитель НЧ класса D (в этом случае ИБП стоит оборудовать дополнительным фильтром для уменьшения высокочастотных помех). В случае изготовления источника питания, рассчитанного на мощности 200 - 500 вт дешевле пойти по пути изготовления импульсного источника, так как сетевой трансформатор 50 Гц на такую мощность будет довольно дорог и очень тяжел.
Проще всего такой источник питания собрать по полумостовой схеме на основе драйвера IR2153. Эта микросхема обычно используется в качественных драйверах (электронных балластах) люминесцентных ламп.
Принципиальная схема импульсного блока питания на IR2153. Кликните на схеме, чтобы её увеличить Сетевое напряжение 220В поступает на выпрямитель (диодный мост) через сетевой фильтр на элементах C1, C2, C3, C4, L1. Этот фильтр предотвращает проникновение высокочастотных помех от блока питания в электросеть. Термистор на входе устройства уменьшает бросок тока через диодный мост в момент включения блока питания в сеть, когда происходит заряд конденсаторов C5 и C6.
Катушку сетевого фильтра L1, термистор и конденсаторы
C5 и C6 можно извлечь из старого компьютерного блока питания. импульсный силовой трансформатор Т1 придется намотать самостоятельно. Сердечник трансформатора берем также из старого компьютерного блока. Нужно разобрать трансформатор. Для этот помещаем трансформатор в емкость с водой (банку, кастрюльку) так, чтобы он был полностью погружен в жидкость. Ставим ескость на плиту и кипятим примерно полчаса. После этого сливаем воду, извлекаем трансформатор и пока он горячий, пытаемся аккуратно разобрать сердечник. Сматываем с каркаса все заводские обмотки и наматываем новые. Первичная обмотка содержит 40 витков провода диаметром 0.8мм. Вторичная обмотка содержит 2 части по 3 витка и намотана "косой" из 7 проводов того же провода диаметром 0.8мм. 
Резистор R2 в цепи питания микросхемы должен быть мощностью не менее 2 W и в процессе работы он будет слегка нагреваться. Это нормально. Диодный мост выпрямителя сетевого напряжения можно составить из четырех диодов 1N5408 (3А 1000В). Транзисторы IRF840 нужно установить на радиатор через изолирующие прокладки. желательно установить в корпусе блока питания небольшой вентилятор для охлаждения этих транзисторов и других элементов схемы. Первое включение блока питания в сеть нужно производить через лампу накаливания мощностью 100вт, включенную последовательно с предохранителем FU1. В момент включения в сель лампа может вспыхнуть, затем она должна погаснуть. Если лампа светится постоянно, это означает что с блоком проблемы - короткое замыкание в монтаже или неисправность компонентом. В этом случае включать блок в сеть напрямую без лампы накаливания нельзя. Нужно найти причину неисправности.
Блок питания содержит малое количество компонентов. В качестве импульсного трансформатора используется типовой понижающий трансформатор из компьютерного блока питания.
На входе стоит NTC термистор (Negative Temperature Coefficient) - полупроводниковый резистор с положительным температурным коэффициентом, который резко увеличивает свое сопротивление, когда превышена некоторая характеристическая температура TRef. Защищает силовые ключи в момент включения на время зарядки конденсаторов.
Диодный мост на входе для выпрямления сетевого напряжения на ток 10А.
Пара конденсаторов на входе берется из расчета 1 мкф на 1 Вт. В нашем случае конденсаторы "вытянут" нагрузку в 220Вт.
Драйвер IR2151 - для управления затворами полевых транзисторов, работающих под напряжением до 600В. Возможная замена на IR2152, IR2153. Если в названии есть индекс "D", например IR2153D, то диод FR107 в обвязке драйвера не нужен. Драйвер поочередно открывает затворы полевых транзисторов с частотой, задаваемой элементами на ножках Rt и Ct.
Полевые транзисторы используются предпочтительно фирмы IR (International Rectifier) . Выбирают на напряжение не менее 400В и с минимальным сопротивлением в открытом состоянии. Чем меньше сопротивление, тем меньше нагрев и выше КПД. Можно рекомендовать IRF740, IRF840 и пр. Внимание! Фланцы полевых транзисторов не закорачивать; при монтаже на радиатор использовать изоляционные прокладки и шайбы-втулки.
Трансформатор типовой понижающий из блока питания компьютера. Как правило, цоколевка соответствует приведенной на схеме. В этой схеме работают и самодельные трансформаторы, намотанные на ферритовых торах. Расчет самодельных трансформаторов ведется на частоту преобразования 100 кГц и половину выпрямленного напряжения (310/2 = 155В). Вторичные обмотки можно расчитать на другое напряжение.
