Импульсные источники питания своими руками: Экономичный двухполярный импульсный блок питания своими руками

Содержание

Экономичный двухполярный импульсный блок питания своими руками

Силиконовый коврик для пайки

Размер 55 х 38 см, вес 800 гр….

Данный самодельный двухполярный импульсный блок питания можно применить для питания различных радиоэлектронных устройств, в частности 15 ваттного усилителя звука на TDA2030.

Технические параметры импульсного блока питания:

  • мощность —  180 Вт
  • напряжение на выходе — 2 x 25 вольт
  • ток  нагрузки — 3,5 А.

Описание работы импульсного блока питания

  В первую очередь происходит выпрямление переменного напряжения электросети диодным мостом VD1, пульсация которого сглаживается емкостями C1-C4. Для уменьшения тока заряда, протекающего через эти конденсаторы в момент включения импульсного блока  питания, в схему добавлено сопротивление R1.

Далее выпрямленное напряжение идет на полумостовой инвертор (преобразователь напряжения), собранный на транзисторах VT1-VT2. Нагрузкой данного преобразователя служит I обмотка трансформатора T1, он же также служит гальванической развязкой с электросетью. Емкости C3, С4 играют роль ВЧ фильтра. Частота преобразования происходит на частоте 27 кГц.

Напряжение, полученное с третьей обмотки трансформатора T1 идет на первичную обмотку T2, посредством данной обратной связи обеспечивается автоколебательный режим функционирования преобразователя. Для уменьшения напряжения на первичной обмотке добавлено сопротивление R4. Данным сопротивлением в какой-то мере определяется частота работы преобразователя.

Для выполнения стабильного пуска импульсного блока питания и его надежного функционирования собран модуль пуска — генератор на биполярном транзисторе VT3, который работает в лавинном режиме.

В момент подачи питания сквозь сопротивление R6 происходит заряд емкости С9. В случае если на нем напряжение поднимается до 50-70 В, транзистор VT3 мгновенно отпирается и данный конденсатор разряжается. Появившийся в результате разряда импульс тока отпирает VT2 и запускает преобразователь импульсного блока питания.

Каждый транзисторы VT1 и VT2 необходимо разместить на радиаторе с площадью 55 см. Тоже самое нужно проделать и с диодами VD2-VD5.

Параметры трансформаторов импульсного блока питания

Т1 : Два кольца марки М2000НМ, К31х18,5х7

  • I – 82 вит., ПЭВ-2 диаметр 0,5 мм.
  • II – 32 вит. с отводом посередине, ПЭВ-2 диаметр 1 мм.
  • III – 2 вит., ПЭВ-2 диаметр 0,3 мм.

Т2 : Кольцо марки М2000НМ, К10х6х5

  • I – 10 вит., ПЭВ-2 диаметр 0,3 мм.
  • II – 6 вит., ПЭВ-2 диаметр 0,3 мм.
  • III – 6 вит., ПЭВ-2 диаметр 0,3 мм.

Для стабильного запуска III обмотка Т1 должна быть намотана на месте, не занятом обмоткой II. Обмотки необходимо надежно изолировать друг от друга стеклотканью или любым другим подходящим изоляционным материалом. Диоды КД213А можно заменить на КД213Б. Транзисторы КТ812А возможно поменять на КТ809А, КТ704В, КТ812Б, КТ704А. Конденсаторы C1, C2 на напряжение не менее 160В.

Исправно построенный импульсный блок питания как правило в настройке не нуждается, но в определенных случаях возможно будет подобрать транзистор VT3. Для контроля его работоспособности на некоторое время отсоединяют контакт эмиттера и подключают его к минусовому контакту сетевого выпрямителя.

При исправном транзисторе при помощи осциллографа на емкости С9 можно наблюдать пилообразный электросигнал амплитудой около 20…50 В и частотой несколько герц. Если этого нет, транзистор следует заменить. Смотрите так же схему простого самодельного лабораторного блока питания.

ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ СВОИМИ РУКАМИ

ДАННЫЙ МАТЕРИАЛ СОДЕРЖИТ БОЛЬШОЕ КОЛИЧЕСТВО АНИМИРОВАННЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ!!!

       

       

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

      Прежде чем приступить к описанию принципа работы импульсных источников питания следует вспомнить некоторые детали из общего курса физики, а именно что такое электричество, что такое магнитное поле и как они зависят друг от друга.
Сильно глубоко мы не будем углублятся и о причинах возникновения электричества в различных объектах мы тоже умолчим — для этого нужно просто тупо перепечатать 1/4 курса физики, поэтому будем надеятся, что читатель знает что такое электричество не по надписям на табличах «НЕ ВЛЕЗАЙ — УБЬЕТ!». Однако для начала напомним какое оно бывает, это самое электричество, точнее напряжение.

Ну а теперь, чисто теоритически, предположим, что в качестве нагрузки у нас выступает проводник, т.е. самый обычный отрезок провода. Что происходит в нем, когда через него протекает ток наглядно показанно на следующем рисунке:

Если с проводником и магнитным полем вокруг него все понятно, то сложим проводник не в кольцо, а в несколько колец, чтобы наша катушка индуктивности проявила себя активней и посмотрим что будет происходить дальше.

На этом самом месте имеет смысл попить чаю и дать мозгу усвоить только что узнанное. Если же мозг не устал, или же эта информация уже известна, то смотрим дальше

В качестве силовых транзисторов в импульсных блока питания используются биполярные транзисторы, полевые(MOSFET) и IGBT. Какой именно силовой транзистор использовать решает только производитель устройств, поскольку и те, и другие и третьи имеют и свои достоинства, и свои недостатки. Однако было бы не справедливым не заметить, что биполярные транзисторы в мощных источника питания практически не используются. Транзисторы MOSFET лучше использовать при частотах преобразования от 30 кГц до 100 кГц, а вот IGBT «любят частоты пониже — выше 30 кГц уже лучше не использовать.

Биполярные транзисторы хороши тем, что они довольно быстро закрываются, поскольку ток коллектора зависит от тока базы, но вот в открытом состоянии имеют довольно большое сопротивление, а это означает, что на них будет довольно большое падение напряжения, что однозначно ведет к лишнему нагреву самого транзистора.
Полевые имеют в открытом состоянии очень маленькое активное сопротивление, что не вызывает большого выделения тепла. Однако чем мощнее транзистор, тем больше его емкость затвора, а для ее зарядки-разрядки требуются довольно большие токи. Данная зависимость емкости затвора от мощности транзистора вызвана тем, что используемые для источников питания полевые транзисторы изготавливаются по технологии MOSFET, суть которой заключается в использовании параллельного включения нескольких полевых транзисторов с изолированным затвором и выполненных на одном кристалле. И чем мощенее транзистор, тем большее количество параллельных транзисторов используется а емкости затворов суммируются.
Попыткой найти компромисс являются транзисторы, выполненные по технологии IGBT, поскольку являются составными элементами. Ходят слухи, что получилисьони чисто случайно, при попытке повторить MOSFET, но вот вместо полевых транзисторов, получились не совсем полевые и не совсем биполярные. В качестве управляющего электрода выступает затвор встроенного внутрь полевого транзистора не большой мощности, который своими истоком-стоком уже управляет током баз мощных биполярных транзисторов, включенных параллельно и выполненных на одном кристалле данного транзстора. Таким образом получается довольно маленькая емкость затвора и не очень большое активное сопротивление в открытом состоянии.
Основных схем включения силовой части не так уж и много:
АВТОГЕНЕРАТОРНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ. Используют положительную связь, обычно индукционную. Простота подобных источников питания накладывает на них некоторые ограничения — подобные источники питания «любят» постоянную, не меняющуюся нагрузку, поскольку нагрузка влияет на параметры обратной связи. Подобные источники бывают как однотактные, так и двухтактные.
ИМПУЛЬСНИНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ. Данные источники питания так же делятся на однотактыные и двухтактные. Первые хоть и лояльней относятся к меняющейся нагрузке, но все же не очень устойчиво поддерживают необходимый запас мощности. А аудиотехника имеет довольно большой разброс по потреблению — в режиме паузы усилитель потребляет единицы ватт (ток покоя оконечного каскада), а на пиках аудиосигнала потребление может достигать десятков или даже сотен ватт.
Таким образом единственным, максимально приемлемым вариантом импульсных источником питания для аудиотехники является использование двухтактных схем с принудительным возбуждением. Так же не стоит забывать о том, что при высокочастотном преобразовании необходимо уделять более тщательное внимание к фильтрации вторичного напряжения, поскольку появление помех по питанию в звуковом диапазоне сведут на нет все старания по изготовлению импульсного источника питания для усилителя мощности. По этой же причине частота преобразования уводится по дальше от звукового диапазона. Самой популярной частотой преобразования раньше была частота в районе 40 кГц, но современная элементная база позволяет производить преобразование на частотах гораздо выше — вплоть до 100 кГц.
Различают два базовых вида данных импульсных источников — стабилизированные и не стабилизированные.
Стабилизированные источники питания используют широтноимпульсную модуляцию, суть которой заключается в формровании выходного напряжения за счет регулировки длительности подаваемого в первиную обмотку напряжения, а компенсация отсутствия импульсов осуществляется LC цепочками, включенными на выходе вторичного питания. Большим плюсом стабилизированных источников питания является стабильность выходного напряжения, не зависящая ни от входного напряжения сети 220 В, ни от потребляемой мощности.
Не стабилизированные просто управляют силовой частью с постоянной частотой и длительностью импульсов и от обычного трансформатора отличаются лишь габаритами и гораздо меньшими емкостями конденсаторов вторичного питания. Выходное напряжение напрямую зависит от сети 220 В, и имеет небольшую зависисмость от потребляемой мощности (на холостом ходу напряжение несколько выше рассчетного).
Самыми популярными схемами силовой части импульсных источников питания являются:
Со средней точкой (ПУШ-ПУЛЛ). Используются обычно в низковольтных источниках питания, поскольку имеет некоторые особенности в требованиях к элементной базе. Диапазон мощностей довольно большой.
Полумостовые. Самая популярная схема в сетевых ипульсных источниках питания. Диапазон мощностей до 3000 Вт. Дальнейшее увеличение мощности возможно, но уже по стоимости доходит до уровня мостового варианта, поэтому несколько не экономично.
Мостовые. Данная схема не экономична на малых мощностях, поскольку содержит удвоенное количество силовых ключей. Поэтому чаще всего используется на мощностях от 2000 Вт. Максимальные мощности находятся в пределах 10000 Вт. Данная схемотехника является основной при изготовлении сварочных аппаратов.
Рассмотрим подробнее кто есть кто и как работает.

            СО СРЕДНЕЙ ТОЧКОЙ

Как было показанно — данную схемотехнику силовой части не рекомендуется использовать для создания сетевых источников питания, однако НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ не значит НЕЛЬЗЯ. Просто необходимо более тщательно подходить к выбору элементной базы и изготовлению силового трансформатора, а так же учитывать довольно большие напряжения при разводке печатной платы.
Максимальную же популярность данный силовой каскад получил в автомобильной аудитехнике, а так же в источниках бесперебойного питания. Однако на этом поприще данная схемотехника притерпевает некоторые неудобства, а именно ограничение максимальной мощности. И дело не в элементной базе — на сегодня совсем не являются дефицитными MOSFET транзисторы с мгновенными значениями тока сток-исток в 50-100 А. Дело в габаритной мощности самого трансформатора, а точнее в первичной обмотке.
Проблема заключается… Впрочем для большей убедительности воспользуемся программой расчетов моточных данных высокочастотных трансформаторов.
Возьмем 5 колец типоразмера К45х28х8 с проницаемостью M2000HM1-А, заложем частоту преобразования 54 кГц и первичную обмотку в 24 В (две полуобмотки по 12 В) В итоге получаем, что мощность данный сердечник сможет развить 658 вт, но вот первичная обмотка должна содержать 5 витков, т.е. по 2,5 витка на одну полуобмотку. Как то не естественно маловато… Однако стоит поднять частоту преобразорвания до 88 кГц как получится всего 2 (!) витка на полуобмотку, хотя мощность выглядит весьма заманчиво — 1000 Вт.
Вроде с такими результатами можно смириться и равномерно по всему кольцу распределить 2 витка тоже, если сильно постараться, можно, но вот качество феррита оставляет желать лучшего, да и M2000HM1-А на частотах выше 60 кГц уже сам по себе греется довольно сильно, ну а на 90 кГц его уже обдувать надо.
Так что как не крути, но получается замкнутый круг — увеличивая габариты для получения большей мощности мы слишком сильно уменьшаем количество витков первичной обмотки, увеличивая частоту мы опять же уменьшаем количество витков первичной обмотки, но еще в довеско получаем лишнее тепло.
Именно по этой причине для получения мощностей свыше 600 Вт используют сдвоенные преобразователи — один модуль управления выдает управляющие импульсны на два одинаковых силовых модуля, содержащих два силовых трансформатора. Выходные напряжения обоих трансформаторов суммируются. Именно таким способом организуется питания сверхмощных автмобильных усилителей заводского производства и с одного силовго модуля снимается порядка 500..700 Вт и не более. Способов суммирования несколько:
— суммирования переменного напряжения. Ток в первичные обмотки трансформаторов подается синхронно, следовательно и выходные напряжения синхронны и могут соединяться последовательно. Соединять вторичные обмотки параллельно от двух трансформаторов не рекомендуется — небольшая разница в намотке или качестве феррита приводит в большим потерям и снижению надежности.
— суммирование после выпрямителей, т.е. постоянного напряжения. Самый оптимальный вариант — один силовой модуль выдает положительное напряжение для усилителя мощности, а второй — отрицательное.
— формирование питания для усилителей с двух уровневым питанием сложением двух идентичных двухполярных напряжений.

            ПОЛУМОСТОВАЯ

Полумостовая схема имеет довольно много достоинств — проста, следовательно надежна, легка в повторении, не содержит дефицитных деталей, может выполняться как на биполярных, так и на полывых транзисторах. Транзисторы IGBT в ней тоже прекрано работают. Однако слабое место у нее есть. Это проходные конденсаторы. Дело в том, что при больших мощностях через них протекает довольно большой ток и качество готового импульсного источника питания на прямую зависит от качества именно этого компонента.
А проблема заключается в том, что конденсаторы постоянно перезаряжаются, следовательно они должны иметь минимальное сопротивление ВЫВОД-ОБКЛАДКА, поскольку при большом сопротивлении на этом участке будет выделяться довольно много тепла и в конце концов вывод просто отгорит. Поэтому в качестве проходных конденсаторов необходимо использовать пленочные конденсаторы, причем емкость одного конденсатора может достигать емкости 4,7 мкФ в крайнем случае, если используется один конденсатор — схема с одни кондлесатром тоже довольно часто используется, по принципу выходного каскада УМЗЧ с однполярным питанием. Если же используются два конденсатора на 4,7 мкФ (точка их соединения подключена к обмотке трансформатора, а свободные выводы к плюсовой и минусовой шинам питания), то данная комплектация вполне пригодна для питания усилителей мощности — суммарная емкость для переменного напряжения преобразования складывает и в итоге получается равной 4,7 мкФ + 4,7 мкФ = 9,4 мкФ. Однако данный вариант не расчитан для догосрочного непрерывного использования с максимальной нагрузкой — необходимо разделять суммарную емкость на несколько конденсаторов.
При необходимости получения больших емкостей (низкая частота преоразования) лучше использовать несколько конденсаторов меньшей емкости (например 5 штук по 1 мкФ соединенных параллельно). Однако большое количество включенных параллельно конденсаторов довольно сильно увеличивает габариты устройства, да и суммарная стоимость все гирлянды конденсаторов получается не маленькой. Поэтому, при необходимости получить большую мощность имеет смысл воспользоваться мостовой схемой.
Для полумостового варианта мощности выше 3000 Вт не желательны — уж больно громоздкими будут платы с проходными конденсаторами. Использование в качестве проходных конденсаторов электролитических имеет смысл, но лишь на мощностях до 1000 Вт, посокольку на больших частотах электролиты не эффективны и начинаю греться. Бумажные конденсаторы в каестве проходных показали себя очень хорошо, но вот их габариты…
Для большей наглядности мы приводим таблицу зависимости реактивного сопротивления конденсатора от частоты и емкости (Ом):

Емкость конденсатора Частота преобразования
30 кГц 40 кГц 50 кГц 60 кГц 70 кГц 80 кГц 90 кГц 100 кГц
0,1 мкФ 53 39,8 31,8 26,5 22,7 19,9 17,7 15,9
0,22 мкФ 24,1 18 14,5 12 10,3 9 8 7,2
0,33 мкФ 16 12 9,6 8 6,9 6 5,4 4,8
0,47 мкФ 11,9 8,5 6,8 5,6 4,8 4,2 3,8 3,4
1,0 мкФ 5,3 4 3,2 2,7 2,3 2 1,8 1,6
2,2 мкФ 2,4 1,8 1,4 1,2 1 0,9 0,8 0,7
3,3 мкФ 1,6 1,2 1 0,8 0,7 0,6 0,5 0,5
4,7 мкФ 1,1 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,4 0,3

На всякий случай напоминаем, что при использовании двух конденсаторо (один на плюс, второй на минус) финальная емкость будет равна сумме емкостей этих конденсаторов. Итоговое сопротивление не выделает тепла, поскольку реактивное, но может повлиять на КПД источника питания при максимальных нагрузках — напряжение на выходе начнет уменьшаться, не смотря на то, что габаритная мощность силового трансформатора вполне достаточна.

            МОСТОВАЯ

Мостовая схема пригодна для любых мощностей, но наиболее эффективна на больших мощностях (для сетевых источников питания это мощности от 2000 Вт). Схема содержит две пары силовых транзисторов, управляемых синхроно, но необходимость гальванической развязки эмиттеров верхенй пары вносит некоторые неудобства. Однако эта проблема вполне решаема при использовании трансформаторов управления или же специализированных микросхем, например для полевых транзисторов вполен можно использовать IR2110 — специализированная разработка компании International Rectifier.

Однако силовая часть не имеет ни какого смысла, если ею не управляет модуль управления.
Специализированных микросхем, способных управлять силовой частью импульсных источников питания довольно много, однако наиболее удачной разработкой в этой области является TL494, которая появилась еще в прошлом веке, тем не менее не утратила своей актуальности, поскольку содержит ВСЕ необходимые узлы для управления силовой частью импульсных источников питания. О популярности данной микросхемы прежде всего говорит выпуск ее сразу несколькими крупными производителями электронных компонентов.
Рассмотрим принцип действия данной микросхемы, которую с полной ответственностью можно назвать контроллером, поскольку она обладет ВСЕМИ необходимыми узлами.

ЧАСТЬ I


ЧАСТЬ II

В чем же заключается собственно ШИМ способ регулировки напряжения?
В основу способа положена все таже инерционность индуктивности, т.е. ее не способность мгновенно пропустить ток. Поэтому регулируя длительность импульсов можно изменять финальное постоянное напряжение. Причем для импульсных источников питания это лучше делать в первичных цепях и таким образом экономить средства на создание источника питания, поскольку данный источник будет исполнять сразу две роли:
— преобразование напряжения;
— стабилизацию выходного напряжения.
Причем тепла при этом будет выделяться гораздо меньше по сравнению с линейным стабилизатором, установленным на выходе не стабилизированно импульсного блока питания.
Для больше наглядности стоит посмотреть рисунок, приведенный ниже:

      На рисунке приведена схема-эквивалент импульсного стабилизатора в котором в качестве силового ключа выступает генерато прямоугольных импульсов V1, а R1 в качестве нагрузки. Как видно из рисунка при фиксированной амплитуде выходных импульсов в 50 В, изменяя длительность импульсов можно в широких пределах изменять подаваемое на нагрузку напряжение, причем с очень маленькими тепловыми поетрями, зависищами лишь от параметров используемого силового ключа.

С принципами работы силовой части разобрались, с управлением тоже. Осталось соединить оба узла и получить готовый импульсный источник питания.
Нагрузочная способность контроллера TL494 не очень большая, хотя ее хватает для управления одной парой силовых транзисторов типа IRFZ44. Однако для более мощных транзисторов уже необходимы усилители тока, способные развить необходимы тока на управляющих электродах силовых транзисторов. Поскольку мы стараемся снизить габариты источника питания и уйти подальше от звукового диапазона, то оптимальным использованием в качестве силовых транзисторов будут полевые транзисторы, выполненные по технологии MOSFET.


Варианты структур при изготовлении MOSFET.

      С одной стороны — для управления полевым транзистором не нужны большие токи — они открываются напряжением. Однако в этой бочке меда есть ложка дегтя, в данном случае заключающаяся в том, что хоть затвор и имеет огромное активное сопротивление, не потребляющее тока для управления транзистором, но затвор имеет емкость. А для ее заряда и разряда как раз и нужны большие токи, поскольку на больших частотах преобразования реактивное сопротивление уже снижается до пределов которые нельзя игнорировать. И чем больше мощность силового MOSFET транзистора тем больше емкость его затвора.
Для примера возьмем IRF740 (400 V, 10A), у которого емкость затвора составляет 1400 пкФ и IRFP460 (500 V, 20 A), у которого емкость затвора составляет 4200 пкФ. Поскольку и у первого, и у второго напряжение затвора не должно быть более ± 20 В, то в качестве управляющих импульсов возьмем напряжение 15 В и посмотрим в симмуляторе что происходит при частоте генератора в 100 кГц на резисторах R1 и R2, которые включены последовательно с конденсаторами на 1400 пкФ и 4200 пкФ.


Тестовый стенд.

      При протекании через активную нагрузку тока на ней образуется падение напряжения, по этой величене и можно судить о мгновенных значениях протекающего тока.


Падение на резисторе R1.

      Как видно из рисунка сразу при появлении управляющего импульса на резисторе R1 падает примерно 10,7 В. При сопротивлении 10 Ом это означает, что мгновенное значения тока достигает 1, А (!). Как только импульс заканчивается на резисторе R1 падает так же 10,7 В, следовательно и для того, чтобы разрядить конденсатор С1 требуется ток около 1 А..
Для зарядки-разрядки емкости в 4200 пкФ через резистор 10 Ом требуется 1,3 А, поскольку на резисторе 10 Ом падает 13,4 В.

      Вывод напрашивается сам собой — для зарядки-разрядки емкостей затворов необходимо, чтобы каска, работающий на затворы силовых транзисторов, выдерживал довольно большие токи, не смотря на то, что суммарное потребление довольно мало.
Для ограничения мгновенных значений тока в затворах полевых транзисторов обычно используют токоограничивающие резисторы от 33 до 100 Ом. Чрезмерное уменьшение этих резисторов повышает мгновенное значение проеткающих токов, а увеличение — увеличивает длительность работы силового транзистора в линейном режиме, что влечет необоснованный нагрев последних.
Довольно часто используется цепочка состоящая из соединенных параллельно резистора и диода. Данная хитрость используется прежде всего для того, чтобы разгрузить управляющий каскад на время зарядки и ускорить разрядку емкости затвора.


Фрагмент однотактного преобразователя.

      Таким образом достигается не мгновенное появление тока в обмотке силового трансформатора, а несколько линейное. Хотя это увеличивает температуру силового каскада, но довольно ощутимо снижает выбосы самоидуции, которые неизбежно появляются при подаче прямоугольного напряжения в обмотку трансформатора.


Самоиндукция в работе однотактного преобразователя
(красная линия — напряжение на обмотке трансформатора, синяя — напряжение питания, зеленая — импульсы управления).

      Итак с теоритической частью разобрались и можно подвести кое какие итоги:
Для создания импульсного источника питания необходим трансформатор, сердечник у которого изготовлен из феррита;
Для стабилизации выходного напряжения импульсного источника питания необходим ШИМ метод с которым вполне успешно справляется контроллер TL494;
Силовая часть со средней точкой наиболее удобна для низковольных импульсных источников питания;
Силовая часть полумостовой схемотехники удобна для малых и средних мощностей, а ее параметы и надежность во многом зависят от коичества и качества проходных конденсаторов;
Силовая часть мостового типа более выгодна для больших мощностей;
При использовании в силовой части MOSFET не стоит забывать о емкости затворов и расчитывать управляющие элементы силовыми транзисторами с поправками на эту емкость;
Поскольку с отдельными узлами разобрались переходим к финальному варианту импульсного источника питания. Поскольку и алгоритм и схемотехника всех полумостовых источников практически одинакова, то для разъяснения какой элемент для чего нужен разберем по косточкам самый популярный, мощностью 400 Вт, с двумя двуполярными выходными напряжениями.


Осталось отметить некоторые ньюнасы:
Резисторы R23, R25, R33, R34 служат для создания RC-фильтра, который крайне желателен при использовании электролитических конденсаторах на выходе импульсных источниках. В идеале конечно же лучше использовать LС-фильтры, но поскольку «потребители» не очень мощные можно вполне обойтись и RC-фильтром. Сопротивление данных резисторов может использоваться от 15 до 47 Ом. R23 лучше мощностью 1 Вт, остальные на 0,5 Вт вполне достаточно.
С25 и R28 — снабер снижающий выбросы самоиндукции в обмотке силового трансформатора. Наиболее эффективны при емкостях около выше 1000 пкф, но в этом случае на резисторе выделяется слишком много тепла. Необходимы в случае когда после выпрямительных диодов вторичного питания отсутствуют дроссели (подавляющее большинство заводской аппаратуры). Если дроссели используются эффективность снаберов не так заметна. Поэтому мы их ставим крайне редко и хуже источники питания от этого не работают.
Если некоторые номиналы элементов отличаются на плате и принципиальной схеме эти номиналы не критичны — можно использовать и те и другие.
Если на плате имеются элементы отсутствующие на принципиальной схеме (обычно это конденсаторы по питанию) то можно их не ставить, хотя с ними будет лучше. Если же решили устанавливать, то не электролитические конденсаторы можно использовать на 0,1…0,47 мкФ, а электролитические такой же емкости как и те, которые получаются с ними включенными параллельно.
На плате ВАРИАНТ 2 Возле радиаторов имеется прямоугольная часть которая высверливается по периметру и на нее устанавливаются кнопки управления источником питания (вкл-выкл). Необходимость данного отверстия обусловлена тем, что вентилятор на 80 мм не умещается по высоте , для того, чтобы закрепить его к радиатору. Поэтому вентиялтор устанавливается ниже основания печатной платы.

ИНСТРУКЦИЯ ПО САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ СБОРКЕ
СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

      Для начала внимательно следует ознакомиться с принципиальной схемой, впрочем это следует делать всегда, перед тем как приступать к сборке. Данный преобразователь напряжения работает по полумостовой схеме. В чем отличие от остальных подробно рассказанно здесь.

      Принципиальная схема упакованна WinRAR старой версии и выполнена на странице WORD-2000, поэтому с распечаткой данной страницы проблем возникнуть не должно. Здесь же мы рассмотрим ее фрагментами, поскольку хочется сохранить высокую читаемость схемы, а целиком на эеран монитора она умещается не совсем корректно. На всякий случай можно пользоватся этим чертежом для представления картины в целом, но лучше распечатать…
На рисунке 1 — фильтр и выпрямитель сетевого напряжения. Фильтр предназначен прежде всего для исключения проникновения импульсных помех от преобразователя в сеть. Выполнен на L-C основе. В качестве индуктивности используется ферритовый сердечник любой формы (стержневые лучше не нужно — большой фон от них) с намотанной одинарной обмоткой. Габариты сердечника зависят от мощности источника питания, поскольку чем мощнее источник, тем больше помех он будет создавать и тем лучше нужен фильтр.


Рисунок 1.

      Примерные габариты сердечников в зависимости от мощности источника питания сведены в таблицу 1. Обмотка мотается до заполения сердечника, диаметр(ы) провода следует выбирать из расчета 4-5 А/мм кв.

Таблица 1
МОЩНОСТЬ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ КОЛЬЦЕВОЙ СЕРДЕЧНИК Ш-ОБРАЗНЫЙ СЕРДЕЧНИК
200-400 Вт Диаметр от 22 до 30 при толщине 6-8 мм Ширина от 24 до 30 при толщине 6-8 мм
400-800 Вт Диаметр от 32 до 40 при толщине 8-10 мм Ширина от 30 до 40 при толщине 8-10 мм
800-1200 Вт Диаметр от 40 до 45 при толщине 8-10 мм Ширина от 40 до 45 при толщине 8-10 мм
1200-1600 Вт Диаметр от 40 до 45 при толщине 10-12 мм Ширина от 40 до 45 при толщине 10-12 мм
2000-2500 Вт Диаметр от 40 до 45 при толщине 12-16 мм Ширина от 40 до 45 при толщине 12-16 мм
2500-3000 Вт Диаметр от 40 до 45 при толщине 16-20 мм Ширина от 40 до 45 при толщине 16-20 мм

Здесь следует немного пояснить почему диаметр(ы) и что такое 4-5 А/мм кв.
Данная категория источников питания относится в высокочастотной. Теперь вспомним курс физики, а именно то место, в котором говорится, что на высоких частотах ток течет не по всему сечению проводника, а по его поверхности. И чем выше частота, тем большая часть сечения проводника остается не задействованной. По этой причине в импульсных высокочастотных устройствах обмотки выполняют с помощью жгутов, т.е. берется несколько более тонкив проводников и складывается вместе. Затем получившийся жгут немного скручивают вдоль оси, чтобы отдельные проводники не торчали в разные стороны во время намотки и этим жгутом наматывают обмотки.
4-5 А/мм кв означает, что напряженность в проводнике может достигать от четырех до пяти Ампер на квадрантный миллиметр. Этот параметр отвечает за нагрев проводника за счет пандения в нем напряжения, ведь проводник имеет, хоть и не большое, но все же сопротивление. В импульсной технике моточные изделия (дроссели, трансформаторы) имеют сравнительно не большие габариты, следовательно охлаждаться они будут хорошо, поэтому напряженность можно использовать именно 4-5 А/мм кв. А вот для традиционных трансформаторов, выполненных на железе, этот параметр не должен превышать 2,5-3 А/мм кв. Сколько проводов и какого сечения поможет расчитать табличка диаметров. Кроме этого табличка подскажет какую мощность можно получить при использовании того или иного количества проводов имеющегося в наличии провода, если использовать его в качестве первичной обмотки силового трансформатора. Открыть табличку.
Емкость конденсатора С4 должна быть не ниже 0,1 мкФ, если он используется вообще. Напряжение 400-630 В. Формулировка если он используется вообще используется не напрасно — основным фильтром является дроссель L1, а его индуктивность получилась довольно большой и вероятность проникновения ВЧ помех сводится практически до нулевых значений.
Диодный мост VD служит для выпрямления переменного сетевого напряжения. В каечстве диодного моста используется сборка типа RS (торцевые выводы). Для мощности в 400 Вт можно использовать RS607, RS807, RS1007 (на 700 В, 6, 8 и 10 А соответственно), поскольку установочные габариты у этих диодных мостов одинаковые.
Конденсаторы С7, С8, С11 и С12 необходимы для снижения импульсных помех, создаваемых диодами во время приближения переменного напряжения к нулю. Емкость данных конденсаторов от 10 нФ до 47 нФ, напряжение не ниже 630 В. Однако проведя несколько замеров было выяснено, что L1 хорошо справляется и с этими помехами, а для исключения влияния по первичным цепях вполне хватает конденсатора С17. Кроме этого свою лепту вносят и емкости конденсаторов С26 и С27 — для первичного напряжения они являются двумя, соединенными последовательно конденсаторами. Поскольку их номиналы равны, то итоговая емккость делится на 2 и эта емкость уже не только служит для работы силового трансформатора, но еще и подавляет импульсные помехи по первичному питанию. Исходя из этого мы отказались от использования С7, С8, С11 и С12, ну а если кому то уж очень хочется их установить, то на плате, со стороны дорожек места вполне достаточно.
Следующий фрагмент схемы — ограничители тока на R8 и R11 (рисунок 2). Данные резисторы необходимы для снижения тока зарядки электролитических конденсаторов С15 и С16. Данная мера необходима, поскольку в момент включения необходим очень большой ток. Ни предохранитель, ни диодный мост VD не способны, пусть даже кратковременно выдержать такой мощный токовый бросок, хотя индуктивность L1 и ограничивает максимальное значение протекающего тока, в данном случае этого не достаточно. Поэтому используются токоограничивающие резисторы. Мощность резисторов в 2 Вт выбрана не столько из за выделяемого тепла, а по причине довольно широкого резистивного слоя, способного кратковременно выдержать ток в 5-10 А. Для источников питания мощностью до 600 Вт можно использовать резисторы мощностью и 1 Вт, либо использовать один резистор мощностью 2 Вт, необходимо лишь соблюсти условие — суммарное сопротивление даннйо цепи не должно быть меньше 150 Ом и не должно быть больше 480 Ом. При слишком низком сопротивлении увеличивается шанс разрушения резистивного слоя, при слишком выском — увеличивается время заряда С15, С16 и напряжение на них не успеет приблизится к максимальному значению как сработает реле К1 и контактам этого реле придется коммутировать слишком большой ток. Если вместо резисторов МЛТ использовать проволочные, то суммарное сопротивление можно уменьшить до 47…68 Ом.
Емкость конденсаторов С15 и С16 выбирается так же в зависимости от мощности источника. Вычислить необходиму емкость можно воспользовавшись не сложной формулой : НА ОДИН ВАТТ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ НЕОБХОДИМ 1 МКФ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРОВ ФИЛЬТРА ПЕРВИЧНОГО ПИТАНИЯ. Если есть сомнения в своих математических способностях можно воспользоваться табличкой, в которой просто ставите мощность источника питания, который вы собираетесь изготовить и смотрите сколько и каких конденсаторов Вам необходимо. Обратите внимание на то, что плата расчитана на установку сетевых электролитических конденсаторов диаметром 30 мм.


Рисунок 3

      На рисунке 3 показанны гасящие резисторы основная цель которых сформировать стартовое напряжение. Мощность не ниже 2 Вт, на плату устанавливаются парами, друг над дружкой. Сопротивление от 43 кОм до 75 кОм. ОЧЕНЬ желательно, чтобы ВСЕ резисторы были одного номилала — в этом случае тепло распределяется равномерно. Для небольших мощностей используется маленькое реле с небольшим потреблением, поэтому можно обойтись 2 или тремя гасящими резисторами. На плате устанавливаются друг над дружкой.


Рисунок 4

      Рисунок 4 — стабилизатор питания модуля управления — в любом корпусе интергарльный стабилизатор на +15В. Необходим радиатор. Размер… Обычно хватает радиатора от предпоследнего каскада отечественных усилителей. Можно попросить что-то в телемастерских — на телевезионных платах обычно 2-3 подходящих радиатора находятся. Второй как раз используется для охлаждения транзистора VT4, управляющего оборотами вентилятора (рисунок 5 и 6). Конденсаторы С1 и С3 можно использовать и 470 мкФ на 50 В, но такая замена подходит лишь для источников питания, использующих определенный тип реле, у которых сопротивление катушки довольно большое. На более мощных источниках используется более мощное реле и уменьшение емкости С1 и С3 крайне не желательно.


Рисунок 5

Рисунок 6

      Транзистор VT4 — IRF640. Можно заменить на IRF510, IRF520, IRF530, IRF610, IRF620, IRF630, IRF720, IRF730, IRF740 и т.д.. Главное — он должен быть к орпусе ТО-220, иметь максимальное напряжение не ниже 40 В и максимальный ток не менее 1 А.
Транзистор VT1 — практически любой прямой транзистор с максимальным током более 1 А, желательно с маленьким напряжение насыщения. Одинаково хорошо становятся транзисторы в корпусах ТО-126 и ТО-220, поэтому можно подобрать уйму замен. Если прикрутить небольщой радиатор то вполне подойдет даже КТ816 (рисунок 7).


Рисунок 7

      Реле К1 — TRA2 D-12VDC-S-Z или TRA3 L-12VDC-S-2Z. По сути — самое обыкновенное реле с обмоткой на 12 V и контактной группой способной коммутировать 5 А и более. Можно использовать реле, используемые в некоторых телевизрах для включения петли размагничивания, только учтите — контактная группа в подобных реле имеет другую цоколевку и даже если она становится на плату без проблем следует проверить какие выводы замыкаются при подаче напряжения на катушку. Отличаются TRA2 от TRA3 тем, что TRA2 имеют одну контактную группу, способную коммутировать ток до 16 А, а TRA3 имеет 2 контактные группы по 5А.
Кстати сказать — печатная плата предлагается в двух вариантах, а именно с использованием реле и без такового. В варианте без реле не используется система мягкого старта первичного напряжения, поэтому данный вариант пригоден для источника питания мощностью не более 400 Вт, поскольку без токоограничения включать на «прямую» емкость более 470 мкФ крайне не рекомендуется. Кроме того — в качестве диодного моста VD ОБЯЗАТЕЛЬНО должен использоваться мост с максимальным током 10 А, т.е. RS1007. Ну а роль реле в варианте без софт-старта выполняет светодиод. Фунция дежурного режима сохранена.
Кнопки SA2 и SA3 (подразумевается, что SA1 — сетевой выключатель) — кнопки любого типа без фиксации, для которых можно изготовить отдельную печатную плату, а можно закрупить и другим удбным способом. Необходимо помнить, что контакты кнопок гальванически связанны с сетью 220 В, поэтому необходимо исключить вероятность их касания в процессе эксплуатации источника питания.
Аналогов контроллера TL494 довольно много, можно использовать любой, только учтите — у разных производителей возможны некоторые различия параметров. Например при замене одного производителя на другого может измениться частота преобразования, но не сильно, а вот выходное напряжение может измениться вплоть до 15%.
IR2110 в принципе не дефецитный драйвер, да и аналогов у нее не так много — IR2113, но IR2113 имеет большее количество вариантов корпуса, поэтому будьте внимательны — необходим корпус DIP-14.
При монтаже платы вместо микросхем лучше использовать разъемы для микросхем (панельки), идеально — цанговые, но можно и обычные. Данная мера позволит избежать некоторых недоразумений, поскольку брака среди и TL494 (нет выходных импульсов, хотя тактовый генератор работает), и среди IR2110 (нет управляющих импульсов на верхний транзистор) довольно много, так что условия гарантии следует согласовать с продавцом микросхем.


Рисунок 8

      На рисунке 8 показана силовая часть. Диоды VD4…VD5 лучше использовать быстрые, например SF16, но при отсутствии таковых HER108 тоже вполне подойдут. С20 и С21 — суммарная емкость не менее 1 мкФ, поэтому можно использовать 2 конденсатора по 0,47 мкФ. Напряжение не менее 50 В, идеально — пленочный конденсатра на 1 мкФ 63 В (в случае пробоя силовых транзисторов пленочный остается целым, а многослойная керамика погибает). Для источников питания мощностью до 600 Вт сопротивление резисторов R24 и R25 может быть от 22 до 47 Ом, поскольку емкости затворов силовых транзисторов не очень велики.
Силовые транзисторы могут быть любыми из приведенных в таблице 2 (корпус ТО-220 или ТО-220Р).

Таблица 2
Наименование Емкость затвора,
пкФ
Макс напряжение,
В
Макс ток,
А
Тепловая мощн,
Вт
Сопротивление,
Ом
IRF740 1400-1600 400 10 125 0,55
IRF840 1300 500 8 125 0.75-0.85
IRFBC40 1300 600 6 125 1.2
SPA20N60C3 2400 650 20 34 0.19
SPP20N60C3 2400 650 20 200 0.19
STP10NK60ZFP 1400 600 10 35 0.75
STP10NK60Z 1400 600 10 115 0.75
STP14NK60Z 2200 600 13 160 0.5
STP14NK60ZFP 2200 600 13 40 0.5
STP9NK65Z 1150 650 6 125 1.2
STP9NK65ZFP 1150 650 6 30 1.2
STP10NK80Z 2200 800 9 160 0.9
STP10NK80ZFP 2200 800 9 40 0.9
STP17NK40ZPFP 400 15 35 0.23
      Если тепловая мощность не превышает 40 Вт значит корпус транзистора полностью пластмассовый и требуется теплоотвод большей площади, чтобы не доводить температуру кристалла до критического значения.

Напряжение затвора для всех не более ±20 В

Тиристоры VS1 и VS в принципе марка значения не имеет, главное — максимальный ток должен составлять не менее 0,5 А и корпус должен быть ТО-92. Мы используем либо MCR100-8, либо MCR22-8.
Диоды для слаботочного питания (рисунок 9) желательно выбирать с маленьким временем восстановления. Вполне подойдут диоды серии HER, например HER108, но можно использоваь и другие, например SF16, MUR120, UF4007. Резисторы R33 и R34 на 0,5 Вт, сопротивление от 15 до 47 Ом, причем R33=R34. Служебная обмотка, работающая на VD9-VD10 должна быть рассчитана на 20 В стабилизированного напряжения. В таблице расчета обмоток она отмечена красным.


Рисунок 9

      Силовые выпрямительные диоды могут использоваться как в корпусе ТО-220, так и в корпусе ТО-247. В обоих вариантах печатной платы подразумевается, что диоды будут установлены друг над дружкой и с платой соединяться проводниками (рисунок 10). Разумеется, что при установке диодов следует использовать термопасту и изолирующие прокладки (слюду).


Рисунок 10

      В качестве выпрямительных диодов желательно использовать диоды с маленьким временем восстановления, поскольку от этого зависит нагрев диодов на холостом ходу (сказывается внутренняю емкость диодов и они просто греются сами по себе, даже без нагрузки). Список вариантов сведен в таблицу 3

Таблица 3
Наименование Максимальное напряжение,
В
Максимальный ток,
А
Время восстановления,
нано сек
8ETH06 600 8 30
15ETH06 600 15 35
15ETH06FP 600 15 35
30EPH06 600 30 28
30ETH06 600 30 40
40EPF06 600 40 60
HFA15TB60 600 15 60
HFA16TB120 1200 16 30
HFA25TB60 600 25 75
HFA30PB120 1200 30 40
MUR1520 200 15 35
MUR820 200 8 25
MUR860 600 8 50
SF84 200 8 35

Трансформатор тока выполняет две роли — используется именно как трансформатор тока и как индуктивность, включенная последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора, что позволяет несколько снизить скорость появляения тока в первичной обмотке, что ведет к уменьшению выбросов самоиндукции (рисунок 11).


Рисунок 11

      Строгих формул для расчета данного трансформатора нет, но вот соблюсти некоторые ограничения настоятельно рекомендуется:

            ДЛЯ МОЩНОСТЕЙ ОТ 200 ДО 500 ВТ — КОЛЬЦО ДИАМЕТРОМ 12…18 ММ
ДЛЯ МОЩНОСТЕЙ ОТ 400 ДО 800 ВТ — КОЛЬЦО ДИАМЕТРОМ 18…26 ММ
ДЛЯ МОЩНОСТЕЙ ОТ 800 ДО 1800 ВТ — КОЛЬЦО ДИАМЕТРОМ 22…32 ММ
ДЛЯ МОЩНОСТЕЙ ОТ 1500 ДО 3000 ВТ — КОЛЬЦО ДИАМЕТРОМ 32…48 ММ
КОЛЬЦА ФЕРРИТОВЫЕ, ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ 2000, ТОЛЩИНОЙ 6…12 ММ

КОЛИЧЕСТВО ВИТКОВ ПЕРВИЧНОЙ ОБМОТКИ:
3 ВИТКА ДЛЯ ПЛОХИХ УСЛОВИЙ ОХЛАЖДЕНИЯ И 5 ВИТКОВ ЕСЛИ ВЕНТИЛЯТОР ОБДУВАЕТ НЕПОСРЕДСТВЕННО ПЛАТУ
КОЛИЧЕСТВО ВИТКОВ ВТОРИЧНОЙ ОБМОТКИ:
12…14 ДЛЯ ПЕРВИЧНОЙ ИЗ 3-Х ВИТКОВ И 20…22 ДЛЯ ПЕРВИЧНОЙ ИЗ 5-ТИ ВИТКОВ

ГОРАЗДО УДОБНЕЙ ТРАНСФОРМАТОР НАМОТАТЬ СЕКЦИОННО — ПЕРВИЧНАЯ ОБМОТКА НЕ ПЕРЕХЛЕСТЫВАЕТСЯ СО ВТОРИЧНОЙ. В ЭТОМ СЛУЧАЕ ОТМОТАТЬ-ДОМОТАТЬ ВИТОК К ПЕРВИЧНОЙ ОБМОТКЕ НЕ ПРЕДСТАВЛЯЕТ ТРУДА. В ФИНАЛЕ ПРИ НАГРУЗКЕ В 60% ОТ МАКСИМАЛЬНОЙ НА ВЕРХНЕМ ВЫВОДЕ R27 ДОЛЖНО БЫТЬ ПОРЯДКА 12…15 В
Первичная обмотка трансформатора мотается тем же, что и первичная обмотка силового трансформатора TV2, вторичная двойным проводом диаметром 0,15…0,3 мм.

Для изготовления силового трансформатора импульсного блока птания следует воспользоваться программой для расчета импульсных трансформаторов. Конструктив сердечника принципиального значения не имеет — может быть и тороидальным и Ш-образным. Печатные платы позволяют без проблемно использовать и тот и другой. Если габаритной мощности Ш-образного средечника не хватает его можно так же сложить в пакет, как кольца (рисунок 12).


