Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы. Книга 2

Импульсные источники питания

Импульсный источник питания («импульсник») – это попытка реализовать преимущества как нестабилизированной, так и линейной стабилизированной конструкций источников питания (небольшой, эффективный и дешевый, но при этом с «чистым», стабильным выходным напряжением). Импульсные источники питания работают по принципу выпрямления входного переменного напряжения в постоянное напряжение, повторного преобразования его в высокочастотное прямоугольное переменное напряжение с помощью транзисторов, работающих как ключи (открыт/закрыт), затем понижения или повышения этого переменного напряжения с помощью небольшого трансформатора, а затем выпрямления выходного переменного напряжения трансформатора в постоянное напряжение и фильтрации до конечного выходного напряжения

Стабилизация напряжения достигается путем изменения скважности («коэффициента заполнения») преобразования постоянного напряжения в переменное на первичной обмотке трансформатора. В дополнение к меньшему весу трансформатора из-за меньшего сердечника, «ипульсники» имеют еще одно огромное преимущество по сравнению с предыдущими двумя конструкциями: этот тип источника питания может быть сделан настолько независимым от входного напряжения, что он может работать в любой системе электроснабжения в мире; эти источники питания называются «универсальными»

Недостатком импульсных источников питания является то, что они являются более сложными, и из-за своего принципа действия они имеют тенденцию генерировать много высокочастотного «шума» на линии питания. Большинство «импульсников» также имеет на выходе значительные пульсации напряжения. У более дешевых типов эти шум и пульсации могут быть такими же плохими, как и у нестабилизированного источника питания; такие низкобюджетные «импульсники» не бесполезны, потому что они по-прежнему обеспечивают стабильное среднее выходное напряжение и обладают возможностями «универсального» входа.

На выходе дорогих импульсных источников питания пульсаций нет, а шум почти такой же низкий, как у некоторых линейных стабилизаторов; эти «импульсники», как правило, стоят также дорого, как и источники питания с линейными стабилизаторами. Причиной использования дорогого «импульсника» вместо хорошего источника с линейным стабилизатором является необходимость универсальной совместимости с системами электроснабжения или высокая эффективность. Высокая эффективность, малый вес и малые размеры – вот причины, по которым импульсные источники питания практически повсеместно используются для питания цифровых компьютерных схем.

Снаббер

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

Различные схемы демпферов.

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

Основным (и единственным) действующим элементом демпфера является конденсатор. Он «поглощает» импульсные выбросы. Резистор лишь ухудшает демпфирующие свойства, но ограничивает ток через конденсатор, который может достигнуть значительных величин, хотя и кратковременно. Такая схема более актуальна в тиристорных преобразователях.

Что такое снаббер или демпфер можете узнать посмотрев видео.

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

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

Схемы инверторов

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

Пуш-пульная схема

Схема пуш-пульного преобразователя.

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

Управление транзисторами с учетом Dead time.

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

Мостовая схема

От главного недостатка предыдущей схемы свободна двухтактная мостовая.

Двухтактная мостовая схема инвертора.

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

Полумостовая схема

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

Полумостовая схема.

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

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

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

Однотактные схемы

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

Две фазы работы обратногоходового однотактного инвертора.

Результаты

У читателя возникает резонный вопрос: «Что же можно в итоге получить от схемотехнических «ухищрений», и на сколько возрастет стоимость конечного изделия?». Попробуем на него ответить.

Корректор коэффициента мощности

Как следует из рис. 6, оптимальным вариантом можно считать классическую схему с SiC-диодом Шоттки Zero Recovery (Cree). Во-первых, можно использовать стандартный контроллер с управлением по среднему току

Во-вторых, значительное снижение тепловой нагрузки на силовые компоненты повышает надежность ККМ, что особенно важно в необслуживаемой аппаратуре. Следовательно, увеличение стоимости в основном определяется SiC-диодом Шоттки

Например, если вместо 15ETH06 (IR, ~$1) использовать CSD10060A (Cree, ~$9), то разница в стоимости составит всего $8.

Преобразователь

Возможность использования стандартного контроллера с частотным управлением для реализации резонансного преобразователя позволяет утверждать, что его стоимость практически эквивалентна стоимости классического ШИМ, также выполненного на базе стандартного контроллера. Дополнительные компоненты формирующего контура компенсируются отсутствием элементов снабберных цепей. При этом радикальное снижение тепловой нагрузки и отсутствие стрессовых коммутационных переходных процессов значительно повышают надежность этого узла вторичного источника питания.

Выпрямитель

Выбор схемы выпрямления в первую очередь определяется выходными параметрами вторичных источников питания. Если при требуемых напряжении и токе возможен значительный выигрыш при использовании синхронного выпрямления (рис. 13), то следует отдать предпочтение ему.

Стоимость компонентов схемы, приведенной на рис. 14, составляет около $20, диода Шоттки — около $3, а соотношение потерь — 1:4.

Рис. 16.

В заключение приведем графики зависимости КПД от мощности вторичного источника питания с выходным напряжением 60 В (рис. 16), построенных с использованием различных схемотехнических решений (без учета потерь в силовом трансформаторе и дросселе ККМ). Как видно из рисунка, хорошая схемотехника дает выигрыш 7-10%, а это около 80 Вт тепла на 1 кВт полезной мощности. Воспользоваться им можно по-разному: уменьшить габариты, отказаться от принудительного охлаждения, снизить тепловую нагрузку на силовые приборы для увеличения надежности и т. п. Цена такого увеличения эффективности ничтожна по сравнению с преимуществами, которые оно дает.

Инструкция по переделке компьютерного блока питания в лабораторный

Любой БП от компьютера – практически готовый мощный и надежный лабораторный блок питания. Единственное, чего ему не хватает, – регулировки напряжения и тока. Но для того, кто читает схемы и умеет держать в руках паяльник, это не проблема. К примеру, переделка компьютерного БП ATX, собранного на ШИМ-контроллере TL494 или его аналоге, будет выглядеть следующим образом:

Отключаем узел стабилизации выходного напряжения. Для этого выпаиваем два резистора, которые соединяют вывод 1 микросхемы ШИМ-контроллера с шинами +12 и +5 В. На приведенном ниже фото отключение делается путем перекусывания перемычки.

Отключаем защиту от перенапряжения. Тут есть два варианта:

1. Выпаиваем диод, отвечающий за узел защиты.
2. Отрезаем 4 ножку микросхемы ШИМ-контроллера и подключаем ее к общей шине питания.

Меняем конденсаторы. Выпаиваем все сглаживающие конденсаторы по линиям +12, -12, +5, -5, +3,3 В. По шине +12 В устанавливаем конденсаторы той же емкости, что и стояли, но на рабочее напряжение не ниже 35 В.

Теперь наш БП выдает напряжение порядка 28 В (по бывшей шине +12 В), можно двигаться дальше. Собираем простенькую схему регулировки тока и напряжения.

Напряжение в этой схеме регулируется резистором R14, а ток – резистором R17. Оснащаем нашу конструкцию измерительными приборами, подключаем к доработанному БП, и лабораторный блок питания готов. С его помощью мы можем регулировать напряжение в диапазоне 1.2…28 В и изменять ток  от 0 до 8 А. Более подробно о такой переделке и о разновидностях блоков питания ПК можно прочитать в статье «что можно сделать из блока питания от компьютера».

На этом беседу о лабораторных блоках питания можно закончить. Как вы убедились, схем подобных конструкций великое множество, причем самой разной сложности. Выбор же конкретного варианта будет зависеть только от ваших умения и желания.

Спасибо, помогло!60Не помогло2

Сейчас читают:

Как сделать импульсный блок питания своими руками: лучшие сборки и схемы

Как защитить блок питания от КЗ и перегрузок

Как сделать блок питания для шуруповерта

Схемы самодельного зарядного устройства с регулировкой тока и напряжения

Как отремонтировать блок питания компьютера своими руками

Силовой трансформатор

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

Интерфейс программы Lite-CalcIT.

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

Другие товары в серии «Практическая схемотехника»

Практическая схемотехника. Книга 3. Преобразователи напряжения, Шустов Михаил Анатольевич

Практическая схемотехника, Додека XXI век 2007, ISBN: 978-5-94120-118-1
287рубКупить

В предлагаемой вашему вниманию книге рассмотрены и систематизированы сведения о перспективных идеях и схемных решениях в области создания преобразователей напряжения

Также рассмотрены классы преобразователей напряжения на основе емкостных и индуктивных накопителей энергии, большое внимание уделено высокоэффективным малогабаритным энергоемким импульсным преобразователям. Рассмотрены принципы создания автогенераторных преобразователей малой и большой мощности, генераторов для получения высокого напряжения

Изложенные в книге сведения могут быть полезны как специалистам-профессионалам, так и радиолюбителям, конструирующим современные устройства преобразования напряжения.
2-е издание, стереотипное.

 

Практическая схемотехника: полупроводниковые приборы и их применение. Кн. 5, Шустов Михаил Анатольевич

Практическая схемотехника, Альтекс 2004, ISBN: 5-94271-025-2
112рубКупить

Издание подробно рассказывает о разнообразных вариантах практического применения лавинных, инжекционно-полевых и однопе-реходных транзисторов, приводятся схемы устройств, использующих динисторы, тиристоры, симисторы, баристоры, туннельные и обращенные диоды. Не забыты и лямбда-диоды, диоды Ганна, а также варика пы, магнитоуправляемые и фоточувствительные полупроводниковые приборы, переключающие диоды, диодные умножители частоты и генераторы шума. Отдельно рассказывается о применении оптоэлектрон-ных приборов. Книга содержит свыше 400 схем и может оказаться полезной радиолюбителям и профессионалам различного уровня подготовки в их практической деятельности.

 

Практическая схемотехника: Контроль и защита источников питания. Кн. 4, Шустов Михаил Анатольевич

Практическая схемотехника, Додека XXI век 2007, ISBN: 5-94271-007-4
349рубКупить

В этой книге освещены вопросы инструментально-приборного и качественного контроля параметров источников питания; различные методы активной и пассивной защиты электронного оборудования при возникновении аварийных ситуаций; основные способы резервирования; цепей питания и нагрузки; устройства и методы восстановления химических источников питания — батарей и аккумуляторов.
Материалы сборника могут быть использованы в качестве справочного пособия при разработке и совершенствовании источников питания, средств и методов их контроля и защиты.
Сборник может оказаться полезным в практической деятельности радиолюбителям и профессионалам различного уровня подготовки.
2-е издание, стереотипное.

 

Выпрямитель

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

Схема выпрямителя со средней точкой и прохождение тока по ней.

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

Схема мостового выпрямителя и прохождение тока по ней.

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

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

Двухполярный выпрямитель со средней точкой.

Первое включение блока

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

Подача напряжения питания от стороннего источника.

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

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

Схема пробного включения БП.

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

В завершении для наглядности рекомендуем к просмотру серию тематических видеороликов.

Лабораторный блок питания с регулировкой напряжения и ограничением по току

Ну а теперь попробуем из вышеприведенных узлов собрать блок питания, при помощи которого можно регулировать выходное напряжение и устанавливать ограничение по току. При этом и напряжение, и установленный ток будут стабилизированными.

Сетевое напряжение понижается до 25 В силовым трансформатором Тr1, выпрямляется диодным мостом VD1-VD4, сглаживается конденсатором С1 и поступает на регулируемый стабилизатор, собранный на микросхеме DD1 и транзисторе Т1. Регулировка производится переменным резистором P1.

Далее напряжение установленной нами величины подается на регулятор-стабилизатор тока (микросхема DD2, транзистор Т2). Регулировка величины тока производится переменным резистором P2. Более подробно оба эти узла описаны выше.  Поскольку микросхема LM358 не может работать при напряжении питания ниже 7 В, она и генератор опорной частоты (стабилитрон D1) подключены непосредственно к выходу выпрямителя.

В конструкции можно использовать любой сетевой трансформатор соответствующей мощности со вторичной обмоткой на  25-28 В. Диоды VD1-VD4 можно заменить на любые выпрямительные, рассчитанные на ток не менее 10 А и выдерживающие обратное напряжение не менее 40 В. Их, как и силовые транзисторы T1, T2, необходимо установить на радиаторы.

Схема на транзисторах

Несмотря на богатый выбор микросхем самого различного назначения блоки питания на транзисторах не теряют популярности. Попробуем и мы построить лабораторный БП на этих полупроводниковых приборах.

В этой схеме регулятор-стабилизатор напряжения собран на транзисторах T1, T2. В качестве генератора опорного напряжения используется регулируемый стабилитрон D1. Регулировать напряжение в диапазоне 2.5…20 В можно переменным резистором P1.

Регулятор тока собран на транзисторах Т3, Т4 и стабилитроне D2, исполняющем роль источника опорного напряжения. В качестве токоизмерительного элемента используется сам полевой транзистор T4. Если падение напряжения на нем превысит определенный порог, транзистор Т3 начнет открываться и шунтировать Т4, заставляя его закрываться и ограничивать ток через нагрузку. Регулировка порога ограничения производится переменным резистором P2.

В схеме вместо диодной сборки KBPC2510 можно использовать отдельные диоды, выдерживающие ток 10 А и обратное напряжение не менее 30 В. Подойдут, к примеру, Д245, Д242. На месте Т1 может работать КТ805 или КТ819, Т2 заменяем на КТ867А. КТ315 можно заменить на КТ315Б-Д, КТ3102А, КТ312Б,  КТ503В-Г, П307. Отечественный аналог TL431 — КР142ЕН19А. Диодный мост, Т1, Т2 и Т4 нужно установить на радиаторы.

Структурная и принципиальная схема основных частей блока

Обобщенная структурная схема импульсного БП.

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

Схема сетевого фильтра.

Назначение входного устройства — защита от двух видов помех:

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

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

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

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

f=1/(2*π*√L*C), где:

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

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

Конструктив синфазного дросселя.

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

Лидеры продаж

Михаил Анчаров. Писатель, бард, художник, драматургРевич Юрий Всеволодович, Юровский Виктор

Стратегия голубого океана. Как найти или создать рынок, свободный от других игроковМоборн Рене, Ким Чан В.

Партии и выборы в современной РоссииЛюбарев Аркадий Ефимович, Кынев Александр Владимирович

Воля неба: картины из жизни ЧингисханаЛундквист Артур

Задачник по введению в математический анализМордкович Александр Григорьевич, Шуркова Мария Владимировна

Пособие для подготовки к экзаменам в ГИБДД по правилам и основам безопасности дорожного движенияПупкин Аркадий Львович

Крипты Терры. Полая гораРайт Крис

Ричард Длинные Руки — принц-регентОрловский Гай Юлий

Пляжный маникюрБукин Денис Сергеевич, Сивогривова Оксана

Растить ребенка..

Как?Ильина Наталья Анатольевна, Хорсанд Диана Валерьевна

ЮАРГартунг Вернер

История ракетно-ядерной гонки США и СССРБуянов Евгений Владимирович

Элементарный курс латинского языкаВарзонин Юрий

Осторожно, история! Мифы и легенды нашей страныДымарский Виталий Наумович, Рыжков Владимир Александрович

Возможно, вам также будет интересно

Все статьи цикла. В первой статье цикла приводятся сведения об областях применения мощных высоковольтных источников питания (ВВИП) и их классификация. Рассмотрены отличия ВВИП от низковольтных ИП. Дается обзор структур построения мощных ВВИП в аспекте их развития. В последующих частях данного цикла будут отмечены особенности реализации собственно высоковольтных блоков, модулей, блоков и их компонентов. В большей

Каковы должны быть минимальные ресурсы микроконтроллера, работающего в составе привода трехфазного BLDC-мотора? Для ответа на этот вопрос необходимо соотнести возможности чипсета с принципами управления указанного двигателя и предъявляемыми к устройству функциональными требованиями. Если мы рассматриваем рынок простых и дешевых схем управления скоростью в таких применениях, как вентиляторы и насосы, то проблема может быть существенно упрощена.

В статье рассматривается система управления многофазным понижающим импульсным преобразователем. Показано, что рассмотренная система отличается тем, что равномерное деление тока нагрузки между фазами в переходных и установившихся режимах осуществляется при заданной ведущей фазе, когда токи дросселей остальных (ведомых) фаз регулируются, поддерживаясь близкими к току дросселя ведущей фазы.