Как работает простой и мощный импульсный блок питания

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

Конструктивные особенности и принцип работы

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

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

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

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

Упрощенная структурная схема аналогового БП
Упрощенная структурная схема аналогового БП

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

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

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

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12
Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

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

Импульсные устройства

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

Структурная схема импульсного блока питания
Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

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

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

Пример миниатюрных импульсных БП
Пример миниатюрных импульсных БП
  • Далее вступает в работу выходной выпрямитель, поскольку он работает с высокочастотным напряжением, для процесса необходимы быстродействующие полупроводниковые элементы, поэтому для этой цели применяют диоды Шоттки.
  • На завершавшей фазе производится сглаживание на выгодном фильтре, после чего напряжение подается на нагрузку.

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

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

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

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

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов
Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

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

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

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

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

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

Сильные и слабые стороны импульсных источников

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

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

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

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

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

Сфера применения

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

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

Собираем импульсный БП своими руками

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

Принципиальная схема импульсного БП
Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

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

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

Комментарии и отзывы (23)

  1. Виталий

    Сайт понравился. Но вот такой вопрос, все изложено прекрасно, но мы живем в такое время, когда редко кого заинтересует самостоятельная сборка электронного устройства. Проще купить новое. А вот вопрос быстрой проверки годности и ремонта! Например, я купил аккумуляторный опрыскиватель, он проработал без зарядки все лето. Начал заряжать, не работает зарядка. Разобрал, посмотрел, как баран, покачал палочкой монтаж, почистил от канифоли, собрал, работает. Дотронулся — не работает, пошевелил, опять работает. Хорошо бы знать методы проверки. Я лично знаю только внешний осмотр электролитов, пайку, и почернение резисторов….все!

  2. Константин

    Вполне возможно что ошиблись с намоткой трансформатора (если во всём остальном точно нет ошибок), при намотке транформатора важно учитывать не только начало и конец обмоток, но так же их фактическое расположение, грубо говоря, каждая обмотка должна быть намотана равномерно т.е.: на каждую «единицу витка вторички» должна соответсвовать своя «единица первички», а первичную обмотку лучше вовсе разбить на две половины, то есть в данном случае мотается сперва 300 витков первички, далее 44витка, далее доматывается первичкп 300 витков, ну и затем обмотка связи в 5 витков.

  3. Наталья

    Статья супер, но не хватает описания работы последней схемы. Можно написать, если не сложно?

    1. Константин

      Чтож…

      Конкретно по данной схеме (надеюсь очень детальное объяснение никому не понадобится, основательно объясню только важную часть)

      Диодный мост-> кондёры-> и поехали к блокинг генератору

      Будем считать что тока пока нигде нет.

      В начале цикла, транзистор приоткрывается через резистор R2 и начинает идти «заряд» трансформатора через обмотку трансформатора 1-2, т.к. ток для открывания транзистора через R2 очень мал, используется цепь: обмотка 5-6 -> пара C5 и R1, то есть после того как начинает идти насыщение трансформатора через обмотки 1-2, на обмотке 5-6 возникает ток, который, протекая через пару C5 и R1, дооткрывает транзистор и происходит полное насыщение трансформатора, в то же время конденсатор C5, является «временным ограничителем», т.к. после его полного заряда ток через него перестаёт протекать.

      Стоит заметить, что трансформатор насытился по полярности «+» на конце «1» и «-» на конце «2» обмотки, ну и соответственно «5» и «3» тоже плюса. (Для упрощения в дальнейшем буду писать плюса на началах)

      Далее, после полного насыщения трансформатора, происходит его разряд, и за счет «инерции» магнитного поля разряд трансформатора «заходит» на отрицательную область (обратный ход), то есть на началах обмоток теперь минуса, за счет чего происходит разряд конденсатора C5 и полное закрывание транзистора, (кстати обычно такие схемы делаются по принципу обратного хода, т.е. с обмотки 3-4, нагрузка снимается только во время обратного хода, а не ставится диодный мост) так же в этот момент происходит заряд конденсатора C6, который служит для удержания генератора в выключенном состоянии (время разряда трансформатора) VD6 необходим для более точного согласования напряжений, т.к. напряжение для закрытия транзистора необходимо менее одного вольта, а на C6 за один обратный ход накапливается несколько вольт (зависит от обмоток), после чего C6 начинает разряжается, транзистор снова приоткрывается через R2 и цикл запускается заново.

  4. Андрей

    Собрал блок по схеме,но он не работает. Секунд через 5 сгорает транзистор . В схеме точно не ошибки

  5. Дмитрий

    Здравствуйте, скажите пожалуйста, за что отвечает подключение между С1 и С2 и правее FU1 на данной схеме?

    1. Дмитрий

      соединение с корпусом чтоль?

      1. Константин

        Да, это своего рода заземление.

  6. Иванов

    Прекрасно! Успехи! Благодаря!

  7. Андрей

    Опишите работу конкретной схемы если не сложно. Для чего служат vd5, vd6, vd7, c6 ?

  8. сергей

    Подскажите с3 22*450 а если поставить 33*450 можно и на что это влияет

  9. михаил

    Спасибо за лекцию. Но совсем не раскрыта работа С7, С8. Расскажите как они участвуют в работе силовых триодов.
    Например; 1. если открыт верхний триод, что делает верхний С7.
    2. если открыт нижний триод, как работают С7 С8.
    Спасибо.

    1. Макаров Дмитрий

      На схеме, приведенной в статье, силовые триоды просто отсутствуют (в большинстве случаев их давно вытеснили полупроводниковые приборы, исключение составляют радиостанции и некоторое оборудование с частотой в сотни МГц). Конденсаторы С7 и С8 используются для подключения микросхемы стабилизатора, в данном примере рассмотрена модель КР 142.

      Если рассмотреть работу конденсаторов более детально, то С7 выступает в роли сглаживающего фильтра. Он необходим, так как с диодного моста VD8…VD11 поступает импульсное напряжение, а введение параллельно выводам моста конденсатора приводит к плавному нарастанию напряжения. Благодаря С7 на выводы стабилизатора D1 ( 17 – 8 ) подается более сглаженная форма кривой напряжения.

      функция конденсатора как фильтра

      Конденсатор С8 выполняет идентичную функцию, но уже по отношению полученного со стабилизатора напряжения, подаваемого дальше на нагрузку. Он также сглаживает возможные пульсации и выравнивает форму кривой. Как видите, установка конденсаторов С7 и С8 необходима для корректировки рабочих параметров блока питания. Они актуальны для электронных потребителей, если же блок питает чисто резистивную нагрузку, эти конденсаторы могут не устанавливаться.

  10. Никита

    ошибок в тексте куча….исправьте пожалуйста (к примеру — «ферримагнитных материалов» — правильно «ферромагнитных», «Шотке» — правильно «Шоттки»)…..

    1. Дмитрий Макаров

      Ну вы громко заявили — много ошибок… По «Шотке» например — я согласен. Просто опечатался. Исправил. Тут спасибо. А по ферримагнитным материалам — тут вы не правы. Именно о них и идет речь в статье. Не путать с ферромагнетиками. Вот ознакомьтесь, пожалуйста, https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B5%D1%80%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8
      Если вы еще видите ошибки — я буду рад их исправить.

  11. Вячеслав

    Здравствуйте.
    Имеется зарядка от телефона с выходом 5в 2А, возможно ли доработать схему с выходом на 12в 20А для запитки шуруповёрта.

    1. Пользователь

      Нет. Мощность такого телефонного БП не превышает 10-15 Вт, на 12В максимум 1 ампер получите.

      1. User

        А если просто необходимо поднять напряжение с 5 до 12 вольт? какой элемент за это отвечает?

    2. Дмитрий

      Почему так скромно, всего 12В 20А? Всего-то 240Ватт из 10 Ваттной зарядки. Давайте-ка сразу в сварочный инвертор, 4 кВт))))

  12. Васька Сашин

    На фото блок сделан не грамотно, есть блоки питания позволяющие подключать внешнее управление собранное на микросхеме к примеру NCP4300A, если нет точки куда подключить управление то можно блок разобрать и найти по схеме куда подпаять выход схемы управления. Блок желательно на 15 В. У нас на производстве так делают, и АКБ заряжается и напряжение 13,8 В выдаёт. Стоит ещё ключ переключающий АКБ для питания нагрузки при пропадании напряжения в сети. Будут вопросы пишите.

    1. Дмитрий

      Да была неточность. Сейчас я переписал и актуализировал данную статью. Надеюсь будет вам полезно!

      1. Олександр

        А какие данные бп который на последней схеме?

  13. Михаил

    Спасибо всё понятно. но есть нюансы которые не были затронуты, хотелось бы более широкое пояснение к схемам.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *