Всё об импульсном блоке питания

Принцип реализации вторичной мощности за счёт применения дополнительных устройств, обеспечивающих энергией схемы, уже достаточно давно используется в большей части электроприборов. Этими устройствами являются блоки питания. Они служат для преобразования напряжения до необходимого уровня. БП могут быть как встроенными, так и отдельными элементами. Принципов преобразования электроэнергии существует два. Первый основан на применении аналоговых трансформаторов, а второй основан на использовании импульсных блоков питания. Разница между этими принципами довольно большая, но, к сожалению, не все её понимают. В этой статье разберёмся, как работает импульсный блок питания и чем же он так отличается от аналогового. Давайте же начнём. Поехали!

Плата импульсного блока питания

Первыми появились именно трансформаторные БП. Их принцип работы заключается в том, что они меняют структуру напряжения с помощью силового трансформатора, который подключён к сети 220 В. Там снижается амплитуда синусоидальной гармоники, которая направляется дальше к выпрямительному устройству. Затем происходит сглаживание напряжения параллельно подключенной ёмкостью, которая подбирается по допустимой мощности. Регулирование напряжения на выходных клеммах обеспечивается благодаря смене положения подстроечных резисторов.

Теперь перейдём к импульсным БП. Они появились несколько позже, однако, сразу завоевали немалую популярность за счёт ряда положительных особенностей, а именно:

• Доступности комплектования;
• Надёжности;
• Возможности расширить рабочий диапазон для выходных напряжений.

Все устройства, в которых заложен принцип импульсного питания, практически ничем не отличаются друг от друга.

Элементами импульсного БП являются:

• Линейный источник питания;
• Источник питания Standby;
• ТПИ;
• Генератор (ЗПИ, управление);
• Ключевой транзистор;
• Оптопара;
• Цепи управления.

Чтобы подобрать блок питания с конкретным набором параметров, воспользуйтесь сайтом ChipHunt.

Давайте, наконец, разберёмся, как работает импульсный блок питания. В нём применяются принципы взаимодействия элементов инверторной схемы и именно благодаря этому достигается стабилизированное напряжение.

Сперва на выпрямитель поступает обычное напряжение 220 В, далее происходит сглаживание амплитуды при помощи конденсаторов ёмкостного фильтра. После этого выполняется выпрямление проходящих синусоид выходным диодным мостом. Затем происходит преобразование синусоид в импульсы высоких частот. Преобразование может выполняться либо с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей, либо без выполнения такой развязки.

Если БП с гальванической развязкой, то сигналы высокой частоты направляются на трансформатор, который и осуществляет гальваническую развязку. Для увеличения эффективности трансформатора повышается частота.

Работа импульсного БП основана на взаимодействии трёх цепочек:

• ШИМ-контроллера (управляет преобразованием широтно-импульсной модуляции);
• Каскада силовых ключей (состоит из транзисторов, которые включаются по одной из трёх схем: мостовой, полумостовой, со средней точкой);
• Импульсного трансформатора (имеет первичную и вторичную обмотки, которые монтируются вокруг магнитопровода).

Если же блок питания без развязки, то ВСЧ разделительный трансформатор не используется, при этом сигнал подаётся сразу на фильтр низких частот.

Сравнивая импульсные блоки питания с аналоговыми, можно увидеть очевидные преимущества первых. ИБП имеют меньший вес, при этом их КПД значительно выше. Они имеют более широкий диапазон питающих напряжений и встроенную защиту. Стоимость таких БП, как правило, ниже.

Из недостатков можно выделить наличие высокочастотных помех и ограничений по мощности (как при высоких, так и при низких нагрузках).

Проверить ИБП можно при помощи обычной лампы накаливания. Обратите внимание, что не следует подключать лампу в разрыв удалённого транзистора, поскольку первичная обмотка не рассчитана на то, чтобы пропускать постоянный ток, поэтому ни в коем случае нельзя допускать его пропускания.

Если лампа светится, значит, БП работает нормально, если же не светится, то блок питания не работает. Короткая вспышка говорит о том, что ИБП блокируется сразу после запуска. Очень яркое свечение свидетельствует об отсутствии стабилизации выходного напряжения.

Теперь вы будете знать на чём основан принцип работы импульсного и обычного аналогового блоков питания. Каждый из них имеет свои особенности строения и работы, которые следует понимать. Также вы сможете проверить работоспособность ИБП при помощи обычной лампы накаливания. Пишите в комментариях была полезной для вас эта статья и задавайте любые интересующие вопросы по рассмотренной теме.

Работа аналоговых блоков питания

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

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

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

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

Принцип действия импульсных устройств

Импульсные устройства – ИИП работают совершенно по другому принципу, существенно отличающемуся от аналоговых блоков питания. Это подтверждают и структурные схемы, в которой отсутствует входной понижающий трансформатор.

Принцип работы такого источника питания осуществляется на практике в следующей последовательности:

• Изначально питание попадает в сетевой фильтр, сводящий до минимума входящие и исходящие сетевые помехи, образующиеся в результате рабочих процессов.
• Далее начинает действовать блок, в котором синусоидальное напряжение преобразуется в импульсное. Вместе с ним начинается работа сглаживающего фильтра.
• После этого в рабочий процесс включается инвертор, формирующий высокочастотные прямоугольные сигналы. Для обратной связи с инвертором используется блок управления.
• Импульсный трансформатор – ИТ обеспечивает автоматический генераторный режим, подачу напряжения на отдельные участки цепей, защиту, управление контроллером и нагрузку. Кроме того, ИТ обеспечивает гальваническую развязку между цепями с высоким и низким напряжением. Для его сердечника использованы ферримагнитные материалы, обеспечивающие надежную передачу высокочастотных сигналов в диапазоне от 20 до 100 кГц.
• На следующем этапе начинается работа выходного выпрямителя, работающего с напряжением высокой частоты. Его конструкция выполнена на основе быстродействующих полупроводниковых элементов – диодов Шотке.
• По завершении процесса напряжение сглаживается на выходном фильтре, после чего оно уже поступает на нагрузку.

Работа инвертора в блоке питания

Инвертор является основным элементом импульсного блока. Его основная функция заключается в высокочастотной модуляции, которая может быть выполнена частотно-импульсным, фазоимпульсным и широтно-импульсным (ШИМ) способами.

В практической работе схема импульсного блока питания чаще всего использует последний вариант, отличающийся простым исполнением и постоянной коммуникационной частотой.

Работа этого контроллера выполняется по следующей схеме, приведенной на рисунке выше:

• С помощью генератора, задающего частоты, происходит формирование прямоугольных сигналов с частотой, соответствующей опорному значению. Эти сигналы служат базой для формирования Uп, имеющего пилообразную форму и поступающего на Кшим, то есть, на вход компаратора.
• Ко второму входу компаратора выполняется подводка сигнала Uус, приходящего с регулирующего усилителя. В результате, сигнал, сформированный усилителем будет представлять собой пропорциональную разность опорного напряжения (Uп) и регулирующего сигнала от цепи обратной связи (Uрс).
• С помощью этого способа образуется замкнутая цепь, обеспечивающая управление напряжением на выходе, образуя тем самым своеобразный линейно-дискретный функциональный узел. На выходе происходит формирование импульсов, продолжительность которых зависит от разницы между опорным и управляющим сигналами. На основе данного узла возникает напряжение, позволяющее управлять ключевым транзистором инвертора.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется путем контроля над его уровнем. Если оно изменяется, то соответственно происходит и пропорциональное изменение напряжения Uрс – регулирующего сигнала. За счет этого уменьшается или увеличивается продолжительность временного промежутка между импульсами. В результате мощность вторичной цепи изменяется и выходное напряжение стабилизируется. Гальваническая развязка, которой оборудуются все импульсные блоки питания, обеспечивает безопасность между питающей сетью и обратной связью и выполняется с помощью оптронов.

Плюсы и минусы импульсных блоков

По сравнению с аналоговыми преобразователями такой же мощности, импульсные блоки обладают несомненными преимуществами:

• Незначительная масса и габариты, поскольку в конструкции отсутствует понижающий трансформатор низкой частоты и управляющие элементы, требующие больших радиаторов для отвода тепла. Преобразование высокочастотных сигналов привело к снижению емкости конденсаторов, установленных в фильтрах и их габаритных размеров.
• У них значительно выше коэффициент полезного действия, так как большинство потерь связано лишь с переходными процессами. В аналоговых же системах большое количество энергии постоянно теряется из-за электромагнитных преобразований.
• Благодаря полупроводниковым элементам, значительно снижается стоимость изделия.
• Входное напряжение обладает более широким диапазоном. Импульсные блоки можно подключать к любым сетям, поскольку для них не имеет значения частота и амплитуда.
• Все устройства надежно защищены от коротких замыканий, перегрузок и прочих нестандартных ситуаций.

Однако, даже такие совершенные устройства имеют определенные недостатки. В первую очередь, это помехи, вызванные высокочастотным преобразователем. Из-за этого требуется установка фильтра для подавления этих помех. Он не всегда достаточно эффективен, поэтому применение импульсных блоков ограничено для совместной эксплуатации с высокоточной аппаратурой.

