Архитектура и принцип работы обратноходовых источников питания

Принцип работы обратноходового преобразователя

Основным элементом обратноходового преобразователя является многообмоточный накопительный дроссель(который иногда называют трансформатором, хотя происходящие здесь и в трансформаторе процессы имеют существенные отличия).

Различают два основных этапа работы схемы: передача энергии от первичного источника питания в дроссель и передача энергии дросселя во вторичную цепь (вторичные цепи).

При замыкании ключа к первичной обмотке дросселя прикладывается напряжение источника питания. В дросселе начинают почти линейно нарастать ток в первичной обмотке и магнитный поток в магнитопроводе, а следовательно, накапливается энергия. В качестве ключа обычно выступает транзистор. Наведённая на вторичной обмотке ЭДС запирает диод, и ток во вторичной обмотке отсутствует. При размыкании ключа ток в первичной обмотке пропадает, но магнитный поток в дросселе не может измениться мгновенно, поэтому во вторичной обмотке начинает протекать почти линейно спадающий ток, отпирающий диод. Этот ток заряжает конденсатор и поступает в нагрузку. На первом этапе нагрузка питается только за счет энергии, полученной конденсатором во время второго этапа. Частота повторения этапов обычно находится в интервале от 20 кГц до 1 МГц.

Регулирование выходного напряжения осуществляется за счёт изменения длительности импульсов тока в первичной обмотке. В цепи обратной связи (на схемах не показана), в устройстве управления ключом, может использоваться широтно-импульсная модуляция (ШИМ) или частотно-импульсная модуляция (ЧИМ).

Некоторые микросхемы для таких преобразователей не имеют полноценного широтно-импульсного модулятора (ШИМ — когда для изменения выходного напряжения изменяется длительность импульса от 50…70 % до 0) и работают в «старт-стопном» режиме. То есть микросхема постоянно работает с максимальной мощностью, если напряжение повысилось выше порога переключения — микросхема отключается и перестает «закачивать» импульсы в трансформатор до тех пор, пока оно не понизится, после чего снова начинает работать с максимальной мощностью. Такой режим работы, по сравнению с ШИМ, создает много помех, выходное напряжение сильно пульсирует, увеличивается нагрузка на сглаживающий конденсатор, силовой транзистор, выпрямительные диоды, но для заряда аккумуляторов, питания цифровых схем это несущественно.

Преимущества, недостатки, применимость

В отличии от инвертирующего преобразователя обратноходовый может формировать на выходе напряжение любой полярности. Правильно подобрав соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток можно получить любое выходное напряжение. Входная и выходная цепи имеют гальваническую развязку (не соединены одна с другой).

Но за эти преимущества приходится платить наличием индуктивности связи между обмотками, то есть наличием дополнительных скачков напряжения на силовом ключе, превосходящих расчетные значения. Причем, чем больше ток нагрузки, тем больше будут эти скачки. Именно эти скачки, приводящие к пробою силового ключа, являются основным фактором, ограничивающим максимальную мощность этой схемы.

Обратноходовая схема является самой простой в реализации из всех топологий, содержит минимум деталей, имеет минимальную стоимость.

Усовершенствование обратноходового преобразователя

Как и в случае любой конструкции источника питания, некоторые изменения и улучшения могут превратить хороший источник в очень хороший. В DCM существует мертвое время или «резонансный звон», когда ни диод, ни MOSFET не проводят ток. Этот звон возникает вследствие взаимодействия между первичной индуктивностью трансформатора и паразитной емкостью коммутационного узла. В квазирезонансной схеме пиковый ток и частота переключения регулируются таким образом, чтобы MOSFET включался в первом «провале» этих резонансных колебаний и минимизировал потери.

Современные микросхемы контроллеров сводят к минимуму многие неизбежные проблемы разработки законченных обратноходовых источников питания, улучшая при этом их характеристики. Например, выпускаемый Analog Devices контроллер обратноходового преобразователя LT8316 при входном напряжении от 20 до 600 В может непосредственно отдавать в нагрузку мощность до 100 Вт, поддерживая широкий диапазон выходных напряжений.

Рекомендации, данные в техническом описании, упрощают выбор обратноходового трансформатора, предоставляя таблицу распространенных пар входных/выходных напряжений и токов с соответствующими именами поставщиков и доступными моделями стандартных трансформаторов. В результате разработать хорошую обратноходовую схему стало намного проще.

Прямоходовой преобразователь с активным ограничением

Типовая схема прямоходового преобразователя с активным ограничением показана на рисунке 1. Для простоты на схеме представлены только силовые ключи, трансформатор, выходной фильтр и контроллер. Вспомогательные компоненты, например, относящиеся к обвязке контроллера, не показаны для большей наглядности.

Прямоходовой преобразователь с активным ограничением

Контроллер управляет двумя силовыми МОП-транзисторами QPRI и QCLAMP, расположенными на первичной стороне. Ключи коммутируются поочередно с высокой частотой (100 кГц). Когда один силовой транзистор включен, другой должен быть выключен. Отношение части периода, в течение которого QPRI включен (QCLAMP выключен), к полному периоду коммутации называется рабочим циклом или коэффициентом заполнения D. Рабочий цикл определяет плотность следования импульсов напряжения в первичной обмотке трансформатора VPRI. Благодаря магнитной связи между обмотками эти импульсы передаются на вторичную сторону преобразователя. Напряжение на вторичной обмотке VSEC масштабируется в соответствии с коэффициентом трансформации (N), определяемым соотношением числа витков в обмотках.

Напряжение на вторичной стороне выпрямляется с помощью синхронного выпрямителя, состоящего из силовых МОП-транзисторов QFWD и QFREE. Выпрямленное напряжение поступает на выходной фильтр, образованный индуктивностью LOUT и конденсатором COUT. Этот низкочастотный LC-фильтр необходим для преобразования последовательности импульсов в постоянное напряжение на выходе источника питания. Выходное напряжение оказывается пропорциональным величине рабочего цикла D и коэффициенту трансформации N. Импульсы напряжения на вторичной обмотке (VSEC) также часто используются для управления силовыми МОП-транзисторами, которые выполняют функцию выпрямительных диодов. Такая схема называется схемой синхронного выпрямления (Synchronous Rectifcation , SR). Она обеспечивает более высокую эффективность, по сравнению с обычными диодами.

Сравнение преобразователей

Сравнение количества компонентов и качества выходной фильтрации

Пожалуй, проще всего сравнивать прямоходовую и обратноходовую топологии по числу используемых компонентов. Этот пункт достаточно важен, особенно с учетом влияния, которое он оказывает на габариты и стоимость источника питания. На рис. 3 показана упрощенная схема традиционного обратноходового преобразователя. Транзистор QSYNC, используемый в схеме на рис. 2, был заменен обычным диодом. Дополнительный фильтр LC-фильтр был исключен.

Упрощенная схема традиционного обратноходового преобразователя (с выпрямительными диодами)

Аналогичным образом можем получить упрощенную схему традиционного прямоходового преобразователя, в котором транзисторы синхронного выпрямителя также заменены на диоды (рис. 4). Как видно из таблицы 1, обратноходовой преобразователь является очевидным победителем по количеству используемых компонентов. По этой причине общепринятым является мнение, согласно которому обратноходовой преобразователь всегда проще и дешевле.

Упрощенная схема традиционного прямоходового преобразователя (с выпрямительными диодами)

Таблица 1. Перечень компонентов, используемых в прямоходовом и обратноходовом преобразователях (в порядке уменьшения стоимости)

Компоненты в порядке уменьшения стоимости	Прямоходовой		Обратноходовой
	Традиционный	Современный	Традиционный	Современный
Силовой трансформатор	1	1	1	1
Контроллер (ИС)	1	1	1	1
Силовые транзисторы	2	4	2	1
Выходная индуктивность	1	1	1	0
Сигнальный трансформатор	0	0	1	0
Выпрямительные диоды	2	0	0	1
Выходная емкость	1	1	2	1
Итого	8	8	8	5

Тем не менее, современные прямоходовые и обратноходовые источники питания для телекоммуникационных приложений часто используют схемы синхронного выпрямления, как это показано на рисунках 1 и 2, а также двухступенчатый выходной фильтр в обратноходовых преобразователях. В результате, как видно из Таблицы 1, это сокращает разрыв по количеству компонентов и сложности реализации между двумя топологиями, что делает спорным утверждение о том, что обратноходовой преобразователь всегда проще и дешевле.

