Домашний мастер часто сталкивается с поломками сложной бытовой техники из-за отказов ее электрической схемы. Не всегда удается сразу выполнить такой ремонт. Часто требуются знания про импульсные блоки питания, принципы работы их составных частей.
Такие работники популярны, всегда востребованы, заслуживают уважения. Однако не все так сложно в этом вопросе, как кажется на первый взгляд.
Я выделил 7 правил, по которым работает любой ИБП, постарался объяснить их простыми словами для новичков. А что получилось — оценивайте сами.
Блоки питания — это электротехнические устройства, которые изменяют характеристики промышленной электроэнергии до уровня параметров, необходимых для работы конечных механизмов.
Они подразделяются на трансформаторные и импульсные изделия.
Силовой трансформатор понижает входное напряжение и одновременно обеспечивает гальваническую развязку между электрической энергией первичной и вторичной цепи.
Трансформаторные модули тратят значительную часть мощности на электромагнитные преобразования и нагрев, имеют повышенные габариты, вес.
Содержание
Импульсные блоки питания: как работает структурная схема и взаимодействуют ее части — краткое пояснение
За счет этого снижаются потери и общий вес всех элементов, но усложняется технология. Принципы работы импульсного блока питания помогает понять его структурная схема.
Показываю ее составные части прямоугольниками, связи стрелками, а форму выходного сигнала из каждого блока — мнемонической фигурой преобразованного напряжения (темно синий цвет сверху).
Сетевой фильтр пропускает через себя промышленную синусоиду. Одновременно он отделяет из нее все посторонние помехи.
Очищенная от помех синусоида поступает на выпрямитель со сглаживающим фильтром. Он превращает полученную гармонику в сигнал напряжения строго постоянной формы действующей величины.
Следующим этапом начинается работа инвертора. Он из постоянного стабилизированного сигнала формирует высокочастотные колебания уже не синусоидальной, а практически строго прямоугольной формы.
Преобразованная в подобный вид электрическая энергия поступает на силовой высокочастотный трансформатор, который, как и обычный аналоговый, видоизменяет ее на пониженное напряжение с увеличенным током.
После силового трансформатора наступает очередь работы выходного выпрямителя.
Заключительным звеном работает сглаживающий выходной фильтр. После него на блок управления бытового прибора поступает стабилизированное напряжение постоянной величины.
Качество работы импульсного блока поддерживается за счет создания в рабочем состоянии обратной связи, реализованной в блоке управления инвертора. Она компенсирует все посадки и броски напряжения, вызываемые колебаниями входной величины или коммутациями нагрузок.
Пример монтажа деталей показан на фотографии платы импульсного блока питания ниже.
Сетевой выпрямитель имеет в своем составе предохранитель на основе плавкой вставки, диодный мост, электромеханический фильтр, набор дросселей, конденсаторы развязки со статикой.
Накопительная емкость сглаживает пульсации.
Генератор инвертора на основе силового ключевого транзистора
в комплекте с импульсным трансформатором выдает напряжение на выходной
выпрямитель с диодами, конденсаторами и дросселями.
Оптопара в узле обратной связи обеспечивает оптическую развязку электрических сигналов.
Разберем все эти части подробнее.
Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций
Важно понимать, что импульсы высокой частоты играют двоякую роль:
- в/ч помехи могут приходить из бытовой сети в блок питания;
- импульсы высокочастотного тока генерируются встроенным преобразователем и выходят из него в домашнюю проводку.
Причины появления помех в бытовой сети:
- апериодические составляющие переходных процессов, возникающие от коммутации мощных нагрузок;
- работы близкорасположенных приборов с сильными электромагнитными полями, например, сварочных аппаратов, мощных тяговых электродвигателей, силовых трансформаторов;
- последствия погашенных импульсов атмосферных разрядов и других факторов, включая наложение высокочастотных гармоник.
Помехи ухудшают работу радиоэлектронной аппаратуры, мобильных устройств и цифровых гаджетов. Их необходимо подавлять и блокировать внутри конструкции импульсного блока питания.
Основу фильтра составляет дроссель, выполненный двумя обмотками на одном сердечнике.
