Меню

Импульсные блоки питания регулировка мощности



Как работает простой и мощный импульсный блок питания

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

  1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
  2. Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Структурная схема импульсного блока питания

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

  • Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
  • Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
  • На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
  • Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Пример миниатюрных импульсных БП

Пример миниатюрных импульсных БП

  • Далее вступает в работу выходной выпрямитель, поскольку он работает с высокочастотным напряжением, для процесса необходимы быстродействующие полупроводниковые элементы, поэтому для этой цели применяют диоды Шоттки.
  • На завершавшей фазе производится сглаживание на выгодном фильтре, после чего напряжение подается на нагрузку.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

  • частотно-импульсным;
  • фазо-импульсным;
  • широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется UП пилообразной формы, поступающее на вход компаратора КШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал UУС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности UП (опорное напряжение) и UРС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал UУС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (UOUT).

Читайте также:  Fender champion 20 усилитель для электрогитары комбо мощность 20 ватт 1х8

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала UРС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.



Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

  • Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
  • Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
  • Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
  • Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
  • Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

  • различные виды зарядных устройств; Зарядки и внешние БПЗарядки и внешние БП
  • внешние блоки питания;
  • электронный балласт для осветительных приборов;
  • БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитораИмпульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

  • Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
  • Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
  • Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
  • Транзистор VT1 – KT872A.
  • Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
  • Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
  • Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Источник

Схема регулируемого блока питания импульсного типа

Схема регулируемого блока питания-1

Схема регулируемого блока питания, представленная в этой статье, является высокоэффективным устройством, необходимым практически любому радиолюбителю, так как такой регулируемый блок питания обеспечивает стабилизированное постоянное напряжения на выходе в диапазоне от 0.2v до 80v.

Схема регулируемого блока питания импульсного типа 0.2V-80V, 0-10A

Принципиальная схема

Импульсный источник питания 0,2–80v построенный на основе теперь почти легендарной микросхеме TL494 может использоваться в различных устройствах, например таких как: двигатели, схемы зарядки аккумуляторов и так далее. Существует дополнительная схема SMPS с импульсным преобразователем переменного напряжения в постоянное TNY267, предназначенного для питания таких элементов, как микросхема TL494, вентиляторы, реле. Как и многие компоненты схемы, используемые в проекте SMPS, добыты были из блоков питания ПК.

Читайте также:  Схема аналогового регулятора мощности

Схема регулируемого блока питания-3

Регулируемые параметры цепи импульсного блока питания:

Входное напряжение: 210v — 265v
Потребляемая мощность и ток: макс.860 Вт/4,5А
Выходное напряжение: 0,2–80v
Пульсация напряжения: примерно до 0,3v
Регулируемый выходной ток: 0-10A
Ограничение тока короткого замыкания: 14А
Размеры (корпус) ШxГxВ: 230x220x70 мм

Описание подключения:

Напряжение сети проходит через входной фильтр, состоящий из тороидального дросселя TL1 и конденсаторов C2, C8. Напряжение подается на мостовой выпрямитель через резистор R16, который ограничивает удар тока, вызванный зарядкой сглаживающих конденсаторов после включения источника питания.

После запуска вспомогательного источника реле К1 замыкает резистор R16 и отключает его от цепи. За выпрямителем напряжение фильтруется парой электролитических конденсаторов C10, C11. Это напряжение обеспечивает основное и вспомогательное питание. Резистор R20 разряжает конденсаторы после отключения питания.

В качестве выходного силового трансформатора E65 можно использовать эффективный сердечнике ETD34 из ферритового кольца N87, тогда есть надежда, что трансформатор не будет сильно нагреваться. Расчеты трансформатора SMPS выполняются с помощью специальных программ, например: «Программы расчета обмоток трансформатора преобразователя SMPS». Ниже показан снимок, сделанный во время намотки трансформатора. У микросхемы TL494 рабочая частота составляет 50 кГц.

