Інвертор в блок живлення. Як зробити зварювальний інвертор своїми руками

12.01.2024

Передмова

Хочу заздалегідь попередити шанованих читачів цієї статті про те, що ця стаття матиме не зовсім звичну для читачів форму та зміст. Поясню чому.

Наданий Вашій увазі матеріал є абсолютно ексклюзивним. Всі пристрої, про які піде мова в моїх статтях, розробляються, макетуються, налаштовуються і доводяться до розуму особисто мною. Найчастіше все починається зі спроби реалізувати практично якусь цікаву ідею. Шлях буває дуже тернистий, і займає часом досить тривалий час і який буде кінцевий результат, і чи буде він взагалі - заздалегідь не відомо. Але, практика підтверджує - дорогу здолає той, хто йде ..., і результати, часом перевершують всі очікування ... А як цікавий сам процес - словами не передати. Треба визнати, що знань і умінь у мене (як у всіх, треба відзначити) вистачає не завжди, і мудрі та своєчасні поради лише вітаються, і допомагають довести задум до логічного кінця. Ось така специфіка.

Ця стаття адресована не стільки початківцям, а скоріше до людей, які вже мають необхідні знання та досвід, яким теж цікаво ходити нехоженими стежками, і яким стандартні підходи до вирішення завдань не такі цікаві… Важливо зрозуміти, що це не матеріал для бездумного повторення, а швидше – напрямок у якому треба рухатися…Не обіцяю читачам великих подробиць про очевидні, загальновідомі та зрозумілі грамотному в електроніці речі…, але обіцяю, що головна СУТЬ завжди буде добре освітлена.

Про інвертор

Інвертор, про який піде мова, з'явився на світ саме описаним вище чином. публікувалися ... Більше того - передостанній варіант схеми вже практично використовується, а крайній (сподіваюся - найдосконаліший з них), поки тільки на папері і ще не макетувався, але в працездатності його не сумніваюся, а виготовлення та його перевірка займе всього пару днів ...

Знайомство з мікросхемою для напів-мостового інвертора IR2153, справило гарне враження - досить маленький струм, що споживається по живленню, наявність дід-тайму, вбудований контроль харчування ... Але у неї два істотних недоліки - відсутня можливість регулювати тривалість імпульсів на виході і досить маленький струм драйверів ... (Реально він не озвучений в датасіті, але навряд чи він більш ніж 250-500 мА ...). Необхідно було вирішити два завдання – придумати, як реалізувати регулювання напруги інвертора, і як збільшити струм драйверів силових ключів.

Ці завдання вдалося вирішити введенням у схему оптичних драйверів польових транзисторів та диференційних ланцюгів на виходах мікросхеми IR2153 (див. рис.1).

Рис.1

Пара слів про те, як працює регулювання тривалості імпульсів. Імпульси з виходів IR2153 надходять на диференціюючі ланцюги, що складаються з елементів С2, R2, світлодіод оптичного драйвера, VD3-R4- транзистор оптрона…, і елементів С3, R3, світлодіод оптичного драйвера, VD4-R5- транзистор оптрону… , Що, при закритому транзисторі оптрона зворотного зв'язку, тривалість імпульсів на виходах оптичних драйверів практично дорівнює тривалості імпульсів на виходах IR2153. При цьому напруга на виході інвертора – максимальна.

У момент, коли напруга на виході інвертора досягає напруги стабілізації, починає відкриватись транзистор оптрона …, це призводить до зменшення постійного часу диференціюючого ланцюга, і, як наслідок, до зменшення тривалості імпульсів на виході оптичних драйверів. Це забезпечує стабілізацію напруги на виході інвертора. Діоди VD1, VD2 ліквідують негативний викид, що виникає під час диференціювання.

Тип оптичних драйверів навмисне не озвучую. Ось чому оптичний драйвер польового транзистора, це велика окрема тема для розмови. Номенклатура їх дуже велика – десятки…, якщо не сотні типів…, на будь-який смак та колір. Щоб зрозуміти їхнє призначення та їх особливості, необхідно повивчати їх самостійно.

Цей інвертор має ще одну важливу особливість. Поясню. Так як основне призначення інвертора - зарядка літієвих (хоча - можна будь-яких, звичайно) акумуляторів, довелося вжити заходів щодо обмеження струму на виході інвертора. Справа в тому, що якщо підключити до блоку живлення розряджений акумулятор, струм зарядки може перевищити всі розумні межі. Мінус акумулятора, що заряджається, підключається не до мінуса інвертора, а до верхнього за схемою виведення Rш ... При протіканні струму через Rш, підвищується потенціал на керуючому електроді TL431 ..., що призводить до зменшення напруги на виході інвертора, і, як наслідок, до обмеження струму зарядки. У міру зарядки акумулятора, напруга на ньому зростає, але слідом за ним, зростає і напруга на виході інвертора, прагнучи до напруги стабілізації. Коротше - проста, і ефективна до неподобства штуковина. Змінивши номінал Rш, легко обмежити струм заряду на будь-якому потрібному рівні. Саме тому, сам номінал Rш не озвучений (орієнтир – 0,1 Ом і нижче), його легше підібрати експериментально.

Передбачаючи безліч коментарів про «правильність» і «неправильність» принципів зарядки літієвих акумуляторів, велике прохання - від подібних коментарів утриматися і повірити на слово, що я більш ніж в курсі, як це робиться ... Це велика, окрема тема ..., і в рамках цієї статті вона не обговорюватиметься.

Кілька слів про ВАЖЛИВІ особливості налаштування сигнальної частини інвертора.

Для перевірки працездатності та налаштування сигнальної частини інвертора необхідно подати +15 Вольт у ланцюг живлення сигнальної частини від будь-якого зовнішнього блока живлення та проконтролювати осцилографом наявність імпульсів на затворах силових ключів. Потім необхідно імітувати спрацювання оптрона зворотного зв'язку (подавши напругу на світлодіод оптрона) і переконатися, що при цьому відбувається майже повне звуження імпульсів на затворах силових ключів. При цьому, зручніше щупи осцилографа підключити не штатно, а інакше – сигнальний провід щупа до одного із затворів силового ключа, а загальний провід щупа осцилографа – до затвора іншого силового ключа. Це дасть можливість бачити імпульси різних напівтактів одночасно … Напівтакти ми побачимо імпульси протилежної полярності, тут значення не має). Тепер найважливіше - необхідно переконається (або домогтися), щоб при включеному оптроні зворотного зв'язку керуючі імпульси не звужувалися до нуля (залишилися мінімальної тривалості, але не втратили прямокутну форму ...). Крім того, важливо, підбором резистора R5 (або R4) домогтися, щоб імпульси в сусідніх напівтактах були ОДИННОЇ тривалості ... (різниця цілком ймовірна, через різницю характеристик оптичних драйверів). Див. Рис.2

Рис.2

Після цих турбот, підключення інвертора до мережі 220 Вольт, пройде, швидше за все, без проблем. Дуже бажано при налаштуванні підключити до виходу інвертора невелике навантаження (автомобільну лампочку на 5 Вт) ... Через ненульову мінімальну тривалість керуючих імпульсів, без навантаження, напруга на виході інвертора може бути вищою за напругу стабілізації. Це не заважає експлуатації інвертора, але, цього неприємного моменту, сподіваюся позбутися в наступному варіанті інвертора.

Важливе для малювання друкованої плати – вона має низку особливостей.

Останні кілька років використовую плати розроблені під аля-планарний монтаж елементів. Тобто всі елементи розташовані з боку друкованих провідників. Таким чином припаяні всі елементи схеми …, навіть ті, які від народження не призначені для планарного монтажу. Це значно зменшує трудомісткість виготовлення. Крім того, плата має абсолютно плоску нижню частину і з'являється можливість розмістити плату безпосередньо на радіаторі. Подібна конструкція помітно спрощує процес заміни елементів при налаштуванні та ремонті. Деякі з'єднання (найзручніші, для розведення друкованим способом) виконуються ізольованим монтажним проводом. Це цілком виправдано, оскільки дозволяє значно зменшити розмір плати.

Сам малюнок друкованої плати (див.Рис.3), це скоріше ОСНОВА для саме Вашої конструкції. Її остаточний малюнок буде необхідно коригувати під оптичні драйвера, що використовуються саме Вами. Треба мати на увазі, що різні оптичні драйвери мають різні корпуси, і нумерація і призначення висновків, може відрізнятися від наведеної на схемі в цій статті. Подана плата пережила вже штук десять модифікацій щодо сигнальної частини. Коригування сигнальної частини, часом дуже значне, забирає зовсім небагато часу.

Рис.3

Наводити точний перелік елементів у рамках цієї статті я не планую. Причина проста - головна мета всієї цієї метушні, зробити корисну річ з мінімальними витратами праці з максимально доступних елементів. Тобто - збирайте, що є. До речі – якщо вихідну напругу інвертора не планується робити більше двадцяти вольт, то як вихідний трансформатор можна використовувати будь-який трансформатор від комп'ютерного блоку живлення (зібраного за напівмостовою схемою). Фото нижче - загальний вигляд зібраного інвертора, щоб Ви мали уявлення, як це виглядає (краще - один раз побачити, ніж сто разів почути). Дуже прошу бути поблажливими до якості складання, але у мене просто виходу немає - руки всього дві... Паяєш поточний варіант, а в голові вже наступний варіант майже дозрів... І інакше - ніяк...- через сходинку не стрибнеш. .

Так, ось про що забув згадати - напевно виникнуть питання про потужність інвертора. Відповім так – максимальну потужність подібного інвертора заочно важко оцінити…, вона визначається, в основному, потужністю силових елементів, що застосовуються, вихідного трансформатора і максимальним піковим струмом виходу оптичних драйверів. При великих потужностях великий вплив почнуть надавати сама конструкція, демпферні ланцюги силових ключів, знадобиться застосування синхронних випрямлячів замість діодів на виході. Коротше – це вже зовсім інша історія, значно складніша в реалізації. акумулятора з напругою 21,9 Вольт (ємність - 15А/год) струмом 7-8 Ампер ... Це та грань, де температура радіатора і трансформатора знаходиться в розумних межах і не потрібно примусового охолодження ... На мій смак - дешево і сердито.

Більш детально говорити про цей інвертор у рамках цієї статті я не планую. Все висвітлити не можливо (і забирає таку хмару часу, треба помітити...), так що буде розумніше обговорити питання, що виникли в окремій темі на форумі паяльника. Там я вислухаю всі побажання та критичні зауваження, і відповім на запитання.

Не сумніваюся – дуже багатьом може не сподобається такий підхід. А багато хто впевнений, що все вже придумано до нас... Запевняю - це не так...

Але це не кінець історії. Якщо буде інтерес, то можна буде продовжити розмову, адже є ще один, крайній варіант сигнальної частини. …Сподіваюся – продовження слідує.

Доповнення від 25.06.2014

Ось так виходить і цього разу - ще не встигли висохнути чорнило в статті, а вже з'явилися дуже цікаві думки, як зробити сигнальну частину інвертора досконалішою.

Хочу попередити, що всі малюнки, позначені підписом "проект" у повністю зібраному інверторі не перевірялися! Але якщо працездатність окремих фрагментів схеми була перевірена на макеті, і їхня працездатність підтвердилася, я обговорюватиму особливо.

Принцип роботи допрацьованої сигнальної частини, як і раніше, ґрунтується на диференціюванні імпульсів з мікросхеми IR2153. Але з погляду правильності побудови електронних схем, підхід тут грамотніший.

Пара пояснень - власне диференціюючі ланцюги тепер включають C2, R2, R4 і C3, R3, R5 плюс діоди VD1, VD2 і оптрон зворотного зв'язку. Діоди, що усувають негативні викиди, що виникають при диференціюванні - виключені..., тому що в них немає необхідності - польові транзистори допускають подачу напруги затвор-витік +/-20 Вольт. Продиференційовані імпульси, що змінюють свою тривалість при впливі оптрона зворотного зв'язку, надходять у затвори транзисторів Т1, Т2, які включають світлодіоди оптичних драйверів.

Ця схема перевірена на макеті. Вона показала хорошу працездатність та велику гнучкість у налаштуванні. Настійно рекомендую використовувати.

На фото нижче - фрагмент принципової схеми зі зміненою сигнальною частиною та малюнок друкованої плати з корекціями під доопрацьовану сигнальну частину.

Далі буде...

Доповнення від 29.06.14

Ось так виглядає останній варіант сигнальної частини інвертора, про який я згадував на початку статті. Зрештою, знайшов час зробити його макет і подивитися в реалії на його роботу… Подивився…, і таки – так, саме він і буде призначений найдосконалішим із запропонованих… Схему можна назвати вдалою і тому, що всі елементи виконують функції, для яких та призначені від народження.

У цьому варіанті регулятора використаний інший, більш звичний спосіб зміни тривалості управляючих. Імпульси з виходів IR2153 перетворюються з прямокутної, трикутну форму, інтегруючими ланцюгами R2,C2 і R3,C3. Сформовані трикутні імпульси надходять на входи, що інвертують, здвоєного компаратора LM393. На входи компараторів, що не інвертують, надходить напруга з дільника R4, R5. Компаратори порівнюють поточне значення трикутної напруги з напругою дільника R4,R5, і в моменти, коли величина трикутної напруги перевищує напругу дільника R4,R5, на виходах компараторів виникає низький потенціал. Це призводить до включення світлодіода оптичного драйвера… ЗБІЛЬШЕННЯ напруги з дільника R4, R5 призводить до ЗМЕНШЕННЯ тривалості імпульсів на виходах компараторів. Саме це дозволять організувати зворотний зв'язок виходу інвертора з формувачем тривалості імпульсів, і забезпечити тим самим стабілізацію та управління вихідною напругою інвертора. При спрацьовуванні оптрона зворотного зв'язку, транзистор оптрона відкривається, напруга з дільника R4, R5 – збільшується, що призводить до зменшення тривалості керуючих імпульсів…, при цьому, вихідна напруга – зменшується… Величина резистора R6* визначає ступінь впливу ланцюга зворотного зв'язку на тривалість імпульсів, що формуються. … – чим номінал резистора R6* менше, тим менша тривалість імпульсів при спрацьовуванні оптрона зворотного зв'язку… При налаштуванні, зміна номіналу резистора R6*, дозволяє досягти того, що тривалість сформованих імпульсів у момент спрацьовування оптрона зворотного зв'язку буде прагнути (або буде рівною – тут це не страшно) до нуля. Малюнки нижче допоможуть зрозуміти суть роботи компараторів.

Пара слів про важливе при налаштуванні.Сама процедура налаштування досить проста, але зробити її без осцилографа – навіть не намагайтеся... Це рівносильно спробам їхати із зав'язаними очима... Особливість (і це, скоріше, його гідність, ніж недолік) у тому, що він дозволять сформувати імпульси з будь-яким співвідношенням тривалостей у сусідніх каналах... Потрібно розуміти, що формувач може як змінити (ввести або усунути повністю) тривалість дід-тайму між імпульсами сусідніх каналів, але навіть сформувати їх так, що імпульси сусідніх каналів «накладатимуться» один на одного ..., що, природно – неприпустимо... Ваше завдання – контролюючи осцилографом імпульси на виході драйверів, змінюючи номінал резистора R4*, виставити на входах компараторів, що не інвертують, таку напругу, при якій на виходах драйверів будуть сформовані імпульси, розділені дід-таймом -2 мкС (чим дід-тайм ширший – тим ризик наскрізних струмів – менше).

Потім, необхідно включити оптрон зворотного зв'язку, і, змінюючи величину резистора R6 *, вибрати його таким, при якому тривалість зменшується до нуля. Під час цієї процедури буде не шкідливо проконтролювати МОМЕНТ ЗНИКНЕННЯ формованих імпульсів. Дуже бажано, щоб повне зникнення формованих імпульсів відбувалося ОДНОЧАСНО... Неодночасне зникнення можливе, якщо дуже різні параметри інтеграторів R2, C2 і R3, C3. Це можна вилікувати невеликою зміною номіналів елементів одного з інтеграторів. Я зробив це практично. Для зручності, тимчасово замість ланцюга транзистор оптрона-R6*, підключив потенціометр на 20 Ком, і виставив тривалість імпульсів на межі зникнення. Різниця в тривалості сформованих імпульсів, виявилася нікчемною ... Але і її я усунув, уставивши додаткової конденсатор (всього 30 пФ), паралельно конденсатору С3.

Пара слів про особливості роботи оптичних драйверів... При налаштуванні з'ясувалося, що оптичні драйвера краще працюють при більшому струмі світлодіодів. (1-2мкС), що збігаються за часом з положеннями фронтів імпульсів. Це важливо, тому що дозволяє зрозуміти, що середній струм споживаний світлодіодом оптодрайвера реально зовсім не високий. Цими міркуваннями обумовлений вибір номіналу резистора R7. Реально виміряний ПІКОВИЙ струм світлодіода оптодрайвера при зазначеному на схемі номіналі становить 8-10 мА.

У схему доданий діод (VD5) в ланцюзі живлення нижнього драйвера. Поясню навіщо. Застосовувані мною оптодрайвери, мають вбудовану систему контролю живлення. У зв'язку з тим, що в ланцюгу живлення верхнього драйвера завжди використовується діод, напруга живлення верхнього драйвера завжди виявляється трохи нижче за напругу живлення нижнього драйвера. Тому, при зниженні напруги живлення, імпульси з виходу верхнього драйвера зникають трохи раніше ніж нижнього. Щоб зблизити моменти відключення драйверів і введено діод VD5. На ці моменти завжди слід звертати увагу…

Тут же, саме час помітити, що цей формувач можна використовувати (після невеликої зміни логіки роботи компаратора) разом із звичайними (не оптичними) драйверами напівмостів. Хто не зрозумів про що мова, подивіться, наприклад, що таке IR2113. Подібних – темрява …, і їх застосування може виявитися навіть кращим за оптичні… Але це тема для наступного доповнення до статті… Не обіцяю, що перевірю на практиці їхню роботу, але хоча б на рівні принципових схем кількох варіантів – немає проблем….

