Импульсные источники питания электрическая принципиальная схема – ,

2.4. Принципиальная схема. Импульсные блоки питания для IBM PC

2.4. Принципиальная схема

Полная принципиальная схема бестрансформаторного источника питания с максимальной вторичной мощностью 200 Вт фирмы DTK представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Принципиальная схема бестрансформаторного источника питания на 200 Вт фирмы DTK

Все элементы на принципиальной схеме (см. рис. 2.2) расположены на одной односторонней печатной плате. Здесь не показаны разъемы подключения сетевого питания и выключатель, который находится на системном модуле персонального компьютера. Элементная база, использованная в данной схеме, рассчитана на нагрузочные параметры, приведенные в разделе 2.1. Увеличение потребляемой от источника питания мощности сверх норм, указанных в разделе 2.1, приведет к защитному отключению преобразователя.

Для защитного отключения схемы первичного преобразования входного напряжения при неисправностях во входной цепи перед помехоподавляющим фильтром установлен плавкий предохранитель. Наличие плавкого предохранителя обязательно и является выполнением соответствующего требования «Руководства по проектированию источников питания» версия 0.9. Ток его срабатывания составляет 5 А при уровне питающего напряжения 250 В. Предельные параметры предохранителя выбраны с учетом технологического запаса. Необходимость выбора предохранителя с таким запасом обусловлена использованием емкостного фильтра, установленного после диодного выпрямителя. В соответствии с законом коммутации, напряжение на конденсаторе не может изменяться мгновенно (скачком), то есть в начальный момент подключения преобразователя к питающей сети конденсаторы фильтра С5 и С6 представляют собой короткозамкнутые элементы. В этот момент через цепь входного фильтра происходит скачок тока, который снижается по мере зарядки этих конденсаторов. В процессе нормальной работы преобразователя общий ток потребления, протекающий через предохранитель, определяется величиной подключенной нагрузки и КПД источника. Типономинал предохранителя выбирается с учетом максимального первоначального броска тока. В качестве ограничителя пускового тока и для обеспечения плавной зарядки емкостей преобразователя используется терморезистор NTCR1. Терморезистор имеет отрицательный коэффициент сопротивления (обозначен на схеме – t) и соответственно при нагревании сопротивление этого резистора уменьшается. В исходном (холодном) состоянии терморезистор имеет сопротивление, равное нескольким омам, поэтому в начальный (пусковой) момент он выполняет функции ограничителя тока. В процессе работы схемы преобразователя происходит постепенный разогрев терморезистора, при этом его сопротивление снижается до нескольких десятых долей ома. В рабочем режиме он не оказывает заметного влияния не только на работу схемы, но и на его энергетические показатели источника питания.

Далее по схеме между предохранителем и диодным выпрямителем включен индуктивно-емкостной сетевой фильтр, выполненный на элементах C1, T1, C2, T5, C3 и C4. Фильтр осуществляет функции помехоподавления как для внешних помех, проникающих из питающей сети на вход источника, так и для внутренних, возникающих при работе ВЧ преобразователя. В фильтре использованы индуктивные элементы, изготовленные с применением высокочастотных ферритовых сердечников – дросселей Т1 и Т5. Поскольку в современных аппаратных средствах вычислительной техники применяются импульсные устройства (цифровые логические элементы электронных схем, импульсные источники питания), основной спектр помех смещен в область частот с нижней границей 20–30 кГц. Помехи, проникающие в сеть от вычислительных средств, являются комбинацией частотных составляющих, появляющихся в результате импульсных помех преобразователя напряжения и информационных составляющих обрабатываемых данных. Для подавления несимметричных помех используется звено П-типа, состоящее из нескольких элементов: конденсатора C1, дросселя Т1 и конденсатора C2. Второе звено фильтра, выполненное на следующих элементах: конденсаторе C2, дросселе Т5 с двумя обмотками включенными навстречу друг другу (отмечено на схеме точками), конденсаторах C4 и С3, – предназначено для фильтрации симметричных помех. Элементы фильтра выбраны таким образом, что затухание помех по мере увеличения частоты их спектральных составляющих относительно частоты среза фильтра непрерывно возрастает. Энергия, накопленная в индуктивно-емкостных элементах входного фильтра, позволяет компенсировать кратковременные сбои питающего напряжения (см. пункты соответствующих параметров в разделе 3.1). Точка соединения конденсаторов C4 и C3 выведена на корпус и подключается к защитному заземлению. Подобная конструкция помехоподавляющего фильтра предполагает обязательное заземления корпуса прибора. Если этого не сделать, то на корпусе будет присутствовать потенциал, равный половине питающего напряжения.

В данном варианте схемы импульсного источника питания не применяется автоматическое опознавание номинала напряжения первичной питающей сети. Значение входного напряжения выбирает пользователь и устанавливает его коммутацией переключателя S1, который изображен на принципиальной схеме (см. рис. 2.2) над сетевым диодным выпрямителем на элементах D11 – D14. При напряжении первичной сети равном 220 В средний контакт переключателя остается свободным и никуда не подключается. Если работа источника питания должна производиться с питанием от напряжения 115 В, то средний контакт переключателя при коммутации соединяется с точкой соединения конденсаторов C5 и C6. Рассмотрим, как переключатель действует на схему.

В положении переключателя, соответствующем входному переменному напряжению 220 В, в работе находятся все диоды двухполупериодного выпрямителя D11 – D14. Действующее значение выпрямленного напряжения, измеренного на положительной обкладке конденсатора C5 относительно отрицательной обкладки C6, составляет 220 В х х 1,41 = 310 В. Именно на напряжения, близкие к данной величине, рассчитаны все рабочие режимы усилителя мощности, вторичные цепи и параметры стабилизации ШИМ формирователя. Если сохранять схему выпрямителя без изменения, то при переходе на питание от пониженного напряжения, то есть 115 В, действующее значение напряжения должно снизиться до уровня 115 В х 1,41 = 162 В. Для того чтобы значение выпрямленного напряжения не изменилось переключателем подключают один из фазных проводов первичной сети к точке соединения конденсаторов C5 и C6. В этом случае схема подключения питающего напряжения выглядит так, как показано на рис. 2.3а. Переключатель S1 на этом рисунке показан в замкнутом положении.

Рис. 2.3. Схема подключения источника питания к сети с напряжением 115 В

Согласно схеме, приведенной на рис. 2.3а, в активной выпрямительной схеме реально работают только диоды D12 и D14. Диоды же D11 и D13 не влияют на состояние схемы, так как они оказываются шунтированными замкнутым переключателем S1. Таким образом, полученная схема эквивалентна схеме, представленной на рис. 2.3б. Такой вид выпрямителя известен, как схема с удвоением входного напряжения. Выходное выпрямленное напряжение будет иметь значение ~325 В. Условия работы основных каскадов по напряжению первичного питания сохранены и выполняются. Общая мощность потребления переменного тока источником питания от сети при изменении напряжения сохраняет свое значение. Но при питании от напряжения 115 В ток потребления возрастает примерно в два раза по сравнению с аналогичными условиями работы при питании источника от напряжения 220 В.

К установке переключателя селектора входного напряжения следует относиться особенно осторожно. Если селектор напряжения будет установлен в положение 115 В и в таком состоянии источник питания будет подключен к питающей сети на 220 В, то сработает схема удвоения напряжения. Напряжение на положительной обкладке конденсатора C5 будет стремиться к значению 220 В х 1,41 х 2 = 620 В. Уровни рабочих напряжений большинства элементов не рассчитаны на такой режим электропитания. Поэтому произойдет пробой силовых транзисторов усилителя мощности, диодов выпрямительного моста, сгорит предохранитель и могут выйти из строя конденсаторы сетевого фильтра C5 и C6, предельное напряжение которых обычно не превышает более 200 В. Предохранитель не сможет защитить активные элементы схемы до их пробоя.

Менее критичным является включение источника питания в сеть 115 В с переключателем, установленным в положение 220 В. В этом случае значение входного напряжения будет ниже минимального значения, определенного в основных технических характеристиках в 180 В. Условия работы схемы не будут выполнены и преобразователь не запустится.

Плавкий предохранитель F1 перегорает, когда через пробитые транзисторы начинает протекать значительно увеличенный ток. Сгоревший предохранитель не позволит развиваться процессу повреждения источника питания. Контроль уровня входного напряжения выполняется с помощью двух варисторов Z1 и Z2, установленных во входной цепи источника питания. Варисторы – нелинейные элементы, сопротивление которых зависит от приложенного к ним напряжения. Если напряжение на варисторе не превышает определенного значения, то его сопротивление остается высоким и практически не изменяется. В случае повышения напряжения его сопротивление резко снижается. Эта способность варисторов используется и для создания узла защиты от повышения входного питающего напряжения. Наиболее распространенный тип варисторов, применяемых в источниках питания, – 07D241.

Первый варистор – Z1 постоянно подключен параллельно входным клеммам источника питания. Он рассчитан на срабатывание при напряжении, превышающем значение 260 В, когда его сопротивление снижается настолько, что увеличенный ток выжигает предохранитель F1.

Варистор Z2 установлен между средней точкой конденсаторов C5 и C6 сетевого фильтра и корпусом источника питания. Этот элемент выполняет защитные функции при попадании потенциала на корпус прибора. Напряжение на Z2 в нормальных рабочих условиях не превышает 170 В или, если быть точным, 155 В при первичном питании от 220 В и 162 В при питании от 115 В. Попадание фазного напряжения на корпус вызовет увеличение напряжение на Z2, его сопротивление уменьшится и предохранитель F1 сгорит.

Общий принцип функционирования источника питания заключается в следующем. После подачи на вход источника переменного напряжения питания, выпрямления его диодным мостом на диодах D11 – D14 и фильтрации на сглаживающем фильтре, образованном дросселем Т и конденсаторами C5, C6, постоянное напряжение с номинальным значением 310 В поступает на каскад усилителя мощности, основными активными элементами которого являются транзисторы Q9, Q10, и на каскад однотактного высокочастотного преобразователя. Последний выполнен на транзисторе Q3. Если выпрямленное питающее напряжение превышает ~180 В х 1,41 = 254 В (уровень нижней границы питающего напряжения), происходит самовозбуждение преобразователя на Q3. В состав каскада этого автогенератора входит трансформатор Т6, к вторичной обмотке которого подключены выпрямители на диодах D8 и D9, с выхода которых снимается напряжение для питания ШИМ формирователя и стабилизатора канала питания схемы компьютера в дежурном режиме (+5 VSB). Один вывод вторичной обмотки трансформатора T6 подсоединен к общему проводу вторичного питания. Выпрямители ШИМ канала и стабилизатора напряжения питания в дежурном режиме подключены к двум включенным последовательно полуобмоткам трансформатора T6. Выпрямитель ШИМ формирователя образован диодом D9. Фильтрация напряжения с выхода этого выпрямителя осуществляется конденсатором С24. Выпрямитель и фильтр канала дежурного режима (+5VSB) образован диодом D8 и конденсатором C14 соответственно. При поступлении питания ШИМ преобразователь запускается и начинает формировать импульсные сигналы для возбуждения усилителя мощности. Усилитель мощности выполнен на транзисторах Q9 и Q10 по полумостовой схеме. Для нормальной работы усилителя мощности необходимо, чтобы транзисторы открывались по очереди и в разные промежутки времени. Включение транзисторов в полумостовой схеме требует, чтобы была исключена возможность их одновременного открывания и протекания сквозного тока, так как это выведет их из строя. Обеспечение корректной работы транзисторов силового каскада выполняется логикой формирования управляющих последовательностей ШИМ регулятора.