Рисунок 12

      Ш-образными ферритами можно разжиться в телемастерских — не чато, но трансформаторы питания в телевизорах выходят из строя. Легче всего найти блоки питания от отечественных телевизоров 3…5-го. Не стоит забывать, что в случае, если требуется трансформатор из двух-трех средечников, то ВСЕ средечники должны быть одной марки, т.е. для разборки необходимо использовать трансформаторы одного типа.
Если силовой трансформатор будет изготовлен из колец 2000, то можно воспользоваться таблицей 4.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕАЛЬНЫЙ
ТИПОРАЗМЕР
ПАРАМЕТР ЧАСТОТА ПРЕОБРАЗОРВАНИЯ
МОЖНО БОЛЬШЕ ОПТИМАЛЬНО СИЛЬНЫЙ НАГРЕВ
50 кГц 60 кГц 70 кГц 80 кГц 90 кГц 100 кГц 110 кГц
1 КОЛЬЦО
К40х25х11
К40х25х11 ГАБАРИТНАЯ МОЩНОСТЬ 130 160 175 200 220 250 270
ВИТКОВ НА ПЕРВ ОБМОТКУ 145 120 105 90 80 72 65
2 КОЛЬЦА
К40х25х11
К40х25х22 ГАБАРИТНАЯ МОЩНОСТЬ 230 280 330 370 420 470 520
ВИТКОВ НА ПЕРВ ОБМОТКУ 72 60 52 45 40 36 33
1 КОЛЬЦО
К45х28х8
К45х28х8 ГАБАРИТНАЯ МОЩНОСТЬ 135 150 180 200 230 240 270
ВИТКОВ НА ПЕРВ ОБМОТКУ 174 145 124 110 97 87 79
2 КОЛЬЦА
К45х28х8
К45х28х16 ГАБАРИТНАЯ МОЩНОСТЬ 240 290 340 390 440 480 530
ВИТКОВ НА ПЕРВ ОБМОТКУ 87 73 62 55 49 44 40
3 КОЛЬЦА
К45х28х8
К45х28х24 ГАБАРИТНАЯ МОЩНОСТЬ 360 440 510 580
ВИТКОВ НА ПЕРВ ОБМОТКУ 66 55 47 41
4 КОЛЬЦ А
К45х28х8
К45х28х32 ГАБАРИТНАЯ МОЩНОСТЬ 490 580
ВИТКОВ НА ПЕРВ ОБМОТКУ 50 41
КОЛИЧЕСТВО ВИТКОВ ВТОРИЧНОЙ ОБМОТКИ РАСЧИТЫВАЕТСЯ ЧЕРЕЗ ПРОПОРЦИЮ, УЧИТЫВАЯ ТО, ЧТО НАПРЯЖЕНИЕ НА ПЕРВИЧНОЙ ОБМОТКЕ РАВНО 155 В ИЛИ ПРИ ПОМОЩИ ТАБЛИЦЫ (ИЗМЕНЯТЬ ТОЛЬКО ЖЕЛТЫЕ ЯЧЕЙКИ)

Обратите внимание, что стабилизация напряжения осуществляется при помощи ШИМ, следовательно выходное расчетное напряжение вторичных обмоток должно быть минимум на 30 % больше, чем вам необходимо. Оптимальные параметры получаются, когда расчетной напряжение составляет на 50…60% больше, чем необходимо стабилизировать. Например Вам необходим источник с выходным напряжением 50 В, следовательно вторичная обмотка силового трансформатора должна расчитываться на выходное напряжение 75…80 В. В таблице расчетов вторичной обмотки этот коэфициент учтен.
Зависимость частоты преобразования от номиналов С5 и R5 показана на графике:

      Использовать довольно большое сопротивление R5 не рекомендуется — слишком большое магнитное поле находится совсем не далеко и возможны наводки. Поэтому остановимся на «среднем» номинале R5 в 10 кОм. При таком сопротивлении частотозадающего резистора получаются следующие частоты преобразования:

Параметры получены у данного производителя R5 C5 Частота преобразования
10 кОм 680 пкФ 110 кГц
820 пкФ 91 кГц
1000 пкФ 78 кГц
1200 пкФ 67 кГц
1500 пкФ 54 кГц

(!) Тут следует сказать несколько слов о намотке трансформатора. Довольно часто приходят возмущения, мол при самостоятельном изготовлении источник либо не отдает необходиму мощность, либо силовые транзисторы сильно греются даже без нагрузки.
Откровенно говоря с такой проблемой мы тоже сталкнулись используя кольца 2000, но нам было проще — наличие измерительной аппартуры позволило выяснить в чем причина таких казусов, а она оказалась довольно ожидаемой — магнитная проницаемость феррита не соответсвует маркировки. Другими словами на «слабеньких» трансформаторах пришлось отматывать первичную обмотку, на «греющихся силовых транзисторах» наоборот — доматывать.
Немного позже мы отказалиьс от использования колец, однако тот феррит который мы используем вообще был не макрирован, поэтому пошли на радикальные меры. К собранной и отлаженной плате подключается трансформатор с расчетным количеством витков первичной обмотки и изменяется частота преобразования установленным на плату подстроечным резистором (вместо R5 устанавливается подстроечник на 22 кОм). В момент включения частоат преобразования устанавливается в пределах 110 кГц и начинает снижаться вращением движка подстроечного резистора . Таким образом выясняется частота при которой сердечник начинает входить в насыщение, т.е. когда силовые транзисторы начинают греться без нагрузки. Если частота снижается ниже 60 кГц, то первичная обмотка отматывается, если же температура начинает повышаться на 80 кГц, то первичная обмотка доматывается. Таким образом выясняется количество витков именно для этого сердечника и тоько после этого наматывается вторичная обмотка с использованием предлагаемой выше таблички и на упаковках проставляется количество витков первички для того или иного средечника..
Если качество вашего сердечника вызывает сомнения, то лучше изготовить плату, проверить ее на работоспособность и только после этого изготавливать силовой трансформатор используя описанную выше методику..

Дроссель групповой стабилизации. Кое где даже мелькало суждение, что он ну никак не может работать, поскольку через него протекает постоянное напряжение. С одной стороны подобные суждения верны — напряжение действительно одной полярности, значит может быть опознанно как постоянное. Однако автор подобного суждения не учел тот факт, что напряжение хоть и постонное, но оно пульсирующее и во время работы в данном узле происходит далеко не один процесс (протекание тока), а множество, поскольку дроссель содержит не одну обмотку, а минимум две (если выходное напряжение нужно двуполярное) или 4 обмотки, если необходимо два двуполярных напряжения (рисунок 13).

Рисунок 13

Изготовить дроссель можно и на кольце и на Ш-образхном феррите. Габариты конечно же зависят от мощности. Для мощностей до 400-500 Вт хватает средечника от сетевого фильтра питания телевизоров с 54-х см диагональю и выше (рисунок 14). Конструктив сердечника не принципиален

Рисунок 14

      Мотается так же как и силовой трансформатор — из нескольких тонких проводников, свитых в жгут или склеенных в ленту из расчета 4-5 А/мм кв. Теоритически — чем больше витков — тем лучше, поэтому обмотка укладывается до заполнения окна, причем сразу в 2 (если нужен двуполярный источник) или в 4 провода (если нужен источник с двумя двуполярными напряжениями.
После сглаживающих конденсаторов стоят выходные дроссели. Особых требований к ним не предъявляется, габариты… Платы расчитаны на установку сердечников от фильтров сетевого питания телевизоров. Наматывают до заполнения окна, сечение из расчета 4-5 А/мм кв (рисунок 15).



Рисунок 15

Выше упоминалась лента в качетсве обмотки. Здесь следует остановится несколько подробней.
Что лучше? Жгут или лента? И у того и у другого способа есть свои преимущества и недостатки. Изготовление жгута наиболее простой способ — растянул необходимое количество проводов, а затем скрутил их в жгут при помощи дрели. Однако такой способ увеличивает суммарную длину проводников за счет внутреннего кручения, а так же не позволяет добиться идентичности магнитного поля во все проводниках жгута, а это, пусть и не большие, но все же потери на тепло.
Изготовление ленты более трудоемко и немного дороже обходится, поскольку необходимое количество проводников растягивается и затем, при помощи полиуританового клея (ТОП-ТОП, СПЕЦИАЛИСТ, МОМЕНТ-КРИСТАЛЛ) склеивается в ленту. Клей наносят на провод небольшими порциями — по 15…20 см длинны проводника и затем зажав жгут между пальцами как бы втирают его следя за тем, чтобы провода уложились в ленту, на подобии ленточных жгутов, используемых для соединения дисковых носителей с материнской платой IBM компьютеров. После того как клей прихватился наносится новая порция на 15…20 см длины проводов и снова разглаживается пальцами до получения ленты. И так по всей длине проводника (рисунок 16).


Рисунок 16

      После полного высыхания клея производят намотку ленты на сердечник, причем первой наматывается обмотка с большим количеством витков (как правило и меньшим сечением), а сверху уже более сильноточные обмотки. После намотки первого слоя необходимо ленту «уложить» внутри кольца воспользовавшись выструганным из дерева конусообразным колышком. Максимальный диаметр колышка равен внутреннему диаметру используемого кольца, а минимальный — 8…10 мм. Длина конуса должна быть не меньше 20 см и измение диаметра должно быть равномерным. После намотки первого слоя кольцо просто одевают на колышек и с усилием надавливают таким образом, чтобы кольцо довольно сильно заклинило на колышке. Затем кольцо снимают, переворачивают и снова одевают на колышек с тем же усилием. Колышек должен быть достаточно мягким, чтоб не повредить изоляцию обмоточного провода, поэтому твердые породы дерева для этих целей не подойдут. Таким образом проводники укладывают строго по форме внутреннего диаметра сердечника. После намотки следующего слоя провод снова «укладывают» при помощи колышка и так делают после намотки каждого следующего слоя.
После намотки всех обмоток ( не забывая использовать межобмоточную изоляцию) трансформатор желательно прогреть до 80…90°С в течении 30-40 мин (можно воспользоваться духовкой газовой или электрической печки на кухне, но не следует перегревать). При этой температуре полиуритановый клей делается эластичным и снова приобретает клеящие свойства склеивая между собой уже не только проводники расположенные параллельно самой ленте, но и находящиеся сверху, т.е. происходит склеивание слоев обмоток между собой, что добавляет механической жесткости обмоткам и исключает какие либо звуковые эффекты, появление которых иногда случается при плохой стяжке проводников силового трансформатора (рисунок 17).


Рисунок 17

      Плюсами такой намотки является получения идентичного магнитного поля во все проводах ленточного жгута, поскольку геометрически они располагаются одинаково по отношению к магнитному полю. Такой ленточный проводник гораздо легче равномерно распределять по всему периметру сердечника, что очень актуально даже для типовых трансформаторов, а для импульсных является ОБЯЗАТЕЛЬНЫМ условием. Используя ленту можно добиться довольно плотной намотки, причем увеличив доступ охлаждающего воздуха к виткам, расположенным непосредственно внутри обмотки. Для этого достаточно количество необходимых проводов разделить на два и сделать две одинаковых ленты, которые будут наматываться друг на друга. Таким образом увеличится толщина намотки, но появится большое расстояние между витками ленты, обеспечивая доступ воздуха внутрь трансформатора.
В качестве межслойной изоляции лучше всего использовать фторопластовую пленку — очень эластична, что компенсирует напряженность одного края, возникающего при намотке на кольцо, имеет довольно большое пробивное напряжение, не чувствительна к температурам до 200°С и очень тонкая, т.е. не будет занимать много места в окне сердечника. Но она не всегда имеется под рукой. Использовать виниловую изоленту можно, но она чувствительна к температурам выше 80°С. Изолента на основе материи к температурам устойчива, но имеет маленькое пробивное напряжение, поэтому при ее использовании необходимо наматывать минимум 2 слоя.
Каким бы проводником и в какой бы последовательности Вы не наматывали дроссели и силовой трансформатор следует помнить о длине выводов
Если Дроссели и силовой трансформатор изготавливаются с использованием ферритовых колец, то не надо забывать, что перед намоткой края ферритового кольца следует скруглить, поскольку они достаточно остры, а феррит материал довольно прочный и может повредить изоляцию на обмоточном проводе. После обработки феррит обматывается фторопластовой лентой или матерчатой изолентой и наматывается первая обмотка.
Для полной идентичности одинаковых обмоток обмотки мотаются сразу в два провода (подразумевается сразу в два жгута) которые после намотки прозваниваются и начало одной обмотки соединяется с концом другой.
После намотки трансформатора необходимо удалить лаковую изоляцию на проводах. Это самый не приятный момент, поскольку ОЧЕНЬ трудоемкий.
Прежде всего необходимо зафиксировать вывода на самом трансформаторе и исключить вытягивание отдельных проводов их жгута при механических воздействиях. Если жгут ленточный, т.е. клееный и после намотки прогретый, то достаточно намотать на отводы несколько витков тем же обмоточным проводом непосредственно возле тела трансформатора. Если же используется витой жгут, то его необходимо дополнительно свить у снования вывода и так же зафиксировать, намотав несколько витков провода. Далее вывода либо обжигаются при помощи газовой горелки сразу все, либо зачищаются по одному при помощи канцелярского резака. Если лак отжигался, то после остывания провода защищаются наждачной бумагой и свиваются.
После удаления лака, зачистки и свивки вывода необходимо защитить от окисления, т.е. покрыть канифольным флюсом. Затем трансформатор устанавливают на плату, все вывода, кроме вывода первичной обмотки подключаемого к силовым транзисторам, вставляются в соответствующие отверстия, на всякий случай следует «прозвонить» обмотки. Особое внимание следует обратить на фазировку обмоток, т.е. на соответствие начала обмотки с принципиальной схемой. После того как вывода трансформатора вставлены в отверстия следует их укоротить так, чтобы от конца вывода до печатной платы было 3…4 мм. Затем свитый вывод «раскручивается» и в место пайки помещается АКТИВНЫЙ флюс, т.е. это либо гашенная соляная кислота, на кончик спички берется капелька и переносится в место пайки. Либо в глицерин добавляется ацетил-салициловая кислота кристаллическая (аспирин) до получения кашеобразной консистенции (и то и другое можно приобрести в аптеке, в рецептурном отделе). После этого вывод припаивается к печатной плате, тщательно прогревая и добиваясь равномерного расположения припоя вокруг ВСЕХ проводников отвода. Затем вывод укорачивается по высоте пайки и плата тщательно моется либо спиртом (90% минимум), либо очищенным бензином, либо смесью бензина с растворителем 647 (1:1).

ПЕРВОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ
Включение, проверка работоспособности производится в несколько этапов позволяющих избежать неприятностей, которые однозначно возникнут при ошибке в монтаже.
1. Для проверки данной конструкции потребуется отдельный источник питания с двуполярных напряжением ±15…20 В и мощность 15…20 Вт. Первое включение производят подключив МИНУСОВОЙ ВЫВОД дополнительного источника питания к минусовой первичной шине питания преобразователя, а ОБЩИЙ подключают в плюсовому выводу конденсатора С1 (рисунок 18). Таким образом симмулируется питани модуля управления и он проверяется на работоспосбность без силовой части. Тут желательно использовать осцилограф и частотомер, но если их нет, то можно обойтись и мультиметром, желательно стрелочны (цифровые не адекватно реагируют на пульсирующие напряжения).


Рисунок 18

      На выводах 9 и 10 контроллера TL494 стрелочный прибор, включенный на измерение постоянного напряжения должен показать почти половину напряжения питания, что говорит о том, что на микросхеме имеются прямоугольные импульсы
Так же должно сработать реле К1
2. Если модуль работает нормально, то следует проверить силовую часть, но опять же не от высокого напряжения, а используя доп источник питания (рисунок 19).


Рисунок 19

      При такой последовательности проверки что либо сжечь весьма затруднительно даже при серьезных ошибках монтажа (замыкание между дорожками платы, не пропайка элементов) поскольку мощности дополнительного блока не хватит. После включения проверяется наличие выходных напряжения преобразователя — конечно же оно будет значительно ниже расчетного (при использовании доп источника ±15В выходные напряжения будут занижены примерно в 10 раз, поскольку первичное питание составляет не 310 В а 30 В), тем не менее наличие выходных напряжений говорит о том, что в силовой части нет ошибок и можно переходить к терьей части проврки.
3. Первое включение от сети необходимо производить с токоограничением в качестве которого может выступить обычная лампа накаливания на 40-60 Вт, которую подключают вместо предохранителя. Радиаторы уже должны быть установлены. Таким образом в случае чрезмерного потребления по какой либо причине лампа загорится, а вероятность выхода из строя сведется к минимуму. Если же все нормально, то производят регулировку выходного напряжения резисторовм R26 и проверяют нагрузочную способность источника подключив к выходу такую же лампу накаливания. Включенная вместо предохранителя лампа должна загоряется (яркость зависит от выходного напряжения, т.е. от того какую мощность источник будет отдавать. Выходное напряжение регулируется резистором R26, однако может потебоваться подбор R36.
4. Проверка работоспособности производится с установленным на место предохранителем. В качестве нагрузки можно использовать нихромовую спираль для электропечек мощность 2-3 кВт. Два отрезка провода подпаивают к выходу источника питания, для начала к плечу, с котрого производится контроль выходного напряжения. Один провод прикручивается к концу спирали, на второй устанавливается «крокодил». Теперь, переустанавливая «крокодил» по длине спирали, можно оперативно менять сопротивление нагрузки (рисунок 20).


Рисунок 20

      Будет не лишним на спирали сделать «растяжки» в местах с определенным сопротивлением, например каждые 5 Ом. Подключаясь к «растяжкам» Уже заранее будет известно какая нагрузка и какая выходная мощность на данный момент. Ну а мощность можно вычислить по закону Ома (используется в табличке).
Все это необходимо для регулировки порога срабатывания защиты от перегрузки, которая должна устойчиво срабатывать при превышении реальной мощности на 10-15% расчетную. Так же проверяется как устойчиво источник питания держит нагрузку.

Если источник питания не отдает расчетную мощность значит какая то ошибка закралась при изготовлении трансформатора — смотрим выше как расчитать витки под реальный сердечник.
Осталось внимательно изучить как изготовить печатную плату, а это подробно описанно здесь И можно приступать к сборке. Необходимые чертежи печатной платы с первоисточником в формате LAY лежат в этом архиве. Чертежи в формате Word в этом архиве, ну а краткое описание по сборке здесь.

Если что то не понятно — спрашивайте — и ответим, и дополним архивы.

Не много дополнительной информации:

САМОДЕЛЬНЫЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ
ТОК ПЕРЕГОРАНИЯ, А ДИАМЕТР МЕДНОГО
ПРОВОДА, мм
0,5 0,022
1 0,039
2 0,073
3 0,1
5 0,173
7,5 0,24
10 0,31
15 0,44
20 0,56
Цветовая маркировка резисторов

Цвет знака

Первая
цифра

Вторая
цифра

Третья
цифра

Множе-
тель

Допуск
+/- %

Серебристый

10^-2

10

Золотистый

10^-1

5

Черный

0

1

Коричневый

1

1

1

10

1

Красный

2

2

2

10^2

2

Оранжевый

3

3

3

10^3

Желтый

4

4

4

10^4

Зеленый

5

5

5

10^5

0,5

Голубой

6

6

6

10^6

0,25

Фиолетовый

7

7

7

10^7

0,1

Серый

8

8

8

10^8

0,05

ПРИМЕРНАЯ МОЩНОСТЬ УСИЛИТЕЛЯ
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И СОПРОТИВЛЕНИЯ НАГРУЗКИ
АМПЛИТУДА
ПОКАЗАНИЯ
ОСЦИЛОГРАФА
ДЕЙСТВУЮЩЕЕ
ПОКАЗАНИЯ
ВОЛЬТМЕТРА
4 Ома 8 Ом АМПЛИТУДА
ПОКАЗАНИЯ
ОСЦИЛОГРАФА
ДЕЙСТВУЮЩЕЕ
ПОКАЗАНИЯ
ВОЛЬТМЕТРА
4 Ома 8 Ом

1


2


3


4


5


6


7


8


9


10


11


12


13


14


15


16


17


18


19


20


22


24


26


28


30


32


34


36


38


40


42


44


46


48


50



0,71


1,41


2,12


2,83


3,54


4,24


4,95


5,66


6,36


7,07


7,78


8,49


9,19


9,9


10,61


11,32


12,02


12,73


13,44


14,14


15,56


16,97


18,39


19,8


21,22


22,63


24,05


25,46


26,87


28,29


29,7


31,12


32,53


33,95


35,36



0,13


0,5


1,12


2


3,13


4,49


6,13


8,01


10,11


12,5


15,13


18,02


21,11


24,5


28,14


32,04


36,12


40,51


45,16


49,98


61


72


85


98


113


128


145


162


180


200


221


242


265


288


313



0,06


0,25


0,56


1


1,57


2,25


3,06


4


5,06


6,25


7,57


9,01


10,56


12,25


14,07


16,02


18,06


20,26


22,58


24,99


30


36


42


49


56


64


72


81


90


100


110


121


132


144


156



52


54


56


58


60


62


64


66


68


70


72


74


76


78


80


82


84


86


88


90


92


94


96


98


100


105


110


115


120


125


130


135


140


145


150



36,78


38,19


39,6


41,02


42,43


43,85


45,26


46,68


48,09


49,5


50,92


52,33


53,75


55,16


56,58


57,99


59,41


60,82


62,23


63,65


65,06


66,48


67,89


69,31


70,72


74,26


77,79


81,33


84,87


88,4


91,94


95,47


99,01


102,55


106,08



338


365


392


421


450


481


512


545


578


613


648


685


722


761


800


841


882


925


968


1013


1058


1105


1152


1201


1250


1379


1513


1654


1801


1954


2113


2279


2451


2629


2813



169


182


196


210


225


240


256


272


289


306


324


342


361


380


400


420


441


462


484


506


529


552


576


600


625


689


756


827


900


977


1057


1139


1225


1315


1407


      Обычно амплитуда на выходе мощных усилителей класса АВ на 3…7 В меньше напряжения питания, следовательно если напряжение питания будет составлять ±50 В, то на выходе будет амплитуда 43…47 В, т.е. усилитель мощности может отдать в нагрузку 4 Ома 230…270 Вт.

Импульсные блоки питания своими руками

ИБП

Описание

В продолжительной поездке на личном автомобиле или отдыхая «дикарем» на природе, неплохо иметь с собой домашние электрооборудование, например, фен, электрическую бритву, фото или видеокамеру. Но из-за отсутствия розеток невозможно обеспечить питание приборов от обычной сети.

Единственным источником энергии в этом случае могут быть только автомобильные аккумуляторы, но их постоянного напряжения в 12 вольт не хватит для домашних устройств, работающих от переменного тока 220 вольт. Налицо полная несовместимость по сразу двум основным параметрам.

Но не стоит отчаиваться, выход из такой ситуации есть – это использование небольшого импульсного преобразователя тока. Он поможет превратить «воду в вино», то есть 12 вольт напряжения аккумулятора, в ток, требуемый для работы всех приборов − 220 вольт.

Принцип работы

Принцип его работы заключается в конвертировании переменного напряжения из электросети, имеющее частоту 50 Гц в аналогичное прямоугольного типа. Затем оно подвергается трансформации для достижения определенных значений, выпрямляется и отфильтровывается. Такой транзистор повышенной мощности, исполняющий одновременно роль импульсного трансформатора и ключа, преобразует напряжение тока.

По схеме они бывают двух типов: управляемые извне, внедрены в большинстве электроприборов и автогенераторы импульсного типа.

Также такие трансформаторы выпускаются разных размеров и мощностей в зависимости от специфики применения, но габариты в них не главное так, как эффективность таких устройств повышается по мере нарастания частоты, увеличение которой позволяет серьезно уменьшить размер и вес стального сердечника. Они, как правило, работают в частотном диапазоне от 18 до 50 кГц.