Ось так – буків багато – але реально налаштування зводиться до підбору двох резисторів. Хочу особливо відзначити, що цей формувач НЕ критичний до свого харчування – в діапазоні живлення мікросхеми IR2153 (9-15 Вольт), він працює абсолютно адекватно. Зникнення імпульсів з виходів IR2153 при зниженні її живлення (у момент вимкнення блоку) призводить до закриття силових ключів.

Ще пара порад – не варто намагатися замінити IR2153 якимось аналогом на дискретних елементах – це не продуктивно… Реально, це можливо, але просто не розумно – кількість деталей зросте в рази (в оригіналі – їх лише три… куди менше). Крім того, доведеться вирішувати питання щодо поведінки аналога при включенні та виключенні (а вони будуть однозначно). Боротьба з цим ще більше ускладнить схему, і сенс цієї витівки зведеться нанівець.

Для тих, кому ця тема цікава, додаю для зручності скориговані під даний формувач малюнки друкованих плат. Серед них – власне формувальник у вигляді субмодуля... – з них зручніше розпочати перше знайомство. ОСОБЛИВО підкреслю – якщо вирішите спробувати налаштувати формувач автономно (не підключаючи силові ключі), пам'ятайте, що при налаштуванні необхідно з'єднати «віртуальний» загальний верхній драйвер, з реальним загальним проводом (інакше – у верхнього драйвера буде відсутнє живлення).

Хоча подальші зміни інвертора я не планував, але треба помітити, що наявність всього одного ланцюга регулювання тривалості дозволять легко ввести в нього будь-які захисту струму. Це окрема цікава тема, і ми, можливо, повернемося до неї пізніше…

На закінчення даного доповнення нагадаю - від народження, основне призначення інвертора - заряджання літієвих акумуляторів. Особливими, дуже важливими властивостями, його наділяє застосування у схемі Rш.

Якщо не використовувати Rш (перемкнути) - матимемо звичайний інвертор зі стабілізацією напруги (але, без будь-якого захисту струму, звичайно…).

Список радіоелементів

Позначення	Тип	Номінал	Кількість	Примітка	Мій блокнот
	Драйвер живлення та MOSFET	IR2153	1		До блокноту
	ІВ джерела опорної напруги	TL431	1		До блокноту
Т1, Т2	Польовий транзистор		2		До блокноту
VD1-VD6	Діод		6		До блокноту
VD7, VD8	Випрямний діод	FR607	2		До блокноту
VD9	Діодний міст	RS405L	1		До блокноту
	Оптопара		1		До блокноту
	Оптичний драйвер		2		До блокноту
З 1	Конденсатор	3900 пФ	1		До блокноту
С2, С3, С10	Конденсатор	0.01 мкф	3		До блокноту
С4		100 мкФ 25 В	1		До блокноту
С5, С6	Конденсатор	1 мкФ	2		До блокноту
С7, С12	Конденсатор	1000 пФ	2		До блокноту
С8, С9	Електролітичний конденсатор	150 мкФ 250 В	2		До блокноту
С11	Електролітичний конденсатор	1000 мкФ	1		До блокноту
R1	Резистор	5.1 ком	1		До блокноту
R2, R3	Резистор	1.3 ком	2		До блокноту
R4, R5	Резистор	110 Ом	2		До блокноту
R6, R7	Резистор	10 Ом	2		До блокноту
R8, R9	Резистор	10 ком	2		До блокноту
R10, R15	Резистор	3.9 ком	2	R10 0.5 Вт.	До блокноту
R11	Резистор	3 ком	1	0.5 Вт	До блокноту
R12	Резистор	51 Ом	1	1 Вт	До блокноту
R13, R14	Резистор	100 ком	2		До блокноту
R16, R18	Резистор	1 ком	2		До блокноту
R17	Резистор	7.76 ком	1		До блокноту
Rш	Резистор	0.1 Ом і менше	1		До блокноту
	Трансформатор		1	Від комп'ютерного БП	До блокноту
	Котушка індуктивності		1		До блокноту
F1	Запобіжник	2 А	1		До блокноту
	генератор, Що Задає. Варіант №2.
	Драйвер живлення та MOSFET	IR2153	1		До блокноту
T1, T2	MOSFET-транзистор	2N7002	2		До блокноту
	Оптопара		1		До блокноту
	Оптичний драйвер		2		До блокноту
VD1-VD3	Діод		3		До блокноту
З 1	Конденсатор	2200 пФ	1

Сфера застосування імпульсних блоків живлення у побуті постійно розширюється. Такі джерела застосовуються для живлення всієї сучасної побутової та комп'ютерної апаратури, реалізації джерел безперебійного електроживлення, зарядних пристроїв для акумуляторів різного призначення, реалізації низьковольтних систем освітлення та інших потреб.

У деяких випадках покупка готового джерела живлення мало прийнятна з економічної або технічної точки зору і збирання імпульсного джерела власноруч є оптимальним виходом з такої ситуації. Спрощує такий варіант та широка доступність сучасної елементної бази за низькими цінами.

Найбільш затребуваними у побуті є імпульсні джерела з живленням від стандартної мережі змінного струму та потужним низьковольтним виходом. Структурна схема такого джерела показано малюнку.

Мережевий випрямляч СВ перетворює змінну напругу мережі живлення в постійне і здійснює згладжування пульсацій випрямленої напруги на виході. Високочастотний перетворювач ВПП здійснює перетворення випрямленої напруги в змінну або однополярну, що має форму прямокутних імпульсів необхідної амплітуди.

Надалі така напруга або безпосередньо, або після випрямлення (ВН) надходить на фільтр, що згладжує, до виходу якого підключається навантаження. Управління ВПП здійснюється системою управління, що отримує сигнал зворотного зв'язку від випрямляча навантаження.

Така структура пристрою може бути піддана критиці через наявність декількох ланок перетворення, що знижує ККД джерела. Однак, при правильному виборі напівпровідникових елементів та якісному розрахунку та виготовленні моточних вузлів, рівень втрат потужності у схемі малий, що дозволяє отримувати реальні значення ККД вище 90%.

Принципові схеми імпульсних блоків живлення

Рішення структурних блоків включають як обгрунтування вибору варіантів схемної реалізації, а й практичні рекомендації щодо вибору основних елементів.

Для випрямлення мережної однофазної напруги використовують одну з трьох класичних схем, зображених на малюнку:

однонапівперіодну;
нульову (двонапівперіодну із середньою точкою);
двопівперіодну бруківку.

Кожній з них притаманні переваги та недоліки, які визначають сферу застосування.

Однонапівперіодна схемавідрізняється простотою реалізації та мінімальною кількістю напівпровідникових компонентів. Основними недоліками такого випрямляча є значна величина пульсації вихідної напруги (у випрямленому присутня лише одна напівхвиля напруги мережі) і малий коефіцієнт випрямлення.

Коефіцієнт випрямлення Кввизначається співвідношенням середнього значення напруги на виході випрямляча Udкчинному значенню фазної мережевої напруги Uф.

Для однонапівперіодної схеми Кв = 0.45.

Для згладжування пульсації на виході такого випрямляча потрібні потужні фільтри.

Нульова, або двонапівперіодна схема із середньою точкою, хоч і вимагає подвоєного числа випрямних діодів, однак, цей недолік значною мірою компенсується нижчим рівнем пульсацій випрямленої напруги та зростанням величини коефіцієнта випрямлення до 0.9.

Основним недоліком такої схеми для використання в побутових умовах є необхідність організації середньої точки напруги мережі, що передбачає наявність мережевого трансформатора. Його габарити та маса виявляються несумісними з ідеєю малогабаритного саморобного імпульсного джерела.

Двонапівперіодна бруківка схемавипрямлення має ті ж показники за рівнем пульсації та коефіцієнтом випрямлення, що й нульова схема, але не вимагає наявності мережевого. Це компенсує і головний недолік - подвоєна кількість випрямних діодів як з точки зору ККД, так і за вартістю.

Для згладжування пульсацій випрямленої напруги найкращим рішенням є використання ємнісного фільтра. Його застосування дозволяє підняти величину випрямленої напруги до амплітудного мережевого значення (при Uф=220В Uфм=314В). Недоліками такого фільтра прийнято вважати великі величини імпульсних струмів випрямляючих елементів, але критичним цей недолік не є.

Вибір діодів випрямляча здійснюється за величиною середнього прямого струму Ia і максимальної зворотної напруги U BM.

Прийнявши величину коефіцієнта пульсації вихідної напруги Кп = 10%, отримаємо середнє значення напруги випрямленого Ud = 300В. З урахуванням потужності навантаження та ККД ВЧ перетворювача (для розрахунку приймається 80%, але на практиці вийде вище, це дозволить отримати певний запас).

Ia – середній струм діода випрямляча, Рн-потужність навантаження, η – ККД ВЧ перетворювача.

Максимальна зворотна напруга елемента випрямлення не перевищує амплітудного значення напруги мережі (314В), що дозволяє використовувати компоненти з величиною U BM =400В зі значним запасом. Використовувати можна дискретні діоди, так і готові випрямні мости від різних виробників.

Для забезпечення заданої (10%) пульсації на виході випрямляча ємність конденсаторів фільтра приймається з розрахунку 1мкФ на 1Вт вихідної потужності. Використовуються електролітичні конденсатори з максимальною напругою не менше ніж 350В. Ємності фільтрів для різних потужностей наведено у таблиці.

Високочастотний перетворювач: його функції та схеми

Високочастотний перетворювач є однотактним або двотактним ключовим перетворювачем (інвертор) з імпульсним трансформатором. Варіанти схем ВЧ перетворювачів наведено малюнку.

Однотактна схема. При мінімальній кількості силових елементів та простоті реалізації має кілька недоліків.

Трансформатор у схемі працює по приватній петлі гістерези, що вимагає збільшення його розмірів та габаритної потужності;
Для забезпечення потужності на виході необхідно отримати значну амплітуду імпульсного струму, що протікає через напівпровідниковий ключ.

Схема знайшла найбільше застосування в малопотужних пристроях, де вплив зазначених недоліків менш значний.

Щоб самостійно змінити або встановити новий лічильник, не потрібні особливі навички. Вибір правильної забезпечить коректний облік споживаного струму та підвищить безпеку домашньої електромережі.

У сучасних умовах забезпечення освітлення як усередині приміщень, так і на вулиці дедалі частіше використовують датчики руху. Це надає не тільки комфорту та зручності в наші житла, а й дозволяє суттєво економити. Дізнатися практичні поради щодо вибору місця встановлення, схем підключення можна.

Двотактна схема із середньою точкою трансформатора (пушпульна). Отримала свою другу назву від англійського варіанта (push-pull) опис роботи. Схема вільна від недоліків однотактного варіанта, але має власні – ускладнена конструкція трансформатора (потрібне виготовлення ідентичних секцій первинної обмотки) та підвищені вимоги до максимальної напруги ключів. В іншому рішення заслуговує на увагу і широко застосовується в імпульсних джерелах харчування, що виготовляються своїми руками і не тільки.

Двотактова напівмостова схема. За параметрами схема аналогічна схемою із середньою точкою, але не вимагає складної конфігурації обмоток трансформатора. Власним недоліком схеми є необхідність організації середньої точки фільтра випрямляча, що спричиняє чотириразове збільшення кількості конденсаторів.

Завдяки простоті реалізації схема найбільше широко використовується в імпульсних джерелах живлення потужністю до 3 кВт. При великих потужностях вартість конденсаторів фільтра стає неприйнятно високою в порівнянні з напівпровідниковими ключами інвертора і найбільш вигідною є мостова схема.

Двотактна бруківка схема. За параметрами аналогічна до інших двотактних схем, але позбавлена необхідності створення штучних «середніх точок». Платою за це стає подвоєна кількість силових ключів, що вигідно з економічної та технічної точок зору для побудови потужних імпульсних джерел.

Вибір ключів інвертора здійснюється за амплітудою струму колектора (стоку) I КМАХ та максимальною напругою колектор-емітер U КЕМАХ. Для розрахунку використовуються потужність навантаження та коефіцієнт трансформації імпульсного трансформатора.

Однак, перш за все необхідно розрахувати сам трансформатор. Імпульсний трансформатор виконується на сердечнику з фериту, пермалою або крученого в кільце трансформаторного заліза. Для потужностей до одиниць кВт цілком підійдуть феритові осердя кільцевого або Ш-подібного типу. Розрахунок трансформатора ведеться виходячи з необхідної потужності та частоти перетворення. Для виключення появи акустичного шуму частоту перетворення бажано винести межі звукового діапазону (зробити вище 20 кГц).

При цьому необхідно пам'ятати, що при частотах, близьких до 100 кГц, значно зростають втрати у феритових магнітопроводах. Сам розрахунок трансформатора нескладно і легко може бути знайдений у літературі. Деякі результати для різних потужностей джерел та магнітопроводів наведені у таблиці нижче.

Розрахунок зроблений для частоти перетворення 50 кГц. Варто звернути увагу, що при роботі на високій частоті має місце ефект витіснення струму до поверхні провідника, що призводить до зниження ефективної обмотки. Для запобігання подібним неприємностям і зниження втрат у провідниках необхідно виконувати обмотку з кількох жил меншого перерізу. При частоті 50 кГц допустимий діаметр обмотки не перевищує 0.85 мм.

Знаючи потужність навантаження та коефіцієнт трансформації можна розрахувати струм у первинній обмотці трансформатора та максимальний струм колектора силового ключа. Напруга на транзисторі в закритому стані вибирається вище, ніж випрямлена напруга, що надходить на вхід перетворювача ВЧ з деяким запасом (U КЕМАХ >=400В). За цими даними проводиться вибір ключів. В даний час найкращим варіантом є використання силових транзисторів IGBT чи MOSFET.

Для діодів випрямляча на вторинній стороні необхідно дотримуватись одного правила – їх максимальна робоча частота повинна перевищувати частоту перетворення. В іншому випадку ККД вихідного випрямляча та перетворювача в цілому значно знизяться.

Відео про виготовлення найпростішого імпульсного пристрою живлення

Коли автомобіль довгий час стоїть без діла, його потрібно хоча б раз на місяць заводити. Акумуляторна батарея добре забезпечує електрикою автомобіль протягом 4-5 років, потім вона не в змозі нормально забезпечувати електрикою машину, а також погано заряджається від генератора або портативного зарядного пристрою. Після великого досвіду складання зварювальних інверторів, у мене з'явилася ідея зробити на основі таких апаратів пристрій для запуску двигуна.

Цей пристрій можна використовувати як із встановленим акумулятором, так і без нього. З акумуляторною батареєю інверторному блоку живленнябуде навіть легше заводити двигун. Я намагався завести без батареї двигун на 88 кінських сил. Експеримент удався, без будь-яких поломок.

На інверторі потрібно налаштувати вихідну напругу 11,2 В. Стартер двигуна внутрішнього згоряння розрахований на таку напругу (10-11 В). Інверторний блок живлення, який ми збираємо, має можливість стабілізації напруги, а також функцію захисту від максимальних струмів 224 А, захист від замикання електропроводки.

Технологія IGBT , За якою розроблялася електрична схема пристрою, заснована на принципі повного відкриття та повного закриття потужних транзисторів, які використовуються в блоці. Це дає можливість якнайкраще мінімізувати втрати на ключах IGBT.

На виході є можливість регулювати силу струму та напругу за рахунок зміни ширини імпульсів керування силовими ключами. Так як вони працюють на високих частотах, то регулювання потрібно здійснювати на частоті 56 кГц. Така ідеалізація роботи можлива лише за стабільної частоті на виході, а також утримання її на таких рівнях, при яких діє блок живлення. У такому разі буде, зміняться, лише ширина та тривалість напруги в діапазоні (0% - 45%), від ширини імпульсу. Інші 55% - це нульовий рівень напруги на ключі управління.

Трансформатор інверторного блоку має феритовий сердечник. Це дозволяє підлаштовувати прилад на високій частоті 56 кГц. На металевому осерді не створюються вихрові струми.

IGBT транзистори - мають необхідну потужність, а також не створюють навколо себе вихрових полів. Навіщо потрібно створювати такі високі частоти в блоці живлення? Відповідь очевидна. При використанні трансформатора чим вище частота напруги, тим менше потрібно витків обмотки на сердечнику. Ще одним плюсом високої частоти роботи, високого ККД трансформатора, який у цьому випадку становить 95%, так як обмотки сердечника виконані з товстого дроту.

Трансформаторний пристрій, використовується у схемі маленьке за габаритами і дуже легке. Широтний імпульсний пристрій (ШІМ) створює менше втрат, стабілізуючи напругу, в порівнянні з аналоговими елементами стабілізації. У разі потужність розсіюється на потужних транзисторах.

Ті люди, які знаються на радіоелектроніці, можуть помітити, що трансформатор підключається до джерела живлення під час тактів двома ключами. Один приєднується до плюса, інший до мінусу. Електрична схема побудови за принципом Флі Бак передбачає підключення трансформатора з одним ключем. Таке підключення призводить до великих втрат потужності (складає в цілому близько 10-15% від повної потужності), так як індуктивні обмотки розсіюють енергію на резисторі. Такі втрати потужності неприпустимі для побудови потужних джерел живлення кілька кіловат.

У наведеній схемі такий недолік усунуто. Викид енергій йде через діоди VD18 і VD19 назад у живлення мосту, що ще більше підвищує ККД трансформатора.

Втрати на додатковому ключі становлять трохи більше 40 Ватт. Схема Флі Бак передбачає такі втрати на резисторі, які ставлять 300-200 Ватт. Транзистор IRG64PC50W, який застосовується в електричній схемі блоку живлення за технологією IGBT, має особливість швидкого відкриття. У той же час швидкість закриття набагато гірше, що виробляє до імпульсного нагрівання кристала в момент закриття транзистора. На стінках транзистора виділяється близько 1 кВт енергії як тепла. Така потужність дуже велика для транзистора, що може призвести до перегріву.

Для зниження цієї миттєвої потужності між колектором та емітером транзистора включають додатковий ланцюг С16 R24 VD31. Те саме було зроблено і з верхніми транзисторами IGBT, що знижує потужність на кристалі в момент закриття. Таке використання призводить до підвищення потужності в момент відкриття ключа транзистора. Але воно відбувається майже миттєво.

У момент відкриття IGBT конденсатор С16 розряджається через резистор R24. Заряджання відбувається в момент закриття транзистора через швидкий діод VD3. Як наслідок, затягується формат підйому напруги. Поки закривається IGBT – знижується потужність, що виділяється на ключі транзистора.

Така зміна електричного ланцюга відмінно справляється з викидами трансформатора, що резонують, тим самим не дозволяючи напрузі вище 600 вольт через ключ.

IGBT– це складовий трансформатор, який складається з польового та біполярного транзистора з переходом. Польовий транзистор виступає тут як головне. Для того, щоб ним керувати, потрібні прямокутні імпульси з амплітудою не менше 12 В, а також не більше 18 В. На цій ділянці ланцюга включені спеціальні оптрони (HCPL3120 або HCPL3180). Можливе імпульсне робоче навантаження становить 2 А.

Оптрон працює в такий спосіб. У разі, коли з'явиться напруга на світлодіоді оптрона, входи 1,2,3 і 4 – запитані. На виході миттєво формується потужний імпульс струму з амплітудою 158 В. Рівень імпульсу обмежений резисторами R55 і R48.

Коли напруга на світлодіоді зникає, спостерігається спад амплітуди, який відкриває транзистор Т2 та Т4. Таким чином, створюється струм більш високого рівня на резисторах R48 і R58, а також відбувається швидка розрядка конденсатора ключа IGBT.

Міст разом із драйверами на оптронах збираємо на базі радіатора від комп'ютера Pentium 4, у якого плоска основа. Перед встановленням транзисторів на поверхню радіатора необхідно нанести термопасту.

Радіатор потрібно розпиляти на дві частини таким чином, щоб верхній та нижній ключ не мали електричного контакту між собою. Діоди кріпляться до радіатора спеціальними слюдяними прокладками. Всі силові з'єднання встановлюємо за допомогою навісного монтажу. На шину живлення знадобиться припаяти 8 штук плівкових конденсаторів по 150 нФ кожен і максимальною напругою 630 В.

Вихідна обмотка силового трансформатора та дросель

Так як вихідна напруга без навантаження досягає 50 В, його потрібно було випрямити за допомогою діодів VD19 і VD20. Потім навантажувальна напруга надходить на дросель за допомогою якого відбувається згладжування та розподіл напруги навпіл.

Під час коли IGBT транзистори відкриті настає фаза насичення дроселя L3. Коли IGBT перебуває у закритому стані, настає фаза розрядки дроселя. Розрядка відбувається через замикаючий ланцюг діод VD22 та VD21. Таким чином струм, який надходить на конденсатор, випрямляється.

Стабілізація та обмеження струму при широтноімпульсній модуляції

2 – це вхід посилення напруги, 1 – вихід підсилювача. Підсилювач змінює робочий струм інвертора, а також ширину імпульсу. Дискретні зміни створюють навантажувальну характеристику в залежності від напруги зворотного зв'язку між блоком живлення та входом мікросхеми. На виведенні мікросхеми 2 підтримується напруга 2,5 В.

Ширина робочого імпульсу залежить від напруги на вході 2 мікросхеми. Ширина імпульсу стає ширшою, якщо напруга більше 2,5 В. Якщо ж напруга менше зазначеного, то ширина звужується.

Стабільність роботи блоку живлення залежить від резисторів R2 та R1. Якщо напруга сильно просідає внаслідок великих вихідних струмів, необхідно збільшити опір резистора R1.

Іноді буває, що в процесі налаштування блок починає видавати деякі звуки, що дзижчать. У такому випадку необхідно регулювати резистор R1 та ємності конденсаторів С1 та С2. Якщо навіть такі заходи не можуть допомогти, можна спробувати зменшити кількість витків дроселя С3.

Трансформатор має працювати тихо, інакше згорять транзистори. Якщо навіть всі перераховані вище заходи не допомогли, потрібно додати кілька конденсаторів по 1 мкФ на три канали БП.

Плата силових конденсаторів 1320 мкф

Під час включення блоку живлення в мережу з напругою 220 В відбувається стрибок струму, після чого виходять з ладу діодне складання VD8, під час зарядки ємності конденсатора. Для запобігання такому ефекту потрібно встановити резистор R11. Коли конденсатори зарядяться, таймер на нульовому транзисторі дасть команду зімкнути контакти та зашунтувати реле. Тепер потрібний за величиною робочий струм надходить на електричний міст із трансформатором.

Таймер на VT1 розмикає контакти реле К2, що дозволяє використовувати процес широтноімпульсної модуляції.

Налаштування блоку

Насамперед необхідно подати напругу в 15 В на силовий міст, простежити правильну роботу моста і монтаж елементів. Далі можна запитати міст напругою мережі, в розрив між +310 В де розташовані конденсатори 1320 мкФ і конденсатор з ємністю 150 нФ, поставити лампочку на 150-200 Ватт. Потім підключаємо до електричного кола осфілограф на колектор-емітер нижнього силового ключа. Потрібно переконатись, що викиди розташовані в нормальній зоні, не вище 330 В. Далі виставляємо тактову частоту ШІМу. Потрібно знижувати частоту до тих пір, поки не з'явиться на осцилограмі невеликий вигин імпульсу, який свідчить про перенасичення трансформатора.

Робоча тактова частота трансформатора розраховується таким чином: спочатку вимірюємо тактову частоту перенасичення трансформатора, ділимо її на 2 і додаємо результат до частоти, на якій стався вигин імпульсу.

Потім потрібно запитати міст через чайник потужністю 2 кВт. Від'єднуємо зворотний зв'язок ШІМ по напрузі, подаємо регульовану напругу на резистор R2 в місці з'єднання його зі стабілітроном D4 від 5 до 0, тим самим регулюючи струм замикання від 30 А і до 200 А.

Налаштовуємо напругу на мінімум, ближче до 5, відпаюємо конденсатор С23, замикаємо вихід блоку. Якщо ви почули дзвін, необхідно пропустити провід в інший бік. Перевіряємо фазування обмоток силового трансформатора. Підключаємо осцилограф на нижній ключ і збільшуємо навантаження, щоб не було дзвону або навіть сплеску напруги вище 400 В.

Вимірюємо температуру радіатора моста, щоб радіатор нагрівався рівномірно, що свідчить про якісні мости. Підключаємо зворотний зв'язок за напругою. Ставимо конденсатор С23, вимірюємо напругу, щоб воно знаходилося в межах 11-11,2 В. Навантажуємо джерело живлення невеликим навантаженням, величиною 40 Ватт.

Налаштовуємо тиху роботу трансформатора, змінюючи кількість витків дроселя L3. Якщо і це не допомагає, збільшуємо ємність конденсатора С1 і С2 або ж розміщуємо плату ШІМ подалі від перешкод силового трансформатора.

У більшості сучасних електронних пристроїв практично не використовуються аналогові (трансформаторні) блоки живлення, на зміну їм прийшли імпульсні перетворювачі напруги. Щоб зрозуміти, чому так сталося, необхідно розглянути конструктивні особливості, а також сильні та слабкі сторони цих пристроїв. Ми також розповімо про призначення основних компонентів імпульсних джерел, наведемо простий приклад реалізації, який можна зібрати своїми руками.

Конструктивні особливості та принцип роботи

З кількох способів перетворення напруги для живлення електронних компонентів, можна виділити два, що отримали найбільше поширення:

Аналоговий, основним елементом якого є понижувальний трансформатор, крім основної функції, що ще й забезпечує гальванічну розв'язку.
Імпульсний принцип.

Розглянемо чим відрізняються ці два варіанти.

БП на основі силового трансформатора

Розглянемо спрощену структурну схему цього пристрою. Як видно з малюнка, на вході встановлений понижуючий трансформатор, з його допомогою проводиться перетворення амплітуди напруги живлення, наприклад з 220 В отримуємо 15 В. Наступний блок - випрямляч, його завдання перетворити синусоїдальний струм в імпульсний (гармоніка показана над умовним зображенням). Для цієї мети використовуються напівпровідникові випрямні елементи (діоди), підключені за мостовою схемою. Їхній принцип роботи можна знайти на нашому сайті.

Наступний блок грає виконує дві функції: згладжує напругу (для цього використовується конденсатор відповідної ємності) і стабілізує його. Останнє необхідно, щоб напруга не провалювалася при збільшенні навантаження.

Наведена структурна схема сильно спрощена, зазвичай, у джерелі цього типу є вхідний фільтр і захисні ланцюга, але пояснення роботи пристрою це важливо.

Усі недоліки наведеного варіанта безпосередньо чи опосередковано пов'язані з основним елементом конструкції – трансформатором. По-перше, його вага та габарити, обмежують мініатюризацію. Щоб не бути голослівним наведемо як приклад знижувальний трансформатор 220/12 номінальною потужністю 250 Вт. Вага такого агрегату – близько 4 кілограм, габарити 125х124х89 мм. Можете уявити, скільки важила зарядка для ноутбука на його основі.

По-друге, вартість таких пристроїв часом багаторазово перевищує сумарну вартість інших компонентів.

Імпульсні пристрої

Як видно з структурної схеми, наведеної на малюнку 3, принцип роботи даних пристроїв істотно відрізняється від аналогових перетворювачів, насамперед відсутністю вхідного понижуючого трансформатора.

Малюнок 3. Структурна схема імпульсного блоку живлення

Розглянемо алгоритм роботи такого джерела:

Живлення надходить на мережевий фільтр, його завдання мінімізувати мережні перешкоди як вхідні, так і вихідні, що виникають внаслідок роботи.
Далі вступає в роботу блок перетворення синусоїдальної напруги в постійне імпульсне і згладжує фільтр.
На наступному етапі до процесу підключається інвертор, його завдання пов'язане з формуванням високочастотних прямокутних сигналів. Зворотний зв'язок із інвертором здійснюється через блок управління.
Наступний блок - ІТ, він необхідний для автоматичного генераторного режиму, подачі напруги на ланцюга, захисту, керування контролером, а також навантаження. Крім цього завдання ІТ входить забезпечення гальванічної розв'язки між ланцюгами високої та низької напруги.

На відміну від понижуючого трансформатора, сердечник цього пристрою виготовляється з феримагнітних матеріалів, це сприяє надійній передачі сигналів ВЧ, які можуть бути в діапазоні 20-100 кГц. Характерна риса ІТ полягає в тому, що при його підключенні критично включення початку та кінця обмоток. Невеликі розміри цього пристрою дозволяють виготовляти прилади мініатюрних розмірів, як приклад можна навести електронну обв'язку (баласт) світлодіодної або енергозберігаючої лампи.

Далі вступає в роботу вихідний випрямляч, оскільки він працює з високочастотною напругою, для процесу необхідні напівпровідникові швидкодіючі елементи, тому для цієї мети застосовують діоди Шоттки.
На завершальній фазі виробляється згладжування на вигідному фільтрі, після чого напруга подається на навантаження.

Тепер, як і обіцяли, розглянемо принцип роботи основного елемента пристрою – інвертора.

Як працює інвертор?

ВЧ модуляцію можна зробити трьома способами:

частотно-імпульсним;
фазо-імпульсним;
широтно-імпульсним.

Насправді застосовується останній варіант. Це пов'язано як із простотою виконання, так і тим, що у ШІМ незмінна комунікаційна частота, на відміну від двох інших способів модуляції. Структурна схема, що описує роботу контролера, показано нижче.

Алгоритм роботи пристрою наступний:

Генератор частоти, що задає, формує серію прямокутних сигналів, частота яких відповідає опорній. На основі цього сигналу формується U П пилкоподібної форми, що надходить на вхід компаратора ДО ШИМ. До другого входу цього пристрою підводиться сигнал U УС, що надходить з підсилювача, що регулює. Сформований цим підсилювачем сигнал відповідає пропорційної різниці U П (опорна напруга) та U РС (регулюючий сигнал від ланцюга зворотного зв'язку). Тобто, керуючий сигнал U УС, по суті, напругою неузгодженості з рівнем, що залежить від струму на вантажі, так і напруги на ній (U OUT).

Даний спосіб реалізації дозволяє організувати замкнутий ланцюг, який дозволяє керувати напругою на виході, тобто, по суті, говоримо про лінійно-дискретний функціональний вузл. На його виході формуються імпульси, з тривалістю, яка залежить від різниці між опорним і управляючим сигналом. На його основі створюється напруга для керування ключовим транзистором інвертора.

Процес стабілізації напруги на виході проводиться шляхом відстеження його рівня, при зміні його пропорційно змінюється напруга регулюючого сигналу U РС, що призводить до збільшення або зменшення тривалості між імпульсами.

В результаті відбувається зміна потужності вторинних ланцюгів, завдяки чому забезпечується стабілізація напруги на виході.

Для забезпечення безпеки необхідна гальванічна розв'язка між мережею живлення і зворотним зв'язком. Як правило, для цієї мети використовуються оптрони.

Сильні та слабкі сторони імпульсних джерел

Якщо порівнювати аналогові та імпульсні пристрої однакової потужності, то останні будуть такі переваги:

Невеликі розміри та вага, за рахунок відсутності низькочастотного понижуючого трансформатора та керуючих елементів, що вимагають відведення тепла за допомогою великих радіаторів. Завдяки використанню технології перетворення високочастотних сигналів можна зменшити ємність конденсаторів, що використовуються у фільтрах, що дозволяє встановлювати елементи менших габаритів.
Вищий ККД, оскільки основні втрати викликають лише перехідні процеси, тоді як у аналогових схемах багато енергії постійно втрачається при електромагнітному перетворенні. Результат говорить сам за себе збільшення ККД до 95-98%.
Найменша вартість за рахунок застосування менш потужних напівпровідникових елементів.
Більше широкий діапазон вхідної напруги. Такий тип обладнання не вимогливий до частоти та амплітуди, отже, допускається підключення до різних за стандартом мереж.
Наявність надійного захисту від КЗ, перевищення навантаження та інших позаштатних ситуацій.

До недоліків імпульсної технології слід віднести:

Наявність ВЧ перешкод є наслідком роботи високочастотного перетворювача. Такий фактор вимагає встановлення фільтра, що пригнічує перешкоди. На жаль, його робота не завжди ефективна, що накладає деякі обмеження застосування пристроїв даного типу у високоточній апаратурі.

Особливі вимоги до навантаження вона не повинна бути зниженою або підвищеною. Як тільки рівень струму перевищить верхній чи нижній поріг, характеристики напруги на виході почнуть суттєво відрізнятись від штатних. Як правило, виробники (останнім часом навіть китайські) передбачають такі ситуації та встановлюють у свої вироби відповідний захист.

Сфера використання

Практично вся сучасна електроніка запитується від блоків даного типу, як приклад можна навести:

Збираємо імпульсний БП своїми руками

Розглянемо схему простого джерела живлення, де застосовується вищеописаний принцип роботи.

Позначення:

Резистори: R1 - 100 Ом, R2 - від 150 кОм до 300 кОм (підбирається), R3 - 1 кОм.
Ємності: С1 і С2 - 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 - 0,22 мкФ х 400 В, С5 - 6800 -15000 пФ (підбирається), 012 мкФ, С6 - 10 м 50 В, С7 - 220 мкФ х 25 В, С8 - 22 мкФ х 25 В.
Діоди: VD1-4 – КД258В, VD5 та VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
Транзистор VT1 - KT872A.
Стабілізатор напруги D1 – мікросхема КР142 з індексом ЕН5 – ЕН8 (залежно від необхідної напруги на виході).
Трансформатор Т1 – використовується феритовий осердя ш-подібної форми розмірами 5х5. Первинна обмотка намотується 600 витків дротом Ø 0,1 мм, вторинна (висновки 3-4) містить 44 витки Ø 0,25 мм, і остання – 5 витків Ø 0,1 мм.
Запобіжник FU1 – 0.25А.

Налаштування зводиться до підбору номіналів R2 та С5, що забезпечують збудження генератора при вхідній напрузі 185-240 В.

Трохи про застосування та влаштування ДБЖ

На сайті вже була опублікована стаття, в якій розказано про пристрій ДБЖ. Цю тему можна трохи доповнити невеликою розповіддю про ремонт. Під абревіатурою ДБЖ досить часто згадується. Щоб не було різночитань, умовимося, що в цій статті це імпульсний блок живлення.

Практично всі імпульсні блоки живлення, що застосовуються в електронній апаратурі, побудовані за двома функціональними схемами.

Рис.1. Функціональні схеми імпульсних блоків живлення

За напівмостової схемою виконуються, як правило, досить потужні блоки живлення, наприклад, комп'ютерні. За двотактною схемою виготовляються також блоки живлення потужних естрадних УМЗЧ та зварювальних апаратів.

Кому доводилося ремонтувати підсилювачі потужністю 400 і більше ват, чудово знає, яка у них вага. Йдеться, природно, про УМЗЧ із традиційним трансформаторним блоком живлення. ДБЖ телевізорів, моніторів, DVD-програвачів найчастіше робляться за схемою з однотактним вихідним каскадом.

Хоча реально існують інші різновиди вихідних каскадів, які показано малюнку 2.

Рис.2. Вихідні каскади імпульсних блоків живлення

Тут показані тільки силові ключі та первинна обмотка силового трансформатора.

Якщо уважно подивитися на рисунок 1, неважко помітити, що всю схему можна розділити на дві частини – первинну та вторинну. Первинна частина містить мережевий фільтр, випрямляч напруги мережі, силові ключі та силовий трансформатор. Ця частина гальванічно пов'язана із мережею змінного струму.

Крім силового трансформатора в імпульсних блоках живлення застосовуються трансформатори, що ще розв'язують, через які управляючі імпульси ШІМ - контролера подаються на затвори (бази) силових транзисторів. У такий спосіб забезпечується гальванічна розв'язка від мережі вторинних ланцюгів. У сучасних схемах ця розв'язка здійснюється з допомогою оптронів.

Вторинні ланцюги гальванічно відв'язані від мережі за допомогою силового трансформатора: напруга з вторинних обмоток подається на випрямляч, і далі навантаження. Від вторинних ланцюгів живляться також схеми стабілізації напруги та захисту.

Дуже прості імпульсні блоки живлення

Виконуються на базі автогенератора, коли контролер, що задає ШІМ, відсутній. Як приклад такого ДБЖ можна навести схему електронного трансформатора Taschibra.

Рис.3. Електронний трансформатор Taschibra

Подібні електронні трансформатори виготовляються й іншими фірмами. Їхнє основне призначення - . Відмінна риса подібної схеми - простота і мала кількість деталей. Недоліком можна вважати те, що без навантаження ця схема просто не запускається, вихідна напруга нестабільна та має високий рівень пульсацій. Але лампочки таки світять! При цьому вторинний ланцюг повністю відв'язаний від мережі живлення.

Цілком очевидно, що ремонт такого блоку живлення зводиться до заміни транзисторів, резисторів R4, R5, іноді VDS1 і резистора R1, що виконує роль запобіжника. Просто нічого більше в цій схемі згоріти. За невеликої ціни електронних трансформаторів частіше просто купується новий, а ремонт робиться, що називається, «з любові до мистецтва».

Спочатку техніка безпеки

Якщо є таке дуже неприємне сусідство первинного і вторинного ланцюгів, які в процесі ремонту обов'язково, нехай навіть випадково доведеться помацати руками, то слід нагадати деякі правила техніки безпеки.

Торкатися включеного джерела можна лише однією рукою, ні в якому разі не відразу обома. Це відомо кожному, хто працює з електричними установками. Але краще не торкатися зовсім, або тільки після відключення від мережі шляхом висмикування вилки з розетки. Також не слід на включеному джерелі щось паяти або просто крутити викруткою.

З метою забезпечення електробезпеки на платах блоків живлення «небезпечна» первинна сторона плати обводиться досить широкою смугою або заштриховується тонкими смужками фарби, частіше за білий колір. Це попередження про те, що торкатися руками цієї частини плати небезпечно.

Навіть вимкнений імпульсний блок живлення можна торкатися руками тільки через деякий час, не менше 2-3 хвилин після вимкнення: на високовольтних конденсаторах заряд зберігається досить довго, хоча в будь-якому нормальному блоці живлення паралельно конденсаторам встановлені розрядні резистори. Пам'ятайте, як у школі пропонували один одному заряджений конденсатор! Вбити, звичайно, не вб'є, але удар виходить досить чутливим.

Але найстрашніше навіть не в цьому: ну, подумаєш, трохи щипнуло. Якщо відразу після вимкнення продзвонити електролітичний конденсатор мультиметром, то можна піти в магазин за новим.

Коли такий вимір передбачається, конденсатор потрібно розрядити хоча б пінцетом. Але краще це зробити за допомогою резистора опором у кілька десятків кому. В іншому випадку розряд супроводжується купою іскор і досить гучним клацанням, та й для конденсатора таке КЗ не дуже корисне.

І все ж таки, при ремонті доводиться торкатися включеного імпульсного блоку живлення, хоча б для проведення якихось вимірів. У цьому випадку максимально убезпечити себе коханого від ураження електрикою допоможе трансформатор, що розв'язує, часто його називають трансформатор безпеки. Як його виготовити, можна прочитати у статті .

Якщо ж у двох словах, то це трансформатор з двома обмотками на 220В, потужністю 100 ... 200Вт (залежить від потужності ДБЖ, що ремонтується), електрична схема показана на малюнку 4.

Рис.4. Трансформатор безпеки

Ліва за схемою обмотка вмикається в мережу, до правої обмотки через лампочку підключається несправний імпульсний блок живлення. Найголовніше при такому включенні це те, що однією рукою торкатися будь-якого кінця вторинної обмотки можна безбоязно, так само як і до всіх елементів первинного ланцюга блоку живлення.

Про роль лампочки та її потужність

Найчастіше ремонт імпульсного блоку живлення виконується без трансформатора, що розв'язує, але в якості додаткової міри безпеки включення блоку проводиться через лампочку потужністю 60 ... 150Вт. За поведінкою лампочки можна судити про стан блоку живлення. Звичайно, таке включення не забезпечить гальванічної розв'язки від мережі, чіпати руками не рекомендується, але від диму та вибухів цілком може захистити.

Якщо при включенні в мережу лампочка запалюється в повне напруження, слід шукати несправність у первинному ланцюгу. Як правило, це пробитий силовий транзистор або випрямляючий міст. При нормальній роботі блоку живлення лампочка спочатку спалахує досить яскраво (), а потім нитка напруження продовжує слабо світитись.

Щодо цієї лампочки існує кілька думок. Хтось каже, що вона не допомагає позбутися непередбачених ситуацій, а хтось вважає, що набагато знижується ризик спалити щойно запаяний транзистор. Дотримуватимемося цієї точки зору, і лампочку для ремонту використовуватимемо.

Про розбірні та нерозбірні корпуси

Найчастіше імпульсні блоки живлення виконуються у корпусах. Достатньо згадати комп'ютерні блоки живлення, різні адаптери, що включаються до розетки, зарядні пристрої для ноутбуків, мобільних телефонів тощо.

У випадку з комп'ютерними блоками живлення все досить просто. З металевого корпусу викручуються кілька гвинтиків, знімається металева кришка і, будь ласка, вся плата з деталями вже в руках.

Якщо корпус пластмасовий, то слід пошукати на звороті, де знаходиться мережева вилка, маленькі шурупчики. Тоді все просто і зрозуміло, відвернув та зняв кришку. І тут можна сказати, що просто пощастило.

Але останнім часом все йде шляхом спрощення і здешевлення конструкцій, і половинки пластмасового корпусу просто склеюються, причому досить міцно. Один товариш розповідав, як возив у якусь майстерню такий блок. На питання, як його розібрати майстри сказали: «Ти, що не російська?». Після чого взяли молоток та швиденько розкололи корпус на дві половинки.

Насправді це єдиний спосіб для розбирання пластикових клеєних корпусів. Ось тільки бити треба акуратно і не дуже фанатично: під дією ударів по корпусу можуть обірватися доріжки, що ведуть до масивних деталей, наприклад, трансформаторів або дроселів.

Допомагає також вставлений у шов ніж, і легке постукування по ньому тим самим молотком. Щоправда, після збирання залишаються сліди цього втручання. Але нехай вже будуть незначні сліди на корпусі, проте не доведеться купувати новий блок.

Як знайти схему

Якщо в колишні часи практично до всіх пристроїв вітчизняного виробництва додавались принципові електричні схеми, то сучасні іноземні виробники електроніки не хочуть ділитися своїми секретами. Вся електронна техніка комплектується лише посібником користувача, де показується які треба натискати кнопки. Принципові схеми до керівництва користувача не додаються.

Передбачається, що пристрій буде працювати вічно або ремонт буде проводитися в авторизованих сервісних центрах, де є посібники з ремонту, які називають сервіс мануалами (service manual). Сервісні центри не мають права ділитися з усіма бажаючими цією документацією, але, хвала інтернету, на багато пристроїв ці сервіс мануали знаходити вдається. Іноді це може вийти безоплатно, тобто даремно, а іноді потрібні відомості можна отримати за незначну суму.

Але навіть якщо потрібну схему знайти не вдалося, впадати у відчай не варто, тим більше при ремонті блоків живлення. Майже все стає зрозуміло при уважному розгляді плати. Ось цей потужний транзистор — не що інше, як вихідний ключ, а ця мікросхема — ШІМ контролер.

У деяких контролерах потужний вихідний транзистор «захований» усередині мікросхеми. Якщо ці деталі досить габаритні, то на них є повне маркування, яким можна знайти технічну документацію (data sheet) мікросхеми, транзистора, діода або стабілітрона. Саме ці деталі становлять основу імпульсних блоків живлення.

Дещо складніше знайти датташити на малогабаритні компоненти SMD. Повне маркування на маленькому корпусі не міститься, замість нього на корпусі ставиться кодове позначення з кількох (три, чотири) букв і цифр. За цим кодом за допомогою таблиць або спеціальних програм, здобутих знову-таки в інтернеті, вдається, щоправда, не завжди знайти довідкові дані невідомого елемента.

Вимірювальні прилади та інструмент

Для ремонту імпульсних блоків живлення потрібен той інструмент, який має бути у кожного радіоаматора. Насамперед це кілька викруток, кусачки-бокорізи, пінцет, іноді пасатижі і навіть згаданий вище молоток. Це для слюсарно-монтажних робіт.

Для паяльних робіт, звичайно ж, знадобиться паяльник, краще кілька, різної потужності та габаритів. Цілком підійде звичайний паяльник потужністю 25...40Вт, але краще, якщо це буде сучасний паяльник із терморегулятором та стабілізацією температури.

Для відпаювання багатовивідних деталей добре мати під руками якщо не супердорогу, то хоча б простенький недорогий паяльний фен. Це дозволить без особливих зусиль та руйнування друкованих плат випоювати багатовивідні деталі.

Для вимірювання напруги, опору і кілька рідше струмів знадобиться цифровий мультиметр, нехай навіть не дуже дорогий, або старий добрий стрілочний тестер. Про те, що стрілочний пристрій ще рано списувати з рахунків, які він дає додаткові можливості, яких немає у сучасних цифрових мультиметрів, можна прочитати в статті .

Неоціненну допомогу в ремонті імпульсних блоків живлення може надати. Тут теж можна скористатися старим, навіть не дуже широкосмуговим електронно-променевим осцилографом. Якщо, звичайно, є можливість придбати сучасний цифровий осцилограф, то це ще краще. Але, як показує практика, при ремонті імпульсних блоків живлення можна обійтися без осцилографа.

Власне при ремонті можливі два результати: або відремонтувати, або зробити ще гірше. Тут доречно згадати закон Хорнера: «Досвід зростає прямо пропорційно числу виведеної з експлуатації апаратури». І хоча закон цей містить неабияку частку гумору, у практиці ремонту справи саме таким чином. Особливо на початку шляху.

Пошук несправностей

Імпульсні блоки живлення виходять із ладу набагато частіше, ніж інші вузли електронної апаратури. В першу чергу позначається те, що присутня висока мережна напруга, яка після випрямлення та фільтрації стає ще вищою. Тому силові ключі та весь інверторний каскад працюють у дуже тяжкому режимі, як електричному, так і тепловому. Найчастіше несправності криються саме в первинному ланцюзі.

Несправності можна поділити на два типи. У першому випадку відмова імпульсного блоку живлення супроводжується димом, вибухами, руйнуванням та обвуглюванням деталей, іноді доріжок друкованої плати.

Здавалося б, що варіант найпростіший, достатньо лише змінити деталі, що згоріли, відновити доріжки, і все запрацює. Але при спробі визначити тип мікросхеми або транзистора з'ясовується, що разом з корпусом зникла і маркування деталі. Що тут було, без схеми, якої найчастіше під рукою немає, дізнатися неможливо. Іноді ремонт на цій стадії закінчується.

Другий тип несправності тихий, як казав Льолик, без шуму та пилу. Просто безслідно зникла вихідна напруга. Якщо цей імпульсний блок живлення є простим мережним адаптером на кшталт зарядника для стільникового або ноутбука, то в першу чергу слід перевірити справність вихідного шнура.

Найчастіше відбувається урвище або біля вихідного роз'єму, або у виходу з корпусу. Якщо блок вмикається в мережу за допомогою шнура з вилкою, то спочатку слід переконатися в його справності.

Після перевірки цих найпростіших ланцюгів вже можна лізти у нетрі. В якості цих нетрів візьмемо схему блоку живлення 19-дюймового монітора LG_flatron_L1919s. Власне, несправність була досить простою: вчора включався, а сьогодні не включається.

При серйозності пристрою, що здається, - як монітор, схема блоку живлення досить проста і наочна.

Після відкриття монітора було виявлено кілька здутих електролітичних конденсаторів (C202, C206, C207) на виході блоку живлення. У такому випадку краще міняти відразу всі конденсатори, всього шість штук. Вартість цих деталей копійчана, тому не варто чекати, коли вони теж спущуться. Після такої заміни монітор запрацював. До речі, така несправність у моніторів LG є досить частою.

Спучені конденсатори викликали спрацювання схеми захисту, про роботу якої буде розказано трохи згодом. Якщо після заміни конденсаторів блок живлення не запрацював, доведеться шукати інші причини. Для цього розглянемо схему докладніше.

Рис 5. Блок живлення монітора LG_flatron_L1919s (для збільшення натисніть на малюнок)

Мережевий фільтр та випрямляч

Мережева напруга через вхідний роз'єм SC101, запобіжник F101, фільтр LF101 надходить на випрямний міст BD101. Випрямлена напруга через термістор TH101 надходить на конденсатор, що згладжує C101. На цьому конденсаторі виходить постійна напруга 310В, яка надходить на інвертор.

Якщо ця напруга відсутня або набагато менша від зазначеної величини, слід перевірити мережний запобіжник F101, фільтр LF101, випрямний міст BD101, конденсатор C101, і термістор TH101. Всі ці деталі легко перевірити за допомогою мультиметра. Якщо виникає підозра на конденсатор C101, то краще поміняти його на явно справний.

До речі, запобіжник мережевий просто так не згоряє. Найчастіше його заміна не призводить до відновлення нормальної роботи імпульсного блоку живлення. Тому слід шукати інші причини, що призводять до перегорання запобіжника.

Запобіжник слід ставити на той самий струм, який вказаний на схемі, і в жодному разі не «умощувати» запобіжник. Це може призвести до ще більш серйозних несправностей.

Інвертор

Інвертор виконаний за однотактною схемою. Як генератор, що задає, використовується мікросхема ШІМ-контролера U101 до виходу якої підключений силовий транзистор Q101. До стоку цього транзистора через FB101 дросель підключена первинна обмотка трансформатора T101 (висновки 3-5).

Додаткова обмотка 1-2 з випрямлячем R111, D102, C103 використовується для живлення ШИМ контролера U101 в режимі роботи блоку живлення. Запуск ШІМ контролера при включенні здійснюється резистором R108.

Вихідна напруга

Блок живлення виробляє дві напруги: 12В/2А для живлення інвертора ламп підсвічування та 5В/2А для живлення логічної частини монітора.

Від обмотки 10-7 трансформатора T101 через діодне складання D202 та фільтр C204, L202, C205 виходить напруга 5В/2А.

Послідовно з обмоткою 10-7 з'єднана обмотка 8-6, від якої за допомогою діодного складання D201 і фільтра C203, L201, C202, C206, C207 виходить постійна напруга 12В/2А.

Захист від перевантажень

У виток транзистора Q101 включений резистор R109. Це датчик струму, який через резистор R104 підключений до виведення 2 мікросхеми U101.

При перевантаженні на виході струм через транзистор Q101 збільшується, що призводить до падіння напруги на резистори R109, яке через резистор R104 подається на висновок 2CS/FB мікросхеми U101 і контролер перестає виробляти імпульси керуючі (висновок 6OUT). Тому напруги на виході блоку живлення зникають.

Саме цей захист і спрацьовував при спучених електролітичних конденсаторах, про які було згадано вище.

Рівень спрацьовування 0,9В. Цей рівень визначається джерелом зразкової напруги всередині мікросхеми. Паралельно резистори R109 підключений стабілітрон ZD101 з напругою стабілізації 3,3В, що забезпечує захист входу 2CS/FB від підвищеної напруги.

До висновку 2CS/FB через дільник R117, R118, R107 подається напруга 310В з конденсатора С101, що забезпечує спрацьовування захисту від підвищеної напруги мережі. Допустимий діапазон напруги, при якому монітор нормально працює знаходиться в діапазоні 90 ... 240В.

Стабілізація вихідних напруг

Виконана на регульованому стабілітроні U201 типу A431. Вихідна напруга 12В/2А через дільник R204, R206 (обидва резистори з допуском 1%) подається на керуючий вхід R стабілітрону U201. Як тільки вихідна напруга стає рівною 12В, стабілітрон відкривається і засвічується світлодіод оптрона PC201.

В результаті відкривається транзистор оптрона (висновки 4, 3) і напруга живлення контролера через резистор R102 подається на висновок 2CS/FB. Імпульси на виведенні 6OUT пропадають, і напруга на виході 12В/2А починає падати.

Напруга на вході R стабілітрона U201 падає нижче опорної напруги (2,5В), стабілітрон замикається і вимикає оптрон PC201. На виході 6OUT з'являються імпульси, напруга 12В/2А починає зростати і цикл стабілізації знову повторюється. Подібним чином ланцюг стабілізації побудований у багатьох імпульсних блоках живлення, наприклад, у комп'ютерних.

Таким чином, виходить, що на вхід 2CS/FB контролера за допомогою проводового АБО підключені відразу три сигнали: захист від перевантажень, захист від перевищення напруги мережі та вихід схеми стабілізатора вихідної напруги.

Ось тут доречно згадати, як можна перевірити роботу цієї петлі стабілізації. Для цього достатньо при ВИКЛЮЧЕНОМУ! з мережі блок живлення подати на вихід 12В/2А напругу від регульованого блоку живлення.

На вихід оптрона PC201 зачепитися краще стрілочним тестером у режимі вимірювання опорів. Поки напруга на виході регульованого джерела нижче 12В, опір на виході оптрона буде більшим.

Тепер збільшуватимемо напругу. Як тільки напруга стане більшою за 12В, стрілка приладу різко впаде у бік зменшення опору. Це говорить про те, що стабілітрон U201 та оптопара PC201 справні. Отже, стабілізація вихідних напруг має працювати нормально.

Так само можна перевірити роботу петлі стабілізації у комп'ютерних імпульсних блоків живлення. Головне розібратися в тому, до якої напруги підключено стабілітрон.

Якщо всі зазначені перевірки пройшли вдало, а блок живлення не запускається, слід перевірити транзистор Q101, випаявши його з плати. При справному транзисторі винна, швидше за все, мікросхема U101 або її обв'язування. Насамперед це електролітичний конденсатор C105, який найкраще перевірити заміною на свідомо справний.