Практически повсеместное использование синхронного выпрямления обусловлено несколькими основными факторами:

• постоянным снижением стоимости силовых МОП-транзисторов и контроллеров, поддерживающих функцию синхронного выпрямления;
• уменьшением выходного напряжения и повышением выходной мощности современных источников питания.

Очевидно, что попытка использовать обычный диодный выпрямитель в преобразователях с выходным напряжением 3,3 В и током 20 А вряд ли окажется успешной. Выпрямление тока 20 А, даже с диодом Шоттки, приведет к потере приблизительно 10 Вт мощности, если прямое падение напряжения на диоде составляет 0,5 В. Выделяемое на диодах тепло будет чрезвычайно сложно отвести, не говоря уже о снижении эффективности источника питания. Это сильно контрастирует с показателями синхронного выпрямителя на МОП-транзисторах, который может без проблем иметь сопротивление около 2,5 мОм. В таком случае полевой транзистор рассеивает всего лишь около (20 А) 2 х 2,5 мОм = 1 Вт. Отвести от силового ключа мощность 1 Вт, выделяемую в виде тепла, уже намного проще. Как правило, для охлаждения диода придется использовать большой и дорогой радиатор, в то время как для охлаждения МОП-транзистора будет достаточно теплоотвода, обеспечиваемого печатной платой определенного размера.

В прямоходовых преобразователях для управления МОП-транзисторами синхронного выпрямителя в простейшем случае можно подключить выводы вторичной обмотки к затворам транзисторов, как это показано на рис/ 1. Этот метод часто называется синхронным выпрямлением с самостоятельным управлением (Self-Driven Synchronous Rectifcation, SDSR). Если напряжение на вторичной обмотке оказывается слишком высоким, то может потребоваться дополнительная схема сдвига уровней или схема ограничения, которые призваны не допустить превышения максимального напряжения на затворах МОП-транзисторов. Поскольку эти схемы относительно просты и используют недорогие компоненты, то они не учитываются в таблице 1.

В отличие от прямоходовых преобразователей, обратноходовые преобразователи по каким-то эзотерическим причинам плохо работают со схемой синхронного выпрямления с самостоятельным управлением SDSR. В результате, как уже было сказано выше, для управления МОП-транзистором синхронного выпрямителя, расположенного на вторичной стороне, требуется дополнительный сигнальный трансформатор для передачи сигнала управления затвором. Использование новых миниатюрных трансформаторов серии LPD8035V от Coilcraft с рейтингом напряжения 1500 Vrms позволяет безболезненно решить проблему стоимости и габаритов.

Еще одной причиной сокращения разрыва по количеству используемых компонентов между двумя топологиями источников питания является добавление второго LC-фильтра в обратноходовых преобразователях. Часто можно встретить утверждение о том, что обратноходовые преобразователи являются более шумными, чем прямоходовые из-за значительных пульсаций тока во вторичных обмотках. Это означает, что если вы используете одноступенчатый LC-фильтр в обратноходовом преобразователе, то вам потребуется гораздо большая индуктивность и конденсатор, чтобы получить такой же уровень пульсаций выходного напряжения, как и у прямоходового преобразователя. На практике для решения указанной проблемы можно применять несколько подходов:

• использовать силовой трансформатор с большой индуктивностью;
• использовать большой выходной конденсатор;
• использовать двухступенчатый LC-фильтр.

Первые два варианта обычно оказываются более дорогими. При использовании двухступенчатого LC-фильтра, каждый из компонентов может выбираться исходя из оптимизации конкретного параметра схемы (низкого тока пульсации, низких потерь в сердечнике и т. д.). В результате, такой подход обеспечивает тот же уровень пульсаций напряжения при меньших габаритах и стоимости.

