Конструктор импульсный блок питания

Обновлено: 13.05.2024

Достать бывший в употреблении блок питания компьютера сегодня несложно, а стоит он сущие копейки. Но как его можно использовать без самого компьютера? В этой статье мы это выясним, а заодно сделаем своими руками зарядное устройство и лабораторный блок питания (ЛБП) из компьютерного блока питания.

Как включить блок питания (БП) от компьютера без компьютера

Итак, у нас в руках блок питания ATX компьютера. Прежде всего попробуем его включить. Но для этого нужно знать некоторые тонкости работы этого устройства. Предположим, перед нами компьютер. Включаем его в сеть, но внешне ничего не происходит. Это, казалось бы, понятно – машина отключена, а чтобы ее включить, нужно нажать кнопку питания на лицевой панели системного блока.

На самом деле это не совсем так. Как только мы вставили вилку в розетку, в блоке питания заработала небольшая часть схемы, вырабатывающая дежурное напряжение +5 В. Называется эта часть модулем дежурного питания. Напряжение поступает на материнскую плату и питает ее отдельные узлы, один из которых предназначен для включения компьютера.

Важно. В большинстве блоков питания ATX предусмотрен дополнительный служебный механический выключатель, расположенный на задней стенке ПК. Напряжение сети на БП этих моделей подается после включения этого тумблера.

Нажимая кнопку на лицевой панели системного блока, мы тем самым подаем команду материнской плате (точнее, ее узлу включения) запустить блок питания. Узел подает на БП сигнал Power on , и БП, а значит, и сам компьютер включаются.

Поскольку компьютера у нас нет, этот сигнал нам придется подать самостоятельно. Сделать это несложно. Для этого достаточно найти разъем на блоке питания, который питает материнскую плату, и установить перемычку между зеленым и любым из черных проводов. Итак, устанавливаем перемычку, подключаем блок питания к сети, и он сразу же запускается – это слышно даже по шуму вентилятора.

Где 12 вольт, а где 5? Разбираемся с цветовой маркировкой

Как узнать, на каких проводах какие напряжения формируются? Где, к примеру, 12 вольт на блоке питания компьютера? Для этого не понадобится тестер, поскольку все провода, выходящие из компьютерного блока питания, имеют строго определенную общепринятую расцветку. Поэтому вместо тестера мы вооружаемся табличкой, приведенной ниже.

Табличка особых пояснений не требует. С зеленым проводом ( Power on ) мы познакомились в предыдущем разделе – на него материнская плата подает сигнал низким уровнем (замыканием на общий) на включение БП. Синий провод в новых моделях БП может отсутствовать, поскольку производители материнских плат отказались от интерфейса RS-232C (COM-порт), требующего -12 В.

Фиолетовый провод ( +5 VSB ) – это как раз дежурные +5 В, питающие дежурные узлы материнской платы. По серому проводу ( Power good ) блок питания сообщает, что все напряжения в норме и компьютер можно включать. Если какое-то из напряжений в процессе работы выходит за допустимые пределы или пропадает, то сигнал снимается. Причем это происходит до того, как успеют разрядиться накопительные конденсаторы БП, давая процессору время на принятие экстренных мер по аварийной остановке системы. Остальные провода – это провода питания материнской платы и периферийных устройств – дисководов, внешних видеокарт и т. д.

Переделка БП ATX в регулируемый или лабораторный блок питания

А теперь самое время сделать из БП компьютера своими руками импульсный лабораторный блок питания. Дорабатывать будем блок питания, ШИМ-контроллер которого собран на специализированной микросхеме TL494 (она же: μА494, μPC494, M5T494P, KIA494, UTC51494, AZ494AP, KA7500, IR3M02, AZ7500BP, КР1114ЕУ4, МВ3759 и подобные аналоги).

Сразу оговоримся – хотя типовые схемы включения этих микросхем одинаковы, некоторые отличия в зависимости от модели БП все же есть. Поэтому универсального решения для переделки всех БП не существует.

Для примера мы доработаем блок питания, схема которого приведена ниже. Поняв идею вносимых изменений, подобрать алгоритм переделки любого другого блока не составит особого труда.

Разбираем БП, вынимаем плату. Сразу же отпаиваем все ненужные провода шлейфов питания, оставив один желтый, один черный и зеленый.

Также выпаиваем сглаживающие электролитические конденсаторы по всем линиям питания. На схеме они обозначены как С30, С27, С29, С28, С35. Мы собираемся существенно (до 25 В по шине +12 В) поднять выходное напряжение, на которое эти конденсаторы не рассчитаны. На место того, что стоял по шине +12 В, устанавливаем конденсатор той же или большей емкости на напряжение не менее 35 В. Остальные места оставляем пустыми. Зеленый провод припаиваем на место, где был любой черный, чтобы разрешить блоку питания запускаться. Теперь можно заняться доработкой контроллера.

Взглянем на назначение выводов микросхемы TL494. Нас интересуют два узла – усилитель ошибки 1 и усилитель ошибки 2. На первом собран стабилизатор напряжения, на втором – контроллер тока. То есть нас интересует обвязка выводов 1, 2, 3, 4, 13, 14, 15, 16.

Изменим схему обвязки таким образом, чтобы усилитель ошибки 1 отвечал за регулировку выходного напряжения, а усилитель 2 – за регулировку тока. В первую очередь перережем дорожки, обозначенные на приведенной ниже схеме крестиками.

Теперь находим резисторы R17 и R18. Первый имеет сопротивление 2.15 кОм, второй 27 кОм. Меняем их на номиналы 1.2 кОм и 47 кОм соответственно. Добавляем в схему два переменных резистора, один постоянный на 10 кОм (отмечены зеленым), клеммы для подключения внешнего потребителя, амперметр и вольтметр. В результате у нас получится вот такая схема.

