Простой импульсный блок питания своими руками схема: Схема импульсного блока питания и его сборка своими руками

Содержание

Простая схема импульсного блока питания

Как работает простой и мощный импульсный блок питания

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

частотно-импульсным;
фазо-импульсным;
широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется U_П пилообразной формы, поступающее на вход компаратора К_ШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал U_УС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности U_П (опорное напряжение) и U_РС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал U_УС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (U_OUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала U_РС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

различные виды зарядных устройств; Зарядки и внешние БП
внешние блоки питания;
электронный балласт для осветительных приборов;
БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
Транзистор VT1 – KT872A.
Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Простая схема импульсного блока питания

Импульсные источники питания (ИИП) обычно являются достаточно сложными устройствами, из-за чего начинающие радиолюбители стремятся их избегать. Тем не менее, благодаря распространению специализированных интегральных ШИМ-контроллеров, есть возможность конструировать достаточно простые для понимания и повторения конструкции, обладающие высокими показателями мощности и КПД. Предлагаемый блок питания имеет пиковую мощность около 100 Вт и построен по топологии flyback (обратноходовой преобразователь), а управляющим элементом является микросхема CR6842S (совместимые по выводам аналоги: SG6842J, LD7552 и OB2269).

Внимание! В некоторых случаях для отладки схемы может понадобится осциллограф!

Технические характеристики

Размеры блока: 107х57х30 мм (размеры готового блока с Алиэкспресс, возможны отклонения).
Выходное напряжение: версии на 24 В (3-4 А) и на 12 В (6-8 А).
Мощность: 100 Вт.
Уровень пульсаций: не более 200 мВ.

На Али легко найти множество вариантов готовых блоков по этой схеме, например, по запросам вида «Artillery power supply 24V 3A», «Блок питания XK-2412-24», «Eyewink 24V switching power supply» и тому подобным. На радиолюбительских порталах данную модель уже окрестили «народной», ввиду простоты и надёжности. Схемотехнически варианты 12В и 24В различаются незначительно и имеют идентичную топологию.

Обратите внимание! В данной модели БП у китайцев весьма высок процент брака, поэтому при покупке готового изделия перед включением желательно тщательно проверять целостность и полярность всех элементов. В моём случае, например, диод VD2 имел неверную полряность, из-за чего уже после трёх включений блок сгорел и мне пришлось менять контроллер и ключевой транзистор.

Подробно методология проектирования ИИП вообще, и конкретно этой топологии в частности, тут рассматриваться не будет, ввиду слишком большого объёма информации — см. отдельные статьи.

Далее подробно разберём назначение элементов в схеме.

Импульсный блок питания мощностью 100Вт на контроллере CR6842S.

Назначение элементов входной цепи

Рассматривать схему блока будем слева-направо:

F₁	Обычный плавкий предохранитель.
5D-9	Терморезистор, ограничивает бросок тока при включении блока питания в сеть. При комнатной температуре имеет небольшое сопротивление, ограничивающее броски тока, при протекании тока разогревается, что вызывает снижение сопротивления, поэтому в дальнейшем не влияет на работу устройства.
C₁	Входной конденсатор, для подавления несимметричной помехи. Ёмкость допустимо немного увеличить, желательно чтобы он был помехоподавляющим конденсатором типа X2 или имел большой (10-20 раз) запас по рабочему напряжению. Для надёжного подавления помех должен иметь низкие ESR И ESL.
L₁	Синфазный фильтр, для подавления симметричной помехи. Состоит из двух катушек индуктивности с одинаковым числом витков, намотанных на общем сердечнике и включенных синфазно.
KBP307	Выпрямительный диодный мост.
R₅, R₉	Цепочка, необходимая для запуска CR6842. Через неё осуществляется первичный заряд конденсатора C₄ до 16.5В. Цепь должна обеспечивать ток запуска не менее 30 мкА (максимум, согласно даташиту) во всём диапазоне входных напряжений. Также, в процессе работы посредством этой цепочки осуществляется контроль входного напряжения и компенсация напряжения при котором закрывается ключ — увеличение тока, втекающего в третий пин, вызывает понижение порогового напряжения закрытия ключа.
R₁₀	Времязадающий резистор для ШИМ. Увеличение номинала данного резистора уменьшит частоту переключения. Номинал должен лежать в пределах 16-36 кОм.
C₂	Сглаживающий конденсатор.
R₃, C₇, VD₂	Снабберная цепь, защищающая ключевой транзистор от обратных выбросов с первичной обмотки трансформатора. R₃ желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C₃	Конденсатор, шунтирующий межобмоточную ёмкость. В идеале должен быть Y-типа, либо же должен иметь большой запас (15-20 раз) по рабочему напряжению. Служит для уменьшения помех. Номинал зависит от параметров трансформатора, делать слишком большим нежелательно.
R₆, VD₁, C₄	Данная цепь, запитываясь от вспомогательной обмотки трансформатора образует цепь питания контроллера. Также данная цепь влияет на цикл работы ключа. Работает это следующим образом: для корректной работы напряжение на седьмом выводе контроллера должно находиться в пределах 12.5 — 16.5 В. Напряжение 16.5В на этом выводе является порогом, при котором происходит открытие ключевого транзистора и энергия начинает запасаться в сердечнике трансформатора (в это время микросхема питается от C₄). При понижении ниже 12.5В микросхема отключается, таким образом конденсатор C₄ должен обеспечивать питание контроллера пока из вспомогательной обмотки не поступает энергии, поэтому его номинала должно быть достаточно чтобы удерживать напряжение выше 12.5В пока ключ открыт. Нижний предел номинала C₄ следует рассчитывать исходя из потребления контроллера около 5 мА. От времени заряда данного конденсатора до 16.5В зависит время закрытого ключа и определяется оно током, который может отдать вспомогательная обмотка, при этом ток ограничивается резистором R₆. Кроме всего прочего, посредством данной цепи в контроллере предусмотрена защита от перенапряжения в случае выхода из строя цепей обратной связи — при превышении напряжения выше 25В контроллер отключится и не начнёт работать пока питание с седьмого пина не будет снято.
R₁₃	Ограничивает ток заряда затвора ключевого транзистора, а также обеспечивает его плавное открытие.
VD₃	Защита затвора транзистора.
R₈	Подтяжка затвора к земле, выполняет несколько функций. Например, в случае отключения контроллера и повреждения внутренней подтяжки данный резистор обеспечит быстрый разряд затвора транзистора. Также, при корректной разводке платы обеспечит более короткий путь тока разряда затвора на землю, что должно положительно сказаться на помехозащищённости.
BT₁	Ключевой транзистор. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R₇, C₆	Цепь служит для сглаживания колебаний напряжения на токоизмерительном резисторе.
R₁	Токоизмерительный резистор. Когда напряжение на нём превышает 0.8В контроллер закрывает ключевой транзистор, таким образом регулируется время открытого ключа. Кроме того, как уже говорилось выше, напряжение при котором будет закрыт транзистор также зависит от входного напряжения.
C₈	Фильтрующий конденсатор оптопары обратной связи. Допустимо немного увеличить номинал.
PC817	Опторазвязка цепи обратной связи. Если транзистор оптопары закроется это вызовет повышение напряжения на втором выводе контроллера. Если напряжение на втором выводе будет превышать 5.2В дольше 56 мс, это вызовет закрытие ключевого транзистора. Таким образом реализована защита от перегрузки и короткого замыкания.

В данной схеме 5-й вывод контроллера не используется. Однако, согласно даташиту на контроллер, на него можно повесить NTC-термистор, который обеспечит отключение контроллера в случае перегрева. Стабилизированный выходной ток данного вывода — 70 мкА. Напряжение срабатывания температурной защиты 1.05В (защита включится при достижении сопротивления 15 кОм). Рекомендуемый номинал термистора 26 кОм (при 27°C).

Параметры импульсного трансформатора

Поскольку импульсный трансформатор это один из самых сложных в проектировании элементов импульсного блока, расчёт трансформатора для каждой конкретной топологии блока требует отдельной статьи, поэтому подробного описания методологии тут не будет, тем не менее для повторения описываемой конструкции следует указать основные параметры используемого трансформатора.

Следует помнить, что одно из важнейших правил при проектировании — соответствие габаритной мощности трансформатора и выходной мощности блока питания, поэтому первым делом, в любом случае, выбирайте подходящие вашей задаче сердечники.

Чаще всего данная конструкция поставляется с трансформаторами, выполненными на сердечниках типа EE25 или EE16, либо аналогичных. Собрать достаточно информации по количеству витков в данной модели ИИП не удалось, поскольку в разных модификациях, несмотря на схожие схемы, используются различные сердечники.

Увеличение разницы в количестве витков ведёт к уменьшению потерь на переключение ключевого транзистора, но повышает требования к его нагрузочной способности по максимальному напряжению сток-исток (VDS).

Для примера, будем ориентироваться на стандартные сердечники типа EE25 и значение максимальной индукции Bmax = 300 мТ. В этом случае соотношение витков первой-второй-третьей обмотки будет равно 90:15:12.

Следует помнить, что указанное соотношение витков не является оптимальным и возможно потребуется корректировка соотношений по результатам испытаний.

Первичную обмотку следует наматывать проводником не тоньше 0.3мм в диаметре. Вторичную обмотку желательно выполнять сдвоенным проводом диаметром 1мм. Через вспомогательную третью обмотку течёт малый ток, поэтому провода диаметром 0.2мм будет вполне достаточно.

Описание элементов выходной цепи

Далее кратко рассмотрим выходную цепь источника питания. Она, в общем-то, совершенно стандартна, от сотен других отличается минимально. Интересна может быть лишь цепочка обратной связи на TL431, но её мы тут подробно рассматривать не будем, потому что про цепи обратной связи есть отдельная статья.

VD₄	Сдвоенный выпрямительный диод. В идеале подбирать с запасом по напряжениютоку и с минимальным падением. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R₂, C₁₂	Снабберная цепь для облегчения режима работы диода. R₂ желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C₁₃, L₂, C₁₄	Выходной фильтр.
C₂₀	Керамический конденсатор, шунтирующий выходной конденсатор C₁₄ по ВЧ.
R₁₇	Нагрузочный резистор, обеспечивающий нагрузку для холостого хода. Также через него разряжаются выходные конденсаторы в случае запуска и последующего отключения без нагрузки.
R₁₆	Токоограничивающий резистор для светодиода.
C₉, R₂₀, R₁₈, R₁₉, TLE431, PC817	Цепь обратной связи на прецизионном источнике питания. Резисторы задают режим работы TLE431, а PC817 обеспечивает гальваническую развязку.

Что можно улучшить

Вышеописанная схема обычно поставляется в готовом виде, но, если собирать схему самому, ничто не мешает немного улучшить конструкцию. Модифицировать можно как входные, так и выходные цепи.

Если в ваших розетках земляной провод имеет соединение с качественной землёй (а не просто ни к чему не подключен, как это часто бывает), можно добавить два дополнительных Y-конденсатора, соединённых каждый со своим сетевым проводом и землёй, между L₁ и входным конденсатором C₁. Это обеспечит симметрирование потенциалов сетевых проводов относительно корпуса и лучшее подавление синфазной составляющей помехи. Вместе с входным конденсатором два дополнительных конденсатора образуют т.н. «защитный треугольник».

После L₁ также стоит добавить ещё один конденсатор X-типа, с той же ёмкостью что у C₁.

Для защиты от импульсных бросков напряжения большой амплитуды целесообразно параллельно входу подключать варистор (например 14D471K). Также, если у вас есть земля, для защиты в случае аварии на линии электроснабжения, при которой вместо фазы и нуля фаза попадаётся на оба провода, желательно составить защитный треугольник из таких же варисторов.

Защитный треугольник на варисторах.

При повышении напряжения выше рабочего, варистор снижает своё сопротивление и ток течёт через него. Однако, ввиду относительно низкого быстродействия варисторов, они не способны шунтировать скачки напряжения с быстро нарастающим фронтом, поэтому для дополнительной фильтрации быстрых скачков напряжения желательно параллельно входу подключать также двунаправленный TVS-супрессор (например, 1.5KE400CA).

Опять же, при наличии земляного провода, желательно добавить на выход блока ещё два Y-конденсатора небольшой ёмкости, включенных по схеме «защитного треугольника» параллельно с C₁₄.

Для быстрой разрядки конденсаторов при отключении устройства параллельно входным цепям целесообразно добавить мегаомный резистор.

Каждый электролитический конденсатор желательно зашунтировать по ВЧ керамикой малой ёмкости, расположенной максимально близко к выводам конденсатора.

Ограничительный TVS-диод будет не лишним поставить также и на выход — для защиты нагрузки от возможных перенапряжений в случае проблем с блоком. Для 24В версии подойдёт, например 1.5KE24A.

Простая схема импульсного блока питания

Представляю самый простой миниатюрный импульсный блок питания, который может быть успешно повторён начинающим радиолюбителем. Он отличается надежностью, работает в широком диапазоне питающих напряжений, имеет компактные размеры.

Блок питания обладает относительно небольшой мощностью, в пределах 2-х ватт, зато он буквально неубиваемый, не боится даже долговремнных коротких замыканий.

Схема проще даже самых простых импульсных источников питания, к которым относятся зарядные устройства для мобильных телефонов.

Блок питания представляет собой маломощный импульсный источник питания автогенераторного типа, собранный всего на одном транзисторе. Автогенератор запитывается от сети через токоограничительный резистор R1 и однополупериодный выпрямитель в виде диода VD1.

Импульсный трансформатор имеет три обмотки, коллекторная или первичная, базовая обмотка и вторичная.

Важным моментом является намотка трансформатора, и на печатной плате и на схеме указаны начала обмоток, так что проблем возникнуть не должно. Расчетов не делал, а количество витков обмоток позаимствованы от трансформатора для зарядки сотовых телефонов, так как схематика почти та же, количество обмоток тоже. Первой мотается первичная обмотка, которая состоит из 200 витков, диаметр провода от 0,08 до 0,1 мм, затем ставиться изоляция и таким же проводом мотается базовая обмотка, которая содержит от 5 до 10 витков. Поверх мотаем выходную обмотку, количество ее витков зависит от того, какое напряжение вам нужно, по моим скромным подсчетам получается около 1 вольта на один виток.

Сердечник для трансформатора можно найти в нерабочих блоках питания от мобильных телефонов, светодиодных драйверов и прочих маломощных источников питания, которые как правило построены именно на базе однотактных схем, в состав которых входит нужный трансформатор.

Один момент — блок однотактный и между половинками сердечника должен быть немагнитный зазор, такой зазор имеется у сердечников с зарядных устройств сотовых телефонов. Зазор относительно небольшой (пол миллиметра хватит сполна). Если не находите трансформаторов с зазором, его можно сделать искусственным образом, подложив между половинками сердечника один слой офисной бумаги.

Готовый трансформатор собирают обратно, половинки сердечника стягиваются скажем скотчем либо намертво склеиваются суперклеем.

Схема не имеет стабилизации выходного напряжения и узлов защиты от коротких замыканий, но как не странно ей не страшны никакие короткие замыкания. При коротких замыканиях естественно повышается ток в первичной цепи, но он ограничивается ранее упомянутым резистором, и все лишнее рассеивается на резисторе в виде тепла, так что блок можно смело замыкать, даже долговременно. Такое решение снижает КПД источника питания в целом, но зато делает его буквально неубиваемым, в отличии от тех же самых зарядок для мобильных телефонов.

Резистор указанного номинала ограничивает входной ток на уровне 14, 5 мА, по закону ома, зная напряжение в сети легко можно рассчитать мощность, которая составляет в районе 3,3 ватт, это мощность на входе, с учетом кпд преобразователя выходная мощность будет процентов на 20-30 меньше этого. Увеличить мощность можно, для этого достаточно снизить сопротивление указанного резистора.

Силовой транзистор — это маломощный высоковольтный биполярный транзистор обратной проводимости, подойдут ключи типа MJE13001, 13003, 13005, более мощные ставить нет смысла, первого варианта вполне хватает.

На выходе схемы установлен выпрямитель на базе импульсного диода, для снижения потерь советую использовать диод шоттки, рассчитанный на ток 1А. Далее фильтрующий конденсатор, светодиодный индикатор включения и пара резисторов.

О недостатках схемы:

Ограничительный резистор на входе снижает кпд, не на много, но снижает, взамен он гарантирует безопасную работу блока;
Ограниченная выходная мощности — для того, чтобы на этой основе построить блок питания скажем ватт на 10-20, нужно снизит его сопротивление и увеличит мощност, чтобы нагрев не выходил за рамки, а это неудобно и увеличивает размеры блока питания в целом.

Но с другой стороны, схожие схемы применяются там, где нужна мощность в пределах 3-5 ватт, например в моем случае блок предназначен для питания небольшого кулера, поэтому мощность ограничена в пределах 2-х ватт.

Области применения — их очень много, так, как блок имеет гальваническую развязку от сети, следовательно, он безопасен и его выходное напряжение никак не связано с сетью. Отличный вариант для запитки светодиодов, вентиляторов охлаждения, питания каких-то маломощных схем и многое другое.

Схема импульсного блока питания

Схема импульсного блока питания — 4 рабочие схемы

Схема импульсного блока питания, но не одна, а сразу четыре. В этом материале будет представлено вам несколько схем импульсных источников питания, выполненных на популярной и надежной микросхеме IR2153. Все эти проекты были разработаны известным пользователем Nem0. Поэтому я здесь буду писать от его имени. Показанные здесь все схематические решения были пару лет назад лично автором собраны и протестированы.

Но вот сейчас, в середине 2018 года, автор решил вновь предложить их вам для повторения, схемы абсолютно рабочие. В данной статье к сожалению не каждая схема имеет для наглядности фото уже готового прибора, но это пока все, что есть.

В общем начнем пока с так называемого «высоковольтного» блока питания:

Схема традиционная, которую использует Nem0 в большинстве своих конструкций импульсников. Драйвер получает питание напрямую от электросети через сопротивление. Это в свою очередь способствует уменьшению рассеиваемой на этом сопротивлении мощности, сравнительно с подачей напряжения от цепи 310v. Схема импульсного блока питания располагает функцией плавного включения напряжения, что существенно ограничивает пусковой ток. Модуль плавного пуска запитывается через конденсатор С2 понижающий сетевое напряжение 230v.

В блоке питания предусмотрена эффективная защита предотвращения короткого замыкания и пиковой нагрузки во вторичном силовом тракте. Роль датчика тока выполняет постоянный резистор R11, а регулировку тока срабатывания защиты выполняется с помощью подстроечника R10. Во время отсечки тока защитой, начинает светится светодиод, сигнализирующий о том, что защита сработала. Выходное двух полярное выпрямленное напряжение составляет +/-70v.

Трансформатор выполнен с одной первичной обмоткой, состоящей из пятидесяти витков, а 4 вторичные обмотки, содержат по двадцать три витка. Диаметр медной жилы и магнитопровод трансформатора расчитываются в зависимости от заданной мощности определенного блока питания.

Теперь рассмотрим следующий блок питания:

Эта версия блока питания во много схожа с описанной выше схемой, хотя в ней имеется существенное отличие. Дело в том, что здесь напряжение питания на драйвер поступает от специальной обмотки трансформатора, через балластный резистор. Все остальные компоненты в конструкции практически одинаковы.

Мощность на выходе этого источника питания обусловлено как характеристикой трансформатора и параметрами микросхемы IR2153, но и ресурсом диодов в выпрямителе. В данной схеме были задействованы диоды КД213А, у которых обратное максимальное напряжение 200v и прямой максимальный ток 10А. Для обеспечения корректной работы диодов при больших токах, их нужно устанавливать на радиатор.

Отдельного внимания заслуживает дроссель Т2. Наматывают его на совместном кольцевом магнитопроводе, в случае необходимости можно использовать другой сердечник. Намотка делается эмаль-проводом с сечением рассчитанным согласно току в нагрузке. Также и мощность импульсного трансформатора определяется в зависимости от того, какую выходную мощность вы хотите получить. Очень удобно делать расчеты трансформаторов с помощью специальных компьютерных калькуляторов.

Теперь третья схема импульсного блока питания на мощных полевых транзисторах IRFP460:

Этот вариант схемы уже имеет конкретную разницу относительно предыдущих моделей. Главные отличия, это система защиты от КЗ и перегруза здесь собрана с использованием трансформатора по току. И есть еще одна разница, это наличие в схеме пары предвыходных транзисторов BD140. Именно эти транзисторы дают возможность отрезать большую входную емкость мощных полевых ключей, относительно выхода драйвера.

Есть еще маленькое отличие, это гасящий напряжение резистор, относящейся к модулю плавного включения, установлен он в цепи 230v. В предыдущей схеме он расположен в силовом тракте +310v. Кроме этого в схеме имеется ограничитель перенапряжения, служащий для гашения остаточного импульса трансформатора. Во всем остальном никаких различий между приведенными выше схемами у этой больше нет.

Четвертая схема импульсника:

В этой схеме все упрощено до придела, здесь нет защиты от короткого замыкания, но собственно она не особо и нужна. В этом варианте блока питания, ток на выходе вторичной цепи 260v уменьшается на сопротивлении R6. Резистор R1 обрезает пиковый ток при пуске, а также сглаживает сетевые искажения.

Как сделать импульсный блок питания своими руками?

Если нет желания устанавливать громоздкий трансформатор или создавать намотку, можно своими руками собрать блок питания импульсного типа, который требует трансформатора всего с несколькими витками.

При этом, потребуется небольшое количество деталей, а работу можно выполнить за 1 час. В данном случае, основой для блока питания используется микросхема IR2151.

Для работы понадобятся следующие материалы и детали:

PTC термистор любого типа.
Пара конденсаторов, которые выбираются с расчетом 1мкф. на 1 Вт. При создании конструкции подбираем конденсаторы так, чтобы они вытянули 220 Вт.
Диодная сборка типа «вертикалка».
Драйвера типа IR2152, IR2153, IR2153D.
Полевые транзисторы типа IRF740, IRF840. Можно выбрать и другие, если у них хороший показатель сопротивления.
Трансформатор можно взять из старых компьютерных системных блоков.
Диоды, устанавливаемые на выходе, рекомендуется брать из семейства HER.

Кроме этого, понадобятся следующие инструменты:

Паяльник и расходные материалы.
Отвертка и плоскогубцы.
Пинцет.

Также, не стоит забывать и о необходимости хорошего освещения на месте работы.

Пошаговая инструкция

Сборка проводится согласно составленной схеме цепи. Микросхема была подобрана согласно особенностям цепи.

Сборка проводится следующим образом:

На входе устанавливаем PTC термистор и диодные мосты.
Затем, устанавливается пара конденсаторов.
Драйвера необходимы для регулирования работы затворов полевых транзисторов. При наличии у драйверов индекс D в конце маркировки устанавливать диод FR107 не нужно.
Полевые транзисторы устанавливаются без закорачивания фланцев. При проведении крепления к радиатору, используют специальные изоляционные прокладки и шайбы.
Трансформаторы устанавливаются с закороченными выводами.
На выходе диоды.

Проверка

Для того, чтобы правильно собрать блок питания, нужно внимательно отнестись к установке полярных элементов, а также следует быть осторожным при работе с сетевым напряжением. После отключения блока от источника питания, в цепи не должно оставаться опасного напряжения. При правильной сборке, последующая наладка не проводится.

Проверить правильность работы блока питания можно следующим образом:

Включаем в цепь, на выходе лампочка, к примеру,12 Вольт. При первом кратковременном пуске, лампочка должна гореть. Кроме этого, следует обратить внимание на то, что все элементы не должны нагреваться. Если что-то греется, значит, схема собрана неправильно.
При втором пуске замеряем значение тока при помощи тестера. Даем проработать блоку достаточное количество времени для того, чтобы убедиться в отсутствии нагревающихся элементов.

Кроме этого, нелишним будет проверка всех элементов при помощи тестера на наличие высокого тока после выключения питания.

Рекомендации по сборке:

Как ранее было отмечено, работа импульсного блока питания основана на обратной связи. Рассматриваемая схема не требует специальной организации обратной связи и различных фильтров по питанию.
Особое внимание следует уделить выбору полевых транзисторов. В данном случае, рекомендуются полевые транзисторы IR, которые славятся устойчивостью к тепловому разрешению. Согласно данным производителя, они могут стабильно работать до 150 градусов Цельсия. Однако, в этой схеме они не сильно нагреваются, что можно назвать весьма важной особенностью.
Если нагрев транзисторов происходит постоянно, следует устанавливать активное охлаждение. Как правило, оно представлено вентилятором.

Достоинства и недостатки

Импульсный преобразователь имеет следующие достоинства:

Высокий показатель коэффициента стабилизации позволяет обеспечить условия питания, которые не будут вредить чувствительной электронике.
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.
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.
Частота входящего тока оказывает влияние на работу только входных элементов конструкции.
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.
Организация дистанционного управления.
Меньшая стоимость.

Есть и недостатки:

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

Устройство и особенности работы

При рассмотрении особенностей работы импульсного блока, можно отметить следующие:

Сначала происходит выпрямление входного напряжения.
Выпрямленное напряжение в зависимости от предназначения и особенностей всей конструкции, перенаправляется в виде прямоугольного импульса высокой частоты и подается на установленный трансформатор или фильтр, работающий с низкими частотами.
Трансформаторы имеют небольшие размеры и вес при использовании импульсного блока по причине того, что повышение частоты позволяет повысить эффективность их работы, а также уменьшить толщину сердечника. Кроме этого, при изготовлении сердечника может использоваться ферромагнитный материал. При низкой частоте, можно использовать только электротехническую сталь.
Стабилизация напряжения происходит при помощи отрицательной обратной связи. Благодаря использованию данного метода, напряжение, подаваемое к потребителю, остается неизменным, несмотря на колебание входящего напряжения, и создаваемой нагрузки.

Обратная связь может быть организована следующим образом:

При гальванической развязке, используется оптрон или выход обмотки трансформатора.
Если не нужно создавать развязку, используется резисторный делитель напряжения.

Подобными способами выдерживается выходное напряжение с нужными параметрами.

Стандартные блоки импульсного питания, который может использоваться, к примеру, для регулирования выходного напряжения при питании светодиодной лампы, состоит из следующих элементов:

Часть входная, высоковольтная. Она, как правило, представлена генератором импульсов. Ширина импульса – основной показатель, оказывающий влияние на выходной ток: чем шире показатель, тем больше напряжение, и наоборот. Импульсный трансформатор стоит на разделе входной и выходной части, проводит выделение импульса.
На выходной части стоит PTC термистор. Он изготавливается из полупроводника, имеет положительный показатель коэффициента температуры. Данная особенность означает, что при повышении температуры элемента выше определенного значения, значительно поднимается показатель сопротивления. Используется в качестве защитного механизма ключа.
Низковольтная часть. С низковольтной обмотки проводится снятие импульса, выпрямление происходит при помощи диода, а конденсатор выступает в качестве фильтрующего элемента. Диодная сборка может провести выпрямление тока до значения 10А. Следует учитывать, что конденсаторы могут быть рассчитаны на различную нагрузку. Конденсатор проводит снятие оставшихся пиков импульса.
Драйвера проводят гашение возникающего сопротивления в цепи питания. Драйвера во время работы проводят поочередное открытие затворов установленных транзисторов. Работа происходит с определенной частотой
Полевые транзисторы выбирают с учетом показателей сопротивления и максимального напряжения при открытом состоянии. При минимальном значении, сопротивления значительно повышается КПД и уменьшается нагрев во время работы.
Трансформатор типовой для понижения.

С учетом выбранной схемы, можно приступать к созданию блока питания рассматриваемого типа.

МОЩНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ СЕТЕВОЙ ДВУХПОЛЯРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

Всем привет! После сборки усилителя на ТДА7294, сделал еще и инвертор, чтобы можно было питать от 12 В, то есть автомобильный вариант. После того как все сделал в плане УНЧ, был поставлен вопрос: чем теперь его питать? Даже для тех же тестов, или чтобы просто послушать? Думал обойдется все АТХ БП, но при попытке «навалить», БП надежно уходит в защиту, а переделывать как-то не очень хочется. И тут осенила мысль сделать свой, без всяких «прибамбасов» БП (кроме защиты разумеется). Начал с поиска схем, присматривался к относительно не сложным для меня схем. В итоге остановился на этой:

Схема ИБП для УМЗЧ

Нагрузку держит отлично, но замена некоторых деталей на более мощные позволит выжать из неё 400 Вт и более. Микросхема IR2153 — самотактируемый драйвер, который разрабатывался специально для работы в балластах энергосберегающих ламп. Она имеет очень малое потребление тока и может питаться через ограничительный резистор.

Сборка устройства

Начнем с травления платы (травление, зачистка, сверление). Архив с ПП скачайте тут.

Сначала прикупил некоторые отсутствующие детали (транзисторы, ирка, и мощные резисторы).

Кстати, сетевой фильтр полностью снял с БП от проигрывателя дисков:

Далее внимательно распаиваем детали на плате согласно схеме и ПП.

Теперь самое интересное в ИИП — трансформатор, хотя ничего сложного тут нету, просто надо понять, как его правильно мотать, и всего то. Для начала нужно знать, чего и сколько наматывать, для этого есть множество программ, однако самая распространённая и пользующаяся популярностью у радиолюбителей это – ExcellentIT. В ней мы и будем рассчитывать наш трансформатор.

Как видим, получилось у нас 49 витков первичная обмотка, и две обмотки по 6 витков (вторичная). Будем мотать!

Изготовление трансформатора

Так как у нас кольцо, скорее всего грани его будут под углом 90 градусов, и если провод мотать прямо на кольцо, возможно повреждение лаковой изоляции, и как следствие межвитковое КЗ и тому подобное. Дабы исключить этот момент, грани можно аккуратно спилить напильником, или же обмотать Х/Б изолентой. После этого можно мотать первичку.

После того как намотали, еще раз заматываем изолентой кольцо с первичной обмоткой.

Затем сверху мотаем вторичную обмотку, правда тут чуть сложней.

Как видно в программе, вторичная обмотка имеет 6+6 витков, и 6 жил. То есть, нам нужно намотать две обмотки по 6 витков 6 жилами провода 0,63 (можно выбрать, предварительно написав в поле с желаемым диаметром провода). Или еще проще, нужно намотать 1 обмотку, 6 витков 6 жилами, а потом еще раз такую же. Что бы сделать этот процесс проще, можно, и даже нужно мотать в две шины (шина-6 жил одной обмотки), так мы избегаем перекоса по напряжению (хотя он может быть, но маленький, и часто не критичный).

По желанию, вторичную обмотку можно изолировать, но не обязательно. Теперь после этого припаиваем трансформатор первичной обмоткой к плате, вторичную к выпрямителю, а выпрямитель у меня использован однополярный со средней точкой.

Расход меди конечно больше, но меньше потерей (соответственно меньше нагрева), и можно использовать всего одну диодную сборку с БП АТХ отслуживший свой срок, или просто нерабочий. Первое включение обязательно проводим с включённой в разрыв питания от сети лампочкой, в моем случае просто вытащил предохранитель, и в его гнездо отлично вставляется вилка от лампы.

Если лампа вспыхнула и погасла, это нормально, так как зарядился сетевой конденсатор, но у меня данного явления не было, либо из-за термистора, или из-за того, что я временно поставил конденсатор всего на 82 мкФ, а может все месте обеспечивает плавный пуск. В итоге если никаких неполадок нету, можно включать в сеть ИИП. У меня при нагрузке 5-10 А, ниже 12 В не просаживалось, то что нужно для питания авто усилителей!

Примечания и советы

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.
Сетевой конденсатор выбирается из расчета: 1-1,5 мкФ на 1 Вт мощности блока.
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.
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.

Обсудить статью МОЩНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ СЕТЕВОЙ ДВУХПОЛЯРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

Самодельный импульсный блок питания 12 вольт 2 ампера

Задумал я сделать импульсный блок питания на 12V 4A своими руками, выбрал схему, посоветовался с людьми на форуме, спаял.

В результате отладки выяснилось, что нагрузку 4А, данный самодельный блок питания, не сможет держать, но с 2А он справится отлично.

За основу взята схема дежурки пользователя Starichok51. Она получила дополнения, например, обзавелась фильтрами, а также, претерпела ряд изменений номиналов, позволяющих сделать блоки питания более мощным.