Диоды на выходе с временем восстановления не более 100 нс. Этим требованиям отвечают диоды из семейства HER (High Efficiency Rectifier - высоко-эффективные выпрямительные). Не путать с диодами Шоттки.
Емкость на выходе - буферная емкость. Не следует злоупотреблять и устанавливать емкость более 10000 мкф.
Как и любое устройство, этот блок питания требует внимательной и аккуратной сборки, правильной установки полярных элементов и осторожности при работе с сетевым напряжением.
Правильно собранный блок питания не нуждается в настройке и налаживании. Не следует включать блок питания без нагрузки.
Вариант блока питания с выходным трансформатором на кольцевом сердечнике.
Решил собрать этот импульсный блока питания с выходным трансформатором на кольцевом сердечнике. Как оказалось частота преобразования при R2 10 кОм и C5 1000 пФ не 100 кГц а 70 кГц. Она определяется по формуле:
В качестве сердечника применил имеющийся в наличии, отечественный магнитопровод М2000НМ 45х28х12.
Расчет производил с помощью программы ExcellentIT
Во время настройки включил вместо предохранителя лампу накаливания 60Вт, чтобы в случае ошибок в монтаже не «спалить» блок питания.
Если в процессе настройки лампа горит, значит где-то замыкание, если мигает скорее всего неправильно рассчитан выходной трансформатор.
Блок питания заработал сразу, расчеты оказались верными.
Единственное что грелся гасящий резистор R1. Пришлось увеличить его мощность до 5 ВТ. Диоды также желательно поставить помощней с малым временем восстановления.
|
|
|
|
В рамках нашей статьи рассмотрим наиболее интересные схемы импульсных блоков питания с использование различных схемотехнических решений. Но сначала разберем принцип работы импульсного блока питания
. (ИБП)
Практически все существующие сегодня импульсные источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкционному исполнению и работают по одной, типичной схеме.
Устройство импульсного блока питания
В состав основных компонентов и блоков ИБП входят:
сетевой выпрямитель, типовой вариант состоит из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, диодного моста и сетевого предохранителя;
фильтрующей емкости;
силового транзистора работающего в ключевом режиме;
задающий генератор;
оптопары;
схема обратной связи, построенной обычно на транзисторах;
выпрямительные диоды или диодный мост выходной схемы;
Схемы управления выходным напряжением
фильтрующие емкости;
силовые дроссели, выполняют функцию коррекции напряжения и его диагностики в сети
Пример печатной платы типового импульсного блока питания с кратким обозначением радиоэлектронных узлов показан на рисунке ниже:
Как работает импульсный блок питания?
ИБП выдает стабилизированное напряжение за счет применения принципов взаимодействия компонентов инверторной схемы. Переменное сетевое напряжение 220 вольт идет по проводам на выпрямительное устройство. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет применения конденсаторов, выдерживающих пики до 300 вольт, и отделяется помехоподавляющим фильтром.
Диодный мост выпрямляет проходящие через него переменное напряжение, которые затем преобразуются схемой реализованной на транзисторах. Далее высокочастотные импульсы прямоугольной формы следуют с заданной скважностью. Они могут преобразовываться:
с гальванической развязкой от питающей сети выходных цепей;
без развязки.
В первом случае ВЧ импульсы следуют на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку. За счет высокой частоты получается отличная эффективностьприменения трансформатора, снижаются габариты магнитопровода, а следовательно и вес конечного устройства.
В подобных схемах ИБП работают три взаимосвязанных цепочки: ШИМ-контроллер ; транзисторный каскад из силовых ключей; импульсный трансформатор
Каскад из силовых ключей обычно состоит из мощных полевых, биполярных или транзисторов. Для последних, как правило, создана отдельная система управления на других маломощных транзисторах либо ИМС (драйвера). Силовые ключи могут быть реализованы по различным схемам: полумостовой; мостовой; или со средней точкой.
Импульсный трансформатор его обмотки, размещены вокруг магнитопровода из альсифера или феррита. Они способны передавать ВЧ импульсы с частотой следования до сотен кГц. Их работу обычно дополняют цепочки из стабилизаторов, фильтров, диодов и других элементов.
В ИБП без гальванической развязки высокочастотный разделительный трансформатор не применяется, а сигнал следует сразу на фильтр нижних частот.
Особенности стабилизации выходного напряжения в ИБП
Все ИБП имеют в своем составе радио компоненты, реализующие отрицательную обратную связь (ООС) с выходными параметрами. Поэтому они обладают отличной стабилизацией выходного напряжения при плавающих нагрузках и колебаниях сети питания. Методы реализации ООС зависят от используемой схемы для работы ИБП. Она может реализоваться у ИБП, работающих с гальванической развязкой за следующий счет:
Промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток ВЧ трансформатора;
Испоьзования оптрона.
В обоих вариантах эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера. При применении схемы без гальванической развязки ООС обычно создается за счет подсоединения резистивного делителя.
Простой импульсный блок питания схема которого реализована на микросхеме HV-2405Е в своем внутреннем составе содержит
предварительный импульсный стабилизатор напряжения и выходной линейный
стабилизатор.
Величина тока, которую способен выдать импульсный блок питания, зависит от емкости C1. Конденсатор С2 адает временную задержку активации микросхемы для стабилизации переходных процессов. Емкость C3 используется для уменьшения пульсации выпрямленного выходного напряжения.
Термистор R1 защищает микросхему от пробоя током заряда конденсатора С1. В схеме был использован малогабаритный термистор марки MZ21-N151RM.
Для получения выходного напряжения в 18 В резистора R1 должен быть составлять 13 кОм, для 15 В - 10кОм,для 12 В - 6,8кОм, а для 9 В - 3,9 кОм.
Микросборка IR2153 это универсальный драйвер управления полевыми и IGBT транзисторами. Разрабатывалась она специально для использования в схемах электронного балласта энергосберегающих ламп, поэтому её функциональные возможности при конструирование блока питания немного ограничены. Микросхема позволяет создать на ее базе простой и надежный источник питания.
Делитель напряжения, собран на неполярном бумажном конденсаторе С1 и электролитических конденсаторах С2 и СЗ, которые
создают неполярное плечо сумарной емкостью 100 микрофарад.
Два левых по отношению к схеме диода являются поляризующими к конденсаторной цепи. При указанных номиналах радиокомпонентов, ток короткого замыкания будет около 0,6А, а напряжение на выводах емкости С4 при отсутствие нагрузки приблизительно равно 27 В.
Первичная обмотка трансформатора Т2 преобразователя подсоединена в диагональ моста, образованного транзисторами VT1, VT2 и емкостями С9, С10. Базовые цепи транзисторов питаются от второй и третей обмоток трансформатора Т1, на первичную обмотку которого идет ступенчатое напряжение с формирователя, построенного на микросхемах DD1, DD2.
Задающий генератор формирователя выполнен на инверторах DD1.1, DD1.2 и генерирует колебания частотой 120 кГц. Импульсы с выходов триггеров DD2.1 с частотой 60 кГц и DD2.2 с частотой30 кГц идут на входы элементов DD1.3 я DD1.4, а уже на их выходах генерируются импульсные последовательности со скважностью 4.
Трансформатор Т1 предает это ступенчатое напряжени на базу транзисторов VT1, VT2 работающих в ключевом режиме и поочередно открывает их.
Два источника выходного напряжения выполнены на стабилизаторах напряжения серии К142. Так как, выпрямленное напряжение импульсное на входах фильтров установлены оксидные конденсаторы К52-1 небольшой емкости, хорошо работающие на данной частоте преобразования.
Схема импульсного блока питания собрана на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита. Со стороны радиокомпонентов фольга сохранена и является общим проводом.
Транзисторы устанавливаются на радиатор размерами 40 на 22 мм.
В схеме применены постоянные сопротивления С2-1 (R7) и МТ, подстроечный резистор СП3-196 (R9), емкости КТП-2а (С1, С2), К50-27 (С4, С5), К52-1 (С7, C11, C16, С20), K73-17 на номинальное напряжение 400 (С3) и 250 В (С9, С10), КМ-5 (С6, С14) и КМ-6 (остальные). Индуктивности L1, L2, L4 - ДМ-2,5 L3 - ДМ-0,4.
Первый трансформатор собран на кольцевом магнитопроводе К 10Х6Х5 из феррита 2000НМ. Его первичная обмотка состоит из 180 витков провода ПЭЛШО 0,1, 2 и 3 обмоткиимеют по 18 витков ПЭЛШО 0,27. Магнитопровод второго трансформатора К28Х16Х9 из феррита марки 2000НМ. Его первичная обмотка состоит из 105 витков провода ПЭЛШО 0,27, обмотки 2 и 4 из 14 и 8 витков монтажного провода МГТФ сечением 0,07 мм, 3-я обмотка из 2Х7 витков ПЭВ-2 диаметром 1 мм.