С вторичных обмоток трансформатора Т3 импульсные напряжения поступают во вторичные цепи, где происходит их выпрямление и фильтрация. Полученные напряжения затем стабилизируются и используются для питания. К каналам вторичных напряжений подключены датчики, выполняющие функции измерительных цепей по выявлению короткого замыкания в нагрузке, неконтролируемого повышения напряжений по каналам и контролю текущего уровня основных вторичных напряжений. Сигналы этих датчиков воздействуют на ШИМ преобразователь, определяя род его работы в каждый момент времени. Теперь последовательно рассмотрим функционирование и устройство всех основных узлов импульсного источника в следующей последовательности: автогенераторный вспомогательный источник на транзисторе Q3, ШИМ регулятор и относящиеся к нему цепи, усилитель мощности, каналы вторичных напряжений, цепи защиты источника питания. Набор этих узлов является типовым для блоков питания ATX форм-фактора. Их построение у разных фирм-производителей может отличаться в деталях, но основные принципы остаются неизменными. Ниже приводится информация, которая может служить базой для изучения или работы с аналогичными изделиями.

2.4.1. Автогенераторный вспомогательный источник

Автогенераторный вспомогательный источник на транзисторе Q3 выполнен по схеме однотактного преобразователя с насыщающимся трансформатором. В выпрямителях вторичных каналов использована схема с обратным включением выпрямительного диода, то есть ток через диод и в нагрузку протекает во время закрытого состояния силового транзистора Q3.

В момент подачи питания на каскад автогенератора на базу транзистора Q3 через последовательно соединенные резисторы R12 и R6 поступает напряжение начального смещения. Транзистор Q3 открывается, через него и первичную обмотку трансформатора Т6, подключенную между коллектором Q3 и положительным полюсом напряжения питания, начинает протекать ток. Этот ток наводит ЭДС самоиндукции в обмотке обратной связи, намотанной на тот же сердечник и подключенной к базовой цепи транзистора Q3 таким образом, что возникший импульс положительной полярности через конденсатор C11 и резистор R6 проходит на базу Q3 и поддерживает процесс открывания транзистора Q3. При этом транзистор переходит в состояние насыщения. Напряжение на нем минимально, а величина тока определяется индуктивным сопротивлением первичной обмотки T6. Нарастание тока в первичной обмотке T6 будет продолжаться до наступления насыщения его сердечника, затем прекращается импульс напряжения в обмотке обратной связи, поддерживающий транзистор Q3 в состоянии насыщения. После этого полярность напряжения на обмотке обратной связи резко меняется на противоположную, начинается процесс закрывания транзистора и перемагничивания сердечника. На базу транзистора Q3 поступает запирающий потенциал. Транзистор Q3 вновь открывается после перезарядки конденсатора C11 через резистор R12 и нарастания напряжения смещения на нем до уровня открывания транзистора Q3. Временные параметры работы данной схемы определяются значениями сопротивления резистора R12, емкости конденсатора C11 и индуктивными характеристиками обмоток трансформатора Т6.

Накопление энергии в сердечнике трансформатора Т6 происходит в течение открытого состояния транзистора. Вторичные обмотки трансформатора Т6 подключены к выпрямителям таким образом, что в момент открывания транзистора Q3 к выпрямительным диодам D8 и D9 поступает отрицательное запирающее напряжение. Когда полярность напряжения в обмотках трансформатора T6 меняется, транзистор Q3 закрывается и к диодам выпрямителей D8 и D9 подается отпирающее положительное напряжение. Диоды открываются, через них протекает ток на конденсаторы фильтров и в нагрузку.

Демпфирующая цепочка из диода D2, резистора R1 и конденсатора C10 снижает уровень выбросов напряжения при переключении транзистора. Ее необходимость становится очевидной в момент запирания транзистора, когда уровень скачка напряжения без нее может достигать 4Uп = 1200 В!

Стабилитрон ZD2, резистор R7 и диод D7 работают в цепи смещения базовой цепи транзистора Q3, а в моменты коммутации оказывают демпфирующее воздействие на переход база-эмиттер.

На рис. 2.4 приведены диаграммы напряжений в контрольных точках автогенераторного вспомогательного источника на транзисторе Q3.

Рис. 2.4. Временные диаграммы напряжений в контрольных точках автогенераторного вспомогательного источника на транзисторе Q3

На верхней диаграмме представлен импульсный сигнал, формируемый на коллекторе транзистора Q3. На средней диаграмме показано изменение напряжения в точке соединения конденсатора C11, базовой обмотки обратной связи и катода диода D7. Нижняя диаграмма отражает вид сигнала на базе транзистора Q3. В точке соединения резистора R7 и отрицательной обкладки конденсатора C16 в установившемся режиме работы напряжение имеет постоянную величину от -8,2 до -8,4 В, измеренную относительно потенциала отрицательной обкладки конденсатора C6 или эмиттера Q3. Диаграммы напряжений получены при отсутствии нагрузки в канале напряжения питания дежурного режима. Единственным элементом нагрузки являлась схема ШИМ преобразователя – IC1.

Транзистор автогенератора установлен на печатной плате напротив вентилятора без дополнительного теплоотвода. Охлаждение его производится воздушным потоком. Этого оказывается достаточно для исключения перегрева, так как максимальная мощность данного автогенераторного вспомогательного источника, отдаваемая в нагрузку, составляет несколько ватт.

Принципиальные схемы автогенераторов различных фирм-производителей для источников питания ATX форм-фактора могут отличаться некоторыми деталями. В качестве примера приведем силовую часть схемы аналогичного назначения, используемую в импульсном преобразователе фирмы Linkworld. Фрагмент принципиальной схемы автогенератора вспомогательного канала, входящего в состав источника питания фирмы Linkworld, приведен на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Фрагмент принципиальной схемы источника питания фирмы Linkworld

Принцип действия автогенератора, построенного по схеме рис. 2.5, аналогичен рассмотренному выше принципу. В первичной цепи трансформатора TV включены две обмотки: W1 – первичная силовая обмотка, Wос – обмотка обратной связи, подсоединенные в базовой цепи транзистора VT1. Питание каскада осуществляется выпрямленным сетевым напряжением. Общие проводники первичной и вторичной цепей не имеют гальванических соединений. В качестве демпфирующей цепочки, подключенной к коллектору транзистора VT1, использованы последовательно соединенные резистор R5 с номиналом 100 Ом и конденсатор С3 емкостью 2000 пФ. Вследствие того, что при работе на индуктивную нагрузку транзистор VT1 испытывает большие перегрузки по напряжению, в схеме применен мощный транзистор типа 2SC5027. Тип диодов VD1 и VD2 – 1N4148. Элемент ZD1 – маломощный стабилитрон с напряжением стабилизации 6,8 В. Резисторы имеют следующие номиналы: R1 – 1,5 кОм, R2 – 820 Ом, R3 – 470 кОм, R4 – 1,5 кОм. Конденсатор C1 – электролитический на напряжение 50 В и емкостью 10 мкФ. Конденсатор С2 – керамический, емкостью 4700 пФ. На рис. 2.5 цифрами в кружочках отмечены контрольные точки, для которых на рис. 2.6 приведены диаграммы напряжений.

Рис. 2.6. Диаграммы напряжений в точках схемы автогенератора по рис. 2.5

Как видно из верхней диаграммы (см. рис. 2.6), частота генерации составляет ~ 110 кГц. Величина напряжения на коллекторе практически достигает 700 В. На отрицательной обкладке конденсатора C1 (относительно положительной) в процессе работы устанавливается постоянное напряжение величиной ~ -9,5 В. Измерения параметров данной схемы и снятие временных диаграмм производилось в отсутствие нагрузки по всем вторичным цепям, включая канал +5VSB.

Основные функции автогенераторной схемы заключаются в формировании начального напряжения питания, необходимого для запуска ШИМ преобразователя, и в обеспечении подачи напряжения на электронные узлы, когда компьютер находится в дежурном режиме работы.

Вторичная обмотка трансформатора Т6 одним выводом присоединена к общему проводу вторичной цепи питания. От средней точки вторичной обмотки сделан отвод для подключения выпрямителя канала дежурного режима. Выпрямитель выполнен на одном диоде D8, параллельно которому включена форсирующая емкость C13 для ускорения рассасывания избыточного заряда в полупроводниковой структуре при подаче на диод запирающего напряжения. Катод диода D8 соединен с конденсатором фильтра C14 и входом VI параметрического стабилизатора IC3. Параллельно входу IC3 подключен резистор R19 с номиналом 680 Ом.

В отсутствие нагрузки источника питания по всем каналам конденсаторы выпрямительных фильтров заряжаются до амплитудного значения импульсного напряжения. В этом случае напряжение на выходе выпрямителя канала +5VSB составляет +20 В, а на катоде диода D9 (выпрямитель канала питания ШИМ преобразователя) оно равно +15 В.

Сравнивая две автогенераторные схемы, отметим различия в построении самого автогенератора и в подключении вторичных обмоток к нагрузочным цепям. В выпрямительной схеме источника питания фирмы DTK на стабилизатор канала +5VSB подается напряжение более высокого уровня, чем на схему электропитания ШИМ регулятора. А в схеме источника фирмы Linkworld наоборот. В этом случае напряжение питания микросхемы ШИМ регулятора в отсутствие потребления по каналу +5VSB составляет примерно +35 В, а на входе микросхемы IC3 оно равно +17 В.

Согласно рекомендациям «Руководства…», о котором упоминалось выше, канал дежурного режима должен выдавать стабилизированное напряжение с номинальным значением +5 В постоянно, когда на источник питания подано первичное напряжение. Этот канал должен оставаться работоспособным, даже если остальные вторичные питающие напряжения отключены внешним сигналом высокого логического уровня, поданным на вход PS-ON источника питания. Напряжение дежурного канала необходимо для формирования самого сигнала PS-ON. Состояние дежурного режима может быть установлено, если существует необходимость запуска ПЭВМ через карту локальной сети (LAN-адаптер) или модем.

Минимальная токовая нагрузка, которую обязан обеспечивать канал дежурного режима, должна составлять 750 мА при уровне выходного напряжения +5 В (±5 %). С развитием вычислительной техники энергетические потребности в мощности по каналу дежурного питания постепенно возрастают. Поэтому было принято условие: увеличение токовой нагрузки по этому каналу до значений 1 А или 1,5 А не должно приводить к выходу из строя элементов источника питания, работающих в этом канале. Канал должен быть снабжен встроенной защитой от перегрузки. Для выполнения этого требования и обеспечения стабилизации напряжения +5VSB в канале установлен интегральный стабилизатор 7805 – микросхема IC3. Стабилизатор имеет встроенную защиту от перегрузки и перегрева. К выходу интегрального стабилизатора IC1/3 подключен дополнительный фильтрующий конденсатор C16.

При подаче входного напряжения питания к источнику на выходе стабилизатора IC3 формируется напряжение +5 В. Через резистор R22 выход этого стабилизатора подсоединяется к базовой цепи транзистора Q2. Таким образом, если на входе сигнала нет иного напряжения, подаваемого, например, от системной платы компьютера, то базовая цепь транзистора Q2 оказывается под воздействием высокого логического уровня, блокирующего работу основной схемы преобразователя. Вследствие чего происходит отключение вторичных напряжений.

Интегральные стабилизаторы напряжения положительной полярности серии 78ХХ содержат микросхемы с аналогичным схемотехническим построением и отличаются уровнями выходного напряжения. Выбран следующий ряд положительных напряжений стабилизации (в вольтах): 5, 6, 8, 8,5, 9, 12, 15. Стандартный допуск на отклонение выходного напряжения от номинального значения составляет ±5 %. Номинал выходного напряжения указывается в наименовании микросхемы вместо ХХ, например: ХХ = 05 – означает +5 В, ХХ = 85 – это 8,5 В. В наименовании зарубежных микросхем перед типом прибора присутствует индекс, указывающий на фирму-производитель, например: тА78ХХ – фирма Fairchild, ИА78ХХ – Texas Instruments и т. д. Функциональными аналогами этих стабилизаторов отечественного исполнения являются микросхемы серии КР142ЕНХХ, точность установки выходного напряжения в них составляет от ±2 до ±4 % в зависимости от номинала выходного напряжения и исполнения корпуса. Нагрузочная способность стабилизаторов для различных модификаций равна 1,5 и 2 А. В отечественной маркировке цифра в конце не всегда соответствует значению напряжения стабилизации. Так, стабилизатор с номинальным выходным напряжением +9 В имеет обозначение КР142ЕН8А, а микросхема КР142ЕН5Б на выходе формирует напряжение +6 В. Для надежного определения типа прибора при проведении замены обязательно следует пользоваться справочной литературой.

На принципиальной схеме, показанной на рис. 2.2, представлена базовая схема включения стабилизатора типа 7805. Для ее работы требуется минимум внешних элементов, которыми являются, как правило, конденсаторы фильтров, подключаемых на его входе и выходе. Некоторые фирмы-производители подобных микросхем (что справедливо и для отечественных микросхем серии КР142ЕНХХ) рекомендуют устанавливать на входе дополнительный керамический конденсатор емкостью 0,33-2,2 мкФ. Физическое подключение данного конденсатора рекомендуется производить в непосредственной близости от входа стабилизатора. Это необходимо учитывать, когда микросхема стабилизатора соединена с выходом выпрямителя достаточно длинными проводниками. Керамический конденсатор устраняет генерацию, возникающую в стабилизаторе под влиянием паразитных индуктивностей и емкостей проводников печатного монтажа. Паразитный колебательный процесс возбуждается в момент скачкообразного изменения напряжения на входе стабилизатора. Амплитуда колебаний может превышать уровень максимально допустимого входного напряжения, что выведет из строя выходной мощный транзистор стабилизатора. Установка керамического конденсатора изменит характеристики контура распределенных реактивных элементов, нарушит условия возникновения генерации и входное напряжение будет нарастать плавно. Поделитесь на страничке

Следующая глава >

tech.wikireading.ru

1.2 Импульсные источники питания

1.2.1 Принцип построения и работыимпульсного бп

Импульсные источник питания(ИИП) на сегодняшний день получили самое широкое распространение и с успехом используются во всех современных радиоэлектронных устройствах.

На рисунке3 представлена структурная схема импульсного источника питания, выполненного по традиционной схеме.вторичные выпрямители, выполняются по однополупериодной схеме. Названия этих узлов раскрывает их назначение и не нуждается в пояснении. Основными узлами первичной цепи являются: входной фильтр, выпрямитель сетевого напряжения и ВЧ Преобразователь выпрямленного питающего напряжения с трансформатором.

Необходимость использования входного фильтра обусловлена тем, что, во-первых, этот фильтр должен устранять резкие кратковременные скачки питающего напряжения и импульсные помехи, вызванные работой расположенных поблизости импульсных устройств или возникающие в момент подключения или отключения от сети смежных нагрузок. Во-вторых, фильтр должен эффективно устранять помехи, проникающие в сеть непосредственно от используемого источника питания.ВЧ трансформаторы, применяемые в ИИП, являются преобразователями импульсных колебаний с частотой до нескольких килогерц. Передача энергии трансформатором имеет двухсторонний характер. В направлении сеть-нагрузка происходит передача колебаний ВЧ преобразователя. В обратном же направлении, то есть нагрузка — преобразователь — сеть, могут передаваться помехи, возникающие при работе нагрузочных цепей. Если, например, ИИП установлен в вычислительной системе, то эти помехи могут содержать элементы информационных составляющих обрабатываемых данных. Причем, как правило, трансформатор действует как понижающий, и. следовательно, в обратном направлении он работает как повышающий. Если входной фильтр не установлен, то помехи, возникающие непосредственно в устройстве, будут эффективно транслироваться в сеть с частью информационной составляющей. Таким образом, входной фильтр применяется не только для устранения паразитного эффекта обратной трансформации, но и для защиты от утечки информации.

Сетевой выпрямительный фильтр

Трансформатор

ВЧ преобразователь

Вторичные выпрямители

Входной фильтр

Rнагр

Рисунок 3 — Структурная схема импульсного БП

Основной принцип, положенный в основу работы ИИП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения 220 вольт и частотой 50 Гц в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.

Преобразование осуществляется с помощью мощного транзистора, работающего в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый выполняется по схеме импульсного автогенератора (например, такой использовался в ИБП телевизоров) и второй с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств).

Поскольку частота преобразователя обычно выбирается от 18 до 50 кГц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно компактны, что является немаловажным параметром для современной аппаратуры.Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением приведена на рисунке 4.

 

Рисунок 4 — Принципиальная схема импульсного БП с ВУ.

 

Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через сетевой фильтр (СФ) подается на сетевой выпрямитель (СВ), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра (Сф) и через обмотку W1 трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение. При этом если мы будем увеличивать длительность импульса приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к. энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1, а следовательно осуществлять стабилизацию выходных напряжений БП. Единственное что для этого необходимо -схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ контроллер. ШИМ – широтно – импульсная модуляция.

Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резистореR2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный.

В ИБП используются два принципа реализации цепей слежения – «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный метод называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора рисунок 5.

Рисунок 5 — Принципиальная схема импульсного БП с ВУ.

 

Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ контроллера.

Защита ИИП от короткого замыкания.

Короткое замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. В этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу из строя этого транзистора. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резисторRзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектораIк. Увеличение тока Iк протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или другими словами отключится.

В заключении необходимо подробно остановиться на достоинствах ИБП. Как уже упоминалось, частота импульсного преобразователя достаточно высока, в связи с чем, габаритные размеры импульсного трансформатора уменьшены, а значит, как это не парадоксальнозвучит, стоимость ИБП меньшетрадиционного БП т.к. меньше расход металла на магнитопровод и меди на обмотки, даже не смотря на то, что количество деталей в ИБП увеличивается. Еще одним из достоинств ИБП является малая, по сравнению с обычным БП, емкость конденсатора фильтра вторичного выпрямителя. Уменьшение емкости стало возможным за счет увеличения частоты. И, наконец, КПД импульсного блока питания доходит до 80%. Связано это с тем, что ИБП потребляет энергию электрической сети только во время открытого транзистора преобразователя, при его закрытии энергия в нагрузку отдается за счет разряда конденсатора фильтра вторичной цепи.

К недостаткам можно отнести усложнение схемы ИБП и увеличение импульсных помех излучаемым ИБП. Увеличение помех связано с тем, что транзистор преобразователя работает в ключевом режиме. В таком режиме транзистор является источником импульсных помех, возникающих в моменты переходных процессов транзистора. Это является недостатком любого транзистора работающего в ключевом режиме. Но если транзистор работает с малыми напряжениями (например, транзисторная логика с напряжением в 5В) это не страшно, в нашем же случае напряжение, приложенное к коллектору транзистора, составляет, примерно 315 В. Для борьбы с этими помехами в ИБП используются более сложные схемы сетевых фильтров, чем в обычном БП.

studfiles.net

Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 1.

Принцип работы импульсного блока питания

Один из самых важных блоков персонального компьютера — это, конечно, импульсный блок питания. Для более удобного изучения работы блока есть смысл рассматривать каждый его узел по отдельности, особенно, если учесть, что все узлы импульсных блоков питания различных фирм практически одинаковые и выполняют одни и те же функции. Все блоки питания рассчитаны на подключение к однофазной сети переменного тока 110/230 вольт и частотой 50 – 60 герц. Импортные блоки  на частоту 60 герц прекрасно работают и в отечественных сетях.

Основной принцип работы импульсных блоков питания заключается в выпрямлении сетевого напряжения с последующим преобразованием его в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое понижается трансформатором до нужных значений, выпрямляется и фильтруется.

Таким образом, основную часть схемы любого компьютерного блока питания, можно разделить на несколько узлов, которые производят определённые электрические преобразования. Перечислим эти узлы:

  • Сетевой выпрямитель. Выпрямляет переменное напряжение электросети (110/230 вольт).

  • Высокочастотный преобразователь (Инвертор). Преобразует постоянное напряжение, полученное от выпрямителя в высокочастотное напряжение прямоугольной формы. К высокочастотному преобразователю отнесём и силовой понижающий импульсный трансформатор. Он понижает высокочастотное переменное напряжение от преобразователя до напряжений, требуемых для питания электронных узлов компьютера.

  • Узел управления. Является «мозгом» блока питания. Отвечает за генерацию импульсов управления мощным инвертором, а также контролирует правильную работу блока питания (стабилизация выходных напряжений, защита от короткого замыкания на выходе и пр.).

  • Промежуточный каскад усиления. Служит для усиления сигналов от микросхемы ШИМ-контроллера и подачи их на мощные ключевые транзисторы инвертора (высокочастотного преобразователя).

  • Выходные выпрямители. С помощью выпрямителя происходит выпрямление — преобразование переменного низковольного напряжения в постоянное. Здесь же происходит стабилизация и фильтрация выпрямленного напряжения.

Это основные части блока питания компьютера. Их можно найти в любом импульсном блоке питания, начиная от простейшего зарядника для сотового телефона и заканчивая мощными сварочными инверторами. Отличия заключаются лишь в элементной базе и схемотехнической реализации устройства.

Довольно упрощённо структуру и взаимосвязь электронных узлов компьютерного блока питания (формат AT) можно изобразить следующим образом.

О всех этих частях схемы будет рассказано в дальнейшем.

Рассмотрим принципиальную схему импульсного блока питания по отдельным узлам. Начнём с сетевого выпрямителя и фильтра.

Сетевой фильтр и выпрямитель.

Отсюда, собственно, и начинается блок питания. С сетевого шнура и вилки. Вилка используется, естественно, по «евростандарту» с третьим заземляющим контактом.

Следует обратить внимание, что многие недобросовестные производители в целях экономии не ставят конденсатор С2 и варистор R3, а иногда и дроссель фильтра L1. То есть посадочные места есть, и печатные дорожки тоже, а деталей нет. Ну, вот прям как здесь.

Как говорится: «No comment «.

Во время ремонта желательно довести фильтр до нужной кондиции. Резисторы R1, R4, R5 выполняют функцию разрядников для конденсаторов фильтра после того как блок отключен от сети. Термистор R2 ограничивает амплитуду тока заряда конденсаторов С4 и С5, а варистор R3 защищает блок питания от бросков сетевого напряжения.

Стоит особо рассказать о выключателе S1 («230/115»). При замыкании данного выключателя, блок питания способен работать от сети с напряжением 110…127 вольт. В результате выпрямитель работает по схеме с удвоением напряжения и на его выходе напряжение вдвое больше сетевого.

Если необходимо, чтобы блок питания работал от сети 220…230 вольт, то выключатель S1 размыкают. В таком случае выпрямитель работает по классической схеме диодный мост. При такой схеме включения удвоения напряжения не происходит, да это и не нужно, так как блок работает от сети 220 вольт.

В некоторых блоках питания выключатель S1 отсутствует. В других же его располагают на тыльной стенке корпуса и помечают предупреждающей надписью. Нетрудно догадаться, что если замкнуть S1 и включить блок питания в сеть 220 вольт, то это кончится плачевно. За счёт удвоения напряжения на выходе оно достигнет величины около 500 вольт, что приведёт к выходу из строя элементов схемы инвертора.

Поэтому стоит внимательнее относиться к выключателю S1. Если предполагается использование блока питания только совместно с сетью 220 вольт, то его можно вообще выпаять из схемы.

Вообще все компьютеры поступают в нашу торговую сеть уже адаптированными на родные 220 вольт. Выключатель S1 либо отсутствует, либо переключен на работу в сети 220 вольт. Но если есть возможность и желание то лучше проверить. Выходное напряжение, подаваемое на следующий каскад составляет порядка 300 вольт.

Можно повысить надёжность блока питания небольшой модернизацией. Достаточно подключить варисторы параллельно резисторам R4 и R5. Варисторы стоит подобрать на классификационное напряжение 180…220 вольт. Такое решение сможет уберечь блок питания при случайном замыкании выключателя S1 и включении блока в сеть 220 вольт. Дополнительные варисторы ограничат напряжение, а плакий предохранитель FU1 перегорит. При этом после несложного ремонта блок питания можно вернуть в строй.

Конденсаторы С1, С3 и двухобмоточный дроссель на ферритовом сердечнике L1 образуют фильтр способный защитить компьютер от помех, которые могут проникнуть по сети и одновременно этот фильтр защищает сеть от помех, создаваемых компьютером.

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра.

Характерные неисправности выпрямителя, это выход из строя одного из диодов «моста» (редко), хотя бывают случаи, когда выгорает весь диодный мост, или утечка электролитических конденсаторов (гораздо чаще). Внешне это характеризуется вздутием корпуса и утечкой электролита. Подтёки очень хорошо заметны. При пробое хотя бы одного из диодов выпрямительного моста, как правило, перегорает плавкий предохранитель FU1.

При ремонте цепей сетевого выпрямителя и фильтра имейте в виду то, что эти цепи находятся под высоким напряжением, опасным для жизни! Соблюдайте технику электробезопасности и не забывайте принудительно разряжать высоковольные электролитические конденсаторы фильтра перед проведением работ!

Далее

Главная &raquo Мастерская &raquo Текущая страница

 

go-radio.ru

Схемы источников питания

Схема импульсного стабилизатора ненамного сложней обычного, используемого в трансформаторных блоках питания, но более сложная в настройке.

Поэтому недостаточно опытным радиолю­бителям, не знающим правил работы с высоким напряжением (в частности, никогда не работать в одиночку и никогда не настраивать включенное уст­ройство двумя руками — только одной!), не рекомендую повторять эту схему.

На рис. 1 представлена электрическая схема импульсного стабилизатора напряжения для зарядки сотовых телефонов.

Рис. 1 Электрическая схема импульсного стабилизатора напряжения

Схема представляет собой блокинг-генератор, реализованный на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Диодный мост VD1 выпрямляет переменное сете­вое напряжение, резистор R1 ограничивает импульс тока при включении, а также выполняет функцию предохранителя. Конденсатор С1 необязателен, но благодаря ему блокинг-генератор работает более стабильно, а нагрев транзи­стора VT1 чуть меньше (чем без С1).

При включении питания транзистор VT1 слегка приоткрывается через рези­стор R2, и через обмотку I трансформатора Т1 начинает течь небольшой ток. Благодаря индуктивной связи, через остальные обмотки также начинает протекать ток. На верхнем (по схеме) выводе обмотки II положительное напряжение небольшой величины, оно через разряженный конденсатор С2 приоткрывает транзистор еще сильней, ток в обмотках трансформатора нарастает, и в итоге транзистор открывается полностью, до состояния насыщения.

Через некоторое время ток в обмотках перестает нарастать и начинает снижаться (транзистор VT1 все это время полностью открыт). Уменьшается напряжение на обмотке II, и через конденсатор С2 уменьшается напряжение на базе транзистора VT1. Он начинает закрываться, амплитуда напряжения в обмотках уменьшается еще сильней и меняет полярность на отрицательную.

Затем транзистор полностью закрывается. Напряжение на его коллекторе увеличивается и становится в несколько раз больше напряжения питания (индуктивный выброс), однако благодаря цепочке R5, С5, VD4 оно ограничивается на безопасном уровне 400…450 В. Благодаря элементам R5, С5 генерация нейтрализуется не полностью, и через некоторое время полярность напряжения в обмотках снова меняется (по принципу действия типичного колебательного контура). Транзистор снова начинает открываться. Так продолжается до бесконечности в цикличном режиме.

На остальных элементах высоковольтной части схемы собраны регулятор напряжения и узел защиты транзистора VT1 от перегрузок по току. Резистор R4 в рассматриваемой схеме выполняет роль датчика тока. Как только паде­ние напряжения на нем превысит 1…1,5 В, транзистор VT2 откроется и замк­нет на общий провод базу транзистора VT1 (принудительно закроет его). Конденсатор СЗ ускоряет реакцию VT2. Диод VD3 необходим для нормаль­ной работы стабилизатора напряжения.

Стабилизатор напряжения собран на одной микросхеме — регулируемом стабилитроне DА1.

Для гальванической развязки выходного напряжения от сетевого использует­ся оптрон VOL Рабочее напряжение для транзисторной части оптрона берет­ся от обмотки II трансформатора Т1 и сглаживается конденсатором С4. Как только напряжение на выходе устройства станет больше номинального, через стабилитрон DA1 начнет течь ток, светодиод оптрона загорится, сопротивле­ние коллектор-эмиттер фототранзистора VOL2 уменьшится, транзистор VT2 приоткроется и уменьшит амплитуду напряжения на базе VT1.

Он будет сла­бее открываться, и напряжение на обмотках трансформатора уменьшится. Если же выходное напряжение, наоборот, станет меньше номинального, то фототранзистор будет полностью закрыт и транзистор VT1 будет «раскачиваться» в полную силу. Для защиты стабилитрона и светодиода от перегрузок по току, последовательно с ними желательно включить резистор сопротивле­нием 100…330 Ом.

Налаживание
Первый этап: первый раз включать устройство в сеть рекомендуется через лампу 25 Вт, 220 В, и без конденсатора С1. Движок резистора R6 устанавли-вают в нижнее (по схеме) положение. Устройство включают и сразу отклю­чают, после чего как можно быстрей измеряют напряжения на конденсаторах С4 и Сб. Если на них есть небольшое напряжение (согласно полярности!), значит, генератор запустился, если нет генератор не работает, требуется поиск ошибки на плате и монтаже. Кроме того, желательно проверить тран­зистор VT1 и резисторы R1, R4.

Если все правильно и ошибок нет, но генератор не запускается, меняют мес­тами выводы обмотки II (или I, только не обоих сразу!) и снова проверяют работоспособность.

Второй этап: включают устройство и контролируют пальцем (только не за металлическую площадку для теплоотвода) нагрев транзистора VTI, он не должен нагреваться, лампочка 25 Вт не должна светиться (падение напряже­ния на ней не должно превышать пары Вольт).

Подключают к выходу устройства какую-нибудь маленькую низковольтную лампу, например, рассчитанную на напряжение 13,5 В. Если она не светится, меняют местами выводы обмотки III.

И в самом конце, если все нормально работает, проверяют работоспособность регулятора напряжения, вращая движок подстроечного резистора R6. После этого можно впаивать конденсатор С1 и включать устройство без лампы-токоограничителя.

Минимальное выходное напряжение составляет около 3 В (минимальное па­дение напряжения на выводах DA1 превышает 1,25 В, на выводах светодио­да—1,5В).
Если нужно меньшее напряжение, заменяют стабилитрон DA1 резистором сопротивлением 100…680 Ом. Следующим шагом настройки требуется уста­новка на выходе устройства напряжения 3,9…4,0 В (для литиевого аккумуля­тора). Данное устройство заряжает аккумулятор экспоненциально умень­шающимся током (от примерно 0,5 А в начале заряда до нуля в конце (для литиевого аккумулятора емкостью около 1 А/ч это допустимо)). За пару ча­сов режима зарядки аккумулятор набирает до 80 % своей емкости.

О деталях
Особый элемент конструкции — трансформатор.
Трансформатор в этой схеме можно использовать только с разрезным ферри-товым сердечником. Рабочая частота преобразователя довольно велика, поэтому для трансформаторного железа нужен только феррит. А сам преоб­разователь — однотактный, с постоянным подмагничиванием, поэтому сер­дечник должен быть разрезным, с диэлектрическим зазором (между его поло­винками прокладывают один-два слоя тонкой трансформаторной бумаги).

Лучше всего взять трансформатор от ненужного или неисправного анало­гичного устройства. В крайнем случае его можно намотать самому: сечение сердечника 3…5 мм2, обмотка I-450 витков проводом диаметром 0,1 мм, обмотка II-20 витков тем же проводом, обмотка III-15 витков прово­дом диаметром 0,6…0,8 мм (для выходного напряжения 4…5 В). При намот­ке требуется строгое соблюдение направления намотки, иначе устройство будет плохо работать, или не заработает совсем (придется прикладывать усилия при налаживании — см. выше). Начало каждой обмотки (на схеме) вверху.

Транзистор VT1 — любой мощностью 1 Вт и больше, током коллектора не менее 0,1 А, напряжением не менее 400 В. Коэффициент усиления по току Ь2ь должен быть больше 30. Идеально подходят транзисторы MJE13003, KSE13003 и все остальные типа 13003 любой фирмы. В крайнем случае, при­меняют отечественные транзисторы КТ940, КТ969. К сожалению, эти транзи­сторы рассчитаны на предельное напряжение 300 В, и при малейшем повы­шении сетевого напряжения выше 220 В они будут пробиваться. Кроме того, они боятся перегрева, т. е. требуется их установка на теплоотвод. Для транзи­сторов KSE13003 и МГС13003 теплоотвод не нужен (в большинстве случаев цоколевка — как у отечественных транзисторов КТ817).

Транзистор VT2 может быть любым маломощным кремниевым, напряжение на нем не должно превышать 3 В; это же относится и к диодам VD2, VD3. Конденсатор С5 и диод VD4 должны быть рассчитаны на напряжение 400…600 В, диод VD5 должен быть рассчитан на максимальный ток нагрузки. Диодный мост VD1 должен быть рассчитан на ток 1 А, хотя потребляемый схемой ток не превышает сотни миллиампер — потому что при включении происходит довольно мощный бросок тока, а увеличивать сопротивление ре­зистора Шдля ограничения амплитуды этого броска нельзя — он будет силь­но нагреваться.

Вместо моста VD1 можно поставить 4 диода типа 1N4004…4007 или КД221 с любым буквенным индексом. Стабилизатор DA1 и резистор R6 можно заме­нить на стабилитрон, напряжение на выходе схемы будет на 1,5 В больше напряжения стабилизации стабилитрона.

«Общий» провод показан на схеме только для упрощения графики, его нельзя заземлять и (или) соединять с корпусом устройства. Высоковольтная часть устройства должна быть хорошо изолирована.

Оформление
Элементы устройства монтируют на плате из фольгированного стеклотексто­лита в пластмассовый (диэлектрический) корпус, в котором просверливают два отверстия для индикаторных светодиодов. Хорошим вариантом (использованным автором) является оформление платы устройства в корпус от ис­пользованной батареи типа А3336 (без понижающего трансформатора).

shemu.ru

Импульсные источники питания теория | Техника и Программы

Импульсные источники питания стали фактически непре­менным атрибутом любой современной бытовой техники, потреб­ляющей от сети мощность свыше 100 Вт. В эту категорию попадают компьютеры, телевизоры, мониторы.

Для создания импульсных источников питания, примеры конкретного воплощения которых будут приведены ниже, приме­няются специальные схемные решения.

Так, для исключения сквозных токов через выходные тран­зисторы некоторых импульсных источников питания используют специальную форму импульсов, а именно, биполярные импульсы прямоугольной формы, имеющие между собой промежуток во времени. Продолжительность этого промежутка должна быть больше времени рассасывания неосновных носителей в базе вы­ходных транзисторов, иначе эти транзисторы будут повреждены. Ширина управляющих импульсов с целью стабилизации выходно­го напряжения может изменяться с помощью обратной связи.

Обычно для обеспечения надежности в импульсных ис­точниках питания используют вьюоковольтные транзисторы, ко­торые в силу технологических особенностей не отличаются в лучшую сторону (имеют низкие частоты переключения, малые коэффициенты передачи по току, значительные токи утечки, большие падения напряжения на коллекторном переходе в от­крытом состоянии). Особенно это касается устаревших ныне мо­делей отечественных транзисторов типа КТ809, КТ812, КТ826, КТ828 и многих других. Стоит сказать, что в последние годы поя­вилась достойная замена биполярным транзисторам, традицион­но используемых в выходных каскадах импульсных источников питания. Это специальные высоковольтные полевые транзисто­ры отечественного, и, главным образом, зарубежного производ­ства. Кроме того, существуют многочисленные микросхемы для импульсных источников питания.

Биполярные симметричные импульсы регулируемой ши­рины позволяет получить генератор импульсов по схеме на рис. 5.1 [5.1]. Устройство может быть использовано в схемах

Рис. 5.1. Схема формирователя биполярных симметричных импульсов регулируемой длительности

авторегулирования выходной мощности импульсных источников питания. На микросхеме DDI {К561ЛЕ5/К561 ЛАТ) собран гене­ратор прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2. Симметрии генерируемых импульсов добиваются регулировкой резистора R1. Рабочую частоту генератора (44 кГц) при необхо­димости можно изменить подбором емкости конденсатора С1.

На элементах DA1.1, DA1.3 {К561КТЗ) собраны компарато­ры напряжения; на DA1.2, DA1.4 — выходные ключи. На входы компараторов-ключей DA1.1, DA1.3 в противофазе через форми­рующие RC-диодные цепочки (R3, С2, VD2 и R6, СЗ, VD5) пода­ются прямоугольные импульсы. Заряд конденсаторов С2, СЗ происходит по экспоненциальному закону через R3 и R5, соответ­ственно; разряд — практически мгновенно через диоды VD2 и VD5. Когда напряжение на конденсаторе С2 или СЗ достигнет по­рога срабатывания компараторов-ключей DA1.1 или DA1.3, соот­ветственно, происходит их включение, и резисторы R9 и R10, а также управляющие входы ключей DA1.2 и DA1.4 подключаются к положительному полюсу источника питания.

Поскольку включение ключей производится в противофазе, такое переключение происходит строго поочередно, с паузой меж­ду импульсами, что исключает возможность протекания сквозного тока через ключи DA1.2 и DA1.4 и управляемые ими транзисторы преобразователя, если генератор двухполярных импульсов ис­пользуется в схеме импульсного источника питания. Плавное ре­гулирование ширины импульсов осуществляется одновременной подачей стартового (начального) напряжения на входы компарато­ров (конденсаторы С2, СЗ) с потенциометра R5 через диодно-ре-зистивные цепочки VD3, R7 и VD4, R8. Предельный уровень управляющего напряжения (максимальную ширину выходных им­пульсов) устанавливают подбором резистора R4.

Сопротивление нагрузки можно подключить по мостовой схеме — между точкой соединения элементов DA1.2, DA1.4 и кон­денсаторами Са, СЬ. Импульсы с генератора можно подать и на транзисторный усилитель мощности.

При использовании генератора двухполярных импульсов в схеме импульсного источника питания в состав резистивного де­лителя R4, R5 следует включить регулирующий элемент — поле­вой транзистор, фотодиод оптрона и т.д., позволяющий при уменьшении/увеличении тока нагрузки автоматически регулиро­вать ширину генерируемого импульса, управляя тем самым вы­ходной мощностью преобразователя.

В качестве примера практической реализации импульсных источников питания приведем описания и схемы некоторых из них.

Импульсный источник питания (рис. 5.2) состоит из выпря­мителей сетевого напряжения, задающего генератора, формиро­вателя прямоугольных импульсов регулируемой длительности, двухкаскадного усилителя мощности, выходных выпрямителей и схемы стабилизации выходного напряжения [5.2].

Задающий генератор выполнен на микросхеме типа К555ЛАЗ (элементы DDI .1, DDI .2) и вырабатывает прямоугольные импульсы частотой 150 кГц. На элементах DDI .3, DDI .4 собран RS-триггер, на выходе которого частота вдвое меньше — 75 кГц. Узел управления длительностью коммутирующих импульсов реализован на микро­схеме типа К555ЛИ1 (элементы DD2.1, DD2.2), а регулировка дли­тельности осуществляется с помощью оптрона U1.

Выходной каскад формирователя коммутирующих импуль­сов собран на элементах DD2.3, DD2.4. Максимальная мощность на выходе формирователя импульсов достигает 40 мВт. Предва­рительный усилитель мощности выполнен на транзисторах VT1, VT2 типа КТ645А, а оконечный — на транзисторах VT3, VT4 типа КТ828 или более современных. Выходная мощность каскадов — 2 и 60…65 Вт, соответственно.

На транзисторах VT5, VT6 и оптроне U1 собрана схема стабилизации выходного напряжения. Если напряжение на выхо­де источника питания ниже нормы (12 В), стабилитроны VD19, VD20 {КС182+КС139) закрыты, транзистор VT5 закрыт, транзи­стор VT6 открыт, через светодиод (U1.2) оптрона протекает ток, ограниченный сопротивлением R14; сопротивление фотодиода (U1.1) оптрона минимально. Сигнал, снимаемый с выхода элемен­та DD2.1 и поступающий на входы схемы совпадения DD2.2 на­прямую и через регулируемый элемент задержки (R3 — R5, С4, VD2, U1.1), в силу его малой постоянной времени поступает практически одновременно на входы схемы совпадения (элемент DD2.2). На выходе этого элемента формируются широкие управ­ляющие импульсы. На первичной обмотке трансформатора Т1

Рис. 5.2. Схема импульсного источника питания

(выходах элементов DD2.3, DD2.4) формируются двухполярные импульсы регулируемой длительности.

Если по какой-либо причине напряжение на выходе источни­ка питания будет увеличиваться сверх нормы, через стабилитроны VD19, VD20 начнет протекать ток, транзистор VT5 приоткроется, VT6 — закроется, уменьшая ток через светодиод оптрона U1.2. При этом возрастает сопротивление фотодиода оптрона U1.1. Длительность управляющих импульсов уменьшается, и происхо­дит уменьшение выходного напряжения (мощности). При коротком замыкании нагрузки светодиод оптрона гаснет, сопротивление фотодиода оптрона максимально, а длительность управляющих импульсов — минимальна. Кнопка SB1 предназначена для запус­ка схемы.

При максимальной длительности положительные и отрица­тельные управляющие импульсы не перекрываются во времени, поскольку между ними существует временная просечка, обу­словленная наличием резистора R3 в формирующей цепи. Тем самым снижается вероятность протекания сквозных токов через выходные относительно низкочастотные транзисторы оконечного каскада усиления мощности, которые имеют большое время рас­сасывания избыточных носителей на базовом переходе. Выход­ные транзисторы установлены на ребристые теплоотводящие радиаторы с площадью не менее 200 сь/. В базовые цепи этих транзисторов желательно установить сопротивления величиной 10…51 Ом.

Каскады усиления мощности и схема формирования двух­полярных импульсов получают питание от выпрямителей, выпол­ненных на диодах VD5 — VD12 и элементах R9 — R11, С6 — С9, С12, VD3, VD4.

Трансформаторы Т1, Т2 выполнены на ферритовых коль­цах К10x6x4,5 ЗОООНМ; ТЗ — К28х16х9 ЗОООНМ. Первичная об­мотка трансформатора Т1 содержит 165 витков провода ПЭЛШО 0,12, вторичные — 2×65 витков ПЭЛ-2 0,45 (намотка в два прово­да). Первичная обмотка трансформатора Т2 содержит 165 вит­ков провода ПЭВ-2 0,15 мм, вторичные — 2×40 витков того же провода. Первичная обмотка трансформатора ТЗ содержит 31 виток провода МГШВ, продетого в кембрик и имеющего сечение 0,35 мм^, вторичная обмотка имеет 3×6 витков провода ПЭВ-2 1,28 мм (параллельное включение). При подключении обмоток трансформаторов необходимо правильно их фазировать. Начала обмоток показаны на рисунке звездочками.

Источник питания работоспособен в диапазоне измене­ния сетевого напряжения 130…250 В. Максимальная выходная мощность при симметричной нагрузке достигает 60…65 Вт (ста­билизированное напряжение положительной и отрицательной по­лярности 12 S и стабилизированное напряжение переменного тока частотой 75 кГц, снимаемые,со вторичной обмотки транс­форматора ТЗ). Напряжение пульсаций на выходе источника пи­тания не превышает 0,6 В.

При налаживании источника питания сетевое напряжение на него подают через разделительный трансформатор или фер-рорезонансный стабилизатор с изолированным от сети выходом. Все перепайки в источнике допустимо производить только при полном отключении устройства от сети. Последовательно с вы­ходным каскадом на время налаживания устройства рекоменду­ется включить лампу накаливания 60 Вт на 220 В. Эта лампа защитит выходные транзисторы в случае ошибок в монтаже. Оп-трон U1 должен иметь напряжение пробоя изоляции не менее 400 В. Работа устройства без нагрузки не допускается.

Сетевой импульсный источник питания (рис. 5.3) разрабо­тан для телефонных аппаратов с автоматическим определителем номера или для других устройств с потребляемой мощностью 3…5 Вт, питаемых напряжением 5…24 В [5.3].

Источник питания защищен от короткого замыкания на вы­ходе. Нестабильность выходного напряжения не превышает 5% при изменении напряжения питания от 150 до 240 В и тока нагруз­ки в пределах 20… 100% от номинального значения.

Управляемый генератор импульсов обеспечивает на базе транзистора VT3 сигнал частотой 25…30 кГц.

Дроссели L1, L2 и L3 намотаны на магнитопроводах типа К10x6x3 из пресс-пермаллоя МП140. Обмотки дросселя L1, L2 со­держат по 20 витков провода ПЭТВ 0,35 мм и расположены каж­дая на своей половине кольца с зазором между обмотками не менее 1 мм. Дроссель L3 наматывают проводом ПЭТВ 0,63 мм виток к витку в один слой по внутреннему периметру кольца. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Б22 из феррита

Рис. 5.3. Схема сетевого импульсного источника питания

М2000НМ1. Его обмотки наматывают на разборном каркасе ви­ток к витку проводом ПЭТВ и пропитывают клеем. Первой нама­тывают в несколько слоев обмотку I, содержащую 260 витков провода 0,12 мм. Таким же проводом наматывают экранирующую обмотку с одним выводом (на рис. 5.3 показана пунктирной лини­ей), затем наносят клей БФ-2 и обматывают одним слоем лакот-кани. Обмотку III наматывают проводом 0,56 мм. Для выходного напряжения 5 В она содержит 13 витков. Последней наматывают обмотку II. Она содержит 22 витка провода 0,15…0,18 мм. Между чашками обеспечивают немагнитный зазор [5.3].

Для создания вьюокого напряжения (30…35 кВ при токе на­грузки до 1 мА) для питания электроэффлювиальной люстры (люстры А. Л. Чижевского) предназначен источник питания посто­янного тока на основе специализированной микросхемы типа К1182ГГЗ{р\лс. 5.4) [5.4].

Источник питания состоит из выпрямителя сетевого напря­жения на диодном мосте VD1, конденсатора фильтра С1 и вьюо-ковольтного полумостового автогенератора на микросхеме DA1 типа К1182ГГЗ. Микросхема DA1 совместно с трансформатором Т1 преобразует постоянное выпрямленное сетевое напряжение в вьюокочастотное (30…50 кГц) импульсное.

Выпрямленное сетевое напряжение поступает на микросхе­му DA1, а стартовая цепочка R2, С2 запускает автогенератор микросхемы. Цепочки R3, СЗ и R4, С4 задают частоту генерато­ра. Резисторы R3 и R4 стабилизируют длительность полуперио­дов генерируемых импульсов. Выходное напряжение повышается обмоткой L4 трансформатора и подается на умножитель напря­жения на диодах VD2 — VD7 и конденсаторах С7 — С12. Выпрям­ленное напряжение подается на нагрузку через ограничительный резистор R5.

Конденсатор сетевого фильтра С1 рассчитан на рабочее на­пряжение 450 В {К50-29), С2 — любого типа на напряжение 30 В. Конденсаторы С5, С6 выбирают в пределах 0,022…0,22 мкФ на напряжение не менее 250 В {К71-7, К73-17). Конденсаторы умно­жителя С7 — С12 типа КВИ-3 на напряжение 10 кВ. Возможна за­мена на конденсаторы типов К15-4, К73-4, ПОВ и другие на рабочее напряжение ^OкB или выше.

Рис. 5.4. Схема высоковольтного источника питания постоянного тока

Высоковольтные диоды VD2 — VD7 типа КЦ106Г {КЦ105Д). Ограничительный резистор R5 типа КЭВ-1. Его можно заменить тремя резисторами типа МЛТ-2 по 10 МОм. В качестве трансфор­матора используется телевизионный строчный трансформатор, например, ТВС-110ЛА. ВЬюоковольтную обмотку оставляют, ос­тальные удаляют и на их месте размещают новые обмотки. Об­мотки L1, L3 содержат по 7 витков провода ПЭЛ 0,2 мм, а обмотка L2 — 90 витков такого же провода [5.4].

Цепочку резисторов R5, ограничивающих ток короткого замыкания, рекомендуется включить в «минусовой» провод, кото­рый подводится к люстре. Этот провод должен иметь вьюоко-вольтную изоляцию.

Устройство, именуемое корректором коэффициента мощ­ности (рис. 5.5), собрано на основе специализированной микро­схемы TOP202YA3 (фирма Power Integration) и обеспечивает коэффициент мощности не менее 0,95 при мощности нагрузки 65 Вт. Корректор приближает форму тока, потребляемую нагруз­кой, к синусоидальной [5.4, 5.5].

Рис. 5.5. Схема корректора коэффициента мощности на микро­схеме TOP202YA3

Максимальное напряжение на входе — 265 В. Средняя час­тота преобразователя — 100 кГц. КПД корректора — 0,95.

Схема источника питания с микросхемой той же фирмы Po­wer Integration показана на рис. 5.6 [5.5]. В устройстве применен полупроводниковый ограничитель напряжения — 1,5КЕ250А. Пре­образователь обеспечивает гальваническую развязку выходного

напряжения от напряжения сети. При указанных на схеме номина­лах и элементах устройство позволяет подключать нагрузку, по­требляющую 20 Вт при напряжении 24 В. КПД преобразователя приближается к 90%. Частота преобразования — 100 /сГц. Устрой­ство защищено от коротких замыканий в нагрузке.

Рис. 5.6. Схема импульсного источника питания на микросхеме фирмы Power Integration

Выходная мощность преобразователя определяется типом используемой микросхемы, основные характеристики которых приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1. Характеристики микросхем серии TOP221Y — TOP227Y

Тип микросхемы

Ртах-

Ток срабатывания защиты, А

Ней открытого тран­зистора, Ом

TOP221Y

7

0,25

31,2

T0P222Y

15

0,5

15,6

T0P223Y

30

1

7,8

T0P224Y

45

1,5

5,2 .

T0P225Y

60

2

3,9

T0P226Y

75

2,5

3,1

T0P227Y

90

3

2,6

На основе одной из микросхем ТОР200/204/214 фирмы Power Integration [5.7] может быть собран простой и высокоэффек­тивный преобразователь напряжения (рис. 5.7) с выходной мощ­ностью до 100 Вт.

Рис. 5.7. Схема импульсного Buck-Boost преобразователя на микросхеме ТОР200/204/214

Преобразователь содержит сетевой фильтр (С1, L1, L2), мостовой выпрямитель (VD1 — VD4), собственно сам преобразо­ватель U1, схему стабилизации выходного напряжения, выпрями­тели и выходной LC-фильтр.

Входной фильтр L1, L2 намотан в два провода на феррито-вом кольце М2000 (2×8 витков). Индуктивность полученной катуш­ки — 18…40 мГн. Трансформатор Т1 выполнен на ферритовом сердечнике со стандартным каркасом ETD34 фирмы Siemens или Matsushita, хотя можно использовать и иные импортные сердечни­ки типа ЕР, ЕС, EF или отечественные Ш-образные ферритовые сердечники М2000. Обмотка I имеет 4×90 витков ПЭВ-2 0,15 мм; II — 3×6 того же провода; III — 2×21 витков ПЭВ-2 0,35 мм. Все об­мотки наматывают виток к витку. Между слоями должна быть обеспечена надежная изоляция.

nauchebe.net

импульсные источники вторичного электропитания | Электрознайка. Домашний Электромастер.

Двухтактный ИБП своими руками




     Изготовим простой, но достаточно надежный преобразователь – инвертор своими руками. Рабочая схема такого инвертора или, говоря по другому, импульсного блока питания ИБП, изображена на рисунке. Эта схема является классической и с небольшими изменениями и дополнениями повсеместно используется.
      Своей целью в рекомендации к изготовлению этого преобразователя я считаю изготовление простого и доступного для каждого начинающего электрика – любителя, электронного прибора. При некотором практическом  навыке это несложно, хотя и придется приложить немного усилий и «потратить нервов».


     Зададимся целью создать источник питания постоянного напряжения на 15 вольт и мощностью 20 ватт в нагрузке. Можно задаться любым выходным напряжением и мощностью.
     Схема состоит из нескольких узлов: выпрямителя, устройства запуска, генератора импульсов, выходного устройства.

     Выпрямитель. Представляет из себя преобразователь переменного напряжения 220 вольт 50 герц в постоянное напряжение 310 вольт. Резистор R1 служит для ограничения первоначального броска тока заряда конденсатора С1. Переменное напряжение выпрямляется диодами D1 – D4 и сглаживается электролитическим конденсатором С1.

     Устройство запуска представляет из себя генератор пилообразного напряжения и состоит из резистора R2 конденсатора С2 и стабилитрона D7.

Импульсы  от этого генератора подаются на базу ключевого транзистора Т2.
Генератор запускающих импульсов работает только в момент пуска, а потом выключается.
     Генератор прямоугольных импульсов преобразует постоянное напряжение 310 вольт в переменное напряжение высокой частоты 30 — 45 килогерц.

Трансформатор Тр1 служит для подачи импульсов управления на базы ключевых транзисторов Т1 и Т2.
Выходной трансформатор Тр2 преобразует высокое переменное напряжение в низкое выходное переменное напряжение (согласно коэффициента трансформации).

     Выходное устройство, это два выпрямительных диода (Д9 и Д10) и сглаживающие конденсаторы (С5 и С6).

     Сразу после включения питания 220 вольт, начинает работать устройство запускающих импульсов, представляющий из себя генератор пилообразного напряжения (R2, С2, Д7) (точка 1). От него запускающие импульсы поступают на базу транзистора  Т2 (точка 2). Происходит запуск автогенератора.

     Ключевые транзисторы открываются поочередно и в первичной обмотке выходного трансформатора  Тр2, включенной в диагональ моста (Т1,Т2 – С3,С4), образуется переменное напряжение прямоугольной формы (точка 3).

     С вторичной обмотки трансформатора Тр2 снимается выходное напряжение, выпрямляется диодами Д9, Д10 (двухполупериодное выпрямление) и сглаживается конденсаторами С5 и С6. На выходе получается постоянное напряжение заданной величины.

     Предпочтение такой схемы двухполупериодного выпрямления ( с двумя диодами), перед схемой с помощью мостика, состоит в большем КПД выпрямительного устройства.

     Рабочее напряжение между коллектором и эмиттером на транзисторах Т1 и Т2, не  превышает напряжения питания 310 вольт.
     Откуда берутся эти 310 вольт?

     Действующее значение переменного напряжения в сети Uд = 220 вольт, а амплитудное значение напряжения равно: Uа = Uд  х √2 = 220 х 1,41 = 310 вольт.
     Электролитический конденсатор С1 заряжается до амплитудного значения этого напряжения Uа = 310 В.
     В рабочем состоянии, под нагрузкой, это напряжение падает до величины, примерно 290 – 295 вольт. Это напряжение также зависит от емкости конденсатора С1. Чем больше емкость С1, тем  напряжение на конденсаторе ближе к 310 вольтам.
     Напряжение на первичной обмотке ферритового трансформатора Тр2 составляет половину напряжения питания. Примем, для расчета, напряжение на С1 — 290 вольт. Один конец первичной обмотки соединен со средней точкой делителя из конденсаторов С3 и С4, которая имеет потенциал равный U = 290/2 = 145 вольт, то есть половину Uпит. Второй конец обмотки w1 (точка 3) — переключаемый узел эмиттер — коллектор силовых транзисторов Т1 и Т2.
На напряжение питания U = 145 вольт мы и будем рассчитывать выходной ферритовый трансформатор Тр2, об этом необходимо помнить.
     Генератор импульсов работает в режиме автогенерации. В этой схеме задействована цепь обратной связи ОС по напряжению (Тр2, w3 – R5 – Тр1, w3). Напряжение обратной связи с обмотки w3 выходного трансформатора Тр2 поступает на обмотку w3 трансформатора Тр1 через гасящий резистор R5. С обмоток w1 и w2 трансформатора Тр1 поступают разнополярные импульсы управления на базы транзисторов Т1 и Т2.
     Генератор импульсов самостоятельно, без устройства запускающего импульса, заработать не может.
      Трансформатор Тр1 наматывается на ферритовом кольце К10×6х4 (наружный диаметр 10 мм, внутренний диаметр 6 мм, ширина кольца 4 мм) марки НМ2000.
     Количество витков в обмотках: w1 = w2 = 7 витков, w3 = 21 витков.     Диаметр провода 0,3 – 0,4 мм в хорошей изоляции. Обмотки w1 и w2 мотать одновременно двумя проводами. Обмотки w1, w2 и w3 равномерно мотать по всему сердечнику. Сначала намотать обмотку w3, а затем поверх обмотки w1 и w2.
     Желательно как то пометить начала и концы этих обмоток, чтобы не перепутать. Я обычно мотаю обмотки w1 и w2 проводом с разным цветом изоляции. Начала обмоток пометить маркером или надеть колечки из хлорвиниловой трубочки подходящего диаметра.
Подключать эти обмотки к базам транзисторов необходимо в разной полярности: начало w1 к базе Т1, начало w2 к эмиттеру Т2; конец w1 к эмиттеру Т1, конец w2 к базе Т2.
     Отнеситесь к этому очень внимательно.

     Трансформатор Тр2 можно намотать на ферритовом кольце, на Ш – образном сердечнике или П — образной формы. Пример построения Тр2 на ферритовом сердечнике Ш — образной формы  смотрите здесь.
     Пример построения трансформатора Тр2 на ферритовом кольце смотрите в статье: «Трансформатор для двухтактного ИБП, на ферритовом кольце.». 

Перечень деталей схемы:
     Резисторы: R1 – 27 Ом, 1 ватт; R2 – 470 Ком; R3 = R4 = 8 Ом; R5 – 50 — 100 Ом. любой мощности.
     Конденсаторы: С1 – 50 МкФ  350 В; С2 – 47 нФ 250 В; С3, С4 – 200 нФ 250 В; С5 – 1,0 МкФ  50 В керамический; С6 – 100 МкФ.
     Диоды: Д1 – Д4, Д5, Д6, Д8 — N4007; Д7 – динистор DB3; Д9, Д10 — КД213 или другие с частой до 100 КГц и током не ниже 3 ампер.
     Транзисторы: Т1, Т2 – 13003, 700 В, 1,6 А или 13005, этот транзистор помощнее.
Транзисторы лучше поставить на два небольшие радиатора по 5 — 8 см.кв., чтобы не грелись.
     Трансформаторы:
     Тр1 — ферритовое кольцо К10×6х4, НМ2000, w1 = w2 = 7 витков, w3 = 21 витков, провод 0,3 – 0,4 мм.
     Тр2 — ферритовое кольцо К28×18х8, НМ2000;
     w1 – 254 витков провода 0,25 — 0,35 мм.;
     w2-1 и w2-2 по 28 витков провода 0,6- 0,7 мм.;
     w3 – 12 витков провода 0,3 мм.
Размеры кольца рассчитаны на мощность побольше 20 ватт. но это неплохо, будет запас по диаметру провода и его  размещению  в окне ферритового кольца.
     Если нет такого ферритового  кольца, можно взять кольцо с  размерами побольше. Количество витков в обмотках можно оставить то же, а диаметры проводов в обмотках немного увеличить. Тогда  мощность инвертора увеличится.

Наладка схемы двухтактного преобразователя – инвертора.

     Перед включением устройства в сеть необходимо проверить все соединения проводов и деталей, согласно электрической схемы. Во избежание пробоя силовых транзисторов Т1 и Т2 в случае неправильного соединения проводов, в разрыв сети 220 вольт временно включают электрическую лампочку на 220 вольт, мощностью 40 -60 ватт. После наладки схемы, ее отключают.
     Еще раз проверить подключение обмоток w1 и w2 трансформатора Тр1 к базам транзисторов Т1, Т2 на полярность включения.
     На выход преобразователя нужно подключить маломощную лампочку на 15 — 24 вольта, 0,1 ампера, для контроля работы устройства питания. В последующем ее можно будет снять.
      Включаем питание 220 вольт на вход схемы. Если все соединения проведены правильно, лампочка  «Л» должна загореться, инвертор работает!
     Если же лампочка не загорелась, генератор не работает. Необходимо поменять полярность подключения обратной связи на трансформаторе Тр2 (w3, точки 4, 5). Значение резистора  R5 примите 75 Ом.

     После этого все должно работать.
Постоянное напряжение на выходе инвертора  около 15 вольт, ток нагрузки до 1,5 ампера.
       Внимание! Изготовленный вами инвертор собран по простой схеме и не имеет никаких защит ни по напряжению, ни по току. Поэтому его нельзя перегружать свыше 20 -30 ватт! Имейте это в виду!

domasniyelektromaster.ru

СХЕМА ИИП


СХЕМА ИИП

   Продолжение статьи про импульсный источник питания. Принципиальная схема ИИП изображена на рисeyrt ниже. Как видно, это преобразователь с внешним возбуждением без стабилизации выходного напряжения. На входе устройства включен высокочастотный фильтр C1L1C2, предотвращающий попадание помех в сеть. Пройдя его, сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом VD1—VD4, пульсации сглаживаются конденсатором С3. Выпрямленное постоянное напряжение (около 310 В) используется для питания высокочастотного преобразователя.


 

                   Принципиальная электрическая схема

   Устройство управления преобразователем выполнено на микросхемах DD1—DD3. Питается оно от отдельного стабилизированного источника, состоящего из понижающего трансформатора Т1, выпрямителя VD5 и стабилизатора напряжения на транзисторах VT1, VT2 и стабилитроне VD6. На элементах DD1.1, DD1.2 собран задающий генератор, вырабатывающий импульсы с частотой следования около 360 кГц. Далее следует делитель частоты на 4, выполненный на триггерах микросхемы DD2.

   С помощью элементов DD3.1, DD3.2 создаются дополнительные паузы между импульсами. Паузой является не что иное, как уровень логического 0 на выходах этих элементов, появляющийся при наличии уровня 1 на выходах элемента DD1.2 и триггеров DD2.1 иDD2.2. Напряжение низкого уровня на выходе DD3.1 (DD3.2) блокирует DD1.3 (DD1.4) в «закрытом» состоянии (на выходе – уровень логической 1).

   Длительность паузы равна 1/3 от длительности импульса ( эпюры напряжений на выводах 1 DD3.1 и 13 DD3.2), чего вполне достаточно для закрывания ключевого транзистора. С выходов элементов DD1.3 и DD1.4 окончательно сформированные импульсы поступают на транзисторные ключи (VT5, VT6), которые через резисторы R10, R11 управляют затворами мощных полевых транзисторов VT9, VT10.

   Импульсы с прямого и инверсного выходов триггера DD2.2 поступают на входы устройства, выполненного на транзисторах VT3, VT4, VT7, VT8. Открываясь поочередно, VT3 и VT7,VT4 и VT8 создают условия для быстрой разрядки входных емкостей ключевых транзисторов VT9, VT10, т. е. их быстрого закрывания. Причем, как видно из рис. 3 (эпюры напряжений на выводах 12 и 13 DD2.2), VT7 и VT8 открываются сразу же после окончания импульса, поэтому при любой выходной мощности каждый из транзисторов VT9, VT10 всегда успевает надежно закрыться до открывания второго. Если бы это условие не выполнялось, через них, а следовательно, через первичную обмотку трансформатора Т2 протекал бы сквозной ток, который не только уменьшает надежность и КПД ИБП, но и создает всплески напряжения, амплитуда которых порой превышает напряжение питания преобразователя. В цепи затворов транзисторов VT9 и VT10 включены резисторы относительно большого сопротивления R10 и R11. Вместе с емкостью затворов они образуют фильтры нижних частот, уменьшающие уровень гармоник при открывании ключей. С этой же целью введены элементы VD9—VD12, R16, R17, С12.С13. В стоковые цепи транзисторов VT9, VT10 включена первичная обмотка трансформатора Т2. Выпрямители выходного напряжения выполнены по мостовой схеме на диодах VD13—VD20, что несколько уменьшает КПД устройства, но значительно (более чем в пять раз) снижает уровень пульсации на выходе ИБП. 

   Важно отметить, что форма колебаний, почти прямоугольная при максимальной нагрузке, плавно переходит в близкую к синусоидальной при уменьшении мощности до 10…20 Вт. Выпрямленное напряжение обмотки IV трансформатора Т2 используют для питания вентиляторов.

   Для повышения надежности источников электропитания в них применяют узлы защиты, предотвращающие выход из строя силовых элементов схемы при перегрузках и коротких замыканиях в цепи нагрузки. Принцип действия схемы защиты от перегрузки и коротких замыканий. Напряжение питания, снимаемое с диодного моста VD5 поступает на обмотку реле К1 и анод тиристора VS1, находящегося в закрытом состоянии. Ток через обмотку реле К1 не протекает и через его контакты (К1. и К1.2) подается напряжение питания на транзисторы VT1 и VT2 и на стабилизатор Ст, и далее на схему управления ключевыми транзисторами СУ. На ключевые транзисторы VT9 и VT10 подается положительное напряжение питания от 250 до 310 В, которое зависит от тока нагрузки подаваемого на ИИП напряжения питания. 

   Мощность ИИП равна 800 Вт, из чего можно сделать вывод, что через ключевые транзисторы протекает средний ток З,2 А, соответствующий максимальной нагрузке. В этот момент на резисторе R3 сопротивлением 0,33 Ом выделяется напряжение падения равное U=I?R=0, 33?3,2=1 В это напряжение открывает тиристор VS1, который в свою очередь включает реле К1. Контакт реле К1.1 отключает напряжение питания стабилизатора. Контакт реле К1.2 отключает напряжение питания схемы управления, вследствие чего закрываются ключевые транзисторы VT9 и VT10, напряжение питания на выходе ИИП становится равным нулю. Контакт К1.2 совместно с резистором Rр необходимы для быстрой разрядки оксидных конденсаторов в цепях стабилизатора. В противном случае, при отключении ИИП от сети, в стоковых цепях ключевых транзисторов произойдет импульс тока, который может привести к пробою ключевых транзисторов. Во вторичных обмотках импульсного трансформатора TP2 произойдет импульс тока, который может привести к выходу из строя элементов, питающихся напряжением, снимаемым с ИИП. Импульс тока возникает из-за очень большой емкости конденсатора СЗ, который после отключения напряжения питания ИИП разряжается очень медленно, и если подать в этот момент остаточное напряжение от электролитических конденсаторов C5 и C7 на схему управления, произойдет открывание ключевых транзисторов и резкий разряд конденсатора С3, сопровождающийся большим отдаваемым током. Данная схема защиты от КЗ введена в опытный образец ИИП и показала высокую надежность и практичность в работе.  

   В устройстве применены конденсаторы К73-17 (С1, С2, С4), К50-17 (СЗ), МБМ (С12, С13), К73-16 (С14-С21, С24, С25), К50-35 (С5-С7), КМ (остальные). Вместо указанных на схеме допустимо применение микросхем серий К176, К564. Диоды Д246 (VD1—VD4) заменимы на любые другие, рассчитанные на прямой ток не менее 5 А и обратное напряжение не менее 350 В (КД202К, КД202М, КД202Р, КД206Б, Д247Б), или диодный выпрямительный мост с такими же параметрами, диоды КД2997А (VD13-VD20) — на КД2997Б, КД2999Б, стабилитрон Д810 (VD6) — на Д814В. В качестве VT1 можно использовать любые транзисторы серий КТ817, КТ819, в качестве VT2—VT4 и VT5, VT6 — соответственно любые из серий КТ315, КТ503, КТ3102 и КТ361, КТ502, КТ3107, на месте VT9, VT10 — КП707В1, КП707Е1. Транзисторы КТ3102Ж (VT7, VT8) заменять не рекомендуется.

   Трансформатор Т1 -ТС-10-1 или любой другой с напряжением вторичной обмотки 11… 13 В при токе нагрузки не менее 150 мА. Катушку L1 сетевого фильтра наматывают на ферритовом (М2000НМ1) кольце типоразмера К31Х18,5х7 проводом ПЭВ-1 1,0 (2х25 витков), трансформатор Т2 — на трех склеенных вместе кольцах из феррита той же марки, но типоразмера К45х28х12. Обмотка I содержит 2х42 витка провода ПЭВ-2 1,0 (наматывают в два провода), обмотки II и III — по 7 витков (в пять проводов ПЭВ-2 0,8), обмотка IV — 2 витка ПЭВ-2 0,8. Между обмотками прокладывают три слоя изоляции из фторопластовой ленты. 

   Магнитопроводы дросселей L2, L3 — ферритовые (1500НМЗ) стержни диаметром 6 и длиной 25 мм (подстроечники от броневых сердечников Б48). Обмотки содержат по 12 витков провода ПЭВ-1 1,5. Транзисторы VT9, VT10 устанавливают на теплоотводах с вентиляторами, применяемыми для охлаждения микропроцессоров Pentium (подойдут аналогичные узлы и от процессоров 486). Диоды VD13—VD20 закрепляют на теплоотводах с площадью поверхности около 200 см2. Для охлаждения транзисторов выходного каскада УМЗЧ на задней стенке устанавливают вентилятор от компьютерного блока питания или любой другой с напряжением питания 12 В.

   Для изготовления опытного образца импульсного источника питания была подобрана современная электронная база радиокомпонентов, обеспечивающая минимальные массогабаритные и экономические характеристики. Для изготовления печатной платы ИИП был выбран гетинакс, ввиду его низкой стоимости и хороших технологических характеристик, так как конструкция находилась в стадии разработки и подвергалась многократному изменению и доработке.

   Первоначально все радиоэлементы ИИП размещались на одной печатной плате, над которой был размещен большой радиатор с ключевыми транзисторами и диодный мост. После размещения данной конструкции в корпус из под импульсного источника питания компьютера я столкнулся с проблемой нехватки свободного места. Так трансформатор ИИП и выпрямительные диоды Шоттки, размещенные на радиаторах пришлось временно разместить снаружи. При дальнейшей эксплуатации был выявлен еще ряд недостатков: плата управления, расположенная снизу покрылась пылью так как в корпусе предусмотрена сквозная продувка вентилятором расположенным сбоку корпуса. 

   Применение отечественных резисторов марки С5-35 мощностью 10 Вт вызвало проблему не только их размещения (вертикальное расположение), но и отвода тепла. При испытании источника питания на максимальную мощность оказалось что радиатор, применяемый для охлаждения ключевых транзисторов почти не нагрелся, что свидетельствовало о его высокой охлаждающей эффективности, но вызывало проблему габаритов.

   Высокие массогабаритные параметры были достигнуты при замене отечественных резисторов С5-35-10 Вт на импортные SQP-10, а также применением для охлаждения ключевых транзисторов радиатора со встроенным вентилятором, предназначенного для охлаждения процессора персонального компьютера. В высвободившееся место были установлены импульсный трансформатор и диоды Шоттки, расположенные на алюминиевых радиаторах. Все теплонагруженные элементы схемы: радиатор ключевых транзисторов, мощные резисторы, диоды Шоттки, схема управления специально расположены с одно стороны, вдоль направления продувки основным вентилятором, для наиболее эффективного охлаждения.

   Таким образом, разработанный ИИП имеет высокий КПД, низкий уровень пульсаций и помех, имеет малые габариты и массу, прост в сборке и наладке. Он может быть рекомендован для применения в усилителе мощности для высококачественного воспроизведения музыки и для других современных устройств радиоэлектронной аппаратуры.


Поделитесь полезными схемами

ПЕРЕМОТКА ТРАНСФОРМАТОРА

   Одно из главных подручных средств в лаборатории радиолюбителя — это конечно же блок питания, а как известно, основа большинства блоков питания — силовой трансформатор напряжения. Иногда в руки попадаются отличные трансформаторы, но после проверки обмоток становится ясно, что нужное нам напряжение отсутствует по причине перегорания первички или вторички.


РАБОТА ТРИГГЕРА

     Триггер определяется, как бистабильный элемент, то есть логическое устройство с обработанными связями, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний, обеспечиваемых этими связями. Входами триггера R, T и S служат кнопки SB1 – SB3, нажатием которых подается напряжение высокого уровня. Индикаторами выходов Q и Q– являются лампы HL1 и HL2. При включении питания триггера загорается одна из ламп, например HL2. Если теперь на вход R подать 1, нажав кнопку SB1, триггер перейдет в другое устойчивое состояние – загорится лампа HL1, а лампа HL2 погаснет.   


СХЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА

   Предлагаемое ЗУ при всей своей простоте довольно многофункционально — выполняет заряд и поддержание ёмкости небольших аккумуляторов. Данное несложное зарядное устройство автоматически отключает аккумулятор по окончании заряда и включает его при разрядке аккумулятора ниже порогового значения.


ЭЛЕКТРОМЕТРОНОМ

   Очень часто на уроках физики при демонстрации опытов 
необходимо замерять время наблюдаемого явления. Можно использовать секундомер, но когда его нет под рукой приходится как-то выходить из положения. Для этого используют прибор, который называется метрономом. Самый распространенный метроном – механический, частоту которого можно изменять специальным ползунком, который прикреплен к маятнику, но в некоторых школах нет даже и таких метрономов.



samodelnie.ru