Принцип работы у импульсного блока питания — схема, плюсы, минусы

Что это такое

Упрощенный трансформаторный блок питания можно представить в виде схемы, состоящей из самого трансформатора, выпрямителя, фильтра сглаживания параметров выходного напряжения и стабилизатора. Такие устройства имеют довольно простую схему, недорогие и обеспечивают низкий уровень шума в выходном сигнале.

Но у них есть серьезные конструктивные недостатки — большой вес и невысокий КПД. Значительная часть энергии преобразуется в тепло, поэтому проблема перегрева таких устройств, особенно мощных, является одной из самых актуальных.

Даже принцип работы импульсных источников питания для новичков можно объяснить довольно просто: он тоже основан на использовании трансформатора, но работает на очень высоких частотах, порядка 1-100 кГц и имеет гораздо меньшие габариты и масса. Это, в свою очередь, упрощает удаление тепла. Функция фильтрации / стабилизации выходного напряжения упрощается, поскольку для этой задачи используются конденсаторы небольшой емкости.

Но у силовых цепей инверторов есть и недостатки: сложные схемы, чувствительность к электромагнитным помехам. Что касается стоимости, то она вполне сопоставима с трансформаторными устройствами.

Высоковольтный источник постоянного напряжения

Для создания высокого напряжения (30… 35 кВ при токе нагрузки до 1 мА) для питания электрофлювиальной люстры (люстры А.Л. Чижевского) разработан источник постоянного тока на базе специализированной микросхемы типа К1182ГГЗ.
Источник питания состоит из выпрямителя сетевого напряжения на диодном мосту VD1, конденсатора фильтра С1 и высоковольтного полумостового автогенератора на микросхеме DA1 типа К1182ГГЗ. Микросхема DA1 вместе с трансформатором Т1 преобразует выпрямленное прямое сетевое напряжение в высокочастотное импульсное напряжение (30… 50 кГц.
Выпрямленное сетевое напряжение поступает на микросхему DA1, а пусковая цепь R2, C2 запускает автогенератор микросхемы. Цепочки R3, C3 и R4, C4 задают частоту генератора. Резисторы R3 и R4 стабилизируют длительность полупериода генерируемых импульсов. Выходное напряжение увеличивается обмоткой L4 трансформатора и подается на умножитель напряжения на диодах VD2 — VD7 и конденсаторах C7 — C12. Выпрямленное напряжение подается на нагрузку через ограничивающий резистор R5.
Конденсатор сетевого фильтра С1 рассчитан на рабочее напряжение 450 В (К50-29), С2 — любого типа на напряжение 30 В. Конденсаторы С5, С6 подбираются в диапазоне 0,022… 0,22 мкФ на напряжение не менее 250 В (К71-7, К73 -17). Конденсаторы умножительные С7 — С12 типа КВИ-3 на напряжение 10 кВ. Его можно заменить конденсаторами типа К15-4, К73-4, ПОВ и другими на рабочее напряжение 10кВ и выше.

Высоковольтные диоды ВД2 — ВД7 типа КЦ106Г (КЦ105Д). Ограничительный резистор R5 типа КЭВ-1. Его можно заменить тремя резисторами МЛТ-2 по 10 МОм каждый.

В качестве трансформатора используется трансформатор ТВ-линии, например ТВС-110ЛА. Обмотку ВН оставляют, остальные снимают, а на их место вставляют новые. Обмотки L1, L3 содержат по 7 витков провода PEL 0,2 мм, а обмотка L2 содержит 90 витков того же провода.
Цепочку резисторов R5, ограничивающих ток короткого замыкания, рекомендуется включать в «минусовый» провод, который подводится к люстре. Этот провод должен иметь изоляцию VIEV.

Обратноходовой импульсный источник питания

Блок питания для шуруповерта на 12в своими руками

Это один из видов импульсных источников питания с гальванической развязкой как первичных, так и вторичных цепей. Именно этот тип преобразователя был немедленно изобретен, запатентован в 1851 году, а его улучшенная версия использовалась в системах зажигания, а также в телевизорах и мониторах с линейной разверткой для подачи высокого напряжения на вторичный анод кинескопа.

Основная часть этого источника питания также является трансформатором или индуктивностью. В его работе два этапа:

1. Накопление электроэнергии из сети или другого источника;
2. Вывод накопленной энергии во вторичные цепи полумоста.

Во время размыкания и замыкания первичной цепи во вторичной цепи появляется ток. Роль размыкающего переключателя часто выполнял транзистор. Чтобы узнать параметры которых необходимо воспользоваться справочником, управление этим транзистором очень часто осуществляется полевым эффектом за счет ШИМ-контроллера.

Управление ШИМ-контроллером

Преобразование сетевого напряжения, уже прошедшего стадию выпрямления, в прямоугольные импульсы осуществляется с определенной частотой. Период выключения и включения этого транзистора осуществляется с помощью микросхем. ШИМ-контроллеры этих переключателей являются основным активным управляющим элементом схемы. В этом случае источники питания прямого и обратного хода имеют трансформатор, после чего они снова выпрямляются.

Чтобы предотвратить падение выходного напряжения в ИИП при увеличении нагрузки, была разработана обратная связь, которая вводилась непосредственно в контроллеры ШИМ. Это соединение позволяет полностью стабилизировать регулируемое выходное напряжение, изменяя скважность импульсов. ШИМ-контроллеры обеспечивают широкий диапазон изменений выходного напряжения.

Микросхемы импульсных источников питания могут быть отечественного или зарубежного производства. Например, NCP 1252 — это контроллеры с ШИМ-регулированием по току, предназначенные для создания обоих типов импульсных преобразователей. Генераторы импульсов Master этой марки зарекомендовали себя как надежные устройства. Контроллеры NCP 1252 обладают всеми качествами для создания экономичных и надежных источников питания. Импульсные источники питания на основе этой микросхемы используются во многих марках компьютеров, телевизоров, усилителей, стереосистем и др. заглянув в справочник, можно найти всю необходимую и подробную информацию обо всех его рабочих параметрах.

Принцип работы импульсного (инверторного) блока питания

Теперь посмотрим, как работает импульсный блок питания полупрофессионального уровня.

Основная функциональность устройства заключается в выпрямлении характеристик первичного напряжения с последующим преобразованием в непрерывную последовательность импульсов с частотой, значительно превышающей номинальные 50 Гц. Это как раз главное отличие от трансформаторного блока питания. В инверторных устройствах выходное напряжение напрямую влияет на работу устройства через обратную связь. Используя импульсные характеристики, можно более точно настроить стабилизацию выходного напряжения, тока и других параметров. Фактически, импульсный источник питания может использоваться как стабилизатор как напряжения, так и тока. В этом случае полярность и количество выходных характеристик могут варьироваться в широких пределах, в зависимости от конкретной конструкции ИБП.

Схематично опишем принцип работы импульсного блока питания.

На первый блок прибора — выпрямитель — подается бытовое напряжение 220 В, на трансформаторе сглаживается амплитуда напряжения, за что отвечает фильтр на основе конденсатора конденсаторного типа. Следующим шагом является исправление синусоидального сигнала с помощью диодного моста. Впоследствии синусоидальное напряжение преобразуется в высокочастотные импульсы, и можно использовать принцип гальванической развязки напряжения питания от выходного напряжения.

Если такая гальваническая развязка присутствует, высокочастотные сигналы снова отправляются на трансформатор, который использует их для гальванической развязки. Для повышения КПД трансформатора используется такой прием за счет увеличения его рабочей частоты.

Принцип обратной связи инвертора реализуется за счет взаимодействия 3-х основных цепочек:

• шИМ-контроллер отвечает за модуляцию ширины импульса входного напряжения;
• второй элемент — каскад силовых ключей, в который входят транзисторы, собранные по специальным схемам (схема с двухтактной средней точкой, мост или полумост);
• третья цепь — это сам импульсный трансформатор.

Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 1

Практика ремонта электроники в реальной жизни

Одним из важнейших строительных блоков персонального компьютера, конечно же, является импульсный источник питания.

Для более удобного изучения работы агрегата имеет смысл рассмотреть каждый его узел отдельно, особенно учитывая, что все узлы импульсных источников питания от разных компаний практически одинаковы и выполняют одинаковые функции.

Все блоки питания рассчитаны на подключение к однофазной сети переменного тока напряжением 110/230 вольт и частотой 50-60 герц. Блоки, импортированные на частоту 60 герц, отлично работают в домашних сетях.

Основной принцип работы импульсных источников питания заключается в выпрямлении сетевого напряжения с последующим преобразованием его в высокочастотное переменное напряжение прямоугольной формы, которое понижается трансформатором до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.

Таким образом, основная часть схемы любого компьютерного блока питания может быть разделена на несколько узлов, производящих определенные электрические преобразования. Перечислим эти узлы:

• Сетевой выпрямитель. Исправьте переменное напряжение (110/230 вольт).
• Преобразователь высокой частоты (инвертор). Преобразует постоянное напряжение, полученное выпрямителем, в высокочастотное прямоугольное напряжение. Понижающий импульсный трансформатор мощности также называют высокочастотным преобразователем. Понижает высокочастотное переменное напряжение от преобразователя до напряжений, необходимых для питания электронных компонентов компьютера.
• Узел управления. Это «мозг» блока питания. Отвечает за генерацию управляющих импульсов для мощного инвертора, а также проверяет правильность работы источника питания (стабилизация выходных напряжений, защита от коротких замыканий на выходе и т.д.).
• Промежуточный этап усиления. Он служит для усиления сигналов микросхемы ШИМ-контроллера и подачи их на мощные ключевые транзисторы инвертора (высокочастотного преобразователя).
• Выходные выпрямители. С помощью выпрямителя происходит выпрямление — преобразование переменного напряжения низкого напряжения в постоянное. Здесь стабилизируется и фильтруется выпрямленное напряжение.

Это основные части блока питания компьютера. Их можно найти в любом импульсном блоке питания, от простейшего зарядного устройства для сотового телефона до мощных сварочных инверторов. Отличия только в основе элемента и реализации схем устройства.

Довольно упрощенную структуру и взаимосвязь электронных компонентов блока питания компьютера (формат АТ) можно представить следующим образом.

Все эти части схемы будут рассмотрены позже.

Рассмотрим принципиальную схему импульсного блока питания для отдельных узлов. Начнем с сетевого выпрямителя и фильтра.

Сетевой фильтр и выпрямитель

Отсюда собственно и начинается кормление. Со шнуром питания и вилкой. Вилка используется, разумеется, по «европейскому стандарту» с третьим заземляющим контактом.

Следует отметить, что многие недобросовестные производители в целях экономии не ставят конденсатор С2 и варистор R3, а иногда и индуктивность фильтра L1. То есть места есть, есть и отпечатанные треки, но подробностей нет. Ну это как здесь.

Как говорится: «Без комментариев “.

При ремонте рекомендуется приводить фильтр в желаемое состояние. Резисторы R1, R4, R5 служат разрядниками для конденсаторов фильтра после отключения устройства от сети. Термистор R2 ограничивает амплитуду зарядного тока конденсаторов C4 и C5, а варистор R3 защищает источник питания от скачков напряжения в сети.

Особого внимания заслуживает переключатель S1 («230/115»). Когда этот переключатель замкнут, блок питания может работать от сети с напряжением 110… 127 вольт. В результате выпрямитель работает по схеме удвоения напряжения, а его выходное напряжение вдвое превышает напряжение сети.

Если необходимо, чтобы блок питания работал от сети 220… 230 вольт, выключатель S1 размыкается. В этом случае выпрямитель работает по классической схеме диодного моста. При такой схеме переключения удвоения напряжения не происходит и в этом нет необходимости, так как агрегат работает от сети 220 вольт.

Некоторые блоки питания не имеют переключателя S1. У других он расположен на задней крышке корпуса и отмечен предупреждающей надписью. Несложно догадаться, что если замкнуть S1 и включить питание в сеть 220 вольт, это закончится катастрофой. При удвоении выходного напряжения оно достигнет значения около 500 вольт, что приведет к выходу из строя элементов схемы инвертора.

Поэтому стоит уделить больше внимания переключателю S1. Если вы планируете использовать блок питания только совместно с сетью 220 вольт, его вообще можно удалить из схемы.

В общем, все компьютеры поступают в нашу торговую сеть уже адаптированными к родному напряжению 220 вольт. Переключатель S1 отсутствует или переведен на работу от сети 220 вольт. Но если есть возможность и желание, то лучше проверить. Выходное напряжение, подаваемое на следующую ступень, составляет примерно 300 вольт.

вы можете повысить надежность блока питания с помощью небольшого обновления. Достаточно подключить варисторы параллельно резисторам R4 и R5. Варисторы следует выбирать на номинальное напряжение 180… 220 вольт.

Такое решение сможет сэкономить электроэнергию при случайном включении переключателя S1 и включении агрегата от сети 220 вольт. Дополнительные варисторы ограничивают напряжение, и предохранитель FU1 перегорает.

В этом случае после несложного ремонта блок питания можно будет снова ввести в работу.

Конденсаторы C1, C3 и двухобмоточная индуктивность на ферритовом сердечнике L1 образуют фильтр, который может защитить компьютер от помех, которые могут проникнуть в сеть, и в то же время этот фильтр защищает сеть от шума, создаваемого компьютером.

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра

Типичные неисправности выпрямителя — это выход из строя одного из «мостовых» диодов (редко), хотя бывают случаи, когда перегорает весь диодный мост или протекают электролитические конденсаторы (гораздо чаще).

Внешне для этого характерен вздутый корпус и протечки электролита. Пятна очень заметны. При выходе из строя хотя бы одного из диодов выпрямительного моста обычно перегорает предохранитель FU1.

При ремонте цепей выпрямителя и фильтра помните, что в этих цепях присутствует высокое напряжение, опасное для жизни! Соблюдайте технику электробезопасности и не забудьте принудительно разрядить высоковольтные электролитические конденсаторы фильтра перед проведением любых работ!

Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП

Конструктивная схема генератора импульсов сложнее, чем у трансформаторного источника. Чтобы понять принцип работы импульсного блока питания в целом, необходимо отдельно разобрать работу каждого узла.

Блок-схема импульсного блока питания.

Входные цепи

Входные цепи предназначены для защиты сети от перегрузки в случае сбоя питания и от импульсных помех, возникающих во время работы устройства. Например, рассмотрим фильтр и защиту промышленного компьютера SMPS.

Входные цепи генератора импульсов MAV-300W-P4.

Предохранитель на 5 А перегорает при превышении номинального тока в аварийной ситуации в источнике питания. Для защиты от перенапряжения предусмотрен варистор V1. В штатном режиме это не влияет на работу устройства. При скачке сети от отверстия резко увеличивается ее сопротивление, увеличивается ток через варистор. Это