Основа конструкции полумостовой драйвер на микросхеме IR2151. Сигнал с генератора усиливается каскадом на мощных полевых транзисторах. Резистор 47к должен быть с мощностью от 2 ватт. Диод FR107 можно заменить на FR207 и т.п. Электролитические конденсаторы необходимы для сглаживании пульсаций и снижения уровня сетевых помех, их емкость от 22 до 470 мкф. Предохранитель на 3 ампера. Импульсный трансформатор позволяет получить двухполярное напряжение 12 или 2 вольт, поэтому на выходе можно получить 5, 10, 12 и 24 вольта.
Таким БП можно запитать мощные УНЧ или же приспособить его под 12 вольтовый усилитель из серии TDA. Если БП дополнить регулятором напряжения, то можно собрать полноценный импульсный лабораторный блок питания.
Выпрямитель лучше всего собрать на ультрабыстрых диодах на 4-10 ампер их можно позаимствовать из того же компьютерного блока питания. Этот блок питания можно применить еще в качестве зарядного устройства для автомобильного аккумулятора, так как выходной ток более 10 ампер.
Помните были такие популярные в свое время телефоны наподобие Русь 26. К каждому из них шел не плохой сетевой адаптер имеющий на выходе два стабилизированных напряжения +5В и +8 В при токе нагрузки до 0,5 А его можно использовать для питания множества радиолюбительских самоделок и сегодня.
Рассмотрим схему этого БП:
Напряжение сети 220 В через замкнутые контакты тумблера SA1 и защитное сопротивление R1 идет на первичную обмотку трансформатора Т1. Со вторичной обмотки оно пониженое до 11 В переменного тока, выпрямляется выпрямителем, на диодах Шотки VD1 - VD4. Использование таких диодов снижает потери мощности на выпрямителе примерно на 1 В повышает напряжение на конденсаторе фильтра С7.
Импульсный блок питания содержит два линейных стабилизатора DA1 и DA2. Первый выдает стабилизированное выходное напряжение +5 В, а второй +8 В.
Тумблером SB1 можно выбирать напряжение +5 В или + 8 В. При этом, если
тумблер находится в положении «+5 В», загорается светодиод HL2, если в положении «+8 В», то HL3.
Для удобства, на выход канала «+5 В» можно добавить USB-розетку и использовать для наладки устройств с питанием от .
Подробная инструкция для изготовления самодельных импульсных блоков питания разной мощности на основе электронного балласта старой люминесцентной лампы. Электронный балласт это почти готовый импульсный Блок Питания, но в ней отсутствует разделительный трансформатор и выпрямитель.
Плюсы ИБП над стандартными аналоговыми
При сравнении конструкций БП с одинаковыми показателями выходных мощностей ИБП обладают следующими преимуществами:
Cниженный вес и габариты ИБП можно объяснить переходом от преобразований НЧ энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на огромных радиаторахи работающими в линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования. За счет роста частоты обрабатываемого сигнала снижается емкость конденсаторов у фильтров и, поэтому, их габариты. Также упрощается схемотехника выпрямления.
Повышенный КПД - У НЧ трансформаторов существенная доля потерь возникаеи за счет рассеивания тепла при электромагнитных преобразованиях. В ИБП максимальные потери энергии возникают во время протекания переходных процессов при коммутациях каскадов. А в остальное время ключевые транзисторы находятся в строго устойчивом состоянии: открыты или закрыты. При этом создаются все условия для минимума потер, при этом КПД может доходить до 90-98%.
Более низкая стоимость;
Расширенный диапазон питающих напряжений - импульсные технологии позволяют запитывать БП от источников с разной амплитудой и частотой. Это расширяет область применения с различными электростандартами.
Встроенная защита. Благодаря применению малогабаритных полупроводниковых модулей, в конструкцию ИБП удается встроить защиту, контролирующую возникновение токов коротких замыканий (КЗ), отключения нагрузок на выходе устройства и другие аварийные ситуации.
Недостатки ИБП
Высокочастотные помехи, т.к они работают по принципу преобразования ВЧ импульсов, то они в любом исполнении генерируют помехи, транслируемые в пространство. Это создает дополнительное требование связанное с их подавлением различными методами.
В некоторых случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает применении ИБП для отдельных типов точной цифровой техники.
Ограничения по мощности ИБП имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и при пониженных нагрузках. Если в выходной цепи случится резкое падение тока за пределы критического значения, то схема запуска может сглючить или ИБП станет выдавать напряжение с искаженными свойствами.
|
В настоящее время широкое распространения получили компактные люминисцентные лампы, которые часто называют энергосберегающими. В корпусе, рядом с цоколем, у данного типа ламп расположена плата ЭПРА(электронный дроссель и стартер) которая производит запуск энергосберегающей лампы. Как правило лымпы данного типа выходят из строя из-за перегорания нитий накала, при этом само ЭПРА остается исправным. В данной статье будет описано как превратить ЭПРА от вышедшей из стороя энергосберегающей лампы в импульсный блок питания. Собранный блок питания выдавал напряжение 12Вольт при токе 0,5 Ампер и использовался для питания радиоприемника “Океан ” от сети 220 Вольт. В статье будет описано как перевести данный блок питание на другое напряжение и больший ток. Сначало рассмотрим типовую схему ЭПРА.
Номиналы деталей в схеме зависят от мощности лампы и её производителя. Так же могут быть и несущественные изменения в самой схеме ЭПРА. Все это не имеет значения, поскольку для превращения ЭПРА в блок питание переделка схемы не потребуется. Необходимо лиш установить перемычку между верхними выводами лампы EL1 (показано зеленой линией на схеме рис.1). Можно перемкнуть между собой перемычкой все четыре вывода шедшие к лампе, на работе схемы это ни как не скажется. Так же на дросель ДР1 потребуется намотать дополнительную обмотку, таким образом дроссель превратиться в трансформатор. Найти этот дроссель на плате ЭПРА не сложно, он намотон на Ш-образном магнитопроводе и расположен в центре платы.
Перед намоткой вторичной обмотки, поверх первичной обмотки наматывают несколько витков стеклоткани или изоленты. Поскольку первичная обмотка гальванически связана с сетью 220 Вольт. Вторичная обмотка для выходного напряжения 12Вольт содержит 10 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,5 мм. Точное количество витков подбирается эксперементально и зависит от типа лампы и напряжения которое следует получить на выходе блока питания. Диаметр провода для других выходных токов равен 0.8*I0.5, где I – необходимый выходной ток блока питания. Мощность лампы, от которой используется ЭПРА, должна быть равна или превышать мощность конструируемого блока питания. Можно использовать готовые трансформаторы от вышедших из строя импульсных блоков питания, которые впаиваются в плату ЭПРА вместо дросселя.
Эсли трансформатор не помещается на плате, его распологают рядом с платой и соединяют со схемой ЭПРА проводами. Переменное напряжение со вторичной обмотки трансформатора поступает на мостовой выпремитель, сглаживается конденсаторами С1 и С2 , и стабилизируется интегральным стабилизатором выполненным на микросхеме DA1. Указанные дополнительные компоненты(изображены синим цветом на схеме) монтируется на отдельной плате.
После чего, данная плата соединяется с платой ЭПРА проводами. При настройки данного блока питания следует учитывать, чтобы при максимальной нагрузки напряжение на конденсаторе С2 было выше напряжения чем на конденсаторе С1 на 2,5 Вольта. Это минимально допустимое напряжение падения на интегральном стабилизаторе DA1 при котором обеспечивается его работа. Если это напряжение ниже, то следует увеличить количество витков вторичной обмотки трансформатора. Марка самой микросхемы DA1, зависит от напряжения которое необходимо получить на выходе. При указанной на схеме, оно равно 12 Вольт. Эсли на выходе необходимо получить регулируемое выходное напряжение, то в качестве DA1 следует использовать микросхему кр142ен12. Она обеспечит регулировку выходного напряжения в пределах 1.2-37 Вольт. Получившийся блок питания распологают в корпусе подходящих размеров.
Схему блока питания можно упростить. Если не требуется стабилизация выходного напряжения, то микросхему DA1 исключают из схемы устройства. А если выпремление выходного напряжения не требуется, например для питания лампы накаливания или низковольтного паяльника, то исключают из схемы и мостовой выпрямитель вместе со сглаживающими конденсаторами. При первом включении устройства в сеть 220 Вольт, в разрыв одного из проводов следует включить лампу накаливани мощностью 40-100 Ватт. Если эта лампа не горит или слабо накаляется блок питания собран правильно. А если горить в полный накал, то схема собрана неверно или в ней есть неисправные компоненты.