Как видно из схемы, резистор на 22 кОм позволяет плавно регулировать напряжение в пределах 3-24 В, резистор 330 Ом – ток от 0 до 8 А. Кл1 и КЛ2 служат для подключения нагрузки. Вольтметр имеет предел измерения 25-30 В, амперметр – 10 А. Приборы могут быть как стрелочными, так и с цифровыми шкалами, главное, малогабаритными – ведь они должны войти в корпус блока питания. Можно начинать проверку и градуировку.

Первое включение нашего лабораторного блока питания производим через лампу накаливания 220 В мощностью 60 Вт. Это поможет избежать проблем, если мы наделали ошибок в монтаже. Если лампа не светится или светится вполнакала, а блок питания запустился, то все в порядке. Если лампа горит в полный накал, а блок питания молчит, то придется искать ошибки.

Все в порядке? Включаем БП напрямую в сеть, выводим движки резисторов в нижнее по схеме положение. К клеммам КЛ1, Кл2 подключаем нагрузку – 2 лампы дальнего света, включенные последовательно. Вращаем резистор регулировки напряжения и убеждаемся по встроенному вольтметру, что напряжение плавно изменяется от 3 до 24 вольт. Для верности подключаем к клеммам контрольный вольтметр, к примеру, тестер. Градуируем ручку регулятора напряжения, ориентируясь по показаниям приборов.

Возвращаем движок в нижнее по схеме положение, выключаем блок питания, а лампы соединяем параллельно. Включаем блок питания, устанавливаем регулятор тока в среднее положение, а регулятор напряжения – на отметку 12 В. Вращаем ручку регулятора тока. При этом показания амперметра должны плавно изменяться от 0 до 8 А, а лампы – плавно менять яркость. Градуируем регулятор тока, ориентируясь по показаниям амперметра.

Отключаем устройство и собираем его. Наш лабораторный блок питания готов. С его помощью мы можем получить любое напряжение от 3 до 24 вольт и устанавливать ограничение тока через нагрузку в пределах 0-10 А.

Как сделать зарядное устройство

Теперь займемся переделкой компьютерного блока питания в автомобильное зарядное устройство.

Прибор для зарядки постоянным напряжением

Это устройство заряжает аккумулятор постоянным фиксированным напряжением 14 В. По мере зарядки батареи зарядный ток будет падать. Как только напряжение на клеммах батареи достигнет 14 В, ток станет равным нулю, а зарядка прекратится.

Благодаря такому алгоритму аккумуляторную батарею невозможно перезарядить, даже если оставить ее на зарядке на неделю. Это полезно при обслуживании AGM и GEL автомобильных аккумуляторов, которые очень не любят перезарядки.

А теперь за дело, тем более, что схема доработки простая. Дорабатывать будем БП ATX на контроллере TL494 или его аналогах (см. раздел выше). Наша задача – повысить выходное напряжение по шине +12 В до 14 вольт. Сделать это несложно. Вскрываем блок питания, вынимаем плату и отпаиваем все провода питания, оставив лишь желтый, черный и зеленый.

Впаиваем зеленый провод на место любого черного – подаем команду БП на безусловное включение при подключении к сети (см. раздел выше). Выпаиваем электролитические сглаживающие конденсаторы со всех линий питания. На место, где стоял конденсатор по шине +12 В устанавливаем конденсатор той же емкости, но на рабочее напряжение 35 В. Переходим к доработке контроллера. Находим резистор, который соединяет первый вывод микросхемы с шиной +12 В. На схеме ниже он обозначен стрелкой.

Нам нужно сменить его номинал. Но на какой? Выпаиваем, измеряем его сопротивление. В нашем случае его номинал – 27 кОм, но в зависимости от модели БП значение может меняться. На место выпаянного устанавливаем переменный резистор номиналом примерно вдвое большим. Движок резистора устанавливаем в среднее положение.

Включаем блок питания и, измеряя напряжение на шине +12 В (желтый провод относительно черного), вращаем ползунок. Напряжение легко уменьшается, но увеличить его не получается – мешает защита от перенапряжения. Для того чтобы поднять напряжение до необходимых нам 14 В, ее нужно отключить. Находим на схеме резистор и диод, обозначенные на рисунке ниже стрелками, и выпаиваем их.

Снова включаем БП, выставляем напряжение между черным и желтым проводами величиной 14 В. Выключаем, выпаиваем резистор, не трогая его движок, измеряем сопротивление. На место переменного устанавливаем постоянный того же номинала. Устанавливаем на корпус две клеммы, подпаиваем к ним черный и желтый провода, помечаем, где плюс и минус (желтый – плюс, черный – минус).

Снова включаем БП, теперь уже переделанное в зарядку для аккумуляторов устройство. К клеммам подключаем нагрузку – лампу дальнего света автомобиля. Измеряем на клеммах напряжение: если оно не снизилось более чем на 0.2 В, то доработка окончена. Собираем прибор и пользуемся.

Важно! Конечным напряжением зарядки AGM и GEL аккумуляторов является значение 13.8 В, поэтому выходное напряжение имеет смысл снизить с 14 В до 13.8 В.

Единственный, пожалуй, недостаток этой самодельной конструкции – она не имеет защиты от короткого замыкания и переполюсовки (мы ее отключили). Поэтому пользоваться прибором нужно внимательно.

Зарядник с регулировкой тока и напряжения

Теперь попробуем переделать компьютерный БП так, чтобы можно было плавно регулировать напряжение и ток зарядки. Это позволит обслуживать батареи любой емкости и на любое напряжение. Кроме того, это зарядное устройство имеет защиту от короткого замыкания, перегрузки и перегрева. С его помощью можно изменять зарядное напряжение от 0 до 25 В и ток от 0 до 8 А.

В первую очередь производим манипуляции, которые подробно описаны в пункте «Прибор для зарядки постоянным напряжением». Выпаиваем лишние провода, оставив желтый, черный и зеленый. Меняем сглаживающий конденсатор на шине +12 В на прибор с напряжением 35 В. Подключаем зеленый провод на общую шину.

Теперь надо поднять напряжение на шине +12 В до величины 28 В. Для этого удаляем резисторы, соединяющие первый вывод ШИМ контроллера с шинами +5 и +12 В. На схеме ниже они обозначены стрелками.

Теперь ШИМ контроллер будет работать «на всю», а напряжение на шине +12 В поднимется до максимума – 28 В. Но опять сработает защита по перенапряжению. Отключаем ее так же, как и в конструкции выше: выпаиваем диод, помеченный на схеме ниже стрелкой.

Включаем блок питания и измеряем напряжение между желтым и черным проводами – оно должно увеличиться до указанных значений. С блоком питания все. Теперь перейдем к сборке узла регулировки напряжения и тока, представленного на схеме ниже.

На транзисторах VT1 и VT2 собран простейший узел регулировки напряжения. Сама регулировка осуществляется при помощи потенциометра R14. В узле управления током используются микросхемы DA2 и DA4, представляющие собой интегральные регулируемые стабилизаторы напряжения/тока. Каждая из микросхем способна выдать ток до 5 А. Включив их параллельно, мы удвоили это значение. Регулировка тока производится потенциометром R17. Резисторы R7 и R8 – токовыравнивающие. Далее напряжение через амперметр PA1 подается на клеммы, к которым подключается заряжаемая батарея. Напряжение на батарее контролируется при помощи вольтметра PV1.

Вольтметр и амперметр можно использовать любые – хоть цифровые, хоть стрелочные. Первый должен иметь предел измерения 30 В, второй – 10 А. В качестве токовыравнивающих резисторов используются отрезки монтажного провода длиной 20 см и сечением 1 мм. кв. Если блок выполнен навесным монтажом, то в их качестве будут выступать монтажные провода.

Мощный полевой транзистор, который можно взять из неисправного компьютерного БП, и микросхемы стабилизатора устанавливаются на общий радиатор через слюдяные прокладки. Очень удобно использовать для этих целей радиатор от процессора ПК. Ниже представлен один из возможных вариантов монтажа блока регулировок.

Если все готово, то включаем зарядное устройство, нагружаем его лампой дальнего света и проверяем работу, регулируя выходные ток и напряжение и контролируя их по приборам.

Что касается защиты, то она уже встроена в микросхемы DA2 и DA4. Эти приборы имеют внутреннюю защиту от перегрузки, короткого замыкания и перегрева.

Вот мы и разобрались с тонкостями доработки компьютерных блоков питания. Теперь нам не составит труда переделать их в зарядное устройство для автомобильного аккумулятора или лабораторный блок питания.

В лаборатории радиолюбителя или домашнего мастера, занимающегося ремонтом электронного оборудования, лабораторный блок питания абсолютно необходим. Он должен выдавать регулируемое напряжение от 0 до 12 В (а лучше до 30) при токе хотя бы до 1,5 (а лучше до 5) ампер. Также не будет лишней защита от перегрузки, удобно иметь ограничение максимального тока. Подобный блок питания можно собрать своими руками.

Виды источников питания

Все источники питания можно разделить на два больших класса:

Эти термины не очень точные – трансформаторный источник питания может иметь как линейный, так и импульсный стабилизатор напряжения, а импульсный БП содержит трансформатор.

Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, базирующиеся на принципе действия. Трансформаторный источник питания с линейным регулятором напряжения распределяет энергию между нагрузкой и регулирующим элементом (как правило, мощным транзистором) и представляет собой делитель напряжения. Одним плечом служит регулирующий элемент, другим – нагрузка.

При уменьшении напряжения на нагрузке (например, из-за увеличения потребляемого тока) транзистор приоткрывается и поддерживает это напряжение постоянным. При увеличении напряжения на нагрузке процесс обратный – транзистор призакрывается. Так происходит процесс стабилизации.

выходное напряжение свободно от высокочастотных паразитных составляющих (помехи по питанию минимальны).

через регулирующий транзистор постоянно идет ток, равный току нагрузки - впустую рассеивается большая мощность;

Импульсный источник питания действует по другому принципу. Здесь энергия распределяется во времени. У ключевых транзисторов всего два состояния – они либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Длительность открытого положения определяет средний ток через первичную обмотку трансформатора и усредненное напряжение на выходных конденсаторах фильтра (соответственно, и на нагрузке). Этим процессом удобно управлять методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), когда частота преобразования остается постоянной, а меняется лишь длина импульса.

В идеальном импульсном источнике стабилизированного напряжения у ключей в открытом положении нулевое сопротивление, падение напряжения отсутствует, а в закрытом – полностью отсутствует ток. Поэтому энергия на транзисторах не рассеивается. На практике не все так радужно. Идеальных транзисторов не существует, поэтому в открытом состоянии на них падает определенное напряжение (сопротивление не равно нулю), а в закрытом существует ток утечки (сопротивление не равно бесконечности).

Но основные потери, снижающие КПД, происходят по другой причине. Транзисторные ключи переходят из одного состояния в противоположное не мгновенно. На это нужно время, зависящее от быстродействия элемента. Во время перехода через транзистор идет сквозной ток, на нем падает напряжение – следовательно, выделяется мощность. Эти потери называются коммутационными, их величина зависит от частоты преобразования.