По указанным выше причинам современные прямоходовые и обратноходовые преобразователи мало отличаются по количеству используемых компонентов, габаритам и общей стоимости, в отличие от традиционных прямоходовых и обратноходовых источников питания. В таблице 2 показаны результаты практического сравнения габаритов и стоимости современного обратноходового преобразователя (рис. 5 сверху) и современного прямоходового преобразователя (рис. 5 снизу). Оба источника питания имеют выходное напряжение 12 В и мощность 51 Вт. Они построены на базе контроллера LT4295 PD от Analog Devices. Фотографии печатных плат представлены на рис. 5, а упрощенные принципиальные схемы на рисунках 1 и 2. Как видно из таблицы 2, обратноходовой преобразователь по-прежнему остается более компактным и менее дорогим, но разница уже не столь значительная.

Таблица 2. Сравнение характеристик реальных современных преобразователей

Параметр	Прямоходовой	Обратноходовой
Размер (кв. дюймы)	3,2	2,6
Стоимость (относительная)	100%	90%
КПД при 4 А	94,30%	92,80%
Максимальное напряжение на силовом транзисторе (первичная обмотка)	90 В	146 В
Максимальное напряжение на силовом транзисторе (вторичная обмотка)	85 В	126 В

Примеры прямоходового и обратноходового преобразователей

Виды и принцип работы импульсных источников питания

Основной принцип работы импульсного источника питания (ИИП) состоит в том, что постоянное напряжение (выпрямленное сетевое или от стороннего источника) преобразовывается в импульсное частотой до сотен килогерц. За счет этого намоточные детали (трансформаторы, дроссели) получаются легкими и компактными.

Принципиально ИИП делятся на две категории:

• с импульсным трансформатором;
• с накопительной индуктивностью (она также может иметь вторичные обмотки)

Первые подобны обычным трансформаторным сетевым блокам питания, выходное напряжение у них регулируется изменением среднего тока через обмотку трансформатора. Вторые работают по другому принципу – у них регулируется изменением количества накопленной энергии.

По другим признакам ИИП можно разделить на нестабилизированные и стабилизированные, однополярные и двухполярные и т.п. Эти особенности не носят столь принципиального характера.

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.

Структурная схема импульсного блока питания.

Входные цепи

Входные цепи предназначены для защиты сети от перегрузки при неисправности БП и от импульсных помех, возникающих при работе устройства. В качестве примера можно рассмотреть фильтр и защиту промышленного компьютерного ИИП.

Входные цепи импульсника MAV-300W-P4.

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.

Участок схемы импульсника с высоковольтным выпрямителем D1-D4 и с емкостным делителем напряжения C1-C2.

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.

Схемы транзисторных инверторов.

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.

Фрагмент схемы промышленного импульсного источника – полумостовой инвертор на транзисторах Q1, Q2 управляется через промежуточный узел на транзисторах Q8, Q9 и трансформаторе T1.

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).

Схема импульсного блока питания с выходным напряжением до 30 вольт и мостовым двухполупериодным выпрямителем.

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.

Схема выпрямителя со средней точкой и прохождение по ней тока.

Входной фильтр

Как мы уже говорили, входной фильтр стоит для того, чтобы в сеть не попали высокочастотные помехи, генерируемые источником питания. В самом простейшем варианте это устройство представляет собой дроссель, который подавляет электромагнитные помехи и два конденсатора, включенных параллельно входу и нагрузке.

Схема простейшего входного фильтра

Конденсаторы используются специальные — X-типа. Икс-конденсаторы были разработаны специально для этих целей. Они выдерживают мгновенные киловольтные всплески напряжения (до 2,5 кВ), гася тем самым помехи между фазой и нейтралью (противофазные помехи). Дроссель — это ферритовый сердечник с намотанными лакированными медными проводами. В нем наводятся токи, нейтрализующие токи помех.

Приведенная выше схема входного фильтра для импульсного источника питания не устраняет помехи, которые возникают между фазой и землей (корпусом) или между нейтралью и корпусом. Для их нейтрализации в схему добавляют два конденсатора Y-типа (которые выдерживают скачки напряжения до 5 кВ). Специальная конструкция Y-конденсатора гарантирует обрыв цепи, а не короткое замыкание, в случае выхода его из строя.