Трансформатор для данного импульсного блока питания я использовал с сердечником EI-28. У боковых частей E части было полное примыкание к I части, а у средней – имелся заводской зазор в 0,65 мм. Трансформатор пришлось перематывать несколько раз.

В первый раз обмотки были следующими: I – 46 витков (Ø – 0.36 мм), I I – 5 витков (Ø – 1 мм х 3), обратная связь – 4 витка (Ø – 0.22 мм). Индуктивность первичной обмотки — 490 uH. Вторичная обмотка и ОС находились между двумя половинами первичной. При этом был избыточный нагрев транзистора даже при малых нагрузках, напряжение ОС – выше необходимого.

Во второй раз перемотал трансформатор по совету пользователя Starichok51, из расчета на 12В 4А: I – 36 витков (Ø – 0.

36 мм), I I – 4 витков (Ø – 1 мм х 2), обратная связь – 2 витка (Ø – 0.36 мм). Индуктивность первичной обмотки – порядка 250 uH. Как и в первом случае, первичная обмотка разделена на две половины. Блок питания при таких обмотках запускался в узком диапазоне подбираемых деталей. Но даже в тот момент, когда он запускался, его работа была нестабильна и «прожорливой».

В третий раз перемотал трансформатор по своему усмотрению. Точнее, взял имеющийся кусок провода Ø 0.36 мм и намотал его весь. Получилось, что ко второй половине первичной обмотке добавил еще 26 витков. В сумме – первичная обмотка составляла 62 витка, проводом Ø – 0.36 мм. Индуктивность первичной обмотки – ориентировочно составила 850 uH. Блок питания начал вести себя более-менее адекватно.

Для достижения максимальной стабильности и производительности, начал подбирать номиналы R9+C5, R2, C7+R11. Те, на которых я остановился, указаны на схеме. Также, вместо транзистора C5027, запаивал C5763. У последнего оказался нагрев без радиатора на 2-3 градуса ниже.

В качестве радиатора использовал алюминиевую пластину, толщиной 2 мм и площадью 15 см², изогнутую таким образом, чтобы она поместилась в корпусе и не контактировала с остальными деталями. Транзистор посажен на теплопроводящую пасту.

L1 сделал самостоятельно. Его конструкцию подсмотрел из АТ компьютерного блока питания. В оригинальном исполнение кольцо имело внешний диаметр 17 мм, а ширину – 8 мм, обмотки имели по 18 витков Ø – 0.5 мм. Я подобрал кольцо, от материнской платы, похожее по габаритам, а в качестве проводов использовал часть витой пары. L2 – готовый дроссель (выпаянный не помню откуда). Сердечник L2 в высоту 20мм, Ø – 5 мм, обмотка – 18 витков Ø – 1 мм, индуктивность 3,9uH.

Привожу фотографию первой версии печатной платы с расположенной на ней элементами. Т.к. в процессе отладки, схема претерпела изменения, разводку печатной платы подправил под конечный результат. Разводку печатной платы данного самодельного блока питания 12V 2A в формате *.

lay6 можно скачать ЗДЕСЬ. Печатная плата разводилась под имеющийся в наличии корпус. Для дополнительного охлаждения элементов схемы, в корпусе просверлил вентиляционные отверстия.

Выражаю свою благодарность пользователям Starichok51 и Serj66610, которые принимали активное участие в процессе обсуждения отладки данного блока питания.

Делаем импульсный блок питания на UC3842 своими руками

При создании какого-либо устройства может возникнуть проблема создания простого и надежного источника питания. Один из вариантов — импульсный источник питания.

Сегодня много простых схем импульсных блоков питания на минимальном количестве не дефицитных элементов.

В статье, ниже предлагаем описание одного из вариантов простого импульсного блока питания на недорогой микросхеме UC3842.

Схема реализована на основе микросхемы UC3842. Эта микросхема получила широкое распространение, начиная со второй половины 90-х годов. На ней реализовано множество различных источников питания для телевизоров, факсов, видеомагнитофонов и другой техники. Такую популярность UC3842 получила благодаря своей малой стоимости, высокой надежности, простоте схемотехники и минимальной требуемой обвязке.

Принципиальная схема импульсного источника питания на мс UC3842 (КА3842)

На входе блока питания, расположен сетевой выпрямитель напряжения, включающий плавкий предохранитель FU1 на ток 5 А, варистор Р1 на 275 В для защиты блока питания от превышения напряжения в сети, конденсатор С1, терморезистор R1 на 4,7 Ом, диодный мост VD1…VD4 на диодах FR157 (2 А, 600 В) и конденсатор фильтра С2 (220 мкФ на 400 В). Терморезистор R1 в холодном состоянии имеет сопротивление 4,7 Ом, и при включении питания ток заряда конденсатора С2 ограничивается этим сопротивлением. Далее резистор разогревается за счет проходящего через него тока, и его сопротивление падает до десятых долей ома. При этом он практически не влияет на дальнейшую работу схемы.

Резистор R7 обеспечивает питание ИМС в период запуска блока питания. Обмотка II трансформатора Т1, диод VD6, конденсатор С8, резистор R6 и диод VD5 образуют так называемую петлю обратной связи (Loop Feedback), которая обеспечивает питание ИМС в рабочем режиме, и за счет которой осуществляется стабилизация выходных напряжений. Конденсатор С7 является фильтром питания ИМС. Элементы R4, С5 составляют времязадающую цепочку для внутреннего генератора импульсов ИМС.

Резистивный делитель R2, R3 задает напряжение, вырабатываемое петлей обратной связи, на входе усилителя ошибки, другими словами, определяет напряжение стабилизации. Элементы R5, С6 необходимы для компенсации. АЧХ усилителя ошибки. Резистор R9 — токоограничивающий, резистор R13 защищает полевой транзистор VT1 в случае обрыва резистора R9. Резистор R11 является измерительным для определения тока через транзистор VT1. Элементы R10, C10 образуют интегрирующую цепочку, через которую напряжение с резистора R11, являющееся эквивалентом тока через транзистор VT1, поступает на второй компаратор ИМС. Элементы VD7, R8, С9, VD8, С11 и R12 формируют требуемую форму импульсов, устраняют паразитную генерацию фронтов и защищают транзистор от мощных импульсов напряжения.

Трансформатор преобразователя намотан на ферритовом сердечнике с каркасом ETD39 фирмы Siemens+Matsushita. Этот набор отличается круглым центральным керном феррита и большим пространством для толстых проводов. Пластмассовый каркас имеет выводы для восьми обмоток. Намоточные данные трансформатора приведены в таблице, ниже:

Сборка трансформатора осуществляется с помощью специальных крепежных пружин. Следует обратить особое внимание на тщательность изоляции каждого слоя обмоток с помощью лакоткани, а между обмотками I, II и остальными обмотками следует проложить несколько слоев лакоткани, обеспечив надежную изоляцию выходной части схемы от сетевой. Обмотки следует наматывать способом «виток к витку», не перекручивая провода. Естественно, не следует допускать перехлеста проводов соседних витков и петель.

Выходная часть блока питания представлена на рисунке, ниже. Она гальванически развязана от входной части и включает в себя три функционально идентичных блока, состоящих из выпрямителя, LC-фильтра и линейного стабилизатора. Первый блок — стабилизатор на 5 В (5 А) — выполнен на ИМС линейного стабилизатора А2 SD1083/84 (DV, LT). Эта микросхема имеет схему включения, корпус и параметры, аналогичные МС КР142ЕН12, однако рабочий ток составляет 7,5 А для SD1083 и 5 А для SD1084.

Второй блок — стабилизатор +12/15 В (1 А) — выполнен на ИМС линейного стабилизатора A3 7812 (12 В) или 7815 (15 В). Отечественные аналоги этих ИМС — КР142ЕН8 с соответствующими буквами (Б, В), а также К1157ЕН12/15. Третий блок — стабилизатор -12/15 В (1 А) — выполнен на ИМС линейного стабилизатора. А4 7912 (12 В) или 7915 (15 В). Отечественные аналоги этих ИМС- К1162ЕН12Д5.

Резисторы R14, R17, R18 необходимы для гашения излишнего напряжения на холостом ходу. Конденсаторы С12, С20, С25 выбраны с запасом по напряжению ввиду возможного возрастания напряжения на холостом ходу. Рекомендуется использовать конденсаторы С17, С18, С23, С28 типа К53-1А или К53-4А. Все ИМС устанавливаются на индивидуальные пластинчатые радиаторы с площадью не менее 5 см2.

Конструктивно блок питания выполнен в виде одной односторонней печатной платы, установленной в корпус от блока питания персонального компьютера. Вентилятор и входные сетевые разъемы используются по назначению. Вентилятор подключен к стабилизатору + 12/15 В, хотя возможно сделать дополнительный выпрямитель или стабилизатор на +12 В без особой фильтрации.

Все радиаторы установлены вертикально, перпендикулярно выходящему через вентилятор воздушному потоку.

К выходам стабилизаторов подключены по четыре провода длиной 30…45 мм, каждый комплект выходных проводов обжат специальными пластиковыми зажимами-ремешками в отдельный жгут и оснащен разъемом того же типа, который используется в персональном компьютере для подключения различных периферийных устройств.

Параметры стабилизации определяются параметрами ИМС стабилизаторов. Напряжения пульсаций определяются параметрами самого преобразователя и составляют примерно 0,05% для каждого стабилизатора.

Автор: Семьян А.П.

ПОДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ

П О П У Л Я Р Н О Е:

Мелодичный звонок для стационарного телефона

Звонок на MC34017 для телефона, двери, устройств…

Далеко не во всех стационарных телефонных аппаратах бывают красивые и мелодичные звонки. Если в вашем телефоне резкий и громкий звонок, а в некоторых экземплярах остались ещё и механические с чашечками, то можно это дело исправить. По приведённой ниже простой схеме собрать на одной МС34017 красивый мелодичный звонок.

Подробнее…

Устройство печатающей головки струйных принтеров

На примере струйного принтера EPSON давайте сегодня рассмотрим устройство печатающей головки. Для печати в принтере установлена пьезоэлектрическая головка и работает весь срок службы принтера, а вот пластмассовый картридж-чернильница как расходный материал меняется или заправляется в процессе эксплуатации.

Подробнее…

Какой аппарат для плазменной резки лучше?

Аппарат для плазменной резки используется для сварки и резки токопроводящих и других металлических материалов, а также для термообработки поверхностей, включая закалку металла, отжиг материалов для снижения твердости, зачистки верхнего слоя стали.

Аппарат применяется для сварки цветных, черных металлов и других работ, требующих интенсивного концентрированного нагрева твердых материалов.

Подробнее…

Популярность: 9 326 просм.

Как сделать простой регулируемый блок питания из ИБП от LED с вольтметром самому, схема

Предлагаю вашему вниманию рассмотреть несложный вариант регулируемого блока питания, который можно собрать на основе обычного ИБП для светодиодных лент. То есть, в наше время весьма распространены импульсные блоки питания для LED лент, что рассчитаны на выходное напряжение 12, 24, 36 вольт. В зависимости от нужной мощности такие ИБП также разделяются по величине выходного тока. Причем, стоит учесть, что эти блоки питания имеют довольно неплохие характеристики, да и стоят они относительно недорого. А если приобрести по объявлениям экземпляр Б/У, то он обойдется еще дешевле. Ну, а чтобы его сделать регулируемым по выходному напряжению, то придется добавить очень простую схему всего на одном транзисторе.

Для новичков в нескольких словах расскажу про эти импульсные блоки питания. Эти ИБП собраны по стандартной, относительно несложной схеме. Сама общая схемотехника у них практически идентичная (по крайней мере в основных функциональных узлах). Платы находятся в экранированном металлическом корпусе, что дополнительно защитой от высокочастотных помех, идущих во вне. Данные блоки питания обладают достаточно большим КПД, как впрочем все другие импульсники. У них малый ток холостого хода, а это значит что без нагрузки они от сети практически ничего не потребляют. Для своей конкретной мощности эти ИБП имеют малые габариты и вес (если сравнивать с классическими трансформаторными БП). Во многих моделях, даже в дешевых экземплярах, имеются узлы ВЧ фильтров. Так что в целом эти импульсники для светодиодных лент очень даже хороши как по цене, так и по общим электрическим характеристикам.

Изначально данные ИБП для LED настроены на конкретное стандартное выходное постоянное напряжение, это 12 вольт, 24 и 36. Поскольку именно от такого напряжения питаются различные виды светодиодных лент. Так как количество ленты может быть разным, то и блоки питания разделяются по своей мощности и максимальному выходному току. Для моего примера я буду использовать импульсный блок питания с выходным напряжением 12 вольт и максимальным выходным током до 3 ампер. Больший ампераж БП уже потребует и большего количества биполярных транзисторов, которые нужно будет поставить для схемы регулировки выходного напряжения. А при токе до 3 ампер можно обойтись и одним транзистором.

Изначально сами ИБП для LED имеют подстройку выходного напряжения в небольших пределах. К примеру блок питания на 12 вольт можно подстроечным резистором задавать напряжение на выходе в диапазоне от 9 до 15 вольт. Но этого диапазона может вам не хватать, да и каждый раз подстраивать выходное напряжение подстроечным резистором не совсем удобно. И без встроенного вольтметра при подстройке каждый раз нужно будет брать в руки мультиметр. В общем доработка очень даже не помещает. Причем дополнительная схема очень простая, содержит всего несколько компонентов и ее может спаять практически каждый новичок.

Теперь о самой схеме простого регулятора выходного напряжения. Он имеет всего один биполярный транзистор типа КТ829 (n-p-n проводимость, составной). Этот транзистор может выдерживать токи до 8 ампер. Рассеиваемая мощность у него до 60 Вт. Поскольку этот транзистор является составным (внутри состоит из двух транзисторов), то он имеет весьма большой коэффициент по усилению тока, аж до 750. Конечно, в место КТ829 можно поставить любой другой аналогичный, или сделать пару из КТ815 и КТ819.

Сама же схема регулятора напряжения является линейной, то есть она всю лишнюю электрическую энергию переводит в тепло. Биполярный транзистор излишек напряжения берет на себя, тем самым при работе с максимальными токами и срезанием большого напряжения этот транзистор будет очень сильно греться. Так что в любом случае на транзистор нужно будет ставить охлаждающий радиатор подходящих размеров (радиатора с компьютерного процессора будет вполне достаточно).

Также стоит учесть, что при работе регулятора напряжения выходное напряжения блока питания будет на 1,2 вольта меньше, чем на выходе ИБП. Это происходит по причине, что база-эмиттерный переход составного транзистора для своей нормальной работы требует именно такого напряжения. Биполярный транзистор в схеме регулятора напряжения включен по схеме с общим коллектором (это включение еще называется эмиттерным повторителем). Для этой схемы характерно усиление только по току. Напряжение же схема не увеличивает, а наоборот, уменьшит на 1,2 вольта, о которых я уже сказал выше.

Переменный резистор R1 является простейшим делителем напряжения. Именно он задает величину выходного напряжения с вычетом 1,2 вольта, которые осядут на составном транзисторе. Резистор R2 нужен для ограничения тока в цепи база-эмиттерного перехода. Резистор R3 является небольшой нагрузкой, которая делает работу схемы более стабильной. Ну, и для удобства в схему добавлен простой цифровой вольтметр, который облегчит процесс регулировки нужного выходного напряжения (каждый раз не используя мультиметр). Хотя если у вас будет возможность, то лучше тогда поставить цифровой вольтметр-амперметр (правда он стоит чуть дороже, чем просто вольтметр).

И последнее, что стоит сказать, это про параллельное включение нескольких биполярных транзисторов. То есть, если вы планируете регулируемый блок питания гонять по всему диапазону напряжений, используя максимальные токи, то в этом случае лучше в схему поставить не одни транзистор, а два или три. Эти транзисторы соединяются между собой параллельно. А в цепь эмиттера добавляется компенсационный резистор где-то на 0,1 Ом (чтобы сделать работу всех транзисторов одинаковой по выходному току). В итоге выделяемое тепло на транзисторах равномерно распределится между всеми, параллельно соединенными. Это обеспечит защиту от чрезмерного перегрева, поскольку нескольким транзисторам гараздо легче рассеять тепло по радиатору, чем одному, который скорей всего выйдет из строя уже через несколько минут своей работы.

Видео по этой теме:

P.S. Данную схему я собирал. Она полностью работоспособна и не требует особых настроек после пайки. В целом же такой вариант блока питания вам обойдется гораздо дешевле, чем покупать БП аналогичной мощности уже готовые. Причем, сам ИБП возможно у вас уже где-то валяется без надобности. Вот и сделайте из него простой регулируемый блок питания своими руками.

Как настроить импульсный блок питания

Конструктивные особенности и принцип работы

Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

частотно-импульсным;
фазо-импульсным;
широтно-импульсным.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Сфера применения

различные виды зарядных устройств; Зарядки и внешние БП
внешние блоки питания;
электронный балласт для осветительных приборов;
БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
Транзистор VT1 – KT872A.
Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
Предохранитель FU1 – 0.25А.

СБОРКА И НАЛАДКА ИМПУЛЬСНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ НА IR2153 IR2155

Практическую часть статьи рассмотрим на примере схемы №2 первой части сатьи и чтобы не перепрыгивать туда-сюда расположим здесь принципиальную схему данного блока питания:

Принципиальная схема импульсного блока питания на микросхеме IR2153 (IR2155)

Начинать сборку все равно с чего – либо с монтажа элементов на плату, либо с изготовления моточных деталей. Мы начнем с монтажа, поэтому лучше изучить чертеж расположения деталей повнимательней, к тому же некоторые элементы отличаются от предложенных на принципиальной схеме.
Например номиналы резисторов R16 и R18 отличаются чуть ли не в полтора раза. В данном случае номиналя этих резисторов не принципиальны и могут располоагаться в пределах от 33 кОм до 100 кОм, поскольку служать прежде всего для разрядки конденсатора С4 при снятии напряжения питания. Второстепенную роль, которую они выполняют, это формировании виртуального нуля, т.е. создания половины первичного напряжения, что немного предпочтительней простого соеднинения С13 и С14 с шинами питания.
Резисторы R14 и R17 – формируют небольшую задержку немного увеличивая время реакции системы защиты. Номиналы этих резисторов могут располагаться от 33 Ом до 180 Ом.

С13 и С14 – предназначены для развязки по постоянному напряжению обмотки трансформатора, на схеме 1 мкФ, на плате 2,2 мкФ. При частоте преобразования 60 кГц реактивное сопротивление конденсатора на 1 мкФ будет составлять Хс = 1 / 2пFC = 5,3 Ома, учитывая то, что по «схемному» вариант по переменному напряжению получается паралельное соединение, т.е. получается 2 мкФ, то реактивное сопротивление составит 2,7 Ома. При протекании через это сопротивление тока в 2 А на конднесаторе будет условное «падение» напряжения всего в 2,7 Ома х 2 А = 5,4 В, что составляет 1,8 %. Другими словами выходное напряжение блока питания будет изменяться менее чем на 2 % под нагрузкой и без нее за счет реактивного сопротивление конденсаторов. При использовании конденсаторов на 2,2 мкФ в качестве С13 и С14 реактивное сопротивление составляет 1,2 Ома и под нагрузкой оно изменится на 0,8 %. Учитывая то, что напряжениесети может колебаться до 7% и это считается нормой изменения в 0,8 – 2 % врядли кто заметит, поэтому можно использовать конденсаторы от 1 мкФ до 4,7 мкФ, правда в эту плату габариты емкостей на 4,7 мкФ уже не будут слишком велики.
Сопротивление R20 может колебаться в гораздо бОльших пределах, поскольку его номинал зависит от потребляемого вентилятором принудительного охлажедения и полученным в конечном итоге выходного напряжения.
Сомнения в итоговом напряжении не напрасны, поскольку силовой трансформатор высокочастотный и имеет небольшое количество витков, а мотать дробные части витка довольно проблематично. Для примера рассмотрим случай, когда первичная обмотка составляет 17 витков. Прилагаемое к ней напряжение равно 155 В (после выпрямителя на VD1 получается 310 В, следовательно половина напряжение питания и есть 155 В). Воспользуемся пропорцией U перв / Q перв = U втор / Q втор , где U перв – напряжение на первичной обмотке, Q перв – количество витков первичной обмотки, U втор – напряжение вторичной обмотки, Q втор – количество витков вторичной обмотки и выясним, какие вторичные напряжения мы можем получить:
155 / 17 = ? / 5, где » ? » – выходное напряжение. Если во вторичной обмотке у нас будет 5 витков, то выходное напряжение будет составлять 45 В, если вторичка будет 4 витка, то выходное напряжение трансформатора составит 36 В.
Как видите получить напряжение ровно 40 вольт уже проблематично – нужно мотать 4,4 витка, а реальность показывает, что использовать обмотки не кратные половине витка довольно рискованно – можно намагнитить трансформатор и потерять силовые транзисторы.
В конечном итоге после монтажа компонентов печатная плата блока питания приобретет следующий вид:

На плате пока нет диодных мостов, силовых транзисторов, радиатров и моточных деталей, о которых сейчас и поговорим. При изготовлении импульсных блоков питания не стоит забывать о скин эффекте, который проявляется при протекании через проводник высокочастотного сигнала. Смысл этого эффекта заключается в том, что чем выше частота переменного напряжениея, тем меньше протекает ток через середину проводника, т.е. ток как будто стремится выйти на поверхность. Отсюда и название SKIN -кожа, шкура. По этому для высокочастотных трансформаторов необходимое от протекающего тока сечение получают методом сложения в жгут нескольких проводников меньшего диаметра, тем самым существенно снижая скин эффект и увеличивая КПД преобразователя.
Самым популярным способом сложения проводников является витой жгут. Определившись с длиной провода, необходимого для обмотки (одинарным проводм мотают необходимое количество витков и добавляют к полученной длине еще 15-20%) необходмое количество проводов растягиваю на эту длину а затем при помощи дрели и воротка свивают в один жгут:

Изготовление ленточного жгута более трудоемко – провода растягивают в непосредственной близости другу к другу и склеивают полиуритановым клеем, типа «МОМЕНТ КРИСТАЛЛ». В результате получается гибкая лента, намоитка которой позоволяет добится наибольшей плотности намотки:

Перед намоткой ферритовое кольцо следует подготовить. Прежде всего необходимо закруглить углы, поскольку они с легкостью повреждают лак на обмоточном проводе:

Затем необходимо кольцо изолировать, поскольку феррит имеет достаточно низкое сопротивление и в случае повреждения лака на обмоточном проводе может произойти межвиитковое замыкание. В середине, на азднем плане кольцо обмотано обычной бумагой для принтера, справа – бумага пропитана эпоксидным клеем, в середине спереди – наиболее предпочтительный материал – фторопластовая пленка:

Так же кольца можно обматывать матерчатой изолентой, но она довольно толстая и существенно сокращает размер окна, а это не очень хорошо.
Используя в качестве сердечника ферритовое кольцо обмотку необходимо равномерно распределить по всему сердечнику, что довольно существенно увеличивает магнитную связь обмоток и уменьшает создаваемые импульсным трансформатором электро-магнитные помехи:

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.

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.

Сетевой блок питания на tl494 схема. Импульсный блок питания своими руками. Конструкция микросхемы TL494CN

TL494 в полноценном блоке питания

http://www.radiokot.ru/circuit/power/supply/38/

Прошло больше года как я всерьез занялся темой блоков питания. Прочитал замечательные книги Марти Браун «Источники питания» и Семенов «Силовая электроника». В итоге заметил множество ошибок в схемах из интернета, а в последнее время и только и вижу жестокое издевательство над моей любимой микросхемой TL494.

Люблю я TL494 за универсальность, наверное нету такого блока питания, который невозможно было бы на ней реализовать. В данном случае я хочу рассмотреть реализацию наиболее интересной топологии «полумост». Управление транзисторами полумоста делается гальванически развязанным, это требует немало элементов, впринципе преобразователь внутри преобразователя. Несмотря на то, что существует множество полумостовых драйверов, использование в качестве драйвера трансформатора (GDT) списывать еще рано, этот способ наиболее надежный. Бутстрепные драйвера взрывались, а вот взрыва GDT я еще не наблюдал. Драйверный трансформатор представляет собой обычный импульсный трансформатор, рассчитывается по тем же формулами как и силовой учитывая схему раскачки. Часто я видел использование мощных транзисторов в раскачке GDT. Выходы микросхемы могут выдать 200 миллиампер тока и в случае грамотно построенного драйвера это очень даже много, лично я раскачивал на частоте в 100 килогерц IRF740 и даже IRFP460. Посмотрим на схему этого драйвера:

Данная схема включается на каждую выходную обмотку GDT. Дело в том, что в момент мертвого времени первичкая обмотка трансформатора оказывается разомкнутой, а вторичные не нагруженными, поэтому через саму обмотку разряд затворов будет идти крайне долго, введение подпирающего, разрядного резистора будет мешать быстро заряжаться затвору и кушать много энергии впустую. Схема на рисунке избавлена от этих недостатков. Фронты замеренные на реальном макете составили 160нс нарастающий и 120нс спадающий на затворе транзистора IRF740.
Аналогично построены дополняющие до моста транзисторы в раскачке GDT. Применение раскачки мостом обусловлено тем, что до срабатывания триггера питания tl494 по достижении 7 вольт, выходные транзисторы микросхемы будут открыты, в случае включения трансформатора как пуш-пул произойдет короткое замыкание. Мост работает стабильно.

Диодный мост VD6 выпрямляет напряжение с первичной обмотки и если оно превысит напряжение питания то вернет его обратно в конденсатор С2. Происходит это по причине появления напряжения обратного хода, всетаки индуктивность трансформатора не бесконечна.

Схему можно питать через гасящий конденсатор, сейчас работает 400 вольтовый к73-17 на 1.6мкф. диоды кд522 или значительно лучше 1n4148, возможна замена на более мощные 1n4007. Входной мост может быть построен на 1n4007 или использовать готовый кц407. На плате ошибочно применен кц407 в качестве VD6, его туда ни в коем слуdчае недопустимо ставить, этот мост должен быть выполнен на вч диодах. Транзистор VT4 может рассеивать до 2х ватт тепла, но играет он чисто защитную роль, можно применить кт814. Остальные транзисторы кт361, причем крайне нежелательна замена на низкочастотные кт814. Задающий генератор tl494 настроен здесь на частоту в 200 килогерц, это означает что в двухтактном режиме получим 100 килогерц. Мотаем GDT на ферритовом кольце 1-2 сантиметра диаметром. Провод 0.2-0.3мм. Витков должно быть в десяток раз больше чем рассчетное значение, это сильно улучшает форму выходного сигнала. Чем больше намотато — тем меньше нужно подгружать GDT резистором R2. Я намотал на кольце внешним диаметром 18мм 3 обмотки по 70 витков. Связано завышение числа витков и обязательная подгрузка с треугольной составляющей тока, она уменьшается с увеличеним витков, а подгрузка просто уменьшает его процентное влияние. Печатная плата прилагается, однако не совсем соответсвует схеме, но основные блоки на ней есть плюс добавлен обвес одного усилителя ошибки и последовательный стабилизатор для запитки от трансформатора. Плата выполнена под монтаж в разрез платы силовой части.

Стабилизированный полумостовой импульсный блок питания

Блок питания содержит малое количество компонентов. В качестве импульсного трансформатора используется типовой понижающий трансформатор из компьютерного блока питания.
На входе стоит NTC термистор (Negative Temperature Coefficient) – полупроводниковый резистор с положительным температурным коэффициентом, который резко увеличивает свое сопротивление, когда превышена некоторая характеристическая температура TRef. Защищает силовые ключи в момент включения на время зарядки конденсаторов.
Диодный мост на входе для выпрямления сетевого напряжения на ток 10А.
Пара конденсаторов на входе берется из расчета 1 мкф на 1 Вт. В нашем случае конденсаторы «вытянут» нагрузку в 220Вт.
Драйвер IR2151 – для управления затворами полевых транзисторов, работающих под напряжением до 600В. Возможная замена на IR2152, IR2153. Если в названии есть индекс «D», например IR2153D, то диод FR107 в обвязке драйвера не нужен. Драйвер поочередно открывает затворы полевых транзисторов с частотой, задаваемой элементами на ножках Rt и Ct.
Полевые транзисторы используются предпочтительно фирмы IR (International Rectifier) . Выбирают на напряжение не менее 400В и с минимальным сопротивлением в открытом состоянии. Чем меньше сопротивление, тем меньше нагрев и выше КПД. Можно рекомендовать IRF740, IRF840 и пр. Внимание! Фланцы полевых транзисторов не закорачивать; при монтаже на радиатор использовать изоляционные прокладки и шайбы-втулки.
Трансформатор типовой понижающий из блока питания компьютера. Как правило, цоколевка соответствует приведенной на схеме. В этой схеме работают и самодельные трансформаторы, намотанные на ферритовых торах. Расчет самодельных трансформаторов ведется на частоту преобразования 100 кГц и половину выпрямленного напряжения (310/2 = 155В). Вторичные обмотки можно расчитать на другое напряжение.

Диоды на выходе с временем восстановления не более 100 нс. Этим требованиям отвечают диоды из семейства HER (High Efficiency Rectifier – высоко-эффективные выпрямительные). Не путать с диодами Шоттки.
Емкость на выходе – буферная емкость. Не следует злоупотреблять и устанавливать емкость более 10000 мкф.
Как и любое устройство, этот блок питания требует внимательной и аккуратной сборки, правильной установки полярных элементов и осторожности при работе с сетевым напряжением.
Правильно собранный блок питания не нуждается в настройке и налаживании. Не следует включать блок питания без нагрузки.

Импульсные блоки питания часто используются радиолюбителями в самодельных конструкциях. При сравнительно малых габаритах они могут обеспечить высокую выходную мощность. С применением импульсной схемы стало реально получить выходную мощность от нескольких сотен до нескольких тысяч Ватт. При этом размеры самого импульсного трансформатора не больше коробка из-под спичек.

Импульсные блоки питания — принцип работы и особенности

Основная особенность импульсных БП в повышенной рабочей частоте, которая в сотни раз больше сетевой частоты 50 Гц. При высоких частотах с минимальными количествами витков в обмотках, можно получить большое напряжение. К примеру, для получения 12 Вольт выходного напряжении при токе 1 Ампер (в случае сетевого трансформатора), нужно намотать 5 витков проводом сечением примерно 0,6–0,7 мм.

Если говорить об импульсном трансформаторе, задающая схема которого, работает на частоте 65 кГц, то для получения 12 Вольт с током 1А, достаточно намотать всего 3 витка проводом 0,25–0,3 мм. Именно поэтому многие производители электроники используют именно импульсный блок питания.

Однако, несмотря на то, что такие блоки гораздо дешевле, компактнее, обладают большой мощностью и малым весом, они имеют электронную начинку, следовательно — менее надежны, если сравнить с сетевым трансформатором. Доказать их ненадежность очень просто — возьмите любой импульсный блок питания без защиты и замкните выходные клеммы. В лучшем случае блок выйдет из строя, в худшем — взорвется и никакой предохранитель не спасет блок.

Практика показывает, что предохранитель в импульсном блоке питания сгорает в самую последнюю очередь, первым делом вылетают силовые ключи и задающий генератор, затем поочередно все части схемы.

Импульсные БП имеют ряд защит как на входе, так и на выходе, но и они спасают не всегда. Для того, чтобы ограничить бросок тока при запуске схемы — почти во всех ИИП с мощностью более 50 Ватт используют термистор, который стоит на входе схем.

Давайте сейчас рассмотрим ТОП-3 лучших схем импульсных блоков питания, которые можно собрать своими руками.

Простой импульсный блок питания своими руками

Рассмотрим, как сделать самый простой миниатюрный импульсный блок питания. Создать прибор по представленной схеме сможет любой начинающий радиолюбитель. Он не только компактный, но и работает в широком диапазоне питающих напряжений.

Самодельный импульсный блок питания обладает относительно небольшой мощностью, в пределах 2-х Ватт, зато он буквально неубиваемый, не боится даже долговремнных коротких замыканий.

Схема простого импульсного блока питания

Трансформатор простого импульсного блока питания

Импульсный трансформатор имеет три обмотки, коллекторная или первичная, базовая обмотка и вторичная.

Важным моментом является намотка трансформатора — и на печатной плате, и на схеме указаны начала обмоток, потому проблем возникнуть не должно. Количество витков обмоток мы позаимствовали от трансформатора для зарядки сотовых телефонов, так как схематика почти та же, количество обмоток то же.

Первой мотаем первичную обмотку, которая состоит из 200 витков, сечение провода от 0,08 до 0,1 мм. Затем ставим изоляцию и таким же проводом мотаем базовую обмотку, которая содержит от 5 до 10 витков.

Поверх мотаем выходную обмотку, количество ее витков зависит от того, какое напряжение нужно. В среднем получается около 1 Вольта на один виток.

Видео о тестировании данного блока питания:

Стабилизированный импульсный блок питания на SG3525 своими руками

Рассмотрим пошагово, как сделать стабилизированный блок питания на микросхеме SG3525. Сразу поговорим о достоинствах данной схемы. Первое, самое важное — это стабилизация выходного напряжения. Также тут есть софт старт, защита от короткого замыкания и самозапит.

Для начала давайте рассмотрим схему устройства.

Новички сразу же обратят внимание на 2 трансформатора. В схеме один из них силовой, а второй — для гальванической развязки.

Не стоит думать, что из-за этого схема усложнится. Наоборот все становится проще, безопаснее и дешевле. К примеру, если ставить на выходе микросхемы драйвер, то для нее нужна обвязка.

Смотрим дальше. В данной схеме реализован микростарт и самозапит.

Это очень продуктивное решение, оно позволяет избавиться от потребности в дежурном блоке питания. И действительно, делать блок питания для блока питания не очень хорошая идея, а такое решение просто идеально.

Работает всё следующим образом: от постоянки заряжается конденсатор и когда его напряжение превысит заданный уровень, открывается данный блок и разряжает конденсатор на схему.

Его энергии вполне достаточно для запуска микросхемы, а как только она запустилась, напряжение со вторичной обмотки начало питать саму микросхему. Также к микростарту необходимо добавить вот этот резистор по выходу, он служит нагрузкой.

Без этого резистора блок не запустится. Данный резистор для каждого напряжения свой и его необходимо рассчитать из таких соображений, что при номинальном выходном напряжении на нем рассеивался 1 Вт мощности.

Считаем сопротивление резистора:

R = U в квадрате/P
R = 24 в квадрате/1
R = 576/1 = 560 Ом.

Также на схеме есть софт старт. Реализован он с помощью вот этого конденсатора.

И защита по току, которая в случае короткого замыкания начнет сокращать ширину ШИМ.

Частота данного блока питания изменяется с помощью вот этого резистора и кондёра.

Теперь поговорим о самом важном — стабилизации выходного напряжения. За нее отвечают вот эти элементы:

Как видим здесь установлены 2 стабилитрона. С их помощью можно получить любое напряжение на выходе.

Расчет стабилизации напряжения:

U вых = 2 + U стаб1 + U стаб2
U вых = 2 + 11 + 11 = 24В
Возможна погрешность +- 0.5 В.

Чтобы стабилизация работала корректно нужен запас по напряжению в трансформаторе, иначе при уменьшении входного напряжения микросхема попросту не сможет выдать нужного напряжения. Поэтому при расчете трансформатора следует нажать на вот эту кнопку и программа автоматом добавит вам напряжения на вторичной обмотке для запаса.

Теперь можно перейти к рассмотрению печатной платы. Как видим, тут все довольно таки компактно. Также видим место под трансформатор, он тороидальный. Без особых проблем его можно заменить на Ш-образный.

Оптрон и стабилитроны расположены возле микросхемы, а не на выходе.

Ну некуда их было поставить на выход. Если не нравится, сделайте свою разводку печатной платы.

Вы можете спросить, почему бы не увеличить плату и не сделать все нормально? Ответ следующий: сделано это с тем расчетом, чтобы дешевле было заказать плату на производстве, так как платы размером больше 100 кв. мм стоят гораздо дороже.

Ну а теперь настало время собрать схему. Тут все стандартно. Запаиваем без особых проблем. Наматываем трансформатор и устанавливаем.

Проверяем напряжение на выходе. Если оно присутствует, то уже можно включать в сеть.

Для начала проверим выходное напряжение. Как видим блок рассчитан на напряжение 24В, но получилось чуть меньше из-за разброса стабилитронов.

Такая погрешность не критична.

Теперь давайте проверим самое главное — стабилизацию. Для этого возьмем лампу на 24В, мощностью 100Вт и подключим ее в нагрузку.

Как видим, напряжение не просело и блок выдержал без проблем. Можно нагрузить еще сильнее.

Видео о данном импульсном блоке питания:

Мы рассмотрели ТОП-3 лучших схем импульсных блоков питания. На их основе можно собрать простой БП, приборы на TL494 и SG3525. Пошаговые фото и видео помогут вам разобраться во всех вопросах по монтажу.

ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ НА TL494 И IR2110

В основу большинства автомобильных и сетевых преобразователей напряжения положен специализированный контроллер TL494 и поскольку он главный, было бы не справедливо вкратце не рассказать о принципе его работы.
Контрллер TL494 представляет из себя пластиковый корпус DIP16 (есть варианты и в планарном корпусе, но в данных конструкциях он не используется). Функциональная схема контроллера приведена на рис.1.

Рисунок 1 — Структурная схема микросхемы TL494.

Как видно из рисунка у микросхемы TL494 очень развиты цепи управления, что позволяет на ее базе строить преобразователи практически под любые требования, но вначале несколько слов о функциональных узлах контроллера.
Цепи ИОНа и защиты от недонапряжения питания. Схема включается при достижении питанием порога 5.5..7.0 В (типовое значение 6.4В). До этого момента внутренние шины контроля запрещают работу генератора и логической части схемы. Ток холостого хода при напряжении питания +15В (выходные транзисторы отключены) не более 10 мА. ИОН +5В (+4.75..+5.25 В, стабилизация по выходу не хуже +/- 25мВ) обеспечивает вытекающий ток до 10 мА. Умощнять ИОН можно только используя npn-эмиттерный повторитель (см TI стр. 19-20), но на выходе такого «стабилизатора» напряжение будет сильно зависеть от тока нагрузки.
Генератор вырабатывает на времязадающем конденсаторе Сt (вывод 5) пилообразное напряжение 0..+3.0В (амплитуда задана ИОНом) для TL494 Texas Instruments и 0…+2.8В для TL494 Motorola (чего же ждать от других?), соответственно для TI F=1.0/(RtCt), для Моторолы F=1.1/(RtCt).
Допустимы рабочие частоты от 1 до 300 кГц, при этом рекомендованный диапазон Rt = 1…500кОм, Ct=470пФ…10мкФ. При этом типовой температурный дрейф частоты составляет (естественно без учета дрейфа навесных компонентов) +/-3%, а уход частоты в зависимости от напряжения питания — в пределах 0.1% во всем допустимом диапазоне.
Для дистанционного выключения генератора можно внешним ключом замкнуть вход Rt (6) на выход ИОНа, или — замкнуть Ct на землю. Разумеется, сопротивление утечки разомкнутого ключа должно учитываться при выборе Rt, Ct.
Вход контроля фазы покоя (скважности) через компаратор фазы покоя задает необходимую минимальную паузу между импульсами в плечах схемы. Это необходимо как для недопущения сквозного тока в силовых каскадах за пределами ИС, так и для стабильной работы триггера — время переключения цифровой части TL494 составляет 200 нс. Выходной сигнал разрешен тогда, когда пила на Cт превышает напряжение на управляющем входе 4 (DT). На тактовых частотах до 150 кГц при нулевом управляющем напряжении фаза покоя = 3% периода (эквивалентное смещение управляющего сигнала 100..120 мВ), на больших частотах встроенная коррекция расширяет фазу покоя до 200..300 нс.
Используя цепь входа DT, можно задавать фиксированную фазу покоя (R-R делитель), режим мягкого старта (R-C), дистанционное выключение (ключ), а также использовать DT как линейный управляющий вход. Входная цепь собрана на pnp-транзисторах, поэтому входной ток (до 1.0 мкА) вытекает из ИС а не втекает в нее. Ток достаточно большой, поэтому следует избегать высокоомных резисторов (не более 100 кОм). На TI, стр. 23 приведен пример защиты от перенапряжения с использованием 3-выводного стабилитрона TL430 (431).
Усилители ошибки — фактически, операционные усилители с Ку=70..95дБ по постоянному напряжению (60 дБ для ранних серий), Ку=1 на 350 кГц. Входные цепи собраны на pnp-транзисторах, поэтому входной ток (до 1.0 мкА) вытекает из ИС а не втекает в нее. Ток достаточно большой для ОУ, напряжение смещения тоже (до 10мВ) поэтому следует избегать высокоомных резисторов в управляющих цепях (не более 100 кОм). Зато благодаря использованию pnp-входов диапазон входных напряжений — от -0.3В до Vпитания-2В
При использовании RC частотнозависимой ОС следует помнить, что выход усилителей — фактически однотактный (последовательный диод!), так что заряжать емкость (вверх) он зарядит, а вниз — разряжать будет долго. Напряжение на этом выходе находится в пределах 0..+3.5В (чуть больше размаха генератора), далее коэффициент напряжения резко падает и примерно при 4.5В на выходе усилители насыщаются. Аналогично, следует избегать низкоомных резисторов в цепи выхода усилителей (петли ОС).
Усилители не предназначены для работы в пределах одного такта рабочей частоты. При задержке распространения сигнала внутри усилителя в 400 нс они для этого слишком медленные, да и логика управления триггером не позволяет (возникали бы побочные импульсы на выходе). В реальных схемах ПН частота среза цепи ОС выбирается порядка 200-10000 Гц.
Триггер и логика управления выходами — При напряжении питания не менее 7В, если напряжение пилы на генераторе больше чем на управляющем входе DT, и если напряжение пилы больше чем на любом из усилителей ошибки (с учетом встроенных порогов и смещений) — разрешается выход схемы. При сбросе генератора из максимума в ноль — выходы отключаются. Триггер с парафазным выходом делит частоту надвое. При логическом 0 на входе 13 (режим выхода) фазы триггера объединяются по ИЛИ и подаются одновременно на оба выхода, при логической 1 — подаются парафазно на каждый выход порознь.
Выходные транзисторы — npn Дарлингтоны со встроенной тепловой защитой (но без защиты по току). Таким образом, минимальное падение напряжение между коллектором (как правило замкнутым на плюсовую шину) и эмитттером (на нагрузке) — 1.5В (типовое при 200 мА), а в схеме с общим эмиттером — чуть лучше, 1.1 В типовое. Предельный выходной ток (при одном открытом транзисторе) ограничен 500 мА, предельная мощность на весь кристалл — 1Вт.
Импульсные блоки питания постепенно вытесняют своих традиционных сородичей и в звукотехнике, поскольку и экономически и габаритно выглядят заметно привлекательней. Тот же фактор, что импульсные блоки питания вносят свою не малую лепку искажения усилителя, а именно появления дополнительных призвуковуже теряет свою актуальность в основном по двух причинам — современная элементная база позволяет конструировать преобразователи с частотой преобразования значительно выше 40 кГц, следовательно вносимые источником питания модуляции питания будут находиться уже в ультразвуке. Кроме этого более высокую частоту по питанию гораздо легче отфильтровать и использование двух Г-образных LC фильтров по цепям питания уже достаточно сглаживают пульсации на этих частотах.
Конечно же есть и ложка дегтя в этой бочке меда — разница в цене между типовым источником питания для усилителя мощности и импульсным становиться более заметной при увеличении мощности этого блока, т.е. чем мощней блок питания, тем больше он выгодней по отношению к своему типовому аналогу.
И это еще не все. Используя импульсные источники питания необходимо придерживаться правил монтажа высокочастотных устройств, а именно использование дополнительных экранов, подачи на теплоотводы силовой части общего провода, а так же правильной разводке земли и подключения экранирующих оплеток и проводников.
После небольшого лирического отступления об особеностях импульсных блоков питания для усилителей мощности собсвенно принципиальная схема источника питания на 400Вт:

Рисунок 1. Принципиальная схема импульсного блока питания для усилителей мощности до 400 Вт
УВЕЛИЧИТЬ В ХОРОШЕМ КАЧЕСТВЕ

Управляющим контроллером в данном блоке питания служит TL494. Разумеется, что есть и более современные микросхемы для выполнения этой задачи, однако мы используем именно этот контроллер по двум причинам — его ОЧЕНЬ легко приобрести. Довольно продолжительное время в изготавливаемых блоках питания использовались TL494 фирмы Texas Instruments проблем по качеству обнаружено не было. Усилитель ошибки охвачен ООС, позволяющей добиться довольно большого коф. стабилизации (отношение резисторов R4 и R6).
После контроллера TL494 стоит полумостовой драйвер IR2110, который собственно и управляет затворами силовых транзисторов. Исполльзование драйвера позволило отказаться от согласующего трансформатора, широко используемого в комьютерных блоках питания. Драйвер IR2110 нагружен на затворы через ускоряющие закрытие полевиков цепочки R24-VD4 и R25-VD5.
Силовые ключи VT2 и VT3 работают на первичную обмотки силового трансформатора. Средняя точка, необходимая для получения переменного напряжения в первичной обмотке трансформатора формируется элементами R30-C26 и R31-C27.
Несколько слов об алгоритме работы импульсного блока питания на TL494:
В момент подачи сетевого напряжения 220 В емкости фильтров первичного питания С15 и С16 заражаются через резисторы R8 и R11, что не позволяет перегрузиться диолному мосту VD током короткого замыканияполностью разряженных С15 и С16. Одновременно происходит зарядка конденсаторов С1, С3, С6, С19 через линейку резисторов R16, R18, R20 и R22, стабилизатор 7815 и резистор R21.
Как только величина напряжения на конденсаторе С6 достигнет 12 В стабилитрон VD1 «пробивается» и через него начинает течть ток заряжая конденсатор C18 и как только на плюсовом выводе этого конденсатора будет достигнута величина достаточная для открытия тиристора VS2 он откроется. Это повлечет включение реле К1, которое своими кнтактами зашунтирует токоограничивающие резисторы R8 и R11.Кроме этого открывшийся тиристор VS2 откроет транзистор VT1 и на контроллер TL494 и полумостовой драйвер IR2110. Контроллер начнет режим мягкого старта, длительность которого зависит от номиналов R7 и C13.
Во время мягкого старта длительность импульсов, открывающих силовые транзисторы увеличиваются постепенно, тем самым постепенно заряжая конденсаторы вторичного питания и ограничивая ток через выпрямительные диоды. Длительность увеличивается до тех пор, пока величина вторичного питания не станет достаточной для открытия светодиода оптрона IC1. Как только яркость светодиода оптрона станет достаточной для открытия транзистора длительность импульсов перестанет увеличиваться (рисунок 2).

Рисунок 2. Режим мягкого старта.

Тут следует отметить, что длительность мягкого старта ограничена, поскольку проходящего через резисторы R16, R18, R20, R22 тока не достаточно для питания контроллера TL494, драйвера IR2110 и включившейся обмотки рел — напряжение питания этих микросхем начнет уменьшаться и вскоре уменьшиться до величины, при которой TL494 перестанет вырабатывать импульсы управления. И именно до этого момента режим мягкого старта должен быть окончен и преобразователь должен выйти на нормальный режим работы, поскольку основное питание контроллер TL494 и дрейвер IR2110 получают от силового трансформатора (VD9, VD10 — выпрямитель со средней точкой, R23-C1-C3 — RC фильтр, IC3 — стабилизатор на 15 В) и именно поэтому конденсаторы C1, C3, C6, C19 имеют такие большие номиналы — они должны удерживать величину питания контроллера до выхода его на обычный режим работы.
Стабилизацию выходного напряжения TL494 осуществляет путем изменения длительности импульсов управления силовыми транзисторами при неизменной частоте — Ш иротно И мпульсная М одуляция — ШИМ . Это возможно лишь при условии, когда величина вторичного напряжения силового трансформатора выше требуемой на выходе стабилизатора минимум на 30%, но не более 60%.

Рисунок 3. Принцип работы ШИМ стабилизатора.

При увеличении нагрузки выходное напряжение начинает уменьшаться, светодиод оптрона IС1 начинает светиться меньше, транзистор оптрона закрывается, уменьшая напряжение на усилителе ошибки и тем самым увеличивая длительность импульсов управления до тех пор, пока действующее напряжение не достигнет величины стабилизации (рисунок 3). При уменьшении нагрузки напряжение начнет увеличиваться, светодиод оптрона IC1 начнет светиться ярче, тем самым открывая транзистор и уменьшая длительность управляющих импульсов до тех пор, пока величина действующего значения выходного напряжения не уменьшиться до стабилизируемой величины. Величину стабилизируемого напряжения регулируют подстроечным резистором R26.
Следует отметить, что контроллером TL494 регулируется не длительность каждого импульса в зависимости от выходного напряжения, а лишь среднее значение, т.е. измерительная часть имеет некотрую инерционость. Однако даже при установленных конденсаторах во вторичном питании емкостью 2200 мкФ провалы питания при пиковых кратковременных нагрузках не превышают 5 %, что вполне приемлемо для аппаратуры HI-FI класса. Мы же обычно ставим конденсаторы во вторичном питании 4700 мкФ, что дает уверенный запас на пиковые значения, а использование дросселя групповой стабилизации позволяет контролировать все 4 выходных силовых напряжения.
Данный импульсный блок питания оснащен защитой от перегрузки, измерительным элементом которой служит трансформатор тока TV1. Как только ток достигнет критической величины открывается тиристор VS1 и зашунитрует питание оконечного каскада контроллера. Импульсы управления исчезают и блок питания переходит в дежурный режим, в котором может находиться довольно долго, поскольку тиристор VS2 продолжает оставаться открытым — тока протекающего через резисторы R16, R18, R20 и R22 хватает для удержание его в открытом состоянии. Как расчитать транформатор тока .
Для вывода блока питания из дежурного режима необходимо нажать кнопку SA3, которая своим контактами зашунтирует тиристор VS2, ток через него перестанет течь и он закроется. Как только контакты SA3 разомкнуться транзистор VT1 закроется тме самы снимая питания с контроллера и драйвера. Таким образом схема управления перейдет в режим минимального потребления — тиристор VS2 закрыт, следовательно реле К1 выключено, транзистор VT1 закрыт, следовательно контроллер и драйвер обесточены. Конденсаторы С1, С3, С6 и С19 начинают заряжаться и как только напряжение достигнет 12 В откроется тиристор VS2 и произойдет запуск импульсного блока питания.
При необходимости перевести блок питания в дежурный режим можно воспользоваться кнопкой SA2, при нажатии на которую будут соеденены база и эмиттер транзистора VT1. Транзистор закроется и обесточит контроллер и драйвер. Импульсы управления исчезнут, исчезнут и вторичные напряжения. Однако питание не будет снято с реле К1 и повторного запука преобразователя не произойдет.
Данная схемотехника позволяет собрать источники питания от 300-400 Вт до 2000Вт, разумеется, что некоторые элементы схемы придется заменить, поскольку по своим параметрам они просто не выдержат больших нагрузок.
При сборке более мощных вариантов следует обратить внимание на конденсаторы слаживающих фильтров первичного питания С15 и С16. Суммарная емкость этих конденсатоов должна быть пропорционалаьная мощности блока питания и соответствовать пропорции 1 Вт выходной мощности преобразователя напряжения соответствует 1 мкФ емкости конденсатора фильтра первичного питания. Другими словами, если мощность блока питания составляет 400 Вт, то должно использоваться 2 конденсатора по 220 мкФ, если мощность 1000 Вт, то необходимо устанавливать 2 конденсатора по 470 мкФ или два по 680 мкФ.
Данное требование имеет две цели. Во первых снижаются пульсации первичного напряжение питания, что облегчает стабилицацию выходного напряжения. Во вторых использование двух конденсаторов вместо одного облегчает работу самого конденсатора, поскольку электролитические конденсаторы серии ТК гораздо легче достать, а они не совсем предназначены для использования в высокочастотных блоках питания — слишком велико внутренне сопроивление и на больших частотах эти конденсаторы будут греться. Используя два штуки снижается внутреннее сопротивление, а возникающий нагрев делится уже между двумя конденсаторами.
При использовании в качестве силовых транзисторов IRF740, IRF840, STP10NK60 и им аналогичных (подробнее о наиболее часто используемых в сетевых преобразователях транзисторах смотри таблицу внизу страницы) от диодов VD4 и VD5 можно отказаться вообще, а номиналы резисторов R24 и R25 уменьшить до 22 Ом — мощности драйвера IR2110 вполне хватит для управления этими транзисторами. Если же собирается более мощный импульсный блок питания, то потребуются и более мощные транзисторы. Внимание следует обращать и на максимальный ток транзистора и на его мощность рассеивания — импульсные стабилизированные блоки питания весьма чувствительны к правильности поставлееного снабера и без него силовые транзисторы греются сильнее поскольку через установленные в транзисторах диоды начинают протекать токи образовавшиеся из за самоиндукции. Подробнее о выборе снабера .
Так же не малую лепту в нагрев вносит увеличивающееся без снабера время закрытия — транзистор дольше находится в линейном режиме.
Довольно часто забывают еще об одной особенности полевых транзисторов — с увеличением температуры их максимальный ток снижается, причем довольно сильно. Исходя из этого при выборе силовых транзисторов для импульсных блоков питания следует иметь минимум двухкратный запас по максимальному току для блоков питания усилителей мощности и трехкратный для устройств работающих на большую не меняющуюся нагрузку, например индукционную плавильню или декоративное освещение, запитку низковольтного электроинструмента.
Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет дросселя групповой стабилизации L1 (ДГС). Следует обратить внимание на направление обмоток данного дросселя. Количество витков должно быть пропорционально выходным напряжениям. Разумеется, что есть формулы для расчета данного моточного узла, однако опыт показал, что габаритная мощность сердечника для ДГС должна составлять 20-25% от габаритной мощности силового трансформатора. Мотать можно до заполнения окна примерно на 2/3, не забывая, что если выходные напряжения разные, то обмотка с более высоким напряжением должна быть пропорциоанально больше, например нужно два двуполярных напряжения, одно на ±35 В, а второе для питания сабвуфера с напряжением ±50 В.
Мотаем ДГС сразу в четыре провода до заполнения 2/3 окна считая витки. Диаметр расчитывается исходя из напряженности тока 3-4 А/мм2 . Допустим у нас получилось 22 витка, составляем пропорцию:
22 витка / 35 В = Х витков / 50 В.
Х витков = 22 × 50 / 35 = 31,4 ≈ 31 виток
Далее обрезам два провода для ±35 В и доматываем еще 9 витков для напряжения ±50.
ВНИМАНИЕ! Помните, что качество стабилизации напрямую зависит от того как быстро будет изменяться напряжение к кторому подключен диод оптрона. Для улучшения коф стаилизации имеет смысл подключить дополнительную нагрузку к каждому напряжению в виде резисторов на 2 Вт и споротивлением 3,3 кОм. Нагрузочный резистор подключенный к напряжению, контролируемому оптроном должен быть меньше в 1,7…2,2 раза.

Моточные данные данные для сетевых импульсных источников питания на ферритовых кольцах проницаемостью 2000НМ сведены в таблицу 1.

МОТОЧНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
РАСЧИТАНЫ ПО МЕТОДИКЕ ЭНОРАСЯНА
Как показали многочисленные эксперименты количество витков можно смело уменьшать на 10-15 %
без боязни входа сердечника в насыщение.

Реали- зация	Типоразмер		Частота преобразования, кГц
Реали- зация	Типоразмер

1 кольцо К40х25х11		Габ. мощность
1 кольцо К40х25х11		Витков на первичку

2 кольца К40х25х11		Габ. мощность
2 кольца К40х25х11		Витков на первичку

1 кольцо К45х28х8		Габ. мощность
1 кольцо К45х28х8		Витков на первичку

2 кольца К45х28х8		Габ. мощность
2 кольца К45х28х8		Витков на первичку

3 кольца К45х28х81		Габ. мощность
3 кольца К45х28х81		Витков на первичку

4 кольца К45х28х8		Габ. мощность
4 кольца К45х28х8		Витков на первичку

5 колец К45х28х8		Габ. мощность
5 колец К45х28х8		Витков на первичку

6 колец К45х28х8		Габ. мощность
6 колец К45х28х8		Витков на первичку

7 колец К45х28х8		Габ. мощность
7 колец К45х28х8		Витков на первичку

8 колец К45х28х8		Габ. мощность
8 колец К45х28х8		Витков на первичку

9 колец К45х28х8		Габ. мощность
9 колец К45х28х8		Витков на первичку

10 колец К45х28х81		Габ. мощность
10 колец К45х28х81		Витков на первичку

Однако марку феррита узнать получается далеко не всегда, особенно если это феррит от строчных трансформаторов телевизоров. Выйти из ситуации можно выяснив количество витков опытным путем. Более подробно об этов в видео:

Используя приведенную выше схемотехнику импульсного блока питания были разработаны и опробованы несколько подмодификаций, предназначенные для решени той или иной задачи на различные мощности. Чертежи печатных платах этих блоков питания приведены ниже.
Печатная плата для импульсного стабилизированного блока питания мощностью до 1200…1500 Вт. Размер платы 269х130 mm. По сути это более усовершенствованный вариант предыдущей печатной платы. Отличается наличием дросселя групповой стабилизации позволяющим контролировать величену всех силовых напряжений, а так же дополнительным LC фильтром. Имеет управление вентилятором и защиту от перегрузки. Выходные напряжения состоят из двух двуполярных силовых источника и одного двуполярного слаботочного, предназначенного для питания предварительных каскадов.

Внешний вид печатной платы блока питания до 1500 Вт. СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ LAY

Стабилизированный импульсный сетевой блок питания мощностью до 1500…1800 Вт может быть выполне на печатной плате размером 272х100 mm. Блок питания расчитан под силовой трансформатор выполненный на кольцах К45 и расположенный горизонтально. Имеет два силовых двуполярных источника, которые могут объединиться в один источник для питания усилителя с двухуровневым питанием и один двуполярный слаботочный, для предварительных каскадов.

Печатная плата импульсного блока питания до 1800 Вт. СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ LAY

Этот блок питания может использоваться для питания от сети автомобильной аппаратуры большой мощности, например мощных автомобильных усилителей, автомобильных кондиционеров. Размеры платы 188х123. Используемые выпрямительные диоды Шотки паралеляться перемычками и выходной ток может достигать 120 А при напряжениии 14 В. Кроме этого блок питания может выдавать двуполярное напряжение с нагрузочной способностью до 1 А (больше не позволяют установленные интегральные стабилизаторы напряжения). Силовой трансформатор выполнен на кольца К45, фильтрующий дроссель силового напряжения на да двух кольцах К40х25х11. Встроена защита от перегрузки.

Внешний вид печатной платы блока питания для автомобильной аппаратуры СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ LAY

Блок питания до 2000 Вт вы полнены на двух платах размером 275х99, расположенных друг над другом. Напряжение контролируется по одному напряжению. Имеет защиту от перегрузки. В файле имеются насколько вариантов «второго этажа» для двух двуполярных напряжений, для двух однополярных напряжений, для напряжений необходимых для двух и трех уровневых напряжений. Силовой трансформатор расположен горизонтально и выполнен на кольцах К45.

Внешний вид «двухэтажного» блока питания СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ LAY

Блок питания с двумя двуполярными напряжениями или одним для двухуровневого усилителя выполнен на плате размером 277х154. Имет дроссель групповой стабилизации, защиту от перегрузки. Силовой трансформатора на кольцах К45 и расположен горизонтально. Мощность до 2000 Вт.

Внешний вид печатной платы СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ LAY

Практически такой же блок питания, что и выше, но имеет одно двуполярное выходное напряжение.

Внешний вид печатной платы СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ LAY

Импульсный блок питания имеет два силовых двуполярных стабилизированных напряжения и одно двуполярное слаботочное. Оснащен управлением вентилятора и зашитой от перегрузки. Имеет дроссель групповой стабилизации и дополнительные LC фильтры. Мощность до 2000…2400 Вт. Плата имеет размеры 278х146 mm

Внешний вид печатной платы СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ LAY

Печатная плата импульсного блока питания для усилителя мощности с двухуровневыми питанием размером 284х184 mm имеет дроссель групповой стабилизации и дополнительные LC фиьтры, защиту от перегрузки и управление вентилятором. Отличительной чертой является использование дискретных транзисторов для ускорения закрытия силовых транзисторов. Мощность до 2500…2800 Вт.

с двухуровневым питанием СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ LAY

Несколько измененный вариант предыдущей печатной платы с двумя двуполярными напряжениями. Размер 285х172. Мощность до 3000 Вт.

Внешний вид печатной платы блока питания для усилителя СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ LAY

Мостовой сетевой импульсный блок питания мощностью до 4000…4500 Вт выполнен на печатной плате размером 269х198 mm Имеет два двуполярных силовых напряжения, управление вентилятором и защиту от перегрузки. Использует дроссель групповой стабилизации. Желательно использование выносных дополнительных Lфильтров вторичного питания.

Внешний вид печатной платы блока питания для усилителя СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ LAY

Места под ферриты на платах гораздо больше, чем могло бы быть. Дело в том, что далеко не всегда быват необходитьмость уходить за пределы звукового диапазона. Поэтому и предусмотрены дополнительные площади на платах. На всякий случай небольшая подборка справочных данных по силовым транзисторам и ссылки, где бы их стал покупать я. Кстати сказать уже не единожды заказывал и TL494 и IR2110, и конечно же силовые транзисторы. Брал правда далеко не весь ассортимент, однако брака пока не попадалось.

ПОПУЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
НАИМЕН-НИЕ	НАПРЯЖЕНИЕ	МОЩНОСТЬ	ЕМКОСТЬ ЗАТВОРА	Qg (ПРОИЗ-ТЕЛЬ)

Этот проект является одним из самых долгих, который делал. Заказал блок питания один человек для усилителя мощности.
Ранее никогда не довелось делать такие мощные импульсники стабилизированного типа, хотя опыт в сборке ИИП довольно большой. Проблем во время сборки было много. Изначально хочу сказать, что схема часто встречается в сети, а если точнее, то на сайте интервалка, но…. схема изначально не идеальна, с ошибками и скорее всего ничего не заработает, если собрать точно по схеме с сайта.

В частности изменил схему подключения генератора, взял схему с даташита. Переделал узел питания управляющей цепи, вместо параллельно соединенных 2-х ваттных резисторов, задействовал отдельный ИИП 15 Вольт 2 Ампер, что дало возможность избавиться от многих хлопот.
Заменил некоторые компоненты под свои удобства и все запустил по частям, настроив каждый узел отдельно.
Несколько слов о конструкции блока питания. Это мощный импульсный сетевой блок питания по мостовой топологии, имеет стабилизацию выходного напряжения, защиту от кз и перегруза, все эти функции подлежат регулировке.
Мощность в моем случае 2000 ватт, но схема без проблем позволит снять до 4000 ватт, если заменить ключи, мост и напичкать электролитов на 4000 мкФ. На счет электролитов — емкость подбирается исходя из расчета 1 ватт — 1мкФ.
Диодный мост — 30 Ампер 1000 Вольт — готовая сборка, имеет свой отдельный обдув (кулер)
Сетевой предохранитель 25-30 Ампер.
Транзисторы — IRFP460 , старайтесь подобрать транзисторы с напряжением 450-700 Вольт, с наименьшей емкостью затвора и с наименьшим сопротивлением открытого канала ключа. В моем случае эти ключи были единственным вариантом, хотя в мостовой схеме обеспечить заданную мощность они могут. Устанавливаются на общий теплоотвод, обязательно нужно изолировать их друг от друга, теплоотвод нуждается в интенсивном охлаждении.
Реле режима плавного пуска — 30 Ампер с катушкой 12 Вольт. Изначально, когда блок подключается в сеть 220 Вольт пусковой ток на столь велик, что может спалить мост и еще много чего, поэтому режим плавного пуска для блоков питания такого ранга необходим. При подключении в сеть через ограничительный резистор (цепочка последовательно соединенных резисторов 3х22Ом 5 Ватт в моем случае) заряжаются электролиты. Когда напряжение на них достаточно велико, срабатывает блок питания управляющей цепи (15 Вольт 2 Ампер), который и замыкает реле и через последний подается основное (силовое) питание на схему.
Трансформатор — в моем случае на 4-х кольцах 45х28х8 2000НМ, сердечник не критичен и все, что с ним связано придется рассчитать по специализированным программам, тоже самое с выходными дросселями групповой стабилизации.