Область применения

Область применения импульсных преобразователей питания для бытового использования постоянно ширится. Они сегодня используются для обеспечения энергией всех приборов бытовой и вычислительной техники, а также в устройствах бесперебойного питания и зарядных устройствах для АКБ разного назначения, питания низковольтных осветительных систем и других нужд.

Часто приобретение такого устройства заводской сборки не очень оправдано, по соображениям экономии или с точки зрения специфики технических параметров требуемого агрегата. В этом случае собственноручное сооружение импульсного преобразователя может быть лучшим вариантом. Такой подход, как правило, более рационален благодаря широкому выбору недорогих комплектующих.

Преимущества и недостатки

Покупая ИБП, необходимо соотнести все его достоинства и недостатки с конкретными требованиями к эксплуатации в каждом частном случае и если он им удовлетворяет можно смело приобретать агрегат.

Преимущества импульсных блоков питания:

  • Малый вес агрегата, благодаря меньшему размеру требуемого для работы трансформатора, и как следствие уменьшенной конструкции всего преобразователя. Конструкция оснащается фильтром выходного напряжения меньших размеров, так как, при сопоставимой мощности с аналогами импульсное устройство имеет большую частоту преобразования.
  • Агрегаты повышенной мощности имеют наивысший КПД, доходящий до 90-98%. Такие устройства имеют минимальные потери энергии благодаря минимальному количеству операций переключения ключа, так как он большую часть времени находится в одном положении, в то время как в агрегатах других типов на операции с ним расходуется значительная мощность.
  • На порядок более высокая степень надежности стабилизаторов импульсного типа в сравнении с линейными аналогами, которые сейчас используются только в питании плат со слабыми токами, например, СВЧ печах или колонках и других агрегатах малой мощности, созданных для непрерывной эксплуатации в течение нескольких лет без техобслуживания.
  • Кроме того их преимуществом является расширенный диапазон частоты и напряжения тока, который могут быть реализованы только в очень дорогих, недоступных обычному потребителю, блоках линейного типа. Это позволяет использовать переносной импульсный блок даже при путешествиях по всему миру, так как его характеристики можно регулировать в широком диапазоне, подстраивая их для работы от розеток в разных странах с разными частотами и напряжением в электросети.
  • В отличие от линейных устройств, благодаря универсальности импульсных преобразователей мощностью 12 V налажен массовый выпуск комплектующих для них, что положительным образом снизило их себестоимость и повысило доступность для рядового потребителя. Однако на более мощные их варианты эта особенность, конечно, не распространилась, они стоят дорого.
  • Как правило, такие устройства в конструкции имеют несколько степеней защиты от аварийных ситуаций в сети: перебоев питания, короткого замыкания, отсутствия выходной нагрузки.

Недостатки импульсных блоков питания:

  • Работы по их ремонту отличаются сложностью, так как большинство их внутренних элементов функционируют в совместной сети без какой-либо гальванической развязки.
  • Сам импульсный принцип работы имеет оборотную сторону в виде высокочастотных помех, которые требуют подавления для использования блоков с большинством аппаратуры. А с некоторыми ее видами, обладающими повышенной чувствительностью к помехам они и вовсе не совместимы.
  • Входящий ток имеет ограничение на минимальную мощность, при которой блок начнет работать.

Схема

Основой большинства преобразователей тока импульсного типа является блок-схема простейшего импульсного трансформатора, включающая в себя несколько блоков:

  • Блок, преобразующий ток сети переменного типа в постоянный на выходе. В его основе диодный мост, который исполняет роль выпрямителя переменного напряжения и конденсатор, нивелирующий пульсации напряжения подвергшегося выпрямлению. Он может быть оснащен вспомогательными приборами: фильтрами напряжения сети, сглаживающими пульсации генератора импульсов и термисторами для ослабления скачка напряжения при включении. Наличие или отсутствие дополнительных компонентов влияет на себестоимость агрегата, и является статьей экономии при покупке бюджетного варианта агрегата.
  • Блок генератора импульсов, создающий для питания первичной обмотки трансформатора импульсы заданной частоты. Различные модели работают с разной частотой, но границы ее колебания для всех устройств находятся в пределах от 30 до 200 кГц. Трансформатор является сердцем прибора, так как именно посредством него происходит гальваническая развязка с электросетью и преобразование тока для соответствия требуемым параметрам.
  • Третий − блок трансформации переменного тока, поступающего с трансформатора в постоянный. В него входят диоды для выпрямления напряжения и фильтры пульсаций, которые значительно сложнее своего аналога из первого блока и включают в себя уже несколько конденсаторов и дроссель. В качестве статьи экономии, для уменьшения себестоимости преобразователи могут комплектоваться конденсаторами и дросселями минимально необходимой для работы, емкости и индуктивности соответственно.

Как сделать своими руками

Необходимые инструменты:

  • паяльный аппарат;
  • бокорезы;
  • утконосы;
  • пинцет;
  • скальпель.

Пошаговое руководство

  • Первым делом на входе устанавливается РТС термистор, выполняющий роль полупроводникового резистора с плюсовым коэффициентом по температуре. Он способен резко увеличить свое сопротивление при превышении определенного значения температуры, например, когда необходимо защитить силовые ключи, когда агрегат только начинает работать и конденсаторы еще заряжаются.
  • Далее, монтируется диодный мост для выпрямления входящего напряжения сети током 10А. Можно использовать разные диодные сборки: «вертикалку» или «табуретку».
  • Затем на входе паяется пара конденсаторов в соотношении 1 мкФ на 1 Вт мощности.
  • Используются отечественные резисторы типа МЛТ-2 в качестве гасящего сопротивления в сети переменного тока мощностью 2 Вт.
  • Для регулировки затворов полевых транзисторов, функционирующих под током 600В, монтируется драйвер IR Он попеременно открывает затворы полевых транзисторов с периодичностью, определяемой деталями на ножках Rt и Ct.
  • Полевые транзисторы выбираются не меньше 200В, имеющие минимальное сопротивление в открытой фазе работы. Величина сопротивления прямо пропорциональна нагреву устройства и обратно пропорциональна его КПД.
  • При их монтаже фланцы транзисторов нельзя закорачивать, поэтому применяются прокладки для изоляции.
  • Трансформатор, проще взять обычный понижающий из старого блока ПК. Но можно и самостоятельно намотать на ферритовые торы из расчета на преобразующую частоту 100 кГц и ½ преобразованного напряжения.
  • Трансформаторные выводы закорачивают аналогично плате, из которой он взят.
  • На выходе устанавливаются диоды с небольшими таймингами восстановления − не более 100 нс, например, из группы HER.
  • Буферную емкость на выходе не стоит преувеличивать более 10 тыс. мкФ.
  • Как и любой электрический агрегат, самодельный импульсный блок питания при сборке предъявляет повышенные требования к внимательности и аккуратности в процессе сборки. Необходим верный монтаж полярных деталей и выполнение мер предосторожности в работе с электросетью. Верно, сконструированный блок не требует до настройки или подлаживания.

Регулируемый/однотактный/двухтактный/двухполярный блок своими руками

  • Для сборки регулируемого блока питания необходимо в его схеме сборки использовать один или два транзистора полупроводникового типа. Однако для контроля напряжения понадобится установить датчик в виде вольтметра. Тогда ориентируясь на его показания, можно будет отрегулировать оптимальное напряжение на выходе для работы разных приборов, чтобы не пожечь их. Напряжение регулируется при помощи резистора переменного типа.
  • В самом простом однотактном блоке ток преобразуется за счет работы одного транзистора, который открывается и закрывается, пропуская импульсы определенной частоты.
  • Его усовершенствованной модификацией, работающей с удвоенной частотой и соответственно лучшим КПД, является двухтактный преобразователь, в котором друг за другом открываются и закрываются уже два транзистора.
  • Двухполярная конструкция блока еще сложнее, так как необходим монтаж операционного усилителя и стабилитронов. Особое внимание в этом случае следует уделять качеству пайки и соответствию сечения проводов току.

Ремонт ИБП

Ремонт ИБП, как правило, заключается в замене, неисправных, погоревших деталей на новые. Но сложность даже не в самом монтаже новой детали, а именно в поиске неисправной. Для этого производят следующие операции:

  • Внешний осмотр платы блока на предмет наличия вздувшихся конденсаторов, обуглившихся резисторов и других элементов с дефектами.
  • Осмотр пайки трансформатора, ключевых транзисторов и микросхем, а также дросселей.
  • Проверка цепи питания на предмет разрыва: позванивают сам кабель, предохраняющий переключатель, переключатель тока при его наличии, а также дроссели и выпрямительный мост.
  • Первичная диагностика любой детали производится без демонтажа, и только когда есть вполне обоснованное предположение о том, что она неисправна, ее можно выпаивать и проверять отдельно.
  • Также необходимо проверить цепь на предмет коротких замыканий.
  • Проведя визуальную и приборную диагностику оборудования и поменяв нерабочие элементы, приступают к проверке под рабочим напряжением сети. Но в роли предохранителя используется обычная лампочка на 150-200 Ватт 220 вольт. Она не даст сгореть всему преобразователю при наличии неисправности и просигнализирует о характере дефекта. Так, если лампочка ярко вспыхнет и притухнет, излучая растр, то, скорее всего, неисправны конденсаторы. Проверить их на исправность можно только заменив на новые. Другим случаем является вариант, когда лампа вспыхнула и сразу же погасла совсем. Этот вариант предусматривает индивидуальную проверку всех резисторов цепи запуска. Наконец последний случай – светильник горит на полную яркость. В этом случае надо полностью перепроверить всю схему заново.

Советы/рекомендации

  • При конструировании импульсного преобразователя тока своими руками следует помнить, что все работы по монтажу и испытанию агрегата проходят под напряжением опасным для жизни и здоровья. Поэтому настоятельно рекомендуется в помещении, в котором проводятся работы установить автоматические прерыватели тока, работающие в связке с прибором аварийного отключения тока. Такая система способна защитить человека от удара током даже в случае, когда он коснулся фазы.
  • При работе с импульсными преобразователями тока, даже со стандартными блоками от ПК, необходимо всегда соблюдать технику безопасности. Например, конденсаторы электролитического типа входящие в их схему даже после отключения от сети долгое время держат токи высокого напряжения. Поэтому прежде чем приступить к каким-либо манипуляциям с ними их необходимо предварительно разрядить, замкнув их выводы.
  • И наконец, при проведении любых работ связанных с электричеством, всегда следует пользоваться исправными, предназначенными для этого инструментами. Например, ручки всех отверток, бокорезов и других инструментов должны быть заизолированы.

Статья была полезна?

0,00 (оценок: 0)

Импульсный источник питания: как быстро отремонтировать прибор


Чтобы, отремонтировать импульсный источник питания, вначале выявляется неисправность, приведшая к поломке БП. В статье представлены практические советы как быстро восстановить работоспособность источника напряжения собственными руками.

Когда часть оборудования оказывается полностью мертвой, первое, на что следует обратить внимание, — это источник напряжения. Если для поиска неисправностей используется осциллограф, это должен быть портативный прибор с батарейным питанием, изолированный от земли. Причина в том, что велика вероятность существования внутреннего напряжения, которое может создавать опасные токи короткого замыкания при подключении к настольному осциллографу.

Как быстро и правильно отремонтировать импульсный источник питания

Всем радиолюбителям хорошо известно, что импульсные источники питания созданы, как правило, для выпрямления переменное напряжение электросети в постоянное с последующим понижением его номинального значения. Поэтому, во включенном состоянии такое устройство всегда находится под высоким напряжением. Следовательно, установленные в блоке питания компоненты часто подвержены выходу из строя в силу разных причин.

В связи с этим, мы здесь подготовили для вас практические советы как грамотно и не затратно восстановить работоспособность сгоревшего импульсного источника питания в домашних условиях. Поделимся методом как быстро находить в устройстве неисправный компонент ставший причиной поломки оборудования.

Основы поиска и устранения неисправностей блоков питания

Импульсный источник питания может быть выполнен в различных конфигурациях, например: в виде печатной платы в составе устройства или отдельного модульного прибора. Тем не менее, его основная задача, как писалось выше, — выпрямление с одновременным уменьшением напряжения сети до необходимого значения. Такая потребность в использовании этого электрооборудования вызвана тем, что домашние электрические сети имеют стандартизированное напряжение 220 вольт.

Однако, не все устройства и инструменты используемые нами в быту могут работать на напряжении 220 вольт, то-есть для некоторых из них требуется значительно меньшее напряжение. Сейчас современная аппаратура использует импульсные источники напряжения, которые постепенно приходят на смену блокам изготовленным по схеме мостового выпрямителя с фильтром и мощного силового трансформатора.

Примечание! Вопреки бытующему мнению о высокой надежности ИИП, компоненты, установленные в импульсных блоках напряжения, частенько выходят из строя. Как говорят: «ничто не вечно…». Вот почему, пока будет существовать такое оборудование, всегда будет востребована необходимость в их ремонте.


Импульсный источник питания на печатной плате

В общем пойдем дальше. Для общего понятия разделим устройство на ключевые модули, которые имеются практически в любом импульсном источнике электропитания. Стандартный вариант импульсного блока питания относительно можно разграничить на три составные части по функциям.

  1. Узел широтно-импульсной модуляции (ШИМ-контроллер), на основе которого выполняется построение задающего генератора электрических колебаний, как правило с частотой примерно 35…65 кГц;
  2. Линейка мощных силовых ключей, функции которых могут осуществлять как биполярные так и полевые либо трехэлектродные IGBT транзисторы имеющие изолированный затвор; кроме того, эта часть схемы может состоять из дополнительных управляющих ключами элементов, собранных на транзисторах малой мощности;
  3. Импульсный трансформатор с одной или несколькими первичными и вторичными обмотками, а также выпрямительными диодами, конденсаторами для фильтрации выпрямленного напряжения, стабилизаторами в выходной цепи; в качестве магнитопровода как правило, применяется сердечник на основе феррита или альсифера;

Вот, в общем это и есть основные понятия, которые требуется для изготовления или ремонта импульсного источника питания. На представленном выше снимке основные узлы ИИП выделены цветом. Для лучшего наглядного восприятия, также эти узлы отмечены цветом и на принципиальной схеме. Ниже в качестве примера:


Принципиальная схема ИИП. Кстати, на этой схеме силовой узел выполнен со средней точкой.

Внимание! Начиная выполнять поиск неисправности в устройствах такого типа, не забывайте, что на электронных компонентах может сохранятся напряжение, поэтому, перед началом работы, обязательно разряжайте цепь высокого напряжения.

Неисправности современных импульсных блоков питания — возможные причины поломки

Проблемы, возникающие с блоками напряжения, когда они отказываются работать, в основном могут образоваться по следующим причинам:

  • броски напряжения в электрической сети. Именно такие броски напряжения с высокой амплитудой во многих случаях приводят к поломке устройства, которое не рассчитано на такие всплески;
  • работа источника питания с максимальной нагрузкой длительное время;
  • в схеме не предусмотрена защита. Некоторые изготовители такого типа оборудования, просто-напросто экономят на дополнительных компонентах, поэтому пренебрегают установкой защиты в приборе. Если в ремонтируемом вами блоке отсутствует защита, то лучшим вариантом будет добавить ее в схему;
  • невыполнение инструкции по эксплуатации изделия, приложенной изготовителем для определенной модели.

Кроме этого, частые поломки у преобразователей напряжения возникают из-за некачественных деталей устанавливаемых производителем. Так например сейчас, все российские рынки и не только российские, заполонили изделия сомнительного качества от китайских «товарищей». Поэтому, в такой ситуации, когда больше не из чего выбирать, остается надеяться на удачу, что попадется качественный прибор.

Во время проверки импульсного блока часто обнаруживаются следующие проблемы:

  • 40 процентов поломок происходят в цепи высокого напряжения. Так например: часто выходят из строя диодный мост или электролитический фильтрующий конденсатор в силовом тракте выпрямителя;
  • 30 процентов неисправностей образуются также в силовой части устройства из-за пробоя мощных ключей переключения MOSFET;
  • 15 процентов составляет токовый пробой переходов диодного моста в цепи вторичной обмотки выпрямителя;


Диодная мостовая сборка

Выше мы обозначили основные неисправности, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации прибора, а вот другие поломки выявляются только с использованием более точных устройств диагностики и измерений. Чтобы выполнить корректный поиск причины, приведшей к неработоспособности оборудования, для этого используют осциллограф и как минимум — мультиметр. В следствие этого, если возникшая проблема не соответствует трем, обозначенным выше параграфам, то собственноручно отремонтировать импульсный источник питания будет несколько проблематично, не имея специальных приборов и опыта в электронике.

Исходя из этого, можно сделать определенный вывод: если ваш персональный компьютер или телевизор перестал подавать признаки жизни, сразу же начинайте искать причину начиная с БП. Другой вопрос в этой ситуации: если, все-же у вас не хватает знаний в ремонте такой сложном оборудовании как ИИП, тогда все-таки лучшим вариантом будет обратится к специалистам.

Метод выявления неисправного компонента

Примечание! Чтобы быстро отыскать неисправность, приведшей импульсный источник питания в нерабочее состояние, вам, как минимум, потребуется цифровой мультиметр.


Мультиметр

Для выявления проблемы, возникшей в устройстве, нужно выполнить последовательные шаги:

  • вскрываем источник питания;
  • вольтметром замеряем напряжение на электролитическом конденсаторе установленном в цепи выпрямителя;


Замер напряжение на электролите

Проверка конденсатора

  • в случае определения прибором напряжения 300v на конденсаторе, то это будет означать, что этот участок силовой цепи находится в полном порядке;
  • в схемах, использующих два малогабаритных конденсатора, напряжение определенное вольтметром в 150 вольт на каждом из них, соответствует исправности силового тракта;
  • если в этой точке нет напряжения, то в первую очередь необходимо проверить состояние выпрямительных диодов, цепь фильтрующего конденсатора и предохранитель;


Плавкий предохранитель в схеме импульсного блока напряжения

  • при обнаружении сгоревшего предохранителя, кроме его замены, также нужно прозвонить и другие компоненты схемы. Чтобы обнаружить причину, которая привела к выходу из строя предохранителя;
  • проблемные электролитические конденсаторы обнаружить довольно просто. Из них либо вытекает электролит, либо они становятся «беременными», поэтому они не подлежат ремонту — только замена;
  • в обязательном порядке проверяется вся цепь выпрямителя, включая диодный мост;


Диодный мост импульсного источника питания

  • сглаживающий конденсатор в цепи фильтра, может быть установлен в виде одиночной емкости или набора линейки, составленной из нескольких емкостей, включенных по схеме последовательного или параллельного соединения;
  • силовые транзисторные ключи, как правило, устанавливаются на теплоотводах.

Примечание! Приступая к ремонту, старайтесь сразу выявить все неисправные элементы устройства, и в последовательном порядке заменить их. Нельзя, заменяя одну деталь, оставлять в схеме сгоревшую деталь, а затем включать прибор для проверки. Такие действия могут привести к более тяжелым последствиям!

Специфика самостоятельного ремонта ИИП

Для выполнения диагностики и ремонта стандартных блоков питания импульсного типа, просто нужно придерживаться советов, которые мы предложили выше. А конструктивное исполнения такого оборудования, мало чем отличается друг от друга, хотя они могут быть от разных производителей.


Проверка электронных элементов печатной плате

Для качественного ремонта импульсного источника напряжения своими руками, нужно иметь в своем распоряжении соответствующие приборы и инструменты, а именно: хороший паяльник, припой, растворитель для смывки излишков флюса на плате и основные инструменты:

  • комплект разных отверток;
  • пинцет;
  • цифровой мультиметр;
  • обычная лампочка на 150 Вт /220 вольт. Хороший вариант для подключения ее как нагрузки.


Общий вид платы блока питания

Грамотно выполненная диагностика устройства, является гарантией успешного ремонта. Проблемы, связанные с выходом из строя какого либо элемента в высоковольтном тракте, найти не составит никакого труда. Их легко выявить, как при визуальном осмотре, так и с использованием мультиметра.


Процесс работы

После устранения выявленных неисправностей и замене всех сгоревших при этом деталей, импульсный источник питания, при включении начинает сразу работать без всякой предварительной настройки. Так, что если вы обладаете хотя бы первоначальными знаниями в электронике и имея хоть какой-то опыт в ремонте подобных устройств, то вы наверняка справитесь самостоятельно с восстановлением ИБП.

Как отремонтировать импульсный блок питания

Импульсный блок питания TL494 | Все своими руками

Обнаружена недоработка, прошу прощения, но поищите пока  себе что то другое!
Один товарищ попросил сделать для него импульсный блок питания для какой то штуки у него в гараже. Как бы питание у этого приборчика не стандартное и нужно 17-18В током до 5 А.  Что бы собрать этот блок питания,  решил использовать запчасти от старых разобранных ATX, трансформаторов таких у меня просто куча и есть с чего выбрать. Схему питальника использовал ту же, что и в прошлый раз собирал, вот ссылка на ИИП из ATX, только немного ее переделал.
Первым делом что я сделал, это немного переделал схему. Пересчитал делители на ОУ под нужные выходные напряжения, убрал фильтр на входе, ну а все остальные компоненты остались такие же.

Вот схема силовой части и драйвера

Вот схема управляющей части на TL494

Разберусь с используемыми компонентами, большинство были заказаны с Китая. Цены на товар с Китая в десятки раз дешевле чем заказывать в интернет магазинах России

Диодный мост KBU1010 заказан был с Китая
Две емкости 330мкФ 200В и шунтирующие конденсаторы 0.1мкФ 1000В из блока питания ATX, они еще нормально себя чувствуют
Силовые ключи использовал 13007 вот ссылка, мелкие 2SC945 вот ссылка
Силовой XZYEI-28C и развязывающий трансформаторWYEE-16C из ATX
Выходной сдвоенный диод S10C40 на 10А 40В из того же ATX
Дроссель для стабилизации размотал и намотал 24 витка проводом 1мм
Все резисторы  из Китая, 0,25Вт ссылка, 2Вт ссылка, подстроечный резистор 1кОм ссылка, токоизмерительный резистор  0,1Ом  ссылка
Конденсаторы электролитические разной емкости ссылка, а так же пленочные ссылка
Ну и диоды 1N4148 тоже Китай ссылка, остальные диоды были выбраны из всякого хлама
Управляющая TL494 заказана с Китая


Когда все детали определены, пора перейти к  разводке печатной платы. Снял все размеры компонентов и принялся за разводку печатки, все заняло часа 3-4.

