ДАНИЙ МАТЕРІАЛ МІСТЬ ВЕЛИКУ КІЛЬКІСТЬ АНІМОВАНИХ ДОДАТКІВ!!!

Для браузера Microsoft Internet Extlorer необхідно тимчасово вимкнути деякі функції, зокрема:
- Вимкнути інтегровані бари від Яндекса, Гугла і т.д.
- Вимкнути рядок стану (зняти галочку):

Вимкнути адресний рядок:

За бажанням можна вимкнути і ЗВИЧАЙНІ КНОПКИ, але площі екрана, що вийшла, вже достатньо

В іншому більше жодних регулювань робити не потрібно - управління матеріалом проводиться за допомогою вбудованих в матеріал кнопок, а прибрані панелі ви завжди можете повернути на місце.

ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕЛЕКТРИКИ

Перш ніж приступити до опису принципу роботи імпульсних джерелхарчування слід згадати деякі деталі з загального курсуфізики, а саме, що таке електрика, що таке магнітне поле і як вони залежать один від одного.
Сильно глибоко ми не заглиблюватимемося і про причини виникнення електрики в різних об'єктах ми теж замовчимо - для цього потрібно просто тупо передрукувати 1/4 курсу фізики, тому сподіваємося, що читач знає що така електрика не за написами на табличках "НЕ ВЛЕЗАЙ - ВБ'Є" !". Однак для початку нагадаємо, яке воно буває, це сама електрика, точніше напруга.

Ну а тепер, суто теоретично, припустимо, що як навантаження у нас виступає провідник, тобто. Найпростіший відрізок дроту. Що відбувається в ньому, коли через нього протікає струм наочно показано на наступному малюнку:

Якщо з провідником і магнітним полем навколо нього все зрозуміло, то складемо провідник не в кільце, а в кілька кілець, щоб наша котушка індуктивності проявила себе активніше і подивимося, що відбуватиметься далі.

На цьому самому місці має сенс попити чаю і дати мозку засвоїти щойно впізнане. Якщо ж мозок не втомився, або ця інформація вже відома, то дивимося далі

В якості силових транзисторівв імпульсних блоки живлення використовуються біполярні транзистори, польові (MOSFET) та IGBT. Який саме силовий транзистор використовувати вирішує тільки виробник пристроїв, оскільки і ті, й інші треті мають свої переваги, і свої недоліки. Проте було б не справедливим не помітити, що біполярні транзистори в потужних джерелах живлення практично не використовуються. Транзистори MOSFET краще використовувати при частотах перетворення від 30 кГц до 100 кГц, а ось IGBT люблять частоти нижчі - вище 30 кГц вже краще не використовувати.
Біполярні транзистори хороші тим, що вони досить швидко закриваються, оскільки струм колектора залежить від струму бази, але у відкритому стані мають досить великий опір, а це означає, що на них буде досить велике падіння напруги, що однозначно веде до зайвого нагрівання самого транзистора. .
Польові мають у відкритому стані дуже маленьке активний опірщо не викликає великого виділення тепла. Проте що потужніший транзистор, то більше вписувалося його ємність затвора, а її зарядки-разрядки потрібні досить великі струми. Ця залежність ємності затвора від потужності транзистора викликана тим, що польові транзистори, що використовуються для джерел живлення, виготовляються за технологією MOSFET, суть якої полягає у використанні паралельного включення декількох польових транзисторівз ізольованим затвором та виконаних на одному кристалі. І чим потужніший транзистор, тим більша кількість паралельних транзисторів використовується, а ємності затворів сумуються.
Намаганням знайти компроміс є транзистори, виконані за технологією IGBT, оскільки є складовими елементами. Ходять чутки, що вийшли вони чисто випадково, при спробі повторити MOSFET, але замість польових транзисторів, вийшли не зовсім польові і не зовсім біполярні. Як управляючого електрода виступає затвор вбудованого всередину польового транзистора невеликої потужності, який своїми витоком-стоком вже управляє струмом баз потужних біполярних транзисторів, включених паралельно і виконаних на одному кристалі даного транзстора. Таким чином виходить досить маленька ємність затвора і невеликий активний опір у відкритому стані.
Основних схем включення силової частини не так вже й багато:
АВТОГЕНЕРАТОРНІ БЛОКИ ЖИВЛЕННЯ. Використовують позитивний зв'язок, зазвичай індукційний. Простота подібних джерел живлення накладає на них деякі обмеження - подібні джерела живлення "люблять" постійне навантаження, що не змінюється, оскільки навантаження впливає на параметри зворотного зв'язку. Подібні джерела бувають як однотактні, і двотактні.
Імпульсні блоки живлення з примусовим збудженням. Дані джерела живлення також поділяються на однотактні та двотактні. Перші хоч і лояльні відносяться до мінливого навантаження, але все ж таки не дуже стійко підтримують необхідний запас потужності. А аудіотехніка має досить великий розкид по споживанню - в режимі паузи підсилювач споживає одиниці ват (струм спокою кінцевого каскаду), а на списах аудіосигналу споживання може досягати десятків або навіть сотень ват.
Таким чином, єдиним, максимально прийнятним варіантом імпульсних джерелом живлення для аудіотехніки є використання двотактних схем з примусовим збудженням. Так само не варто забувати про те, що при високочастотному перетворенні необхідно приділяти більш ретельну увагу до фільтрації вторинної напруги, оскільки поява перешкод з живлення в звуковому діапазоні зведуть нанівець усі старання з виготовлення імпульсного джерела живлення для підсилювача потужності. З цієї причини частота перетворення відводиться далі від звукового діапазону. Найпопулярнішою частотою перетворення раніше була частота в районі 40 кГц, але сучасна елементна база дозволяє робити перетворення на частотах набагато вище - аж до 100 кГц.
Розрізняють два базові види даних імпульсних джерел - стабілізовані та не стабілізовані.
Стабілізовані джерела живлення використовують широтноимпульсную модуляцію, суть якої полягає у формуванні вихідної напруги за рахунок регулювання тривалості напруги, що подається в першу обмотку, а компенсація відсутності імпульсів здійснюється LC ланцюжками, включеними на виході вторинного живлення. Великим плюсом стабілізованих джерел живлення є стабільність вихідної напруги, яка не залежить ні від вхідної напруги мережі 220 В, ні від споживаної потужності.
Не стабілізовані легко керують силовою частиною з постійною частотою і тривалістю імпульсів і від звичайного трансформатора відрізняються лише габаритами і меншими ємностями конденсаторів вторинного живлення. Вихідна напруга безпосередньо залежить від мережі 220 В, і має невелику залежність від споживаної потужності (на холостому ходу напруга трохи вище за розрахунковий).
Найпопулярнішими схемами силової частини імпульсних джерел живлення є:
Зі середньою точкою(ПУШ-ПУЛ). Використовуються зазвичай у низьковольтних джерелах живлення, оскільки має деякі особливості у вимогах до елементної бази. Діапазон потужностей досить великий.
Напівмостові . Найпопулярніша схема в мережевих іпульсних джерелах живлення. Діапазон потужностей до 3000 Вт. Подальше збільшення потужності можливе, але вже за вартістю сягає рівня мостового варіанта, тому дещо не економічно.
Мостові. Ця схемане економічна на малих потужностях, оскільки містить подвоєну кількість силових ключів. Тому найчастіше використовується на потужностях від 2000 Вт. Максимальні потужності перебувають у межах 10000 Вт. Ця схемотехніка є основною при виготовленні зварювальних апаратів.
Розглянемо докладніше, хто є хто і як працює.

ІЗ СЕРЕДНІЙ ТОЧКОЮ

Як було показано - цю схемотехніку силової частини не рекомендується використовувати для створення мережевих джерел живлення, проте НЕ РЕКОМЕНДУЄТЬСЯ не означає НЕ МОЖНА. Просто необхідно більш ретельно підходити до вибору елементної бази та виготовлення силового трансформатора, а також враховувати досить великі напруженняпід час розведення друкованої плати.
Максимальну популярність цей силовий каскад отримав в автомобільній аудитехніці, а також в джерелах безперебійного живлення. Однак на цій ниві дана схемотехніка зазнає деяких незручностей, а саме обмеження максимальної потужності. І справа не в елементній базі – на сьогодні зовсім не є дефіцитними MOSFET транзистори з миттєвими значеннями струму сток-витік у 50-100 А. Справа у габаритній потужності самого трансформатора, а точніше у первинній обмотці.
Проблема полягає... Втім, для більшої переконливості скористаємося програмою розрахунків моточних даних високочастотних трансформаторів.
Візьмемо 5 кілець типорозміру К45х28х8 з проникністю M2000HM1-А, закладемо частоту перетворення 54 кГц і первинну обмотку в 24 В (дві напівобмотки по 12 В) У результаті отримуємо, що потужність даний сердечник зможе розвинути 65 8 , тобто. по 2,5 витки на одну напівобмотку. Проте варто підняти частоту перетворення до 88 кГц як вийде всього 2 (!) витка на напівобмотку, хоча потужність виглядає дуже привабливо - 1000 Вт.
З такими результатами можна змиритися і поступово по всьому кільцю розподілити 2 витка теж, якщо сильно постаратися, можна, але якість фериту залишає бажати кращого, та й M2000HM1-А на частотах вище 60 кГц вже сам по собі гріється досить сильно, ну а на 90 кГц його вже обдувати треба.
Так що як не крути, але виходить замкнене коло - збільшуючи габарити для отримання більшої потужності ми занадто сильно зменшуємо кількість витків первинної обмотки, збільшуючи частоту ми знову ж таки зменшуємо кількість витків первинної обмотки, але ще на додачу отримуємо зайве тепло.
Саме з цієї причини для отримання потужностей понад 600 Вт використовують здвоєні перетворювачі - один модуль управління видає керуючі імпульсни на два однакові силові модулі, що містять два силові трансформатори. Вихідна напруга обох трансформаторів підсумовується. Саме таким способом організується живлення надпотужних автмобільних підсилювачів заводського виробництва і з одного силового модуля знімається близько 500.700 Вт і не більше. Способів підсумовування кілька:
- Підсумовування змінної напруги. Струм у первинні обмотки трансформаторів подається синхронно, отже і вихідна напруга синхронна і може з'єднуватися послідовно. З'єднувати вторинні обмотки паралельно від двох трансформаторів не рекомендується - невелика різниця в намотуванні або якості фериту призводить до великих втрат та зниження надійності.
- Підсумовування після випрямлячів, тобто. постійної напруги. Найоптимальніший варіант – один силовий модуль видає позитивну напругу для підсилювача потужності, а другий – негативне.
- формування живлення для підсилювачів з двома рівневим живленням додаванням двох ідентичних двополярних напруг.

ПОЛУМОСТОВА

Напівмостова схема має досить багато переваг - проста, отже надійна, легка в повторенні, не містить дефіцитних деталей, може виконуватися як на біполярних, так і на поливих транзисторах. Транзистори IGBT у ній теж працюють. Проте слабке місце має. Це прохідні конденсатори. Справа в тому, що при великих потужностях через них протікає досить великий струм і якість готового імпульсного джерела живлення залежить від якості саме цього компонента.
А проблема полягає в тому, що конденсатори постійно перезаряджаються, отже вони повинні мати мінімальний опір ВИСНОВОК-ОБКЛАДАННЯ, оскільки при великому опорі на цій ділянці виділятиметься досить багато тепла і врешті-решт висновок просто відгорить. Тому як прохідні конденсатори необхідно використовувати плівкові конденсатори, причому ємність одного конденсатора може досягати ємності 4,7 мкФ в крайньому випадку, якщо використовується один конденсатор - схема з одні кондлесатром теж досить часто використовується, за принципом вихідного каскаду УМЗЧ з однополярним живленням. Якщо ж використовуються два конденсатори на 4,7 мкФ (точка їх з'єднання підключена до обмотки трансформатора, а вільні висновки до плюсової та мінусової шин живлення), то дана комплектація цілком придатна для живлення підсилювачів потужності - сумарна ємність для змінної напруги перетворення складає і в результаті виходить рівною 4,7 мкФ + 4,7 мкф = 9,4 мкф. Однак цей варіант не розрахований для безперервного використання з максимальним навантаженням - необхідно розділяти сумарну ємність на кілька конденсаторів.
При необхідності одержання великих ємностей ( низька частотакраще використовувати кілька конденсаторів меншої ємності (наприклад 5 штук по 1 мкФ з'єднаних паралельно). Однак велика кількість включених паралельно конденсаторів досить сильно збільшує габарити пристрою, та й сумарна вартість усі гірлянди конденсаторів виходить не маленькою. Тому, при необхідності отримати велику потужність, має сенс скористатися мостовою схемою.
Для напівмостового варіанта потужності вище 3000 Вт не бажані - надто вже громіздкими будуть плати з прохідними конденсаторами. Використання як прохідні електролітичні конденсатори має сенс, але лише на потужностях до 1000 Вт, оскільки на великих частотах електроліти не ефективні і починаю грітися. Паперові конденсатори в якості прохідних показали себе дуже добре, але їх габарити.
Для більшої наочності ми наводимо таблицю залежності реактивного опору конденсатора від частоти та ємності (Ом):

Ємність конденсатора	Частота перетворення

Про всяк випадок нагадуємо, що при використанні двох конденсаторів (один на плюс, другий на мінус) фінальна ємність дорівнюватиме сумі ємностей цих конденсаторів. Підсумковий опір не виробить тепла, оскільки реактивний, але може вплинути на ККД джерела живлення при максимальних навантаженнях - напруга на виході почне зменшуватися, хоча габаритна потужність силового трансформатора цілком достатня.

МОСТАВА

Мостова схема придатна для будь-яких потужностей, але найефективніша на великих потужностях (для мережевих джерел живлення це потужності від 2000 Вт). Схема містить дві пари силових транзисторів, керованих синхроно, але необхідність гальванічної розв'язки емітерів верхньої пари вносить деякі незручності. Однак ця проблема цілком вирішується при використанні трансформаторів управління або спеціалізованих мікросхем, наприклад для польових транзисторів можна використовувати IR2110 - спеціалізована розробка компанії International Rectifier.

Однак силова частина не має жодного сенсу, якщо нею не керує модуль керування.
Спеціалізованих мікросхем, здатних керувати силовою частиною імпульсних джерел живлення досить багато, проте найбільш вдалою розробкою в цій галузі є TL494, яка з'явилася ще в минулому столітті, проте не втратила своєї актуальності, оскільки містить ВСІ необхідні вузли для управління силовою частиною імпульсних джерел живлення . Про популярність даної мікросхеми перш за все говорить випуск її кількома великими виробниками електронних компонентів.
Розглянемо принцип дії даної мікросхеми, яку з повною відповідальністю можна назвати контролером, оскільки вона має ВСІМИ необхідними вузлами.

ЧАСТИНА II

У чому ж полягає власне ШІМ спосіб регулювання напруги?
У основу методу покладено все також інерційність індуктивності, тобто. її не здатність миттєво пропустити струм. Тому регулюючи тривалість імпульсів можна змінювати фінальну постійну напругу. Причому для імпульсних джерел живлення це краще робити в первинних ланцюгах і таким чином економити кошти на створення джерела живлення, оскільки це джерело виконуватиме одразу дві ролі:
- Перетворення напруги;
- Стабілізацію вихідної напруги.
Причому тепла при цьому виділятиметься набагато менше порівняно з лінійним стабілізатором, встановленим на виході не стабілізованого імпульсного блоку живлення.
Для більш наочності варто подивитися малюнок, наведений нижче:

На малюнку наведена схема-еквівалент імпульсного стабілізатора в якому як силовий ключ виступає генерато прямокутних імпульсів V1, а R1 як навантаження. Як видно з малюнка при фіксованій амплітуді вихідних імпульсів в 50 В, змінюючи тривалість імпульсів можна в широких межах змінювати подане на навантаження напруга, причому з дуже маленькими тепловими поетрями, залежно лише від параметрів використовуваного силового ключа.

З принципами роботи силової частини розібралися, з керуванням також. Залишилося з'єднати обидва вузли і отримати готове імпульсне джерело живлення.
Навантажувальна здатність контролера TL494 не дуже велика, хоча її вистачає для керування однією парою силових транзисторів типу IRFZ44. Однак для потужніших транзисторів вже необхідні підсилювачі струму, здатні розвинути необхідні струму на електродах керуючих силових транзисторів. Оскільки ми намагаємося знизити габарити джерела живлення та уникнути подалі від звукового діапазону, то оптимальним використанням як силові транзистори будуть польові транзистори, виконані за технологією MOSFET.

Варіанти структур під час виготовлення MOSFET.

З одного боку – для управління польовим транзистором не потрібні великі струми – вони відкриваються напругою. Однак у цій бочці меду є ложка дьогтю, в даному випадку полягає в тому, що хоч затвор має величезний активний опір, що не споживає струму для управління транзистором, але затвор має ємність. А для її заряду та розряду якраз і потрібні великі струми, оскільки на більших частотах перетворення реактивний опірвже знижується до меж, які не можна ігнорувати. І що більше потужність силового MOSFET транзистора то більше вписувалося ємність його затвора.
Наприклад візьмемо IRF740 (400 V, 10A), який має ємність затвора становить 1400 пкФ і IRFP460 (500 V, 20 A), який має ємність затвора становить 4200 пкФ. Оскільки і у першого, і у другого напруга затвора не повинна бути більше ± 20 В, то як керуючі імпульси візьмемо напругу 15 В і подивимося в симуляторі що відбувається при частоті генератора в 100 кГц на резисторах R1 і R2, які послідовно включені з конденсаторами на 1400 пкФ та 4200 пкФ.

Тестовий стенд.

При протіканні через активне навантаження струму на ній утворюється падіння напруги, по цій величі і можна судити про миттєві значення струму, що протікає.

Падіння на резисторі R1.

Як видно з малюнка відразу при появі керуючого імпульсу на резисторі R1 падає приблизно 10,7 В. При опорі 10 Ом це означає, що миттєве значення струму досягає 1 А (!). Як тільки імпульс закінчується на резисторі R1 падає так само 10,7, отже і для того, щоб розрядити конденсатор С1 потрібно струм близько 1 А..
Для зарядки-розрядки ємності 4200 пкФ через резистор 10 Ом потрібно 1,3 А, оскільки на резисторі 10 Ом падає 13,4 В.