Шунт амперметра

Шунт

Я сделал шунтирующий резистор для амперметра из двух медных прямоугольников 15x15x5 мм, и спаянных между собой проводами диаметром 0,56 мм с сопротивлением 1.761Ω на 1 метр длины. Мощность шунта составляет 50 Вт, а его основное предназначение, это — контроль тока в схеме регулируемого блока питания. В качестве прямоугольников были использованы медные подложки корпуса TO220 от транзисторов.

По сути, это проходной преобразователь одностороннего действия, управляемый известной микросхемой TL494. Вспомогательный источник — это блокирующий преобразователь, управляемый схемой TNY267. Интегральную схему TL494 и часть комплектующих можно получить, разобрав старый компьютерный блок питания. БП имеет непрерывную регулировку напряжения и тока, кроме этого, есть защита от перегрузки по току конечных транзисторов и защита от перегрузки по току в случае короткого замыкания на выходных клеммах.

Принципиальная схема регулируемого блока питания ИБП 80v 10А

Схема регулируемого блока питания-5

Схема регулируемого блока питания построена на односторонней печатной плате, и все силовые компоненты, нуждающиеся в охлаждении, расположены на краю платы, поэтому их можно легко прикрепить к радиатору. В схема не предусмотрены сетевой предохранитель, автоматический выключатель или диод защиты от обратной полярности, они должны быть добавлены при установке в корпус. Кроме того, конструкция не решает проблему тепловой защиты, поскольку охлаждение должно решаться только в зависимости от конфигурации используемого корпуса.

Скачать: плата Eagle cad, схема и все остальное, относящаяся к регулируемой цепи SMPS: 10A-80V.rar

Получить более подробную информацию о схеме регулируемого блока питания можно здесь

Источник

Регулируемые импульсные блоки питания с Алиэкпресс. Подборка-путеводитель

Регулируемые блоки питания — широкий класс устройств, в которых может регулироваться хотя бы один параметр выхода: напряжение, ток или порог срабатывания защиты по току.

Но так исторически сложилось, что наиболее продвинутые из них выделились в отдельный класс лабораторных блоков питания, отличающихся хорошими характеристиками выходного напряжения, обязательным наличием регулировки величины выходного напряжения и уровня стабилизации (или ограничения) выходного тока. Кроме этого, они должны обладать и подходящим конструктивом для обеспечения безопасной и удобной работы.

Часто они также обладают дополнительными возможностями: измерением не только напряжения и тока, но и отдаваемой мощности; цифровым управлением, памятью режимов и т.п.

В данной подборке лабораторные блоки питания рассматриваться не будут, а будут рассмотрены более простые устройства, во многих ситуациях, тем не менее, достаточные для проведения ремонтно-испытательных работ или же для постоянного применения совместно с питаемым устройством.

В подборке блоки питания будут рассмотрены в порядке от более простых к более «навороченным».

Указанные в подборке цены — примерные на дату обзора с доставкой в Россию; они могут меняться как в зависимости от курсов валют, так и по воле продавцов.

Импульсный блок питания на 96 Вт со ступенчатой регулировкой выходного напряжения

Этот блок питания внешне похож на стандартный блок питания для ноутбука, и отличается от такового только возможностью переключения выходного напряжения. Если правильно устанавливать напряжение, то, действительно, можно и ноутбуки заряжать (набор переходников — в комплекте).

Он может выдавать напряжения 12, 15, 16, 18, 19, 20 и 24 Вольт.

Читайте также:  Как рассчитать мощность тэна для радиатора

Допустимый выходной ток для напряжений 20 и 24 В составляет 4 А, для всех остальных — 4.5 А.

Установка выходного напряжения осуществляется переключателем ползункового типа сбоку устройства; а индикация — семью светодиодами на верхней поверхности.

Цена блока — 700 российских рублей ($11).

Импульсные блоки питания на напряжение 3 В — 24 В мощностью 24 Вт

Серия простых блоков питания небольшой мощности с плавной регулировкой выходного напряжения и встроенным вольтметром.

Блоки выпускаются в трёх вариантах: 3-24 В/1 А; 9-24 В/1 А; 3-12 В/2 А.

Цена — от 720 до 780 российских рублей ($11 — $12) в зависимости от модификации.

Импульсный блок питания на напряжение 3 В — 24 В мощностью 60 Вт

Этот импульсный блок питания — более совершенный и мощный, чем предыдущий.

Блок имеет плавную регулировку напряжения от 3 до 24 В и встроенный вольтметр для его контроля.

Ток выхода — до 2.5 Ампер.

В основании имеются 4 отверстия для закрепления блока на какой-либо поверхности в случае необходимости.

Цена — около 700 российских рублей ($10.8).

Импульсный блок питания на напряжение 3.8 В — 37 В мощностью 60 Вт

Этот блок питания конструктивно не отличается от предыдущего, но диапазон регулировки выходного напряжения у него сдвинут вверх и составляет от 3.8 до 37 Вольт.

Выходной ток — до 1.7 Ампера.

Цена — около 750 российских рублей ($11.5).

Импульсные блоки питания на напряжение 0 — 36 В мощностью до 150 Вт

Эта серия блоков питания (и дальнейшие) будут представлены в конструктиве для встраивания; что обусловлено, в основном, их высокой мощностью.

В данную серию входят блоки питания с такими комбинациями параметров: 0-12 В/10 А; 0-24 В/4 А; 0-24 В /6 А; 0-36 В/2 А, 0-36 В/4 А.

Отличительная особенность блоков — наличие «выносного» регулятора напряжения, в качестве которого используется многооборотный переменник.

Имеется встроенный вольтметр.

Цена — около 2400 российских рублей ($37).

Импульсные блоки питания на напряжение 0 — 220 В мощностью до 480 Вт

Эта серия выпускается с очень широким диапазоном регулировки выходного напряжения.

Всего выпускается 9 модификаций этого блока питания с параметрами от 5 В / 60 А до 220 В (!)/ 2 А.

Во всех модификациях возможна регулировка выходного напряжения от 0 Вольт; для контроля имеется встроенный вольтметр.

В блоке имеется вентилятор, возможен шум (особенно — при высокой нагрузке).

Цена с учетом доставки составляет от 2300 до 3000 российских рублей ($35.5 — $46).

Импульсные блоки питания на напряжение 0 — 220 В мощностью до 480 Вт с регулировкой напряжения и тока

Этот импульсный блок питания похож по параметрам на предыдущий, но в схеме добавлена регулировка ограничения выходного тока.

Благодаря этому его уже почти что можно отнести к классу лабораторных; и только его конструктив не совсем подходит для таких целей.

Всего в серии 10 модификаций с параметрами выхода от 5 В / 60 А до 220 В (!)/ 2 А.

Во всех модификациях возможна регулировка выходного напряжения и тока от нулевого значения.

В блоке имеется индикация как выходного напряжения, так и тока.

Цена с учетом доставки составляет от 4350 до 4700 российских рублей ($67 — $73).

Импульсные блоки питания на напряжение 0 — 220 В мощностью до 1000 Вт с регулировкой напряжения и тока

И, наконец, серия блоков питания с мощностью до 1000 Вт.

Это — тоже почти что лабораторные блоки питания с параметрами выхода от 12 В / 70 А до 220 В (!)/ 5 А.

Во всех модификациях возможна регулировка выходного напряжения и тока от нулевого значения.

В блоке имеется индикация как выходного напряжения, так и тока.

Цена с учетом доставки составляет около 8500 российских рублей ($131).

В заключение надо ещё раз сказать, что данная подборка не затрагивает лабораторные блоки питания. Они, конечно, тоже относятся к регулируемым, но их параметры и конструкция лучше перечисленных подходят для ремонтно-испытательных работ.

В плане применения блоков питания надо добавить, что производители всех блоков питания не рекомендуют их использовать на полную мощность в постоянном режиме. Использование их мощности «впритык» может значительно снизить их надёжность и срок службы. Обычно рекомендуется их использовать не более, чем на 80% номинальной мощности.

Что касается лабораторных блоков питания, то ссылка на путеводитель-подборку по ним находится ниже, в разделе «Об Авторе — Публикации».

Источник