Лучший импульсный блок питания своими руками

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

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

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

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

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

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

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

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

А теперь лирику в сторону, практика.
Схема.

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

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

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

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

Готовое устройство имеет размеры 140х80 мм:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Если нет желания устанавливать громоздкий трансформатор или создавать намотку, можно своими руками собрать блок питания импульсного типа, который требует трансформатора всего с несколькими витками.

При этом, потребуется небольшое количество деталей, а работу можно выполнить за 1 час. В данном случае, основой для блока питания используется микросхема IR2151.

Для работы понадобятся следующие материалы и детали:

1. PTC термистор любого типа.
2. Пара конденсаторов, которые выбираются с расчетом 1мкф. на 1 Вт. При создании конструкции подбираем конденсаторы так, чтобы они вытянули 220 Вт.
3. Диодная сборка типа «вертикалка».
4. Драйвера типа IR2152, IR2153, IR2153D.
5. Полевые транзисторы типа IRF740, IRF840. Можно выбрать и другие, если у них хороший показатель сопротивления.
6. Трансформатор можно взять из старых компьютерных системных блоков.
7. Диоды, устанавливаемые на выходе, рекомендуется брать из семейства HER.

Кроме этого, понадобятся следующие инструменты:

1. Паяльник и расходные материалы.
2. Отвертка и плоскогубцы.
3. Пинцет.

Также, не стоит забывать и о необходимости хорошего освещения на месте работы.

Пошаговая инструкция

Сборка проводится согласно составленной схеме цепи. Микросхема была подобрана согласно особенностям цепи.

Сборка проводится следующим образом:

1. На входе устанавливаем PTC термистор и диодные мосты.
2. Затем, устанавливается пара конденсаторов.
3. Драйвера необходимы для регулирования работы затворов полевых транзисторов. При наличии у драйверов индекс D в конце маркировки устанавливать диод FR107 не нужно.
4. Полевые транзисторы устанавливаются без закорачивания фланцев. При проведении крепления к радиатору, используют специальные изоляционные прокладки и шайбы.
5. Трансформаторы устанавливаются с закороченными выводами.
6. На выходе диоды.

Проверка

Для того, чтобы правильно собрать блок питания, нужно внимательно отнестись к установке полярных элементов, а также следует быть осторожным при работе с сетевым напряжением. После отключения блока от источника питания, в цепи не должно оставаться опасного напряжения. При правильной сборке, последующая наладка не проводится.

Проверить правильность работы блока питания можно следующим образом:

1. Включаем в цепь, на выходе лампочка, к примеру,12 Вольт. При первом кратковременном пуске, лампочка должна гореть. Кроме этого, следует обратить внимание на то, что все элементы не должны нагреваться. Если что-то греется, значит, схема собрана неправильно.
2. При втором пуске замеряем значение тока при помощи тестера. Даем проработать блоку достаточное количество времени для того, чтобы убедиться в отсутствии нагревающихся элементов.

Кроме этого, нелишним будет проверка всех элементов при помощи тестера на наличие высокого тока после выключения питания.

Рекомендации по сборке:

1. Как ранее было отмечено, работа импульсного блока питания основана на обратной связи. Рассматриваемая схема не требует специальной организации обратной связи и различных фильтров по питанию.
2. Особое внимание следует уделить выбору полевых транзисторов. В данном случае, рекомендуются полевые транзисторы IR, которые славятся устойчивостью к тепловому разрешению. Согласно данным производителя, они могут стабильно работать до 150 градусов Цельсия. Однако, в этой схеме они не сильно нагреваются, что можно назвать весьма важной особенностью.
3. Если нагрев транзисторов происходит постоянно, следует устанавливать активное охлаждение. Как правило, оно представлено вентилятором.

Достоинства и недостатки

Импульсный преобразователь имеет следующие достоинства:

1. Высокий показатель коэффициента стабилизации позволяет обеспечить условия питания, которые не будут вредить чувствительной электронике.
2. Рассматриваемые конструкции обладают высоким показателем КПД. Современные варианты исполнения имеют этот показатель на уровне 98%. Это связано с тем, что потери снижены до минимума, о чем говорит малый нагрев блока.
3. Большой диапазон входного напряжения – одно из качеств, из-за которого распространилась подобная конструкция. При этом, КПД не зависит от входных показателей тока. Именно невосприимчивость к показателю напряжения тока позволяет продлить срок службы электроники, так как в отечественной сети электроснабжения прыжки показателя напряжения частое явление.
4. Частота входящего тока оказывает влияние на работу только входных элементов конструкции.
5. Малые габариты и вес, также обуславливают популярность из-за распространения портативного и переносного оборудования. Ведь при использовании линейного блока вес и габариты увеличиваются в несколько раз.
6. Организация дистанционного управления.
7. Меньшая стоимость.

Есть и недостатки:

1. Наличие импульсных помех.
2. Необходимость включения в цепь компенсаторов коэффициента мощности.
3. Сложность самостоятельного регулирования.
4. Меньшая надежность из-за усложнения цепи.
5. Тяжелые последствия при выходе одного или нескольких элементов цепи.

Устройство и особенности работы

При рассмотрении особенностей работы импульсного блока, можно отметить следующие:

1. Сначала происходит выпрямление входного напряжения.
2. Выпрямленное напряжение в зависимости от предназначения и особенностей всей конструкции, перенаправляется в виде прямоугольного импульса высокой частоты и подается на установленный трансформатор или фильтр, работающий с низкими частотами.
3. Трансформаторы имеют небольшие размеры и вес при использовании импульсного блока по причине того, что повышение частоты позволяет повысить эффективность их работы, а также уменьшить толщину сердечника. Кроме этого, при изготовлении сердечника может использоваться ферромагнитный материал. При низкой частоте, можно использовать только электротехническую сталь.
4. Стабилизация напряжения происходит при помощи отрицательной обратной связи. Благодаря использованию данного метода, напряжение, подаваемое к потребителю, остается неизменным, несмотря на колебание входящего напряжения, и создаваемой нагрузки.

Обратная связь может быть организована следующим образом:

1. При гальванической развязке, используется оптрон или выход обмотки трансформатора.
2. Если не нужно создавать развязку, используется резисторный делитель напряжения.

Подобными способами выдерживается выходное напряжение с нужными параметрами.

Стандартные блоки импульсного питания, который может использоваться, к примеру, для регулирования выходного напряжения при питании светодиодной лампы, состоит из следующих элементов:

1. Часть входная, высоковольтная. Она, как правило, представлена генератором импульсов. Ширина импульса – основной показатель, оказывающий влияние на выходной ток: чем шире показатель, тем больше напряжение, и наоборот. Импульсный трансформатор стоит на разделе входной и выходной части, проводит выделение импульса.
2. На выходной части стоит PTC термистор. Он изготавливается из полупроводника, имеет положительный показатель коэффициента температуры. Данная особенность означает, что при повышении температуры элемента выше определенного значения, значительно поднимается показатель сопротивления. Используется в качестве защитного механизма ключа.
3. Низковольтная часть. С низковольтной обмотки проводится снятие импульса, выпрямление происходит при помощи диода, а конденсатор выступает в качестве фильтрующего элемента. Диодная сборка может провести выпрямление тока до значения 10А. Следует учитывать, что конденсаторы могут быть рассчитаны на различную нагрузку. Конденсатор проводит снятие оставшихся пиков импульса.
4. Драйвера проводят гашение возникающего сопротивления в цепи питания. Драйвера во время работы проводят поочередное открытие затворов установленных транзисторов. Работа происходит с определенной частотой
5. Полевые транзисторы выбирают с учетом показателей сопротивления и максимального напряжения при открытом состоянии. При минимальном значении, сопротивления значительно повышается КПД и уменьшается нагрев во время работы.
6. Трансформатор типовой для понижения.

С учетом выбранной схемы, можно приступать к созданию блока питания рассматриваемого типа.

Часто собирая какую нибудь электронную конструкцию,как то, усилитель звуковой частоты,средства автоматики,устройства на базе микроконтроллеров,и многое другое,мы задаемся вопросом а чем питать аппаратуру? Радиоэлектронные устройства в большинстве своем питаются постоянным напряжением отличным от напряжения сети. В последнее время все чаще импульсная техника вытесняет из повседневного обихода традиционные трансформаторные схемы блоков питания. Выигрыш тут очевиден, во первых это экономия намоточного материала, который стоит не дешево. Во вторых, это габариты и масса приборов,на сегодняшний день при современной миниатюризации аппаратуры различного назначения,этот вопрос очень актуален, большинство схем ИБП довольно сложны в сборке и настройке и не доступны для повторения начинающими радиолюбителями.

В данной статье приводится схема простого ИБП, при разработке которого ставилась задача простоты конструкции, хорошей повторяемости, использование подручного материала, несложности в сборке и настройке. Несмотря на простоту, ИБП имеет довольно неплохие характеристики.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРА

Питающее напряжение сети: 220В/50Гц.
Номинальная выходная мощность: 300Вт.
Максимальная выходная мощность: до 500Вт.
Частота преобразования напряжения: 30кГц.
Вторичное выпрямленное напряжение варьируется по необходимости.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ИПБ

Принцип работы ИБП заключается в следующем: импульсы для управления ключами генерирует задающий генератор, построенный на специальном драйвере TL494, частота импульсов управления 30кГц. Импульсы управления с выходов микросхемы подаются поочередно на транзисторные ключи VT1,VT2 предварительного формирователя импульсов для выходных силовых ключей. Ключи VT1,VT2 нагружены трансформатором управления TR1, который и формирует импульсы управления мощными выходными ключами VT3,VT4 ,формирователь необходим для гальванической развязки затворных цепей выходного каскада. ИБП построен по полумостовой схеме, средняя точка для полумоста создается конденсаторами С3,С4, которые одновременно служат сглаживающим фильтром выпрямленного диодным мостом VDS1 питающего напряжения сети. Цепь R7,C8 обеспечивает кратковременно питание на задающий генератор и формирователь импульсов управления,для первичного запуска ИБП, после полного заряда конденсатора С8 питание формирователя осуществляется непосредственно обмоткой 3 трансформатора TR2 c которой снимается переменное напряжение 12В. Цепочка VD2 ,C6 служит для выпрямления и сглаживания питающего формирователь напряжения. Стабилитрон VD1 ограничивает напряжение первичного запуска до 12В.Вторичное напряжение питания для РЭА снимается с обмотки 3 трансформатора TR2, выпрямляется диодами шотки VD3,VD4 и подается на сглаживающий фильтр С9,С10. Если необходимое напряжение питания превышает 35В, включаются по два диода последовательно.

Несколько слов о конструкции ИБП: большинство компонентов взяты из неисправного компьютерного БП АТХ. А именно это микросхема TL494, конденсаторы С9,С10, диодный мост VDS1, конденсаторы С1,С2, С5,С6,С7, диод VD2, диоды Шоттки VD3,VD4, и ферритовые сердечники с каркасами TR1,TR2.

Сам ИБП конструктивно был собран в корпусе того же разобранного БП АТХ. Транзисторы VT3,VT4 установлены на радиаторы площадью 50 см 2 .

Данные перемотки трансформаторов TR1,TR2:
TR1, все четыре обмотки содержат по 50 витков провода 0.5 мм
TR2, Обмотка 1 наматывается проводом 0.8мм 110 витков. Обмотка 3 содержит 12 витков проводом 0.8мм. Обмотка 2 наматывается в зависимости от необходимого вторичного напряжения питания и рассчитывается из соотношения 1 виток на 2 вольта. Так как на выходе стоит удвоитель напряжения.