Висновок напрошується сам собою - для зарядки-розрядки ємностей затворів необхідно, щоб каска, що працює на затвори силових транзисторів, витримував досить великі струми, хоча сумарне споживання досить мало.
Для обмеження миттєвих значень струму в затворах польових транзисторів зазвичай використовують струмообмежуючі резистори від 33 до 100 Ом. Надмірне зменшення цих резисторів підвищує миттєве значення струмів, а збільшення - збільшує тривалість роботи силового транзистора в лінійному режимі, що тягне за собою необґрунтований нагрівання останніх.
Досить часто використовується ланцюжок, що складається з з'єднаних паралельно резистора і діода. Ця хитрість використовується насамперед для того, щоб розвантажити каскад, що управляє, на час зарядки і прискорити розрядку ємності затвора.

Фрагмент однотактного перетворювача.

Таким чином досягається не миттєве виникнення струму в обмотці силового трансформатора, а дещо лінійне. Хоча це підвищує температуру силового каскаду, але досить істотно знижує вибоси самоідуції, які неминуче виникають при подачі прямокутної напруги в обмотку трансформатора.

Самоіндукція у роботі однотактного перетворювача
(червона лінія – напруга на обмотці трансформатора, синя – напруга живлення, зелена – імпульси управління).

Отже з теоретичною частиною розібралися і можна підбити деякі підсумки:
Для створення імпульсного джерела живлення необхідний трансформатор, сердечник якого виготовлений з фериту;
Для стабілізації вихідної напруги імпульсного джерела живлення необхідний ШІМ метод, з яким цілком успішно справляється контролер TL494;
Силова частина із середньою точкою найбільш зручна для низьковольних імпульсних джерел живлення;
Силова частина напівмостової схемотехніки зручна для малих та середніх потужностей, а її парамети та надійність багато в чому залежать від якості та якості прохідних конденсаторів;
Силова частина мостового типу вигідніша для великих потужностей;
При використанні в силовій частині MOSFET не варто забувати про ємність затворів та розраховувати керуючі елементи силовими транзисторами з поправками на цю ємність;

Оскільки з окремими вузлами розібралися переходимо до фінального варіанта імпульсного джерела живлення. Оскільки і алгоритм і схемотехніка всіх напівмостових джерел практично однакова, то для роз'яснення який елемент для чого потрібен розберемо по кісточках найпопулярніший потужністю 400 Вт з двома двополярними вихідними напругами.

Залишилося відзначити деякі ньюнаси:
Резистори R23, R25, R33, R34 служать для створення RC-фільтра, який дуже бажаний при використанні електролітичних конденсаторів на виході імпульсних джерел. В ідеалі краще використовувати LС-фільтри, але оскільки "споживачі" не дуже потужні можна цілком обійтися і RC-фільтром. Опір даних резисторів може використовуватись від 15 до 47 Ом. R23 краще потужністю 1 Вт, решта на 0,5 Вт цілком достатньо.
С25 і R28 - снабер, що знижує викиди самоіндукції в обмотці силового трансформатора. Найбільш ефективні при ємностях близько 1000 пкф, але в цьому випадку на резисторі виділяється занадто багато тепла. Необхідні у разі коли після випрямляючих діодів вторинного живлення відсутні дроселі (переважна більшість заводської апаратури). Якщо дроселі використовуються ефективність снаберів не така помітна. Тому ми їх ставимо вкрай рідко та гірше джерела харчування від цього не працюють.
Якщо деякі номінали елементів відрізняються на платі та принциповій схемі, ці номінали не критичні - можна використовувати й ті й інші.
Якщо на платі є елементи відсутні на важливій схемі (зазвичай це конденсатори по живленню) то можна їх не ставити, хоча з ними буде краще. Якщо ж вирішили встановлювати, то не електролітичні конденсатори можна використовувати на 0,1...0,47 мкФ, а електролітичні такої ж ємності, як і ті, що виходять з ними включеними паралельно.
На платі ВАРІАНТ 2 Біля радіаторів є прямокутна частина, що висвердлюється по периметру і на неї встановлюються кнопки управління джерелом живлення (вкл-выкл). Необхідність отвору обумовлена ​​тим, що вентилятор на 80 мм не вміщається по висоті, для того, щоб закріпити його до радіатора. Тому вентилятор встановлюється нижче за основу друкованої плати.

ІНСТРУКЦІЯ З САМОСТІЙНОЇ ЗБІРКИ
СТАБІЛІЗОВАНОГО ІМПУЛЬСНОГО ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ

Для початку уважно слід ознайомитися з принциповою схемою, втім це слід робити завжди, перш ніж приступати до збирання. Даний перетворювач напруги працює за напівмостової схеми. У чому на відміну від інших докладно розказано.

Якщо щось не зрозуміло - питайте - і відповімо, і доповнимо архіви.

Небагато додаткової інформації:

САМОДЕЛЬНІ ЗАХОДНИКИ
СТРУМ ПЕРЕГОРАННЯ, А	ДІАМЕТР МЕДНОГО ПРОВІД, мм

Колірне маркуваннярезисторів
Колір знака	Перша цифра	Друга цифра	Третя цифра	Багато- тель	Допуск +/- %
Сріблястий	-	-	-	10^-2	10
Золотистий	-	-	-	10^-1	5
Чорний	-	0	-	1	-
Коричневий	1	1	1	10	1
червоний	2	2	2	10^2	2
Помаранчевий	3	3	3	10^3	-
Жовтий	4	4	4	10^4	-
Зелений	5	5	5	10^5	0,5
Блакитний	6	6	6	10^6	0,25
Фіолетовий	7	7	7	10^7	0,1
Сірий	8	8	8	10^8	0,05

ПРИКЛАДНА ПОТУЖНІСТЬ ПІДСИЛЮВАЧА У ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД ВИХІДНОЇ НАПРУГИ ТА ОПОРУ НАВАНТАЖЕННЯ
АМПЛІТУДА ПОКАЗАННЯ ОСЦИЛОГРАФА	ДІЮЧЕ ПОКАЗАННЯ ВОЛЬТМЕТРА				АМПЛІТУДА ПОКАЗАННЯ ОСЦИЛОГРАФА	ДІЮЧЕ ПОКАЗАННЯ ВОЛЬТМЕТРА
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50	0,71 1,41 2,12 2,83 3,54 4,24 4,95 5,66 6,36 7,07 7,78 8,49 9,19 9,9 10,61 11,32 12,02 12,73 13,44 14,14 15,56 16,97 18,39 19,8 21,22 22,63 24,05 25,46 26,87 28,29 29,7 31,12 32,53 33,95 35,36	0,13 0,5 1,12 2 3,13 4,49 6,13 8,01 10,11 12,5 15,13 18,02 21,11 24,5 28,14 32,04 36,12 40,51 45,16 49,98 61 72 85 98 113 128 145 162 180 200 221 242 265 288 313	0,06 0,25 0,56 1 1,57 2,25 3,06 4 5,06 6,25 7,57 9,01 10,56 12,25 14,07 16,02 18,06 20,26 22,58 24,99 30 36 42 49 56 64 72 81 90 100 110 121 132 144 156		52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150	36,78 38,19 39,6 41,02 42,43 43,85 45,26 46,68 48,09 49,5 50,92 52,33 53,75 55,16 56,58 57,99 59,41 60,82 62,23 63,65 65,06 66,48 67,89 69,31 70,72 74,26 77,79 81,33 84,87 88,4 91,94 95,47 99,01 102,55 106,08	338 365 392 421 450 481 512 545 578 613 648 685 722 761 800 841 882 925 968 1013 1058 1105 1152 1201 1250 1379 1513 1654 1801 1954 2113 2279 2451 2629 2813	169 182 196 210 225 240 256 272 289 306 324 342 361 380 400 420 441 462 484 506 529 552 576 600 625 689 756 827 900 977 1057 1139 1225 1315 1407
Зазвичай амплітуда на виході потужних підсилювачівкласу АВ на 3...7 менше напруги харчування, отже якщо напруга живлення становитиме ±50 В, то на виході буде амплітуда 43...47, тобто. підсилювач потужності може віддати навантаження 4 Ома 230...270 Вт.

Сфера застосування імпульсних блоків живлення у побуті постійно розширюється. Такі джерела застосовуються для живлення всієї сучасної побутової та комп'ютерної апаратури, для реалізації джерел безперебійного електроживлення, зарядних пристроїв для акумуляторів різного призначення, реалізації низьковольтних систем освітлення та інших потреб.

У деяких випадках покупка готового джерела живлення мало прийнятна з економічної або технічної точки зору, і складання імпульсного джерела власними руками є оптимальним виходом із такої ситуації. Спрощує такий варіант та широка доступність сучасної елементної бази за низькими цінами.

Найбільш затребуваними у побуті є імпульсні джерела з живленням від стандартної мережі змінного струму та потужним низьковольтним виходом. Структурна схематакого джерела показано малюнку.

Мережевий випрямляч СВ перетворює змінну напругу мережі в постійне і здійснює згладжування пульсацій випрямленої напруги на виході. Високочастотний перетворювач ВПП здійснює перетворення випрямленої напруги в змінну або однополярну , що має форму прямокутних імпульсів необхідної амплітуди.

Надалі така напруга або безпосередньо, або після випрямлення (ВН) надходить на фільтр, що згладжує, до виходу якого підключається навантаження. Управління ВПП здійснюється системою управління, що отримує сигнал зворотного зв'язку від випрямляча навантаження.

Така структура пристрою може бути піддана критиці через наявність декількох ланок перетворення, що знижує ККД джерела. Однак, при правильному виборі напівпровідникових елементів та якісному розрахунку та виготовленні моточних вузлів, рівень втрат потужності у схемі малий, що дозволяє отримувати реальні значення ККД вище 90%.

Принципові схеми імпульсних блоків живлення

Рішення структурних блоків включають як обґрунтування вибору варіантів схемної реалізації, а й практичні рекомендаціїна вибір основних елементів.

Для випрямлення мережної однофазної напруги використовують одну з трьох класичних схемзображених на малюнку:

• однонапівперіодну;
• нульову (двонапівперіодну із середньою точкою);
• двхполуперіодну бруківку.

Кожній з них притаманні переваги та недоліки, які визначають сферу застосування.

Однонапівперіодна схемавідрізняється простотою реалізації та мінімальною кількістю напівпровідникових компонентів. Основними недоліками такого випрямляча є значна величина пульсації вихідної напруги (у випрямленому присутня лише одна напівхвиля напруги мережі) і малий коефіцієнт випрямлення.

Коефіцієнт випрямлення Кввизначається співвідношенням середнього значення напруги на виході випрямляча Udкчинному значенню фазного мережевого напруження Uф.

Для однонапівперіодної схеми Кв = 0.45.

Для згладжування пульсації на виході такого випрямляча потрібні потужні фільтри.

Нульова, або двонапівперіодна схема із середньою точкою, хоч і вимагає подвоєного числа випрямних діодів, однак, цей недолік значною мірою компенсується нижчим рівнем пульсацій випрямленої напруги та зростанням величини коефіцієнта випрямлення до 0.9.

Основним недоліком такої схеми для використання в побутових умовах є необхідність організації середньої точки напруги мережі, що передбачає наявність мережевого трансформатора. Його габарити та маса виявляються несумісними з ідеєю малогабаритного саморобного імпульсного джерела.

Двохнапівперіодна бруківка схемавипрямлення має ті ж показники за рівнем пульсації та коефіцієнтом випрямлення, що й нульова схема, але не вимагає наявності мережевого. Це компенсує і головний недолік - подвоєна кількість випрямних діодів як з точки зору ККД, так і за вартістю.

Для згладжування пульсацій випрямленої напруги найкращим рішенням є використання ємнісного фільтра. Його застосування дозволяє підняти величину випрямленої напруги до амплітудного значеннямережевого (при Uф = 220В Uфм = 314В). Недоліками такого фільтра прийнято вважати великі величиниімпульсних струмів випрямляючих елементів, але критичним цей недолік не є.

Вибір діодів випрямляча здійснюється за величиною середнього прямого струму Ia і максимальної зворотної напруги U BM.

Прийнявши величину коефіцієнта пульсації вихідної напруги Кп = 10%, отримаємо середнє значення напруги випрямленого Ud = 300В. З урахуванням потужності навантаження та ККД ВЧ перетворювача (для розрахунку приймається 80%, але на практиці вийде вище, це дозволить отримати певний запас).

Ia - середній струм діода випрямляча, Рн-потужність навантаження, η - ККД ВЧ перетворювача.

Максимальна зворотна напруга випрямляючого елемента не перевищує амплітудного значення напруги мережі (314В), що дозволяє використовувати компоненти з U BM =400В зі значним запасом. Використовувати можна дискретні діоди, так і готові випрямні мости від різних виробників.

Для забезпечення заданої (10%) пульсації на виході випрямляча ємність конденсаторів фільтра приймається з розрахунку 1мкФ на 1Вт вихідної потужності. Використовуються електролітичні конденсатори з максимальною напругою не менше ніж 350В. Ємності фільтрів для різних потужностей наведено у таблиці.

Високочастотний перетворювач: його функції та схеми

Високочастотний перетворювач є однотактним або двотактним ключовим перетворювачем (інвертор) з імпульсним трансформатором. Варіанти схем ВЧ перетворювачів наведено малюнку.

Однотактна схема. При мінімальній кількості силових елементів та простоті реалізації має кілька недоліків.

1. Трансформатор у схемі працює по приватній петлі гістерези, що вимагає збільшення його розмірів та габаритної потужності;
2. Для забезпечення потужності на виході необхідно отримати значну амплітуду імпульсного струму, що протікає через напівпровідниковий ключ.

Схема знайшла найбільше застосування в малопотужних пристроях, де вплив зазначених недоліків менш значний.

Щоб самостійно змінити або встановити новий лічильник, не потрібні особливі навички. Вибір правильної забезпечить коректний облік споживаного струму та підвищить безпеку домашньої електромережі.

В сучасних умовахзабезпечення освітлення як усередині приміщень, і на вулиці дедалі частіше використовують датчики руху. Це надає не тільки комфорту та зручності в наші житла, але й дозволяє суттєво економити. Дізнатись практичні порадина вибір місця установки, схем підключення можна .

Двотактна схема із середньою точкою трансформатора (пушпульна). Отримала свою другу назву від англійського варіанта (push-pull) опис роботи. Схема вільна від недоліків однотактного варіанта, але має власні – ускладнена конструкція трансформатора (потрібне виготовлення ідентичних секцій первинної обмотки) та підвищені вимогидо максимальної напруги ключів. В іншому рішення заслуговує на увагу і широко застосовується в імпульсних джерелах живлення, що виготовляються своїми руками і не тільки.

Двотактова напівмостова схема. За параметрами схема аналогічна схемою із середньою точкою, але не вимагає складної конфігурації обмоток трансформатора. Власним недоліком схеми є необхідність організації середньої точки фільтра випрямляча, що спричиняє чотириразове збільшення кількості конденсаторів.

Завдяки простоті реалізації схема найбільше широко використовується в імпульсних джерелах живлення потужністю до 3 кВт. При великих потужностях вартість конденсаторів фільтра стає неприйнятно високою в порівнянні з напівпровідниковими ключами інвертора і найбільш вигідною є мостова схема.

Двотактна бруківка схема. За параметрами аналогічна до інших двотактних схем, але позбавлена ​​необхідності створення штучних «середніх точок». Платою за це стає подвоєна кількість силових ключів, що вигідно з економічної та технічної точок зору для побудови потужних імпульсних джерел.

Вибір ключів інвертора здійснюється за амплітудою струму колектора (стоку) I КМАХ та максимальною напругою колектор-емітер U КЕМАХ. Для розрахунку використовуються потужність навантаження та коефіцієнт трансформації імпульсного трансформатора.

Однак, перш за все необхідно розрахувати сам трансформатор. Імпульсний трансформатор виконується на сердечнику з фериту, пермалою або крученого в кільце трансформаторного заліза. Для потужностей до одиниць кВт цілком підійдуть феритові осердя кільцевого або Ш-подібного типу. Розрахунок трансформатора ведеться виходячи з необхідної потужності та частоти перетворення. Для уникнення появи акустичного шуму частоту перетворення бажано винести за межі звукового діапазону (зробити вище 20 кГц).

При цьому необхідно пам'ятати, що при частотах близьких до 100 кГц значно зростають втрати у феритових магнітопроводах. Сам розрахунок трансформатора нескладно і легко може бути знайдений у літературі. Деякі результати для різних потужностей джерел та магнітопроводів наведені у таблиці нижче.

Розрахунок зроблено для частоти перетворення 50 кГц. Варто звернути увагу, що при роботі на високій частоті має місце ефект витіснення струму до поверхні провідника, що призводить до зниження ефективної обмотки. Для запобігання подібним неприємностям і зниження втрат у провідниках необхідно виконувати обмотку з кількох жил меншого перерізу. При частоті 50 кГц допустимий діаметр обмотки не перевищує 0.85 мм.

Знаючи потужність навантаження та коефіцієнт трансформації можна розрахувати струм у первинній обмотці трансформатора та максимальний струм колектора силового ключа. Напруга на транзисторі в закритому стані вибирається вище, ніж випрямлену напругу, що надходить на вхід ВЧ-перетворювача з деяким запасом (U КЕМАХ = 400В). За цими даними проводиться вибір ключів. В даний час найкращим варіантомє використання силових транзисторів IGBT чи MOSFET.

Для діодів випрямляча на вторинному боці необхідно дотримуватися одного правила – їх максимальна робоча частота має перевищувати частоту перетворення. Інакше ККД вихідного випрямляча та перетворювача загалом значно знизяться.

Відео про виготовлення найпростішого імпульсного живильного пристрою

Між трансформаторним та імпульсними, а також їх переваги та недоліки. Наприклад трансформаторний блок живлення, у складі якого є трансформатор виконує функцію зниження напруги до заданого, така конструкція називається понижувальним трансформатором.

Блоки живлення, що працюють в імпульсному режимі, є імпульсним перетворювачем або інвертором. У імпульсних джерелах живлення змінна напруга на вході спочатку випрямляється, та був відбувається формування імпульсів необхідної частоти. У такого ІП на відміну від звичайного силового трансформатора при однаковій потужності набагато менше втрат і незначні габаритні розміри, отримані внаслідок високочастотного перетворення. >

Трансформаторні блоки живлення

Найпоширенішим блоком живлення вважається конструкція, у складі якого є знижуючий трансформатор, його певний обов'язок - знижувати вхідну напругу. Його первинна обмотка намотана з урахуванням роботи з мережевою напругою. Крім понижуючого трансформатора в такому БП встановлено ще випрямляч зібраний на діодах, як правило застосовується дві пари випрямляльних діодів (діодний міст) та конденсатори фільтра. Такий пристрій служить для перетворення односпрямованої пульсуючої змінної напруги на постійне. Не рідко застосовуються інші конструктивно виконані пристрої, наприклад, що виконує у випрямлячах функцію подвоєння напруги. Крім згладжуючих пульсації фільтрів, там же можуть бути елементи фільтра перешкод високої частоти та сплесків, схема захисту від короткого замикання, напівпровідникові прилади для стабілізації напруги та струму

Схема найпростішого трансформаторного БП з двонапівперіодним випрямлячем

Переваги трансформаторних блоків живлення

Імпульсні блоки живлення

Відмінності імпульсного блоку живлення від звичайного- Імпульсні джерела живлення це інверторний пристрій і є складовою частиною апаратів безперебійного електричного живлення. У імпульсних блоках змінна напруга на вході спочатку випрямляється, та був формує імпульси певної частоти. Перетворена вихідна постійна напруга має імпульси прямокутної форми високої частоти, що надходить на трансформатор або відразу на вихідний фільтр нижніх частот. У імпульсних блоках живлення часто використовуються невеликі за розмірами трансформатори - це викликано тим, що при зростанні частоти збільшується ефективність роботи пристрою, тим самим стають меншими вимоги до розмірів магнітопроводу, необхідного для віддачі рівнозначної потужності. В основному такий магнітопровід виготовляється з феромагнітних матеріалів провідників магнітного потоку. Відмінності джерел живленнязокрема від сердечника трансформатора низької частоти, виготовлення яких застосовується електротехнічна сталь.

Відмінності імпульсного блоку живлення від звичайного- Стабілізація напруги, що відбувається в імпульсних джерелах живлення, виникає за рахунок ланцюга негативного зворотного зв'язку. ООС дає можливість забезпечувати вихідна напругадосить стійкому рівні незважаючи на періодичні стрибки вхідної напруги і значення опору навантаження. Негативний зворотний зв'язок можна також створити іншими способами. Щодо імпульсних джерел живлення, що мають гальванічну розв'язку електричної мережі, найбільш застосовуваний у разі спосіб — це освіту зв'язку з допомогою вихідний обмотки трансформатора чи користуватися оптроном. З урахуванням значення величини сигналу негативного зворотного зв'язку, яке залежить від напруги на виході, змінюється шпаруватість імпульсних сигналів на вихідному виводі ШІМ-контролера. Якщо можна обійтися без гальванічної розв'язки, то в такому випадку застосовується звичайний дільник напруги, зібраний на постійних резисторах. Зрештою, джерело живлення забезпечує вихідну напругу стабільного характеру.

Принципова схеманайпростішого однотактного імпульсного БП

Переваги імпульсних блоків живлення

● Якщо порівнювати щодо вихідної потужності лінійний стабілізатор та імпульсний, то останній має деякі переваги:
● Відносно невелика вага, що вийшла внаслідок того, що зі збільшенням частоти можна застосовувати трансформатори малих габаритів, маючи аналогічну вихідну потужність, що видається.
● Велика вага лінійного стабілізатора виходить за рахунок використання масивних силових трансформаторів, а також важких тепловідводів силових компонентів.
● Високий ККД, який становить близько 98%, отриманий внаслідок того, що штатні втрати, що відбуваються в імпульсних стабілізуючих пристроях, залежать від перехідних процесів на стадії перемикання ключа.
● Оскільки більший відрізок часу ключі знаходяться у стабільному або увімкненому або вимкненому стані, то відповідно і енергетичні втрати мізерні;
● Щодо невелика вартість, що утворилася внаслідок випуску великої кількості необхідних електронних елементів, зокрема поява на ринку електронних товарів високопотужних транзисторних ключів. ● Крім цього необхідно помітити істотно малу вартість імпульсних трансформаторів при аналогічній потужності, що віддається в навантаження.
● Наявні в переважній більшості блоках живлення встановлені схеми захисту від усіляких позаштатних ситуацій, таких як захист від короткого замикання або якщо не підключене навантаження на виході пристрою.

Що ж це за ІІП таке?

Імпульсні блоки живлення (англ. Switching Power Supply) знову і знову стають предметом дискусій, суперечок, які проектування і конструювання викликають деякі труднощі у радіоаматорських колах. Все частіше саме до імпульсним пристроямхарчування звертаються погляди домашніх радіомайстрів, оскільки вони мають цілу низку незаперечних переваг у порівнянні з традиційними трансформаторними блоками. Однак багато радіоаматорів, зокрема початківців, не наважуються збирати їх, незважаючи на їхнє повсюдне застосування в сучасному радіоелектронному виробництві.

Причин тому багато. Від нерозуміння принципів дії до складності схемотехніки імпульсних блоків вторинного живлення. Деякі просто не можуть знайти потрібну радіоелементну базу. А ось досвідчені радіоінженери вже давно відмовилися від важких габаритних трансформаторів електроживлення в побутовій компактній електроніці.

Але якщо для дому застосування трансформаторних джерел електроживлення ще виправдано, то, наприклад, в автомобілі, в дорозі, в польових умовах і т.п. трансформатор взагалі марний.

Тут на допомогу приходять імпульсні перетворювачі напруги. Вони здатні черпати електроенергію буквально від будь-якого акумулятора або батареї гальванічних елементів постійного струму і перетворювати її на потрібну напругу з максимальною потужністю від кількох ватів до кількох кіловат.

Погодьтеся, коли ви подорожуєте будь-яким видом транспорту, і поблизу немає розетки, щоб підключити до неї зарядний пристрій з метою підзарядити акумулятор цифрового фотоапарата, стільникового телефону, цифрової відеокамери, плеєра і багато інших. ін це щонайменше завдає маси незручностей. А скільки разів вже можна було сфотографувати цифровиком щось, що сподобалося і тут же відправити за допомогою телефону рідним та друзям.

А всього лише і потрібно, що спати нескладну схему імпульсного перетворювача напруги на друкованій платі, здатній уміститися в долоні, і прихопити з собою пару пальчикових батарейок. Ось і все, що потрібне для щастя!

Літературний лікнеп на тему ДБЖ

Проте не захоплюватимемося, а перейдемо безпосередньо до суті статті. Ми вже не раз розповідали про теоретичні та практичні аспекти конструювання в домашніх умовах імпульсних блоків живлення, наприклад, Імпульсний перетворювач, Автомобільний перетворювач напруги та ; викладали методики розрахунку трансформаторів, ділилися корисною літературою з силової електроніки, рекомендованої для прочитання не тільки електронникам-початківцям, наприклад, Розрахунок силового трансформатора; а статті Схема перетворювача потужністю 1000 ВА розгорнувся цілий, можна сказати, диспут по переробці схеми.

А сьогодні відповімо на запитання, задане одним з радіоаматорів:

а є щось на харчування +/-25 - 30 вольт (двополярне) на 4 трійки висновків для запитки УМЗЧ - 4 x TDA7293 ? Потужністю ват на 550-600 … для живлення від електромережі (~220В).

З цього приводу вирішили окрему статтю опублікувати, щоб показати загальні теоретичні принципи розробки імпульсних блоків живлення.

Викладений матеріал із загостренням уваги на окремих питаннях проектування та схемотехніки імпульсних блоків вторинного електроживлення покликаний показати радіоаматорам весь алгоритм їхнього розрахунку. Усі технічні, конструкторські, схемні доповнення та рішення при необхідності будуть викладатися нижче в коментарях. Всіх зацікавлених електронників та досвідчених радіоінженерів просимо взяти участь в обговоренні імпульсних блоків живлення.

Почнемо, мабуть.

Отже, для початку загалом позначимо, які основні модулі є в будь-якому імпульсному блоці електроживлення. У типовому варіанті імпульсний блок живлення умовно можна поділити на три функціональні частини. Це:

1. ШИМ(PWM)-контролер, з урахуванням якого збирається задаючий генератор зазвичай із частотою близько 30…60 кГц;

2. каскад силових ключів, роль яких можуть виконувати потужні біполярні, польові або IGBT (біполярні із ізольованим затвором) транзистори; цей силовий каскад може включати додаткову схему управління цими самими ключами на інтегральних драйверах або малопотужних транзисторах; також важлива схема включення силових ключів: бруківка (фул-бридж), напівмостова (халф-бридж) або із середньою точкою (пуш-пул);

3. імпульсний трансформатор з первинною(ими) та вторинною(ими) обмоткою(ами) і, відповідно, випрямляючими діодами, фільтрами, стабілізаторами та ін. на виході; як сердечник зазвичай вибирається ферит або альсифер; загалом такі магнітні матеріали, які здатні працювати на високих частотах (у деяких випадках понад 100 кГц).

Ось, власне, і все, що потрібно для збирання імпульсного блоку живлення. на фото основні частини ДБЖ виділені. Для наочності виділимо ці модулі і на електричної принципової схемибудь-якого імпульсного блоку живлення. Для прикладу:

До слова, тут силовий каскад включений за схемою із середньою точкою.

Тепер помодульно розроблятимемо схемотехнічне рішення майбутнього пристрою.

Для початку визначимося із генератором, що задає. Якщо бути точніше, то з ШИМ-контролером. В даний час, як ви знаєте, їх існує безліч. Тут, мабуть, основними критеріями вибору є доступність та вартість питання. Нам потрібен не будь-який генератор, а саме із широтно-імпульсною модуляцією. Принцип роботи, якщо двома словами, то «є/ні сигналу». На виході контролера чи одиниця (високий рівень) чи нуль (низький рівень).

Відповідно до цього вихідні транзистори відкриті чи закриті, подають напругу на котушку імпульсного трансформатора чи ні. Причому відбувається таке перемикання з високою періодичністю (як раніше, зазвичай частота 30...60 кГц).

Налаштовується частота залежно від потреб проектувальника зовнішнім ланцюгом обв'язки ШІМ-контролера, що складається, як правило, з резисторів та конденсаторів. Ось недавно навіть наткнувся на ідею використання як джерело ШІМ COM порт комп'ютера. Ну та гаразд… Для нашого майбутнього блоку живлення візьмемо ШІМ-контролер К1156ЕУ2. Але це не важливо. Можна взяти практично будь-який двотактнийКонтролер. Наприклад, один із найпоширеніших TL494. Схема генератора, що задає, на його базі показана. Взагалі, типову схемувключення будь-якої іншої мікросхеми можна знайти в технічної документаціїна неї (datasheet).

Розрахунок частоти імпульсів блоку живлення

Контролер К1156ЕУ2 призначений для використання як схеми управління імпульсними джерелами вторинного електроживлення, що працюють на частоті до 1 МГц. Завдяки високій швидкодії мікросхема знайшла широке застосування і добре зарекомендувала себе. У разі відсутності вітчизняного варіанту контролера його можна замінити аналоги типу UC1825, UC2825, UC3825. Напівмостові вихідні каскади контролера спроектовані для роботи на велике ємнісне навантаження, наприклад, затвори потужних МОП-транзисторів, і комутують як струм, що витікає, так і витікає. Опис висновків К1156ЕУ2:

Варто відзначити також, що частота імпульсів залежить від номіналів резистора і конденсатора на 5 і 6 висновках мікросхеми. Причому за паузу (так званий, мертвий час) між імпульсами відповідає ємність конденсатора. І це прямо позначається на забезпеченні одночасного закриття вихідних ключів, щоб уникнути наскрізних струмів. Питання особливо актуальне за великих потужностей. Опір резистора вибирається з діапазону 3...100 кОм, ємність конденсатора - 0,47...100 нФ. Номограми для підбору цих радіодеталей нижче на малюнку:

Таким чином, для забезпечення мертвого часу в 1,5 мкс (щоб знизити ймовірність появи наскрізних струмів через MOSFET у силовому каскаді) знадобиться конденсатор ємністю 15 нФ (0,015 мкФ або 15000 пФ). Тепер дивимось на лівий графік. Про частоту додатково буде. На даному етапі як номінальну приймемо 60 кГц. Значить резистор для нашого генератора, що задає, потрібен номіналом? 3 кОм. Поставимо підстроювальний на 4,7 ком. Їм можна буде трохи підвищувати частоту, тим самим підвищуючи потужність блоку живлення в цілому.

Синхронізація двох та більше ШІМ-контролерів

Важливою функцією К1156ЕУ2 є їхнє спільне використання. Тобто. один генератор буде провідним, а інший веденим. Для цього існує функціональний висновок 4 синхронізації. У результаті можна отримати два синхронно працюючі генератори ШІМ. Застосування такого способу можна знайти маса. Оскільки генератори працюватимуть синхронно, то кожен з них можна навантажити окремим вихідним каскадом із силовими ключами та імпульсним трансформатором. При цьому можна використати трансформатори меншої габаритної потужності. Так, якщо нам потрібна загальна потужність імпульсного блоку живлення не менше 600 Вт на 4 УМЗЧ, то можна використовувати два трансформатори по 300 Вт із підключеними до них по два УМЗЧ. Відповідно, ми зможемо зняти частину навантаження з транзисторів силового каскаду, обмотувального дроту, також нам знадобиться сердечник меншого розміру. У зв'язку з цим можна навіть заощадити на покупці радіодеталей для майбутнього ДБЖ. Схема синхронізації двох ШІМ-контролерів (ведучого та веденого) виглядає так:

Однак у загальноосвітніх цілях обмежимося включенням К1156ЕУ2 у одиничному (типовому) варіанті, т.к. перед нами має на меті дати вам загальні навички розробки. А вже раціональність використання тієї чи іншої схеми технічного рішення залежатиме від мети використання імпульсного блоку живлення.

З першим функціональним модулем майбутнього блоку вторинного електроживлення розібралися. Остаточно приймаємо схемотехнічний варіант генератора на К1156ЕУ2, як показано під цифрою 1. У разі необхідності на кінцевій стадії проектування номінали деталей можна буде підкоригувати, що, власне, не позначиться на функціональній схемі генератора.

Підбір силових ключів для блоку живлення

Тепер про те, чим керуватиме ШІМ-контролер К1156ЕУ2 або TL494 або будь-яка інша ІМС. Як силові ключі будемо використовувати MOSFET транзисторияк найбільш ефективні. Що стосується біполярних, то їх суттєвими недоліками є підвищена залишкова напруга на колекторі в режимі насичення, велика потужність управління базового ланцюга і великий час розсмоктування. Усе це призводить до значного зниження ККД ключів. А IGBT або біполярні транзистори з ізольованим затвором дуже дорогі і не дуже поширені. Вибір падає на MOSFET.

Давайте визначимо межі підбору МОП-транзисторів. За умовою нам потрібен імпульсний блок живлення потужністю 600 Вт від електромережі 220 вольт. Це означає, що після випрямляючих діодів і конденсатора, що фільтрує, 220 вольт змінного струму перетворюються на 300…310 вольт постійного. Це при номінальній напрузі 220 В. Але в електромережі може бути 175 і 250 вольт. Сила струму в ланцюзі номінально дорівнюватиме I=P/U або I=600 Вт/300(310) В=1,94…2 ампера.

Майбутній імпульсний перетворювачбуде двотактного типу, т.к. однотактні добре зарекомендували себе на потужностях до 100 ватів. Схему включення силового каскаду двотактного імпульсного блоку живлення вибираємо із трьох існуючих. Це, як було сказано, бруківка (full-bridge), напівмостова (half-bridge) або з середньою точкою (push-pull). Остання схема найбільш ефективна з напругою на вході до 100 вольт та потужністю до 500 ват. У принципі можна використовувати і пуш-пульну схему включення, але не повторюватимемося, т.к. вона і є темою диспуту у статті “Схема перетворювача потужністю 1000 ВА”. Напівмостова та бруківка схеми ефективно використовуються при більш високій напрузіна вході (а у нас 310 В) і з потужностями до 1 кВт у першому та вище 1 кВт у другому випадку. Нам підходить напівмостова схемавключення силового каскаду.

Частоту перемикання силових транзисторів візьмемо близько 60 кГц. Через можливий дрейф частоти вона може підвищитися до 65 кГц. Можна, звісно, ​​збільшити частоту до 100 кГц, або навіть більше. Однак багато магнітних матеріалів, що застосовуються як сердечники імпульсних трансформаторів, не здатні працювати на таких частотах. До того ж при підвищенні частоти нам знадобляться високочастотні потужні випрямні діоди. А вони не дешеві та для багатьох важкодоступні. До того ж, після двопівперіодного випрямляча частота підвищується вдвічі. Так що обмежимося частотою 60 кГц, як найбільш оптимальною.

Тепер визначимо амплітуду номінальної напруги на первинній обмотці імпульсного трансформатора з урахуванням падіння напруги переході транзисторів. U = 310/2 - u, де u - падіння напруги на переході MOSFET. Оскільки транзистори ми ще не вибрали, то візьмемо в середньому u=0,7 В. Звідси U=(310/2)-0,7=154,3 В. Мінімальна амплітуда при падінні напруги в мережі до 175 вольт становитиме не більше 123 В, а максимальна при підвищенні до 250 - не менше 176 В. Для вибору МДП транзисторів виходимо з максимально допустимої сили струму (600/123 = 4,8 А) і напруги (176 В). За розрахунками нам потрібен MOSFET з напругою сток-витік від 200 вольт та максимально допустимою силою струму через перехід не нижче 6 ампер. Даним умовам відповідають, наприклад, IRF630, 2SK1117, 2SK1917, IRF740, IRFP460, IRF830 та ін. Тут знову ж таки виходимо з доступності та вартості. Для прикладу візьмемо IRFP460. Силові ключі підібрали.

Діоди випрямного мосту на вході імпульсного блоку живлення підбираємо з урахуванням зворотної напруги від 400 вольт і силу струму від 2 ампер (600/(175*2 шт.)=1,71 А) при мостовій схемі. Беремо діодний міст типу KBU810. Схема мережевого випрямлячабуде виглядати так:

Резистори R1 і R2 є баластними та використані для розряду високовольтних конденсаторів з метою безпеки.

