Проектирование импульсного источника питания с активным ккм. эпизод i / хабр

Содержание

ЛАБОРАТОРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

Лабораторный блок питания ни что иное как высококачественный универсальный источник питания с нормированными и термостабильными характеристиками. Эти устройства имеются на любом предприятии, которое занимается разработкой, изготовлением или ремонтом и/или ремонтом радиоэлектронной аппаратуры.

Используют их во время проверки и/или калибровки различных приборов. Кроме того они необходимы в тех случаях, когда нужно с высокой точностью подать питающее напряжение и ток на радиотехническое устройство.

Как правило, лабораторные блоки питания оснащаются всевозможными устройствами защиты (перегрузка, защита от короткого замыкания и пр.) и органами регулировки выходных параметров (напряжение и ток).

Лабораторные блоки оснащают также специальными входами для подачи модулирующих сигналов, что позволяет пользователю формировать выходное напряжение и ток произвольной формы.

Серийно выпускаемые лабораторные источники питания могут быть как линейными, так и импульсными.

Линейные.

Линейные лабораторные БП строятся на базе больших низкочастотных трансформаторов, которые понижают сетевое напряжение ~220 В частотой 50 Гц до определенного значения. Частота переменного тока при этом остается без изменений. Затем синусоидальное напряжение выпрямляется, сглаживается емкостными фильтрами и доводится до заданного значения линейным полупроводниковым стабилизатором.

Приборы, работающие по такому принципу обеспечивают требуемое значение выходного напряжения с высокой точностью. Оно отличается стабильностью и отсутствием пульсаций. Однако они имеют ряд недостатков:

большие габаритные размеры и вес, который может быть больше 20 кг. Из-за этого мощность на нагрузке у таких БП редко превышает 200 Вт.;
низкий КПД (не более 60%), что обусловлено принципом работы линейного стабилизатора, где все избыточное напряжение преобразуется в тепло;
наличие высокочастотных помех, проникающих из сети ~220 в, 50 Гц., для устранения которых необходим сетевой фильтр;
относительно небольшое время наработки на отказ, вызванное старением электролитических конденсаторов.

Импульсные.

В основу работы импульсных лабораторных блоков питания положен принцип заряда сглаживающих конденсаторов импульсным током. Он образуется в момент подключения/отключения индуктивного элемента. Переключение происходит под действием специально оптимизированных транзисторов, а выходное напряжение регулируется путем изменения глубины широтно импульсной модуляции (ШИМ).

Основные преимущества импульсных лабораторных источников обеспечиваются за счет:

плавного изменения глубины ШИМ, что в свою очередь, позволяет закачивать в сглаживающие конденсаторы такое количество энергии, которое соизмеримо с энергопотреблением нагрузки БП. При этом КПД блока питания может достигать 90 и более процентов;
высокочастотной составляющей, которая дает возможность использования сглаживающих конденсаторов значительно небольшой емкости.

За счет этого габаритные размеры корпуса невелики. Кроме того, за счет более высокого КПД значительно уменьшается выделение тепла и улучшается температурный режим работы источника питания.

Существенным недостатком импульсных лабораторных блоков, несколько ограничивающих их применение являются:

высокочастотные пульсации на выходе, которые достаточно тяжело отфильтровать;
радиочастотные наводки и их гармоники, вызванные периодическими токовыми импульсами.

При работе с радиочастотными схемами импульсные блоки питания необходимо располагать на максимальном расстоянии от них или использовать трансформаторные схемотехнические решения.

Основным техническим параметром лабораторных источников электро энергии является мощность. Здесь существует такое подразделение:

стандартные, мощностью до 700 Вт. Их максимальный вес не превышает 15 кг.;
большой мощности.

Стандартные исполнения могут быть как трансформаторными, так и импульсными. Предназначены они для работы с напряжениями в диапазоне от 15 до 150 В. При этом максимальный ток ограничивается величиной порядка 25 А. Как правило, они имеют от одного до трех каналов, из которых два являются регулируемыми.

Как проверить электрический стабилизатор

Эта проверка выполняется довольно просто. Для этого необходимо взять следующие устройства:

Две настольные лампы.
Стабилизатор.
Электрическую плитку.
Удлинитель питания с 3-мя гнездами.

Порядок проверки:

Вставить вилку удлинителя в домашнюю розетку.
Стабилизатор подключить к удлинителю.
К стабилизатору подключить настольную лампу на 60 Вт.
Подключить электрическую плитку к удлинителю.

Случается, и такая ситуация, когда люди не понимают работу стабилизатора, и сетуют на его плохую работу, хотя дело совершенно не в этом. Это получается так, что стабилизатор обесточивает нагрузку неожиданно, при стирке белья в машине автомате

. Но в этом нет никаких неисправностей.Стиральная машина-автомат является мощным потребителем электрической энергии, но ее мощность распределяется неравномерно .При нагревании воды мощность может достигать до 5 кВт, а при обычной стирке уменьшается до 2 кВт .Из уроков физики средней школы известно, что если на входе трансформатора уменьшить напряжение, а на выходе увеличить напряжение, то выходная мощность также значительно снизится . Смотрите статью про стабилизатор для стиральной машины.

Поэтому может возникнуть такая ситуация, что при уменьшении напряжения на выходе стабилизатора напряжения мощности будет достаточно для вращения барабана, но недостаточно для нагревания воды. В этом случае необходимо выключить все лишние потребители и налить в машину, отдельно нагретую воду.

Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций

Правило №2: у качественных ИБП в конструкции блока должен работать надежный фильтр в/ч сигналов.

Важно понимать, что импульсы высокой частоты играют двоякую роль:

в/ч помехи могут приходить из бытовой сети в блок питания;
импульсы высокочастотного тока генерируются встроенным преобразователем и выходят из него в домашнюю проводку.

Причины появления помех в бытовой сети:

апериодические составляющие переходных процессов, возникающие от коммутации мощных нагрузок;
работы близкорасположенных приборов с сильными электромагнитными полями, например, сварочных аппаратов, мощных тяговых электродвигателей, силовых трансформаторов;
последствия погашенных импульсов атмосферных разрядов и других факторов, включая наложение высокочастотных гармоник.

Помехи ухудшают работу радиоэлектронной аппаратуры, мобильных устройств и цифровых гаджетов. Их необходимо подавлять и блокировать внутри конструкции импульсного блока питания.

Основу фильтра составляет дроссель, выполненный двумя обмотками на одном сердечнике.

Дроссели могут быть выполнены разными габаритами, намотаны толстой или тонкой проволокой на больших или маленьких сердечниках.

Начинающему мастеру достаточно запомнить простое правило: лучше работает фильтр с дросселем большого магнитопровода, увеличенным числом витков и поперечным сечением проволоки. (Принцип: чем больше — тем и лучше.)

Дроссель обладает индуктивным сопротивлением, которое резко ограничивает высокочастотный сигнал, протекающий по проводу фазы или нуля. В то же время оно не оказывает особого влияния на ток бытовой сети.

Работу дросселя эффективно дополняют емкостные сопротивления.

Конденсаторы подобраны так, что закорачивают ослабленные дросселем в/ч сигналы помех, направляя их на потенциал земли.

Принцип работы фильтра в/ч помех от проникновения на блок питания входных сигналов показан на картинке ниже.

Между потенциалами земли с нулем и фазой устанавливают Y конденсаторы. Их конструктивная особенность — они при пробое не способны создать внутреннее короткое замыкание и подать 220 вольт на корпус прибора.

Между цепями фазы и нуля ставят конденсаторы, способные выдерживать 400 вольт, а лучше — 630. Они обычно имеют форму параллепипеда.

Однако следует хорошо представлять, что ИБП в преобразователе напряжения сами выправляют сигнал и помехи им практически не мешают. Поэтому такая система актуальна для обычных аналоговых блоков со стабилизацией выходного сигнала.

У импульсного блока питания важно предотвратить выход в/ч помех в бытовую сеть. Эту возможность реализует другое решение

Как видите, принцип тот же. Просто емкостные сопротивления всегда располагаются по пути движения помехи за дросселем.

Третья схема в/ч фильтра считается универсальной. Она объединила элементы первых двух. Y конденсаторы в ней просто работают с двух сторон каждого дросселя.

У самых дорогих и надежных устройств используется сложный фильтр с дополнительно подключенными дросселями и конденсаторами.

Сразу же показываю схему расположения фильтров на всех цепочках блока питания: входе и выходе.

Обратите внимание, что на кабель, выходящий из ИБП и подключаемый к электронному прибору, может быть дополнительно установлен ферритовый фильтр, состоящий из двух разъемных полуцилиндров или выполненный цельной конструкцией

Примером его использования является импульсный блок питания ноутбука. Это уже четвертый вариант применения фильтра.

Регулятор напряжения

Как правило, в самодельных небольших электронных устройствах питание обеспечивает типовой ИБП ПК, выполненный на TL494CN. Схема включения БП ПК общеизвестна, а сами блоки легкодоступны, поскольку миллионы старых ПК ежегодно утилизируются или продаются на запчасти. Но как правило, эти ИБП вырабатывают напряжения не выше 12 В. Этого слишком мало для частотно-регулируемого привода. Конечно, можно было бы постараться и использовать ИБП ПК повышенного напряжения для 25 В, но его будет трудно найти, и слишком много мощности будет рассеиваться на напряжении 5 В в логических элементах.

Однако на TL494 (или аналогах) можно построить любые схемы с выходом на повышенную мощность и напряжение. Используя типичные детали из ИБП ПК и мощные МОП-транзисторы от материнской платы, можно построить ШИМ-регулятор напряжения на TL494CN. Схема преобразователя представлена на рисунке ниже.

На ней можно увидеть схему включения микросхемы и выходной каскад на двух транзисторах: универсальном npn- и мощном МОП.

Основные части: T1, Q1, L1, D1. Биполярный T1 используется для управления мощным МОП-транзистором, подключенным упрощенным способом, так наз. «пассивным». L1 является дросселем индуктивности от старого принтера HP (около 50 витков, 1 см высота, ширина 0,5 см с обмотками, открытый дроссель). D1 — это диод Шоттки от другого устройства. TL494 подключена альтернативным способом по отношению к вышеописанному, хотя можно использовать любой из них.

С8 – конденсатор малой емкости, чтобы предотвратить воздействие шумов, поступающих на вход усилителя ошибки, величина 0,01uF будет более или менее нормальной. Большие значения будут замедлять установку требуемого напряжения.

С6 — еще меньший конденсатор, он используется для фильтрации высокочастотных помех. Его емкость — до нескольких сотен пикофарад.

Особенности импульсного варианта ЭН

Аналоговые электронные нагрузки безусловно хороши и многие из тех, кто использовал ЭН при наладке силовых устройств, оценили ее преимущества. Импульсные ЭН имеют свою изюминку, давая возможность для оценки работы блока питания при импульсном характере нагрузки таком, как, например, работа цифровых устройств. Мощные усилители звуковых частот так же оказывают характерное влияние на питающие устройства, а потому, неплохо было бы знать, как поведет себя блок питания, расчитанный и изготовленный для конкретного усилителя, при определенном заданном характере нагрузки.

При диагностике ремонтируемых блоков питания эффект применения импульсной ЭН так же заметен. Так, например, с помощью импульсной ЭН была найдена неисправность современного компьютерного БП. Заявленная неисправность данного 850-ваттного БП была следующей: компьютер при работе с этим БП выключался произвольно в любое время при работе с любым приложением, независимо от потребляемой, на момент выключения, мощности. При проверке на обычную нагрузку (куча мощных резисторов по +3В, +5В и галогенных лампочек по +12В) этот БП отработал на «ура» в течении нескольких часов при том, что мощность нагрузки составила 2/3 от его заявленной мощности. Неисправность проявилась при подключении импульсной ЭН к каналу +3В и БП начал отключаться, едва стрелка амперметра доходила до деления 1А. При этом токи нагрузки по каждому из прочих каналов положительного напряжения не превышали 3А. Неисправной оказалась плата супервизора и была заменена на аналогичную (благо, был такой же БП с выгоревшей силовой частью), после чего БП заработал нормально на максимальном токе, допустимом для используемого экземпляра импульсной ЭН (10А), которая и является предметом описания в данной статье.

Импульсный блок питания на TL494 своими руками — схема и подробная инструкция по монтажу

Схема импульсного блока питания на TL494

ШИМ контроллер (IC1) — TL494.
Операционный усилитель (IC2) — LM324.
2 линейных регулятора (VR1, VR2) — L7805AB и LM7905.
4 биполярных транзистора T1, T2 — C945 и T3, T4 — MJE13009.
2 диодных моста — VDS2 (MB105) и VDS1 (GBU1506).
5 выпрямительных диодов (D3–D5, D8, D9) — 1N4148.
2 выпрямительных диода (D6, D7) — FR107.
2 выпрямительных диода (D10, D11) — FR207.
2 выпрямительных диода (D12, D13) — FR104.
Диод Шоттки (D15) — F20C20.
5 дросселей — L1 (100 мкГн), L5 на желтом кольце (100 мкГн), L3, L4 (10 мкГн), L6 (8 мкГн).
Синфазный дроссель (L2) — 29 мГн.
2 импульсных трансформатора — Tr1 (EE16) и Tr2 (EE28–EE33, ER35).
Трансформатор (Tr3) — BV EI 382 1189.
Предохранитель (F1) — 5А.
Терморезистор (NTC1) — 5.1 Ом.
Варистор (VDR1) — 250 В.
Резисторы — R1, R9, R12, R14 (2.2 кОм); R2, R4, R5, R15, R16, R21 (4.7 кОм); R3 (5.6 кОм); R6, R7 (510 кОм); R8 (1 Мом); R13 (1.5 кОм); R17, R24 (22 кОм); R18 (1 кОм);
R19, R20 (22 Ом); R22, R23 (1.8 кОм); R27, R28 (2.2 Ом); R29, R30 (470 кОм, 1–2 Вт); R31 (100 Ом, 1–2 Вт); R32, R33 (15 Ом); R34 (1 кОм, 1–2 Вт).
Переменные резисторы (R10, R11) — 10 кОм, можно использовать 3 или 4.
Резисторы (R25, R26) — 0.1 Ом; шунты, мощность зависит от выходной мощности БП.
Конденсаторы — C1, C8, C27, C28, C30, C31 (0.1 мкФ); C3 (1 нФ, пленочный); C4–C7 (0.01 мкФ); C10 (0.47 мкФ, 275 В, X); C12 (0.1 мкФ, 275 В, X); C13, C14, C19 (0.01 мкФ, 2 кВ, Y); C20 (1 мкФ, 250 В, пленочный); C21 (2.2 нФ, 1 кВ); C23, C24 (3.3 нФ).
Электролитические конденсаторы — C2, C9, C22, C25, C26, C34, C35 (47 мкФ); C11 (1 мкФ); C15, C16 (2.2 мкФ); C17, C18 (470 мкФ, 200 В); C29, C32, C33 (1000 мкФ, 35 В).
2 светодиода — D1 (зеленый, 5 мм) и D2 (красный, 5 мм), либо просто диоды, если не нужна индикация.

Корпус Z4A.
Выключатель — 250 В, 6 А.
Держатель для предохранителя.
Розетка для подключения к сети 220 В.
Вилка для подключения к сети 220 В.
Разъём для выходного напряжения.
Вентилятор 12 В.
Вольтметр.
Амперметр.

Входное напряжение — 220 вольт переменного тока.
Выходное напряжение — от 0 до 30 вольт постоянного тока.
Выходной ток составляет более 15 А (фактически тестированное значение).
Режим стабилизации напряжения.
Режим стабилизации тока (защита от короткого замыкания).
Индикация обоих режимов светодиодами.
Малые габариты и вес при большой мощности.
Регулировка ограничения тока и напряжения.

pechatnaya-plata-dlya-impulsnogo-bloka-pitaniya.rar Видео о тестировании данного блока питания:

Принципиальная схема ЛБП 0-30В

Более подробно про номиналы радиоэлементов к данной схеме смотрите на форуме.