Но все равно, КПД такого источника выше, чем линейного. И это основной плюс такой схемы. Другое достоинство – меньшие габариты и вес источника питания. Это достигается за счет того, что преобразование осуществляется на достаточно высокой частоте – до нескольких десятков килогерц. Поэтому самый тяжелый и громоздкий элемент (силовой трансформатор) получается легким и компактным. Главным минусом является сложность схемы.

Обычно на ток до 2 А применяются линейные источники напряжения. Ближе к токам 3 А и выше достоинства импульсников начинают перевешивать.

Основные узлы регулируемого блока питания

Трансформаторный источник питания в большинстве случаев выполняется по следующей структурной схеме.

Понижающий трансформатор снижает напряжение сети до необходимого уровня. Полученное переменное напряжение преобразуется в импульсное с помощью выпрямителя. Выбор его схемы зависит от схемы вторичных обмоток трансформатора. Чаще всего применяется мостовая двухполупериодная схема. Реже – однополупериодная, так как она не позволяет полностью использовать мощность трансформатора, да и уровень пульсаций выше. Если вторичная обмотка имеет выведенную среднюю точку, то двухполупериодная схема может быть построена на двух диодах вместо четырех.

Если трансформатор трехфазный (и имеется трехфазная цепь для питания первичной обмотки), то выпрямитель можно собрать по трехфазной схеме. В этом случае уровень пульсаций наиболее низок, а мощность трансформатора используется наиболее полно.

После выпрямителя устанавливается фильтр, который сглаживает импульсное напряжение до постоянного. Обычно фильтр состоит из оксидного конденсатора, параллельно которому ставится керамический конденсатор малой емкости. Его назначение – компенсировать конструктивную индуктивность оксидного конденсатора, который изготовлен в виде свернутой в рулон полоски фольги. В результате получившаяся паразитная индуктивность такой катушки ухудшает фильтрующие свойства на высоких частотах.

Далее стоит стабилизатор. Он может быть как линейным, так и импульсным. Импульсный сложнее и сводит на нет все преимущества трансформаторного БП в нише выходного тока до 2..3 ампер. Если нужен выходной ток выше этого значения, проще весь источник питания выполнить по импульсной схеме , поэтому обычно здесь используется линейный регулятор.

Выходной фильтр выполняется на базе оксидного конденсатора относительно небольшой емкости.

Импульсные источники питания строятся по другому принципу. Так как потребляемый ток имеет резко несинусоидальный характер, на входе устанавливается фильтр. На работоспособность блока он не влияет никак, поэтому многие промышленные производители БП класса Эконом его не ставят. Можно не устанавливать его и в простом самодельном источнике, но это приведет к тому, что устройства на микроконтроллерах, питающиеся от той же сети 220 вольт, начнут сбоить или работать непредсказуемо.

Дальше сетевое напряжение выпрямляется и сглаживается. Инвертор на транзисторных ключах в цепи первичной обмотки трансформатора создает импульсы амплитудой 220 вольт и высокой частотой – до нескольких десятков килогерц, в отличие от 50 герц в сети. За счет этого силовой трансформатор получается компактным и легким. Напряжение вторичной обмотки выпрямляется и фильтруется. За счет высокой частоты преобразования здесь могут быть использованы конденсаторы меньшей емкости, что положительно сказывается на габаритах устройства . Также в фильтрах высокочастотного напряжения становится целесообразным применение дросселей – малогабаритные индуктивности эффективно сглаживают ВЧ пульсации.

Регулирование напряжения и ограничение тока выполняется за счет цепей обратной связи, на которые подается напряжение с выхода источника. Если из-за повышения нагрузки напряжение начало снижаться, то схема управления увеличивает интервал открытого состояния ключей, не снижая частоты (метод широтно-импульсного регулирования). Если напряжение надо уменьшить (в том числе, для ограничения выходного тока), время открытого состояния ключей уменьшается.

Как подобрать компоненты

Для трансформаторного источника подбирается, в первую очередь, трансформатор. В большинстве случаев он берется готовый из того, что есть. Этот узел должен выдавать требуемый ток при максимальном напряжении. Сочетание этих параметров обеспечивается габаритной мощностью трансформатора. Для промышленных устройств параметры можно узнать из справочника. Для случайных трансформаторов мощность можно определить по размерам сердечника (в сантиметрах).

Импульсные источники питания (ИИП) заполонили мир. Кажется, что они применяются везде, полностью вытеснив традиционные. На самом деле, этот вопрос неоднозначный.

В обзоре речь пойдет именно об импульсных блоках питания (ИИП) – преобразователях переменного сетевого напряжения в постоянное. Следует отличать такие устройства от импульсных стабилизаторов (стабилизируют входное постоянное напряжение) и преобразователей DC/AC или AC/AC (например, 12VDC/220 VAC, преобразующих напряжение автомобильной бортсети в 220 вольт), хотя в этих устройствах применяются похожие принципы.

Отличия импульсного блока питания от обычного трансформаторного

Традиционный «трансформаторный» блок питания строится по схеме: трансформатор — выпрямитель с фильтром — стабилизатор выходного напряжения (может отсутствовать). Схема несложна и отработана годами, но у нее есть существенный недостаток – при увеличении мощности опережающими темпами растут габариты и вес.

В первую очередь растут размеры и масса трансформатора. Для повышения тока надо увеличивать сечение обмоток, но главный вклад в массогабаритные характеристики вносит сердечник. Не вдаваясь в физические подробности, можно отметить, что эту проблему можно обойти, увеличив частоту, на которой происходит трансформация. Чем выше частота, тем меньшим сердечником можно обойтись. Не зря в авиации и кораблестроении используются электросети на частоту 400 Гц. Многие элементы получаются гораздо легче и компактнее. Но в быту негде взять повышенную частоту. 50 Гц в розетке – все, что доступно потребителю. Поэтому блоки питания на большие токи строят по другому принципу. В них переменное напряжение сети выпрямляется, а затем из него «нарезаются» импульсы более высокой (до нескольких десятков килогерц) частоты. За счет этого трансформатор получается маленьким и легким без потери мощности. Это главное, чем отличается любой импульсный блок питания от обычного.