Дроссели могут быть выполнены разными габаритами, намотаны толстой или тонкой проволокой на больших или маленьких сердечниках.
Начинающему мастеру достаточно запомнить простое правило: лучше работает фильтр с дросселем большого магнитопровода, увеличенным числом витков и поперечным сечением проволоки. (Принцип: чем больше — тем и лучше.)
Дроссель обладает индуктивным сопротивлением, которое резко ограничивает высокочастотный сигнал, протекающий по проводу фазы или нуля. В то же время оно не оказывает особого влияния на ток бытовой сети.
Работу дросселя эффективно дополняют емкостные сопротивления.
Конденсаторы подобраны так, что закорачивают ослабленные дросселем в/ч сигналы помех, направляя их на потенциал земли.
Принцип работы фильтра в/ч помех от проникновения на блок питания входных сигналов показан на картинке ниже.
Между потенциалами земли с нулем и фазой устанавливают Y конденсаторы. Их конструктивная особенность — они при пробое не способны создать внутреннее короткое замыкание и подать 220 вольт на корпус прибора.
Между цепями фазы и нуля ставят конденсаторы, способные выдерживать 400 вольт, а лучше — 630. Они обычно имеют форму параллепипеда.
Однако следует хорошо представлять, что ИБП в преобразователе напряжения сами выправляют сигнал и помехи им практически не мешают. Поэтому такая система актуальна для обычных аналоговых блоков со стабилизацией выходного сигнала.
У импульсного блока питания важно предотвратить выход в/ч помех в бытовую сеть. Эту возможность реализует другое решение.
Как видите, принцип тот же. Просто емкостные сопротивления всегда располагаются по пути движения помехи за дросселем.
Третья схема в/ч фильтра считается универсальной. Она объединила элементы первых двух. Y конденсаторы в ней просто работают с двух сторон каждого дросселя.
У самых дорогих и надежных устройств используется сложный фильтр с дополнительно подключенными дросселями и конденсаторами.
Сразу же показываю схему расположения фильтров на всех цепочках блока питания: входе и выходе.
Обратите внимание, что на кабель, выходящий из ИБП и подключаемый к электронному прибору, может быть дополнительно установлен ферритовый фильтр, состоящий из двух разъемных полуцилиндров или выполненный цельной конструкцией.
Примером его использования является импульсный блок питания ноутбука. Это уже четвертый вариант применения фильтра.
Сетевой выпрямитель напряжения: самая популярная конструкция
В ходе электрического преобразования форма синусоиды, состоящая из полуволн противоположных знаков, вначале меняется на сигнал положительного направления после диодной сборки, а затем эти пульсации сглаживаются до практически постоянной амплитудной величины 311 вольт.
Такой сетевой выпрямитель напряжения заложен в работу всех блоков питания.
Преобразователь импульсного напряжения: объяснение простыми словами с поясняющими картинками
Силовой ключ выполняется первичной обмоткой высокочастотного трансформатора. Для эффективной трансформации в/ч импульсов до 100 килогерц конструкцию магнитопровода делают из альсифера или ферритов.
На обмотку трансформатора от цепей управления через в/ч транзистор поступают импульсы сигналов в несколько десятков килогерц.
Прямоугольные импульсы тока подаются по времени, чередуются с паузами, обозначаются единицей (1) и нулем (0).
Продолжительность протекания импульса или его ширина в каждый момент низкочастотного синусоидального напряжения соответствует его амплитуде: чем она больше, тем шире ШИМ. И наоборот.
ШИМ контроллер отслеживает величину подключенной нагрузки на выходе импульсного блока питания. По ее значению он вырабатывает импульсы, кратковременно открывающие силовой транзистор.
Если подключенная к ИБП мощность начинает возрастать, то схема управления увеличивает длительность импульсов управления, а когда она снижается, то — уменьшает.
За счет работы этой конструкции производится стабилизация напряжения на выходе блока в строго определенном диапазоне.
Импульсный трансформатор: принцип работы одного импульса в 2 такта
Во время преобразования электрической энергии в магнитную и обратно в электрическую с пониженным напряжением обеспечивается гальваническое разделение первичных входных цепей с вторичной выходной схемой.
Каждый ШИМ импульс тока, поступающий при кратковременном открытии силового транзистора, протекает по замкнутой цепи первичной обмотки трансформатора.
Его энергия расходуется:
- вначале на намагничивание сердечника магнитопровода;
- затем на его размагничивание с протеканием тока по вторичной обмотке и дополнительной подзарядкой конденсатора.
По этому принципу каждый ШИМ импульс из первичной сети подзаряжает накопительный конденсатор.
Генераторы ИБП могут работать по простой однотактной или более сложной двухтактной технологии построения.
Однотактная схема импульсного блока питания: состав и принцип работы
На стороне 220 расположены: предохранитель, выпрямительный диодный мост, сглаживающий конденсатор, биполярный транзистор, цепочки колебательного контура и коллекторного тока, а также обмотки импульсного трансформатора.
Однотактная схема импульсного блока питания создается для передачи мощности 10÷50 ватт, не более. По ней изготавливают зарядные устройства мобильных телефонов, планшетов и других цифровых гаджетов.
В выходной цепочке трансформатора используется выпрямительный диод Д7. Он может быть включен в прямом направлении, как показано на картинке, или обратно, что важно учитывать.
При прямом включении импульсный трансформатор накапливает индуктивную энергию и передает ее в выходную цепь к подключенной нагрузке с задержкой по времени.
Если диод включен обратно, то трансформация энергии из первичной схемы во вторичную цепь происходит во время закрытого состояния транзистора.
Однотактная схема ИБП отмечается простотой конструкции, но большими амплитудами напряжения, приложенными к виткам первичной обмотки импульсного трансформатора.
Их защита осуществляется дополнительными цепочками из
резисторов R2÷R4 и конденсаторов С2, С3.
Двухтактная схема импульсного блока питания: 3 варианта исполнения
Более высокий КПД и пониженные потери мощности являются неоспоримыми преимуществами этих ИБП по сравнению с однотактными моделями.
Простейший вариант исполнения двухполупериодной методики показан на картинке.
Если в нее дополнительно подключить два диода и один сглаживающий конденсатор, то на этом же трансформаторе получается двухполярная схема.
Она распространена в усилителях мощности, работает по обратноходовому принципу. В ней через каждую емкость протекают меньшие токи, обеспечивающие повышенный ресурс конденсаторов при эксплуатации.
Прямоходовая схема блока питания имеет в своей конструкции дроссель, который выполняет функцию накопления энергии. Для этого два диода направляют поступающие импульсы ШИМ на его вход в одной полярности.
Дроссель этих устройств изготавливается большими габаритами и устанавливается отдельно внутри платы ИБП. Он дополняет работу накопительного конденсатора.
Это наглядно видно по верхней форме сигнала, показанного осциллограммой выпрямления одного и того же блока без дросселя и с ним.
Прямоходовая схема используется в мощных блоках питания, например, внутри компьютера.
В ней выпрямлением тока занимаются диоды Шоттки. Их применяют за счет:
- уменьшенного падения напряжения на прямом включении;
- и повышенного быстродействия во время обработки высокочастотных импульсов.
3 схемы силовых каскадов двухтактных ИБП
По порядку сложности их исполнения генераторы выполняют по:
- полумостовому;
- мостовому;
- или пушпульному принципу построения выходного каскада.
Полумостовая схема импульсного блока питания: обзор
Конденсаторы С1, С2 собраны последовательно емкостным делителем. На него и переходы коллектор-эмиттер транзисторов Т1, Т2 подается напряжение постоянного питания.
К средней точке емкостного делителя и транзисторов подключена первичная обмотка трансформатора Тр2. С ее вторичной обмотки снимается выходное напряжение генератора, которое пропорционально входному сигналу ТР1, трансформируемому на базы Т1 и Т2.
Полумостовая схема ИБП работает для нагрузок от нескольких ватт до киловатт. Ее недостатком является возможность повреждения элементов при перегрузках, что требует использования сложных защит.
Мостовая схема импульсного блока питания: краткое пояснение
Вместо емкостного делителя предыдущей технологии здесь работают транзисторы T3 и T4. Они попарно открываются совместно с Т1 и Т2: (пара Т1-Т4), (пара Т2-Т3).
Напряжение переходов эмиттер-коллектор у закрытых транзисторов не выше величины питающего напряжения, а на обмотке w1 ТР3 оно возрастает до значения U пит. За счет этого увеличивается величина КПД.
Мостовая схема сложна в наладке из-за трудностей с настройкой цепей управления транзисторов Т1÷Т4.
Пушпульная схема: важные особенности
Первичная обмотка выходного ТР2 имеет средний вывод, на который подается плюсовой потенциал источника питания, а его минус — на среднюю точку вторичной обмотки Т1.
Во время прохождения одного полупериода колебания работает один из транзисторов Т1 или Т2 и соответствующая ему часть полуобмотки трансформатора.
Здесь создается самый высокий КПД, малые пульсации и низкие помехи. Амплитудное значение импульсного напряжения на любой половине обмотки w1 ТР2 достигает величины U пит.
К напряжению перехода коллектор-эмиттер каждого транзистора добавляется ЭДС самоиндукции, и оно возрастает до 2U пит. Поэтому Т1 и Т2 надо подбирать на 600÷700 вольт.
Пушпульная схема ключевого каскада пользуется большей популярностью. Она применяется в наиболее мощных преобразователях.
Выходной выпрямитель: самое популярное устройство
Простейшая схема выпрямителя, состоящая из диода и накапливающего конденсатора, показана картинкой ниже.
Она может дорабатываться подключением дополнительных конденсаторов, дросселей, элементов фильтров.
Схема стабилизации напряжения: как работает
Самая примитивная схема стабилизации выходного напряжения создается на дополнительной обмотке импульсного трансформатора.
С нее снимается напряжение и подается для корректировки величины сигнала первичной обмотки.
Лучшая стабилизация создается за счет контроля выходного сигнала с вторичной обмотки и отделения его гальванической связи через оптопару.
В ней используется светодиод, через который проходит ток, пропорциональный значению выходного напряжения. Его свечение воспринимается фототранзистором, который посылает соответствующий электрический сигнал на схему управления генератора ключевого каскада.
Повысить качество стабилизации выходного напряжения позволяет последовательное дополнение к оптопаре стабилитрона, как показано на примере микросхемы TL431 на картинке ниже.
Для закрепления материала в памяти рекомендую посмотреть видеоролик владельца Паяльник TV, который хорошо объясняет информацию про импульсные блоки питания: принципы работы на примере конкретной модели.
Надеюсь, что моя статья поможет вам выполнить ремонт ИБП своими руками за 7 шагов, которые я изложил в другой статье.
Задавайте возникшие вопросы в разделе комментариев, высказывайте свое мнение. Его будет полезно знать другим людям.
В статье предложен способ, как из блока питания с фиксированным выходным напряжением сделать регулируемый источник.
В радиолюбительской практике зачастую требуется регулируемый источник питания 3,5. 12 В с выходным током до 1,5. 2 А. Чтобы не делать такой БП заново, можно доработать уже имеющийся с фиксированным выходным напряжением. В зависимости от схемы БП его доработка может быть очень простой.
Таким блоком оказался БП JTA0302E-E (рис. 1), который представляет собой обратноходовый преобразователь напряжения, собранный на специализированной микросхеме UC3843B и полевом транзисторе STP4NK60ZFP. На входе и выходе БП установлены LC-фильтры, стабилизация выходного напряжения осуществляется с помощью микросхемы TL431AC (параллельный стабилизатор напряжения) и оптопары PC817 (или аналогичной). Согласно заявленным производителем параметрам БП JTA0302E-E при сетевом напряжении 110. 240 В обеспечивает выходное стабилизированное напряжение 5 В при токе нагрузки до 2,5 А. На самом деле выходное напряжение без нагрузки было немногим более 5,2 В. Сделано это, видимо, для компенсации падения напряжения на выходном двухпроводном кабеле при максимальном токе нагрузки. Логично предположить, что при напряжении сети 230 ± 5 % В он сможет "выдать" 12 В при токе до 1 А. Небольшая доработка позволит превратить его в регулируемый с выходным напряжением от 3,5 до 10. 12 В.
Рис. 1. БП JTA0302E-E
Фрагмент выходной цепи дорабатываемого БП показан на рис. 2. Все доработки и вновь введённые элементы выделены цветом. Обозначения штатных элементов приведены в соответствии с печатной платой, а должены. Особенность оригинального БП — значение выходного напряжения задано с помощью резистивного делителя R15R16 в цепи управляющего входа микросхемы U3. Если в этот делитель ввести переменный резистор (в нашем случае — R18), это позволит плавно регулировать выходное напряжение. В этом случае стабилитрон ZD2 (на напряжение стабилизации 6,2 В) удаляют, резистор RLзаменяют другим, с вдвое большим сопротивлением. Для индикации наличия выходного напряжения установлен светодиод HL1 с токоограничивающим резистором R19. Чтобы свечение светодиода было заметно во всём интервале выходного напряжения, он должен быть с повышенной яркостью свечения.
Рис. 2. Фрагмент выходной цепи дорабатываемого БП
Доработка БП — несложная. Переменный резистор (СП4-1 или аналогичный по размерам) и светодиод устанавливают на задней стенке корпуса БП (рис. 3). Для них просверлены отверстия соответствующего диаметра. Сглаживающий конденсатор С1 (см. рис. 1) на выходе мостового выпрямителя разворачивают на плате в про-тивоположую сторону. Освободившееся место займёт переменный резистор. Резисторы R15 и R16 установлены перпендикулярно плате, поэтому их можно не выпаивать, а просто перекусить по одному выводу, к которым припаивают изолированные провода, соединяющие их с выводами переменного резистора R18. Стабилитрон ZD2 (он расположен рядом с резисторами R15, R16) также можно не выпаивать, а перекусить один из его выводов — в авторском варианте было сделано именно так. В результате с переменным резистором R18 сопротивлением 10 кОм интервал регулировки выходного напряжения получился 3,5. 8 В. Если применить резистор R18 с большим сопротивлением, интервал регулировки расширится в обе стороны. При этом нижний предел можно скорректировать подборкой резистора R15, верхний — резистора R16. После проверки и налаживания переменный резистор снабжают шкалой (рис. 3), которую градуируют с помощью вольтметра постоянного тока. Но следует учесть, что минимальный нижний предел — 3,3. 3,5 В. Обусловлено это тем, что минимальное падение напряжения на микросхеме U3 — около 2 В, а на излучающем диоде оптопары U1.2 — 1,1. 1,2 В.
Рис. 3. Внешний вид доработанного БП
Были проведены испытания доработанного БП для различных выходных напряжений от 3,5 до 10 В. При изменении выходного тока от 0 до 1,5 А (при выходном напряжении до 10 В) и 2,5 А (при напряжении до 5 В) выходное напряжение уменьшалось на несколько милливольт (измерение проводилось непосредственно на выходе БП), амплитуда пульсаций не превысила 15 мВ, а полевой транзистор нагревался умеренно. Однако при установке выходного напряжения менее 3,3 В на выходе наблюдались релаксационные колебания с амплитудой пульсаций около 1 В. Причина этого — недостаточное напряжение на микросхеме U3 и излучающем диоде оптопары U1.2.
Следует учесть, что в выходной цепи БП применены конденсаторы С9-С11 с номинальным напряжением 10 В, поэтому выходное напряжение не должно превышать этого значения, а с учётом падения напряжения на дросселе L2 должно быть даже меньше. Если планируется увеличить верхний предел до 12 В, эти конденсаторы необходимо заменить другими с такой же ёмкостью и большим номинальным напряжением.
Автор: И. Нечаев, г. Москва
Мнения читателей
Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.
Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:
За время существования радиодела как-то вошло и устоялось в сознании большинства, что если есть необходимость постоянного изменения напряжения электрического тока для радиолюбительских нужд, то обязательно нужен лабораторный блок питания с трансформатором «на железе». Всё правильно, верно — хорош во всех отношениях. Но только для домашнего пользования, объем и масса напрочь лишают его мобильности. Казалось бы, не беда, появились всевозможные импульсные блоки питания. Компактные, лёгкие и достаточно мощные. Вот только переделок (вмешательства в существующую принципиальную электрическую схему) с целью организации функции изменения выходного напряжения, они, мягко говоря, не любят. Буду категоричен – полноценная переделка под силу только опытному специалисту.
Вот и заказал в интернет магазине AliExpress парочку модулей регулирующих напряжение. Стоимостью 40 рублей штука. Через месяц прибыли.
Действительно компактное изделие (43 х 21 х 14 мм), которое в принципе, возможно, легко добавить к любому имеющемуся импульсному блоку питания от отработавших своё факсов, принтеров, мониторов и т.д.
Основополагающим элементом конструкции является микросхема регулятор серии LM2596 — это монолитная интегральная схема, которая обеспечивает все активные функции понижающего импульсного стабилизатора, поддерживающая 3 А в линии нагрузки. Заявленные производителем основные характеристики регулятора: входное напряжение от 3,2 В до 40 В, выходное напряжение от 1,25 В до 35 В. В примечании есть упоминание, что при длительной работе необходима установка охлаждающего радиатора. С обратной стороны платы, напротив корпуса микросхемы рассмотрел большое количество едва заметных отверстий вероятно призванных способствовать охлаждению м/с, но проку от них думаю не много.
Нужен радиатор. Не сразу, но сообразил, как его тут можно установить и главное закрепить по месту. Родился вот этот эскиз – руководство по изготовлению и установке радиатора. Материал, из которого изготавливается непосредственно радиатор, любой с хорошей теплопроводностью (лучше медь или алюминий), толщиной 1 – 2 мм. Крепление радиатора – прижим делать толщиной 2 – 2,5 мм.
Что нашлось подходящее из того и сделал. Радиатор из алюминия, прижим из меди. Правда, подобного способа крепления ранее не встречал, но тем не менее в данной конструкции уверен. По любому лучше так, чем никак.
На место (корпус микросхемы) встаёт без проблем – ровно и устойчиво. Перед установкой смазал термопастой. Винт прижима закрутил до хорошего упора и не более того.
Крутить такой подстроечник отвёрткой хлопотно, поэтому по диаметру головки винта подобрал нечто подобие ручки. А ещё очень кстати тут будет миниатюрный вольтметр, опять же из Китая. Диапазон измерений постоянного тока 2.5-30 В, точность измерения 1% (+/-1 цифра), размеры 23x15x10 мм. В качестве источника питания взял ИБП от телефона – факса, выходное напряжение 24 вольта, ток до 0,5 ампера. У него на выходе изначально имелся переменный подстроечный резистор позволяющий изменять выходное напряжение на несколько вольт. Поставил вместо подстроечника 5 кОм переменный резистор 10 кОм, один из прилегающих к нему постоянных резисторов смд 4,7 кОм менял в разных вариантах уменьшения их сопротивления. Ниже 3,3 кОм наблюдался полный срыв генерации, от 3,3 до 4 кОм генерация нестабильная. Так, что можно смело сказать, имел напрасные хлопоты. К нему на выход подключил рассмотренный выше регулятор напряжения, на выход которого в свою очередь вольтметр. А для контроля того, что на нём увижу — проверенный мультиметр.
Видео
Всё работает. Разница с мультиметром 0,1 В, «пропало» в итоге 2 вольта (вместо 24 имеем 22 В). Это нормально. При этом замечу, что схема с многооборотным подстроечником подходит только для того, чтобы периодически устанавливать нужное выходное напряжение, а для постоянной регулировки необходим нормальный переменный резистор. Так что менять однозначно. Наглядной пробой изменения выходного напряжения ИБП при помощи китайского регулятора доволен. Обязательно воплощу полученный опыт в изготовление мобильного лабораторного импульсного БП со всеми регулировками. Автор Babay iz Barnaula.
Обсудить статью КАК СДЕЛАТЬ РЕГУЛИРУЕМЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ БП