Мой блок имеет 3 обмотки, все они обеспечивают двухполярное напряжение. Первая (основная, силовая) обмотка на +/-45 Вольт с током 20 Ампер — для запитки основных выходных каскадов (усилителя по току) УМЗЧ, вторая +/-55 вольт 1,5Ампер — для запитки дифф каскадов усилителя, третья +/-15 для запитки блока фильтров.

Генератор построен на TL494 , настроен на частоту 80 кГц, дальше драйвера IR2110 для управления ключей.
Трансформатор тока намотан на кольце 2000НМ 20х12х6 — вторичная обмотка намотана проводом МГТФ 0,3мм и состоит из 2х45витковв.
В выходной части все стандартно, в качестве выпрямителя для основной силовой обмотки задействован мост из диодов KD2997 — с током 30 ампер. Мостом для обмотки 55 вольт стоят диоды UF5408, а для маломощной обмотки 15 Вольт — UF4007. Использовать только быстрые или ультрабыстрые диоды, хотя и можно обычные импульсные диоды с обратным напряжением не менее 150-200 Вольт (напряжение и ток диодов зависит от параметров обмотки).
Конденсаторы после выпрямителя стоят на 100 Вольт (с запасом), емкость 1000мкФ, но разумеется на самой плате усилителей будут еще.

Устранение неполадок начальной схемы.
Приводить свою схему не буду, поскольку она мало чем отличается от указанной. Скажу только, что в схеме 15 вывод ТЛ отцепляем от 16 и припаиваем к 13/14 выводам. Дальше убираем резисторы R16/19/20/22 2 ватт, и питаем узел управления отдельным блоком питания 16-18 Вольт 1-2 ампер.
Резистор R29 заменяем на 6,8-10кОм. Исключаем из схемы кнопки SA3/SA4 (ни в коем случае не замкнуть их! будет бум!). R8/R9 заменяем — при первом же подключении они выгорят, поэтому заменяем на резистор 5 ватт 47-68Ом, можно использовать несколько последовательно соединенных резисторов с указанной мощностью.
R42 — заменяем на стабилитрон с нужным напряжением стабилизации. Все переменные резисторы в схеме очень советую использовать многооборотного типа, для наиболее точной настройки.
Минимальная грань стабилизации напряжения 18-25 Вольт, дальше уже пойдет срыв генерации.

Этот стабилизатор обладает неплохими характеристиками, имеет плавную регулировку тока и напряжения, хорошую стабилизацию, без проблем терпит короткие замыкания, относительно простой и не требует больших финансовых затрат. Он обладает высоким кпд за счет импульсного принципа работы, выходной ток может доходить до 15 ампер, что позволит построить мощное зарядное устройство и блок питания с регулировкой тока и напряжения. При желании можно увеличить выходной ток до 20-и и более ампер.

В интернете подобных устройств, каждое имеет свои достоинства и недостатки, но принцип работы у них одинаковый. Предлагаемый вариант — это попытка создания простого и достаточно мощного стабилизатора.

За счет применения полевых ключей удалось значительно увеличить нагрузочную способность источника и снизить нагрев на силовых ключах. При выходном токе до 4-х ампер транзисторы и силовой диод можно не устанавливать на радиаторы.

Номиналы некоторых компонентов на схеме могут отличаться от номиналов на плате, т.к. плату разрабатывал для своих нужд.

Диапазон регулировки выходного напряжения от 2-х до 28 вольт, в моем случае максимальное напряжение 22 вольта, т.к. я использовал низковольтные ключи и поднять напряжение выше этого значения было рискованно, а так при входном напряжении около 30 Вольт, на выходе спокойно можно получить до 28-и Вольт. Диапазон регулировки выходного тока от 60mA до 15A Ампер, зависит от сопротивления датчика тока и силовых элементов схемы.

Устройство не боится коротких замыканий, просто сработает ограничение тока.

Собран источник на базе ШИМ контроллера TL494 , выход микросхемы дополнен драйвером для управления силовыми ключами.

Хочу обратить ваше внимание на батарею конденсаторов установленных на выходе. Следует использовать конденсаторы с низким внутренним сопротивлением на 40-50 вольт, с суммарной емкостью от 3000 до 5000мкФ.

Нагрузочный резистор на выходе применен для быстрого разряда выходных конденсаторов, без него измерительный вольтметр на выходе будет работать с запаздыванием, т.к. при уменьшении выходного напряжения конденсаторам нужно время, для разрядки, а этот резистор быстро их разрядит. Сопротивление этого резистора нужно пересчитать, если на вход схемы подается напряжение больше 24-х вольт. Резистор двух ваттный, рассчитан с запасом по мощности, в ходе работы может греться, это нормально.

Как это работает:

ШИМ контроллер формирует управляющие импульсы для силовых ключей. При наличии управляющего импульса транзистор, и питание по открытому каналу транзистора через дроссель поступает на накопительный конденсатор. Не забываем, что дроссель является индуктивной нагрузкой, которым свойственно накапливание энергии и отдача за счет самоиндукции. Когда транзистор закрывается накопленный в дросселе заряд через диод шоттки продолжит подпитывать нагрузку. Диод в данном случае откроется, т.к. напряжение с дросселя имеет обратную полярность. Этот процесс будет повторяться десятки тысяч раз в секунду, в зависимости от рабочей частоты микросхемы ШИМ. По факту ШИМ контроллер всегда отслеживает напряжение на выходном конденсаторе.

Стабилизация выходного напряжения происходит следующим образом. На неинвертирующий вход первого усилителя ошибки микросхемы (вывод 1) поступает выходное напряжение стабилизатора, где оно сравнивается с опорным напряжением, которое присутствует на инверсном входе усилителя ошибки. При снижении выходного напряжения будет снижаться и напряжение на выводе 1, и если оно будет меньше опорного напряжения, ШИМ контроллер будет увеличивать длительности импульсов, следовательно транзисторы больше времени будут находиться в открытом состоянии и больше тока будет накачиваться в дроссель, если же выходное напряжение больше опорного, произойдет обратное — микросхема уменьшит длительность управляющих импульсов. Указанным делителем можно принудительно менять напряжение на неинвертирующщем входе усилителя ошибки, этим увеличивая или уменьшая выходное напряжение стабилизатора в целом. Для наиболее точной регулировки напряжения применён подстроечный многооборотный резистор, хотя можно использовать обычный.

Минимальное выходное напряжение составляет порядка 2 вольт, задается указанным делителем, при желании можно поиграться с сопротивлением резисторов для получения приемлемых для вас значений, не советуется снижать минимальное напряжение ниже 1 вольта.

Для отслеживания потребляемого нагрузкой тока установлен шунт. Для организации функции ограничения тока задействован второй усилитель ошибки в составе ШИМ контроллера тл494. Падение напряжения на шунте поступает на неинвертирующий вход второго усилителя ошибки, опять сравнивается с опорным, а дальше происходит точно тоже самое, что и в случае стабилизации напряжения. Указанным резистором можно регулировать выходной ток.

Токовый шунт изготовлен из двух параллельно соединённых низкоомных резисторов с сопротивлением 0,05Ом.

Накопительный дроссель намотан на желто белом кольце от фильтра групповой стабилизации компьютерного блока питания.

Так как схема планировалась на довольно большой входной ток, целесообразно использовать два сложенных вместе кольца. Обмотка дросселя содержит 20 витков намотанных двумя жилами провода диаметром 1,25мм в лаковой изоляции, индуктивность около 80-90 микрогенри.

Импульсный блок питания 24в 3а своими руками

Внимание! В некоторых случаях для отладки схемы может понадобится осциллограф!

Технические характеристики

Далее подробно разберём назначение элементов в схеме.

Импульсный блок питания мощностью 100Вт на контроллере CR6842S.

Назначение элементов входной цепи

Рассматривать схему блока будем слева-направо:

F₁	Обычный плавкий предохранитель.
5D-9	Терморезистор, ограничивает бросок тока при включении блока питания в сеть. При комнатной температуре имеет небольшое сопротивление, ограничивающее броски тока, при протекании тока разогревается, что вызывает снижение сопротивления, поэтому в дальнейшем не влияет на работу устройства.
C₁	Входной конденсатор, для подавления несимметричной помехи. Ёмкость допустимо немного увеличить, желательно чтобы он был помехоподавляющим конденсатором типа X2 или имел большой (10-20 раз) запас по рабочему напряжению. Для надёжного подавления помех должен иметь низкие ESR И ESL.
L₁	Синфазный фильтр, для подавления симметричной помехи. Состоит из двух катушек индуктивности с одинаковым числом витков, намотанных на общем сердечнике и включенных синфазно.
KBP307	Выпрямительный диодный мост.
R₅, R₉	Цепочка, необходимая для запуска CR6842. Через неё осуществляется первичный заряд конденсатора C₄ до 16.5В. Цепь должна обеспечивать ток запуска не менее 30 мкА (максимум, согласно даташиту) во всём диапазоне входных напряжений. Также, в процессе работы посредством этой цепочки осуществляется контроль входного напряжения и компенсация напряжения при котором закрывается ключ — увеличение тока, втекающего в третий пин, вызывает понижение порогового напряжения закрытия ключа.
R₁₀	Времязадающий резистор для ШИМ. Увеличение номинала данного резистора уменьшит частоту переключения. Номинал должен лежать в пределах 16-36 кОм.
C₂	Сглаживающий конденсатор.
R₃, C₇, VD₂	Снабберная цепь, защищающая ключевой транзистор от обратных выбросов с первичной обмотки трансформатора. R₃ желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C₃	Конденсатор, шунтирующий межобмоточную ёмкость. В идеале должен быть Y-типа, либо же должен иметь большой запас (15-20 раз) по рабочему напряжению. Служит для уменьшения помех. Номинал зависит от параметров трансформатора, делать слишком большим нежелательно.
R₆, VD₁, C₄	Данная цепь, запитываясь от вспомогательной обмотки трансформатора образует цепь питания контроллера. Также данная цепь влияет на цикл работы ключа. Работает это следующим образом: для корректной работы напряжение на седьмом выводе контроллера должно находиться в пределах 12.5 — 16.5 В. Напряжение 16.5В на этом выводе является порогом, при котором происходит открытие ключевого транзистора и энергия начинает запасаться в сердечнике трансформатора (в это время микросхема питается от C₄). При понижении ниже 12.5В микросхема отключается, таким образом конденсатор C₄ должен обеспечивать питание контроллера пока из вспомогательной обмотки не поступает энергии, поэтому его номинала должно быть достаточно чтобы удерживать напряжение выше 12.5В пока ключ открыт. Нижний предел номинала C₄ следует рассчитывать исходя из потребления контроллера около 5 мА. От времени заряда данного конденсатора до 16.5В зависит время закрытого ключа и определяется оно током, который может отдать вспомогательная обмотка, при этом ток ограничивается резистором R₆. Кроме всего прочего, посредством данной цепи в контроллере предусмотрена защита от перенапряжения в случае выхода из строя цепей обратной связи — при превышении напряжения выше 25В контроллер отключится и не начнёт работать пока питание с седьмого пина не будет снято.
R₁₃	Ограничивает ток заряда затвора ключевого транзистора, а также обеспечивает его плавное открытие.
VD₃	Защита затвора транзистора.
R₈	Подтяжка затвора к земле, выполняет несколько функций. Например, в случае отключения контроллера и повреждения внутренней подтяжки данный резистор обеспечит быстрый разряд затвора транзистора. Также, при корректной разводке платы обеспечит более короткий путь тока разряда затвора на землю, что должно положительно сказаться на помехозащищённости.
BT₁	Ключевой транзистор. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R₇, C₆	Цепь служит для сглаживания колебаний напряжения на токоизмерительном резисторе.
R₁	Токоизмерительный резистор. Когда напряжение на нём превышает 0.8В контроллер закрывает ключевой транзистор, таким образом регулируется время открытого ключа. Кроме того, как уже говорилось выше, напряжение при котором будет закрыт транзистор также зависит от входного напряжения.
C₈	Фильтрующий конденсатор оптопары обратной связи. Допустимо немного увеличить номинал.
PC817	Опторазвязка цепи обратной связи. Если транзистор оптопары закроется это вызовет повышение напряжения на втором выводе контроллера. Если напряжение на втором выводе будет превышать 5.2В дольше 56 мс, это вызовет закрытие ключевого транзистора. Таким образом реализована защита от перегрузки и короткого замыкания.

Параметры импульсного трансформатора

Описание элементов выходной цепи

VD₄	Сдвоенный выпрямительный диод. В идеале подбирать с запасом по напряжениютоку и с минимальным падением. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R₂, C₁₂	Снабберная цепь для облегчения режима работы диода. R₂ желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C₁₃, L₂, C₁₄	Выходной фильтр.
C₂₀	Керамический конденсатор, шунтирующий выходной конденсатор C₁₄ по ВЧ.
R₁₇	Нагрузочный резистор, обеспечивающий нагрузку для холостого хода. Также через него разряжаются выходные конденсаторы в случае запуска и последующего отключения без нагрузки.
R₁₆	Токоограничивающий резистор для светодиода.
C₉, R₂₀, R₁₈, R₁₉, TLE431, PC817	Цепь обратной связи на прецизионном источнике питания. Резисторы задают режим работы TLE431, а PC817 обеспечивает гальваническую развязку.

Что можно улучшить

После L₁ также стоит добавить ещё один конденсатор X-типа, с той же ёмкостью что у C₁.

Защитный треугольник на варисторах.

ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ 0.8-24В 50 ВАТТ

Устройство собрано модульно (в корпусе от картриджа HP размером 100х75х55):

Основная плата со своим импульсным стабилизатором напряжения 5 вольт на MC34063 и схема измерения напряжения и тока на Atmega8 с индикацией на трехразрядных светодиодным индикаторах (ОК и ОА, в архиве обе прошивки VA_Atm8+_CC.hex и VA_Atm8+_CA.hex соответственно).
Выпрямитель с импульсным регулируемым понижающим преобразователем на MP1584 (входное 28В и выходное 0.8..25В, с небольшой переделкой), возможно применение преобразователя на LM2576 готового модуля или самодельного, печатка в архиве (при этом диапазон напряжений для этого вольтметра будет 1.20..37.0В). Схема и плата такого варианта есть в архиве. При этом нужно учитывать, что у LM2576, LM2596 входное и выходное напряжение 40В и 37В, у LM2576HV 57В и 60В, а минимальное напряжение у всех перечисленных DC-DC 1,2В. В архиве есть все варианты прошивок для токов и напряжений, в зависимости от примененного DC-DC преобразователя и для всех вариантов индикаторов. Необходимо также подобрать входной делитель (R2), чтобы максимальные показания были почти в верхнем положении ползунка подстроечного резистора RV4.
Импульсный блок питания для галогенных ламп 60 Ватт ZORN. Его придется немного модифицировать, как это сделать я расскажу позже. Возможно применение более мощного блока электронного трансформатора или обычного трансформатора, в последнем случае необходимо заменить высокочастотные диоды D1-D4 на обычный диодный мост.

В корпусе (крышке) прорезается окно под светодиодные индикаторы и колодка для подключения нагрузки, сбоку высверливается отверстие под регулятор напряжения. Вставляется плата индикации и измерения, закрепляется несколькими каплями термоклея. Плата изнутри прикрывается защитной пластинкой из электрокартона или пластика, вырезанного по размерам платы. На нее устанавливается плата выпрямителя с регулируемым преобразователем. Светодиодные индикаторы прикрываются прозрачным светофильтром. Сзади второй половинки картриджа (донышке) сверлится отверстие под сетевой шнур и дремелем вырезается прямоугольное окно под выключатель. Затем крепится плата электронного трансформатора несколькими каплями термоклея. Обе половинку картриджа скрепляются металлическими пластинами размером 6х25 с резьбовыми отверстиями под винтики с утопающей головкой М3х12.

Шунт для амперметра от китайского вольтметра BT830 или BT890. Напряжение, пропорциональное току усиливается операционным усилителем на LM358 и далее поступает на АЦП7 контроллера Atmega8. Измеряемое напряжение через делитель поступает на другой вход АЦП6. В обоих каналах предусмотрена подстройка с помощью многооборных резисторов выводимой информации (подстройка тока и напряжения). Для повышения точности измерения тока до единиц миллиампер и напряжения до милливольт, применен оверсемплинг с фильтрацией напряжения от случайных помех (всего 64 замера приблизительно через 1 миллисекунду, сортируются пузырьковым методом и суммируются 16 средних значений, а делятся только на четыре). Затем уже отфильтрованная с дополнительными двумя разрядами величина поступает на фильтр Кальмана. Такая двойная фильтрация позволяет измерять даже импульсное напряжение, при этом показания стабильны и не «прыгают». Вольтметр имеет два автоматических режима измерения 0,00. 9,99В и 10,0. 30,0В, амперметр имеет один режим измерения 0,00. 3,00А. Индикаторы работают в прерывании микроконтроллера TIMER0 и мерцания вообще не заметно. В момент каждого прерывания подсвечивается только один разряд и продолжает подсвечивать это знакоместо до следующего прерывания. Можно сделать, что будут подсвечиваться парно первый разряд первого и второго индикатора, затем второй LCD1 и LCD2 и т.д., но тогда нужно отказаться от двух пределов измерения вольтметра, так как запятые будут синхронны для обоих индикаторов. Программа с оптимизацией по скорости занимает в памяти микроконтроллера всего чуть более 28%. Возможно добавить звуковую или светодиодную сигнализацию при превышении мощности и тока. У контроллера остались свободные ноги, возможно измерять температуру внутри корпуса и при превышении определенного порога отключать DC-DC преобразователь.

Типовая схема электронного трансформатора

Переделка схемы занимает немного времени. Увеличиваем количество витков на вторичной обмотке трансформатора Т2. Можно простым продеванием провода ПЭД 0.8-1.2 около 40 витков. Включаем трансформатор с нагруженной лампой на 24В и замеряем напряжение, оно должно быть порядка 20 вольт или сматываем вторичку, считая витки, и наматываем новый провод (количество витков должно быть в два раза больше деленное на 1.2). На плате выпаиваются концы обмотки обратной связи и вместо нее устанавливается перемычка, прямо на плате. Затем на трансформаторе Т1 многожильным проводом делается 1 виток простым продеванием, затем не разрезая провод делаем 1-2 витка на Т2 и в разрыв концов впаиваем резистор 5-10 Ом 1 Вт. Затем подпаиваем электролитический конденсатор 47-100 мкФ на 400В к выходу диодного моста, где обозначены + и -. Желательно также транзисторы 13003 поменять на 13007, 13009. Можно на транзисторы закрепить небольшие пластинчатые изоляторы из алюминия на каждый транзистор или общий через изолирующие прокладки. Достоинством этого импульсного блока питания является то, что он не боится кратковременных коротких замыканий на выходе и малые размеры. На этом переделка электронного трансформатора закончена и можно переходить к следующему этапу.

Внешний вид, переделанного электронного трансформатора

Готовый импульсный понижающий преобразователь напряжения на MP1584

Схема регулятора напряжения на плате с готовым модулем на MP1584

Готовая плата с модулем на MP1584

Модуль подвергается небольшой переделке. Выпаивается подстроечный резистор и вместо его впаивается переменный резистор на 200 кОм. Если не предполагается изготавливать плату под этот модуль, можно поступить проще. Прямо на готовую плату с МР1584 к средним выводам Vin-, Vin+ и Vout-, Vout+ подпаять конденсаторы на 33-330 мкФ 50-68В.

Готовый импульсный преобразователь на LM2596

Здесь тоже нужна небольшая переделка. Выпаивается подстроечный резистор, на плате его уже нет (слева, внизу три контактные площадки) и вместо его впаивается переменный резистор того же номинала. Обычно 10 кОм.

Схема самодельного регулятора напряжения на LM2576

Печатная плата самодельного регулятора напряжения на LM2576

3D вид печатной платы регулятора на LM2576

(плата в этот раз не изготавливалась, в связи с отсутствием LM2576, в наличии только LM2575, но они слабее)

Контроллер прошивался самодельным программатором AVRISP.

Перед этим необходимо сделать самодельный переходник. Берем разъем ВН-10 вилку и подпаиваем проводки к VCC, GND, MISO, MOSI, SCK.

Устройство во время отладки и прошивки.

Припаяны провода от самодельного переходника ISP разъема.

Контроллер прошивается в среде CodeVisionAVR.

Фьюзы выставляются согласно рисунку. Возможно использовать WinAVR, выставив внутренний генератор 8 мГц. Остальное как есть.

Или в любой программе для прошивки (AVRDude), выставив фьюзы,

согласно этому рисунку.

Для наладки подключаем к выходу блока питания резистор, например 10 Ом 10 Ватт 1% и мультиметр в режиме измерения напряжения, предел 20В. Выставляем напряжение 1В и подстроечным резистором RV4 добиваемся показаний 1.00 В. Затем резистором RV3 устанавливаем показания 0.10А. Проверяем для других напряжений 5В — 0,5А, 10В — 1А. Такой калибровки для указателя напряжения и тока для блока питания достаточно. Далее проверять не следует, задымится резистор нагрузки. У меня подключен 5.6 Ом 5% 7Вт.

В ходе экспериментов, я заменил преобразователь на LM2576 преобразователем на МР1584, не посмотрев, что на нем не распаяны электролиты. Показания слегка стали подергиваться и я сразу схватился за усовершенствование программы. Сделал побольше временные задержки перед замерами и уменьшил коэффициент в фильтре Кальмана. При этом на изменения напряжения блока, показания реагировали лениво, несколько секунд, но замирали и стояли, как вкопанные и соответствовали показаниям мультиметра. Только после этого я догадался взглянуть осциллографом на выходе блока (параллельно нагрузке) и ужаснулся. На выходе была сплошная переменка. Электронный трансформатор лупил на 50 кГц и я видел удвоенную частоту в 100 кГц. После подпаивания сглаживающих конденсаторов, все встало на свои места и я вернул в программе прежние величины, откомпилировал и прошил заново. Все перечисленные выше модули я покупал на EBay да и остальные радиодетали тоже. Обычно заказываю десятками, для меня такого количества достаточно и выходит дешевле. Например, готовый модуль MP1585 обошелся мне около 4$ за десяток. LM2576 вообще копеечные, но лучше заказывать LM2596, т.к. у последних выше частота преобразования и потребуется дроссель меньшей индуктивности. SMD резисторы и конденсаторы нужно брать упаковками по 500-1000 штук разных номиналов.

Акопов Роберт UN7RX, arg777 (at) mail.ru
http://arcalc.do.am/

Импульсный блок питания рассчитан на выходное напряжение в пределах 20-28В, при максимальном долговременном токе нагрузки 10А без принудительного охлаждения и до 18А при использовании вентилятора. В качестве контроллера используется широко распространенная в промышленных устройствах микросхема UC 3825. Ее выбор был обусловлен, прежде всего, наличием. Ну, а раз она является (наряду с 3525) промышленным стандартом, то и не пришлось долго раздумывать.

Блок питания представляет собой типовой полумост с оптронной развязкой ОС по напряжению. Защита по току осуществляется с помощью трансформатора тока.

К особенностям можно отнести повышенные требования к монтажу и конструкции. Причин тут несколько. Во-первых, примененный контроллер имеет высокую граничную рабочую частоту, управляющие входы контроллера достаточно высокоимпедансные и чувствительны к наводкам. Это обязывает соблюдать некоторые правила монтажа такого контроллера и его обвязки. Во-вторых, специфика применения данного БП предъявляла жесткие требования по различным помехам, как радиочастотным, так и акустическим. Последнее наложило ограничение на разработку конструкции, в частности, на минимизацию габаритов и размещение некоторых компонентов. Часто используемое «компьютерное» расположение силовых элементов и радиаторов было исключено, как и применение комплектующих рассчитанными на эксплуатацию в основном, в режиме обдува, то есть, без заметного запаса по параметрам. Это касается прежде всего размеров сердечников трансформатора и дросселя L1.

Схему БП можно условно разделить на три части. Первая — это входные цепи питания, содержащие противопомеховый фильтр, варистор и узел ограничения броска тока заряда конденсатора фильтра питания, состоящий из резистора R 16 и простейшего реле времени на транзисторе VT 4. Вторая – узел контроллера, выделенный синим цветов. И третья, силовая, преобразовательная часть, с фильтром на выходе.

В зависимости от требований, используется также плата дополнительных фильтров, если в этом есть необходимость.

Рисунки печатных плат в формате lay можно скачать здесь.
На печатных платах детали не промаркированы, но учитывая несложность конструкции, определить их соответствие принципиальной схеме, несложно.
Схема собрана на двух печатных платах, основной и субплате контроллера. Так удалось решить проблему с чувствительностью этой микросхемы к различного рода наводкам. Обратите внимание, что субплата контроллера двусторонняя, на одной смонтированы SMD компоненты, а другая сторона в виде сплошной фольги, использована как общий провод и экран.
Конденсатор С6 установлен навесным монтажом, поверх С7.

Данные намоточных компонентов:

Трансформатор Tr1 намотан на сердечнике из феррита N67 размером 26х6х6 и содержит 3х16 витков провода ПЭЛШО 0.35.
Tr2 выполнен на таком же феррите, размер сердечника 42х10х20, первичная обмотка выполнена литцендратом из проводов 0.08 и суммарным диаметром скрутки 1мм, с общей шелковой изоляцией и содержит 17 витков.
Вторичная обмотка — 2х5 витков медной ленты толщиной 0.4 и шириной 12 мм.
Вспомогательная обмотка для питания контроллера содержит 2х3 витка провода ПЭЛШО 0.35

Дроссель L1 на кольце из спеченного мопермаллоя, проницаемостью 63. Размеры кольца 28х15х15, цвет защитного покрытия — желтый, с белым торцом. Число витков — 25.
Трансформатор тока использован готовый, первичная обмотка представляет собой пропущенный в отверстие кольца провод МГТФ c диаметром жилы ок. 1.5мм.
Вторичка — примерно 150 — 200 витков провода на кольце М16х8х6, проницаемость около 2000.
Дроссель L2 готовый, на ферритовом стержне, диаметр провода 2мм.

Дросселя внешних фильтров выполнены на ферритовых сердечника с высокой проницаемостью (4000) , при их намотке следует правильно расположить обмотки, чтобы исключить подмагничивание сердечника — для этого каждая полуобмотка мотается на свой половине кольца, а направление намоток должно быть противофазным.

Следует отметить, что зачастую, применение тех, или иных деталей, определялось их наличием, а не обязательной необходимостью применять именно этот компонент. При повторении ИБП стоит это учитывать.
Обратите внимание на обязательное подключение конденсатора С27 к корпусу радиатора. В противном случае могут возникнуть паразитные колебания. Реле Rel1 любое, на рабочее напряжение 24В и ток через контакты не менее 3А.

Внешний вид ИБП:

Вид сбоку на монтаж силовых полупроводников:

Обратите внимание на то, что выходная отрицательная шина питания, заземлена на радиатор при помощи полоски медной фольги шириной 10мм, которая заведена под стойку платы и прижата винтом крепления.

Руководство по проектированию цепей для преобразователей постоянного тока в постоянный (1/10)

Что такое преобразователь постоянного тока в постоянный?

В этом руководстве содержатся советы по проектированию цепей преобразователей постоянного тока в постоянный. Как спроектировать схемы преобразователя постоянного тока в постоянный, которые удовлетворяют требуемым спецификациям при различных ограничениях, описано с использованием как можно большего количества конкретных примеров.

Свойства цепей преобразователя постоянного тока в постоянный (такие как КПД, пульсации и переходная характеристика нагрузки) могут быть изменены с помощью их внешних частей.Оптимальные внешние части обычно зависят от условий эксплуатации (входных / выходных характеристик). Цепь источника питания часто используется как часть цепей коммерчески доступных продуктов и должна быть спроектирована таким образом, чтобы удовлетворять ограничениям, таким как размер и стоимость, а также требуемым электрическим характеристикам. Обычно стандартные схемы, перечисленные в каталогах, разрабатываются путем выбора таких деталей, которые могут обеспечить приемлемые свойства в стандартных условиях эксплуатации.Эти детали не обязательно оптимальны для индивидуальных условий эксплуатации. Следовательно, при разработке отдельных продуктов стандартные схемы должны быть изменены в соответствии с их индивидуальными техническими требованиями (такими как эффективность, стоимость, монтажное пространство и т. Д.). Разработка схемы, удовлетворяющей требованиям спецификации, обычно требует большого опыта и знаний. В этом руководстве с использованием конкретных данных описано, какие части следует изменить и как их изменить для выполнения требуемых операций без специальных знаний и опыта.Вы сможете быстро и успешно управлять схемами преобразователя, не выполняя сложных расчетов схем. Вы можете проверить свой проект либо путем тщательного расчета позже самостоятельно, либо с помощью специалистов, обладающих знаниями и опытом, если вы чувствуете себя неуверенно.

Типы и характеристики преобразователей постоянного тока в постоянный

Преобразователи постоянного тока в постоянный ток

доступны с двумя типами схем:

Неизолированные типы:
- Базовый (одна катушка) тип
- Емкостная муфта (двухкатушечная) типа ―― SEPIC, Zeta и др.
- Нагнетательный насос (без переключаемого конденсатора / катушки) тип
Изолированные типы:
- Типы трансформаторной муфты―― Передний трансформатор типа
- Типы трансформаторной муфты Обратный трансформатор типа

Характеристики отдельных типов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики цепей преобразователя постоянного тока в постоянный
Тип цепи		№деталей (Монтажная площадка)	Стоимость	Выходная мощность	Пульсация
Неизолированный	Базовый	Малый	Низкий	Высокая	Малый
	SEPIC, Zeta	Средний	Средний	Средний	Средний
	Нагнетательный насос	Малый	Средний	Малый	Средний
Изолированный	Трансформатор передний	Большой	Высокая	Высокая	Средний
Изолированный	Обратный трансформатор	Средний	Средний	Средний	Высокая

В схеме базового типа работа ограничивается либо повышением, либо понижением, чтобы минимизировать количество деталей, а входная и выходная стороны не изолированы.На рисунке 1 показана повышающая схема, а на рисунке 2 — понижающая. Эти схемы обеспечивают такие преимущества, как небольшой размер, низкая стоимость и небольшая пульсация, и спрос на них растет в соответствии с потребностями в уменьшении размеров оборудования.

Рисунок 1: Повышающая схема

Рисунок 2: Понижающая схема

С SEPIC и Zeta конденсатор вставляется между V _IN и V _OUT повышающей цепи и понижающей схемой основного типа, и добавляется одна катушка.Они могут быть сконфигурированы как повышающие или понижающие преобразователи постоянного / постоянного тока с использованием повышающей ИС контроллера постоянного тока и понижающего контроллера постоянного тока, соответственно. Однако, поскольку некоторые ИС контроллеров постоянного / постоянного тока не предполагается использовать с этими типами цепей, убедитесь, что ваши ИС контроллеров постоянного / постоянного тока могут использоваться с этими типами цепей. Конденсаторный тип связи с двумя катушками имеет преимущество, позволяющее обеспечить изоляцию между V _IN и V _OUT. Однако увеличенные катушки и конденсаторы снизят эффективность.В частности, во время понижения эффективность существенно снижается, обычно примерно до 70-80%.

Тип нагнетательного насоса не требует змеевика, что позволяет минимизировать площадь и высоту установки. С другой стороны, этот тип не обеспечивает высокую эффективность для приложений, которым требуется широкий спектр выходных мощностей или больших токов, и ограничивается приложениями для управления белыми светодиодами или для питания ЖК-дисплеев.

Цепь изолированного типа также известна как первичный источник питания (основной источник питания).Этот тип широко используется для преобразователей переменного тока в постоянный, которые генерируют мощность постоянного тока в основном из имеющегося в продаже источника переменного тока (от 100 В до 240 В), или для приложений, в которых требуется изоляция между входной и выходной сторонами для устранения шумов. В этом типе входная и выходная стороны разделены с помощью трансформатора, а повышением, понижением или реверсом можно управлять, изменяя коэффициент трансформации трансформатора и полярность диода. Таким образом, вы можете отключить множество источников питания из одной цепи питания.Если используется обратный трансформатор, схема может состоять из относительно небольшого количества частей и может использоваться в качестве цепи вторичного источника питания (местного источника питания). Однако обратный трансформатор требует наличия пустот, чтобы предотвратить магнитное насыщение сердечника, увеличивая его размеры. Если используется прямой трансформатор, можно легко найти большой источник питания. Эта схема, однако, требует схемы сброса на первичной стороне, чтобы предотвратить намагничивание сердечника, увеличивая количество частей.Кроме того, стороны входа и выхода IC контроллера должны быть заземлены отдельно.

Основные принципы работы преобразователей постоянного тока в постоянный

Принципы работы повышения и понижения в цепях преобразователя постоянного / постоянного тока будут описаны с использованием самого основного типа. Схемы других типов или схемы, использующие катушки, могут считаться составленными из комбинации повышающей схемы и понижающей схемы или их прикладных схем.

На рисунках 3 и 4 показаны операции повышающей схемы.На рисунке 3 показан ток при включении полевого транзистора. Пунктирная линия показывает небольшой ток утечки, который снижает эффективность при малой нагрузке. Электрическая энергия накапливается в L, пока полевой транзистор включен. На рисунке 4 показан ток при выключенном полевом транзисторе. Когда полевой транзистор выключен, L пытается сохранить последнее значение тока, а левый край катушки принудительно фиксируется на V _IN для подачи питания для увеличения напряжения до V _OUT для работы в режиме повышения.Следовательно, если полевой транзистор включен дольше, в L накапливается гораздо больший электрический ток, что позволяет получить большую мощность. Однако, если полевой транзистор включен слишком долго, время подачи питания на выходную сторону становится слишком коротким, и потери в течение этого времени увеличиваются, что снижает эффективность преобразования. Следовательно, значение максимальной нагрузки (отношение времени включения / выключения) обычно определяется таким образом, чтобы поддерживать соответствующее значение.

В повышающем режиме токи, показанные на рисунках 3 и 4, повторяются:

Рисунок 3: Ток при включении полевого транзистора в повышающей цепи

Рисунок 4: Ток при отключении полевого транзистора в повышающей цепи

На рисунках 5 и 6 показаны операции понижающей схемы.На рисунке 5 показан ток при включении полевого транзистора. Пунктирная линия показывает небольшой ток утечки, который ухудшит эффективность в условиях малой нагрузки. Когда полевой транзистор включен, электрическая энергия накапливается в L и подается на выходную сторону. На рисунке 6 показан ток при выключенном полевом транзисторе. Когда полевой транзистор выключен, L пытается сохранить последнее текущее значение и включает SBD. В это время напряжение на левом крае катушки принудительно падает ниже 0 В, уменьшая напряжение на V _OUT.Следовательно, если полевой транзистор включен дольше, в L накапливается гораздо больший электрический ток, что позволяет получить большую мощность. С понижающей схемой, когда полевой транзистор включен, питание может подаваться на выходную сторону, и максимальную нагрузку определять не нужно. Следовательно, если входное напряжение ниже, чем выходное напряжение, полевой транзистор остается включенным. Однако, поскольку операция повышения отключена, выходное напряжение также снижается до уровня входного напряжения или ниже.

В режиме понижения токи, показанные на рисунках 5 и 6, повторяются:

Рисунок 5: Ток при включении полевого транзистора в понижающей цепи

Рисунок 6: Ток при отключении полевого транзистора в понижающей цепи

4 критических момента при проектировании схем преобразователя постоянного тока в постоянный

Среди технических требований для цепей преобразователя постоянного / постоянного тока критическими считаются следующие:

Стабильная работа (не может быть нарушена из-за сбоя в работе, такого как ненормальное переключение, перегорание или перенапряжение)
Высокая эффективность
Малая пульсация на выходе
Хорошая реакция на переходные процессы при нагрузке

Эти свойства можно до некоторой степени улучшить, изменив ИС преобразователя постоянного тока в постоянный и внешние детали.Вес этих четырех свойств зависит от конкретного приложения. Далее рассмотрим, как выбирать отдельные детали для улучшения этих свойств.

Следующая страница

Выбор частоты коммутации DC / DC преобразователя

AN-140: Основные понятия линейного регулятора и импульсных источников питания

Аннотация

В этой статье объясняются основные концепции линейных регуляторов и импульсных источников питания (ИИП).Он предназначен для системных инженеров, которые могут не очень хорошо разбираться в конструкции и выборе источников питания. Объясняются основные принципы работы линейных регуляторов и SMPS, а также обсуждаются преимущества и недостатки каждого решения. Понижающий понижающий преобразователь используется в качестве примера для дальнейшего объяснения конструктивных особенностей импульсного регулятора.

Введение

Современные конструкции требуют все большего количества шин питания и решений для электропитания в электронных системах с нагрузками от нескольких мА для резервных источников питания до более 100 А для стабилизаторов напряжения ASIC.Важно выбрать подходящее решение для целевого приложения и удовлетворить заданные требования к производительности, такие как высокая эффективность, ограниченное пространство на печатной плате, точное регулирование выходной мощности, быстрая переходная характеристика, низкая стоимость решения и т. Д. Конструкция управления питанием становится все более частой и сложной задачей для системных проектировщиков, многие из которых могут не иметь сильного энергетического опыта.

Преобразователь мощности генерирует выходное напряжение и ток для нагрузки от заданного источника входного питания.Он должен соответствовать требованиям регулирования напряжения или тока нагрузки в установившихся и переходных режимах. Он также должен защищать нагрузку и систему в случае отказа какого-либо компонента. В зависимости от конкретного применения разработчик может выбрать либо линейный стабилизатор (LR), либо импульсный источник питания (SMPS). Чтобы сделать лучший выбор решения, дизайнерам важно знать достоинства, недостатки и конструктивные особенности каждого подхода.

Эта статья посвящена приложениям с неизолированными источниками питания и дает представление об их работе и основах проектирования.

Линейные регуляторы

Как работает линейный регулятор

Начнем с простого примера. Во встроенной системе от внешнего источника питания доступна шина 12 В. На системной плате необходимо напряжение 3,3 В для питания операционного усилителя (операционного усилителя). Самый простой способ генерировать 3,3 В — использовать резисторный делитель от шины 12 В, как показано на рисунке 1. Хорошо ли он работает? Обычно ответ отрицательный. Ток на выводах V _CC операционного усилителя может изменяться в зависимости от условий эксплуатации.Если используется делитель с постоянным резистором, напряжение IC V _CC зависит от нагрузки. Кроме того, вход шины 12 В может плохо регулироваться. В той же системе может быть много других нагрузок, использующих шину 12 В. Из-за импеданса шины напряжение на шине 12 В меняется в зависимости от условий нагрузки на шину. В результате резисторный делитель не может подавать стабилизированное напряжение 3,3 В на операционный усилитель, чтобы гарантировать его правильную работу. Следовательно, необходим специальный контур регулирования напряжения. Как показано на рисунке 2, контур обратной связи должен регулировать значение верхнего резистора R1, чтобы динамически регулировать сопротивление 3.3 В на V _CC.

Рисунок 1. Резисторный делитель вырабатывает 3,3 В _DC от входа шины 12 В

Рисунок 2. Контур обратной связи регулирует значение последовательного резистора R1 для регулирования 3,3 В

Этот тип переменного резистора может быть реализован с помощью линейного регулятора, как показано на рисунке 3. Линейный регулятор работает с биполярным или полевым силовым транзистором (FET) в его линейном режиме. Таким образом, транзистор работает как переменный резистор последовательно с выходной нагрузкой.Концептуально, чтобы установить контур обратной связи, усилитель ошибки измеряет выходное напряжение постоянного тока через цепь резисторов выборки R _A и R _B, а затем сравнивает напряжение обратной связи V _FB с опорным напряжением V _REF. Выходное напряжение усилителя ошибки управляет базой последовательного силового транзистора через усилитель тока. Когда либо входное напряжение V _BUS уменьшается, либо увеличивается ток нагрузки, выходное напряжение V _CC падает.Напряжение обратной связи V _FB также уменьшается. В результате усилитель ошибки обратной связи и усилитель тока генерируют больший ток в базе транзистора Q1. Это уменьшает падение напряжения V _CE и, следовательно, возвращает выходное напряжение V _CC, так что V _FB равно V _REF. С другой стороны, если выходное напряжение V _CC повышается, аналогичным образом цепь отрицательной обратной связи увеличивает V _CE, чтобы обеспечить точное регулирование 3.Выход 3 В. Таким образом, любое изменение V _O поглощается напряжением V _CE транзистора линейного стабилизатора. Таким образом, выходное напряжение V _CC всегда постоянно и хорошо регулируется.

Рис. 3. В линейном регуляторе реализован переменный резистор для регулирования выходного напряжения

Зачем нужны линейные регуляторы?

Линейный регулятор уже очень давно широко используется в промышленности. Это было основой для отрасли электроснабжения до тех пор, пока импульсные источники питания не стали преобладать после 1960-х годов.Даже сегодня линейные регуляторы по-прежнему широко используются в широком спектре приложений.

Помимо простоты использования, линейные регуляторы имеют и другие преимущества в производительности. Поставщики систем управления питанием разработали множество интегрированных линейных регуляторов. Типичный интегрированный линейный регулятор требует только V _IN, V _OUT, FB и дополнительные контакты GND. На рисунке 4 показан типичный трехконтактный линейный стабилизатор LT1083, разработанный более 20 лет назад. Для установки выходного напряжения требуется только входной конденсатор, выходной конденсатор и два резистора обратной связи.Практически любой инженер-электрик может спроектировать источник питания с этими простыми линейными регуляторами.

Рис. 4. Пример встроенного линейного регулятора: линейный регулятор 7,5 А только с тремя контактами

Один недостаток — линейный регулятор может сжечь много энергии

Основным недостатком использования линейных регуляторов может быть чрезмерное рассеивание мощности последовательного транзистора Q1, работающего в линейном режиме. Как объяснялось ранее, транзистор линейного регулятора концептуально представляет собой переменный резистор.Поскольку весь ток нагрузки должен проходить через последовательный транзистор, его рассеиваемая мощность равна P _Потери = (V _IN — V _O) • I _O. В этом случае эффективность линейного регулятора можно быстро оценить по:

Итак, в примере на Рисунке 1, когда на входе 12 В и на выходе 3,3 В, эффективность линейного регулятора составляет всего 27,5%. В этом случае 72,5% входной мощности просто теряется и выделяет тепло в регуляторе. Это означает, что транзистор должен иметь тепловую способность, чтобы справиться с рассеянием мощности / тепла в худшем случае при максимальном напряжении V _IN и полной нагрузке.Таким образом, размер линейного регулятора и его радиатора могут быть большими, особенно когда V _O намного меньше, чем V _IN. На рисунке 5 показано, что максимальная эффективность линейного регулятора пропорциональна соотношению V _O / V _IN.

Рисунок 5. Максимальный КПД линейного регулятора в зависимости от соотношения V _O / V _IN

С другой стороны, линейный регулятор может быть очень эффективным, если V _O близок к V _IN.Однако линейный регулятор (LR) имеет еще одно ограничение, а именно минимальную разницу напряжений между V _IN и V _O. Транзистор в LR должен работать в линейном режиме. Таким образом, требуется определенное минимальное падение напряжения на коллекторе для эмиттера биполярного транзистора или от стока до истока полевого транзистора. Когда V _O слишком близко к V _IN, LR больше не может регулировать выходное напряжение. Линейные регуляторы, которые могут работать с малым запасом мощности (V _IN — V _O), называются регуляторами с малым падением напряжения (LDO).

Также ясно, что линейный стабилизатор или LDO может обеспечить только понижающее преобразование DC / DC. В приложениях, которые требуют, чтобы напряжение V _O было выше, чем напряжение V _IN, или требуется отрицательное напряжение V _O от положительного напряжения V _IN, линейные регуляторы, очевидно, не работают.

Линейный регулятор с разделением тока для высокой мощности [8]

Для приложений, требующих большей мощности, регулятор должен быть установлен отдельно на радиаторе для отвода тепла.В системах для поверхностного монтажа это не вариант, поэтому ограничение рассеиваемой мощности (например, 1 Вт) ограничивает выходной ток. К сожалению, непросто установить прямое параллельное соединение линейных регуляторов для распределения выделяемого тепла.

Замена источника опорного напряжения, показанного на рисунке 3, на прецизионный источник тока, позволяет подключать линейный регулятор напрямую, чтобы распределять токовую нагрузку и, таким образом, рассеивать рассеиваемое тепло между ИС. Это делает возможным использование линейных регуляторов при высоком выходном токе, в приложениях для поверхностного монтажа, где только ограниченное количество тепла может рассеиваться в любом месте на плате.LT3080 — первый регулируемый линейный стабилизатор, который можно использовать параллельно для увеличения тока. Как показано на рисунке 6, он имеет внутренний источник тока с прецизионным нулевым TC 10 мкА, подключенный к неинвертирующему входу операционного усилителя. С помощью внешнего резистора настройки одиночного напряжения R _SET выходное напряжение линейного регулятора можно регулировать от 0 В до (V _IN — V _DROPOUT).

Рисунок 6. Настройка одиночного резистора LDO LT3080 с прецизионным источником тока Ссылка

На рис. 7 показано, как легко подключить LT3080 к параллельному распределению тока.Просто свяжите контакты SET LT3080 вместе, два регулятора имеют одинаковое опорное напряжение. Поскольку операционные усилители точно настроены, напряжение смещения между регулировочным штифтом и выходом составляет менее 2 мВ. В этом случае требуется только балластное сопротивление 10 мОм, которое может быть суммой небольшого внешнего резистора и сопротивления проводов печатной платы, чтобы сбалансировать ток нагрузки с более чем 80% выравниваемым распределением. Нужна еще больше мощности? Разумно даже параллельное соединение от 5 до 10 устройств.

Рис. 7. Параллельное подключение двух линейных регуляторов LT3080 для более высокого выходного тока

Области применения, где предпочтительны линейные регуляторы

Существует множество приложений, в которых линейные регуляторы или LDO обеспечивают превосходные решения для переключения источников питания, в том числе:

Простые / недорогие решения. Решения с линейным стабилизатором или LDO просты и удобны в использовании, особенно для приложений с низким энергопотреблением и низким выходным током, где тепловая нагрузка не критична.Внешний силовой индуктор не требуется.
Применения с низким уровнем шума / малой пульсации. Для чувствительных к шуму приложений, таких как устройства связи и радио, минимизация шума источника питания очень важна. Линейные регуляторы имеют очень низкую пульсацию выходного напряжения, потому что нет элементов, которые часто включаются и выключаются, а линейные регуляторы могут иметь очень широкую полосу пропускания. Так что есть небольшая проблема с EMI. Некоторые специальные LDO-стабилизаторы, такие как семейство LDO Analog Devices LT1761, имеют на выходе напряжение шума всего 20 мкВ _RMS.Для SMPS практически невозможно достичь такого низкого уровня шума. SMPS обычно имеет пульсации в мВ даже с конденсаторами с очень низким ESR.
Быстрые переходные приложения. Контур обратной связи линейного регулятора обычно является внутренним, поэтому никакой внешней компенсации не требуется. Как правило, линейные регуляторы имеют более широкую полосу пропускания контура управления и более быстрый переходный отклик, чем у SMPS.
Приложения с низким отсевом. Для приложений, где выходное напряжение близко к входному, LDO могут быть более эффективными, чем SMPS.Существуют LDO с очень низким падением напряжения (VLDO), такие как Analog Devices LTC1844, LT3020 и LTC3025, с выпадающим напряжением от 20 до 90 мВ и током до 150 мА. Минимальное входное напряжение может составлять 0,9 В. Поскольку в LR отсутствуют коммутационные потери переменного тока, эффективность при малой нагрузке LR или LDO аналогична его эффективности при полной нагрузке. SMPS обычно имеет более низкую эффективность при малой нагрузке из-за потерь на переключение переменного тока. В приложениях с батарейным питанием, в которых эффективность малой нагрузки также критична, LDO может обеспечить лучшее решение, чем SMPS.

Таким образом, разработчики используют линейные регуляторы или LDO, потому что они просты, имеют низкий уровень шума, низкую стоимость, просты в использовании и обеспечивают быстрый переходный отклик. Если V _O близок к V _IN, LDO может быть более эффективным, чем SMPS.

Основы импульсного источника питания

Зачем нужен импульсный источник питания?

Быстрый ответ — высокая эффективность. В ИИП транзисторы работают в режиме переключения, а не в линейном режиме. Это означает, что когда транзистор включен и проводит ток, падение напряжения на его пути питания минимально.Когда транзистор выключен и блокирует высокое напряжение, ток через его путь питания почти отсутствует. Так что полупроводниковый транзистор похож на идеальный переключатель. Таким образом, потери мощности в транзисторе сводятся к минимуму. Высокая эффективность, низкое рассеивание мощности и высокая плотность мощности (малый размер) являются основными причинами, по которым разработчики используют SMPS вместо линейных регуляторов или LDO, особенно в сильноточных приложениях. Например, в настоящее время синхронный понижающий понижающий источник питания 12 В _IN, 3,3 В _OUT может обычно достигать КПД> 90% по сравнению с менее чем 27.5% от линейного регулятора. Это означает потерю мощности или уменьшение размеров как минимум в восемь раз.

Самый популярный импульсный блок питания — понижающий преобразователь

На рис. 8 показан простейший и наиболее популярный импульсный стабилизатор — понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный. Он имеет два режима работы, в зависимости от того, включен или выключен транзистор Q1. Чтобы упростить обсуждение, все силовые устройства считаются идеальными. Когда переключатель (транзистор) Q1 включен, напряжение коммутационного узла V _SW = V _IN и ток L индуктора заряжаются на (V _IN — V _O).На рисунке 8 (а) показана эквивалентная схема в этом режиме зарядки индуктора. Когда переключатель Q1 выключен, ток катушки индуктивности проходит через диод свободного хода D1, как показано на рисунке 8 (b). Напряжение коммутационного узла V _SW = 0 В и ток L индуктивности разряжается нагрузкой V _O. Поскольку идеальная катушка индуктивности не может иметь постоянного напряжения в установившемся режиме, среднее выходное напряжение V _O может быть задано как:

, где T _ON — временной интервал включения в пределах периода TS переключения.Если отношение T _ON / T _S определяется как рабочий цикл D, выходное напряжение V _O составляет:

Когда значения катушки индуктивности L фильтра и выходного конденсатора C _O достаточно высоки, выходное напряжение V _O является постоянным напряжением с пульсацией всего в мВ. В этом случае для входного понижающего источника 12 В концептуально рабочий цикл 27,5% обеспечивает выходное напряжение 3,3 В.

Рис. 8. Режимы работы понижающего преобразователя и типичные формы сигналов

Помимо описанного выше подхода к усреднению, есть другой способ вывести уравнение рабочего цикла.Идеальный индуктор не может иметь постоянное напряжение в устойчивом состоянии. Таким образом, он должен поддерживать вольт-секундный баланс катушки индуктивности в течение периода переключения. Согласно форме кривой напряжения индуктора на рисунке 8, для баланса вольт-секунд требуется:

Уравнение (5) совпадает с уравнением (3). Такой же подход балансировки вольт-секунд может использоваться для других топологий постоянного / постоянного тока для получения рабочего цикла по уравнениям V _IN и V _O.

Потери мощности в понижающем преобразователе

Потери проводимости постоянного тока

С идеальными компонентами (нулевое падение напряжения во включенном состоянии и нулевые потери при переключении) идеальный понижающий преобразователь имеет 100% КПД.На самом деле рассеивание мощности всегда связано с каждым силовым компонентом. В ИИП есть два типа потерь: потери проводимости постоянного тока и потери переключения переменного тока.

Потери проводимости понижающего преобразователя в основном возникают из-за падений напряжения на транзисторе Q1, диоде D1 и катушке индуктивности L, когда они проводят ток. Чтобы упростить обсуждение, пульсации переменного тока тока катушки индуктивности не учитываются в следующем расчете потерь проводимости. Если MOSFET используется в качестве силового транзистора, потери проводимости MOSFET равны I _O ² • R _{DS (ON)} • D, где R _{DS (ON)} — сопротивление MOSFET в открытом состоянии. Q1.Потери мощности проводимости диода равны I _O • V _D • (1 — D), где V _D — прямое падение напряжения на диоде D1. Потери проводимости индуктора равны I _O ² • R _DCR, где R _DCR — сопротивление меди обмотки индуктора. Следовательно, потери проводимости понижающего преобразователя примерно равны:

Например, вход 12 В, 3,3 В / 10 А, выходной понижающий источник питания _MAX может использовать следующие компоненты: полевой МОП-транзистор R _{DS (ON)} = 10 мОм, индуктор R _DCR = 2 мОм, прямое напряжение диода В _D = 0.5В. Следовательно, потеря проводимости при полной нагрузке составляет:

Учитывая только потери проводимости, КПД преобразователя составляет:

Приведенный выше анализ показывает, что диод свободного хода потребляет 3,62 Вт потерь мощности, что намного выше, чем потери проводимости полевого МОП-транзистора Q1 и катушки индуктивности L. Для дальнейшего повышения эффективности диод D1 можно заменить на полевой МОП-транзистор Q2, как показано на Рисунок 9. Этот преобразователь называется синхронным понижающим преобразователем. Строб Q2 требует сигналов, дополнительных к затвору Q1, т.е.е., Q2 горит только тогда, когда Q1 выключен. Потери проводимости синхронного понижающего преобразователя:

Если полевой МОП-транзистор R _{DS (ON)} 10 мОм также используется для Q2, потери проводимости и эффективность синхронного понижающего преобразователя будут:

Приведенный выше пример показывает, что синхронный понижающий преобразователь более эффективен, чем традиционный понижающий преобразователь, особенно для приложений с низким выходным напряжением, где рабочий цикл мал, а время проводимости диода D1 велико.

Рисунок 9.Синхронный понижающий преобразователь и его транзисторные сигналы затвора

Потери при переключении переменного тока

В дополнение к потерям проводимости постоянного тока существуют другие потери мощности, связанные с переменным током / переключением, из-за неидеальных силовых компонентов:

Коммутационные потери MOSFET. Настоящему транзистору требуется время для включения или выключения. Таким образом, во время переходных процессов при включении и выключении возникают перекрытия по напряжению и току, что приводит к коммутационным потерям переменного тока. На рисунке 10 показаны типичные формы сигналов переключения полевого МОП-транзистора Q1 в синхронном понижающем преобразователе.Зарядка и разрядка паразитного конденсатора C _GD верхнего полевого транзистора Q1 с зарядом Q _GD определяют большую часть времени переключения Q1 и связанных потерь. В синхронном понижающем преобразователе потери переключения нижнего полевого транзистора Q2 малы, потому что Q2 всегда включается после того, как его основной диод становится проводящим, и выключается до того, как его основной диод становится проводящим, в то время как падение напряжения на основном диоде невелико. Однако заряд обратного восстановления основного диода Q2 может также увеличить коммутационные потери верхнего полевого транзистора Q1 и вызвать звон напряжения переключения и шум электромагнитных помех.Уравнение (12) показывает, что потери переключения управляющего полевого транзистора Q1 пропорциональны частоте переключения преобразователя f _S. Точный расчет потерь энергии E _ON и E _OFF для Q1 непрост, но его можно найти в примечаниях к применению поставщиков MOSFET.
Потери в сердечнике индуктора P _{SW_CORE}. Настоящая катушка индуктивности также имеет потери переменного тока, которые зависят от частоты коммутации. Потери переменного тока в индукторе в основном связаны с потерями в магнитном сердечнике. В высокочастотном ИИП материалом сердечника может быть железный порошок или феррит.Как правило, сердечники из порошкового железа насыщаются мягко, но имеют высокие потери в сердечнике, тогда как ферритовый материал насыщается более резко, но имеет меньшие потери в сердечнике. Ферриты — это керамические ферромагнитные материалы, которые имеют кристаллическую структуру, состоящую из смесей оксида железа с оксидом марганца или цинка. Потери в сердечнике в основном связаны с потерями на магнитный гистерезис. Производитель сердечника или катушки индуктивности обычно предоставляет данные о потерях в сердечнике разработчикам источников питания для оценки потерь в катушке индуктивности переменного тока.
Прочие потери, связанные с кондиционированием воздуха.Другие потери, связанные с переменным током, включают потерю драйвера затвора P _{SW_GATE}, что равно V _DRV • Q _G • f _S, и мертвое время (когда оба верхнего полевого транзистора Q1 и нижний полевой транзистор Q2 выключены) основной диод потери проводимости, равные (ΔT _ON + ΔT _OFF) • V _{D (Q2)} • f _S. Таким образом, потери, связанные с переключением, включают: Расчет потерь, связанных с переключением, обычно непросто. Потери, связанные с переключением, пропорциональны частоте переключения f _S.В синхронном понижающем преобразователе 12 В _IN, 3,3 В _O / 10A _MAX потери переменного тока вызывают потерю эффективности от 2% до 5% при частоте переключения 200–500 кГц. Таким образом, общий КПД составляет около 93% при полной нагрузке, что намного лучше, чем у источников LR или LDO. Нагревание или уменьшение размера могут быть близки к 10x.

Рис. 10. Типичная форма сигнала переключения и потери в верхнем полевом транзисторе Q1 понижающего преобразователя

Конструктивные особенности компонентов коммутируемой мощности

Оптимизация частоты коммутации

Как правило, более высокая частота переключения означает меньшие размеры компонентов L и C выходного фильтра _O.В результате размер и стоимость блока питания могут быть уменьшены. Более широкая полоса пропускания также может улучшить переходные характеристики нагрузки. Однако более высокая частота переключения также означает более высокие потери мощности, связанные с переменным током, что требует большего пространства на плате или радиатора для ограничения теплового напряжения. В настоящее время для приложений с выходным током ≥10A большинство понижающих источников работают в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц ~ 2 МГц. При токе нагрузки <10 А частота переключения может достигать нескольких МГц. Оптимальная частота для каждой конструкции является результатом тщательного компромисса по размеру, стоимости, эффективности и другим параметрам производительности.

Выбор выходного индуктора

В синхронном понижающем преобразователе пиковый ток пульсации катушки индуктивности можно рассчитать как:

При заданной частоте переключения низкая индуктивность дает большие пульсации тока и приводит к большим выходным пульсациям напряжения. Большой ток пульсации также увеличивает среднеквадратичный ток полевого МОП-транзистора и потери проводимости. С другой стороны, высокая индуктивность означает большой размер индуктора и возможные высокие DCR индуктивности и потери проводимости. Обычно при выборе катушки индуктивности выбирается 10% ~ 60% пульсаций размаха пульсаций по отношению к максимальному коэффициенту постоянного тока.Поставщики индукторов обычно указывают номинальные значения DCR, RMS (нагрева) и тока насыщения. Важно рассчитать максимальный постоянный ток и пиковый ток катушки индуктивности в пределах максимальных характеристик производителя.

Выбор силового полевого МОП-транзистора

При выборе полевого МОП-транзистора для понижающего преобразователя сначала убедитесь, что его максимальное значение V _DS выше, чем напряжение питания V _{IN (MAX)} с достаточным запасом. Однако не выбирайте полевой транзистор с чрезмерно высоким номинальным напряжением.Например, для источника питания 16V _{IN (MAX)} хорошо подойдет полевой транзистор с номинальным напряжением 25 или 30 В. Номинальное напряжение полевого транзистора 60 В может быть чрезмерным, поскольку сопротивление полевого транзистора в открытом состоянии обычно увеличивается с увеличением номинального напряжения. Далее, двумя наиболее важными параметрами являются сопротивление в открытом состоянии полевого транзистора R _{DS (ON)} и заряд затвора Q _G (или Q _GD). Обычно существует компромисс между зарядом затвора Q _G и сопротивлением в открытом состоянии R _{DS (ON)}. Как правило, полевой транзистор с небольшим кремниевым кристаллом имеет низкий Q _G, но высокое сопротивление в открытом состоянии R _{DS (ON)}, в то время как полевой транзистор с большим кремниевым кристаллом имеет низкий R _{DS (ON)}, но большой Q _{. G}.В понижающем преобразователе верхний полевой МОП-транзистор Q1 принимает как потери проводимости, так и потери переключения переменного тока. Для Q1 обычно требуется полевой транзистор с низким Q _G, особенно в приложениях с низким выходным напряжением и малым рабочим циклом. Синхронный полевой транзистор Q2 на нижней стороне имеет небольшие потери переменного тока, потому что он обычно включается или выключается, когда его напряжение V _DS близко к нулю. В этом случае низкий уровень R _{DS (ON)} более важен, чем Q _G для синхронного полевого транзистора Q2. Когда один полевой транзистор не может справиться с полной мощностью, несколько полевых МОП-транзисторов могут использоваться параллельно.

Выбор входного и выходного конденсатора

Во-первых, следует выбирать конденсаторы с достаточным снижением номинального напряжения.

Входной конденсатор понижающего преобразователя имеет пульсирующий ток переключения с большой пульсацией. Следовательно, входной конденсатор следует выбирать с достаточным среднеквадратичным значением пульсационного тока, чтобы обеспечить его срок службы. Обычно на входе параллельно используются алюминиевые электролитические конденсаторы и керамические конденсаторы с низким ESR.

Выходной конденсатор определяет не только пульсации выходного напряжения, но и переходные характеристики нагрузки.Пульсации выходного напряжения можно рассчитать по уравнению (15). Для высокопроизводительных приложений важны как ESR, так и общая емкость, чтобы минимизировать пульсации выходного напряжения и оптимизировать переходные характеристики нагрузки. Обычно хорошим выбором являются танталовые конденсаторы с низким ESR, полимерные конденсаторы с низким ESR и многослойные керамические конденсаторы (MLCC).

Закройте контур регулирования обратной связи

Есть еще один важный этап проектирования импульсного источника питания — замыкание регулирующего контура с помощью схемы управления с отрицательной обратной связью.Обычно это гораздо более сложная задача, чем использование LR или LDO. Это требует хорошего понимания поведения контура и конструкции компенсации, чтобы оптимизировать динамические характеристики с помощью стабильного контура.

Малосигнальная модель понижающего преобразователя

Как объяснено выше, переключающий преобразователь меняет свой режим работы в зависимости от состояния переключателя ON или OFF. Это дискретная и нелинейная система. Для анализа контура обратной связи с помощью метода линейного управления необходимо линейное моделирование малых сигналов [1] [3].Из-за выходного фильтра L-C линейная передаточная функция малого сигнала от рабочего цикла D до выхода V _O фактически является системой второго порядка с двумя полюсами и одним нулем, как показано в уравнении (16). На резонансной частоте выходной катушки индуктивности и конденсатора расположены двойные полюса. Есть ноль, определяемый выходной емкостью и ESR конденсатора.

Управление в режиме напряжения и управление в режиме тока

Выходное напряжение может регулироваться замкнутой системой, показанной на рисунке 11.Например, когда выходное напряжение увеличивается, напряжение обратной связи V _FB увеличивается, а выходной сигнал усилителя ошибки отрицательной обратной связи уменьшается. Так рабочий цикл уменьшается. В результате выходное напряжение снижается до V _FB = V _REF. Схема компенсации ошибок операционного усилителя может быть схемой усилителя с обратной связью типа I, типа II или типа III [3] [4]. Есть только один контур управления для регулирования выхода. Эта схема называется режимом управления напряжением.Analog Devices LTC3775 и LTC3861 — типичные понижающие контроллеры в режиме напряжения.

Рис. 11. Блок-схема понижающего преобразователя с управлением по напряжению

На рисунке 12 показан синхронный понижающий источник питания от 5 до 26 В на входе и на выходе 1,2 В / 15 А с использованием понижающего контроллера режима напряжения LTC3775. Благодаря передовой архитектуре ШИМ-модуляции LTC3775 и очень низкому (30 нс) минимальному времени включения, источник питания хорошо работает для приложений, которые преобразуют высоковольтный автомобильный или промышленный источник питания до уровня 1.Низкое напряжение 2 В, необходимое для современных микропроцессоров и программируемых логических микросхем. Для приложений высокой мощности требуются многофазные понижающие преобразователи с разделением тока. При управлении в режиме напряжения требуется дополнительная петля распределения тока для балансировки тока между параллельными понижающими каналами. Типичным методом разделения тока для управления режимом напряжения является метод ведущего ведомого устройства. LTC3861 является таким контроллером режима напряжения PolyPhase ^®. Его очень низкое (± 1,25 мВ) смещение считывания тока делает распределение тока между параллельно включенными фазами очень точным, чтобы сбалансировать тепловую нагрузку.[10]

Рис. 12. Синхронный понижающий источник питания LTC3775 в режиме напряжения обеспечивает высокий коэффициент понижения

Управление в режиме тока использует два контура обратной связи: внешний контур напряжения, аналогичный контуру управления преобразователей, управляемых режимом напряжения, и внутренний контур тока, который возвращает сигнал тока в контур управления. На рисунке 13 показана концептуальная блок-схема понижающего преобразователя с управлением в режиме пикового тока, который непосредственно измеряет выходной ток катушки индуктивности. В режиме управления по току ток катушки индуктивности определяется ошибочным выходным напряжением операционного усилителя.Катушка индуктивности становится источником тока. Следовательно, передаточная функция от выхода операционного усилителя V _C к подаче выходного напряжения V _O становится однополюсной системой. Это значительно упрощает компенсацию петли. Компенсация контура управления меньше зависит от нулевого ESR выходного конденсатора, поэтому можно использовать все керамические выходные конденсаторы.

Рис. 13. Блок-схема понижающего преобразователя с управлением по току

Есть много других преимуществ от текущего управления режимом.Как показано на рисунке 13, поскольку пиковый ток катушки индуктивности ограничивается операционным усилителем V _C по циклу, система с регулируемым режимом тока обеспечивает более точное и быстрое ограничение тока в условиях перегрузки. Пусковой ток индуктора также хорошо контролируется во время запуска. Кроме того, ток катушки индуктивности не изменяется быстро при изменении входного напряжения, поэтому источник питания имеет хорошие характеристики переходных процессов в линии. Когда несколько преобразователей подключены параллельно, с контролем режима тока, также очень легко распределять ток между источниками, что важно для надежных приложений с высоким током, использующих понижающие преобразователи PolyPhase.В общем, преобразователь, управляемый режимом тока, более надежен, чем преобразователь, управляемый режимом напряжения.

Решение схемы управления текущим режимом должно точно определять ток. Сигнал измерения тока обычно представляет собой слабый сигнал с уровнем в несколько десятков милливольт, чувствительный к шуму переключения. Следовательно, необходима правильная и тщательная разводка печатной платы. Токовая петля может быть замкнута путем измерения тока катушки индуктивности через чувствительный резистор, падения напряжения DCR на катушке индуктивности или падения напряжения проводимости полевого МОП-транзистора.Типичные контроллеры текущего режима включают в себя Analog Devices LTC3851A, LTC3855, LTC3774 и LTC3875.

Постоянная частота и постоянное время включения

Типовые схемы режима напряжения и режима тока в разделе «Управление в режиме напряжения по сравнению с управлением в режиме тока» имеют постоянную частоту переключения, генерируемую внутренними часами контроллера. Эти контроллеры с постоянной частотой коммутации можно легко синхронизировать, что является важной особенностью понижающих контроллеров PolyPhase с высоким током. Однако, если переходный процесс повышения нагрузки происходит сразу после выключения затвора Q1 управляющего полевого транзистора, преобразователь должен ждать все время выключения Q1 до следующего цикла, чтобы отреагировать на переходный процесс.В приложениях с небольшими рабочими циклами задержка в наихудшем случае близка к одному циклу переключения.

В таких приложениях с малым рабочим циклом управление режимом постоянного тока впадины по времени имеет более короткую задержку, чтобы реагировать на переходные процессы повышения нагрузки. В установившемся режиме частота коммутации понижающих преобразователей с постоянной продолжительностью включения практически постоянна. В случае переходного процесса частота переключения может быстро измениться, чтобы ускорить переходный процесс. В результате источник питания имеет улучшенные переходные характеристики и выходную емкость, а связанные с этим затраты могут быть снижены.

Однако при постоянном контроле по времени частота коммутации может изменяться в зависимости от линии или нагрузки. LTC3833 представляет собой понижающий контроллер в режиме минимального тока с более сложной архитектурой с контролируемым включением по времени — вариант архитектуры управления с постоянным включением с той разницей, что время включения регулируется таким образом, чтобы частота переключения оставалась постоянной в течение стабильного этапа. условия в линии и под нагрузкой. С этой архитектурой контроллер LTC3833 имеет минимальное время включения 20 нс и позволяет понижать приложения с 38V _IN до 0.6В _О. Контроллер можно синхронизировать с внешними часами в диапазоне частот от 200 кГц до 2 МГц. На рисунке 14 показан типичный источник питания LTC3833 с входным напряжением от 4,5 В до 14 В и выходом 1,5 В / 20 А. [11] На рисунке 15 показано, что источник питания может быстро реагировать на внезапные переходные процессы нагрузки с высокой скоростью нарастания напряжения. Во время переходного процесса при повышении нагрузки частота переключения увеличивается, чтобы обеспечить более быструю переходную характеристику. Во время переходного процесса понижения нагрузки рабочий цикл падает до нуля. Следовательно, только выходная катушка индуктивности ограничивает скорость нарастания тока.В дополнение к LTC3833, для нескольких выходов или приложений PolyPhase, контроллеры LTC3838 и LTC3839 обеспечивают быстрые переходные многофазные решения.

Рис. 14. Быстродействующий источник питания с контролируемым включением тока с использованием LTC3833

Рис. 15. Блок питания LTC3833 обеспечивает быстрое реагирование во время переходных процессов с быстрым скачком нагрузки

Ширина полосы и стабильность контура

Хорошо спроектированный SMPS бесшумен как в электрическом, так и в акустическом отношении. Это не относится к недокомпенсированной системе, которая обычно нестабильна.Типичные симптомы недокомпенсированного источника питания включают: слышимый шум от магнитных компонентов или керамических конденсаторов, дрожание формы волны переключения, колебания выходного напряжения и т. Д. Сверхкомпенсированная система может быть очень стабильной и тихой, но за счет медленной переходной реакции. Такая система имеет частоту кроссовера контура на очень низких частотах, обычно ниже 10 кГц. Конструкции с медленными переходными процессами требуют чрезмерной выходной емкости для соответствия требованиям регулирования переходных процессов, что увеличивает общую стоимость и размер источника питания.Оптимальная конструкция компенсации контура является стабильной и бесшумной, но без чрезмерной компенсации, поэтому она также имеет быструю реакцию для минимизации выходной емкости. В статье Analog Devices AN149 подробно объясняются концепции и методы моделирования силовых цепей и контуров контуров [3]. Моделирование слабого сигнала и проектирование компенсации контура могут быть трудными для неопытных разработчиков источников питания. Инструмент проектирования LTpowerCAD ^™ компании Analog Devices обрабатывает сложные уравнения и делает проектирование источника питания, особенно компенсации контура, гораздо более простой задачей [5] [6].Инструмент моделирования LTspice ^® объединяет все модели деталей Analog Devices и обеспечивает дополнительное моделирование во временной области для оптимизации конструкции. Однако стендовые испытания / проверка стабильности контура и переходных характеристик обычно необходимы на стадии прототипа.

Как правило, производительность замкнутого контура регулирования напряжения оценивается двумя важными значениями: шириной полосы контура и запасом устойчивости контура. Полоса пропускания контура количественно определяется частотой кроссовера f _C, при которой коэффициент усиления контура T (s) равен единице (0 дБ).Запас устойчивости контура обычно количественно определяется запасом по фазе или запасом по усилению. Запас по фазе контура Φ _м определяется как разница между общей фазовой задержкой T (s) и –180 ° на частоте кроссовера. Запас усиления определяется разницей между усилением T (s) и 0 дБ на частоте, где общая фаза T (s) равна –180 °. Для понижающего преобразователя обычно считается достаточным запас по фазе 45 градусов и запас усиления 10 дБ. На рисунке 16 показан типичный график Боде коэффициента усиления контура для трехфазного понижающего преобразователя LTC3829 12V _IN в 1V _O / 60A.В этом примере частота кроссовера составляет 45 кГц, а запас по фазе — 64 градуса. Запас усиления близок к 20 дБ.

Рис. 16. Средство проектирования LTpowerCAD обеспечивает простой способ оптимизации компенсации контура и переходной характеристики нагрузки (трехфазный понижающий преобразователь LTC3829 с одним выходом).

Понижающий преобразователь PolyPhase для сильноточных приложений

По мере того, как системы обработки данных становятся быстрее и крупнее, их процессорам и модулям памяти требуется больше тока при постоянно уменьшающемся напряжении.При таких высоких токах требования к источникам питания увеличиваются. В последние годы синхронные понижающие преобразователи PolyPhase (многофазные) широко используются для источников питания высокого тока и низкого напряжения благодаря их высокой эффективности и равномерному распределению тепла. Кроме того, с чередованием нескольких фаз понижающего преобразователя можно значительно снизить ток пульсаций как на входе, так и на выходе, что приведет к сокращению входных и выходных конденсаторов, а также к уменьшению пространства на плате и стоимости.

В понижающих преобразователях PolyPhase чрезвычайно важны точное определение и разделение тока.Хорошее распределение тока обеспечивает равномерное распределение тепла и высокую надежность системы. Из-за присущей им способности распределения тока в установившемся состоянии и во время переходных процессов обычно предпочтительны баксы с регулируемым режимом тока. Analog Devices LTC3856 и LTC3829 — это типичные понижающие контроллеры PolyPhase с точным измерением и распределением тока. Несколько контроллеров могут быть подключены последовательно для 2-, 3-, 4-, 6- и 12-фазных систем с выходным током от 20A до более 200A.

Рисунок 17.Трехфазный, одиночный V _O Сильноточный понижающий преобразователь с использованием LTC3829

Другие требования к высокопроизводительному контроллеру

От высокопроизводительного понижающего контроллера требуется множество других важных функций. Плавный пуск обычно необходим для управления пусковым током во время пуска. Ограничение перегрузки по току и фиксация короткого замыкания могут защитить источник питания, когда выход перегружен или закорочен. Защита от перенапряжения защищает дорогостоящие нагрузочные устройства в системе.Чтобы минимизировать системные электромагнитные помехи, иногда контроллер необходимо синхронизировать с внешним тактовым сигналом. Для приложений с низким напряжением и высоким током дистанционное измерение дифференциального напряжения компенсирует падение напряжения на сопротивлении печатной платы и точно регулирует выходное напряжение на удаленной нагрузке. В сложной системе с множеством шин выходного напряжения также необходимы последовательность и отслеживание различных шин напряжения.

Схема расположения печатной платы

Выбор компонентов и схематическое проектирование — это только половина процесса проектирования поставки.Правильная разводка печатной платы импульсного источника питания всегда имеет решающее значение. На самом деле его важность невозможно переоценить. Хорошая компоновка оптимизирует эффективность питания, снижает тепловую нагрузку и, что наиболее важно, сводит к минимуму шум и взаимодействие между дорожками и компонентами. Чтобы добиться этого, разработчику важно понимать пути прохождения тока и потоки сигналов в импульсном источнике питания. Обычно для получения необходимого опыта требуются значительные усилия. См. Примечания по применению 136 и 139 Analog Devices для подробного обсуждения.[7] [9]

Выбор различных решений — дискретные, монолитные и интегрированные источники

На уровне интеграции системные инженеры могут решить, выбрать ли решение для дискретного, монолитного или полностью интегрированного модуля питания. На рис. 18 показаны примеры решений для дискретных модулей и модулей питания для типичных приложений с питанием от точки нагрузки. Дискретное решение использует микросхему контроллера, внешние полевые МОП-транзисторы и пассивные компоненты для создания источника питания на системной плате. Основной причиной выбора дискретного решения является низкая стоимость спецификации компонентов.Однако это требует хороших навыков проектирования источников питания и относительно длительного времени разработки. В монолитном решении используется ИС со встроенными силовыми полевыми МОП-транзисторами, чтобы еще больше уменьшить размер решения и количество компонентов. Это требует аналогичных дизайнерских навыков и времени. Полностью интегрированное решение с силовым модулем может значительно сократить усилия по проектированию, время разработки, размер решения и риски, связанные с проектированием, но обычно с более высокой стоимостью компонентов спецификации.

Рисунок 18. Примеры (а) дискретного входа 12 В _IN — 3.Питание 3V / 10A LTC3778; (b) Полностью интегрированный 16V _IN, Dual 13A или Single 26A LTM4620 µModule ^® понижающий регулятор

Другие основные неизолированные топологии ИИП постоянного / постоянного тока

В этом документе используются понижающие преобразователи в качестве простого примера, демонстрирующего особенности проектирования SMPS. Однако существует по крайней мере пять других основных топологий неизолированных преобразователей (повышающие, понижающие / повышающие, преобразователи Cuk, SEPIC и Zeta) и по крайней мере пять основных изолированных топологий преобразователей (обратноходовой, прямой, двухтактный, полумостовой и полный мост. ), которые не рассматриваются в этом примечании к применению.Каждая топология имеет уникальные свойства, которые делают ее пригодной для конкретных приложений. На рисунке 19 показаны упрощенные схемы для других неизолированных топологий SMPS.

Рисунок 19. Другие основные топологии неизолированных преобразователей постоянного тока в постоянный

Существуют и другие неизолированные топологии SMPS, которые представляют собой комбинации базовых топологий. Например, на рисунке 20 показан высокоэффективный синхронный повышающий / понижающий преобразователь с 4 переключателями на основе контроллера режима тока LTC3789. Он может работать с входными напряжениями ниже, равными или выше выходного напряжения.Например, вход может быть в диапазоне от 5 В до 36 В, а выход может быть регулируемым 12 В. Эта топология представляет собой комбинацию синхронного понижающего преобразователя и синхронного повышающего преобразователя с общей катушкой индуктивности. Когда V _IN> V _OUT, переключатели A и B работают как активный синхронный понижающий преобразователь, в то время как переключатель C всегда выключен, а переключатель D всегда включен. Когда V _IN OUT , переключатели C и D работают как активный синхронный повышающий преобразователь, в то время как переключатель A всегда включен, а переключатель B всегда выключен.Когда V _IN близок к V _OUT, все четыре переключателя работают активно. В результате этот преобразователь может быть очень эффективным, с КПД до 98% для типичного приложения с выходом 12 В. [12] Контроллер LT8705 расширяет диапазон входного напряжения до 80 В. Чтобы упростить конструкцию и увеличить удельную мощность, LTM4605 / 4607/4609 дополнительно интегрируют сложный понижающий / повышающий преобразователь в простой в использовании силовой модуль высокой плотности. [13] Их можно легко использовать параллельно с распределением нагрузки для приложений с высокой мощностью.

Рис. 20. Высокоэффективный понижающий-повышающий преобразователь с 4 переключателями работает при входном напряжении ниже, равном или выше выходного напряжения

Сводка

Таким образом, линейные регуляторы просты и удобны в использовании. Поскольку их транзисторы последовательного регулирования работают в линейном режиме, эффективность питания обычно низкая, когда выходное напряжение намного ниже входного. Как правило, линейные регуляторы (или LDO) имеют низкие пульсации напряжения и быструю переходную характеристику. С другой стороны, SMPS работают с транзистором как с переключателем и поэтому обычно намного эффективнее линейных регуляторов.Однако проектирование и оптимизация SMPS более сложны и требуют больше знаний и опыта. Каждое решение имеет свои преимущества и недостатки для конкретных приложений.

использованная литература

[1] В. Ворпериан, «Упрощенный анализ преобразователей ШИМ с использованием модели переключателя ШИМ: части I и II», IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, март 1990 г., Vol. 26, №2.

[2] Р.Б. Ридли, Б. Х. Чо, Ф. К. Ли, «Анализ и интерпретация коэффициентов усиления контуров коммутационных регуляторов с многоконтурным управлением», IEEE Transactions on Power Electronics, стр. 489-498, октябрь 1988 г.

[3] Х. Чжан, «Моделирование и конструкция с компенсацией контура импульсных источников питания», Примечания по применению линейной технологии AN149, 2015.

[4] Х. Дин Венейбл, «Оптимальная конструкция усилителя обратной связи для систем управления», Технический документ Венейбл.

[5] Х. Чжан, «Проектирование источников питания за пять простых шагов с помощью LTpowerCAD Design Tool», Примечания по применению линейных технологий AN158, 2015.

[6] Инструмент проектирования LTpowerCAD ^™ на сайте www.linear.com/LTpowerCAD.

[7] Х. Чжан, «Рекомендации по компоновке печатной платы для неизолированных импульсных источников питания», Примечание по применению 136, Linear Technology Corp., 2012.

[8] Р. Доббкин, «Регулятор с малым падением напряжения может быть напрямую подключен к источнику тепла», LT Journal of Analog Innovation, октябрь 2007 г.

[9] К. Куек, «Схема источника питания и электромагнитные помехи», Примечания по применению линейной технологии AN139, 2013.

[10] М.Субраманиан, Т. Нгуен и Т. Филлипс, «Измерение тока DCR субмиллиомом с точным распределением многофазного тока для сильноточных источников питания», LT Journal, январь 2013 г.

[11] Б. Абесинга, «Быстрый и точный понижающий DC / DC-контроллер напрямую преобразует 24 В в 1,8 В при 2 МГц», LT Journal, октябрь 2011 г.

[12] Т. Бьорклунд, «Высокоэффективный четырехконтактный понижающий-повышающий контроллер обеспечивает точное ограничение выходного тока», примечания по проектированию линейной технологии 499.

[13] Дж. Сан, С. Янг и Х.Чжан, «Регулятор µModule Regulator подходит (почти) к полному решению Buck-Boost с размерами 15 мм × 15 мм × 2,8 мм для VOUT от 4,5 В-36 В до 0,8 В-34 В», журнал LT, март 2009 г.

Как может умный инженер по аппаратному обеспечению Простота проектирования источников питания: мини-учебник

Abstract

Это мини-руководство дает обзор возможностей проектирования источников питания. В нем будут рассмотрены основные и часто используемые топологии изолированных и неизолированных источников питания, а также их преимущества и недостатки.Мы также рассмотрим электромагнитные помехи (EMI) и вопросы фильтрации. Это мини-руководство призвано обеспечить упрощенное понимание и новое понимание искусства проектирования источников питания.

Введение

Для большинства электронных систем требуется какое-то преобразование напряжения между напряжением источника энергии и напряжением схемы, которая должна быть запитана. По мере того, как батареи теряют заряд, напряжение падает. Некоторое преобразование постоянного тока в постоянный может гарантировать, что гораздо больше энергии, накопленной в батарее, будет использоваться для питания схемы.Также, например, с линией 110 В переменного тока мы не можем напрямую запитать полупроводник, такой как микроконтроллер. Поскольку преобразователи напряжения, также называемые источниками питания, используются почти во всех электронных системах, за эти годы они были оптимизированы для различных целей. Конечно, некоторые из обычных целей оптимизации — это размер решения, эффективность преобразования, EMI и стоимость.

Самый простой блок питания: LDO

Одной из простейших форм источника питания является стабилизатор с малым падением напряжения (LDO).LDO — это линейные регуляторы в отличие от импульсных регуляторов. 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 рисунке 1 показан основной принцип работы этого простого преобразователя напряжения.

Рисунок 1. Линейный регулятор преобразует одно напряжение в другое.

В течение многих лет типичный преобразователь мощности состоял из трансформатора 50 Гц или 60 Гц, подключенного к электросети, с определенным соотношением обмоток для генерирования нерегулируемого выходного напряжения, на несколько вольт выше, чем необходимое напряжение питания в системе.Затем был использован линейный регулятор, чтобы преобразовать это напряжение в хорошо регулируемое по мере необходимости для электроники. На рисунке 2 показана блок-схема этой концепции.

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

Проблема с базовой схемой, показанной на Рисунке 2, заключается в том, что трансформатор 50/60 Гц является относительно громоздким и дорогим. Кроме того, линейный регулятор рассеивает довольно много тепла, поэтому общая эффективность системы низкая, а избавление от выделяемого тепла затруднено при высокой мощности системы.

Импульсные источники питания на помощь

Чтобы избежать недостатков источника питания, показанного на рисунке 2, были изобретены импульсные источники питания. Они не полагаются на напряжение переменного тока 50 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 генерации выходного постоянного напряжения. Преимущества — небольшой размер решения и относительно невысокая стоимость.Генерируемое переменное напряжение не обязательно должно быть синусоидальным. Простая форма сигнала ШИМ будет работать нормально, и ее легко сгенерировать с помощью генератора ШИМ и переключателя.

Вплоть до 2000 года биполярные транзисторы были наиболее часто используемыми переключателями. Они работали бы хорошо, но имели относительно низкую скорость переключения. Они были не очень энергоэффективны, ограничивая частоту переключения 50 кГц или, может быть, 100 кГц. Сегодня мы используем переключаемые полевые МОП-транзисторы вместо биполярных транзисторов, что обеспечивает гораздо более быструю коммутацию переходов.Это, в свою очередь, снижает потери при переключении, что позволяет использовать частоты переключения до 5 МГц. Такие высокие частоты переключения позволяют использовать в силовом каскаде катушки индуктивности и конденсаторы очень небольшого размера.

Импульсные регуляторы имеют много преимуществ. Обычно они обеспечивают энергоэффективное преобразование напряжения, позволяют повышать и понижать напряжение, а также предлагают относительно компактные и недорогие конструкции. Недостатки в том, что их не так просто спроектировать и оптимизировать, и они создают электромагнитные помехи из-за переходов переключения и частоты переключения.Наличие импульсных регуляторов источников 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 первый вопрос, на который нужно ответить, — требуется ли гальваническая развязка. Гальваническая развязка используется по нескольким причинам.Он может сделать цепи более безопасными, он позволяет работать с плавающей системой и предотвращает распространение зашумленных токов заземления через различные электронные устройства в одной цепи. Две наиболее распространенные изолированные топологии — это обратный и прямой преобразователи. Однако для более высокой мощности используются другие изолированные топологии, такие как двухтактная, полумостовая и полномостовая.

Если гальваническая развязка не требуется, в большинстве случаев используется неизолированная топология. Изолированные топологии всегда требуют трансформатора, и такое устройство, как правило, дорогое, громоздкое, и зачастую его сложно получить в готовом виде с точными требованиями, предъявляемыми к индивидуальному источнику питания.

Наиболее распространенные топологии, когда изоляция не требуется

Наиболее распространенной неизолированной топологией 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 импульсных источников питания, для которых требуются только два переключателя, катушка индуктивности и два конденсатора. На рисунке 3 показан основной принцип этой топологии. Переключатель верхнего плеча подает импульс тока со входа и генерирует напряжение коммутационного узла, чередующееся между входным напряжением и напряжением заземления.LC-фильтр принимает это импульсное напряжение на коммутационном узле и генерирует выходное напряжение постоянного тока. В зависимости от рабочего цикла сигнала ШИМ, управляющего переключателем верхнего плеча, генерируется другой уровень выходного напряжения постоянного тока. Этот понижающий преобразователь постоянного тока очень энергоэффективен, относительно прост в сборке и требует небольшого количества компонентов.

Рисунок 3. Концепция простого понижающего понижающего преобразователя.

Понижающий преобразователь подает импульсный ток на входной стороне, в то время как выходная сторона имеет постоянный ток, идущий от катушки индуктивности.По этой причине понижающий стабилизатор очень шумит на входе и не так шумит на выходе. Понимание этого важно при проектировании систем с низким уровнем шума.

Помимо понижающей топологии, второй базовой топологией является повышающая или повышающая топология. В нем используются те же пять основных компонентов питания, что и в понижающем преобразователе, но с измененной компоновкой, так что катушка индуктивности размещена на стороне входа, а переключатель высокого уровня — на стороне выхода. Топология повышения используется для повышения определенного входного напряжения до выходного напряжения, которое выше входного напряжения.

Рисунок 4. Концепция простого повышающего преобразователя.

При выборе повышающего преобразователя важно отметить, что повышающие преобразователи всегда указывают максимальный номинальный ток переключения, а не максимальный выходной ток в своих технических паспортах. В понижающем преобразователе максимальный ток переключения напрямую связан с максимально достижимым выходным током, независимо от соотношения напряжений между входным и выходным напряжением. В повышающем регуляторе соотношение напряжений напрямую влияет на возможный максимальный выходной ток на основе фиксированного максимального тока переключения.При выборе подходящей ИС повышающего регулятора вам необходимо знать не только желаемый выходной ток, но также входное и выходное напряжение разрабатываемой конструкции.

Повышающий преобразователь имеет очень низкий уровень шума на входе, так как индуктор, установленный на входе, предотвращает быстрые изменения тока. Однако на выходе такая топология довольно шумная. Мы видим только импульсный ток, протекающий через внешний переключатель, и, таким образом, пульсации на выходе вызывают большую озабоченность по сравнению с топологией понижающего преобразователя.

Третья базовая топология, состоящая только из пяти основных компонентов, — это повышающий инвертирующий 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 значения инвертированного выходного напряжения. Например, выходное напряжение –12 В может генерироваться из 5 В или 24 В на входе. Это возможно без каких-либо специальных модификаций схемы.На рисунке 5 показана принципиальная схема инвертирующего повышающего преобразователя.

Рис. 5. Концепция простого инвертирующего повышающего преобразователя.

В инвертирующей повышающе-понижающей топологии катушка индуктивности подключается от коммутирующего узла к земле. Как на входе, так и на выходе преобразователя наблюдается импульсный ток, что делает эту топологию относительно шумной как на стороне входа, так и на стороне выхода. В приложениях с низким уровнем шума этот характер компенсируется добавлением дополнительной входной и выходной фильтрации.

Одним из весьма положительных аспектов топологии инвертирующего повышающего напряжения является тот факт, что для такого преобразователя можно использовать любую микросхему понижающего импульсного стабилизатора. Это так же просто, как присоединить выходное напряжение понижающей цепи к заземлению системы. Заземление цепи понижающей ИС станет отрегулированным отрицательным напряжением. Эта черта дает очень большой выбор ИС импульсных стабилизаторов на рынке.

Специализированные топологии

Помимо трех основных неизолированных топологий импульсного источника питания, описанных ранее, существует еще много доступных топологий.Однако все они требуют дополнительных компонентов питания. Обычно это увеличивает их стоимость при более низкой эффективности преобразования энергии. Хотя есть определенные исключения, как правило, добавление дополнительных компонентов в тракт питания увеличивает потери. Некоторые из наиболее популярных топологий — это SEPIC, Zeta, uk и повышающий-повышающий уровень с 4 переключателями. Каждая из них предлагает функции, которых нет в трех основных топологиях. Ниже приводится 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 быть использованы для разработки источника питания SEPIC. Недостатком этой топологии является необходимость во второй катушке индуктивности или одной связанной катушке индуктивности, а также в конденсаторе SEPIC. XZeta Конвертер Zeta похож на SEPIC, но он способен генерировать положительное или отрицательное выходное напряжение. Кроме того, он не имеет нулевой точки в правой полуплоскости (RHPZ), что упрощает контур регулирования. Для такой топологии может использоваться микросхема понижающего преобразователя. Преобразователь uk обеспечивает преобразование положительного входного напряжения в отрицательное выходное напряжение.В нем используются две катушки индуктивности, одна на входной стороне и одна на выходной стороне, что делает его довольно низким уровнем шума на входной и выходной сторонах. Недостатком является то, что существует не так много ИС импульсного преобразования мощности, поддерживающих эту топологию, поскольку для контура регулирования требуется вывод обратной связи по отрицательному 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 установленного выходного напряжения.Этот преобразователь заменяет многие конструкции SEPIC, поскольку он обеспечивает более высокую эффективность преобразования мощности и требует только одного индуктора.

Наиболее распространенные изолированные топологии

Помимо неизолированной топологии, для некоторых приложений требуются преобразователи мощности с гальванической развязкой. Причины могут заключаться в соображениях безопасности, необходимости иметь плавающие заземления в более крупных системах, в которых различные цепи соединены между собой, или предотвращение контуров тока заземления в чувствительных к шуму приложениях. Наиболее распространенными топологиями изолированных преобразователей являются преобразователи прямого и обратного хода.

Обратный преобразователь обычно используется для уровней мощности до 60 Вт. Схема работает таким образом, что во время включения энергия накапливается в трансформаторе. Во время простоя эта энергия передается вторичной обмотке преобразователя, запитывая выход. Этот преобразователь прост в сборке, но для него требуются относительно большие трансформаторы для хранения всей энергии, необходимой для правильной работы. Этот аспект ограничивает топологию более низкими уровнями мощности. На рисунке 6 показан обратноходовой преобразователь вверху и прямой преобразователь внизу.

Рис. 6. Обратный преобразователь (вверху) и прямой преобразователь (внизу).

Помимо обратного преобразователя, большой популярностью пользуется прямой преобразователь. Он использует трансформатор иначе, чем обратный ход. Во время включения, пока есть ток через обмотку первичной стороны, также есть ток 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 перешел в насыщение после нескольких циклов переключения.Это выделение энергии из ядра может быть достигнуто с помощью нескольких различных технологий. Один из популярных способов — использовать активный зажим с небольшим дополнительным переключателем и конденсатором.

На рисунке 7 показана схема среды моделирования LTspice для конструкции прямого активного зажима с использованием ADP1074. В прямом преобразователе есть дополнительная катушка индуктивности в выходном тракте по сравнению с обратным ходом, как показано на рисунке 6. Хотя это еще один дополнительный компонент, занимающий пространство и требующий затрат, он помогает генерировать более низкое выходное напряжение шума по сравнению с выходным напряжением. обратный преобразователь.Кроме того, размер трансформатора, необходимый для прямого преобразователя на том же уровне мощности, что и обратный преобразователь, может быть намного меньше.

Рис. 7. Схема прямого активного фиксатора, использующая ADP1074 для генерации изолированного выходного напряжения, как смоделировано в LTspice.

Расширенные изолированные топологии

Помимо обратной и прямой топологий, существует очень много различных концепций трансформаторных гальванически развязанных преобразователей. В следующем списке даны очень простые пояснения о наиболее распространенных преобразователях:

XPush-Pull Двухтактная топология аналогична прямому преобразователю.Однако вместо одного переключателя нижнего плеча для этой топологии требуются два активных переключателя нижнего плеча. Также требуется первичная обмотка трансформатора с центральным отводом. Преимущество двухтактного преобразователя заключается в том, что он работает с меньшим шумом по сравнению с прямым преобразователем, а также необходим трансформатор меньшего размера. Гистерезис кривой BH трансформатора используется в двух квадрантах, а не только в одном. X Half-Bridge / Full-Bridge Эти две топологии обычно используются для более мощных схем от нескольких сотен ватт до нескольких киловатт.Для них требуются переключатели на верхней стороне, помимо переключателей на нижней стороне, но они обеспечивают передачу очень высокой мощности с относительно небольшими трансформаторами. Этот термин часто используется при обсуждении изолированных преобразователей большой мощности. Это означает переключение при нулевом напряжении. Другой термин для таких преобразователей — это преобразователи LLC (индуктор-индуктор-конденсатор). Эти архитектуры нацелены на преобразование с очень высокой эффективностью. Они генерируют резонансный контур и переключают силовые переключатели, когда напряжение или ток на переключателях близки к нулю.Таким образом, потери переключения сводятся к минимуму. Однако такие конструкции могут быть трудными в разработке, а частота переключения не фиксирована, что иногда приводит к проблемам с электромагнитными помехами.

Преобразователи импульсных конденсаторов

Помимо линейных регуляторов и импульсных источников питания, существует еще третья группа преобразователей мощности: преобразователи на переключаемых конденсаторах. Их также называют нагнетательными насосами. Они используют переключатели и конденсаторы для умножения или инвертирования напряжений. Они предлагают большое преимущество в том, что они не нуждаются в индукторе.Обычно такие преобразователи используются для низких уровней мощности ниже 5 Вт. Однако в последнее время были сделаны значительные улучшения, позволяющие создавать преобразователи с переключаемыми конденсаторами гораздо большей мощности. На рисунке 8 показан LTC7820 в конструкции мощностью 120 Вт при КПД 98,5%, преобразующем 48 В в 24 В.

Рис. 8. Контроллер DC-DC с фиксированным коэффициентом мощности зарядного насоса LTC7820.

Цифровые блоки питания

Все блоки питания, обсуждаемые 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 источник питания для различных условий эксплуатации. Кроме того, источник питания может связываться с главным процессором и поднимать флажки предупреждения или неисправности.Например, ток нагрузки, превышение заданного порогового значения или чрезмерная температура источника питания могут легко контролироваться системой.

Второй цифровой строительный блок заменяет аналоговый контур регулирования на цифровой. Это может работать успешно, но для большинства приложений оптимальным вариантом является стандартный аналоговый контур обратной связи с некоторым цифровым влиянием на некоторые параметры, например, регулировка усиления усилителя ошибки на лету или динамическая установка 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.

Соображения по электромагнитным помехам

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 сильный 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. Во время этого частичного включения генерируется большинство коммутационных потерь. На рисунке 9 показана форма сигнала коммутирующего узла импульсного источника питания. Представим себе понижающий регулятор. Высокое напряжение определяется током, протекающим через переключатель на стороне высокого напряжения, а низкое напряжение определяется отсутствием тока, протекающего через переключатель на стороне высокого давления.

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

На рисунке 9 мы можем видеть, что импульсный источник питания генерирует шум не только из-за настроенной частоты переключения, но также из-за скорости переключения, которая намного выше по частоте. 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 излучаемые и кондуктивные излучения. Другие частоты также могут возникать из-за колебаний контура регулирования или взаимодействия между источником питания и фильтрами.

Есть две причины, по которым следует уменьшить электромагнитные помехи. Первая причина — защитить функциональность электронной системы, питаемой конкретным источником питания. Например, 16-разрядный АЦП, который используется на пути прохождения сигнала в системе, не должен улавливать коммутационный шум, исходящий от источника питания.Вторая причина заключается в выполнении определенных правил EMI, которые вводятся правительствами во всем мире для одновременной защиты надежной работы различных электронных систем.

EMI бывает двух видов: излучаемые электромагнитные помехи и кондуктивные электромагнитные помехи. Наиболее эффективные способы снижения излучаемых электромагнитных помех — это оптимизация компоновки печатной платы и использование таких технологий, как технология Silent Switcher ^® от Analog Devices. Конечно, также эффективно поместить схему в экранированный металлический ящик.Однако это может быть непрактично и в большинстве случаев очень дорого.

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

Фильтрация

Фильтры

RC — это базовые фильтры нижних частот. Однако в конструкции источника питания каждый фильтр представляет собой не что иное, как LC-фильтр. Часто достаточно последовательного добавления некоторой индуктивности, поскольку он формирует LC- или CLC-фильтр вместе с входными или выходными конденсаторами импульсного источника питания.Иногда в качестве фильтров используются только конденсаторы, но, учитывая паразитную индуктивность силовых кабелей или проводов, вместе с конденсатором мы также формируем LC-фильтр. Индуктор L может быть индуктором с сердечником или ферритовым валиком. Назначение LC-фильтра — это эффект нижних частот, так что мощность постоянного тока может проходить через него, а высокочастотные помехи в значительной степени ослабляются. LC-фильтр имеет двойной полюс, поэтому мы получаем затухание высоких частот 40 дБ на декаду. Этот фильтр имеет относительно резкий спад.Разработка фильтра — это не ракетостроение; однако, поскольку паразитные компоненты схемы, такие как индуктивность следа, 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 проектировании любого фильтра необходимо не только учитывать 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 переходного процесса нагрузки, энергия, накопленная 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 преобразователей мощности, прикрепленных 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 рисунке 10 показан графический пользовательский интерфейс разработчика фильтров в среде проектирования LTpowerCAD. С помощью этого инструмента дизайн фильтра очень прост.

Рисунок 10. Проектирование входного фильтра для понижающего стабилизатора с LTpowerCAD.

Бесшумные переключатели

Излучение трудно заблокировать.Требуется специальное экранирование из какого-либо металлического материала. Это может стоить очень дорого. В течение долгого времени инженеры искали способы уменьшить излучение, создаваемое импульсными источниками питания. Несколько лет назад в технологии Silent Switcher был сделан большой прорыв. За счет уменьшения паразитных индуктивностей в контурах нагрева импульсного источника питания, а также путем разделения контуров нагрева на два и установки их очень симметричным образом излучаемые излучения в основном компенсируют друг друга.Сегодня доступно множество устройств Silent Switcher с гораздо меньшим уровнем излучения, чем у традиционных продуктов. Уменьшение излучаемых излучений позволяет увеличить скорость переключения без серьезных потерь EMI. Ускорение коммутационных переходов снижает коммутационные потери и, таким образом, позволяет использовать гораздо более высокие частоты коммутации. Одним из примеров этой инновации является LTC3310S, который может работать с частотой коммутации 5 МГц, что позволяет создавать чрезвычайно компактные конструкции с очень дешевыми внешними компонентами.

Рис. 11. Бесшумный коммутатор LTC3310S обеспечивает минимальное излучаемое излучение.

Управление питанием — необходимость, но может доставлять удовольствие

В этом руководстве мы рассмотрели многие аспекты проектирования источников питания, включая различные топологии источников питания, а также их преимущества и недостатки. Для инженеров по источникам питания эта информация может быть очень простой, но как для экспертов, так и для неспециалистов полезно иметь программные инструменты, такие как LTpowerCAD и LTspice, которые помогут в процессе проектирования.С помощью этих инструментов преобразователи мощности можно проектировать и оптимизировать за очень короткое время. Надеюсь, это руководство вдохновило вас на решение следующей задачи по проектированию источников питания.

Импульсные источники питания

— обзор

1.1 Тенденция развития систем силовой электроники — влияние на силовые устройства следующего поколения

В последние несколько десятилетий силовые устройства были основной технологией, позволяющей разрабатывать силовые преобразователи. С середины прошлого века до 1980-х годов (как показано на рис.1.1), выпрямители, тиристоры, GTO и биполярные транзисторы внесли значительный вклад в создание силовых электронных преобразователей для управления потоком электрической энергии от источника к нагрузке. В последующие два десятилетия, с 1980 по 2000 год, на рынок вышли силовые устройства с МОП-управлением с превосходными электрическими характеристиками, которые заменили предыдущее поколение биполярных компонентов во многих приложениях. Их превосходное поведение в открытом состоянии, выдающиеся динамические характеристики, управляемость и характеристики короткого замыкания преобладали в качестве преимуществ при разработке систем силовой электроники.Это новое поколение силовых устройств основано на кремниевом материале, как и биполярные устройства в предыдущие десятилетия. Однако из-за тонко структурированной технологии этих устройств, размера элементов и высокой плотности ячеек возникла необходимость в производственных линиях, совместимых с ИС. Это был первый технологический прорыв в технологиях производства силовых устройств, и несколько малых и средних производителей полупроводников не смогли покрыть расходы на новые ИС-совместимые объекты. Эти новые типы устройств, такие как Power MOSFET (представленный на рынке в 1979 году) и IGBT (представленный в 1985 году), открыли новую область для разработок силовых преобразователей.В этой первой технологической вехе [1] (как показано на рис. 1.2), инициированной устройствами с МОП-управлением, такими как силовой MOSFET и IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), появилось несколько новых топологий схем, основанных на многоуровневых технологиях или технологиях чередования, а также новые стратегии управления были разработаны с целью реализации высокодинамичных и высокоэффективных преобразователей энергии.

Рис. 1.1. Тенденции в области силовых полупроводниковых технологий: производительность → вывод на рынок → серийное производство; жизненный цикл технологии силовых устройств; возможна замена устройств на базе Si на устройства на базе WB.

Источник: ABB, ECPE (Л. Лоренц).

Рис. 1.2. Упрощенные технологические вехи для преобразователей энергии.

Источник: ETH Zürich (проф. Колар), семинар ECPE.

Однополярный силовой полевой МОП-транзистор с очень коротким временем переключения поднял частоту переключения до 100 кГц и произвел революцию в области импульсных источников питания (SMPS) в потребительских и вычислительных приложениях, а также в информационных и коммуникационных технологиях. Однако сопротивление этих силовых транзисторов в открытом состоянии очень сильно зависит от легирования и толщины дрейфовой области для переноса электронного тока между клеммами нагрузки и ограничивает эффективное напряжение до номинального напряжения ниже 600 В.В отличие от этого поведения, биполярный транзистор с МОП-управлением (IGBT) с его сильной модуляцией несущей во включенном состоянии практически неограничен по номинальному напряжению и произвел революцию во всех промышленных приложениях, таких как управление двигателями, системы ИБП, тяговые приводы в железные дороги, морские перевозки, электронные транспортные средства и т. д., а также технологии возобновляемых источников энергии, включая транспортировку и распределение энергии. Их выдающиеся электрические и тепловые характеристики наряду с легко контролируемыми характеристиками делают их удобными для использования системными инженерами, так что всего за два-три десятилетия (как показано на рис.1.1), биполярные устройства «старого поколения» были заменены в большинстве областей применения. На основе этих технологических достижений стали очевидны основные движущие факторы будущего развития силовых электронных систем, которые были изложены в [2,3]:

•: Энергоэффективность → для защиты окружающей среды.
•: Плотность мощности → для уменьшения веса / объема.
•: Надежность → для достижения нулевого дефекта конструкции компонентов и систем.
•: Пассивные устройства → Для использования преимуществ высокой частоты необходимы новые материалы для магнетиков и электролитов.
•: Трехмерная интеграция → Интеллектуальные технологии упаковки и трехмерная системная интеграция (активные устройства, пассивные устройства и эффективные системы охлаждения) для миниатюризации системы.

Для удовлетворения этих требований (как показано на рис. 1.2) за последнее десятилетие с 2000 по 2010 г. устройства с МОП-управлением были усовершенствованы в направлении более высокой частоты коммутации, большей прочности даже при повышенной рабочей температуре и выдающейся перегрузки и возможности короткого замыкания.Для разработки системы это был начальный период цифровизации для достижения большей гибкости на системном уровне, точного и высокоэффективного управления мощностью для нагрузки, а также значительного сокращения системных компонентов. На уровне устройств было реализовано новое поколение «IGBT-транзисторов с полевым затвором» для дальнейшего сокращения потерь в открытом состоянии и динамических потерь, что повысило надежность устройства даже при более высокой плотности мощности и повышенной частоте коммутации. Униполярные устройства с их выдающимися характеристиками переключения были значительно улучшены за счет разработки принципа компенсации несущей [4].В области низкого напряжения U _br ≤ 250 В основной принцип резкого снижения R _{ds (on)} ⁎ A — это компенсация избыточных носителей в области дрейфа. Для силового полевого МОП-транзистора высокого напряжения 300 В ≤ U _br ≤ 900 В площадь указанного резистора в открытом состоянии может быть значительно уменьшена за счет реализации принципа сверхперехода, основанного на компенсации несущей во всем слое дрейфа. Такая структура позволяла увеличить легирование в области дрейфа примерно на порядок без потери блокирующей способности [4].Благодаря внедрению этой совершенно новой технологии устройства частота коммутации может быть увеличена до 1 МГц, что повысит удельную мощность и эффективность. MOSFET с суперпереходом заменил традиционную технологию MOSFET с высокими характеристиками и большим производственным объемом, как показано на рис. 1.1.

В текущем десятилетии (как показано на рис. 1.2) преобладают разработки сверхбыстрых переключающих устройств на основе материала WB (широкозонная запрещенная зона), которые имеют дополнительное преимущество одновременного повышения рабочей температуры.Это поколение силовых устройств очень близко подходит к идеальному переключателю: нулевые потери в открытом состоянии, нулевые потери при переключении, отсутствие управляющей мощности; теперь видна новая перспектива для реализации сверхвысокой плотности мощности на уровне устройства и системы.

Однако ограничения частоты коммутации, с которыми мы сталкиваемся сегодня, связаны с пассивными устройствами, в основном с магнитными потерями (включая потери в обмотках катушек индуктивности, трансформаторов и фильтров, а также емкости). Высокие значения di / dt , вызванные переключающими устройствами, создают всплески перенапряжения во всех индуктивностях рассеяния на уровне упаковки устройства и компоновке системы.Обычные индукторы рассеяния в тракте возбуждения оказывают сильное влияние на характеристики переключения транзистора, скачки перенапряжения на оксидных слоях и на клеммах нагрузки, что может привести к возникновению динамических лавин. Кроме того, мы должны научиться решать проблемы электромагнитных помех, возникающие при быстром переключении.

Еще более критичными являются чрезвычайно высокие значения dv / dt , возникающие из-за короткого времени переключения, поскольку мы создаем ток смещения во всех емкостях (внутренних и распределенных в зависимости от схемы устройства), участвующих в переключении. форма волны. dv / dt оказывает влияние на соединительные кабели с нагрузкой, саму нагрузку и соединители между приводом силовых устройств и микроэлектроникой. Чтобы удовлетворить требования к плотности мощности, эффективности, надежности и компактной 3D-интеграции, в следующий период разработки (как показано на рис. 1.2) особое внимание будет уделяться технологиям упаковки, пассивным устройствам, проблемам электромагнитных помех и способам их устранения. чрезвычайно высокие значения di / dt на уровне устройства и системы [5].

Основная причина, по которой эти сверхбыстрые коммутационные устройства на основе материала с широкой запрещенной зоной, заключаются в значительном увеличении плотности мощности и эффективности на уровне устройства и системы, а также повышении рабочей температуры без снижения прочности и надежности. В настоящее время устройства на основе SiC и GaN являются наиболее многообещающими полупроводниковыми материалами, как подробно объясняется далее в этой главе, для достижения этой цели. Хотя оба этих типа материалов хорошо известны для других электронных устройств (например,g., ВЧ-устройства и светодиоды) в течение долгого времени все еще существуют проблемы с качеством материала пластины, с конструкцией устройства (как управлять этим чрезвычайно высоким электрическим полем без создания новых дефектов устройства) и как справиться с этим с помощью одного матрицы меньшего размера по сравнению с Si-устройствами аналогичного номинала по своим электрическим и тепловым характеристикам. Позже в этой главе будут подробно рассмотрены характеристики материалов и характеристики устройства, включая тенденции развития.

Пока вопрос в том, насколько быстро эти отличные устройства заменят Si-компоненты текущего поколения.Необходимо учитывать несколько аспектов. С одной стороны, материалы на основе SiC и GaN более дороги в производстве по сравнению с материалом подложки Si, что приводит к более высокой стоимости устройства. С другой стороны, преобразователи, разработанные с использованием устройств SiC и GaN, достигают значительно более высокой эффективности (более низкие потери с прямым влиянием на меньшую потребность в охлаждении) и высокой плотности мощности (меньшие фильтры и устройства хранения), что напрямую влияет на общую стоимость материала. Одним из предварительных условий для использования преимуществ этого нового типа устройств является использование их выдающихся характеристик: более высокая скорость переключения и более высокая рабочая частота.Основная проблема сейчас заключается в отсутствии пассивных (магнетиков, электролитов) компонентов, передовых технологий упаковки и схемотехники для работы с этими чрезвычайно крошечными матрицами с их характеристиками быстрого переключения на уровне преобразователя. Новые компаунды для технологий соединения микросхем, включая материалы, соответствующие CTE (коэффициент теплового расширения), с учетом, в частности, полупроводникового материала WB с его температурными характеристиками выше Tj> 300 ° C и меньшими требованиями к охлаждению и / или более высоким запасом надежности .Принимая во внимание все эти аспекты с сегодняшней точки зрения, потребуется много времени для замены Si-устройств текущего поколения, учитывая их высокий потенциал для дальнейшего существенного развития их характеристик (как показано на рис. 1.1). С другой стороны, в некоторых приложениях (например, мобильных приложениях в транспортных системах, источниках питания для ноутбуков и коммуникационных устройствах) существует большое давление, чтобы уменьшить размер и вес преобразователя мощности и повысить эффективность теперь, когда устройства SiC и / или GaN уже используются в этих типах приложений.Кроме того, появляются новые приложения, в которых требуются эти выдающиеся характеристики.

За последние несколько десятилетий, начиная с появления устройств с МОП-управлением в начале 80-х годов, доход на рынке силовых устройств значительно вырос. Тем временем силовые устройства достигли примерно 10% объема рынка полупроводников. Во многих приложениях силовые устройства являются ключевыми элементами силовых электронных систем, несмотря на то, что их стоимость во многих силовых электронных системах незначительна по сравнению с общей стоимостью системы, например, в системах транспортировки энергии, высокоскоростных поездах и т. Д.Улучшение их характеристик и увеличение функциональности (например, силовые устройства SMART) снижает стоимость системы и открывает возможности для новых областей применения, например, транспортных систем, включая инфраструктуру, технологии возобновляемых источников энергии, предприятия SMART (включая прогнозирующее определение старения и связанные с процессами параметры), энергосбережение в силовых электронных блоках управления и т. д. Основные тенденции связаны с высокими частотами переключения, уменьшением или устранением громоздких ферритов и электролитов, а также модульными многоуровневыми топологиями для достижения высоковольтных возможностей даже с низковольтными силовыми транзисторами, многофазными топологиями чтобы рекомендовать более высокие номинальные мощности с низкими паразитными индуктивностями в схеме схемы, а также топологии плавного переключения для более высокого КПД и снижения гармоник.

1.1.1 Тенденции развития силовых устройств на основе Si-материала

Несмотря на то, что силовые MOSFET-транзисторы и IGBT имеют долгую историю, потенциал для их дальнейшего развития все еще существует, а кремний остается сильным конкурентом широкой запрещенной зоне. устройства, о чем будет сказано подробнее. Для всех устройств на основе Si, помимо разработки элементов меньшего размера для структур транзисторных ячеек, было проведено множество исследований по таким передовым процессам, как технология изготовления сверхтонких пластин 300 мм и их технологичности.

Для низковольтного силового полевого МОП-транзистора принцип компенсации заряда с использованием структуры ячеек с полевой пластиной был введен в начале прошлого десятилетия и постоянно улучшался от поколения к поколению. Основным принципом радикального R _{DS (on)} ⁎ A Уменьшение количества полевых МОП-транзисторов по сравнению с обычными силовыми МОП-транзисторами (как показано на рис. 1.3) является компенсация доноров n-дрейфовой области [6 ]. Изолированный глубокий электрод истока, отделенный от области n-дрейфа толстым оксидным слоем, действует как пластина поля и обеспечивает подвижные заряды, необходимые для уравновешивания доноров области дрейфа в условиях блокировки.Эта геометрия демонстрирует почти постоянное вертикальное распределение поля и допускает повышенное легирование области дрейфа. Это устройство значительно снижает сопротивление в открытом состоянии. Однако для производства таких устройств пришлось преодолеть несколько технических проблем. Поскольку изоляция полевой пластины должна выдерживать полное напряжение блокировки истока и стока устройства на дне траншеи, толщину оксида в микродиапазоне необходимо тщательно регулировать. В процессе производства необходимо учитывать точную глубину и равномерность ширины траншеи, а также отличные параметры устройства и малое отклонение параметров, а также обращение с ультратонкой пластиной, несмотря на глубокие канавки и толстые слои оксида.Принимая во внимание все эти параметры (дизайн микросхемы, новые этапы процесса и технологичность изготовления тонких пластин), эти устройства демонстрируют чрезвычайно низкое качество резисторов в открытом состоянии, обладая выдающимися показателями качества за их динамические характеристики и простоту управления. По этим электрическим характеристикам новый тип силовых полевых МОП-транзисторов очень близок к GaN-устройствам. С точки зрения надежности (например, легкости вождения, перегрузки, лавинообразного движения и т. Д.) Этот транзистор превосходит современные GaN-транзисторы.Частота переключения подходит для всех основных приложений. Однако при работе на нескольких МГц (5 МГц ≤ фут ≤ 20 МГц) предпочтительнее полностью интегрированное системное решение (например, преобразователь постоянного тока в постоянный с боковыми устройствами на основе GaN). Принимая во внимание чрезвычайно низкий конденсатор на входе и выходе, другого решения нет.

Рис. 1.3. Тенденция развития низковольтных силовых полевых МОП-транзисторов: от горизонтальной ячеистой структуры к концепции полевой пластины.

Источник: Infineon Technologies.

Сегодня высоковольтные силовые полевые МОП-транзисторы в диапазоне напряжений 500 В ≤ В _br ≤ 900 В и частот переключения до 1 МГц реализованы в технологии суперпереходов [7,8].В устройствах с суперпереходом с вертикальным течением тока используется (как показано на рис. 1.4) дополнительный p-столбец, проходящий почти полностью вниз через область блокировки напряжения. Эта структура позволяет увеличить легирование в n-столбце примерно на один порядок без потери блокирующей способности; дополнительный заряд в n-столбце полностью компенсируется встречным зарядом в p-столбце. Следовательно, удельное сопротивление в открытом состоянии зависит только от способности достаточно точно компенсировать эти заряды и изготавливать структуру сверхперехода с еще меньшим шагом столбцов.Помимо этих сложных требований, у приложения есть дополнительные потребности, такие как лавинная способность и контроль скорости переключения, что привело к ряду новых решений, таких как p-образная конструкция и вертикальная структура. Полевые МОП-транзисторы с суперпереходом требуют более сложного технологического процесса. Экономический успех возможен только за счет значительного улучшения резистора в открытом состоянии, характеристик переключения и надежности устройства. Помимо уменьшенного резистора в открытом состоянии, еще одним преимуществом является меньшая входная и выходная емкость, что обеспечивает более быстрое переключение и более низкие динамические потери.

Рис. 1.4. Тенденции развития высоковольтных силовых полевых МОП-транзисторов от традиционной структуры ячеек (угол рисунка слева) до структуры сверхмощного устройства (рисунок внизу справа). Уменьшение площади резистора в открытом состоянии SJ Device Development.

Источник: Infineon Technologies (Г. Дебой).

Непрерывное дальнейшее совершенствование в течение последних нескольких лет было направлено на снижение сопротивления в открытом состоянии, зависящего от конкретной области (как показано на рис. 1.4 в центральной части). Эти положительные результаты были достигнуты с использованием передовой полупроводниковой технологии для реализации большего числа n столбцов на площадь кристалла, а также меньшего шага ячеек.Конечно, при увеличении амплитуды тока вдоль n-столбцов создается область пространственного заряда, которая влияет на эффекты защемления тока, как следствие высокого падения напряжения в n-столбце. Однако здесь мы не обсуждаем «жесткий» физический предел; это просто вопрос дизайна микросхемы и достижений в развитии технологий. Физические пределы, указанные в публикациях [9], не являются окончательными для дальнейшего развития устройств сверхперехода. Скорее вопрос в том, насколько точно контролируются возможности производства полупроводников.

Наконец, для технологии суперпереходов все еще есть большой потенциал для дальнейших инноваций и возможностей [10]. Принимая во внимание новые разработки для устройств с суперпереходом, все еще может наблюдаться дальнейшее видимое уменьшение резистора в открытом состоянии, а также улучшение коммутационных характеристик вместе с отличной лавинной способностью. Следовательно, эти технологии демонстрируют потенциал конкуренции с устройствами с широкой запрещенной зоной при тех же номинальных напряжениях.

1.1.1.1 МОП-управляемые устройства с модулированной несущей — например, IGBT

В дополнение к униполярным устройствам (например, силовым полевым МОП-транзисторам с полевой пластиной, сверхпереходным транзисторам) во многих приложениях с высокой мощностью полезны устройства с биполярным режимом, управляемые МОП-схемами из-за к возможности создания электронно-дырочной плазмы в открытом состоянии, что приводит к чрезвычайно низким потерям в открытом состоянии. Сегодня IGBT охватывают диапазон напряжений от 600 В ≤ В _до ≤ 6,5 кВ, номинальную мощность до 10 МВт и частоту коммутации до 100 кГц.БТИЗ имеют вертикальный ток, но биполярную проводимость, как показано на рис. 1.5. Эти устройства имеют вертикальный pn-переход и толстый слой n-легирования под ним. Если к этому pn-переходу приложить обратное смещение, образуется обедненный слой и сильное электрическое поле. Достижимая способность блокирующего напряжения зависит от толщины и концентрации легирования n-легированного слоя. Чтобы избежать этой толстой и дорогостоящей, но определяющей производительность эпитаксии n-слоя 60–120 мкм на подложке Si, в середине 1980-х годов была представлена подходящая легированная кремниевая подложка, служащая требуемым n-слоем.После полной обработки устройства, в конечном итоге, необходимый тыловой эмиттер формируется только путем реализации и низкотемпературного отжига. Это было прорывом в создании очень стабильных (без какого-либо процесса уничтожения срока службы) устройств с высокой стойкостью к току короткого замыкания [11–13].

Рис. 1.5. Тенденции развития IGBT от обычных пробивных до непробитых и непроходных до TRENCHSTOP и микропроцессорных канавок (три структуры ячеек справа).

Источник: Infineon Technologies.

Основной проблемой, стоящей перед новым типом IGBT, является обработка очень тонких пластин. Для низковольтных IGBT ( В, , _или ≤ 400 В) толщина пластины уменьшается почти до 50 мкм. Эти меры приводят к чрезвычайно низким потерям в открытом состоянии и коммутации. Важными препятствиями на пути к успеху разработки этого устройства были коммутационные потери и явление звона.

Улучшенные профили легирования и оптимизированные упаковочные решения помогли преодолеть эти препятствия.Наряду с передовыми технологиями обработки наблюдалось постоянное увеличение плотности клеток, как показано на рис. 1.6. Меньшие элементы мезы позволяют реализовать очень высокую плотность ячеек траншеи. Основным преимуществом такой высокой плотности ячеек канавки является накопление высокой концентрации носителей непосредственно под ячейками канавки, что приводит к низкому напряжению в открытом состоянии для IGBT. Благодаря этой тонко структурированной конструкции траншейного элемента также можно оптимизировать конденсатор обратной связи и соотношение между емкостями затвора коллектора и эмиттера коллектора, которые отвечают за динамические характеристики.Создание небольших мезоплощадок является выгодным, поскольку электронная / дырочная плазма уже отклоняется при малых номинальных значениях обратного напряжения, что существенно для уменьшения потерь при выключении. Другие тенденции развития IGBT смещаются в сторону устройств с обратной проводимостью, которые сегодня используются для резонансных приложений. Для приложений обратной проводки и переключения все еще ведутся разработки. Другая область исследований нацелена на обратную блокировку IGBT, что дает преимущества в многоуровневых технологиях.

Рис. 1.6. Наличие диаметров полупроводниковых пластин для изготовления устройств из кремния, карбида кремния и нитрида галлия.

Сегодня IGBT охватывают широкую область применения, такую как силовые электронные преобразователи для управления двигателями, системы ИБП, FACTS, транспортные системы, технологии возобновляемых источников энергии и т. Д.

1.1.2 Обзор и перспективы

Что касается силовых полупроводниковых устройств на основе кремниевого материала (например, силовые полевые МОП-транзисторы, сверхпереходные транзисторы, IGBT, быстрые выпрямители и т. д.), есть еще огромный потенциал для дальнейшего развития. Реализуя все идеи различных групп НИОКР в реальных продуктах во многих приложениях, устройства Si станут сильным конкурентом на рынке компонентов с широкой запрещенной зоной и будут оставаться таковыми в течение долгого времени. Общей тенденцией развития является уменьшение размера кристалла в пользу более низких потерь в открытом состоянии и динамических потерь, повышение рабочей температуры, интеграция функций датчиков для достижения высоких характеристик самозащиты и получения информации о параметрах, связанных со старением, повышение эффективности охлаждения и поддерживать или повышать отличную прочность и надежность этих устройств.Особой задачей будущего является разработка передовых технологий соединения микросхем, новой керамики для изоляции и превосходных тепловых характеристик, соответствующих материалов для покрытия микросхем, пластиков и материалов выводной рамки, соответствующих коэффициенту теплового расширения, особенно для корпусов большой мощности, с целью повышения рабочая температура выше 200 ° C. Настоятельно требуется усовершенствованная конструкция упаковки для устранения паразитных факторов (например, индуктивности рассеяния и распределенных емкостей) для обеспечения высоких значений di / dt и dv / dt и одновременного повышения показателей надежности, в частности числа циклов мощности и температуры. .Для успешного внедрения устройств с широкой запрещенной зоной требуется много новаторских работ в области высоких рабочих температур, высокой надежности и низкого уровня паразитных воздействий.

Чтобы использовать эти сверхбыстрые коммутационные устройства, которые достигают высокого диапазона МГц с чрезвычайно маленьким размером кристалла и передовыми концепциями охлаждения, новыми материалами для пассивных компонентов и интеллектуальными концепциями для общей системной интеграции (3D-интеграция), необходимо, чтобы мы считали активными устройства, пассивные компоненты, системы охлаждения и соответствующие технологии схем.

Для приложений с низким энергопотреблением (преобразователи постоянного тока в постоянный) тенденция смещается в сторону работы на частоте МГц с полевыми полевыми полевыми МОП-транзисторами выше 5 МГц с устройствами на основе GaN [14,15]. Необходимо разработать совершенно новый подход к проектированию всей системы. Для преобразователей энергии, работающих от сети 220 В, основными соображениями по технике привода являются плотность мощности и эффективность. В этих приложениях сверхпереходный транзистор (с учетом тенденций их будущего развития) останется привлекательным устройством.

Однако в некоторых схемных технологиях, где требуется мертвое время, обратное восстановление диодов, мощность возбуждения или частота переключения выше 1 МГц, устройства на основе SiC или GaN демонстрируют значительные преимущества.

При номинальном напряжении от 110 до 440 В (в основном используется в жилых и офисных помещениях, а также для автоматизации производства) новые перспективы открываются с сетью постоянного тока. Источник питания постоянного тока потенциально имеет несколько преимуществ в повышении эффективности, минимизации оборудования и снижении затрат по сравнению с исторически сложившейся инфраструктурой питания переменного напряжения.Однако есть несколько аспектов, которые необходимо изучить подробно, например, управление сетью, стабильность сети и способы устранения сбоев, возникающих из-за одной проблемы [16].

Очень важной областью в будущем развитии преобразователей мощности являются модульные многоуровневые и многофазные / чередующиеся топологии. Приоритезация топологий чередования для увеличения номинальной мощности работает в сочетании с выгодной способностью модульных многоуровневых топологий расширяться до приложений среднего / высокого напряжения с переключаемыми устройствами питания.Модульные многоуровневые топологии имеют много преимуществ при проектировании систем высокой мощности, таких как устранение больших пассивных фильтров и громоздких трансформаторов, простое устранение неисправностей и т. Д. Анализ тенденций развития силовых полупроводников показывает, что сочетание кремниевых и SiC-устройств предлагает потенциал для существенных улучшений в следующем десятилетии [17–19].

В сегменте средней и высокой мощности появляется много новых и очень привлекательных приложений (например, технологии возобновляемых источников энергии, включая всю инфраструктуру, железнодорожный транспорт, самолет, электронную мобильность, медицинское оборудование и т. Д.) В этих областях применения требуется дальнейшее развитие IGBT и устройств на основе SiC в качестве ключевых технологий.

Улучшение производства за счет решения проблем с импульсными источниками питания 24 В постоянного тока

В этом техническом документе описываются импульсные источники питания и традиционные автоматические выключатели, а также объясняется технология, лежащая в основе новой твердотельной технологии. Позже в нем объясняется, как была решена давняя проблема, влияющая на время безотказной работы производственного оборудования с импульсным управлением мощностью.

Добавление селективной защиты цепи

Если источник питания питает несколько цепей, состояние перегрузки только в одной цепи, которая не устраняется быстро, вызовет отключение источника питания или вызовет падение напряжения на всех других подключенных цепях. Чтобы защитить отдельные цепи от одного источника питания, разработчик системы часто размещает тепловой или термомагнитный прерыватель цепи между каждой отдельной цепью, находящейся под нагрузкой, и источником питания.

Дилемма

Давайте рассмотрим тот же сценарий, но заменим термомагнитный выключатель импульсным источником питания. Как описано выше, максимальный ток, который обеспечивает импульсный источник питания, составляет 11 А (110% от номинального тока). Следовательно, перегрузка любой цепи, которая увеличивает общий ток до более чем 11 А, приведет к отключению источника питания. в режим выключения или икоты. В том же примере, описанном выше, автоматический выключатель не срабатывает, напряжение падает до нуля, и у инженеров нет простого способа определить, какая цепь неисправна.

Реальное приложение

Инженеры автопроизводителя знали, что у них есть проблема. Каждый раз, когда в одной цепи возникала перегрузка, все другие компоненты управления, подключенные к одному и тому же импульсному источнику питания 24 В постоянного тока, отключались, что приводило к массовым сбоям в производстве.

Автопроизводитель подсчитал, что стоимость простоя сборочной линии составила долларов за минуту. Более того, когда источник питания пытался восстановиться после перегрузки, он часто переходил в режим икоты, быстро включаясь и выключаясь.Икота или остановка оборудования приводит к появлению лома и ставит под угрозу безопасность рабочих.

Чтобы решить эту проблему, заводские инженеры работали с E-T-A Circuit Breakers, ведущим производителем устройств защиты цепей для оборудования. Основная идея заключалась в том, чтобы добавить автоматический выключатель между источником питания и каждой отдельной цепью. В случае перегрузки в одной цепи этот метод исключает отключение питания всех подключенных цепей. Однако вскоре команда обнаружила, что из-за конструкции импульсных источников питания любое решение будет выходить за рамки возможностей традиционной технологии автоматических выключателей.Инженеры E-T-A решили использовать запатентованную электронную технологию для разработки нового класса устройств защиты цепей, которые работают, как описано выше.

E-T-A ESX10-T является первым продуктом, который позволяет избирательно защищать оборудование, подключенное к импульсному источнику питания 24 В постоянного тока, избегая при этом ложных отключений и дорогостоящих отключений источника питания. Состояние неисправности четко отображается с помощью многоцветного светодиода. Все модели ESX10-T имеют вспомогательный контакт, который также может передавать сигнал программируемому логическому контроллеру или программному обеспечению заводского оборудования, поэтому линия или процесс могут безопасно отключиться или оставаться в использовании в случае неисправности.

Автопроизводитель уже несколько лет использует защиту электронных схем от E-T-A. С момента установки нового устройства защиты электронных схем инженеры завода заметили значительное сокращение времени простоя оборудования, которое оценивается в долларов за минуту экономии производительности.

Изучено 4 простых схемы источника бесперебойного питания (ИБП)

В этом посте мы исследуем 4 простых конструкции источника бесперебойного питания (ИБП) от сети 220 В с использованием аккумулятора 12 В, которые могут быть поняты и сконструированы любым новым энтузиастом.Эти схемы можно использовать для управления соответствующим образом выбранным прибором или нагрузкой, давайте рассмотрим схемы.

Конструкция №1: Простой ИБП с использованием единственной ИС

Представленная здесь простая идея может быть построена дома с использованием самых обычных компонентов для получения разумных выходных сигналов. Его можно использовать для питания не только обычных электроприборов, но и сложных устройств, например компьютеров. В его схеме инвертора используется модифицированная конструкция синусоидальной волны.

Источник бесперебойного питания с продуманными функциями может не быть критически необходимым для работы даже сложных гаджетов.Представленный здесь компромиссный проект системы ИБП вполне может удовлетворить потребности. Он также включает в себя встроенное универсальное интеллектуальное зарядное устройство.

Разница между ИБП и инвертором

В чем разница между источником бесперебойного питания (ИБП) и инвертором? Что ж, в широком смысле оба предназначены для выполнения основной функции преобразования напряжения батареи в переменный ток, который может использоваться для управления различными электрическими устройствами при отсутствии в нашей домашней сети переменного тока.

Однако в большинстве случаев инвертор может не иметь многих функций автоматического переключения и мер безопасности, обычно связанных с ИБП.

Более того, инверторы в большинстве случаев не имеют встроенного зарядного устройства, тогда как все ИБП имеют встроенное автоматическое зарядное устройство для батарей, чтобы облегчить мгновенную зарядку соответствующей батареи при наличии сетевого переменного тока и переключить питание батареи в инверторный режим в тот момент. входное питание отсутствует.

Также все ИБП предназначены для производства переменного тока, имеющего синусоидальную форму волны или, по крайней мере, модифицированную прямоугольную волну, очень похожую на ее синусоидальный аналог.Это, пожалуй, самая важная особенность ИБП.

Имея в наличии такое количество функций, нет сомнений, что эти удивительные устройства должны стать дорогими, и поэтому многие из нас, принадлежащих к категории среднего класса, не могут заполучить их.

Я попытался создать ИБП, хотя и не сравнимый с профессиональными, но однажды построенный, определенно смогу достаточно надежно заменить сбои в электросети, а также, поскольку выход представляет собой измененную прямоугольную волну, подходит для работы со всеми сложными электронными устройствами. , даже компьютеры.

Все конструкции здесь автономного типа, вы также можете попробовать эту простую онлайн-схему ИБП

Понимание конструкции схемы

На рисунке рядом показана простая модифицированная квадратная конструкция инвертора, которая, тем не менее, легко понятна. включает в себя важные функции.

Микросхема SN74LVC1G132 имеет один логический элемент И-НЕ (триггер Шмитта), заключенный в небольшой корпус. Он в основном является сердцем каскада генератора и требует всего одного конденсатора и резистора для необходимых колебаний.Значение этих двух пассивных компонентов определяет частоту генератора. Здесь он рассчитан примерно на 250 Гц.

Вышеупомянутая частота применяется к следующему этапу, состоящему из одного декадного счетчика / делителя IC 4017 Джонсона. ИС сконфигурирована так, что ее выходы создают и повторяют набор из пяти последовательных выходов с высоким логическим уровнем. Поскольку входной сигнал представляет собой прямоугольную волну, выходные сигналы также генерируются в виде прямоугольных волн.

Список деталей для инвертора ИБП

R1 = 20K
R2, R3 = 1K
R4, R5 = 220 Ом
C1 = 0.095Uf
C2, C3, C4 = 10 мкФ / 25 В
T0 = BC557B
T1, T2 = 8050
T3, T4 = BDY29
IC1 = SN74LVC1G132 или один вентиль от IC4093
IC2 = 4017
IC3 = 7805
ТРАНСФОРМАТОР = 0-12V / 10AMP / 230V

Зарядное устройство

Базовые выводы двух пар Дарлингтонских парных высокомощных транзисторов с высоким коэффициентом усиления сконфигурированы для ИС таким образом, что она принимает и проводит к альтернативным выходам.

Транзисторы проводят (тандемно) в ответ на это переключение, и соответствующий высокий переменный потенциал протекает через две половины соединенных обмоток трансформатора.

Поскольку базовые напряжения на транзисторах от ИС поочередно пропускаются, результирующий прямоугольный импульс от трансформатора несет только половину среднего значения по сравнению с другими обычными инверторами. Это измеренное среднеквадратичное значение генерируемых прямоугольных волн очень похоже на среднее значение сетевого переменного тока, которое обычно присутствует в наших домашних розетках, и, таким образом, становится подходящим и подходящим для большинства сложных электронных устройств.

Настоящая конструкция источника бесперебойного питания полностью автоматическая и возвращается в режим инвертора в момент пропадания входной мощности.Это делается через пару реле RL1 и RL2; RL2 имеет двойной набор контактов для переключения обеих выходных линий.

Как объяснялось выше, ИБП также должен включать встроенное универсальное интеллектуальное зарядное устройство, которое также должно регулироваться по напряжению и току.

На следующем рисунке, который является неотъемлемой частью системы, показана небольшая интеллектуальная автоматическая схема зарядного устройства. Схема не только управляется напряжением, но также включает в себя конфигурацию защиты от перегрузки по току.

Транзисторы T1 и T2 в основном образуют точный датчик напряжения и никогда не позволяют верхнему пределу зарядного напряжения превышать установленный предел. Этот предел фиксируется путем соответствующей настройки предустановки P1.

Транзисторы T3 и T4 вместе следят за возрастающим потребляемым батареей током и никогда не позволяют ему достичь уровней, которые могут считаться опасными для срока службы батареи. В случае, если ток начинает выходить за пределы установленного уровня, напряжение на R6 переходит — 0,6 вольт, чего достаточно для срабатывания T3, который, в свою очередь, подавляет базовое напряжение T4, тем самым ограничивая любое дальнейшее повышение потребляемого тока.Значение R6 можно найти по формуле:

R = 0,6 / I, где I — величина зарядного тока.

Транзистор T5 выполняет функцию монитора напряжения и включает (отключает) реле в момент выхода из строя сети переменного тока.

Список деталей для зарядного устройства

R1, R2, R3, R4, R7 = 1K
P1 = 4K7 PRESET, LINEAR
R6 = СМ. ТЕКСТ
T1, T2, = BC547
T3 = 8550
T4 = TIP32C
T5 = 8050
RL1 = 12 В / 400 Ом, SPDT
RL2 = 12 В / 400 Ом, SPDT, D1 — D4 = 1N5408
D5, D6 = 1N4007
TR1 = 0-12 В, ТОК 1/10 АККУМУЛЯТОРА AH
C1 = 2200 мкФ / 25 В
C2 = 1 мкФ / 25 В

Конструкция № 2: ИБП с одним трансформатором для инвертора и зарядки аккумуляторов

В следующей статье подробно описывается простая схема ИБП на основе транзисторов со встроенной схемой зарядного устройства, которая может использоваться для дешевое получение бесперебойного сетевого питания в вашем доме, офисе, магазине и т. д.Схема может быть повышена до любого желаемого более высокого уровня мощности. Идея была разработана г-ном Сайедом Ксаиди.

Основным преимуществом этой схемы является то, что в ней используется один трансформатор для зарядки аккумулятора, а также для управления инвертором. Это означает, что вам не нужно включать отдельный трансформатор для зарядки аккумулятора в этой схеме.

Следующие данные были предоставлены г-ном Сайедом по электронной почте:

Я видел, что люди получают образование благодаря вашей почте.Итак, я думаю, вам следует объяснить людям эту схему.

В этой схеме есть нестабильный мультивибратор на транзисторах, как и у вас. Конденсаторы c1 и c2 имеют значение 0,47 для получения выходной частоты около 51.xx Гц, как я измерял, но она не является постоянной во всех случаях.

МОП-транзистор имеет обратный диод большой мощности, который используется для зарядки аккумулятора, поэтому нет необходимости добавлять в схему специальный диод. Я показал принцип переключения с реле на схеме. RL3 должен использоваться с цепью отключения.

Эта схема очень проста, и я ее уже тестировал. Я собираюсь протестировать еще одну свою разработку, и поделюсь с вами, как только тест будет завершен. Он контролирует выходное напряжение и стабилизирует его с помощью ШИМ. Также в этой конструкции я использую обмотку трансформатора 140 В для зарядки и BTA16 для управления током зарядки. Будем надеяться на добро.

У вас все хорошо. Никогда не останавливайтесь, желаю вам прекрасного дня.

Дизайн № 3: Схема ИБП на базе IC 555

Третий вариант, описанный ниже, представляет собой простую схему ИБП с использованием ШИМ, которая становится совершенно безопасной для работы со сложным электронным оборудованием, таким как компьютеры, музыкальная система. и т.п.Весь блок обойдется вам примерно в 3 доллара. Встроенное зарядное устройство также включено в конструкцию, чтобы поддерживать аккумулятор всегда в заряженном состоянии и в режиме ожидания. Давайте изучим всю концепцию и схему.

Принципиальная схема схемы довольно проста, все дело в переключении выходных устройств в соответствии с приложенными хорошо оптимизированными импульсами ШИМ, которые, в свою очередь, переключают трансформатор для генерации эквивалентного индуцированного сетевого напряжения переменного тока, имеющего параметры, идентичные стандартному синусоидальному напряжению переменного тока. форма.

Работа схемы:

Принципиальная схема может быть понята с помощью следующих точек:

В схеме ШИМ используется очень популярная микросхема IC 555 для необходимой генерации импульсов ШИМ.

Предустановки P1 и P2 могут быть установлены точно так, как требуется для питания устройств вывода.

Выходные устройства будут точно реагировать на подаваемые импульсы ШИМ от схемы 555, поэтому тщательная оптимизация предустановок должна привести к почти идеальному коэффициенту ШИМ, который можно считать вполне эквивалентным стандартной форме сигнала переменного тока.

Однако, поскольку вышеупомянутые импульсы ШИМ применяются к основаниям обоих транзисторов, предназначенных для переключения двух отдельных каналов, это будет означать полный беспорядок, поскольку мы никогда не захотим переключать обе обмотки трансформатора вместе.

Использование вентилей НЕ для индуцирования переключения 50 Гц

Поэтому был введен еще один этап, состоящий из нескольких вентилей НЕ из IC 4049, который гарантирует, что устройства проводят или переключаются поочередно и никогда не все одновременно.

Генератор из N1 и N2; выполнять правильные прямоугольные импульсы, которые дополнительно буферизуются N3 — N6. Диоды D3 и D4 также играют важную роль, заставляя устройства реагировать только на отрицательные импульсы от вентилей НЕ.

Эти импульсы поочередно выключают устройства, позволяя проводить только одному каналу в любой конкретный момент.

Предустановка, связанная с N1 и N2, используется для установки выходной частоты переменного тока ИБП. Для 220 вольт он должен быть установлен на 50 Гц, а для 120 вольт он должен быть установлен на 60 Гц.

Список деталей для ИБП

R1, R2, R3 R4, R5 = 1K,
P1, P2 = по формуле,
P3 = 100K предустановка
D1, D2 = 1N4148,
D3, D4 = 1N4007,
D5 , D6 = 1N5402,
D7, D8 = стабилитрон 3 В
C1 = 1 мкФ / 25 В
C2 = 10n,
C3 = 2200 мкФ / 25 В
T1, T2 = TIP31C,
T3, T4 = BDY29
IC1 = 555,
N1 … N6 = IC 4049, номера контактов см. В таблице данных.
Трансформатор = 12–0–12 В, 15 А

Схема зарядного устройства батареи:

Если это ИБП, включение цепи зарядного устройства становится обязательным.

Учитывая низкую стоимость и простоту конструкции, в эту схему источника бесперебойного питания была включена очень простая, но достаточно точная конструкция зарядного устройства.

Глядя на рисунок, мы можем просто увидеть, насколько проста конфигурация.

Вы можете получить полное объяснение в этой статье о схеме зарядного устройства. Два реле RL1 и RL2 расположены таким образом, чтобы сделать схему полностью автоматической. При наличии сетевого питания реле включаются и переключают сеть переменного тока непосредственно на нагрузку через N / O контакты.Между тем, аккумулятор также заряжается через цепь зарядного устройства. В момент сбоя питания переменного тока реле переключаются и отключают сетевую линию и заменяют ее инверторным трансформатором, так что теперь инвертор берет на себя ответственность за подачу сетевого напряжения на нагрузку. , за миллисекунды.

Еще одно реле RL4 вводится для переключения контактов во время сбоя питания, так что аккумулятор, который находился в режиме зарядки, переводится в режим инвертора для необходимого генерирования резервного питания переменного тока.

Список деталей для зарядного устройства

R1 = 1K,
P1 = 10K
T1 = BC547B,
C1 = 100 мкФ / 25V
D1 — D4 = 1N5402
D5, 6, 7 = 1N4007,
Все реле = 12 вольт, 400 Ом, SPDT

Трансформатор = 0-12 В, 3 А

Конструкция № 4: Конструкция ИБП 1 кВА

В последней конструкции, но, безусловно, самой мощной, обсуждается схема ИБП на 1000 Вт с питанием от входа +/- 220 В , используя последовательно 40 шт. аккумуляторных батарей 12 В / 4 Ач. Работа под высоким напряжением делает систему относительно менее сложной и бестрансформаторной.Идею запросил Водолей.

Технические характеристики

Я ваш поклонник, успешно построил много проектов для личного использования и получил огромное удовольствие. Будьте здоровы. Теперь я собираюсь построить ИБП на 1000 Вт с другой концепцией (инвертор с высоким входным напряжением постоянного тока).

Я буду использовать батарею из 18–20 последовательно соединенных герметичных батарей, каждая по 12 вольт / 7 Ач, чтобы получить 220+ вольт в качестве входа для бестрансформаторного инвертора.

Можете ли вы предложить простейшую схему для этой концепции, которая должна включать зарядное устройство + защиту и автоматическое переключение при отказе сети. Позже я также добавлю солнечную энергию.

Конструкция

Предлагаемая схема ИБП мощностью 1000 Вт может быть построена с использованием следующих двух схем, первая из которых представляет собой секцию инвертора с необходимыми реле автоматического переключения. Вторая конструкция предусматривает автоматическую подзарядку аккумулятора.

Первая схема, изображающая инвертор мощностью 1000 Вт, состоит из трех основных ступеней.

T1, T2 вместе с соответствующими компонентами образуют входной дифференциальный усилительный каскад, который усиливает входные сигналы ШИМ от генератора ШИМ, который может быть синусоидальным генератором.

R5 становится источником тока для обеспечения оптимального тока дифференциального каскада и последующего каскада драйвера.

Секция после дифференциального каскада — это каскад драйвера, который эффективно поднимает усиленный ШИМ с дифференциального каскада до уровней, достаточных для запуска следующего каскада мощного полевого МОП.

МОП-транзисторы выровнены двухтактным образом на двух батареях 220 В и, следовательно, переключают напряжения на их выводах стока / истока для получения требуемого выходного напряжения 220 В переменного тока без включения трансформатора.

Вышеупомянутый выход подключается к нагрузке через ступень переключения реле, состоящую из реле DPDT 12 В 10 А, пусковой вход которого поступает от электросети через адаптер переменного / постоянного тока 12 В. Это напряжение срабатывания подается на катушки всех реле 12 В, которые используются в цепи для предполагаемых действий по переключению от сети к инвертору.

Список деталей для указанной выше цепи ИБП на 1000 Вт

Все резисторы CFR номиналом 2 Вт, если не указано иное.

R1, R3, R10, R11, R8 = 4k7
R2, R4, R5 = 68k
R6, R7 = 4k7
R9 = 10k
R13, R14 = 0,22 Ом 2 Вт
R12, R15 = 1K, 5 Вт
C1 = 470 пФ
C2 = 47 мкФ / 100 В
C3 = 0,1 мкФ / 100 В
C4, C5 = 100 пФ
D1, D2 = 1N4148
T1, T2 = BC556
T5, T6 = MJE350
T3, T4 = MJE340
40 Q1 = IRF
Q2 = FQP3P50

реле = DPDT, контакты 12 В / 10 А, катушка 400 Ом

Схема зарядного устройства для зарядки батарей постоянного тока 220 В.

Хотя в идеале задействованные батареи на 12 В должны заряжаться индивидуально через источник питания 14 В, с учетом простоты универсальное одно зарядное устройство на 220 В, наконец, было признано более желательным и легким в изготовлении.

Как показано на диаграмме ниже, поскольку требуемое напряжение зарядки находится в пределах 260 В, выход 220 В сети может использоваться непосредственно для этой цели.

Однако прямое подключение к сети может быть опасным для аккумуляторов из-за большого количества тока, с которым оно связано, в конструкцию включено простое решение с использованием лампы серии 200 Вт.

Питание от сети подается через один диод 1N4007 и через лампу накаливания мощностью 200 Вт, которая проходит через переключающие контакты реле.

Первоначально полуволновое выпрямленное напряжение не может достигнуть аккумуляторов из-за того, что реле находится в выключенном состоянии.

При нажатии PB1 питание на мгновение достигает аккумуляторов.

Это вызывает соответствующий уровень напряжения, который должен генерироваться на 200-ваттной лампе и считываться опто-светодиодом.

Оптоискатель мгновенно реагирует и запускает сопутствующее реле, которое мгновенно активирует, фиксирует ВКЛЮЧЕНИЕ и поддерживает его даже после отпускания PB1.

Было видно, что лампочка на 200 ватт слегка светится, интенсивность которой зависит от состояния заряда аккумуляторной батареи.

Когда батареи начинают заряжаться, напряжение на 200-ваттной лампочке начинает падать, пока реле не выключится, как только будет достигнут уровень полного заряда батареи. Это можно отрегулировать, настроив предустановку 4k7.

Выходной сигнал вышеуказанного зарядного устройства подается в аккумуляторную батарею через пару реле SPDT, как показано на следующей диаграмме.

Реле обеспечивают перевод аккумуляторов в режим зарядки до тех пор, пока есть вход от сети, и переводят их в инверторный режим при выходе из строя сетевого входа.

Введение в базовую электронику, электронные компоненты и проекты

Изучить основы электроники и создавать собственные проекты намного проще, чем вы думаете.В этом руководстве мы дадим вам краткий обзор общих электронных компонентов и объясним их функции. Затем вы узнаете о принципиальных схемах и о том, как они используются для проектирования и построения схем. И, наконец, вы примените эту информацию, создав свою первую базовую схему.

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ КНИГА (PDF) — Информационный пакет Makerspace

Прежде чем начать, убедитесь, что ваш электронный рабочий стол правильно настроен. Рабочее место не должно быть необычным, и вы даже можете собрать свой собственный электронный верстак.

Электронные компоненты могут быть небольшими, и рекомендуется держать все в порядке. Самый популярный вариант — использовать прозрачные пластиковые ящики для хранения деталей. Кроме того, вы можете использовать пластиковые ящики для хранения, которые свешиваются на стойку или помещаются на полку.

Теперь, когда у вас есть хорошее рабочее место, пора снабдить его необходимыми инструментами и оборудованием. Это неполный список, но он выделяет наиболее распространенные элементы, используемые в электронике.

Макетная плата

Макетные платы — важный инструмент для создания прототипов и временных схем. Эти платы содержат отверстия для вставки проводов и компонентов. Поскольку они временны, они позволяют создавать схемы без пайки. Отверстия в макете соединены рядами по горизонтали и вертикали, как показано ниже.

Цифровой мультиметр

Мультиметр — это устройство, которое используется для измерения электрического тока (амперы), напряжения (вольты) и сопротивления (Ом).Он отлично подходит для поиска и устранения неисправностей в цепях и может измерять как переменное, так и постоянное напряжение. Прочтите этот пост, чтобы узнать больше о том, как использовать мультиметр.

Держатели батарей

Батарейный отсек — пластиковый корпус, вмещающий батарейки от 9В до АА. Некоторые держатели закрыты и могут иметь встроенный выключатель.

Тестовые провода (зажимы типа «крокодил»)

Измерительные провода отлично подходят для соединения компонентов вместе для проверки цепи без пайки.

Кусачки для проволоки

Кусачки необходимы для снятия изоляции с многожильных и одножильных медных проводов.

Набор прецизионных отверток

Прецизионные отвертки также называются ювелирными отвертками и обычно поставляются в комплекте. Преимущество этих отверток перед обычными — точные наконечники каждой отвертки. Это очень удобно при работе с электроникой, содержащей крошечные винты.

Третья рука помощи

При работе с электроникой кажется, что рук никогда не хватает, чтобы все удержать.Вот здесь-то и пригодится рука помощи (третья рука). Отлично подходит для удержания печатных плат или проводов при пайке или лужении.

Тепловая пушка

Тепловая пушка используется для усадки пластиковых трубок, известных как термоусадка, для защиты оголенных проводов. Термоусадочная лента, которую называют изолентой электроники, пригодится в самых разных сферах применения.

Перемычка

Эти провода используются с макетными платами и макетными платами и обычно представляют собой одножильный провод 22-28 AWG.Провода перемычки могут иметь концы «папа» или «мама» в зависимости от того, как их нужно использовать.

Паяльник

Когда пришло время создать постоянную цепь, вам нужно спаять части вместе. Для этого вам понадобится паяльник. Конечно, паяльник бесполезен, если к нему нет припоя. Вы можете выбрать свинцовый или бессвинцовый припой нескольких диаметров.

Теперь пора поговорить о различных компонентах, которые воплощают в жизнь ваши электронные проекты.Ниже приводится краткое описание наиболее распространенных компонентов и функций, которые они выполняют.

Переключатель

Переключатели

могут быть разных форм, например, кнопочные, кулисные, мгновенные и другие. Их основная функция — прерывание электрического тока путем включения или выключения цепи.

Резистор

Резисторы используются для сопротивления прохождению тока или для управления напряжением в цепи. Величина сопротивления резистора измеряется в Ом.У большинства резисторов есть цветные полосы снаружи, и этот код сообщит вам значение сопротивления. Вы можете использовать мультиметр или калькулятор цветового кода резистора Digikey, чтобы определить номинал резистора.

Переменный резистор (потенциометр)

Переменный резистор также известен как потенциометр. Эти компоненты можно найти в таких устройствах, как диммер или регулятор громкости для радио. Когда вы поворачиваете вал потенциометра, сопротивление в цепи изменяется.

Светозависимый резистор (LDR)

Светозависимый резистор также является переменным резистором, но управляется светом, а не поворотом ручки. Сопротивление в цепи изменяется в зависимости от интенсивности света. Они часто встречаются во внешнем освещении, которое автоматически включается в сумерках и выключается на рассвете.

Конденсатор

Конденсаторы накапливают электричество, а затем разряжают его обратно в цепь при падении напряжения.Конденсатор подобен перезаряжаемой батарее, его можно заряжать, а затем разряжать. Значение измеряется в диапазоне Ф (фарад), нанофарада (нФ) или пикофарада (пФ).

Диод

Диод пропускает электричество в одном направлении и блокирует обратное. Основная роль диода — направлять электричество по нежелательному пути внутри цепи.

Светодиод (LED)

Светодиод похож на стандартный диод тем, что электрический ток течет только в одном направлении.Основное отличие заключается в том, что светодиод излучает свет, когда через него проходит электричество. Внутри светодиода находятся анод и катод. Ток всегда течет от анода (+) к катоду (-) и никогда в обратном направлении. Более длинная ветвь светодиода — это положительная (анодная) сторона.

Транзистор

Транзистор — это крошечные переключатели, которые включают или выключают ток при срабатывании электрического сигнала. Помимо того, что он является переключателем, он также может использоваться для усиления электронных сигналов.Транзистор похож на реле, за исключением того, что у него нет движущихся частей.

Реле

Реле — это переключатель с электрическим приводом, который открывается или закрывается при подаче питания. Внутри реле находится электромагнит, который управляет механическим переключателем.

Интегральная схема (ИС)

Интегральная схема — это схема, размер которой уменьшен, чтобы поместиться в крошечный чип. Эта схема содержит электронные компоненты, такие как резисторы и конденсаторы, но в гораздо меньшем масштабе.Интегральные схемы бывают разных вариаций, таких как таймеры 555, регуляторы напряжения, микроконтроллеры и многое другое. Каждый вывод на ИС уникален с точки зрения своей функции.

Перед тем, как разрабатывать электронный проект, вам нужно знать, что такое схема и как ее правильно создать.

Электронная схема — это круговой путь проводников, по которым может течь электрический ток. Замкнутый контур похож на круг, потому что он начинается и заканчивается в одной и той же точке, образуя полный цикл.Кроме того, замкнутая цепь позволяет электричеству беспрерывно течь от (+) питания к (-) заземлению.

Напротив, если есть какой-либо перерыв в подаче электроэнергии, это называется обрывом цепи. Как показано ниже, переключатель в цепи может вызывать ее размыкание или замыкание в зависимости от своего положения.

Все схемы должны иметь три основных элемента. Эти элементы представляют собой источник напряжения, токопроводящую дорожку и нагрузку.

Источник напряжения, например аккумулятор, необходим для протекания тока через цепь.Кроме того, должен быть токопроводящий путь, по которому будет проходить электричество. Наконец, для правильной схемы нужна нагрузка, потребляющая энергию. Нагрузкой в приведенной выше схеме является лампочка.

При работе со схемами вы часто встретите что-то, называемое схематической диаграммой. На этих схемах используются символы, показывающие, какие электронные компоненты используются и где они размещаются в цепи. Эти символы представляют собой графические изображения реальных электронных компонентов.

Ниже приведен пример схемы, на которой изображена цепь светодиода, управляемая переключателем. Он содержит символы для светодиода, резистора, батареи и переключателя. Следуя схематической диаграмме, вы сможете узнать, какие компоненты использовать и где их разместить. Эти схемы чрезвычайно полезны для новичков при первом изучении схем.

Принципиальная схема светодиодной цепи

Существует много типов электронных символов, и они незначительно различаются в зависимости от страны.Ниже приведены несколько наиболее часто используемых электронных символов в США.

Резисторы

обычно используются в проектах электроники, и важно знать, какой размер использовать. Чтобы узнать номинал резистора, вам нужно знать напряжение и силу тока для вашего светодиода и батареи.

Для правильной работы стандартному светодиоду обычно требуется напряжение около 2 В и ток 20 мА или 0,02 А. Далее вам нужно узнать, какое напряжение у вашего аккумулятора. В этом примере мы будем использовать батарею на 9 В.Чтобы определить размер резистора, нам нужно использовать формулу, известную как закон Ома, как показано ниже.

Закон Ома — сопротивление (R) = напряжение (В) / ток (I)

Сопротивление измеряется в Ом (Ом)
Напряжение измеряется в вольтах (В)
Ток измеряется в амперах (A)

Используя закон Ома, вам нужно вычесть напряжение светодиода из напряжения батареи. Это даст вам напряжение 7, которое нужно разделить на.02 ампера от светодиода. Эта формула показывает, что вам понадобится резистор 350 Ом.

Отметим, что стандартные резисторы не имеют сопротивления 350 Ом, но доступны с сопротивлением 330 Ом, что вполне подойдет.

Теперь пришло время объединить все, что вы узнали, и создать базовую схему. Этот проект — отличный стартовый проект для начинающих. Мы будем использовать тестовые провода, чтобы создать временную схему без пайки.

Необходимые детали:

Принципиальная схема

Этапы проекта

Прикрепите зажим аккумулятора к верхней части аккумулятора 9 В.
Красный провод от зажима аккумулятора подсоединяется к одному зажиму типа «крокодил» на красном щупе.
Другой конец красного щупа подсоединяется к длинной ножке (+) светодиода.
Подсоедините один зажим «крокодил» черного тестового провода к короткой ножке (-) светодиода.
Другой конец черного измерительного провода прикреплен к одной ножке резистора 330 Ом.
Закрепите одну сторону другого черного измерительного провода на другой ножке резистора 330 Ом.
Противоположный конец черного щупа подсоединяется к черному проводу аккумуляторной батареи.

ВАЖНО — Никогда не подключайте светодиод напрямую к батарее 9 В без резистора в цепи. Это сделать с повреждением / разрушением светодиода. Однако вы можете подключить светодиод к батарее 3 В или меньше без резистора.

Еще один способ создать и протестировать схему — построить ее на макетной плате. Эти платы необходимы для тестирования и создания прототипов схем, поскольку пайка не требуется. Компоненты и провода вставляются в отверстия, образуя временную цепь.Поскольку это не навсегда, вы можете экспериментировать и вносить изменения, пока не будет достигнут желаемый результат.

Под отверстиями каждого ряда находятся металлические зажимы, которые соединяют отверстия друг с другом. Средние ряды идут вертикально, как показано, в то время как внешние столбцы соединяются горизонтально. Эти внешние колонны называются силовыми шинами и используются для приема и подачи питания на плату.

На макетные платы необходимо подавать питание, и это можно сделать несколькими способами.Один из самых простых способов — вставить провода от держателя батареи в шины питания. Это будет подавать напряжение только на ту шину, к которой он подключен.

Для питания обеих шин потребуется перемычка, соединяющая (+) и (-) с рейкой на противоположной стороне.

Теперь мы научимся создавать схему на макетной плате. Эта схема точно такая же, как и ранее, но мы не будем использовать измерительные провода.

Необходимые детали:

Принципиальная схема

Этапы проекта

Прикрепите зажим аккумулятора к верхней части аккумулятора 9 В.
Вставьте красный провод от зажима аккумулятора в F9 макета.
Вставьте черный провод зажима аккумулятора в разъем J21 на макетной плате.
Согните ножки резистора 330 Ом и поместите одну ножку в F21.
Поместите другую ногу резистора в F15.
Вставьте короткую ножку светодиода в J15, а длинную — в J9.

Красные стрелки на изображении ниже помогают показать, как течет электричество в этой цепи.Все компоненты соединены друг с другом по кругу, как при использовании тестовых проводов.

ВАЖНО — Никогда не подключайте светодиод напрямую к батарее 9 В без резистора в цепи. Это сделать с повреждением / разрушением светодиода.

Если вы хотите сделать свою схему постоянной, вам нужно спаять ее вместе. Подробное руководство по пайке электроники можно найти в нашей публикации «Как паять» с полным пошаговым руководством.

В Интернете есть множество отличных мест, где можно найти электронные компоненты, детали и инструменты.Ниже приведен список наших любимых мест для покупок электроники.

Схем