Печатная плата силовой части и драйвера

Вот печатная плата управляющей части

Силовая часть схемы и развязывающий драйвер буду собирать на печатной плате размером 80*101мм, управляющая часть собрана на отдельном куске текстолита размерами 45*50мм.
Скачать печатную плату
Прочитайте Получить пароль от архива

Печатные платы изготавливал методом лазерной утюжки, травил раствором медного купороса на все было потрачено около часа. Причем больше времени заняла сама травка платы на подогреваемом растворе. Раствор стоит подогревать для ускорения процесса

Ну и пора переходить к сборке, печатных плат. На это было потрачено еще пару часов.
Первый пуск источника питания  как всегда через лампу, я тут описывал для чего это нужно. Далее испытания проводил уже без лампы, но через предохранитель 1,5А.  Вот что у меня получилось

С помощью подстроечного резистора установил напряжение 17,5В, в качестве нагрузки пока выступает вентилятор 12В через балластный резистор 33Ом. Забыл на плате разместить этот балластный резистор, поэтому придется навесом его оставить


Расположение всех компонентов на плате выглядит так, для разрядки высоковольтных конденсаторов балластные резисторы по 120кОм установлены с другой стороны на вывод конденсаторов


Управляющая плата установлена на коротких проводниках из медной проволоки,  на плате есть переменный резистор для точной настройки выходного напряжения


Диод и силовые ключи установлены на общий радиатор через прокладки для гальванической развязки, одного радиатора при принудительном охлаждения будет достаточно


Вот перемотанный дроссель для стабилизации напряжения

Две платы собранны максимально плотным монтажем, проверенны в условиях мастерской и готовы отправится в гараж знакомого

С ув. Эдуард

Похожие материалы: Загрузка…

Как сделать источники питания, схемы источников питания и зарядок

В книге «Как сделать источники питания своими руками» собраны воедино и систематизированы наиболее интересные и оригинальные схемы основных групп источников питания: линейных, импульсных, сварочных, а также преобразователей, стабилизаторов, зарядных устройств.

Как сделать источники питания своими руками, схемы линейных, импульсных и сварочных источников питания, преобразователей, стабилизаторов и зарядных устройств.

О книге: Пособие.
Автор: Шмаков С. Б.
Издание: 2013 года.
Формат книги: файл djvu в архиве zip
Страниц: 286
Язык: Русский
Размер: 16,5 мб
Скачать книгу: бесплатно, без ограничений, на нормальной скорости, без SMS, логина и пароля. Файл взят из открытых источников.

Представленные в книге «Как сделать источники питания своими руками» схемные решения не повторяют друг друга, интересны, содержат определенные элементы оригинальности. Рассмотренные источники питания построены на недорогих компонентах, ко многим из них указаны доступные аналоги. Для удобства восприятия информации описание источников питания идет по единой схеме.

Все источники питания, рассмотренные в книге, были проверены их авторами на практике, демонстрировались на выставках, были отмечены призами и дипломами. Предлагаемая книга рассчитана, в первую очередь, на радиолюбителей средней квалификации. Для самостоятельного изготовления понравившейся конструкции вполне достаточно приводимого описания и представленного схемного материала. Приводятся рисунки монтажа и печатных плат многих описываемых схем.

Содержание книги «Как сделать источники питания своими руками».
Создаем стабилизированные источники питания с током нагрузки от 30 мА до 200 А.

Принцип действия линейных источников питания
Микромощный источник питания с током нагрузки до 30 мА и выходным напряжением 9 В
Стабилизированный источник питания с током нагрузки до 50 мА
Стабилизированный источник питания 60 В 100 мА
Источник питания с током нагрузки до 100 мА
Стабилизированный источник питания на полевом транзисторе с током нагрузки до 100 мА
Низковольтный регулируемый стабилизатор напряжения на 3—5 В и с током нагрузки до 100 мА
Низковольтный стабилизатор напряжения с регулирующим транзистором в минусовом проводнике на 3—5 В и с током нагрузки до 100 мА

Стабилизированный источник питания на полевом транзисторе с током нагрузки до 150 мА
Стабилизатор напряжения на операционных усилителях серии К140 и с током нагрузки до 200 мА
Стабилизированный источник питания на шесть значений выходного напряжения и с током нагрузки до 250 мА
Стабилизатор напряжения, защищенный от коротких замыканий выхода, с током нагрузки до 300 мА и диапазоном выходных напряжений 2—12 В

Стабилизатор напряжения с защитой от короткого замыкания для питания маломощных устройств

Стабилизированный источник питания с регулируемым напряжением на выходе 0—12 В и током нагрузки до 300 мА
Источник питания для детских электрифицированных игрушек током до 350 мА
Простой стабилизатор напряжения на ИМС 142ЕН1Г с выходным напряжением 5 В и током нагрузки 500 мА
Стабилизатор напряжения с защитой и током нагрузки до 500 мА
Комбинированный источник питания с максимальным током нагрузки каждого из источников 500 мА
Простой источник питания для питания стабилизированным напряжением +5 В различных цифровых устройств с током потребления до 500 мА

Стабилизатор напряжения с высоким коэффициентом стабилизации и с током нагрузки до 500 мА
Простой источник питания с плавной инверсией выходного напряжения и током нагрузки до 500 мА
Простой стабилизатор напряжения с током нагрузки до 500 мА
Двуполярный источник питания с выходным стабилизированным напряжением ±12,6 В и током нагрузки до 500 мА
Стабилизированный источник питания для любительского УНЧ с током нагрузки до 700 мА

Простой импульсный стабилизатор напряжения с выходным напряжением 5 В и током нагрузки до 700 мА

Линейный стабилизатор напряжения с высоким КПД, построенный на дискретных элементах, с током нагрузки до 1000 мА
Стабилизатор напряжения с логическими элементами и током нагрузки до 1000 мА
Стабилизатор напряжения 12 В с током нагрузки до 1000 мА
Стабилизаторы напряжения 10 В, построенные на полевом транзисторе, с током нагрузки до 1000 мА
Источник питания на транзисторах и трансформаторе кадровой развертки телевизора ТВК-110 ЛМ с током нагрузки до 1000 мА
Источник питания «Ступенька» с выходом на наиболее часто применяемые напряжения и током нагрузки до 1000 мА
Источники питания с плавным изменением полярности и напряжением от+12 до -12 В
Стабилизированный источник питания 40 В 1200 мА
Комбинированный лабораторный источник питания с током нагрузки до 1200 мА
Регулируемый двуполярный источник питания с током нагрузки до 2000 мА в каждом плече
Стабилизированный источник питания 1—29 В и с током нагрузки до 2000 мА

Простой стабилизатор напряжения с защитой от КЗ и током нагрузки до 3000 мА

Транзисторный стабилизатор с защитой от КЗ с током нагрузки до 3000 мА
Простой регулируемый стабилизатор напряжения (1,8—32 В) с током нагрузки до 3000 мА
Мощный источник питания для усилителя низкой частоты с током нагрузки до 3000 мА
Стабилизатор напряжения на мощных биполярных транзисторах с возможностью регулировки выходного напряжения 11,5—14 В и током нагрузки до 4000 мА
Мощный стабилизатор напряжения -5 В с током нагрузки до 5000 мА
Мощный стабилизатор напряжения с током нагрузки до 5000 мА
Стабилизатор с защитой по току с током нагрузки до 5000 мА

Мощный источник питания 12 В и током нагрузки до 6000 мА
Стабилизатор напряжения 20 В и током нагрузки до 7000 мА
Регулируемый стабилизатор тока с напряжением на нагрузке 16 В и током нагрузки до 7000 мА
Стабилизатор напряжения с защитой от перегрузок и током нагрузки до 10 А
Источник питания повышенной мощности с током нагрузки до 20 А
Стабилизатор напряжения для питания УМЗЧ с током нагрузки до 20 А
Стабилизированный источник питания 12 В, построенный на ИМС К142ЕНЗ, с током нагрузки до 20 А
Мощный источник питания на дискретных элементах с регулировкой напряжения от 0 до 15 В и током нагрузки до 20 А
Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе с током нагрузки до 20 А
Источник питания для автомобильного трансивера 13 В 20 А
Стабилизатор тока на с плавной регулировкой 100—200 А

Создаем полезные схемы преобразователей напряжения.

Как работают преобразователи постоянного напряжения в постоянное (DC-DC конвертеры)
Как работают преобразователи постоянного напряжения в переменное (DC-AC конвертеры)
Низковольтный преобразователь напряжения
Стабилизированный сетевой преобразователь напряжения
Преобразователь напряжения с 1,5 В до 4,5 В для авометра Ц20
Преобразователь напряжения с 9 В до 400 В
Преобразователи напряжения с ШИ модуляцией без гальванической развязки цепей нагрузки и управления
Преобразователь напряжения с ШИ модуляцией с гальванической развязки цепей нагрузки и управления
Универсальный преобразователь напряжения
Трехфазный инвертор

Преобразователь однофазного напряжения в трехфазное для питания трехфазного электродвигателя
Преобразователь питания от элемента А316с напряжением 1,5 В на питание 9 В (батарейка типа «Крона»)
Формирователь двуполярного напряжения ±8,5 В с допустимой нагрузкой 10 мА
Электроподжиг в газовой плите — высоковольтный преобразователь 220 В — 10 кВ
Модернизированный электроподжиг — высоковольтный преобразователь 220 В — 10 кВ
Источник питания для ионизатора — люстры Чижевского
Источник питания для часов на БИС

Преобразуем напряжение автомобильного аккумулятора 12В в другие величины.

«Обратимый» преобразователь напряжения
Тринисторный преобразователь постоянного тока релаксационного типа
Преобразователь напряжения автомобильной бортсети в переменное напряжение 220 В
Преобразователь напряжения 12 В — 220 В для питания радиоэлектронных устройств с мощностью до 100 Вт
Преобразователи 12 В в 220 В для походов
Преобразователь напряжения бортсети автомобиля в переменное напряжение 36, 127 и 220 В
Несложный бестрансформаторный преобразователь 12В — 220 В
Преобразователь 12 В — 220 В на полевых транзисторах
Двухтактный преобразователь напряжения на полевых транзисторах, выполненный с использованием специализированного ШИМ-контроллера 1114ЕУ4
Мощный тиристорный преобразователь с мощностью в нагрузке до 500 Вт
Импульсный преобразователь с 12 В на 220 В 50 Гц
Мощный малогабаритный преобразователь постоянного напряжения 12 В в постоянное напряжение большей величины

Стабилизаторы напряжения, построенные на интегральных микросхемах.

Особенности микросхем серий 142, К142 и КР142
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142, защищенный от повреждения разрядным током конденсаторов
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142 со ступенчатым включением
Стабилизаторы напряжения на ИМС КР142 с выходным напряжением повышенной стабильности
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142 с регулируемым выходным напряжением от 0 до 10 В
Стабилизаторы напряжения на ИМС КР142 с внешними регулирующими транзисторами
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142 с высоким коэффициентом стабилизации
Двуполярный стабилизатор напряжения на основе однополярной микросхемы
Стабилизатор напряжения на ИМС КР142 с регулируемым выходным напряжением
Импульсный стабилизатор напряжения на ИМС КР142
Стабилизатор тока на ИМС КР142 для зарядки аккумуляторной батареи напряжением 12В
Стабилизатор тока на ИМС КР142 для зарядки аккумуляторной батареи напряжением 6 В

Создаем импульсные источники питания.

Достоинства и недостатки импульсных источников питания
Структурная схема нерегулируемого импульсного источника питания
Структурная схема регулируемого импульсного источника питания
Импульсный источник питания 5 В 0,2 А
Миниатюрный импульсный сетевой источник питания с выходом 5 В 3 Вт
Импульсный источник питания 5 В 6 А, построенный на ИМС КР142ЕН19А
Импульсный стабилизатор напряжения на трех транзисторах
Экономичный импульсный источник питания, формирующий на выходе двуполярное напряжение + 27 В и -27 В при токе нагрузки до 0,6 А
Импульсный источник питания УЗЧ
Импульсный стабилизатор напряжения на 5 В с высоким КПД
Стабилизатор напряжения 5 В на микросхеме К554САЗ
Импульсный стабилизатор напряжения на 5 В с током нагрузки до 2 А
Ключевой стабилизатор напряжения 5 В 2 А, выполненный по классической схеме

Создаем бестрансформаторные источники питания.

Источник питания с гасящим конденсатором
Конденсаторно-стабилитронный выпрямитель
Бестрансформаторный пятивольтовый источник питания общего назначения на ток нагрузки до 0,3 А
Бестрансформаторный источник бесперебойного питания для кварцованных электронно-механических часов
Бестрансформаторные источники питания большой мощности для любительского передатчика
Стабилизированный выпрямитель с малым уровнем пульсаций
Бестрансформаторное зарядное устройство
Бестрансформаторный источник питания с регулируемым выходным напряжением
Маломощный конденсаторный выпрямитель с ШИМ стабилизатором
Бестрансформаторные источники питания с симметричным динистором
Бестрансформаторный источник питания на полевом транзисторе
Высоковольтный преобразователь — электронная ловушка для тараканов

Создаем стабилизаторы сетевого напряжения.

Стабилизатор напряжения переменного тока
Релейный стабилизатор напряжения
Мощный транзисторный регулятор сетевого напряжения

Создаем трансформаторные источники сварочного тока.

Разновидности источников сварочного тока
Типы сварочных трансформаторов
Сварочный трансформатор со ступенчатой регулировкой тока
Сварочный источник с резонансным конденсатором
Сварочные источники переменного тока с плавной регулировкой
Сварочные источники постоянного тока с электронной регулировкой

Создаем инверторные источники сварочного тока.

Принцип действия инверторных сварочных источников
Однотактный прямоходовый преобразователь
Двухтактный мостовой преобразователь
Простой самодельный инверторный сварочный источник
Сварочный инвертор на одном транзисторе
Сварочный источник Большакова

Предупреждение!

Электронная версия данной книги создана исключительно для ознакомления только на локальном компьютере. Скачав файл, вы берете на себя полную ответственность за его дальнейшее использование и распространение. Начиная загрузку книги, вы подтверждаете свое согласие с данными утверждениями.

Реализация данной электронной книги с целью получения прибыли незаконна и запрещена. По вопросам приобретения данной книги обращайтесь непосредственно к законным издателям или их представителям.

Как сделать источники питания своими руками, схемы линейных, импульсных и сварочных источников питания, преобразователей, стабилизаторов и зарядных устройств — СКАЧАТЬ КНИГУ >>>

Статьи схожей тематики:

  • Универсальное зарядное устройство Nitecore UMS2 для Li-ion, IMR, LiFePO4, Ni-MH, Ni-Cd аккумуляторов, характеристики, режимы зарядки, настройка, активация и восстановление аккумуляторов, обзор.
  • Компактное магнитное зарядное устройство Nitecore LC10 с функциями зарядки Li-ion и Li-ion IMR аккумуляторов и работы как powerbank, устройство, характеристики, обзор.
  • Литий-полимерные Li-pol аккумуляторы, описание, особенности устройства и конструкции, применение, основные преимущества и недостатки.
  • Литий-ионные Li-ion аккумуляторы, описание, особенности устройства и конструкции, применение, старение, основные преимущества и недостатки.
  • Свинцово-кислотные аккумуляторы, краткое описание, особенности конструкции, применение, основные преимущества и недостатки.
  • Никель-металлгидридные Ni-MH аккумуляторы, краткое описание, применение, основные преимущества и недостатки.

особенности сборки 🚩 импульсный источник питания своими руками 🚩 Разное

Сборка импульсных блоков питания своими руками выполняется с использованием микросхем, имеющих нужные параметры. Подбор их производится по специальным радиотехническим таблицам. Импульсные блоки питания разрабатываются на печатных платах, которые изготавливаются из одностороннего стеклотекстолита. Исходя из принципиальной схемы изделия, разрабатывается рисунок токоведущих дорожек для печатной платы. Для транзисторов будут нужны радиаторы (при необходимости их можно изготовить из алюминиевой пластины).

Понижающий трансформатор наматывается на ферритовом кольце, марка которого – М200МН. Первичная обмотка содержит изолированный провод марки МГТФ 0,7. Вторичная обмотка изготовлена из провода ПЭВ-1 (сложенного вдвое). Между ними располагается изолирующая прослойка (фторопластовая лента). В средней части вторичной обмотки имеется ответвление для питания микросхемы. Провода изолируются двойным слоем фторопластовой ленты.

Для входного дросселя можно применить уже готовые детали, которые устанавливаются, например, в блоках питания компьютеров. Конденсатор подбирается такой, чтобы было соотношение емкости к мощности 1:1. Выпрямитель изготавливается из диодного моста, имеющего низкую рабочую частоту. Такое изделие может показать силу тока до 3 ампер на выходе. В состав импульсных блоков питания входят транзисторные ключи. Подбор их осуществляется по необходимым параметрам. Для того, чтобы обеспечить нужный температурный режим, они должны иметь радиаторы охлаждения (для отвода тепла). Импульсные блоки питания изготавливаются с выходными частями, состоящими из дросселей с ферритовыми цилиндрами, имеющими длину — 40 мм, а диаметр — 3 мм. Намотка витков выполняется плотно, для чего используется провод ПЭВ-1.

Блок питания собирается на заранее заготовленной плате. После того, как завершится пайка, требуется проверить надежность монтажа радиодеталей, состояние контактов между ними и токоведущими дорожками. С платы и радиодеталей очищаются потеки и следы припоя, из-за которых возможно короткое замыкание. Импульсные блоки питания (во время испытаний) требуется нагружать токоограничивающим резистором. Может использоваться и обычная лампа накаливания, имеющая мощность 60 Вт. Кратковременное включение ее в работу — будет сигнализировать о правильности сборки устройства.

Как опытный инженер по аппаратному обеспечению может легко проектировать источники питания: мини-учебник

Аннотация

В этом небольшом учебном пособии представлен обзор возможностей проектирования блоков питания. В нем будут рассмотрены основные и часто используемые изолированные и неизолированные топологии источников питания, а также их преимущества и недостатки. Мы также рассмотрим электромагнитные помехи (EMI) и вопросы фильтрации. Этот мини-учебник призван обеспечить упрощенное понимание и новую оценку искусства проектирования источников питания.

Введение

Большинство электронных систем требуют определенного преобразования напряжения между напряжением источника питания и напряжением схемы, которая должна быть запитана. Когда батареи разряжаются, напряжение падает. Некоторое преобразование постоянного тока в постоянный может гарантировать, что гораздо больше энергии, хранящейся в батарее, будет использоваться для питания схемы. Также, например, с линией 110 В переменного тока мы не можем напрямую питать полупроводник, такой как микроконтроллер. Поскольку преобразователи напряжения, также называемые источниками питания, используются почти в каждой электронной системе, с годами они оптимизировались для различных целей.Конечно, некоторые из обычных целей для оптимизации — это размер решения, эффективность преобразования, EMI и стоимость.

Простейший источник питания: LDO

Одной из самых простых форм блока питания является регулятор с малым падением напряжения (LDO). LDO — это линейные регуляторы, а не импульсные регуляторы. Линейные регуляторы помещают перестраиваемый резистор между входным напряжением и выходным напряжением, что означает, что выходное напряжение фиксируется независимо от того, как изменяется входное напряжение и какой ток нагрузки проходит через устройство.На рис. 1 показан основной принцип работы этого простого преобразователя напряжения.

Рис. 1. Линейный регулятор преобразует одно напряжение в другое.

В течение многих лет типичный силовой преобразователь состоял из трансформатора с частотой 50 или 60 Гц, подключенного к электросети, с определенным соотношением обмоток для создания нерегулируемого выходного напряжения, на несколько вольт превышающего необходимое напряжение питания в системе. Затем с помощью линейного регулятора это напряжение преобразовывалось в хорошо отрегулированное по мере необходимости для электроники.На рис. 2 показана блок-схема этой концепции.

Рис. 2. Сетевой трансформатор, за которым следует линейный регулятор.

Проблема с базовой установкой на рис. 2 заключается в том, что трансформатор 50 Гц/60 Гц относительно громоздкий и дорогой. Кроме того, линейный регулятор рассеивает довольно много тепла, поэтому общий КПД системы низок и избавиться от выделяемого тепла сложно при высокой мощности системы.

Импульсные блоки питания спешат на помощь

Чтобы избежать недостатков блока питания, как показано на рис. 2, были изобретены импульсные блоки питания.Они не зависят от переменного напряжения 50 Гц или 60 Гц. Они принимают постоянное напряжение, иногда выпрямленное переменное напряжение, и генерируют переменное напряжение гораздо более высокой частоты для использования трансформатора гораздо меньшего размера или, в неизолированных системах, для выпрямления напряжения с помощью LC-фильтра для создания выходного постоянного напряжения. Преимуществами являются небольшой размер решения и относительно низкая стоимость. Генерируемое переменное напряжение не обязательно должно быть синусоидальным. Простая форма сигнала ШИМ будет работать очень хорошо, и ее легко сгенерировать с помощью генератора ШИМ и переключателя.

Вплоть до 2000 года биполярные транзисторы были наиболее часто используемыми переключателями. Они будут работать хорошо, но будут иметь относительно низкую скорость переключения. Они были не очень энергоэффективными, ограничивая частоту переключения до 50 кГц или, может быть, до 100 кГц. Сегодня мы используем переключающие МОП-транзисторы вместо биполярных транзисторов, что обеспечивает гораздо более быстрое переключение. Это, в свою очередь, снижает потери при переключении, позволяя использовать частоты переключения до 5 МГц. Такие высокие частоты переключения позволяют использовать очень маленькие катушки индуктивности и конденсаторы в силовом каскаде.

Импульсные регуляторы имеют множество преимуществ. Как правило, они обеспечивают энергоэффективное преобразование напряжения, позволяют повышать и понижать напряжение и предлагают относительно компактные и недорогие конструкции. Недостатки заключаются в том, что их не так просто спроектировать и оптимизировать, и они генерируют электромагнитные помехи от переходов переключения и частоты переключения. Доступность импульсных стабилизаторов питания, а также инструментов проектирования источников питания, таких как LTpowerCAD ®  и LTspice ®  , значительно упростили этот сложный процесс проектирования.С помощью таких инструментов процесс проектирования схемы импульсного источника питания может быть полуавтоматизирован.

Изоляция в источниках питания

При проектировании источника питания в первую очередь необходимо ответить на вопрос, требуется ли гальваническая развязка. Гальваническая развязка используется по нескольким причинам. Это может сделать цепи более безопасными, позволяет работать с плавающей системой и предотвращает распространение шумовых токов заземления через различные электронные устройства в одной цепи. Двумя наиболее распространенными изолированными топологиями являются обратноходовой и прямой преобразователи.Однако для более высокой мощности используются другие изолированные топологии, такие как двухтактная, полумостовая и полная мостовая.

Если гальваническая развязка не требуется, в большинстве случаев используется неизолированная топология. Для изолированных топологий всегда требуется трансформатор, а такое устройство, как правило, дорогое, громоздкое и часто труднодоступное в готовом виде с точными требованиями, предъявляемыми к заказному блоку питания.

Наиболее распространенные топологии, когда изоляция не требуется

Наиболее распространенной топологией неизолированного импульсного источника питания является понижающий преобразователь.Он также известен как понижающий преобразователь. Он принимает положительное входное напряжение и генерирует выходное напряжение ниже входного. Это одна из трех основных топологий импульсного источника питания, для которой требуется всего два ключа, катушка индуктивности и два конденсатора. На рис. 3 показан основной принцип этой топологии. Переключатель верхней стороны подает импульс тока со входа и генерирует напряжение узла переключателя, чередующееся между входным напряжением и напряжением земли. LC-фильтр принимает это импульсное напряжение на коммутационном узле и генерирует выходное напряжение постоянного тока.В зависимости от рабочего цикла ШИМ-сигнала, управляющего переключателем верхнего плеча, генерируется различный уровень выходного напряжения постоянного тока. Этот понижающий преобразователь постоянного тока очень энергоэффективен, относительно прост в сборке и требует небольшого количества компонентов.