Технические характеристики блока питания

Входное напряжение: ……………. переменное 25 В
Входной ток: ……………. 3 A (Макс.)
Выходное напряжение: …………. 0 до 30 В регулируемое
Выходной ток: …………. 2 мА — 3 A регулируемый
Пульсации выходного напряжения: …. не более 0.01 %

Начнем с сетевого трансформатора со вторичной обмоткой мощностью 24 В/3 A, который подключен через входные контакты 1 и 2. Переменное напряжение вторичной обмотки трансформаторов выпрямляется мостом, образованным четырьмя диодами D1-D4. Напряжение постоянного тока, на выходе моста сглаживается фильтром из конденсатор C1 и резистора R1.

Далее схема работает следующим образом: диод D8 — стабилитрон 5,6 В, здесь работает с нулевым током. Напряжение на выходе U1 постепенно увеличивается до его включения. Когда это происходит, схема стабилизируется и опорное напряжение (5,6 В) проходит через резистор R5. Ток, который течет через инвертирующий вход ОУ является незначительным, поэтому один и тот же ток проходит через R5 и R6, и, как два резисторы имеют то же самое значение напряжения между двумя из них в серии будет ровно в два раза больше напряжения по каждой из них. Таким образом, напряжение на выходе ОУ (выв. 6 U1) 11,2 В, в два раза больше опорного напряжения стабилитрона. ОУ U2 имеет постоянный коэффициент усиления примерно 3 по формуле A=(R11+R12)/R11, и поднимает контрольное напряжение 11.2 В до 33 В. Переменник RV1 и резистор R10 используются для регулировки выходного напряжения таким образом, что оно может быть снижено до 0 вольт.

Другой важной особенностью схемы является возможность задать максимальный выходной ток, который можно преобразовать от источника постоянного напряжения на постоянном токе. Чтобы сделать это возможным схема отслеживает падение напряжения на резисторе R25, который соединен последовательно с нагрузкой

Ответственным за эту функцию есть элемент U3. Инвертирующий вход U3 получает стабильное напряжение.

Конденсатор C4 увеличивают устойчивость схемы. Транзистор Q3 используется для обеспечения визуальной индикации ограничителя тока.

Теперь давайте рассмотрим основы построения электронной схемы на печатной плате. Она изготавливается из тонкого изоляционного материала, покрытого тонким слоем проводящей меди таким образом, чтобы сформировать необходимые проводники между различными компонентами схемы

Использование правильно спроектированной печатной платы — это очень важно, так как это ускоряет монтаж и значительно снижает вероятность допущения ошибок. Для защиты от окисления медь желательно лудить и покрыть специальным лаком

В этом приборе лучше использовать цифровой измеритель, в целях повышения чувствительности и точности контроля напряжения выхода, так как стрелочные индикаторы не могут чётко зафиксировать небольшое (на десятки милливольт) изменение напряжения.

Простой двух полярный стабилизатор напряжения на LM317.

За основу устройства взята схема описанная в выше, и добавлено плечо стабилизации отрицательного напряжения.

Характеристики и достоинства двух полярного стабилизатора

напряжение стабилизации от 1,2 до 30 В;
максимальный ток до 5 А;
используется малое количество элементов;
простота в выборе трансформатора, так как можно использовать вторичную обмотку без центрального отвода;

Детали устанавливаются на односторонний стеклотекстолит. Транзистор VT1, VT2 и микросхемы LM317 и LM337 следует устанавливать на радиаторы. При установке на общий радиатор следует использовать изолирующие прокладки и втулки.

Как работает импульсный блок питания

Принцип работы импульсного блока питания в корне отличается от действия обычного, трансформаторного блока питания. Изначально напряжение в 220 В проходит через диодный мост, после чего прямой ток поступает в инвертор, т.е. преобразователь напряжения в токи высокой частоты. Это действие может выполняться либо посредством гальванического отделения питающей сети от входной цепи, либо без такового.

Если гальваническая развязка присутствует, то высокочастотный ток подвергается ей при помощи трансформатора. Причем, чем выше будет частота импульсов, тем эффективнее будет работать трансформатор.

Схемы включения каскадов силовых ключей

Само действие такого БП основывается на применении трех элементов, которые содержит схема импульсного блока. Они четко взаимодействуют между собой в процессе работы. Элементы эти следующие:

контроллер широтно-импульсного модулятора;
транзисторный блок, который может быть включены по одной из схем — мостовой, полумостовой или же по схеме со средней точкой;
импульсный трансформатор, у которого имеется первичная и вторичная обмотки, смонтированные на магнитопроводе.

При условии отсутствия гальванической развязки высокочастотного трансформатора тока в схеме нет, а сигнал подается сразу на фильтры НЧ. По сути, все схемы импульсных источников питания идентичны.

Далее попробуем более детально разобрать, как работает каждый из этих трех элементов.

Контроллер широтно-импульсной модуляции

Наверное, не нужно объяснять, что контроллер — это управляющее чем-либо устройство. Если разбирать именно ШИМ в импульсном блоке, то тут закладывается задача создания токов с одной частотой, но с различной длительностью включения. Логической единицей выступает, естественно, сам импульс, ну а нулем — его отсутствие.

Импульсы обусловлены одинаковым периодом колебания, т.е. амплитуда их величин равна. А вот работой электронной схемы позволяет управлять именно отношение продолжительности к самому периоду.

Для того чтобы проще было понять изложенное, можно обратиться к схематическому изображению.

Импульсы, создаваемые ШИМ

Принимая во внимание, что частота тока в сети 220 В равна 50 Гц, можно себе представить, насколько сложна работа, выполняемая контроллером и модулятором ШИМ. Обычно на его выходе образуется ток, с частотой порядка 30-60 кГц

Вообще, широтно-импульсная модуляция в наше время применяется во многих устройствах. И самый яркий тому пример — инверторные сварочные аппараты, где как раз при помощи ШИМ удалось снизить габариты и массу устройства в десятки раз по сравнению с обычными трансформаторными агрегатами.

Транзисторный блок, или каскад силовых ключей

Мощные полевые или IGBT-транзисторы образуют каскад, который также может управляться и менее мощными элементами либо интегральными драйверами. Собраны эти транзисторы могут быть в одну из трех схем: мостовую, полумостовую либо со средней точкой.

Вот, собственно, и все, что можно сказать о силовых ключах импульсного блока питания.

Импульсник, или блок без гальваники

Импульсник, т.е. высокочастотный трансформатор, может быть собран на основе ферритового или альсиферового кольца, на котором и размещены первичная и вторичная обмотки. Они могут выдавать высокочастотный ток с импульсом до 100 кГц. Их работу дополняют различные фильтрующие элементы и диоды.

Если же гальваническая развязка в подобном БП отсутствует, то сигнал напрямую будет поступать на низкочастотный фильтр без какой-либо трансформации. Наглядно это показано на схематическом изображении.

Импульсный блок питания без гальванической развязки

Достоинства и недостатки

Трансформатор

Импульсный регулируемый блок питания имеет следующие преимущества:

небольшой вес. Это связано с тем, что здесь нужен трансформатор меньшего размера;
более удобная конструкция преобразователя;
наличие фильтра для выходного напряжения, который также имеет небольшие габариты;
наивысший показатель КПД, который может доходить до 90-98%.Благодаря этому данный тип прибора имеет минимальную потерю энергии;
на порядок больше степень надежности стабилизаторов;
расширенный диапазон частоты. Это параметр касается также напряжения тока. Обычно такие возможности имеются в дорогих линейных блоках;
массовый выпуск комплектующих, а отсюда — доступная стоимость сборки блока.

Кроме этого, такой тип прибора может обладать несколькими степенями защиты от:

перебоев питания;
перепадов напряжения;
отсутствия выходной нагрузки;
короткого замыкания.

Но помимо преимуществ у этого изделия имеются и недостатки:

ремонт такого прибора несколько усложнен. Это связано с тем, что элементы блока питания функционируют без гальванической развязки;
могут возникнуть высокочастотные помехи;
повышенная чувствительность к помехам.

Также здесь имеется ограничение по минимальной мощности, при которой блок питания начнет работать. Схема, используемая для сборки изделия своими руками, может потреблять значительное количество мощности.

Сложная схема

Также сборочная схема может требовать двухполярного питания. Для питания более мощных электрических систем следует использовать отдельный блок питания с необходимым количеством полюсов, мощность. При этом для напряжения также должно быть определены конкретные показатели. Поэтому для сборки своими руками, если вы являетесь любителем, нужна схема простого однополярного маломощного прибора.

Проектирование импульсного источника питания с активным ккм. эпизод i