Еще один источник повышенных размеров и габаритов – стабилизатор. В традиционных БП применяются линейные стабилизаторы. Они требуют повышенного входного напряжения, а разница между входом и выходом, умноженная на ток нагрузки, бесполезно рассеивается. Это ведет к дополнительному увеличению массы трансформатора, который должен обеспечивать необходимый бесполезный запас по мощности, а также требует больших и тяжелых теплоотводящих радиаторов. В ИИП это делается по другому принципу. Напряжение стабилизируется методом изменения ширины импульсов. Это позволяет повысить КПД и не требует отвода излишнего тепла в таком количестве.

В видео-сравнение линейного и импульсного блоков питания.

К недостаткам импульсников можно отнести усложненную схемотехнику и повышенные требования к надежности элементов. Эти минусы сходят на нет с ростом мощности. Считается, что для выходных токов до 2..3 ампер подходят трансформаторные блоки с линейными стабилизаторами, а чем выше нагрузка, тем ярче начинают проявляться преимущества ИИП. При токах от 10 А обычно о трансформаторных БП речь уже не идет.

Среди минусов импульсных источников также надо упомянуть генерацию помех в питающую сеть и «замусоренность» выходного напряжения высокочастотными составляющими.

Какие бывают виды и где применяются

Разделить импульсники можно по разным признакам. По выходному напряжению они делятся на:

однополярные с одним уровнем напряжения;
ондополярные с несколькими уровнями напряжения;
двухполярные.

Эти типы можно комбинировать как угодно – принципиальных ограничений нет. Можно создать блок питания, например, с несколькими однополярными напряжениями (+5 В, +24 В) и с двуполярным (±12 В), или с двумя двуполярными выходами (±12 В, ±5 В). Все зависит от области применения.

Более интересной является информация о типе стабилизации. Здесь ИИП можно разделить на категории:

Нестабилизированные источники. У них выходное напряжение зависит от нагрузки. Могут быть применены для питания оконечных устройств аудиоаппаратуры (усилители и т.п.).
Стабилизированные источники. У таких устройств от нагрузки могут не зависеть напряжение, ток или и то, и другое. Источники со стабилизированным напряжением используются, например, в качестве БП для компьютеров и серверов, или для заряжания кислотно-свинцовых аккумуляторов. Стабилизированный ток подойдет для зарядных устройств для других типов АКБ.
Регулируемые источники. У них уровень выходного напряжения и тока можно выставлять в определенных пределах в зависимости от потребности. Такие устройства используются в качестве лабораторных источников питания.

Описать все области использования импульсников невозможно. Они применяются там, где надо получить большой ток от легкого и компактного источника.

Также можно разделить ИИП по схемотехнике:

с импульсным трансформатором;
с накопительной индуктивностью.

В схемотехнику можно углубляться и дальше и классифицировать БП по другим критериям, но это принципиального значения не имеет.

Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП

Структурная схема импульсника сложнее, чем у трансформаторного источника. Для понимания принципа работы импульсного блока питания в целом, надо разобрать функционирование каждого узла в отдельности.

Плавкий 5-амперный предохранитель перегорает при превышении номинального тока при аварийной ситуации в БП. Для защиты от повышения напряжения предусмотрен варистор V1. В штатном режиме он не влияет на работу устройства. При скачке в сети от открывается, его сопротивление резко увеличивается, ток через варистор возрастает. Это вызывает перегорание предохранителя.

Терморезистор с отрицательным коэффициентом сопротивления THR1 сначала имеет большое сопротивление и ограничивает ток, идущий на зарядку конденсаторов фильтра высоковольтного выпрямителя. Потом термистор прогревается проходящим через него током, его сопротивление падает, но к тому моменту емкости уже будут заряжены. Конденсаторы CX1, C11, C12, CY3 и синфазный дроссель FL1 защищают сеть от синфазных и дифференциальных помех.

Высоковольтный выпрямитель и фильтр

Высоковольтный выпрямитель обычно строится по традиционной мостовой двухполупериодной схеме и особенностей не имеет. Если в преобразователе применяется полумостовая схема, то фильтр выполняется из двух емкостей, включенных последовательно – так формируется средняя точка с напряжением, равным половине питания.

Иногда параллельно конденсаторам ставят резисторы. Они нужны для разряда емкостей после выключения питания.

Инвертор

Преобразование постоянного напряжения в импульсное происходит с помощью инвертора на полупроводниковых ключах (часто на транзисторах). Открываясь и закрываясь, ключи подают в обмотку импульсы напряжения. Таким методом получается своеобразное переменное напряжение (однополярное), которое может быть трансформировано в напряжение другого уровня обычным способом.

Самая простая схема преобразователя постоянного напряжения в импульсное – однотактная. Для ее реализации нужен минимум элементов. Недостаток такого узла – при росте мощности резко растут габариты и масса трансформатора. Связано это с принципом действия такого преобразователя. Он работает в два цикла – во время первого транзистор открыт, энергия запасается в индуктивности первичной обмотки. Во время второго запасенная энергия отдается в нагрузку. Чем больше мощность, тем больше должна быть индуктивность, тем больше должно быть витков в первичной обмотке (соответственно, увеличивается количество витков во вторичных обмотках).

От этого недостатка свободна двухтактная схема со средней точкой (пушпульная). Первичная обмотка трансформатора разделена на две секции, которые через ключи поочередно подключаются к минусовой шине. На рисунке красной стрелкой показано направление тока для одного цикла, а красной – для другого. Минусом является необходимость иметь удвоенное количество витков в первичке, а также наличие выбросов в момент коммутации. Их амплитуда может достигать двойного значения от напряжения питания, поэтому надо применять транзисторы с соответствующими параметрами. Сфера применения такой схемы – низковольтные преобразователи.

Выбросы отсутствуют, если инвертор выполнен по мостовой схеме. Из четырех транзисторов составлен мост, в диагональ которого включена первичная обмотка трансформатора. Транзисторы открываются попарно:

первый цикл – верхний левый и нижний правый;
второй цикл – нижний левый и верхний правый.

Обмотка подключается к плюсу питания то одним выводом, то другим. Минусом является применение 4 транзисторов вместо двух.

Компромиссным вариантом считается применение полумостовой схемы. Здесь коммутируется один конец первичной обмотки, а второй подключен к делителю из двух емкостей. В этой схеме также отсутствуют выбросы напряжения, но применено всего два транзистора. Недостаток такого решения – к первичной обмотке прикладывается только половина питающего напряжения. Вторая проблема – при создании мощных источников емкость конденсаторов делителя растет, и их стоимость становится нецелесообразной.

Если ИИП построен по схеме с регулировкой параметров методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то в большинстве случаев ключи приводятся в действие не напрямую от микросхемы ШИМ, а через промежуточный узел – драйвер. Связано это с повышенными требованиями к прямоугольности управляющих сигналов.

В схемах всех преобразователей используются как полевые, так и биполярные транзисторы, а также IGBT, сочетающие свойства обоих типов.

Выпрямитель

Трансформированное во вторичные обмотки напряжение надо выпрямить. Если требуется выходное напряжение выше +12 вольт, можно применять обычные мостовые схемы (как и в высоковольтной части).

Если напряжение низкое, то выгодно применять двухполупериодные схемы со средней точкой. Их преимущество в том, что падение напряжение происходит только на одном диоде для каждого полупериода. Это позволяет сократить количество витков в обмотке. Для этой же цели используют диоды Шоттки и сборки на них. Недостаток такого решения – более сложная конструкция вторичной обмотки.

Фильтр

Выпрямленное напряжение надо отфильтровать. Для этой цели применяются как традиционные емкости, так и индуктивности. Для используемых частот преобразования дроссели получаются небольшими, легкими, но работают эффективно.

Цепи обратной связи

Цепи обратной связи служат для стабилизации и регулировки выходного напряжения, а также для ограничения тока. Если источник нестабилизированный, у него эти цепи отсутствуют. У устройств со стабилизацией тока или напряжения эти цепи выполняются на постоянных элементах (иногда с возможностью подстройки). У регулируемых источников (лабораторных и т.п.) в обратную связь включены органы управления для оперативной регулировки параметров.

У компьютерного БП дополнительно имеется схема управления и формирования служебных сигналов (Power_good, Stand By и т.д.).

Как устроен ШИМ контроллер

В стабилизированных и регулируемых источниках питания напряжение на выходе поддерживается методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Суть метода в том, что первичная обмотка питается импульсами неизменной амплитуды и частоты. Для регулировки напряжения в зависимости от нагрузки или выбранного уровня изменяется ширина импульса. Трансформированные во вторичную обмотку импульсы затем выпрямляются и усредняются на выходном конденсаторе фильтра. Чем больше ширина импульса, тем выше усредненное напряжение. Если в результате увеличения тока нагрузки напряжение на выходе просело, ШИМ-контроллер сравнивает выходное напряжение с заданным и дает команду увеличить ширину импульсов. Если напряжение увеличилось, ширина импульсов уменьшается. Среднее напряжение также уменьшается.

Культовой микросхемой для построения импульсных источников считается TL494. На ее примере можно разобрать принцип действия
шим контроллера блока питания.

Назначение выводов микросхемы указано в таблице.

Назначение	Обозначение	Номер вывода		Номер вывода	Обозначение	Назначение
Прямой вход усилителя ошибки 1	IN1	1		16	IN2	Прямой вход усилителя ошибки 1
Инверсный вход усилителя ошибки 1	IN1	2		15	IN2	Инверсный вход усилителя ошибки 1
Выход обратной связи	FB	3		14	Vref	Выход опорного напряжения
Управление временем задержки	DTC	4		13	ОТС	Выбор режима работы
Частотозадающий конденсатор	C	5		12	VCC	Напряжение питания
Частотозадающий резистор	R	6		11	С2	Коллектор 2-го транзистора
Общий провод	GND	7		10	E1	Эмиттер 1-го транзистора
Коллектор 1-го транзистора	C1	8	9		E2	Эмиттер 2 -го транзистора

Частоту генератора задают элементы, подключаемые к выводам 5 и 6. Напряжением на выводе 4 ограничивают ширину выходного импульса. Это необходимо для исключения «перехлеста» открытия транзисторов чтобы избежать ситуации, когда оба ключа оказываются открыты. Через этот вывод также можно организовать мягкий пуск БП. Вывод 13 служит для перевода микросхемы в однотактный режим. Если его подключить к общему проводу, импульсы на выводах обоих ключей станут одинаковыми. На выводе 14 постоянно присутствует образцовое напряжение, равное +5 вольтам. Оно может быть использовано в любых схемотехнических целях.

Выводы 1 и 2 служат прямым и инверсным выводами усилителя ошибки. Если напряжение на выводе 1 превышает напряжение на 2 ноге, то ширина выходных импульсов будет уменьшаться пропорционально разнице на этих выводах. Если напряжение на 2 выводе выше, чем на 1, то на выходе импульсы будут отсутствовать. Также работает второй усилитель ошибки (выводы 16 и 15). Выходы обоих усилителей соединены по схеме ИЛИ и подключены к ноге 3. Первый усилитель обычно используют для регулирования напряжения, второй – для регулирования тока.

В качестве примера можно рассмотреть схему лабораторного источника на данной микросхеме. Здесь применены практически все технические решения, описанные выше. Регулируемая обратная связь, выполненная на операционных усилителях OP1..OP4, позволяет настраивать уровень выходного напряжения и ограничивать ток. Для создания импульсного напряжения используется полумостовой инвертор на биполярных транзисторах, подключенных к микросхеме посредством драйвера.

Для наглядности рекомендуем серию тематических видеороликов.

Также при создании ИИП применяются и другие микросхемы-регуляторы ШИМ. Они могут отличаться от TL494 по функционалу и назначению выводов, но в них используются те же принципы. Разобраться в их работе не составит труда.

Инженер-электроник. Работаю в мастерской по ремонту бытовых приборов. Увлекаюсь схемотехникой.

Такой тип источников питания ещё называют лабораторными, и не зря!Он подойдет не только для питания различных устройств, но и как универсальное зарядное устройство для абсолютно любых аккумуляторов.

Как мне кажется блок питания мега простой и отлично подойдет для начинающего радиолюбителя.Блок питания может быть построен на различные диапазоны напряжения и тока все зависит от конкретных задач.Сегодня мы рассмотрим блок питания на самый популярный диапазон 0-30 вольт/0-10 амер. Выбор такого диапазона также обусловлен применением китайского вольтамперметра с диапазоном по току до 10а.

Условно блок питания можно разделить на 3 части:

1 Внутренний источник питания.

Представляет из себя любой компактный источник напряжение 12 вольт и током не менее 300 мА.Предназначен для питания шим контроллера, вентилятора охлаждения и вольтамперметра.Можно использовать абсолютно любой адаптер на 12 вольт. Рассказывать как собрать такой в этой статье не буду, будем использовать готовый AC-DC преобразователь с китая вот такого типа:

2 Модуль управления.

Представляет из себя микросхему TL494 c небольшим драйвером на 4-х транзисторах:

Благодаря использованию встроенных операционных усилителей обвязка TL494 получается очень простая, такое включение широко распространено у радиолюбителей.Резистором R4 задаём желаемое максимальное напряжение, R2- ток.R11 и R12 для удобства могут быть многооборотные, но я использую обычные.
При использовании ЛУТ плату управления я как правило собираю на отдельной платке:

3 Силовая часть.
Основную часть компонентов можно использовать из старого компьютерного блока питания, главное чтобы он был соответствующей топологии.

Дроссель L1 мотается на ферритовом кольце из того же компьютерного бп, предварительно сматываем с него все обмотки и наматываем медный провод длинной 1.5-2м сечением 2мм, это позволит уложится в указанные параметры(это для тех у кого нечем промерять индуктивность).
Также в большинстве нормальных компьютерных бп есть второй дроссель на ферритовом стержне, его в большинстве случаев можно оставить как есть в качестве L2.
Силовой трансформатор тоже можно использовать как есть, но тогда выходное напряжение будет около 20 вольт.Для 30 вольт вторичную обмотку придется перемотать.
Когда мне нужно снять большие токи я предпочитаю использовать ферритовые кольца.
Расчет для нашего блока питания 30 вольт 10 ампер.Трансформатор-донор из компьютерного бп оказался 39/20/12:

Все основные компоненты размещаются на пп стандартных размеров под корпус компьютерного блока питания:

Кстати после сборки платы управления и намотки трансформатора GDT их можно проверить даже если у вас нет осциллографа.

При отсутствии ошибок при монтаже и исправных компонентах схема практически не нуждается в настройке.
Для управления вентилятором я как правило использую схему управление по температуре на lm317

или термостаты KCD 9700.Иногда и то и другое сразу.

Лицевая панель нарисована в frontdesigner 3.0 и распечатана на самоклеящейся фотобумаге, затем заламинирована самоклеящаяся пленкой для учебников и книг(есть в любом офис маге).

Вот и корпус будущего бп уже практически готов:

Добавлю ещё версию модуля управления попроще и помощнее, но слегка по дороже

Однажды понадобился автору достаточно мощный источник питания, 150 ватт. Выходное напряжение 20В, при токе нагрузки 5А. Казалось бы, понадобился, ну и ладно, купи трансформатор, прикрепи к нему выпрямитель и конденсатор. Эти проблемы еще на заре развития домашней электроники решались на счет раз-два.

Но, сейчас, когда количество меди в стране и мире катастрофически уменьшается, а в связи с этим цены на трансформаторы так же катастрофически растут, то приходится искать либо деньги, которых тоже больше не становится в связи с тем, что нефть никому не нужна, либо искать другие метод трансформации электроэнергии, получаемой из розетки.

И чем дороже обычные трансформаторы, тем больше растет популярность импульсных источников питания (далее ИИП). Особенно профит от их использования заметен тогда, когда нужно получить именно мощный источник питания.
Плюсы ИИП.
1. Цена
2. Масса

Количество денежных знаков, которые мне пришлось заплатить за детали для ИИП колеблется в районе 500-600 рублей. При этом надо учесть, что покупалось почти все — кольца для трансформатора, резисторы-конденсаторы-микросхемы-диоды и прочее-прочее-прочее. А если взять в качестве донора неисправный блок питания компьютера, то половину денег сразу можно положить обратно в кошелек.

Масса готового ИИП автора составила где-то 0.5…0.6 кг. В тоже время, сравнимый по мощности традиционных тороидальный трансформатор стоит в чипдипе порядка 1.3…1.5 тыр, и весит 1.6 кг чистого веса.

Происходит такой весовой разброс из за того, что ИИП работает на частотах, которые на порядки выше, нежели частота бытовой электроосветительной сети. А в электронике это играет очень большую роль. Выше частота, меньше габариты.

Минусы ИИП.
1. Сложность изготовления. Это, правда, относится к любительским технологиям. В промышленных условиях их выпускают сотнями нефти, и даже не подвергают никакой настройке, сразу на прилавок.
2. Для настройки может понадобится осциллограф и знание того, какие ручки на нем крутить и в какую сторону.

Основная сложность сборки заключается в намотке и правильной фазировке импульсного трансформатора.

А теперь лирику в сторону, практика.
Схема.

Основа схемы — IR2153, самотактируемый драйвер. Может работать на частотах до 150, кажется, килогерц. Но не стоит сильно увлекаться задиранием частоты, и остановится на частотах 30-70 кГц. Иначе, привет эффект Миллера, здравствуйте дополнительные драйвера для полевых транзисторов, прощай простота конструкции.

Схема практически полностью соответствует даташитовской, за исключением нюансов. Питание микросхемы берется от переменного напряжения через гасящий резистор (R1), затем выпрямляется диодом D3. Если бы питание заводилось с выпрямленного сетевого напряжения, то пришлось бы увеличить мощность и сопротивление гасящего резистора, потому что он имеет склонность к нагреванию.
Либо, второй вариант — намотать на трансформатор дополнительную обмотку на 15-18 вольт, выпрямить напряжение и питать от него. При этом от сети питание бы бралось только в момент запуска ИИП. Но этот путь сложнее (хоть и идеологически более верен), а нам сейчас нужна простота.

Так же в схеме есть защита от перегрузки по выходу. Выполнена она на токовом трансформаторе Т1 и элементах R2, R4, R5, R6, D7, D8, C3, C9. Если защита не нужна, то ее можно безболезненно удалить их схемы. Для этого достаточно просто заменить перемычкой первичную обмотку Т1 и не устанавливать элементы защиты.

Трансформатор Т2 на схеме имеет отвод во вторичной обмотке. Сделано с претензией на некую универсальность. На одной и той же плате можно собрать как однополярный источник, так и двуполярный. Двуполярные источники питания очень любят те, кто собирает усилители мощности низкой (звуковой) частоты. На Радиокоте уже собаку на этих ИИП для УМЗЧ съели.

Готовое устройство имеет размеры 140х80 мм:

Намотка трансформатора была выполнена на кольце из "народного" феррита проницаемостью М2000. Размер кольца 40х25х11 мм. Первичная обмотка составила 67 витков проводом в эмали, сечением 0,53 мм, мотать в два провода. Намотку распределить равномерно по кольцу.

Вторичная 9 витков в 4 провода. Провод тот же, 0.53. Намотку распределить равномерно по кольцу.
Если интересно двуполярное напряжение на выходе, то мотать обе полуобмотки одновременно тем же проводом в 8 жил сразу. Т.е, 4 провода — первая полуобмотка, вторые 4 провода — вторая полуобмотка.

Этим обеспечится симметричность полуобмоток, и как следствие — одинаковое значение напряжение на выходе в положительном и отрицательном плече относительно общего провода. Обмотку так же распределять равномерно по кольцу.

Дроссели фильтра — готовые, взятые с какого-то не сильно живого БП для компа. Но можно и изготовить самостоятельно из цветных колец (из порошкового железа).

Если токовая защита интересна, то токовый трансформатор можно намотать на маленьком кольце феррита М2000, первичная обмотка составляет 1-1.5 витка такого же провода, как и первичная обмотка T2. Вторичная обмотка — 2х50…70 витков провода сечением 0.2…0.3 мм (можно и тоньше, но мотать будет сильно сложнее). Мотать сразу двумя проводами, потом соединять конец одной с началом другой полуобмотки — это будет отвод от середины.

Собранный из исправных деталей ИИП запускается сразу, и не требует дополнительной настройки. Настройки может потребовать узел защиты.

ВНИМАНИЕ, ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМЫ НАХОДЯТСЯ ПОД ВЫСОКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ, КОТОРОЕ ОПАСНО ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ И ЖИЗНИ! СОБЛЮДАЙТЕ ВНИМАТЕЛЬНОСТЬ И БУДЬТЕ ОСТОРОЖНЫ.

И тем не менее, общие советы по настройке.
Для настройки понадобится мультиметр, осциллограф, резиновые перчатки, лампочка накаливания на 220 вольт, мощностью 60-100 ватт. Первое включение производить через лампочку накаливания, транзисторы пока не впаивать. Лампочку поставить вместо предохранителя. Замерить напряжение питания IR-ки. Оно должно быть не менее 9.5 и не более 15 вольт. Если есть такое дело, смотрим ослом на выводе 5 меандр с частотой 50 кГц. Если он есть, впаиваем транзисторы.
Если есть возможность, то лучше вообще без подачи сетевого напряжения питания подать отдельное низковольтное питания на IR2153, и смотреть осциллограммы на 5-ой ножке IR-ки.

Если при включении лампочка кратковременно моргает, то вероятность того, что схема собрана правильно — стремиться к 146%. Если сразу горит в полный накал — то искать дохлые транзисторы. Или, если до впайки в схему они были живы — пытаться понять причину их смерти (вероятно, дохлая IR-ка).

Настройка устройства защиты. Надо подключить к ИИП тестовую нагрузку (мощный реостат, или электронный эквивалент нагрузки) на 10-20% мощнее, чем нагрузка, с которой планируется эксплуатировать ИИП, и резистором R5 отрегулировать уверенное срабатывание защиты.

Сравнение габаритов ИИП с традиционным блоком питания на тороидальном трансформаторе 150Вт (трансформатор + плата выпрямителя и сглаживающих фильтров).

Читайте также: