Собираем импульсный блок питания своими руками: пошаговая инструкция и схемы

Нередко радиолюбителям для электроснабжения схем и устройств от сети приходится сооружать импульсный блок питания своими руками.

Пошаговая инструкция позволит понять, как работают импульсные БП, которые предпочтительны в использовании, компактны, но сложнее устроены, чем обычные трансформаторные.

Устройство

Как и в обычном БП, в импульсном основными узлами являются трансформатор и выпрямитель.

Принцип работы блока питания

Функция устройства состоит в двух действиях:

1. преобразование сетевого напряжения, обычно до 12 или 24 В;
2. выпрямление переменного тока.

В импульсном БП помимо упомянутых узлов присутствует еще т.н. инвертор: схема, преобразующая постоянный ток в переменный с частотой, намного превышающей сетевую — десятки кГц.

Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?

Мощность блока питания ограничивается габаритной мощностью импульсного трансформатора, максимально допустимым током ключевых транзисторов и величиной радиатора охлаждения, если он используется.

Блок питания небольшой мощности можно построить, намотав вторичную обмотку прямо на каркас уже имеющегося дросселя.

В случае если окно дросселя не позволяет намотать вторичную обмотку или если требуется построить блок питания мощностью, значительно превышающей мощность КЛЛ, то понадобится дополнительный импульсный трансформатор.

Если требуется получить блок питания мощностью свыше 100 Ватт, а используется балласт от лампы на 20-30 Ватт, то, скорее всего, придётся внести небольшие изменения и в схему электронного балласта.

В частности, может понадобиться установить более мощные диоды VD1-VD4 во входной мостовой выпрямитель и перемотать входной дроссель L0 более толстым проводом. Если коэффициент усиления транзисторов по току окажется недостаточным, то придётся увеличить базовый ток транзисторов, уменьшив номиналы резисторов R5, R6. Кроме этого придётся увеличить мощность резисторов в базовых и эмиттерных цепях.

Если частота генерации окажется не очень высокой, то возможно придётся увеличить емкость разделительных конденсаторов C4, C6.

Вернуться наверх к меню

Схема

Импульсный БП состоит из следующих функциональных блоков:

• фильтр. Не пропускает помехи из сети и обратно (генерируются самим БП);
• выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Обычный диодный мост, дает на выходе почти ровное (с низким коэффициентом пульсаций) постоянное напряжение, равное действующему значению переменного селевого напряжения — 311 В;
• инвертор. Состоит из быстро переключающихся силовых ключевых транзисторов и управляющей ими микросхемы. На выходе дает прямоугольный переменный ток. Процесс преобразования в инверторе называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а микросхему — ШИМ-контроллером. В рабочем режиме реализована обратная связь, потому в зависимости от мощности подключенной к БП загрузки, контроллер регулирует продолжительность открытия транзисторов, то есть ширину импульсов. Также благодаря обратной связи, компенсируются скачки напряжения на входе и броски, обусловленные коммутацией мощных потребителей. Это обеспечивает высокое качество выходного напряжения;
• импульсный высокочастотный трансформатор. Понижает напряжение до требуемых 12 или 24 В;
• выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Преобразует высокочастотное переменное напряжение в постоянное.

Дроссель переменного тока

Основной элемент сетевого фильтра — дроссель. Его сопротивление (индуктивное) возрастает с увеличением частоты тока, потому высокочастотные помехи нейтрализуются, а ток частотой 50 Гц проходит свободно. Дроссель работает тем эффективнее, чем больше размеры магнитопровода, толщина проволоки и больше витков. Дополнительно установленные конденсаторы улучшают фильтрацию, закорачивая высокочастотные помехи и отводя их на «землю».

Также емкостные сопротивления не позволяют в/ч помехам, генерируемым БП, поступать в сеть. Высокочастотный трансформатор отличается от обычного материалом магнитопровода: используются ферриты или альсифер. Выпрямитель после трансформатора собирается на диодах Шоттки, отличающихся высоким быстродействием.

Существует два способа генерации высокочастотного переменного тока:

1. однотактная схема. Применяется в БП небольшой мощности — до 50 Вт (зарядки телефонов, планшетов и т.п.). Конструкция простая, но у нее велика амплитуда напряжения на первичной обмотке трансформатора (защищается резисторами и конденсаторами);
2. двухтактная схема. Сложнее в устройстве, но выигрывает в экономичности (выше КПД). Двухтактная схема делится на три разновидности:
3. двухполярная. Отличается от предыдущей присутствием 2-х дополнительных диодов и сглаживающего конденсатора. Реализован обратноходовый принцип работы. Такие схемы широко применяются в усилителях мощности. Важная особенность: продлевается срок службы конденсаторов за счет того, что через них протекают меньшие токи;
4. прямоходовая. Используется в БП большой мощности (В ПК и т.п. устройствах). Выделяется наличием габаритного дросселя, накапливающего энергию импульсов ШИМ (направляются на него через два диода, обеспечивающих одинаковую полярность).

2-тактные БП отличаются схемой силового каскада, есть три модификации:

1. полумостовая: чувствительна к перегрузкам, потому требуется сложная защита;
2. мостовая: более экономична, но сложна в наладке;
3. пушпульная. Наиболее экономична и потому весьма востребована, особенно в мощных БП. Отличается присутствием среднего вывода у первичной и вторичной обмоток трансформатора. В течение периода работает то одна, то другая полуобмотка, подключаемая соответствующим ключевым транзистором.

Стабилизации выходного напряжения добиваются следующими способами:

• применением дополнительной обмотки на трансформаторе. Это самый простой способ, но и наименее действенный. Снимаемое с нее напряжение корректирует сигнал на первичной обмотке;
• применением оптопары. Это более эффективный способ. Основные элементы оптопары — светодиод и фототранзистор. Схема устроена так, что протекающий через светодиод ток пропорционален выходному напряжению. Свечение диода управляет работой фототранзистора, подающего сигналы ШИМ-контроллеру.

Таким образом, в данной методике контролируется непосредственно напряжение на вторичной обмотке, при этом отсутствует гальваническая связь с генератором ключевого каскада.

При подключении последовательно с оптопарой стабилитрона качество стабилизации становится еще выше.

Блок питания мощностью 20 Ватт.

Блок питания мощностью, близкой к мощности исходной КЛЛ, можно собрать, даже не мотая отдельный трансформатор. Если у оригинального дросселя есть достаточно свободного места в окне магнитопровода, то можно намотать пару десятков витков провода и получить, например, блок питания для зарядного устройства или небольшого усилителя мощности.

На картинке видно, что поверх имеющейся обмотки был намотан один слой изолированного провода. Я использовал провод МГТФ (многожильный провод во фторопластовой изоляции). Однако таким способом можно получить мощность всего в несколько Ватт, так как большую часть окна будет занимать изоляция провода, а сечение самой меди будет невелико.

Если требуется бо’льшая мощность, то можно использовать обыкновенный медный лакированный обмоточный провод.

Внимание! Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При описанной выше доработке, обязательно побеспокойтесь о надёжной межобмоточной изоляции, особенно, если вторичная обмотка мотается обычным лакированным обмоточным проводом. Даже если первичная обмотка покрыта синтетической защитной плёнкой, дополнительная бумажная прокладка необходима!

Как видите, обмотка дросселя покрыта синтетической плёнкой, хотя часто обмотка этих дросселей вообще ничем не защищена.

Наматываем поверх плёнки два слоя электрокартона толщиной 0,05мм или один слой толщиной 0,1мм. Если нет электрокартона, используем любую подходящую по толщине бумагу.

Поверх изолирующей прокладки мотаем вторичную обмотку будущего трансформатора. Сечение провода следует выбирать максимально возможное. Количество витков подбирается экспериментальным путём, благо их будет немного.

Мне, таким образом, удалось получить мощность на нагрузке 20 Ватт при температуре трансформатора 60ºC, а транзисторов – 42ºC. Получить ещё большую мощность, при разумной температуре трансформатора, не позволила слишком малая площадь окна магнитопровода и обусловленное этим сечение провода.

На картинке действующая модель БП.

Мощность, подводимая к нагрузке – 20 Ватт. Частота автоколебаний без нагрузки – 26 кГц. Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 32 кГц Температура трансформатора – 60ºС Температура транзисторов – 42ºС

Вернуться наверх к меню

Пошаговая инструкция

Процесс изготовления импульсного БП выглядит так:

• выполняют расчет изделия в онлайн-калькуляторе (публикуются на многих сайтах) или специальной программе. В зависимости от желаемых характеристик БП, ПО подберет параметры всех элементов: конденсаторов, транзисторов, дросселей и пр.;
• закупают все радиодетали;
• в пластине текстолита в соответствии со схемой и размерами элементов высверливают отверстия. Далеко не всегда удается добиться желаемых характеристик с первого раза, ввиду чего схему приходится дополнять компенсаторами и прочими элементами. Необходимо оставить для них место на плате;
• на схеме выбирают точки входа, помеченные символами «АС», припаивают предохранитель и далее один за другим все элементы согласно схеме;
• выполняют проверку.

Важно найти подходящую схему и правильно рассчитать параметры элементов.

ИБП на микросхеме

Выпускается множество микросхем с функцией ШИМ-контроллера. Далее рассматривается несколько схем с использованием самых популярных из них.

TL494

Поскольку встроенные ключи данной микросхемы не обладают мощностью, достаточной для непосредственного управления силовыми транзисторами инвертора (T3 и T4), вводится промежуточное звено из трансформатора TR1 (управляющего) и транзисторов T1, T2.

Схема на микросхеме TL494

Если в наличии есть старый БП от компьютера, управляющий трансформатор можно взять оттуда. Состав обмоток оставляют без изменений. В качестве силовых рекомендуется использовать биполярные транзисторы MJT13009 — схема окажется более надежной. При использовании транзисторов MJE13007, рассчитанных на меньший ток, схема будет рабочей, но слишком чувствительной к перегрузкам.

Дроссели L5, L6 также извлекаются из поломанного компьютерного БП. Первый перематывают, поскольку в оригинальном исполнении он рассчитан на несколько уровней напряжения. На желтый магнитопровод (другие не подойдут) в виде кольца наматывают около 50 витков медного провода диаметром 1,5 мм. Силовые транзисторы T3, T4 и диод D15 в процессе работы сильно греются, потому устанавливаются на радиаторы.

IR2153

Из всех микросхем эта стоит дешевле всего, потому многие предпочитают собирать БП на ней. Здесь драйвер подключен не к шине +310 В, а через резистор к сети. При таком подключении снижена выделяемая на резисторе мощность.

Схема на микросхеме IR2153

В схеме предусмотрены:

1. ограничение пускового тока (мягкий старт или софт-старт). Компонент запитан от сети через гасящий конденсатор С2;
2. защита от короткого замыкания и перегрузки. Сопротивление R11 используется как датчик тока. Ток срабатывания защиты регулируется подстроечным сопротивлением R10.

О срабатывании защиты сообщает светодиод HL1. Напряжение на выходе — до 70 В, с двоякой полярностью. Число витков на первичной обмотке импульсного трансформатора — 50, на каждой из 4-х вторичных — 23. Выбор сечения проводов в обмотках и типа сердечника зависит от желаемой мощности.

UC3842

Еще одна недорогая микросхема, при этом весьма надежная и потому очень популярная. При включении ток, заряжающий конденсатор С2, ограничивается терморезистором R1.

Схема на микросхеме UC3842

Сопротивление последнего в этот момент составляет 4,7 Ом, затем по мере разогрева оно снижается на порядок, после чего данный элемент из схемы как бы «выключается». Стабилизация выходного напряжения — за счет обратной связи (петля «вторичная обмотка трансформатора Т1 – диод VD6 – конденсатор С8 – резистор R6 – диод VD5»).

Напряжение петли задается резистивным делителем R2 – R3. Цепочка «R4 – C5» — таймер для внутреннего генератора импульсов UC3842. ШИМ-контроллер и прочие микросхемы устанавливаются на пластинчатые радиаторы с площадью не менее 5 кв. см.

Достоинства и недостатки

Импульсный преобразователь имеет следующие достоинства:

1. Высокий показатель коэффициента стабилизации позволяет обеспечить условия питания, которые не будут вредить чувствительной электронике.
2. Рассматриваемые конструкции обладают высоким показателем КПД. Современные варианты исполнения имеют этот показатель на уровне 98%. Это связано с тем, что потери снижены до минимума, о чем говорит малый нагрев блока.
3. Большой диапазон входного напряжения – одно из качеств, из-за которого распространилась подобная конструкция. При этом, КПД не зависит от входных показателей тока. Именно невосприимчивость к показателю напряжения тока позволяет продлить срок службы электроники, так как в отечественной сети электроснабжения прыжки показателя напряжения частое явление.
4. Частота входящего тока оказывает влияние на работу только входных элементов конструкции.
5. Малые габариты и вес, также обуславливают популярность из-за распространения портативного и переносного оборудования. Ведь при использовании линейного блока вес и габариты увеличиваются в несколько раз.
6. Организация дистанционного управления.
7. Меньшая стоимость.

Есть и недостатки:

1. Наличие импульсных помех.
2. Необходимость включения в цепь компенсаторов коэффициента мощности.
3. Сложность самостоятельного регулирования.
4. Меньшая надежность из-за усложнения цепи.
5. Тяжелые последствия при выходе одного или нескольких элементов цепи.

Читать также: Какими гвоздями прибивать вагонку

Проверка

Проверяют самодельный импульсный БП так:

• подсоединяют выводы от микросхемы к лампе мощностью 40 Вт;
• подключают устройство к сети. Лампа при этом слабо мигнет;
• проверяют мультиметром соответствие выходного напряжения желаемому;
• проверяют мультиметром импульс на затворах ключей;
• замеряют напряжение постоянного тока на сглаживающих конденсаторах. В норме оно в 1,5 – 2 раза превышает переменное напряжение на диодном мосту.

При верном значении всех величин включают БП с полной нагрузкой.

Как правильно подключить импульсный блок питания к сети?

Для наладки импульсных блоков питания обычно используют вот такую схему включения. Здесь лампа накаливания используется в качестве балласта с нелинейной характеристикой и защищает ИБП от выхода из строя при нештатных ситуациях. Мощность лампы обычно выбирают близкой к мощности испытываемого импульсного БП.

При работе импульсного БП на холостом ходу или при небольшой нагрузке, сопротивление нити какала лампы невелико и оно не влияет на работу блока. Когда же, по каким-либо причинам, ток ключевых транзисторов возрастает, спираль лампы накаливается и её сопротивление увеличивается, что приводит к ограничению тока до безопасной величины.

На этом чертеже изображена схема стенда для тестирования и наладки импульсных БП, отвечающая нормам электробезопасности. Отличие этой схемы от предыдущей в том, что она снабжена разделительным трансформатором, который обеспечивает гальваническую развязку между исследуемым ИБП и осветительной сети. Выключатель SA2 позволяет блокировать лампу, когда блок питания отдаёт большую мощность.

А это уже изображение реального стенда для ремонта и наладки импульсных БП, который я изготовил много лет назад по схеме, расположенной выше.

Важной операцией при тестировании БП является испытание на эквиваленте нагрузки. В качестве нагрузки удобно использовать мощные резисторы типа ПЭВ, ППБ, ПСБ и т.д. Эти «стекло-керамические» резисторы легко найти на радиорынке по зелёной раскраске. Красные цифры – рассеиваемая мощность.

Из опыта известно, что мощности эквивалента нагрузки почему-то всегда не хватает. Перечисленные же выше резисторы могут ограниченное время рассеивать мощность в два-три раза превышающую номинальную. Когда БП включается на длительное время для проверки теплового режима, а мощность эквивалента нагрузки недостаточна, то резисторы можно просто опустить в воду.

Будьте осторожны, берегитесь ожога!

Нагрузочные резисторы этого типа могут нагреться до температуры в несколько сотен градусов без каких-либо внешних проявлений!

То есть, ни дыма, ни изменения окраски Вы не заметите и можете попытаться тронуть резистор пальцами.

Вернуться наверх к меню