Розрахунок та намотування імпульсного трансформатора

Тепер зробимо розрахунок імпульсного трансформатора.

Розрахунок трансформатора є найбільш складною, важливою та «тонкою» частиною всього розрахунку імпульсного блоку живлення. Для цього найефективніше скористатися комп'ютерними програмами, найпопулярніші з яких можна завантажити на нашому радіоаматорському сайті. Посилання на програми для розрахунку трансформатора та їх докладний описзнаходяться також у вищезгаданих статтях.

Отже, ми маємо як вихідні дані розмах напруг живлення 247…355 В (при девіації напруги мережі 175…250 В), потужність не менше 600 ват, ефективна індукція магнітопроводу від 0,1 до 0,2 Тл, ефективна магнітна проникність магнітопроводу використанні як сердечника феритове кільце марки М2500НМС1 К65х40х9 становить 1800…2000. Вище наведено дійсну напругу електромережі для розрахунку імпульсного трансформатора у програмі Design tools pulse transformers 4.0.0.0 та подібних до неї (див. статті). Однак, як я радив, програми краще застосовувати одразу все комплексно. Відповідно, у деяких потрібно вказувати напругу безпосередньо на первинній обмотці імпульсного трансформатора. ми наводили схему мережного випрямляча живлення імпульсного блоку. Як бачите, там мережна напругаза допомогою дільника перетворюється на двополярне +/-154,3 В. Вказано Номінальну напругупри мережному в 220 В. Відповідно, при девіації напруги мережі 175...250 В на первинній обмотці воно коливатиметься в межах не 247...355 вольт (таке після випрямляючих діодів і конденсаторів, що фільтрують), а 247/2-0,7...355/ 2-0,7, тобто. 122,8 ... 176,8 вольт. Будьте уважні!

Думаємо, що за допомогою програм не складе особливих труднощів визначити основні характеристики необхідного імпульсного трансформатора. Для взятого кільця К65х40х9 ми маємо наступне. ККД близько 98%; число витків первинної обмотці порядку 55 діаметром 1,2 мм; число витків кожної вторинної обмотки для напруги +/-30 становить 10+10 з відведенням від середини дроту діаметром 1,5 мм. Всі дані для намотування трансформатора нам відомі. В результаті самостійного виготовлення має вийти щось подібне, а може і краще (обмотки краще розміщувати рівномірніше по кільцю):

Переходимо безпосередньо до схемотехнічної частини розробки.

Проектування схеми електричної принципової ДБЖ

Ми вже визначили, що імпульсний блок живлення у нас буде двотактний із напівмостовим включенням силового кінцевого каскаду, що складається із двох потужних MOSFET IRFP460. Як ШІМ-контролера вибрали мікросхему К1156ЕУ2Р. Тепер перед нами стоїть завдання щодо об'єднання всіх трьох функціональних модулів, кожен з яких має свою електричний ланцюг. Замість того, щоб винаходити велосипед, можна доопрацювати типову електричну схему вже спроектованого ДБЖ на обраному нами контролері. Зрештою, ми отримали такий варіант схеми імпульсного блоку живлення:

Як можна бачити, до неї входять усі три модулі, розглянуті нами вище.

Додатково за допомогою реле та обмежуючого резистора R1 (типу С5-16MB або С5-5В) на вході реалізований плавний пуск, що дозволяє уникнути різких кидків струму. Реле можна застосувати на напругу 12, так і 24 вольта з підбором резистора R19. Варістор RU1 захищає вхідний ланцюг від імпульсів надмірної амплітуди. Конденсатори С1-С4 і двообмотувальний дросель L1 утворюють мережевий перешкодний фільтр, що запобігає проникненню високочастотних пульсацій, створюваних перетворювачем, в мережу живлення. L1 намотується до заповнення вікна дротом діаметром 0,5 мм на магнітопроводі Ш7х7 з альсиферу ТЧ60, ТЧК55 або фериту типу 2000НМ. Обмотки дроселя містять однакову кількість витків. Можна застосувати магнітопровід типу К24х14х7. Тоді мотають 50 витків у 2 дроти.

Підлаштування резистор R16 і конденсатор С12 визначають частоту перетворення. Для зменшення ЕРС самоіндукції трансформатора Т2 паралельно до каналів транзисторів включені демпферні діоди VD7 і VD8. Діоди Шоттки VD2 і VD3 захищають комутують транзистори та виходи мікросхеми DA2 від імпульсів зворотної напруги.

Струмовий трансформатор Т1 намотаний на феритовому кільці К10×6x3 марки 4000НМ або на К12×8x3 марки 2000НМ. Первинна обмотка містить 1 виток дроту діаметром 0,5 мм або монтажного дротуу полівінілхлоридній ізоляції. Вторинна обмотка - 100 витків з відведенням від середини дроту ПЕЛШО діаметром 0,06...0,12 мм. Обмотки слід ізолювати, наприклад, лакотання. Струм протікає через первинну обмотку трансформатора Т1. Напруга вторинної обмотки через резистор R12 надходить на вхід компаратора 9 струму виведення мікросхеми DA2. У момент, коли напруга на цьому вході перевищить поріг спрацьовування компаратора (1 вольт), генерація імпульсів збудження буде припинено. Струм спрацьовування захисту залежить від числа витків вторинної обмотки трансформатора Т1, ємності конденсатора С8 та опору резисторів R8, R9 (підстроювальний), R12.

З моменту включення в мережу до збудження інвертора мікросхема К1156ЕУ2Р отримує харчування від параметричного стабілізаторанапруги на резисторі R2 (опір якого, можливо, потрібно буде знизити) та стабілітроні VD4 через діод VD5. У цьому режимі мікросхема споживає струм трохи більше 2 мА. Після збудження інвертора ШІМ-контролер живить допоміжний випрямляч VD13-VD16, напруга з якого стабілізована мікросхемою КР142ЕН8В (або будь-який інший на напругу стабілізації 15 вольт). Діоди VD5 та VD18 виключають взаємний вплив двох джерел живлення мікросхеми К1156ЕУ2Р.

Оптрон U1 забезпечує гальванічну розв'язку ланцюга зворотного зв'язку. Ланцюг ОС потрібна для стабілізації вихідної напруги імпульсного блоку живлення. Якщо воно перевищить номінальне, то різко зросте струм через стабілітрон VD17 і діод випромінювання оптрона. Внаслідок цього відкривається фототранзистор оптрона. Напруга на вході компаратора зворотного зв'язку з напругою збільшується (1 ніжка мікросхеми). Зменшується тривалість імпульсів на виході генератора. Це призводить до зниження вихідної напруги до номінального рівня.

Принцип дії схеми імпульсного блоку живлення має бути зрозумілим. Тепер перейдемо до порад з проектування компонування друкованої плати та монтажу радіодеталей.

На закінчення варто кілька слів приділити такому негативному явищу, як скін-ефект. Внаслідок нього змінний струмвисокої частоти при протіканні по провіднику розподіляється не рівномірно перетином, а переважно в поверхневому шарі. Це може мати сумні наслідки нашого імпульсного трансформатора при великих потужностях. Тому рекомендується мотати силові обмотки трансформатора не поодиноким дротом великого перерізу, т.к. користі від нього ніякої не буде, а «кіскою», сплетеною з кількох дротів меншого діаметра. Виходить свого роду літцендрат. Тим самим ми покращимо добротність обмоток, підвищимо ККД та якість імпульсного трансформатора. Зверніть увагу, як намотана первинна обмотка:

На фото 8 кісок по 15 дротів у кожній. Виглядає солідно, чи не так?

Епілог

У даній, як виявилося, далеко некороткій статті розглянуті найважливіші моментиконструювання імпульсних боків живлення, з якими обов'язково зіткнеться кожен, хто зважився на створення ІІП радіоаматор. Ми намагалися максимально чітко розписати весь алгоритм дій. Докладніше розглянули моменти, на яких варто звернути увагу. Усі додаткові поради та рекомендації викладайте у коментарях.

Пропонуємо розглянути, що таке імпульсний блок живлення (ДБЖ), як він працює, а також як зробити цей пристрій у домашніх умовах.

Загальна інформація про ДБЖ

ДБЖ - це пристрій, який випрямляє мережну напругу, а потім формує з нього імпульси частотою більше 10 кГц, які потім подаються на спеціальний імпульсний трансформатор.

ДБЖ являє собою електронний перетворювач, який включає імпульсний регулятор, для ефективного перетворення електричної енергії і широтно-імпульсний модулятор (ШІМ). Як і інші джерела живлення, ДБЖ передає потужність джерела електромережі до навантаження, в цей час перетворюючи напругу.

Схема Імпульсний блокхарчування

В ідеалі імпульсний блок живлення не розсіює жодної енергії. На противагу цьому, лінійне джерело живлення регулюючи вихідну напругу, безперервно розсіює енергію на p-n переходітранзистора. Таким чином, висока ефективність перетворення є важливою перевагою імпульсного джерела живлення перед лінійним. Крім того, будь-який простий імпульсний блок живлення набагато компактніший, ніж трансформаторний з лінійним стабілізатором, але при цьому не поступається ефективності.

Фото — Мережевий імпульсний блок живлення

Імпульсні блоки живлення використовуються як заміна лінійних, тому що мають менший розмір і вагу при схожій ефективності.

Відео: як зробити простий блок живлення (імпульсний)

Принцип дії

Розглянемо за циклами принцип роботи простого імпульсного блоку живлення.

Якщо ДБЖ має вхідну напругу змінного струму наприклад, в комп'ютері, ПК, ноутбуці, то перший етап полягає в перетворенні вхідної змінної напруги на постійний. Блок живлення з входом, розрахованим на вхідну напругу постійного струму не вимагає цієї стадії. У деяких блоках живлення, наприклад, комп'ютерних, електрична схемавипрямляча може бути налаштована, як у подвоювача напруги шляхом додавання перемикача керованого вручну або автоматично. Ця функція дозволяє працювати джерелам живлення від мережі, яка зазвичай видає 115 В або 230 В.

Випрямляч згладжує нерегульовану змінну напругу в постійне, яке потім відправляється в накопичувальний конденсаторний фільтр. Струм, що споживається від джерела живлення цього ланцюга (випрямляча), трансформується в короткі імпульси навколо піків напруги змінного струму.

Дані сигнали мають значну енергію високої частоти, яка зменшує коефіцієнт потужності імпульсного трансформатора, завдяки чому вдається зменшити його габарити. Для корекції цього явища багато нових ДБЖ використовують спеціальну PFC схему, щоб змусити вхідний струм слідувати синусоїдальної формі вхідної напруги змінного струму і для корекції коефіцієнта потужності. Імпульсні джерела живлення, які використовують Active PFC – зустрічаються в камерах відеоспостереження, комп'ютерах, тощо, що підтримують вхідну напругу від ~ 100 Вольт змінного струму до 250 В.

Імпульсний зворотний ходовий блок живлення призначений для входу змінної напруги, як правило, так само він може працювати і від джерела постійного струму, так як постійна напруга проходитиме через мостовий або напівмостовий випрямляч без змін. Якщо блок живлення призначений для 115 В і не має перемикача напруги, то потрібна напруга 163 постійного струму (115 × √2).

Але це тип використання то, можливо шкідливим для випрямляча, т.к. він буде використовувати половину діодів у випрямлячі для повного навантаження. Це може призвести до перегріву одного із складових випрямляча, через що значно знижується його довговічність. З іншого боку, якщо джерело живлення має перемикач режимів вхідної напруги 115/230В (комп'ютерний AT-АТХ блок живлення Panasonic, Samsung, dvd-привід Vbulletin), перемикач повинен бути встановлений в положення 230 і отримувати необхідну напругу 325 В постійного струму (230 ×√2).

Діоди в цьому типі живлення будуть добре випрямляти змінну напругу, так як вони, за своїми параметрами повторюють двополярний подвоювач напруги. Єдиним недоліком такого простого блокує його недовговічність.

Після того як мережна напруга стала випрямленою, вона надходить на інвертор.

Інвертор імпульсного блоку живлення перетворює постійний струму змінний, запустивши його через комутатор напруги, чия вихідна енергія трансформації дуже невелика, з кількома десятками витків обмотки трансформатора на частоті десятків чи сотень кілогерц, він працює як УНЧ. Частота зазвичай вибирається вище 20 кГц, щоб зробити її не чутною для людини. Комутація виконана як багатоступінчастого сигналу ШИМ на ключових MOSFET транзисторах. MOSFET транзистори є типом пристроїв з низьким опором відкритого переходу і високою здатністю проходження великих струмів.

Принцип роботи імпульсного блоку живлення

Якщо виходи повинні бути ізольовані від входу, як це зазвичай буває в мережевих джерелах живлення, інвертований змінний струм використовується для первинної обмотці високочастотного трансформатора. Трансформатор вже підвищує або знижує напругу вторинної обмоткидо необхідного рівня. На блок-схемі видно на виході трансформатора.

Принципова схема джерела живлення

Для вихідної напруги вище десяти вольт використовуються кремнієві діоди. При більш низьких напругахзазвичай використовуються діоди Шоттки як елементи випрямляча; вони мають переваги:

1. Швидше час відновлення, ніж у кремнієвих діодів (дозволяє працювати з малими втратами на високих частотах);
2. Низьке падіння напруги під час проходження струму. Для ще більш низьких вихідних напруг, малогабаритні ДБЖ використовують транзистор як синхронні випрямлячі, в такому випадку саме в транзисторі відбуваються основне випрямлення змінної напруги.

Потім проводиться згладжування за допомогою фільтра, що складається з дроселя та конденсатора. При більш високих частотах комутації необхідні компоненти з нижчою ємністю та індуктивністю.

Мініатюрний імпульсний блок

Простіший неізольований імпульсний джерело живлення містить дросель замість трансформатора. До такого типу відносяться перетворювачі, що підвищують і знижують. Вони належать до найпростішого класу з одним входом та одним виходом, які використовують один дросель та один активний перемикач.

Як зробити блок живлення своїми руками

Зібрати середньо-потужний або малопотужний імпульсний блок живлення своїми руками для портативного телевізора або планшетного комп'ютераможна у домашніх умовах.

Покроковий опис, як зробити мініатюрний універсальний саморобний ДБЖ, який підійде для настільної світлодіодної лампи, приймача, музичного плеєра:

1. Виберіть зарядний пристрій, який може забезпечити достатній струм для заряджання акумулятора. Перевірте перетворювачі, призначені для великих позашляховиків, якщо робите складну систему.

Схема простого ДБЖ

Перевірте сонячні джерела живлення для будинків та інвертори для великих систем. Переконайтеся, що контакти зарядного пристроюздатні передати потужність для живлення вашого навантаження.

1. Виберіть батареї глибокого циклу. Не використовуйте автомобільний акумулятор. Якщо ви будете використовувати гелеві або батареї, що не обслуговуються, то система буде працювати справно. Для великих систем, що складаються з декількох батарей глибокого циклу, потрібно вибирати тільки AGM або акумулятори з рідким електролітом.

Перевірте, чи батареї вентилюються для виходу водню. Якщо ви купуєте акумулятори з рідким електролітом, переконайтеся, що пристрій підтримує вирівнювання щільності заряду. Свинцево-кислотні батареї продаються номіналом 6 та 12 вольт. Вам потрібно буде з'єднати їх послідовно, щоб підняти напругу, або паралельно, щоб збільшити потужність ампер-годин.

Фото — Джерело живлення з акумуляторами

Розрахунок акумуляторів для імпульсних блоків живлення з контролером заряду та без нього:

12 вольт = 2x6V – необхідно два 6 вольтові акумулятори, з'єднані послідовно;

24 вольт = 4x6V або 2x12V батареї у послідовному з'єднанні.

Не змішуйте різні типибатарей. Нові батареї, додані в існуючий комплект, сприятимуть зниженню заряду первинних.

1. Виберіть інвертор. Необхідно купити однотактний або двотактний інвертор, що підвищує. Потужність інвертора у ватах повинна бути в 3-7 разів більша, ніж у номінального струмунавантаження. Інвертори доступні для вхідної напруги від 12, 24, 36, 48 і до 96 вольт. Що напруга, то краще, особливо у великих систем. 12 вольт є найпоширенішим, але в жодному разі не можна розглядати 12 вольт для системи більше, ніж 2400 Вт потужності.

1. За допомогою кабелів з'єднайте інвертор, акумулятор та інші прилади. Для з'єднання деталей необхідно брати не важкі дроти, щоб вони не тягнули контакти. Обов'язково перевіряйте зв'язок за допомогою мультиметра.

1. Відзначивши полярність на дротах, надійно прикріпіть силовий кабельдо батареї акумуляторів і контролера заряду, це можна зробити з використанням паяльника. За допомогою мультиметр перевірте всі з'єднання провідників.

1. Підготуйте систему заряджання. Підключіть зарядний пристрій до мережі та увімкніть його.

1. Тепер необхідно провести налагодження системи імпульсного блоку живлення, розглянемо, як перевірити інвертор. Прикріпіть та підключіть прилад, якщо він розташований окремо від зарядного пристрою. Підключіть кабелі до батарей, позначивши полярність. Увімкніть інвертор та перевірте показання приладу з різними навантаженнями змінного струму.

Головні ознаки несправності імпульсного блоку:

1. Вогонь;
2. Іскри.

Залиште інвертор на ніч з навантаженням, аналогічним до планованого, і батарею заряджатися на всю ніч. Вранці батарея повинна бути повністю заряджена.

Саморобні імпульсні блоки живлення найпростіше переробляти з готових, на мікросхема ШИМ серії IR2151, TL431, UC3842 з автоматичним керуванням (регулюванням), їх схемотехніка ідеально підходить для даної роботи.

Головна умова – працювати із захистом! Потрібно надягати рукавички, окуляри, захисні маски.

Звичайно, для роботи DVD-плеєра або лампи освітлення можна придбати дешевий китайський прилад. Але для польових робіт краще придбати імпульсний блок живлення на 12 В (як для ПК) на мікросхемах IR2153, TL494, його ціна задоволена прийнятна, а схема роботи універсальна. Знайти прилад можна у будь-якому електротехнічному магазині Вашого міста.

Також зверніть увагу на моделі на мікросхемах таких фірм як: APC, Logicpower, CyberPower, FSP, Dyno, Eaton, Robiton, PSU, PSS, TOP, Samsung. Регулярно проводьте плановий ремонт техніки, плати повинні перевіряти кожні півроку.