Импульсные источники питания, теория и простые схемы

Устройство импульсных источников питания

Входное напряжение выпрямляется. Процесс осуществляет диодный мост, реже одиночный диод. Затем напряжение нарезается импульсами, здесь литература бодро переходят к описанию трансформатора. Читателей наверняка мучает вопрос – как работает чоппер (устройство, формирующее импульсы). На основе микросхемы, питающейся непосредственно сетевым напряжением 230 вольт. Реже специально ставится стабилитрон (стабилизатор параллельного типа).

Микросхема формирует импульсы (20 – 200 кГц), сравнительно малой амплитуды, управляющие тиристором или иным полупроводниковым силовым ключом. Тиристор нарезает высокое напряжение импульсами, по гибкой программе, формируемой микросхемой генератора. Поскольку на входе действует высокое напряжения, нужна защита. Генератор охраняется варистором, сопротивление которого резко падает при превышении порога, замыкая вредный скачок на землю. С силового ключа пачки импульсов поступают на малогабаритный высокочастотный трансформатор. Линейные размеры сравнительно невысоки. Для компьютерного блока питания мощностью 500 Вт умещается детской ладонью.

Полученное напряжения вновь выпрямляется. Используются диоды Шоттки, спасибо низкому падению напряжения перехода металл-полупроводник. Спрямленное напряжение фильтруется, подается потребителям. Благодаря наличию множества вторичных обмоток достаточно просто получаются номиналы различной полярности и амплитуды. Рассказ неполон без упоминания цепи обратной связи

Выходные напряжения сравниваются с эталоном (например, стабилитрон), происходит подстройка режима генератора импульсов: от частоты, скважности зависит передаваемая мощность (амплитуда). Изделия считаются сравнительно неприхотливыми, могут функционировать в широком диапазоне питающих напряжений

Корпусной блок питания

Технология носит название инверторной, используется сварщиками, микроволновыми печами, индукционными варочными панелями, адаптерами сотовых телефонов, iPad. Компьютерный блок питания работает подобным образом.

Чем отличается от трансформаторного блока питания

Блок-схемы трансформаторного и импульсного блоков питания

Как работает трансформаторный блок питания

В линейном блоке питания основное преобразование происходит при помощи трансформатора. Его первичная обмотка рассчитана под сетевое напряжение, вторичная обычно понижающая. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П. Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.

Следующий блок — выпрямитель, на котором синусоида сглаживается, превращается в пульсирующее напряжение. Этот блок выполнен на основе выпрямительных диодов. Диод может стоять один, может быть установлен диодный мост (мостовая схема). Разница между ними — в частоте импульсов, которые получаем на выходе. Дальше стоит стабилизатор и фильтр, придающие выходному напряжению нужный уровень и форму. На выходе имеем постоянное напряжение.

Самый простой линейный блок питания с двухполупериодным выпрямителем без стабилизации

Основной недостаток линейных источников питания — большие габариты. Они зависят от размеров трансформатора — чем выше требуется мощность, тем больше размеры блока питания. Нужен еще стабилизатор, который корректирует выходное напряжение, а это еще увеличивает габариты, снижает КПД. Зато это устройство не грозит помехами работающему рядом оборудованию.

Устройство импульсного блока питания и его принцип работы

В импульсном блоке питания преобразование сложнее. На входе стоит сетевой фильтр, задача которого не допустить в сеть высокочастотные колебания, вырабатываемые этим устройством. Они могут повлиять на работу рядом расположенных приборов. Сетевой фильтр в дешевых моделях стоит не всегда, и в этом зачастую кроется проблема с нестабильной работой каких-то устройств, которые мы часто списываем на «падение напряжения в сети».

Далее стоит сглаживающий фильтр, который выпрямляет синусоиду. Полученное на его выходе пилообразное напряжение подается на инвертор, преобразуется в импульсы, имеющие положительную и отрицательную полярность

Их параметры (частота и скважность) задаются при помощи блока управления. Частота обычно выбирается высокой — от 10 кГц до 50 кГц

Именно наличие этой ступени преобразования — генерации импульсов — и дало название этому типу преобразователей.

Блок-схема ИИП с формами напряжения в ключевых точках

Высокочастотные импульсы поступают на трансформатор, который является гальванической развязкой от сети. Трансформаторы эти небольшие, так как с возрастанием частоты сердечники нужны все меньше. Причем сердечник может быть набран из ферромагнитных пластин (в линейных БП должен быть из более дорогой электромагнитной стали).

На выходном выпрямителе биполярные импульсы превращаются в положительные, а выходной фильтр на их основе формирует постоянное напряжение. Основное достоинство ИБП в том, что существует обратная связь, которая позволяет регулировать работу устройства таким образом, чтобы напряжение на выходе было близко к идеалу. Это дает возможность получать стабильные параметры на выходе, независимо от того, что имеем на входе.

Достоинства и недостатки импульсных блоков питания

Для новичков не сразу становится понятным, почему лучше использовать импульсные выпрямители, а не линейные. Дело не только в габаритах и материалоемкости. Дело в более стабильных параметрах, которые выдают импульсные устройства. Качество напряжения на выходе не зависит от качества сетевого напряжения. Для наших сетей это актуально. Но не только это. Такое свойство позволяет использовать импульсный блок питания в сети разных стран. Ведь параметры сетевого напряжения в России, Англии и в некоторых странах Европы отличаются. Не кардинально, но отличается напряжение, частота. А зарядки работают в любой из них — практично и удобно.

Размер тоже имеет значение

Кроме того импульсники имеют высокий КПД — до 98%, что не может не радовать. Потери минимальны, в то время как в трансформаторных много энергии уходит на непродуктивный нагрев. Также ИБП меньше стоят, но при этом надежны. При небольших размерах позволяют получить широкий диапазон мощностей.

Но импульсный блок питания имеет серьезные недостатки. Первый — они создают высокочастотные помехи. Это заставляет ставить на входе сетевые фильтры. И даже они не всегда справляются с задачей. Именно поэтому некоторые устройства, особо требовательные к качеству электропитания, работают только от линейных БП. Второй недостаток — импульсный блок питания имеет ограничение по минимальной нагрузке. Если подключенное устройство обладает мощностью ниже этого предела, схема просто не будет работать.

Схема стабилизации напряжения: как работает

Правило №7: оптимальные условия для работы нагрузки при изменяющихся условиях эксплуатации обеспечивает принцип стабилизации вторичного напряжения.

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.

Работа аналоговых блоков питания

Предшественниками импульсных устройств долгое время были аналоговые блоки питания, оборудованные понижающим трансформатором. На рисунке упрощенной структурной схемы хорошо видно, что этот прибор установлен на самом входе. С помощью понижающего трансформатора амплитуда питающего напряжения преобразуется из сетевых 220 В до нужного значения.

После этого синусоидальный ток попадает в выпрямитель, где преобразуется в импульсный. Данная процедура осуществляется с помощью полупроводниковых выпрямительных элементов – диодов, подключенных по схеме диодного моста.

Следующим элементом является блок, состоящий из сглаживающего фильтра и стабилизатора. Сглаживание напряжения осуществляется конденсатором, имеющим соответствующую расчетную емкость. После выполняется стабилизация, чтобы избежать провалов напряжения в случае увеличения нагрузки. Данная схема приведена в очень упрощенном виде, поскольку в блоках питания 12В этого типа существуют дополнительные элементы в виде входного фильтра и защитных цепей, не оказывающих существенного влияния на общую функциональность устройства.

Основным ограничением использования трансформаторных блоков является их чрезмерная масса и габаритные размеры. Например, понижающий трансформатор 220/12 с номинальной мощностью 250 Вт весит примерно 4 кг, а его длина, ширина и высота составляют 125х124х89 мм. Данный фактор делает невозможным использование таких приборов в современных миниатюрных устройствах.

ПРИМЕНЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ

Источники вторичного напряжения инверторного типа используются повсеместно, как в быту, так и в промышленной технике. Перечень устройств и бытовых приборов, в которых реализована схема электропитания, работающая по принципу инверторного преобразователя:

• все виды компьютерной техники;
• телевизионная и звуковоспроизводящая аппаратура;
• пылесосы, стиральные машины, кухонная техника;
• источники бесперебойного электроснабжения различного назначения;
• системы видеонаблюдения, комплексы охранной сигнализации.

Исполнение инверторных источников зависит от условий эксплуатации и назначения. Блоки питания, встроенные в электроприбор, выполняются бескорпусными. Они могут располагаться внутри основного изделия на отдельной плате, или быть интегрированы в общую плату электроприбора.

Существуют источники электропитания для автономного применения, к ним могут подключаться различные потребители. Примером могут служить зарядные устройства, источники электропитания систем видеонаблюдения, охранной и пожарной сигнализации. Такие блоки питания размещаются в отдельном корпусе и комплектуются штекерами и проводами для подключения.

  *  *  *

2014-2020 г.г. Все права защищены.Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Как работают импульсные блоки питания

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.

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.

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.

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.

↑ Схема ИБП на полевых транзисторах

Ошибка. Диод VD1 включить наоборот!

Все намоточные данные трансформаторов приведены на рисунках. Диод VD1 Из особенностей

Константин (riswel)
Россия, г. Калининград
Список всех статей

Профиль riswel

C детства — музыка и электро/радио-техника. Перепаял множество схем самых различных по разным поводам и просто, — для интереса, — и своих, и чужих. За 18 лет работы в Северо-Западном Телекоме изготовил много различных стендов для проверки различного ремонтируемого оборудования. Сконструировал несколько, различных по функционалу и элементной базе, цифровых измерителей длительности импульсов. Более 30-ти рацпредложений по модернизации узлов различного профильного оборудования, в т.ч. — электропитающего. С давних пор все больше занимаюсь силовой автоматикой и электроникой.Почему я здесь? Да потому, что здесь все — такие же, как я. Здесь много для меня интересного, поскольку я не силен в аудио-технике, а хотелось бы иметь больший опыт именно в этом направлении.

Принцип работы ИБП

Большинство питающих устройств основаны на типовых схемах и имеют похожие неисправности. Если у человека есть хотя бы базовые знания в области электроники, то он может попытаться восстановить ИБП своими руками. Так как некоторые детали источника питания находятся под напряжением, даже при первичном осмотре необходимо быть осторожным.

В высоковольтных ИБП для преобразования переменного напряжения в постоянное используются диодные мосты. Также в конструкции блока питания предусмотрен сглаживающий конденсатор. Так как высокое напряжение преобразуется в импульсное с частотой от 10 до 100 кГц, то появилась возможность отказаться от использования крупногабаритных понижающих низкочастотных трансформаторов. Вместо них сейчас применяются импульсные устройства, отличающиеся небольшими размерами.

В низковольтных ИБП напряжение сначала снижается до необходимого значения, а затем выполняется его выпрямление, стабилизация и сглаживание. В результате удается получить тот показатель напряжения, который необходим для работы аппаратуры. Для повышения надежности устройств питания и получения стабильных параметров на выходе в их конструкции присутствуют различные управляющие схемотехнические решения.

Ремонт БП телевизора

Перед ремонтом телевизионного БП полезно обзавестись его схемой. Принцип работы у этих БП тот же, что и у любого другого. Но он производит несколько выходных напряжений, отчего процесс диагностики немного усложняется.

Схема импульсного источника питания телевизора

Еще одна трудность — наличие нескольких систем защиты при отклонениях U_вых. от нормы. Из-за них, симптомы многих поломок выглядят однообразно: БП вообще не подает признаков работоспособности.

Сегодня схему БП практически любого телевизора можно найти в интернете. На поломку блока питания указывает неработоспособность светодиода, обычно работающего в режиме ожидания. Если же он горит, причину ищут в другом.

В рамках диагностики проверяют следующие элементы:

предохранитель. Если за ним напряжение отсутствует, деталь меняют;

балластные сопротивления. Их обрыв — возможная причина неисправности;

сглаживающие конденсаторы высоковольтного и низковольтного выпрямителей. Возможен пробой;

дроссель LC-фильтра низковольтного выпрямителя. Возможны обрыв и межвитковое замыкание. Если данная модель БП встречается редко, и найти аналогичный дроссель в продаже не удается, его перематывают самостоятельно из провода того же сечения

Важно соблюсти правильное количество витков;

диоды выпрямителей. Чаще выходят из строя полупроводники высоковольтного преобразователя, поскольку они работают под высоким напряжением

В отличие от перечисленных выше радиодеталей, диоды для диагностики приходится выпаивать.

Проверить на работоспособность микросхему инвертора в домашних условиях нельзя. О ее неисправности судят по косвенным признакам: если нормальное состояние всех прочих элементов подтверждено, а БП все равно не работает.

Если предохранитель цел, проверяют напряжение на выходе высоковольтного выпрямителя, интересуют параметры:

• значение;
• амплитуда пульсаций (определяется осциллографом).

Нормальное показатели — от 280 до 320 В. При низких значениях проверяют диоды. Высокая амплитуда пульсаций свидетельствует о неисправности сглаживающего конденсатора или обрыве выпрямителя.

Если напряжение в норме, проверяют характер неисправности, возможны два варианта:

1. БП вообще не включается;
2. пытается включиться, но отключается системой блокировки (реагирует на заниженное или повышенное выходное напряжение).

Снова применяют осциллограф. Его вход подсоединяют к выводу ключевого транзистора инвертора, подключенного к первичной обмотке трансформатора.

Заземляют прибор на «горячую землю» БП. Если при включении телевизора кнопкой питания на осциллографе появляется серия импульсов, это свидетельствует о попытках запуска. Значит, устройство блокируется одной из защит, например, от превышения анодного напряжения на кинескопе. Это помогает сузить круг поиска неисправности.

Если БП не пытается включиться, проверяют элементы инвертора. Например, замеряют напряжение на коллекторе ключевого транзистора. Оно должно быть таким же, что и на сглаживающем конденсаторе высоковольтного выпрямителя.

Отсутствие напряжения свидетельствует об обрыве первичной обмотки импульсного трансформатора. Заменив поврежденные радиодетали, продолжают проверку БП, включив вместо предохранителя лампочку накаливания мощностью 100 – 150 Вт.

При активации кнопки питания на телевизоре, лампочка ведет себя в соответствии с неисправностью адаптера:

1. вспыхивает и сразу гаснет, диод режима ожидания светится, на экране виден растр. Требуется проверка напряжения строчной развертки. Если оно завышено, проверяют и при необходимости меняют конденсаторы и оптронные пары;
2. зажглась и потухла, но светодиод не горит, и решетки на экране нет. Это свидетельствует о неработоспособности инвертора. Проверяют напряжение на сглаживающем конденсаторе высоковольтного выпрямителя. При заниженном значении, как уже говорилось, требуется проверка диодов и данного конденсатора;
3. горит особенно ярко. В этом случае БП сразу отключают от сети и еще раз проверяют работоспособность всех элементов.

Ремонт телевизора

О неисправности телевизионного модуля питания прежде всего свидетельствует отсутствие свечение диода «спящего» режима. Первыми ремонтными операциями являются:

проверка на целостность (отсутствие обрыва) питающего шнура напряжения;
разборка телевизионного приемника и освобождение электронной платы;
осмотр платы блока питания, на наличие внешне неисправных деталей (вздувшихся конденсаторов, пригоревших мест на печатной плате, лопнувших корпусов, обугленной поверхности резисторов);
проверка мест пайки, при этом особое внимание уделяется пропайке контактов импульсного трансформатора.

Если визуально установить дефектную деталь не удалось, то необходимо последовательно проверить работоспособность предохранителя, диодов, электролитических конденсаторов и транзисторов. К сожалению, если вышли из строя управляющие микросхемы, установить их неисправность можно только косвенным способом – когда при полностью исправных дискретных элементах работоспособное состояние блока питания не наступает.

В практике ремонта имеют место случаи, когда модуль питания не работает (не запускается) а предохранитель не сгорел. Это может свидетельствовать о пробое (перегорании) транзистора генератора высокочастотных импульсов.

Наиболее частыми причинами неработоспособности телевизионных блоков является:

• обрыв балластных сопротивлений;
• неработоспособность (короткое замыкание) Высоковольтного фильтрующий конденсатор;
• неисправность конденсаторов фильтров вторичного напряжения;
• пробой или перегорание выпрямительных диодов.

Проверку всех этих деталей (кроме выпрямительных диодов) можно произвести, не выпаивая их из платы. Если удалось определить неисправную деталь, то ее заменяют и приступают к проверке выполненного ремонта. Для этого на место предохранителя устанавливают лампу накаливания и включают устройство в сеть.

Здесь возможны несколько вариантов поведения отремонтированного устройства:

1. Лампочка вспыхивает и притухает, загорается светодиод спящего режима, на экране появляется растр. В этой ситуации в первую очередь замеряют напряжение строчной развёртки. При его завышенной величине необходимо проверить и заменить гарантированно исправными электролитические конденсаторы. Аналогичная ситуация проявляется при неисправности оптронных пар.
2. Если лампочка вспыхивает и гаснет, светодиод не загорается, растр отсутствует значит не запускается генератор импульсов. В этом случае проверяется уровень напряжения на электролитическом конденсаторе фильтра высоковольтной части. Если оно ниже 280,0…300,0 вольт, то наиболее вероятны следующие неисправности:
   • пробит один из диодов выпрямительного моста;
   • велика утечка конденсатор (конденсатор «состарился»).

   Если напряжение отсутствует необходим повторно проверить целостность цепей питания и всех диодов выпрямителя высокого напряжения.

3. Если свечение лампочки велико, необходимо тут же отключить модуль питания от сети и заново провести проверку всех электронных деталей.

Вышеперечисленная последовательность и схема проверки позволяют выявить основные неисправности питающего устройства телевизионного приемника.

Примечания и советы

1. Если мощность всего около 200 Вт, то резистор, задающий порог защиты R10, должен быть 0,33 Ом 5 Вт. Если он будет в обрыве, или сгорит, сгорят все транзисторы, а также микросхема.
2. Сетевой конденсатор выбирается из расчета: 1-1,5 мкФ на 1 Вт мощности блока.
3. В данной схеме частота преобразования примерно 63 кГц, и в ходе эксплуатации, наверное, лучше для кольца марки 2000НМ, частоту уменьшить до 40-50 кГц, так как предельная частота, на которой кольцо работает без нагрева – 70-75 кГц. Не стоит гнаться за большой частотой, для данной схемы, и кольца марки 2000НМ, будет оптимально 40-50 кГц. Слишком большая частота приведет к коммутационным потерям на транзисторах и значительных потерях на трансформаторе, что вызовет его значительный нагрев.
4. Если у вас на холостом ходу при правильной сборке греется трансформатор и ключи, попробуйте снизить емкость конденсатора снаббера С10 с 1 нФ до 100-220 пкФ. Ключи нужно изолировать от радиатора. Вместо R1 можно использовать термистор с БП АТХ.

Вот конечные фото проекта блока питания:

​

Всем удачи! Специально для Радиосхем — с вами был Alex Sky.