Оба типа конденсаторов (X и Y), который ставят во входных фильтрах, выполняют из специальных негорючих материалов, так как они могут греться до очень высоких температур и могут стать причиной пожара. Именно в этом, да еще в конструктивных особенностях кроется причина их высокой стоимости (по сравнению с обычными).

Схема для компенсации всех типов помех

Но для корректной работы этой схемы необходимо рабочее заземление. Его надо подключить к корпусу блока питания. Без заземления, корпус блока питания будет находиться под напряжением около 110 В. Ток будет очень маленьким, но прикосновения будут ощутимы.

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 правильно подключить импульсный блок питания к сети?

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

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

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

 

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

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

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

Будьте осторожны, берегитесь ожога! Нагрузочные резисторы этого типа могут нагреться до температуры в несколько сотен градусов без каких-либо внешних проявлений! То есть, ни дыма, ни изменения окраски Вы не заметите и можете попытаться тронуть резистор пальцами.

Импульсный трансформатор: принцип работы одного импульса в 2 такта

Правило: импульсный трансформатор для блока питания передает каждый ШИМ импульс за счет двух преобразований электромагнитной энергии.

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:

1. вначале на намагничивание сердечника магнитопровода;
2. 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.

Продлить ресурс работы электролитических конденсаторов в ИБП можно заменой одного большой мощности несколькими составными. Ток будет распределяться по всем, что вызовет меньший нагрев. А отвод тепла с каждого отдельного происходит лучше. 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.

Импульсный блок питания на TL494 своими руками — схема и подробная инструкция по монтажу

Корпус этого самодельного импульсного блока питания состоит из двух частей — основа Kradex Z4A, а так же вентилятор (кулер), который можно увидеть на фото. Он является как бы продолжением корпуса, но обо всем по порядку.
Схема импульсного блока питания на TL494
Что касается необходимых деталей, то нам понадобятся:

• ШИМ контроллер (IC1) — TL494.
• Операционный усилитель (IC2) — LM324.
• 2 линейных регулятора (VR1, VR2) — L7805AB и LM7905.
• 4 биполярных транзистора T1, T2 — C945 и T3, T4 — MJE13009.
• 2 диодных моста — VDS2 (MB105) и VDS1 (GBU1506).
• 5 выпрямительных диодов (D3–D5, D8, D9) — 1N4148.
• 2 выпрямительных диода (D6, D7) — FR107.
• 2 выпрямительных диода (D10, D11) — FR207.
• 2 выпрямительных диода (D12, D13) — FR104.
• Диод Шоттки (D15) — F20C20.
• 5 дросселей — L1 (100 мкГн), L5 на желтом кольце (100 мкГн), L3, L4 (10 мкГн), L6 (8 мкГн).
• Синфазный дроссель (L2) — 29 мГн.
• 2 импульсных трансформатора — Tr1 (EE16) и Tr2 (EE28–EE33, ER35).
• Трансформатор (Tr3) — BV EI 382 1189.
• Предохранитель (F1) — 5А.
• Терморезистор (NTC1) — 5.1 Ом.
• Варистор (VDR1) — 250 В.
• Резисторы — R1, R9, R12, R14 (2.2 кОм); R2, R4, R5, R15, R16, R21 (4.7 кОм); R3 (5.6 кОм); R6, R7 (510 кОм); R8 (1 Мом); R13 (1.5 кОм); R17, R24 (22 кОм); R18 (1 кОм);
• R19, R20 (22 Ом); R22, R23 (1.8 кОм); R27, R28 (2.2 Ом); R29, R30 (470 кОм, 1–2 Вт); R31 (100 Ом, 1–2 Вт); R32, R33 (15 Ом); R34 (1 кОм, 1–2 Вт).
• Переменные резисторы (R10, R11) — 10 кОм, можно использовать 3 или 4.
• Резисторы (R25, R26) — 0.1 Ом; шунты, мощность зависит от выходной мощности БП.
• Конденсаторы — C1, C8, C27, C28, C30, C31 (0.1 мкФ); C3 (1 нФ, пленочный); C4–C7 (0.01 мкФ); C10 (0.47 мкФ, 275 В, X); C12 (0.1 мкФ, 275 В, X); C13, C14, C19 (0.01 мкФ, 2 кВ, Y); C20 (1 мкФ, 250 В, пленочный); C21 (2.2 нФ, 1 кВ); C23, C24 (3.3 нФ).
• Электролитические конденсаторы — C2, C9, C22, C25, C26, C34, C35 (47 мкФ); C11 (1 мкФ); C15, C16 (2.2 мкФ); C17, C18 (470 мкФ, 200 В); C29, C32, C33 (1000 мкФ, 35 В).
• 2 светодиода — D1 (зеленый, 5 мм) и D2 (красный, 5 мм), либо просто диоды, если не нужна индикация.

Из конструктивных элементов нужны будут:

1. Корпус Z4A.
2. Выключатель — 250 В, 6 А.
3. Держатель для предохранителя.
4. Розетка для подключения к сети 220 В.
5. Вилка для подключения к сети 220 В.
6. Разъём для выходного напряжения.
7. Вентилятор 12 В.
8. Вольтметр.
9. Амперметр.

Как видите, схема работает на микросхеме TL494. Существует много аналогов, но лучше использовать оригинальные микросхемы. Стоят они не так уж и дорого, а работают надежно, в отличие от китайских подделок.
Можно также разобрать несколько старых БП от компьютеров и насобирать необходимых деталей оттуда, но лучше по возможности использовать новые детали и микросхемы — это повысит шанс на успех.

По причине того, что выходной мощности встроенных ключевых элементов TL494 недостаточно, чтобы управлять мощными транзисторами, работающими на основной импульсный трансформатор Tr2, строится схема управления силовыми транзисторами T3 и T4 с применением управляющего трансформатора Tr1. Данный трансформатор управления можно использовать от старого БП компьютера без внесения изменений в состав обмоток. Трансформатор управления Tr1 раскачивается транзисторами T1 и T2.

Сигналы управляющего трансформатора через диоды D8 и D9 поступают на базы силовых транзисторов. Транзисторы T3 и T4 используются биполярные марки MJE13009. Можно использовать транзисторы на меньший ток — MJE13007, но здесь все же лучше оставить на больший ток, чтобы повысить надежность и мощность схемы, хотя от короткого замыкания в высоковольтных цепях схемы это не спасет.
Далее эти транзисторы раскачивают трансформатор Tr2, который преобразует выпрямленное напряжение 310 Вольт от диодного моста VDS1 в необходимое нам (в данном случае 30–31 вольт). Данные по перемотке или намотке с нуля трансформатора обсудим чуть позже. Выходное напряжение снимается с вторичных обмоток этого трансформатора, к которым подключается выпрямитель и ряд фильтров, чтобы напряжение было максимально без пульсаций.
Выпрямитель необходимо использовать на диодах Шоттки, чтобы минимизировать потери при выпрямлении и исключить большой нагрев этого элемента, по схеме используется сдвоенный диод Шоттки D15. Здесь также чем больше допустимый ток диодов, тем лучше. При неосторожности при первых запусках схемы большая вероятность испортить эти диоды и силовые транзисторы T3 и T4. В выходных фильтрах схемы стоит использовать электролитические конденсаторы с низким ЭПС (Low ESR). Дроссели L5 и L6 в нашем случае были использованы от неисправных блоков питания компьютеров. L6 использован без изменения обмотки, он представляет собой цилиндр с десятком витков толстого медного провода. L5 необходимо перемотать, поскольку в компьютере используется несколько уровней напряжения — нам нужно только одно напряжение, которое мы будем регулировать.
L5 представляет собой кольцо желтого цвета (не всякое кольцо пойдет, так как могут применяться ферриты с разными характеристиками, нам нужно именно желтого цвета). На это кольцо нужно намотать примерно 50 витков медного провода диаметром 1,5 мм. Резистор R34 гасящий — он разряжает конденсаторы, чтобы при регулировке не возникло ситуации долгого ожидания уменьшения напряжения при повороте ручки регулировки.
Наиболее подверженные нагреву элементы T3 и T4, а также D15 устанавливаются на радиаторы. В данной конструкции они были также взяты от старых блоков и отформатированы (отрезаны и изогнуты под размеры корпуса и печатной платы).
Схема является импульсной и может вносить в бытовую сеть собственные помехи, поэтому необходимо использовать синфазный дроссель L2. Чтобы отфильтровывать уже имеющиеся помехи сети используются фильтры с применением дросселей L3 и L4. Терморезистор NTC1 исключит скачок тока в момент включения схемы в розетку, старт схемы получится более мягкий.

Чтобы управлять напряжением и током, а также для работы микросхемы TL494 необходимо напряжение более низкого уровня, чем 310 вольт, поэтому используется отдельная схема питания. Построена она на малогабаритном трансформаторе Tr3 BV EI 382 1189.
Со вторичной обмотки напряжение выпрямляется и сглаживается конденсатором — просто и сердито. Таким образом, получаем 12 Вольт, необходимые для управляющей части схемы блока питания. Далее 12 Вольт стабилизируются до 5 вольт при помощи микросхемы линейного стабилизатора 7805 — это напряжение используется для схемы индикации напряжения и тока.
Также искусственно создается напряжение -5 Вольт для питания операционного усилителя схемы индикации напряжения и тока. В принципе можно использовать любую доступную схему вольтметра и амперметра для данного импульсного блока питания и при отсутствии необходимости данный каскад стабилизации напряжения можно исключить. Как правило, используются схемы измерения и индикации, построенные на микроконтроллерах, которым необходимо питания порядка 3,3–5 Вольта. Подключение амперметра и вольтметра указано на схеме.
На фото печатная плата с микроконтроллером. Амперметр и вольтметр к панели прикреплены на болтики, которые ввинчиваются в гайки, надежно приклеенные к пластмассе суперклеем. Данный индикатор имеет ограничение по измерению тока до 9,99 А, что явно маловато для данного блока питания. Кроме как функций индикации модуль измерения тока и напряжения больше никак не задействован относительно основной платы устройства. Функционально подойдет любой измерительный модуль на замену.

Схема регулировки напряжения и тока построена на четырех операционных усилителях (используется LM324 — 4 операционных усилителя в одном корпусе). Для питания этой микросхемы стоит использовать фильтр на элементах L1 и C1, C2. Настройка схемы заключается в подборе элементов, помеченных звездочкой для задания диапазонов регулирования. Схема регулировки собрана на отдельной печатной плате. Кроме того, для более плавной регулировки по току можно использовать несколько переменных резисторов соединенных соответствующим образом.

Для задания частоты преобразователя необходимо подобрать номинал конденсатора C3 и номинал резистора R3. На схеме указана небольшая табличка с расчетными данными. Слишком большая частота может увеличить потери на силовых транзисторах при переключении, поэтому слишком увлекаться не стоит, оптимально, на мой взгляд, использовать частоту 70–80 кГц, а то и меньше.

Теперь о параметрах намотки или перемотки трансформатора Tr2. Основу я также использовал от старых блоков питания компьютера. Если большой ток и большое напряжение вам не нужны, то можно такой трансформатор не перематывать, а использовать готовый, соединив обмотки соответствующим образом. Однако если необходим больший ток и напряжение, то трансформатор необходимо перемотать, чтобы получить более лучший результат.
Прежде всего придется разобрать сердечник, который у нас имеется. Это самый ответственный момент, так как ферриты достаточно хрупкие, а ломать их не стоит, иначе все на мусор. Итак, чтобы разобрать сердечник, его необходимо нагреть, поскольку для склеивания половинок обычно изготовитель использует эпоксидную смолу, которая при нагреве размягчается. Открытые источники огня использовать не стоит. Хорошо подойдет электронагревательное оборудование, в бытовых условиях – это, например, электроплита.

При нагреве аккуратно разъединяем половинки сердечника. После остывания снимаем все родные обмотки. Теперь нужно рассчитать необходимое количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора. Для этого можно использовать программу ExcellentIT (5000), в которой задаем необходимые нам параметры преобразователя и получаем расчет количества витков относительно используемого сердечника.

Далее после намотки сердечник трансформатора необходимо обратно склеить, желательно также использовать высокопрочный клей или эпоксидную смолу. При покупке нового сердечника потребность в склейке может отсутствовать, так как часто половинки сердечника стягиваются металлическими скобами и болтиками. Обмотки необходимо наматывать плотно, чтобы исключить акустический шум при работе устройства. По желанию обмотки можно заливать какими-нибудь парафинами.

Печатные платы проектировались для корпуса Z4A. Он подвергается небольшим доработкам, чтобы обеспечить циркуляцию воздуха для охлаждения. Для этого по бокам и сзади сверлится несколько отверстий, а сверху прорезаем отверстие для вентилятора.
Вентилятор дует вниз, лишний воздух уходит через отверстия. Можно вентилятор расположить и наоборот, чтобы он высасывал воздух из корпуса. По факту охлаждение вентилятором требуется нечасто, к тому же даже при больших нагрузках элементы схемы сильно не греются.

Также подготавливаются лицевые панели. Индикаторы напряжения и тока используются с применением семисегментных индикаторов, а в качестве светофильтра для этих индикаторов используется металлизированная антистатическая пленка, наподобие той, в которую упаковывают радиоэлементы с пометкой чувствительности к электростатике.

Можно также использовать полупрозрачную пленку, которую клеят на оконные стекла, либо тонирующую пленку для автомобилей. Набор элементов на лицевой панели спереди и сзади можно компоновать по любому вкусу. В нашем случае сзади разъем для подключения к розетке, отсек предохранителя и выключатель. Спереди — индикаторы тока и напряжения, светодиоды индикации стабилизации тока (красный) и стабилизации напряжения (зеленый), ручки переменных резисторов для регулировки тока и напряжения, а также быстрозажимной разъем, к которому подключено выходное напряжение.
При правильной сборке блок питания нуждается только в подстройке диапазонов регулирования.
Защита по току (стабилизация) работает следующим образом: при превышении установленного тока на микросхему TL494 подается сигнал о снижении напряжения — чем меньше напряжение, тем меньше ток. При этом на лицевой панели загорается красный светодиод, сигнализирующий о превышении установленного тока, либо о коротком замыкании. В нормальном режиме стабилизации напряжения горит зеленый светодиод.
Основные характеристики импульсного блока питания зависят в основном от применяемой элементной базы, в данном варианте они следующие:

1. Входное напряжение — 220 вольт переменного тока.
2. Выходное напряжение — от 0 до 30 вольт постоянного тока.
3. Выходной ток составляет более 15 А (фактически тестированное значение).
4. Режим стабилизации напряжения.
5. Режим стабилизации тока (защита от короткого замыкания).
6. Индикация обоих режимов светодиодами.
7. Малые габариты и вес при большой мощности.
8. Регулировка ограничения тока и напряжения.

Подводя итог, можно отметить, что данный импульсный блок питания получился достаточно качественный и мощный. Это позволяет использовать данный вариант блока питания как для тестирования каких-то своих схем, так и вплоть до зарядки автомобильных аккумуляторов.
Стоит отметить также то, что емкости на выходе стоят достаточно большие, поэтому коротких замыканий лучше не допускать, так как разряд конденсаторов с большой вероятностью может вывести схему из строя (ту, к которой подключаемся), однако без этой емкости выходное напряжение будет хуже — возрастут пульсации. Это особенность именно импульсного блока, в аналоговых БП выходная емкость, как правило, не превышает 10 мкФ в силу своей схемотехники. Таким образом, получаем универсальный лабораторный импульсный блок питания способный работать в широком диапазоне нагрузок практически от нуля до десятков Ампер и Вольт. Блок питания прекрасно зарекомендовал себя как при питании небольших схем при тестировании (но тут защита от КЗ поможет мало из-за большой выходной емкости) с потреблением в миллиамперы, так и в применении в ситуациях, когда необходима большая выходная.

Как вам статья?