Рис. 3. Концепция простого понижающего преобразователя.

Понижающий преобразователь подает импульсный ток на вход, а на выход подается непрерывный ток, поступающий от катушки индуктивности. По этой причине понижающий регулятор очень шумит на входе и не так шумит на выходе.Понимание этого важно при разработке систем с низким уровнем шума.

Помимо топологии buck, второй базовой топологией является повышающая или повышающая топология. В нем используются те же пять основных силовых компонентов, что и в понижающем преобразователе, но они переставлены таким образом, что индуктор расположен на стороне входа, а переключатель верхнего плеча — на стороне выхода. Топология форсирования используется для повышения определенного входного напряжения до выходного напряжения, которое выше, чем входное напряжение.

Рис. 4.Концепция простого повышающего преобразователя.

При выборе повышающего преобразователя важно помнить, что повышающие преобразователи всегда указывают в своих технических характеристиках максимальный номинальный ток переключения, а не максимальный выходной ток. В понижающем преобразователе максимальный ток переключения напрямую связан с максимально достижимым выходным током, не зависящим от отношения напряжений между входным напряжением и выходным напряжением. В повышающем стабилизаторе коэффициент напряжения напрямую влияет на возможный максимальный выходной ток, основанный на фиксированном максимальном токе ключа.При выборе подходящей микросхемы повышающего стабилизатора вам необходимо знать не только требуемый выходной ток, но также входное и выходное напряжение разрабатываемой конструкции.

Повышающий преобразователь имеет очень низкий уровень шума на входе, поскольку индуктор на линии с входным соединением предотвращает быстрые изменения тока. Однако на стороне выхода эта топология довольно зашумлена. Мы видим только импульсный ток, протекающий через внешний переключатель, и, таким образом, выходная пульсация вызывает больше беспокойства по сравнению с топологией buck.

Третья базовая топология, состоящая только из пяти основных компонентов, представляет собой инвертирующий повышающе-понижающий преобразователь. Название происходит от того факта, что этот преобразователь принимает положительное входное напряжение и преобразует его в отрицательное выходное напряжение. Кроме того, входное напряжение может быть выше или ниже абсолютного инвертированного выходного напряжения. Например, выходное напряжение –12 В может быть сгенерировано из 5 В или 24 В на входе. Это возможно без каких-либо специальных модификаций схемы.На рис. 5 показана принципиальная схема инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя.

Рис. 5. Концепция простого инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя.

В инвертирующей повышающе-понижающей топологии катушка индуктивности подключается от коммутационного узла к земле. Как на входе, так и на выходе преобразователя протекает импульсный ток, что делает эту топологию относительно шумной как на входе, так и на выходе. В приложениях с низким уровнем шума эта природа компенсируется добавлением дополнительной входной и выходной фильтрации.

Одним из весьма положительных аспектов инвертирующей повышающе-понижающей топологии является тот факт, что для такого преобразователя можно использовать любую микросхему импульсного понижающего стабилизатора. Это так же просто, как подключить выходное напряжение понижающей цепи к заземлению системы. Заземление цепи понижающего преобразователя станет скорректированным отрицательным напряжением. Эта особенность обеспечивает очень большой выбор ИС импульсных регуляторов на рынке.

Специализированные топологии

Помимо трех основных топологий неизолированных импульсных источников питания, рассмотренных ранее, существует множество других доступных топологий.Однако все они требуют дополнительных силовых компонентов. Это обычно делает их более дорогими с более низкой эффективностью преобразования энергии. Хотя есть определенные исключения, как правило, добавление дополнительных компонентов на пути питания увеличивает потери. Одними из самых популярных топологий являются SEPIC, Zeta, Ćuk и 4-переключатель buck-boost. Каждая из них предлагает функции, которых нет в трех основных топологиях. Ниже приведен список наиболее важных функций каждой топологии:

XSEPIC SEPIC может генерировать положительное выходное напряжение из положительного входного напряжения, которое может быть выше или ниже выходного напряжения.ИС повышающего регулятора могут использоваться для разработки источника питания SEPIC. Недостатком этой топологии является необходимость использования второй катушки индуктивности или одной связанной катушки индуктивности, а также конденсатора SEPIC. XZeta Преобразователь Zeta подобен SEPIC, но он способен генерировать положительное или отрицательное выходное напряжение. Кроме того, он не имеет нуля правой полуплоскости (RHPZ), что упрощает контур регулирования. Для такой топологии можно использовать ИС понижающего преобразователя. XĆukПреобразователь Ćuk обеспечивает инверсию положительного входного напряжения в отрицательное выходное напряжение.В нем используются две катушки индуктивности, одна на входе и одна на выходе, что обеспечивает довольно низкий уровень шума на входе и выходе. Недостаток заключается в том, что не так много импульсных ИС преобразования мощности, поддерживающих эту топологию, поскольку для контура регулирования требуется вывод отрицательной обратной связи по напряжению. X4-Switch Buck-Boost Этот тип преобразователя стал довольно популярным в последние годы. Он предлагает положительное выходное напряжение от положительного входного напряжения. Входное напряжение может быть выше или ниже отрегулированного выходного напряжения.Этот преобразователь заменяет многие конструкции SEPIC, поскольку он обеспечивает более высокую эффективность преобразования энергии и требует только одного индуктора.

Наиболее распространенные изолированные топологии

Помимо неизолированных топологий, в некоторых приложениях требуются преобразователи мощности с гальванической развязкой. Причинами могут быть соображения безопасности, необходимость иметь плавающее заземление в более крупных системах, где различные цепи соединены между собой, или предотвращение образования контуров заземления в чувствительных к шуму приложениях. Наиболее распространенными топологиями изолированных преобразователей являются обратноходовые и прямоходовые преобразователи.

Обратноходовой преобразователь обычно используется для уровней мощности до 60 Вт. Схема работает таким образом, что во время работы энергия накапливается в трансформаторе. В нерабочее время эта энергия высвобождается на вторичной стороне преобразователя, питая выход. Этот преобразователь прост в изготовлении, но требует относительно больших трансформаторов для накопления всей энергии, необходимой для правильной работы. Этот аспект ограничивает топологию более низкими уровнями мощности. На рис. 6 вверху показан обратноходовой преобразователь, а внизу — прямой преобразователь.

Рис. 6. Обратноходовой преобразователь (вверху) и прямоходовой преобразователь (внизу).

Помимо обратноходового преобразователя, также очень популярен прямоходовой преобразователь. Он использует трансформатор иначе, чем обратноходовой. Во время включения ток протекает через первичную боковую обмотку, а также через вторичную обмотку. Энергия не должна накапливаться в сердечнике трансформатора. После каждого цикла переключения мы должны убедиться, что вся намагниченность сердечника сбрасывается до нуля, чтобы трансформатор не насыщался после ряда циклов переключения.Высвобождение энергии из ядра может быть достигнуто с помощью нескольких различных технологий. Одним из популярных способов является использование активных клещей с небольшим дополнительным переключателем и конденсатором.

На рис. 7 показана схема среды моделирования LTspice конструкции прямого активного зажима с использованием ADP1074. В прямоходовом преобразователе на выходном пути имеется дополнительная катушка индуктивности по сравнению с обратноходовым преобразователем, как показано на рис. 6. Хотя это один дополнительный компонент, требующий занимаемого места и стоимости, он помогает генерировать более низкое шумовое выходное напряжение по сравнению с преобразователем. обратноходовой преобразователь.Кроме того, размер трансформатора, необходимый для прямого преобразователя с тем же уровнем мощности, что и для обратноходового преобразователя, может быть намного меньше.

Рис. 7. Схема прямой активной фиксации с использованием ADP1074 для генерирования изолированного выходного напряжения, смоделированная в LTspice.

Расширенные изолированные топологии

Помимо обратноходовой и прямой топологий, существует очень много различных концепций гальванически изолированных преобразователей на основе трансформаторов. В следующем списке приведены некоторые основные пояснения о наиболее распространенных преобразователях:

XPush-Pull Топология двухтактного преобразователя аналогична прямому преобразователю.Однако вместо одного переключателя нижнего плеча эта топология требует двух активных переключателей нижнего плеча. Кроме того, требуется первичная обмотка трансформатора с центральным отводом. Преимуществом двухтактного режима является работа с более низким уровнем шума по сравнению с прямым преобразователем, а также требуется трансформатор меньшего размера. Гистерезис кривой BH трансформатора используется в двух квадрантах, а не только в одном. X Полумостовая/полномостовая схемы Эти две топологии обычно используются для конструкций с более высокой мощностью, начиная с нескольких сотен ватт и заканчивая несколькими киловаттами.Для них требуются переключатели верхнего плеча помимо переключателей нижнего плеча, но они обеспечивают передачу очень высокой мощности с относительно небольшими трансформаторами. XZVS Этот термин часто встречается при обсуждении изолированных преобразователей большой мощности. Это означает переключение при нулевом напряжении. Другой термин для таких преобразователей — преобразователи LLC (индуктор-индуктор-конденсатор). Эти архитектуры нацелены на очень высокую эффективность преобразования. Они создают резонансный контур и переключают силовые ключи, когда напряжение или ток на переключателях близки к нулю.Таким образом, коммутационные потери сведены к минимуму. Однако такие конструкции могут быть сложными в разработке, а частота переключения не является фиксированной, что иногда приводит к проблемам с электромагнитными помехами.

Преобразователи с переключаемыми конденсаторами

Помимо линейных стабилизаторов и импульсных источников питания, существует еще и третья группа силовых преобразователей: преобразователи с переключаемыми конденсаторами. Их также называют зарядовыми насосами. Они используют переключатели и конденсаторы для умножения или инвертирования напряжения. Они предлагают большое преимущество, заключающееся в том, что им не нужен индуктор.Обычно такие преобразователи используются для низких уровней мощности ниже 5 Вт. Однако в последнее время были достигнуты значительные успехи, позволяющие использовать преобразователи с переключаемыми конденсаторами гораздо большей мощности. На рис. 8 показан LTC7820 в исполнении мощностью 120 Вт с КПД 98,5 %, преобразующий 48 В в 24 В.

Рис. 8. Контроллер постоянного тока высокой мощности накачки заряда LTC7820 с постоянным передаточным отношением.

Цифровые блоки питания

Все блоки питания, рассмотренные в этой статье, могут быть реализованы как аналоговые или цифровые блоки питания.Что такое цифровые блоки питания на самом деле? Питание всегда должно проходить через аналоговый силовой каскад с переключателями, катушками индуктивности, трансформаторами и конденсаторами. Цифровой аспект представлен двумя цифровыми строительными блоками. Первый — это цифровой интерфейс, который позволяет электронной системе «разговаривать» и «слушать» источник питания. Различные параметры могут быть установлены на лету, чтобы оптимизировать питание для различных условий работы. Кроме того, источник питания может обмениваться данными с главным процессором и выдавать флаги предупреждения или неисправности.Например, система может легко контролировать ток нагрузки, превышение заданного порога или чрезмерную температуру источника питания.

Второй цифровой строительный блок заменяет аналоговый контур регулирования цифровым контуром. Это может работать успешно, но для большинства приложений оптимальным является стандартный аналоговый контур обратной связи с некоторым цифровым влиянием на некоторые параметры, например регулировка усиления усилителя ошибки «на лету» или динамическая настройка параметров компенсации контура для включения стабильная, но быстрая обратная связь.Примером устройства с чисто цифровым контуром управления является ADP1046A от Analog Devices. Одним из примеров понижающего стабилизатора с цифровым интерфейсом и аналоговым контуром управления, оптимизированным за счет цифровых воздействий, является LTC3883.

Вопросы электромагнитных помех

Электромагнитные помехи (EMI) всегда являются темой, на которую следует обращать внимание при разработке импульсных источников питания. Причина в том, что импульсные источники питания включают и выключают большой ток за очень короткие промежутки времени.Чем быстрее переключение, тем выше общая эффективность системы. Более быстрые переходы переключения сокращают время, в течение которого переключатель частично включен. В течение этого частичного времени включения возникает наибольшее количество коммутационных потерь. На рис. 9 показана форма сигнала коммутационного узла импульсного источника питания. Давайте представим понижающий регулятор. Высокое напряжение определяется протеканием тока через переключатель верхнего плеча, а низкое напряжение определяется отсутствием протекания тока через переключатель верхнего плеча.

Рис. 9.Скорость переключения, а также частота переключения импульсного источника питания.

На Рисунке 9 видно, что импульсный блок питания генерирует шум не только от настроенной частоты переключения, но и от скорости перехода переключения, которая по частоте намного выше. Хотя частота переключения обычно составляет от 500 кГц до 3 МГц, время переключения может составлять несколько наносекунд. При времени переключения 1 нс мы увидим в спектре соответствующую частоту 1 ГГц.По крайней мере, обе эти частоты будут рассматриваться как излучаемое и кондуктивное излучение. Другие частоты также могут проявляться из-за колебаний контура регулирования или взаимодействия между источником питания и фильтрами.

Есть две причины, по которым следует снижать электромагнитные помехи. Первая причина заключается в защите функциональности электронной системы, питаемой от конкретного источника питания. Например, 16-разрядный АЦП, используемый в сигнальном тракте системы, не должен улавливать помехи переключения, исходящие от источника питания.Вторая причина заключается в соблюдении определенных правил EMI, которые вводятся правительствами во всем мире для одновременной защиты надежной работы различных электронных систем.

Электромагнитные помехи

бывают двух видов: излучаемые электромагнитные помехи и кондуктивные электромагнитные помехи. Наиболее эффективным способом уменьшения излучаемых электромагнитных помех является оптимизация компоновки печатной платы и использование таких технологий, как технология Silent Switcher ® от Analog Devices. Конечно, также эффективно поместить схему в экранированную металлическую коробку.Однако это может быть непрактично и в большинстве случаев очень дорого.

Кондуктивные электромагнитные помехи обычно подавляются дополнительной фильтрацией. В следующем разделе будет обсуждаться дополнительная фильтрация для уменьшения кондуктивных помех.

Фильтрация

Фильтры

RC являются базовыми фильтрами нижних частот. Однако в конструкции источника питания каждый фильтр представляет собой не что иное, как LC-фильтр. Часто достаточно просто последовательно добавить некоторую индуктивность, так как она образует LC- или CLC-фильтр вместе с входными или выходными конденсаторами импульсного источника питания.Иногда в качестве фильтров используются только конденсаторы, но, учитывая паразитную индуктивность на силовых кабелях или трассах, вместе с конденсатором образуем еще и LC-фильтр. Катушка индуктивности L может быть катушкой индуктивности с сердечником или ферритовым кольцом. Целью LC-фильтра на самом деле является эффект нижних частот, так что мощность постоянного тока может проходить через него, и высокочастотные помехи в значительной степени ослабляются. LC-фильтр имеет двойной полюс, поэтому мы получаем затухание высоких частот в 40 дБ за декаду. Этот фильтр имеет относительно резкий спад.Разработка фильтра — это не ракетостроение; однако, поскольку паразитные компоненты схемы, такие как индуктивность дорожки, оказывают влияние, моделирование фильтра также требует моделирования основных паразитных эффектов. Это может сделать моделирование фильтра довольно трудоемким. Многие дизайнеры, имеющие опыт проектирования фильтров, знают, какие фильтры работали раньше, и могут итеративно оптимизировать определенный фильтр для нового дизайна.

При разработке любого фильтра необходимо учитывать не только поведение слабого сигнала, например, передаточную функцию фильтра на графике Боде, но также необходимо учитывать эффект сильного сигнала.В любом LC-фильтре мощность проходит через катушку индуктивности. Если эта мощность больше не нужна на выходе из-за внезапного скачка нагрузки, энергия, хранящаяся в катушке индуктивности, должна куда-то уйти. Он заряжает емкость фильтра. Если фильтр не предназначен для таких наихудших условий, эта накопленная мощность может вызвать выбросы напряжения, которые могут повредить схему.

Наконец, фильтры имеют определенный импеданс. Этот импеданс взаимодействует с импедансами силовых преобразователей, подключенных к фильтру.Это взаимодействие может привести к нестабильности и колебаниям. Инструменты моделирования, такие как LTspice и LTpowerCAD от Analog Devices, могут оказать большую помощь в ответах на все эти вопросы и разработке идеального фильтра. На рис. 10 показан графический интерфейс пользователя конструктора фильтров в среде проектирования LTpowerCAD. С помощью этого инструмента дизайн фильтра очень прост.

Рис. 10. Проектирование входного фильтра для понижающего регулятора с помощью LTpowerCAD.

Бесшумные коммутаторы

Излучаемые выбросы трудно заблокировать.Требуется специальное экранирование металлическим материалом. Это может быть очень дорого. Долгое время инженеры искали способы уменьшить излучаемые помехи, создаваемые импульсными источниками питания. Несколько лет назад был сделан большой прорыв благодаря технологии Silent Switcher. Благодаря уменьшению паразитных индуктивностей в горячих контурах импульсного источника питания и разделению горячих контуров на два и размещению их очень симметричным образом излучаемые помехи в основном компенсируют друг друга.Сегодня доступно множество устройств Silent Switcher с гораздо более низким уровнем излучения, чем у традиционных продуктов. Уменьшение излучаемых помех позволяет увеличить скорость переключения без серьезного снижения электромагнитных помех. Ускорение переходов переключения снижает потери при переключении и, таким образом, позволяет использовать гораздо более высокие частоты переключения. Одним из примеров этого новшества является LTC3310S, который может работать на частоте переключения 5 МГц, что позволяет создавать чрезвычайно компактные конструкции с очень дешевыми внешними компонентами.

Рис. 11. Конструкция бесшумного коммутатора LTC3310S для минимального излучения.

Управление питанием необходимо, но может быть и приятным

В этом руководстве мы рассмотрели многие аспекты проектирования блоков питания, включая различные топологии блоков питания, их преимущества и недостатки. Для инженеров по электроснабжению эта информация может быть очень простой, но как для экспертов, так и для неспециалистов полезно иметь такие программные инструменты, как LTpowerCAD и LTspice, помогающие в процессе проектирования.С помощью этих инструментов силовые преобразователи можно спроектировать и оптимизировать за очень короткое время. Надеемся, что это руководство вдохновило вас на то, чтобы с нетерпением ждать следующей задачи по проектированию блока питания.

Линейный и импульсный источник питания

Существует две основные конструкции источников питания постоянного тока: линейные источники питания постоянного тока и импульсные источники питания постоянного тока. Традиционные линейные источники питания, как правило, тяжелые, прочные и имеют низкий уровень шума на низких и высоких частотах.По этой причине они в основном подходят для приложений с низким энергопотреблением, где вес не представляет проблемы, и приложений, требующих очень низких пульсаций и шума. Импульсные блоки питания намного легче, более энергоэффективны, долговечны и имеют ограниченный высокочастотный шум (хотя шум можно отфильтровать с помощью хорошей конструкции). По этой причине импульсные источники питания не подходят для высокочастотных аудио приложений, но отлично подходят для приложений с высокой мощностью и практически для любых приложений в научных и промышленных условиях.Кроме того, эти два типа в значительной степени взаимозаменяемы для различных приложений, и их изготовление стоит примерно одинаково. Импульсные источники питания в настоящее время используются более широко, чем линейные источники питания. Мы видели, как некоторые интернет-продавцы заявляли, что импульсные источники питания не подходят для гальванического покрытия или ионизации, но это вводит в заблуждение и не соответствует действительности.

Линейные источники питания постоянного тока.

Линейные источники питания постоянного тока были основой преобразования энергии до конца 1970-х годов.С развитием технологии импульсных источников питания линейные источники питания сегодня менее популярны, но по-прежнему незаменимы в приложениях, требующих очень низких пульсаций и шума. В линейном источнике питания используется большой трансформатор для снижения напряжения от сети переменного тока до гораздо более низкого напряжения переменного тока, а затем используется ряд схем выпрямителя и процесс фильтрации для получения очень чистого постоянного напряжения. Это низкое напряжение постоянного тока затем регулируется до желаемого уровня путем снижения разности напряжений на транзисторе или ИС (шунтовом регуляторе).Типичные области применения линейных источников питания постоянного тока включают, помимо прочего:

  • студийный микшер/усилитель звука

  • малошумящие усилители

  • обработка сигналов

  • сбор данных, включая датчики, мультиплексоры, аналого-цифровые преобразователи и схемы выборки и хранения.

  • автоматическое испытательное оборудование

  • лабораторное испытательное оборудование

  • цепи управления

  • везде, где требуется отличное регулирование и/или низкая пульсация

В течение трех десятилетий компания Mastech производит регулируемые линейные источники питания с исключительно низкими пульсациями и шумом по низкой цене по сравнению с известными брендами.Наш успех привлек множество подражателей с похожими продуктами. За последние три года мы внедрили новые конструкции, которые выводят надежность и отказоустойчивость линейных источников питания постоянного тока на новый уровень. После трех лет испытаний мы рады подтвердить, что новая линейка линейных источников питания постоянного тока Volteq оправдала все наши ожидания в отношении регулирования напряжения и тока, шума и надежности и является предпочтительным линейным источником питания постоянного тока для большинство наших клиентов.

Если у вас есть звуковое приложение, вам следует придерживаться оригинальной конструкции линейных источников питания постоянного тока Mastech для работы без вентилятора.

Для всех других применений мы рекомендуем линейные источники питания постоянного тока Volteq из-за повышенной надежности благодаря защите от перенапряжения и обратного напряжения.

Нужна помощь в поиске нужного продукта? Ознакомьтесь с продуктами ниже или нашим Руководством по выбору .

Импульсные источники питания постоянного тока

Импульсные источники питания постоянного тока были впервые представлены в конце 1970-х годов. Сегодня они являются наиболее популярной формой источников питания постоянного тока на рынке благодаря их исключительной энергоэффективности и отличной общей производительности.Импульсный источник питания постоянного тока (также известный как импульсный источник питания) регулирует выходное напряжение с помощью процесса, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Процесс ШИМ генерирует некоторый высокочастотный шум, но позволяет создавать импульсные источники питания с очень высокой энергоэффективностью и малым форм-фактором. Импульсный источник питания с хорошей конструкцией может иметь отличную стабилизацию нагрузки и сети. Типичные приложения для переключения источников питания постоянного тока включают:

  • общего назначения, включая НИОКР, производство и испытания
  • приложения высокой мощности / сильного тока
  • системы связи, мобильные станции, сетевое оборудование и т. д.
  • гальваника, анодирование, гальванопластика, электрофорез и т. д.
  • Зарядка и выравнивание заряда литий-ионных аккумуляторов, морских и автомобильных аккумуляторов
  • электролиз, обработка отходов, генератор водорода, применение топливных элементов и т. д. 
  • Двигатели постоянного тока, игровые автоматы, авиационное и морское оборудование и т. д.

В течение трех десятилетий компания Mastech производит регулируемые импульсные источники питания с наименьшим уровнем шума и пульсаций в отрасли.Наши импульсные источники питания широко используются в научно-исследовательской и лабораторной среде из-за их исключительных шумовых характеристик. Выбор конструкции для минимизации шума имеет некоторые недостатки: более медленный отклик и большая чувствительность к обратной ЭДС от нагрузки. В результате импульсные источники питания Mastech не подходят для зарядки аккумуляторов, анодирования, применения светодиодов, гальваники (использование в качестве выпрямителей для гальваники) и анодирования, электролиза, гальванопластики, производства водорода и любых электрохимических применений.

Признавая недостатки, в 2012 году мы запустили новую линейку импульсных источников питания под брендом Volteq , чтобы удовлетворить растущие потребности клиентов в зарядке аккумуляторов, светодиодных устройствах, двигателях постоянного тока, гальванике и анодировании, электролизе и производстве водорода, игровых автоматах. , автомобильные, авиационные и морские приложения. Импульсные источники питания Volteq, , со встроенной защитой от перенапряжения и обратного напряжения, прочны как камень, но при этом обеспечивают превосходные характеристики шума и пульсаций благодаря использованию самых современных технологий.

Нужна помощь в поиске нужного продукта? Ознакомьтесь с продуктами ниже или нашим Руководством по выбору .

Coda Effects — Сделайте блок питания своими руками: да или нет?

Скажем честно: покупка блока питания — не самое веселое занятие.

Это довольно дорого (и я должен признать, что я бы предпочел добавить еще один пушок, что мне не нужна хорошая педаль к моему педалборду, чем блок питания! 😁) и различия между несколькими моделями на рынке не очень очевидно…


Вот я и задался вопросом: можно ли сделать блок питания своими руками?
В этом сообщении в блоге я объясню, как работает источник питания, каковы хорошие критерии выбора с точки зрения электроники и стоит ли делать его самостоятельно. Пойдем!

Как работает блок питания?

Блок питания играет простую роль: преобразует напряжение 220 В из розетки во множество выходов 9 В постоянного тока для ваших педалей.

Легко? Не совсем! Давайте углубимся в тему, заглянув внутрь моего блока питания Carl Martin Pro Power:


Как видите, внутри довольно многолюдно!

Основным элементом является трансформатор.

Не этот конечно 😁 (бадум тсс!)


А скорее большой квадратный синий компонент посередине блока питания.

Как следует из названия, он может преобразовывать переменный ток 220 В из розетки в меньшее напряжение. Это трансформатор R10, который обеспечивает выходное напряжение 15 В.

Но наши педали нуждаются в постоянном токе (DC)! Для перехода от переменного тока к постоянному обычно используется диодный мост. Оставшийся ток стабилизируется конденсаторами, которые генерируют постоянный ток, имеющий много остаточных пульсаций.

Чтобы сделать его более плавным, есть два регулятора напряжения, которые вы можете увидеть здесь :


Возможно, вы уже использовали регуляторы в гитарных эффектах. Если это так, вы должны были кое-что заметить: они огромны!

Действительно, они обеспечивают высокий ток 1,5А каждый ! Это LM317, и они используются для обеспечения достаточного тока для всех выходов источника питания. Carl Martin Pro Power имеет два выхода по 500 мА и шесть выходов по 100 мА, что дает в сумме 1600 мА, что ниже максимального значения 3 А, может обеспечить.

Видно, что у них огромные радиаторы, которые касаются корпуса, когда он закрыт. Они очень важны, потому что регуляторы рассеивают МНОГО тепла ! Рассеиваемая мощность 1,5 Вт может генерировать тепло до 100°C. Таким образом, важно иметь хорошую систему отвода тепла, чтобы избежать возгорания!

Так же можно увидеть много электролитических конденсаторов:


Все эти конденсаторы служат одной цели: фильтровать источник питания! Они устранят последние пульсации переменного тока, которые все еще могут быть, чтобы избежать шума 50 Гц в ваших педалях. Вы можете видеть, что на каждый выход приходится по крайней мере один.

  Слишком долго, не читал: это происходит в блоке питания: 220 переменный ток от вашей розетки преобразуется в 15 В переменного тока с помощью трансформатора, а затем в постоянный ток с помощью мостового выпрямителя. Оставшийся постоянный ток стабилизируется регуляторами. Затем 9 В постоянного тока фильтруется множеством электролитических конденсаторов.

Тааак… Что такое ХОРОШИЙ блок питания?

Конечно, есть хорошие и плохие блоки питания.

Конечно, важно следить за количеством выходов и их силой тока, но с точки зрения электроники необходимо учитывать два основных момента.

1. Качество фильтрации
Электролитические конденсаторы, которые используются для фильтрации, и тип схемы фильтрации, в которой они используются, будут определять общий выходной шум источника питания.

Фильтрация неодинакова в каждом источнике питания и может привести к различиям в уровне шума. Тем не менее, производители не всегда включают выходной шум, а без сложных инструментов его довольно сложно измерить…

Как всегда, было бы здорово, если бы мы могли получить немного больше прозрачности от производителей!

2.Тип трансформатора
Трансформаторы могут излучать электромагнитные волны. Ваши кабели подобны антеннам, которые захватят его, что создаст шум…. В зависимости от типа трансформатора, будет больше или меньше шума.

Обычно в источниках питания для гитарных педалей используется трансформатор с R-образным сердечником , который имеет низкий уровень электромагнитного излучения по сравнению с другими трансформаторами, такими как тороидальные трансформаторы. Например, Carl Martin Pro Power имеет трансформатор с R-образным сердечником.

Лаборатория Voodoo использует «специальный тороидальный трансформатор», который уменьшает шум, но, на мой взгляд, не оптимален.

Компания Strymon пошла другим путем, используя импульсный источник питания в своих источниках питания Ojaj и Zuma, который генерирует гораздо меньше электромагнитных излучений.

И это работает! Посмотрите это видео:

Блок питания своими руками: осуществимо?

Короче говоря, ответ: да, но вы не должны.

Сделать функциональный блок питания довольно просто. Сделать эффективный, безопасный и бесшумный блок питания гораздо сложнее!

Действительно; Вы ДОЛЖНЫ быть очень осторожны с перегревом.Регуляторы выделяют много тепла и могут легко вызвать пожар в вашей системе или, что еще хуже, в вашем жилье!

Существует также риск электробезопасности. Вы должны иметь все элементы безопасности, обеспечивающие вашу безопасность при использовании блока питания: предохранители, заземление, автоматический выключатель…

Именно поэтому все блоки питания имеют сертификат CE, что гарантирует электрическую и пожарную безопасность:


Еще одна проблема — корпус. К сожалению, это не стандартные корпуса.

Наконец, есть большая вероятность того, что характеристики вашего блока питания будут довольно низкими по сравнению с коммерческими.

Вот почему я бы посоветовал вам просто купить сертифицированный CE блок питания с изолированными выходами.

Я думаю, что мой Carl Martin Pro Power действительно хорош и не слишком дорог. Если вам нужны первоклассные блоки питания, Strymon Zuma или Strymon Ojaj просто лучшие в своем классе.

Если вам понравилась эта статья, поблагодарите меня лайком на странице Coda Effects в Facebook! Вы также можете подписаться на Coda Effects в Instagram.

Чтобы пройти дальше:

Простое руководство по проектированию импульсных источников питания

Одной из основных функций любой электрической или электронной схемы является подача питания. Способность обеспечить соответствующее напряжение и ток вашей конструкции имеет основополагающее значение для ее успешной работы. И нередко на одной плате можно разместить несколько разных уровней напряжения. Например, цифровые схемы используют 5 В; однако другие устройства могут значительно отличаться в зависимости от уровня поставки, включающего 1.2В, 3В, 10В, 12В и 15В. Линейные и импульсные источники питания обеспечивают преобразование и управление, необходимые для управления этими типами нагрузок для печатных плат и других электронных систем; и из двух конструкций источников питания импульсные источники питания обеспечивают явные преимущества.

Импульсные источники питания

: работа и применение

Как и в линейных источниках питания, могут использоваться различные типы полупроводников, включая диоды и транзисторы. Однако импульсные источники питания (SMPS) используют эти устройства для переключения.Управление выходом достигается с помощью ШИМ, и эти источники питания являются драйверами для ряда приложений, в том числе следующих:

Примеры применения импульсных источников питания

  • Компьютеры
  • Зарядные устройства для мобильных телефонов
  • Телекоммуникационные устройства
  • Оборудование для дуговой сварки
  • Медицинское испытательное оборудование

Как видно из этого списка, SMPS используются там, где требуется точность. Неудивительно, что существует также ряд различных конструкций SMPS, как показано на рисунке ниже.

Различные топологии конструкции импульсных источников питания

Несмотря на то, что приведенный выше список не является исчерпывающим, он определяет диапазон вариантов конструкции, доступных для SMPS, а также схемы поддержки, которые играют важную роль в создании наилучшего дизайна для вашего проекта.

DFM для высокоскоростных цифровых печатных плат

Загрузить сейчас

Оптимизация конструкции импульсного источника питания

Как показано выше, конструкции SMPS могут быть несколько сложными в зависимости от вашего приложения и требований к нагрузке.Поэтому следует использовать надежные принципы проектирования источников питания.

Руководство по проектированию импульсного источника питания

  • По возможности используйте более мелкие компоненты

Как правило, в конструкциях SMPS могут использоваться компоненты меньшего размера, чем в линейных источниках питания. Разработчики должны максимально использовать эту характеристику, соблюдая при этом все стандарты путей утечки и зазоров, а также требования DFM.

  • Применение хорошей технологии фильтрации

Основной функцией источника питания является обеспечение требований для всех подключенных нагрузок.Для этого необходима адекватная фильтрация. Любые отклонения, такие как пульсация, могут повлиять на работу подключенной схемы.

  • Обеспечение хорошего распределения и рассеивания тепла

Источники питания могут быть печально известны тем, что создают точки перегрева и температурный дисбаланс на печатных платах. Поэтому анализ теплового поведения должен быть приоритетом. В ходе теплового анализа платы необходимо внести все необходимые изменения в конструкцию для улучшения рассеяния и распределения тепла.

  • Выберите подходящие материалы

Для получения наилучшего дизайна вы всегда должны оценивать свой выбор материала, а не просто соглашаться с программным обеспечением по умолчанию.

  • Выберите подходящую толщину меди

Важным фактором, пренебрежение которым может привести к искрению и/или повреждению платы, является толщина меди. Достаточная мощность является обязательной для конструкций источников питания.

  • Выполнение моделирования анализа схемы

Также рекомендуется смоделировать работу вашей платы и убедиться, что ваша сеть распределения электроэнергии (PDN) адекватно питается.

Как создать схему импульсного источника питания — SMPS

С появлением современных микросхем и интегральных схем сегодня блоки питания стали намного эффективнее и изящнее. Технология также сделала эти устройства удивительно легкими, но при этом значительно мощными.

Один из таких выдающихся чипов из FAIRCHILD Semiconductor , FAN7602B, специально разработан для цепей импульсных источников питания (SMPS) или автономных адаптеров, которые в настоящее время широко используются для питания DVD-плееров, зарядных устройств для сотовых телефонов, ЖК-мониторов. и Т. Д.

Таким образом, эта микросхема идеально подходит для применения в схемах ШИМ-контроллеров с зеленым токовым режимом. Эти схемы имеют интересную особенность: они переходят в «спящий режим», когда подключенная нагрузка находится в состоянии простоя, и возвращаются в действие, когда нагрузка переходит в рабочее состояние. В «спящем» режиме схема потребляет очень мало энергии (в микроваттах) и мгновенно возвращается обратно с заданной оптимальной мощностью, требуемой нагрузкой в ​​активном состоянии.

Давайте обсудим основные характеристики микросхемы, которая также станет эксклюзивной характеристикой предлагаемой типовой схемы SMPS от FAIRCHILD: пусковой выключатель, помогающий свести к минимуму потери мощности в традиционной пусковой цепи, используемой извне.Процедуру можно объяснить следующим образом:

Конденсатор (Vcc) внутри ИС заряжается пусковой схемой через источник тока 0,9 мА при подключении к сети переменного тока.

После того, как микросхема «пробуждается», пусковой переключатель выключается примерно через 15 мс.

Функция плавного пуска запускается, как только напряжение Vcc достигает 12 В (пороговое напряжение пуска), и прекращается, когда напряжение плавного пуска достигает единицы вольта.

Конденсатор Vcc может снова начать заряжаться через пусковую цепь в случае, если Vcc упадет до своего минимального значения 8 В, и это заставит UVLO отключить выходную цепь возбуждения, когда напряжение плавного пуска станет равным нулю.Цикл повторяется, когда напряжение снова достигает начального порогового значения.

Блок генератора : Он отвечает за обеспечение частоты переключения и имеет внутреннюю настройку 65 кГц.

Стадия измерения тока и обратной связи : Эта ступень предназначена для измерения тока и обеспечения напряжения обратной связи для схем ШИМ, работающих в токовом режиме. Эти функции выполняет один вывод №3 микросхемы.

Измерение тока осуществляется через RC-фильтр, состоящий из резистора и цепи конденсаторов, который соответствует данным обратной связи по напряжению и соответствующим образом регулирует напряжение смещения ИС.

Блок пакетного режима : Этот этап помогает сделать схему более энергоэффективной в условиях низкой нагрузки или без нагрузки. Гистерезисный компаратор используется для контроля напряжения смещения каскада Burst+ для пакетного режима. Микросхема запускает эту функцию, когда напряжение смещения Burst+ поднимается выше 0,95 В, и завершает работу в режиме пакетного режима, когда вышеуказанное напряжение падает ниже 0,88 В. Напряжение смещения определяется во время периодов отключения.

FAN7602B также включает важные параметры безопасности для повышения стабильности схемы; они следующие:

Защита от перегрузки : Эта функция отслеживает и проверяет потребление тока нагрузки, если оно превышает указанные пределы, усилитель ошибки обратной связи насыщается, так что выходное напряжение падает для компенсации и устранения проблемы.

Линейная защита от пониженного напряжения : Для любой схемы преобразователя низкое входное напряжение может быть опасным, поэтому необходимо предусмотреть какие-либо меры безопасности, чтобы противостоять этому. Защита линии от пониженного напряжения внутри FAB7602B гарантирует, что в таких условиях он обнаружит неисправность и немедленно отключит выход, избегая опасных ситуаций для цепи преобразователя.

Защита защелки : Функция защиты защелки реализуется через вывод «защелки» ИС, а также отвечает за отслеживание аномальных условий напряжения в цепи и может отключить выход, если возникают какие-либо неправильные или подозрительные условия напряжения. обнаружено.

Защита от перенапряжения : Он просто делает то, что следует из его названия, то есть защищает схему от недопустимых входов высокого напряжения, а именно, если Vcc увеличивается выше 19 В, ИС отключается и восстанавливает питание, когда Vcc возвращается примерно к 5В.

Профессиональная высококачественная схема SMPS

На следующей диаграмме показана идеальная схема импульсного источника питания от FAIRCHILD, включающая описанную выше микросхему FAN7602B. Как видно, большинство используемых компонентов являются популярными и легко доступными, за исключением катушки индуктивности, которую необходимо изготовить дома.Подробная информация о конструкции трансформатора также представлена ​​ниже (из примечаний по применению FAIRCHILD). Предпочтительно схема может быть построена на хорошо спроектированной печатной плате, чтобы свести процедуры поиска и устранения неисправностей к минимуму.

Справочный номер

Спецификация FAIRCHILD — FAN7602B

Как провести наилучшие измерения импульсного источника питания

Страна или область* —Выберите — United StatesUnited KingdomCanadaIndiaNetherlandsAustraliaSouth AfricaFranceGermanySingaporeSwedenBrazilAfghanistanÅland IslandsAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrit / Индийский океан Terr.Бруней-ДаруссаламБолгарияБуркина-ФасоБурундиКамерунКанарские островаКабо-ВердеКаймановы островаЦентральноафриканская РеспубликаЧадЧилиКитайОстров РождестваКокосовые острова (Килинг)КолумбияКоморские островаКонгоКонго, Демократическая Республика Республика OfCook IslandsCosta RicaCôte d’IvoireCroatiaCubaCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland IslandsFaroe IslandsFijiFinlandFrench GuianaFrench PolynesiaFrench Южный Terr.GabonGambiaGeorgiaGhanaGibraltarGreeceGreenlandGrenadaGuadeloupeGuamGuatemalaGuineaGuinea-BissauGuyanaHaitiHeard / McDonald ISL,.HondurasHong Kong, ChinaHungaryIcelandIndonesiaIranIraqIrelandIsraelItalyJamaicaJapanJordanKazakhstanKenyaKiribatiKorea (Северная) Корея (Южная) KuwaitKyrgyzstanLaosLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacauMacedoniaMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesiaMoldovaMonacoMongoliaMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarN. Марьяна Isls.NamibiaNauruNepalNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorwayOmanPakistanPalauPalestinian край, OccupiedPanamaPapua Новый GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarReunionRomaniaRussian FederationRwandaSaint Киттс и NevisSaint LuciaSamoaSan MarinoSao Фолиант / PrincipeSaudi ArabiaSenegalSerbia и MontenegroSerbiaMontenegroSeychellesSierra LeoneSlovak RepublicSloveniaSolomon IslandsSomaliaSpainSri LankaSt.ЕленаСв. Пьер и МикелонСв. Винсент и GrenadinesSudanSurinameSvalbard / Ян Майен Isls.SwazilandSwitzerlandSyriaTaiwan, ChinaTajikistanTanzaniaThailandTimor-LesteTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks / Кайкос Isls.TuvaluUgandaUkraineUnited Arab EmiratesUS Экваторияльная Is.UruguayUzbekistanVanuatuVatican CityVenezuelaViet NamVirgin острова (Британские) Виргинские острова поле (США) Уоллис / Футуна Isls.Western SaharaYemenZambiaZimbabweRequired

Понижающий регулятор — Учебное пособие по проектированию источника питания, часть 2-1

В Части 2-1 нашего Руководства по проектированию источника питания мы собираемся подробно изучить понижающий преобразователь и выбрать одну очень важную часть — выходную катушку индуктивности.Затем мы начнем с философии проектирования входных конденсаторов.

Раздел 2-1 Повестка дня
  • Синхронная и несинхронная реализация понижающих преобразователей
  • Выбор внешних компонентов:
  • Философия дизайна внешних компонентов:
    • Входной конденсатор – типы (объемный или MLCC)
    • Входное сопротивление и демпфирование

На этом занятии гораздо меньше тем, чем на двух предыдущих вводных занятиях.Причина в том, что уровень детализации.

Выходная катушка индуктивности, или понижающая катушка индуктивности, является ключевой частью этого и почти любого другого импульсного стабилизатора. Кроме того, входные конденсаторы, о которых часто забывают, имеют решающее значение не только для правильной работы преобразователя, но и для электромагнитной совместимости или электромагнитной совместимости. Мы рассмотрим различные технологии конденсаторов, а затем обсудим явление, называемое взаимодействием источника питания, которое может возникнуть, если входной фильтр спроектирован неправильно. Основы, обсуждаемые в этом разделе, будут использоваться в следующем разделе для фактического выбора входных конденсаторов, но они также будут повторно использоваться практически для любой другой топологии импульсного преобразователя.


Чем инженеры по электроснабжению похожи на цыплят?

Хорошо. Я не писал эту дрянную шутку, но немного юмора может иметь большое значение. Если вы работаете со сложными цифровыми системами, особенно с ПЛИС, то у вас, вероятно, есть 12-вольтовая шина и 5-вольтовая шина, а также множество понижающих стабилизаторов. Время от времени вам может повезти, и вам придется создать отрицательный выход или, возможно, по какой-то причине повысить напряжение. В основном, ты лезешь, лезешь, лезешь, лезешь и лезешь.Вот почему инженеры-энергетики как цыплята.  

Определение ключевых терминов
  • Номинальное входное напряжение, В IN , пр. 13,8 В для легковых автомобилей
    • Максимальное входное напряжение, В IN-MAX , пр. 42В для сброса зажатого груза
    • Минимальное входное напряжение, В IN-MIN , пр. 4,5 В для старт-стоп
  • Максимальный выходной ток/максимальная нагрузка, I O-MAX / R O-MIN
  • Номинальный рабочий цикл, D NOM , при номинальном входном напряжении
    • Максимальный рабочий цикл, D MAX , когда входное напряжение минимально
    • Минимальный рабочий цикл, D MIN , когда входное напряжение максимальное
  • Многослойные керамические конденсаторы, MLCC
  • Сопротивление постоянному току, DCR, катушек индуктивности
  • Эквивалентное последовательное сопротивление, ESR, конденсаторов
  • Преобразователь или регулятор: коммутирующая ИС как минимум с одним внутренним силовым МОП-транзистором
  • Контроллер: переключающая ИС с внешним силовым МОП-транзистором
  • Модуль: управление переключением, силовые ключи, дроссель и пассивы в одном корпусе

Не волнуйтесь, я не буду читать вам этот список.Есть и другие, более эффективные средства для сна. Нет, это вам на случай, если я расскажу о переменной, а вы не знаете, что это такое.


Схема универсального несинхронного понижающего регулятора

В разделах 1-1 и 1-2 я показал доллар с идеальными переключателями, а затем доллар с практическими переключателями. Теперь перед вами еще более практичный доллар. Посмотрите внимательно на входные конденсаторы и выходные конденсаторы. Обратите внимание, что я нарисовал один поляризованный и один неполяризованный символ для каждого рельса.Один из ключей к хорошей конструкции импульсного источника питания — убедиться, что ваши шины напряжения имеют как можно более низкий импеданс в как можно более широком диапазоне частот. Разные размеры и разные типы конденсаторов обеспечивают низкий импеданс в широком диапазоне частот.

Я уверен, вы заметили, как L IN, входной дроссель, туда же втиснулся. Это может быть не отдельное устройство, но оно всегда есть. Это потому, что все кабели, дорожки печатных плат и любой другой реальный проводник, по которому течет ток, имеют индуктивность.Хитрость в том, чтобы заставить его работать на вас, а не против вас.


Уравнения рабочего цикла, без синхронизации

Впервые я показываю диапазон рабочих циклов, основанный на изменении входного напряжения, V IN. Я предполагаю, конечно, что V OUT зафиксирован. Это тоже не данность, но это верно для многих переключателей. Инженерия в целом связана с проектированием систем, способных справиться с наихудшим случаем плюс некоторый запас. Нам нужно знать крайние значения входного напряжения, рабочего цикла, выходного тока, частоты переключения и температуры, чтобы назвать основные из них, чтобы создать хороший проект для нашего импульсного преобразователя.


Найдите электрически тихую сторону

Самое время поговорить о методах измерения. В квантовой физике есть теория, утверждающая, что сам процесс измерения чего-либо меняет этот объект. Одно дело сказать, что наблюдение за планетой меняет планету, но измерение токов и напряжений определенно влияет на эти величины. В большинстве случаев есть хорошие места для размещения токового пробника и плохие места.  