Использование этих устройств предъявляет особые требования к подключаемой нагрузке, которая не должна быть слишком высокой или слишком низкой. В случае превышения током уровня нижнего или верхнего порога, выходное напряжение по своим характеристикам будет значительно отличаться от номинального.

Самостоятельная сборка импульсного блока питания

Довольно часто возникают ситуации, когда требуется собрать импульсный блок питания своими руками для конкретного электронного оборудования. За основу можно взять импульсный трансформатор, имеющийся в компьютерном блоке и сделать достаточно мощный ИБП. Схема довольно простая, не требующая отдельных настроек.

Основой полумостового драйвера служит микросхема IR2151. Усиление сигнала генератора осуществляется с помощью мощного полевого транзистора, закрепляемого на теплоотводе.

Самый простой импульсный блок питания будет состоять из следующих деталей: термистора, резистора на 47 кОм, диода FR107, электролитических конденсаторов и других деталей, обозначенных на схеме.

Подобные самодельные блоки питания могут использоваться для достаточно мощных электронных устройств. При желании их можно всегда подогнать по параметрам под конкретный прибор.

Какое-то время назад на балконе завалялись у меня парочка дешёвых китайских блоков питания для компьютера. Применить их для питания какого-либо компьютерного железа было страшновато, разобрать — не жалко, но применить — гораздо интереснее.

Прежде всего были демонтированы элементы дежурного питания блока, собраны отдельно на макетке, чтобы проверить работоспособность и определить их дальнейшую судьбу. Схема оказалась очень даже работоспособной, ka1h0165r — исправной, трансформатор — пригодным.

При этом из силовой части разодранного на составляющие блока был собран импульсный блок питания (2х35В) для усилителя на микросхеме-драйвере IR2153, а так же его брат-близнец, только на 12В.

В дальнейшем для блока питания на ka1h0165r в Sprint Layot я развёл печатную плату, она получилась довольно небольшая, с этим похоже вышел перебор, так как в «горячей» части расстояния между дорожками получились небольшими, но тем не менее, паразитных пробоев не случалось. Возможно отчасти это связано с тем, что плата после изготовления была сразу покрыта защитным лаком «Plastik».

Сначала я попробовал изготовить плату с помощью ЛУТ, но у меня в наличии был только принтер на работе, который оказался очень жадным до тонера, и ничего приличного в итоге не вышло. На помощь пришла на тот момент только что открытая для себя технология изготовления с помощью фоторезиста.

Маска была изготовлена на струйном принтере, плата вытравлена в растворе хлорного железа, колбаса нарезана острым ножом

Немного о параметрах микросхемы ka1h0165r. Используется она в некоторых компьютерных блоках питания в импульсном преобразователе дежурного напряжения, её технические данные из даташита:

• Точная фиксированная частота преобразования (100кГц)
• Защита от перегрузки по току
• Защита от перегрузки по напряжению (мин. 23В)
• Встроенная защита от перегрева
• Встроенный высоковольтный полевик
• Автоматический рестарт

Схема ИИП на KA1H0165R

Для блока используется трансформатор с маркировкой «WYEEL-19B», один из них в процессе пострадал и был изучен. Получившиеся данные его примерно такие:

Первичная обмотка — намотана в 2 слоя и содержит примерно 300 витков. Обмотка самопитания — 15 витков, вторичная на 5В — 5 витков. Таким образом, грубо можно считать, что в данной схеме 1 виток соответствует 1 В.

Параметры для импульсного блока питания вышли очень даже неплохие (5В 2,5А), блок питания был проверен на нагрузке из 4 резисторов по 10 Ом. Учитывая их, можно было перемотать трансформатор, пересчитать обратную связь (на TL431), на нужное напряжение. Позднее я собрал такой же импульсный блок питания к усилителю для наушников (2х15В). Чертёж его платы так же в приложенном архиве.

печатная плата

Блок питания на 1h0165

Блок питания на 1h0165

Блок питания на 1h0165 сторона дорожек

АРХИВ:

Необычный блок питания на микроконтроллере

Этот блок питания уже рассматривался на местном форуме, однако полного описания конструкции там не было. Теперь я решил подробно рассказать, как его настраивать и пользоваться им. От большинства блоков питания, описываемых в интернете, он отличается методом понижения напряжения и компактной формой корпуса.

На самом деле, это не полноценный блок питания, а понижающий преобразователь напряжения. В качестве DC-DC используется преобразователь на микросхеме LM2576, управляемый микроконтроллером. В блоках питания с микроконтроллерным управлением, конструкции которых обычно описываются в интернете, понижение напряжения обычно производится линейным методом — вся лишняя мощность в таких блоках питания рассеивается радиатором мощного транзистора.
Использование преобразователя DC-DC позволяет отказаться от использования большого радиатора. В случае, если нагрузка не требует высокого напряжения, то для обеспечения большого тока можно использовать слаботочный первичный блок питания, но способный выдавать более высокое напряжение (обычно я использую первичный блок питания 24 В, 0.8 А).
Так как большой радиатор в этом блоке питания не нужен, то корпус удалось сделать максимально компактным. Для того, чтобы блок питания занимал меньше места в шкафу, передняя панель сделана откидной.
Недостаток же DC-DC — относительно высокий уровень шумов по питанию (это важно при работе со слабыми сигналами).
Зачем нужно микроконтроллерное управление напряжением? Напряжение на выходе такого блока питания можно точно устанавливать энкодером, при этом регулировку напряжения можно временно заблокировать (чтобы случайно не сбить напряжение, и не сжечь устройство, зацепив ручку энкодера). Дискретность установки напряжения можно менять. Можно управлять напряжением, в зависимости от тока (для заряда аккумуляторов).
Характеристики получившегося блока питания:
Напряжение питания: 7-35 В.
Выходное напряжение: 1.3 — 30 В
Максимальный ток: 3 А
Дискретность установки напряжения: 0.1 В
Дискретность отображения тока: 0.01А (в блоке питания нет стабилизации тока)
Защита от КЗ.
Блок питания разбит на две части (силовую и цифровую), которые сделаны на отдельных платах.
Схема блока питания (силовая часть):

Обвязка LM2576 или LM2596 стандартная — из даташита. Дроссель L1 в данном блоке питания взят из блока питания принтера (там был DC-DC), маркировки на нем не было. Вообще, микросхема LM2576 нетребовательна к дросселю. Параметры дросселей для конкретных токов и напряжений даны в даташите.
Резистор R9 используется для быстрого разряда конденсатора при отключении напряжения.
Для управления напряжением с микроконтроллера используются ОУ U1. U1B повышает напряжение (3 В > 30В), U1A замыкает обратную связь DC-DC, и позволяет регулировать напряжение на выходе.
На ОУ U3 собран узел измерения тока. Стабилитрон D2 защищает микроконтроллер от скачков напряжения, вызываемых скачками тока (например, при КЗ во время разряда конденсатора).
Схема цифровой части:

Тут все довольно стандартно. Питание цифровой части (5В) обеспечивается от отдельного DC-DC — так как входное напряжение может быть большим, то обычные линейные стабилизаторы могут греться, а места под радиатор в корпусе нет. Внимание — линии VCC у цифровой и силовой части разные.
Напряжение для управления DC-DC формируется при помощи ШИМ, и фильтруется ФНЧ на R12,R13,C2,C3.

Транзистор Q1 и его обвязка служат для формирования напряжения 12 В для подсветки индикатора (повышающий преобразователь).
Резистор R9 задает ток срабатывания защиты от КЗ (используется компаратор контроллера).
Кнопки, индикатор, энкодер устанавливаются в передней панели. Для защиты от дребезга выводы энкодера соединяются через конденсаторы 0,01 мкФ с землей.
Фото готового блока питания (на форуме есть другие фотогорафии):

Прошивка для контроллера: прошивка.
Пример установки фьюзов для AVR Studo:

Разводка печатных плат (для Sprint-Layout): .
Описание работы с блоком питания.
При включении блока питания, на индикаторе несколько секунд отображается величина входного напряжения и номер прошивки. После этого блок переходит в режим отображения главного меню — здесь при помощи энкодера нужно выбрать один из 6 режимов. Выбор режима производится кнопкой «Выбор» S3, возвращение в главное меню из любого выбранного режима — кнопкой «Меню» S4. При переходе в главный режим питание нагрузки отключается.
Наиболее часто используемый режим — «Точный», предлагается первым. В этом режиме дискретность установки напряжения — 0.1 В.
На самой верхней строчке отображается желаемое напряжение, которое и устанавливается энкодером. В центре экрана — потребляемый нагрузкой ток. Внизу — напряжение на выходе блока питания, измеренное АЦП (требуемое и желаемое напряжения могут немного различаться при большом токе или высоких напряжениях).
Красная кнопка слева S1 управляет подачей напряжения на нагрузку. Короткое нажатие на нее либо включает нагрузку, либо перезагружает ее (DC-DC остается отключенным до тех пор, пока конденсатор на выходе блока питания не разрядится). Длительное нажатие на кнопку отключает нагрузку.
Нажатием кнопки «Выбор» можно включить или отключить блокировку энкодера, при блокировке около значения желаемого напряжения появляются скобки.
Нажатием кнопки «Грубо» S2 можно управлять дискретностью установки напряжения (шаг установки напряжения становится равным 0.5 В).
Режим работы «Грубый» полностью аналогичен предыдущему, но в нем шаг установки напряжения всегда равен 1 В.
Режим работы, обозначенный в меню «Аккум.», предназначен для зарядки свинцовых аккумуляторов. Нажимая кнопку «Выбор», при помощи энкодера последовательно вводят значения начального напряжения, конечного напряжения, и максимального тока. После этого начинается заряд аккумулятора. Блок питания постепенно поднимает напряжение на выходе от начального до конечного. Если ток превышает установленный, то подъем напряжения прекращается.
В режиме заряда на верхней строчке отображается напряжение на выходе блока питания (измеренное АЦП), в центре — ток, внизу — напряжение, которое ожидается на выходе блока питания.
Режим работы «Конст.» аналогичен режимам грубой и точной установок, но в нем при помощи энкодера выбираются стандартные значения напряжений — 3.3; 5; 7; 9; 12 В
Режим работы, обозначенный в меню «Стат.» — отображаются константы, записанные в EEPROM. Можно просматривать суммарное время работы блока питания, и коэффициенты коррекции, используемые для расчета значения тока.

Режим работы, обозначенный в меню «Калиб.» — определение коэффициентов коррекции при измерении тока. Так как у ОУ имеется напряжение смещения, то для большей точности измерения тока приходится измерять эти коэффициенты.
Для измерения коэффициентов к блоку питания через амперметр нужно подключить нагрузку, способную выдержать ток до 1 А. Я использовал достаточно мощную автомобильную лампочку.
После нажатия кнопки «Выбор» энкодером нужно установить на выходе блока такое напряжение, при котором ток через нагрузку будет наиболее близок к 0.1 А, затем еще раз нажав «Выбор», устанавливают ток равным 1 А. После третьего нажатия на кнопку контроллер рассчитывает значения коэффициентов и сохраняет их в EEPROM, после чего происходит переход в главное меню.
Защита от КЗ — срабатывает во всех режимах по прерыванию от встроенного в контроллер компаратора, при этом подача питания на нагрузку отключается, на экран выводится сообщение. Через 0.5 сек производится проверка — на нагрузку подается напряжение 1.3В, если ток при этом превысит 3А, то защита отключается, иначе процесс повторяется.
Настройка блока питания при сборке.
Так как конструкция у меня состоит из двух частей, то и собиралась она последовательно. Сначала собирается силовая часть. После сборки резисторы R2, R10 устанавливаются в нижнее по схеме положение. Это обеспечит защиту контроллера от перенапряжения при последующем подключении. После установки перемычки J1 и подачи напряжения на вход силовой части, проверяют ее работоспособность — на выходе DC-DC должно быть напряжение не менее 1.3 В, которое должно изменятся при подаче внешнего напряжения на линию VOLT_CTRL. DC-DC должен обеспечивать нужный ток.
Затем собирается цифровая часть. Наладки она не требует (возможно, потребуется поменять выводы энкодера местами).
Сначала настраивается индикация входного напряжения (резистором R2). Для контроля правильности настройки придется включать и отключать первичный блок питания. Последующая настройка идет в точном режиме.
Далее настраивается коэффициент усиления ОУ, отвечающего за установку напряжения. Энкодером нужно установить нужное напряжение, например 10 В, подключить к выходу блока питания мультиметр, и поворачивая резистор R1, добиться совпадения напряжений на экране (желаемого) и мультиметре. После этого, поворотом резистора R10 добиваются совпадения напряжений на экране (действительного) и мультиметре.
После этого к выходу блока питания подключают нагрузку и амперметр, энкодером устанавливают такое напряжение, при котором ток в нагрузке близок, например, к 1 А, и поворотом резистора R12 устанавливают такое же значение тока на экране. После этого нужно произвести определение коэффициентов тока, как описано выше.
Резистор R9 на цифровом блоке используется для установки тока срабатывания защиты от КЗ. После подключения к блоку питания нагрузки, способной выдержать ток 3 А, и установки нужного напряжения, подстраивают резистор, добиваясь срабатывания защиты.
В случае одиночной платы при настройке прибора важно контролировать положения резисторов R2, R10, чтобы напряжения на их выходах не превышали 5 В.