Большинство накопительных индуктивностей импульсных регуляторов имеют тихую сторону (по напряжению) и сторону с шумом

Это многострадальный синхронный понижающий регулятор, который я использовал для большинства экспериментов с понижающей топологией на этом семинаре.Я только два раза ковырял. Вот откуда я знаю, что он крепкий. В любом случае, в понижающем преобразователе «переключающий узел» — это место, где два силовых полевых транзистора для синхронных понижающих преобразователей, таких как этот, или полевой транзистор в диоде, предназначенный для несинхронных понижающих преобразователей, подключаются к одной стороне катушки индуктивности. Этот узел очень шумный.

Другая сторона катушки индуктивности исправна и отключена. Это выходное напряжение с хорошим сочетанием различных конденсаторов, обеспечивающим низкий уровень шума в широком диапазоне частот.


Индуктор: Шумная сторона vs.Тихая сторона

Этот снимок прицела говорит сам за себя. Узел переключения скачет вверх и вниз на 20 вольт с большим количеством шума и гармоник как на частоте переключения, так и на частоте считывания. Видите эти временные всплески? Затем есть другая сторона индуктора, которая перемещается всего на два вольта от пика к пику. На самом деле меньше, потому что часть этого шума ненастоящая. Это вызвано общей землей, разделяемой двумя пробниками напряжения.


Соединить проволочную петлю с тихой стороной

Сейчас нас беспокоят не датчики напряжения, а то, где разместить наши датчики тока.Эти активные токовые пробники имеют довольно большую головку, хотя они и зажимного типа. Они рассчитаны примерно на 30 ампер максимум. Вам нужно вставить петлю провода размером 15 на 15 миль, чтобы закрепить их. Эта петля всегда должна быть включена последовательно с электрически бесшумной стороной катушки индуктивности. Добавление этого контура провода добавляет индуктивность, но добавление индуктивности последовательно с катушкой индуктивности обычно не вызывает проблем. Это немного изменяет работу схемы, но если мы добавим 100 наногенри последовательно с катушкой индуктивности в десять микрогенри, эффект будет незначительным.

Теперь есть о чем подумать. Что произойдет, если вы подключите 100 наногенри последовательно с фильтрующим конденсатором при переключении MOSFET? Останьтесь, чтобы узнать.


Выходной индуктор

Понижающий проводник накапливает энергию и фильтрует необработанное прямоугольное напряжение в плавное напряжение или, по крайней мере, в более плавное напряжение. После того, как эта часть преобразователя была правильно выбрана, выбор остальных компонентов становится довольно простым.  

  • Магниты (катушки индуктивности и/или трансформаторы) являются основой всех импульсных преобразователей
  • Частота переключения сильно влияет на физический размер

Это может быть не сразу очевидно, но этот снимок в прицел был сделан в режиме свободного запуска.Обратите внимание, что спадающие фронты напряжения коммутируемого узла приятные и острые. Под резким я подразумеваю отсутствие дрожания. Чистая волна напряжения на коммутационном узле, без падений и джиттера, и чистый треугольник с током через катушку индуктивности — это первые две вещи, на которые я обращаю внимание при проверке исправности импульсного стабилизатора.

Одним из ключевых компромиссов при проектировании, на который должен пойти каждый разработчик импульсных источников питания, является выбор самой частоты переключения. Более низкая частота, как правило, более эффективна, но более высокая частота приводит к меньшим, более дешевым и легким магнитам.Вы, наверное, слышали или услышите, что более низкая частота лучше для EMC, но я в этом не уверен. Я внимательно изучаю кондуктивные стандарты электромагнитной совместимости, прежде чем выбрать частоту, но это делается для того, чтобы избежать чувствительных полос частот или намеренно поместить основную гармонику моего источника шума в диапазон с высоким пределом электромагнитных помех.

Обычно я выбираю самую большую катушку индуктивности, которая подходит, когда у меня есть контроль над частотой переключения. Или, другими словами, я выбираю самую низкую частоту переключения, которая позволяет мне разместить катушку индуктивности на плате или внутри корпуса моего источника питания.


Средний ток в понижающем дросселе

Средний выходной ток и средний ток дросселя равны

Одним из практических аспектов преобразователя со средним током индуктора, равным среднему выходному току, является то, что выбор микросхемы управления удобен и прост, особенно для устройств с внутренними переключателями питания и фиксированными ограничениями по току. Когда вы читаете, например, «понижающий регулятор на 5 ампер», это обычно означает, что силовые ключи могут справиться с мощностью, рассеиваемой при подаче на выход 5 ампер.Бак — единственная топология, которая работает таким образом. Для получения дополнительной информации обязательно ознакомьтесь с разделами SEPIC или Flyback Boost этого семинара.


Расчетные формулы выходного индуктора

Эти уравнения для выбора индуктивности основаны на работе CCM. Помните, что это когда ток катушки индуктивности остается выше нуля в течение всего цикла переключения. Имейте в виду, что все несинхронные понижающие стабилизаторы перейдут в режим DCM, когда нагрузка упадет достаточно низко.DCM не является проблемой сам по себе.

Впервые на этом семинаре мы видим концепцию выбора компонентов для поддержания заданного отношения пульсаций или составляющей переменного тока к среднему значению или составляющей постоянного тока формы волны. Мы будем видеть эту концепцию снова и снова. Это один из основных принципов конструкции импульсных регуляторов.


Пиковый и среднеквадратический ток дросселя

Всякий раз, когда вы видите RMS, думайте о тепле. Если вы превысите рейтинг RMS устройства, устройство нагревается.Не обязательно слишком много, это зависит от многих факторов. Когда вы видите пик или «Сат», это насыщение. Когда сердечник больше не может выдерживать плотность магнитного потока.

Захват области, показанный внизу, является реакцией понижающего регулятора на короткое замыкание на выходе. Одной из серьезных проблем при проектировании дросселей является выбор достаточно высокого тока насыщения, чтобы выдержать ограничение пикового тока системы. Большинство ограничений пикового тока примерно на 50 процентов выше максимального среднего тока, чтобы обеспечить запас по току пульсаций и переходным процессам нагрузки.

Насыщенный магнитный элемент не взрывается или что-то в этом роде, а также не получает необратимого повреждения, но вы можете получить очень высокие пиковые токи насыщения, что часто происходит во время коротких замыканий на выходе. Это, в свою очередь, приводит к высоким среднеквадратичным значениям тока. Высокие среднеквадратичные токи заставляют все нагреваться. С другой стороны, высокие значения пикового тока делают катушки индуктивности больше, тяжелее и дороже.


Ферритовый сердечник и сердечник из порошкового железа

Вот где компромисс.Феррит и порошковое железо — практически единственные два варианта выбора магнитных сердечников стандартных катушек индуктивности. Во многих случаях могут работать и те, и другие, но, как правило, ферритовые устройства обеспечивают более высокую индуктивность при более низких пиковых токах, поэтому они чаще используются в схемах с более высоким выходным напряжением, но более низкими выходными токами. Устройства с питанием от железа, как правило, имеют более низкую индуктивность, но гораздо более высокие токи насыщения.

Только взгляните на двухколесные устройства, которые я выбрал для этого слайда.Оба выдерживают среднеквадратичное значение 12 ампер, но железная часть с питанием может выдерживать удвоенный ток до насыщения. По этой причине активные части сердечника чаще встречаются с низким выходным напряжением и высоким выходным током.


Входные конденсаторы

Забытый и недооцененный

Одна вещь, которая показалась мне странной, когда я начал писать таблицы данных и заметки по применению, заключалась в том, что выходным конденсаторам уделялось много внимания, и все уравнения были одинаковыми, тогда как у каждого автора был свой подход к входным конденсаторам.Некоторые руководства по проектированию вообще не давали никаких уравнений или были очень расплывчатыми.

Моя цель на следующих девяти слайдах — убедить вас, мои зрители, в том, что входные конденсаторы в понижающих стабилизаторах абсолютно необходимы.

Только самые простые, маленькие и самые недорогие понижающие стабилизаторы имеют только один входной конденсатор. В таких случаях фильтрация электромагнитных помех выполняется на предыдущем этапе. Теперь, чтобы сделать этот снимок прицела, показанный здесь, я намеренно удалил все, кроме одного, входные конденсаторы небольшого понижающего регулятора.Вот почему я показываю это пустое место между B IN и C IN-1 на схеме. Затем последовательно с конденсатором C IN-1 я включил небольшой чувствительный резистор, который представлял собой многослойный керамический конденсатор, сокращенно MLCC.

Здесь мы можем видеть трапециевидную форму тока, протекающую, когда узел переключателя имеет высокий уровень, что означает, что управляющий полевой транзистор включен. Трапециевидные волны имеют высокие среднеквадратичные значения, которые вызывают сильный нагрев и высокое содержание гармоник, что приводит к большому количеству электромагнитных помех. Теперь видите квазисинусоидальную форму входного тока IN-DC? Наша цель — максимально приблизить этот ток к постоянному.  

Я обещал, что мы снова и снова будем видеть концепцию управления переменным током в процентах от значения постоянного тока. Все те же самые элементы, представленные в этом уравнении из минимальной входной емкости, присутствовали в уравнении для минимальной выходной индуктивности. Но обратите внимание, вместо рекомендуемого соотношения 20% к 40%, оно составляет 1% к 5%. Основная причина этого заключается в том, что пульсации напряжения и пульсации входного тока прямо пропорциональны. Пульсации входного тока должны быть очень низкими, чтобы соответствовать большинству требований к кондуктивным электромагнитным помехам.

Чтобы дать вам представление о том, как это происходит во временной области, пульсации входного тока обычно должны быть меньше одного миллиампера от пика к пику. Когда ваши расчеты для C IN Min выходят за пределы менее чем на 10 микрофарад, рассмотрите возможность использования всех многослойных керамических конденсаторов или MLCC. Это те самые коричневые или серые прямоугольные конденсаторы. Раньше они использовались только для фильтрации высоких частот, но, за 15 лет, что я проектирую блоки питания, диапазон напряжения по емкости настолько увеличился, что теперь их можно использовать вместо тантала, алюминия, и другие конденсаторы, которые были ранее, были единственным выбором для емкости более 10 микрофарад.


MLCC Потери емкости при постоянном смещении

MLCC настолько близки к идеалу, насколько это вообще возможно с реальными конденсаторами во многих аспектах. Например, эквивалентное последовательное сопротивление или ESR часто меньше 5 мОм. Некоторые танталовые или алюминиевые конденсаторы имеют эквивалентное последовательное сопротивление в омах. Эквивалентная последовательная индуктивность, или ESL, MLCC также очень низка из-за их небольшого размера и геометрии. Это то, что делает керамические колпачки отличными фильтрами высоких частот.

Но нет ничего идеального. Одним из ключевых недостатков MLCC является то, что они теряют емкость, когда вы используете их с постоянным напряжением. Как правило, чем меньше цоколь, тем ниже номинальное напряжение и чем выше номинальная емкость, тем хуже этот эффект. Как показывают приведенные здесь графики, MLCC могут потерять более половины своей емкости, если вы используете их при полном номинальном постоянном напряжении. Для конденсаторов свыше одного микрофарад я всегда использую диэлектрики Х5Р или Х7Р. Они отлично подходят для температурной стабильности. Обычно я выбираю устройства с градуированным напряжением, которое в два раза превышает рабочее напряжение.Так, например, 12-вольтовая шина будет использовать эти 25-вольтовые MLCC.


Объемная крышка и частота: Al-Electrolytic

Давайте рассмотрим некоторые типичные технологии для так называемых объемных конденсаторов. Когда я говорю «объемный», я имею в виду устройство с большой емкостью. Сколько емкость? Ты спрашиваешь. Ну, как всегда, это зависит. Как правило, используйте так называемые объемные конденсаторы, когда вам нужна большая емкость, чем могут обеспечить MLCC. Конечно, вы всегда можете распараллелить множество MLCC.Это то, что делают серьезные ядра от микропроцессоров и ПЛИС. Но часто у вас нет бюджета или площади печатной платы. Если один алюминиевый электролитический конденсатор выполнит эту работу, то хорошо.

Большое текстовое поле и стрелка подчеркивают главный недостаток этого алюминиевого конденсатора. Это просто не конденсатор выше 20 килогерц или около того. Это ESL, эта паразитная индуктивность, которая вызывает увеличение импеданса после определенной частоты. Алюминиевые электролиты для поверхностного монтажа, как правило, лучше, потому что их выводы короче.Помните, что индуктивность, помимо прочего, является функцией длины.

Прежде чем вы начнете думать, что этот конденсатор бесполезен для импульсного преобразователя постоянного тока, например, на одном мегагерце, помните, что множество событий, таких как переходные процессы нагрузки, происходят на гораздо более низкой частоте. Пока не сбрасывайте со счетов благородный алюминиевый конденсатор.


Объемная крышка и частота: полимер Al

Это полимерно-алюминиевое устройство имеет твердый электролит.Одним из больших преимуществ является то, что при той же температуре и тепловом напряжении этот конденсатор прослужит дольше, чем стандартный алюминиевый электролит, который имеет жидкий электролит, который со временем испаряется. Полимерный алюминий также был бы лучшим кандидатом на роль ядра цифрового процессора. Под этим я подразумеваю высокодинамическую нагрузку, которая очень быстро запрашивает большой ток, а затем так же быстро падает почти до нуля. Это связано с тем, что этот конденсатор имеет гораздо более низкое ESR, а также сохраняет это ESR довольно низким даже при низких температурах.

Холод — это то, где стандартные электролиты также имеют большие проблемы, потому что их электролит может замерзнуть. Это делает ESR настолько высоким, что он эффективно размыкает конденсатор. До сих пор полимерные алюминиевые конденсаторы не превышали 25 вольт, поэтому они в основном используются на выходах понижающих стабилизаторов.


Объемная крышка в зависимости от частоты: твердый тантал

Твердый тантал, иногда также известный как сухой тантал, является одной из немногих альтернатив алюминиевой электролитической технологии в течение нескольких лет в тех случаях, когда требовалась довольно большая емкость при напряжении до 50 вольт.Я до сих пор помню, как мой коллега смеялся над моим счетом, когда я впервые подал слишком большое напряжение на один из этих конденсаторов. Никто не пострадал, и вишнево-красное пламя, когда танталовая крышка сгорела до хрустящей корочки, было симпатично. Эти проблемы в основном ушли, но тантал по-прежнему остается довольно дорогой технологией.

Что касается ESR и ESL, этот тип конденсатора лучше, чем алюминиевый электролитический, но не так хорош, как MLCC. Что касается низких напряжений, я считаю, что в наши дни более популярны полимерный алюминий и полимерный тантал.


Объемная крышка и частота: полимер Ta

Полимерные танталовые и полимерные алюминиевые конденсаторы во многом схожи. У них одинаковые диапазоны напряжения, редко превышающие максимум 25 вольт, аналогичные диапазоны емкости, обычно до 1000 микрофарад или около того, и аналогичные значения ESR, обычно от менее 10 мОм до примерно 50 мОм или около того. Они также выглядят очень похожими. Фактически, они выглядят как танталовые конденсаторы для поверхностного монтажа, а также совместимы с занимаемой площадью.

Как и полимерные алюминиевые, полимерные танталовые колпачки могут выдерживать большие пульсации тока благодаря низкому ESR и хорошо выдерживают низкие температуры. Кроме того, здесь мы говорим о входных конденсаторах, но довольно низкое номинальное напряжение означает, что эти устройства чаще всего встречаются на выходах баков, как правило, для использования при напряжении 5 вольт постоянного тока и ниже.


Емкость MLCC в зависимости от частоты

И последнее, но не менее важное — это MLCC.Этот график относится к устройству размером 1206, номинальной мощностью 10 микрофарад и рассчитанным на 25 вольт постоянного тока. Его емкость почти на порядок выше, чем у любого другого типа конденсаторов, которые мы видели. Этот график показывает нам причину, по которой последовательные цифровые ядра окружены MLCC. Ничто другое не может оставаться емкостным на частотах и ​​скоростях нарастания, которые требуются микропроцессорам, ПЛИС и серийным микроконтроллерам.

Помимо ESR около 3 мОм, MLCC имеет гораздо более низкий ESL. Помните, что это означает паразитную индуктивность, и она ниже, чем у всех других типов конденсаторов.Это настоящая причина того, что MLCC являются королями с точки зрения емкости на высоких частотах. Наконец, этот низкий ESR и твердый термостойкий материал, керамика, делают MLCC способными выдерживать гораздо больший пульсирующий ток на единицу объема, чем любой другой тип конденсатора. Короче говоря, они почти идеальны для использования в качестве входных конденсаторов для понижающих стабилизаторов.


Входные конденсаторы, часть 2
  • Все больше и больше баксов используют входные колпачки 100% MLCC
  • Низкое СОЭ это хорошо, НО:
  • Входная линия/выводы имеют паразитную индуктивность, л В
  • Или специально добавлен входной индуктор
  • Этот фильтр L-C имеет низкий коэффициент демпфирования и может:
    • Вызывает выброс VIN при запуске
    • Кольцо в устойчивом состоянии

Я только что сказал, что многослойные керамические конденсаторы или MLCC почти идеально подходят для использования в качестве входных конденсаторов для понижающих стабилизаторов.У них низкая СОЭ, низкая ESL. Они могут выдерживать больший пульсирующий ток на единицу объема, чем любая другая технология, но, как ни странно, быть почти идеальным не всегда идеально. Теперь, когда доступны MLCC с напряжением до 100 вольт, что покрывает подавляющее большинство преобразователей постоянного тока в постоянный, а MLCC доступны с емкостью более 10 мкФ, а иногда и более 10 мкФ, это удовлетворит потребность в емкости для многих схем. Теоретически на входах многих понижающих преобразователей можно было бы использовать только керамику.

На практике, если у вас есть только входные конденсаторы MLCC и их длинные индуктивные входные провода, то формируется входной LC-фильтр второго порядка. Звучит хорошо, верно? Проблема в том, что этот фильтр имеет очень высокое значение добротности. Другой способ заявить об этом состоит в том, что входной фильтр, состоящий из входных выводов и MLCC, имеет очень, очень малое демпфирование. Любой небольшой переходный процесс заставит его колебаться или звенеть. То же самое может произойти, если ваш понижающий регулятор имеет настоящую катушку индуктивности дискретного входного фильтра. Как видно из принципиальной схемы, вам нужно быть осторожным с входным фильтром с более высоким импедансом Z S, чем входной импеданс импульсного регулятора, отрицательный Z IN.


Что такое отрицательное входное сопротивление?

Возможно, вы впервые слышите термин «отрицательный импеданс», так что давайте копнем немного глубже. Правильно спроектированные импульсные источники питания сохраняют высокий КПД в диапазоне входных напряжений. Для доллара это обычно более 90%. Представьте себе схему с выходным напряжением 5 вольт, выходным током 1 ампер и входным напряжением 10 вольт. Например, если КПД составляет 90%, то входной ток, определяемый этой формулой, составляет около .55 ампер. Теперь, если VIN выросло до 20 вольт, но выходное напряжение, выходной ток и энергоэффективность остались прежними, тогда входной ток упал бы до 0,27 ампер. Это сохранение силы. Если ток, потребляемый нагрузкой, падает по мере увеличения приложенного напряжения, то с математической точки зрения эта нагрузка имеет отрицательное входное сопротивление.


Импеданс фильтра и импеданс преобразователя

Итак, причина, по которой нас волнует этот отрицательный входной импеданс, связана с входными колебаниями или звоном или взаимодействием источника питания, о котором я говорил.Если выходное сопротивление входного фильтра Z S равно абсолютному значению входного сопротивления преобразователя, то теоретически система будет звонить до бесконечности вольт. В одном из моих любимых фильмов «Охотники за привидениями» персонаж Эгон говорит: «Это было бы плохо». На практике всякий раз, когда выходной импеданс фильтра выше, чем ZN, входной импеданс переключателя, система, вероятно, будет колебаться. Вот почему я даю расчет для ZN MIN, чтобы мы знали худший случай. Кстати, для импульсных преобразователей наихудший случай обычно при максимальной нагрузке и при минимальном входном напряжении.Подробнее об этом в сеансах повышения SEPIC, инвертора и обратного хода далее на семинаре.


Демпфирование входного фильтра (для MLCC)

В предыдущем разделе, разделе 2-1, я сказал, что алюминиевый электролитический конденсатор еще не умер. Оказывается, алюминиевые электролитические конденсаторы с их высокой емкостью на единицу объема, высоким ESR и низкой стоимостью идеально подходят для демпфирующих LC-фильтров. Алюминий с большими потерями параллельно с MLCC творит чудеса для входных колебаний.Обратите внимание, что 4-кратная емкость для демпфирования была первоначально предложена доктором Миддлбруком, одним из великих имен в области силовой электроники.

Всякий раз, когда я компоную печатную плату для схемы, которая, как я знаю, будет иметь длинные индуктивные входные провода, я часто размещаю посадочное место для резистора последовательно с демпфирующим конденсатором. Таким образом, если по какой-либо причине электролитическая крышка, которая в остальном идеальна, не имеет достаточного ESR, я могу просто добавить столько, сколько захочу.


Коэффициент демпфирования входного фильтра

В этом уравнении для демпфирования коэффициента дельта RS — это сопротивление входных проводов, а RDN — любой дискретный резистор, включенный последовательно с демпфирующим конденсатором.

Еще несколько советов по демпфированию входного фильтра, если вы проектируете блок питания для очень высокотемпературных сред и беспокоитесь, что даже качественные электролиты высохнут, вы также можете использовать полимерный алюминий, полимерный тантал или даже большая группа параллельных MLCC с дискретным последовательным резистором. Я не рекомендую использовать сухой тантал, потому что они могут быть чувствительны к пусковым токам. Под чувствительными я подразумеваю, что они могут взорваться.

На самом деле можно демпфировать LC-фильтр, поместив параллельно катушке индуктивности ветвь с индуктивностью, в четыре или пять раз превышающую индуктивность основной катушки индуктивности, и дискретный резистор, но это дорого и громоздко.Я делаю это только для определенных входных фильтров в некоторых очень специальных приложениях переменного тока в постоянный.

Вы, вероятно, не заметите никакой разницы в размахе пульсаций входного напряжения после добавления демпфирующего колпачка, потому что он обычно не очень емкостной на частоте переключения, но вы увидите приятное улучшение падения входного напряжения во время переходных процессов нагрузки .


Далее: Раздел 2-2 – Понижающие преобразователи
  • Подробнее Философия конструкции входного конденсатора
    • Выбор входной емкости
    • Среднеквадратический (пульсирующий) ток во входных конденсаторах
    • Сочетание MLCC и конденсаторов большой емкости
  • Концепция проектирования и выбор выходных конденсаторов
  • Принципы проектирования и выбор управляющего полевого МОП-транзистора (переключатель на стороне высокого напряжения), когда он внешний

На следующем занятии будут представлены уравнения для выбора емкости, расчет максимального ESR и среднеквадратичного тока пульсаций для входных конденсаторов в понижающий преобразователь, а также способы сочетания объемных и керамических конденсаторов для обеспечения низкого импеданса и длительного срока службы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *