Как сделать импульсный блок питания своими руками? Всё об импульсном блоке питания Схемы простых импульсных ип с регулировкой напряжения

Всегда являлись важными элементами любых электронных приборов. Задействованы данные устройства в усилителях, а также приемниках. Основной функцией блоков питания принято считать снижение предельного напряжения, которое исходит от сети. Появились первые модели только после того, как была изобретена катушка переменного тока.

Дополнительно на развитие блоков питания повлияло внедрение трансформаторов в схему устройства. Особенность импульсных моделей заключается в том, что в них применяются выпрямители. Таким образом, стабилизация напряжения в сети осуществляется несколько другим способом, чем в обычных приборах, где задействуется преобразователь.

Устройство блока питания

Если рассматривать обычный блок питания, который используется в радиоприемниках, то он состоит из частотного трансформатора, транзистора, а также нескольких диодов. Дополнительно в цепи присутствует дроссель. Конденсаторы устанавливаются разной емкости и по параметрам могут сильно отличаться. Выпрямители используются, как правило, конденсаторного типа. Они относятся к разряду высоковольтных.

Работа современных блоков

Первоначально напряжение поступает на мостовой выпрямитель. На этом этапе срабатывает ограничитель пикового тока. Необходимо это для того, чтобы в блоке питания не сгорел предохранитель. Далее ток проходит по цепи через специальные фильтры, где происходит его преобразование. Для зарядки резисторов необходимо несколько конденсаторов. Запуск узла происходит только после пробоя динистора. Затем в блоке питания осуществляется отпирание транзистора. Это дает возможность значительно снизить автоколебания.

При возникновении генерации напряжения задействуются диоды в схеме. Они соединены между собой при помощи катодов. Отрицательный потенциал в системе дает возможность запереть динистор. Облегчение запуска выпрямителя осуществляется после запирания транзистора. Дополнительно обеспечивается Чтобы предотвратить насыщение транзисторов, имеется два предохранителя. Срабатывают они в цепи только после пробоя. Для запуска обратной связи необходим обязательно трансформатор. Подпитывают его в блоке питания импульсные диоды. На выходе переменный ток проходит через конденсаторы.

Особенности лабораторных блоков

Принцип работы импульсных блоков питания данного типа построен на активном преобразовании тока. Мостовой выпрямитель в стандартной схеме предусмотрен один. Для того чтобы убирать все помехи, используются фильтры в начале, а также в конце цепи. Конденсаторы импульсный лабораторный блок питания имеет обычные. Насыщение транзисторов происходит постепенно, и на диодах это сказывается положительно. Регулировка напряжения во многих моделях предусмотрена. Система защиты призвана спасать блоки от коротких замыканий. Кабели для них обычно используются немодульной серии. В таком случае мощность модели может доходить до 500 Вт.

Разъемы блока питания в системе чаще всего устанавливаются типа АТХ 20. Для охлаждения блока в корпусе монтируется вентилятор. Скорость вращения лопастей должна регулироваться при этом. Максимальную нагрузку блок лабораторного типа должен уметь выдерживать на уровне 23 А. При этом параметр сопротивления в среднем поддерживается на отметке 3 Ом. Предельная частота, которую имеет импульсный лабораторный блок питания, равна 5 Гц.

Как осуществлять ремонт устройств?

Чаще всего блоки питания страдают из-за сгоревших предохранителей. Находятся они рядом с конденсаторами. Начать ремонт импульсных блоков питания следует со снятия защитной крышки. Далее важно осмотреть целостность микросхемы. Если на ней дефекты не видны, ее можно проверить при помощи тестера. Чтобы снять предохранители, необходимо в первую очередь отсоединить конденсаторы. После этого их можно без проблем извлечь.

Для проверки целостности данного устройства осматривают его основание. Сгоревшие предохранители в нижней части имеют темное пятно, которое свидетельствует о повреждении модуля. Чтобы заменить данный элемент, нужно обратить внимание на его маркировку. Затем в магазине радиоэлектроники можно приобрести аналогичный товар. Установка предохранителя осуществляется только после закрепления конденсатов. Еще одной распространенной проблемой в блоках питания принято считать неисправности с трансформаторами. Представляют они собой коробки, в которых устанавливаются катушки.

Когда напряжение на устройство подается очень большое, то они не выдерживают. В результате целостность обмотки нарушается. Сделать ремонт импульсных блоков питания при такой поломке невозможно. В данном случае трансформатор, как и предохранитель, можно только заменить.

Сетевые блоки питания

Принцип работы импульсных блоков питания сетевого типа основан на низкочастотном снижении амплитуды помех. Происходит это благодаря использованию высоковольтных диодов. Таким образом, контролировать предельную частоту получается эффективнее. Дополнительно следует отметить, что транзисторы применяются средней мощности. Нагрузка на предохранители оказывается минимальная.

Резисторы в стандартной схеме используются довольно редко. Во многом это связано с тем, что конденсатор способен участвовать в преобразовании тока. Основной проблемой блока питания данного типа является электромагнитное поле. Если конденсаторы используются с малой емкостью, то трансформатор находится в зоне риска. В данном случае следует очень внимательно относиться к мощности устройства. Ограничители для пикового тока сетевой импульсный блок питания имеет, а находятся они сразу над выпрямителями. Их основной задачей является контроль рабочей частоты для стабилизации амплитуды.

Диоды в данной системе частично выполняют функции предохранителей. Для запуска выпрямителя используются только транзисторы. Процесс запирания, в свою очередь, необходим для активации фильтров. Конденсаторы также могут применяться разделительного типа в системе. В таком случае запуск трансформатора будет осуществляться намного быстрее.

Применение микросхем

Микросхемы в блоках питания применяются самые разнообразные. В данной ситуации многое зависит от количества активных элементов. Если используется более двух диодов, то плата должна быть рассчитана под входные и выходные фильтры. Трансформаторы также производятся разной мощности, да и по габаритам довольно сильно отличаются.

Заниматься пайкой микросхем самостоятельно можно. В этом случае нужно рассчитать предельное сопротивление резисторов с учетом мощности устройства. Для создания регулируемой модели используют специальные блоки. Такого типа системы делаются с двойными дорожками. Пульсации внутри платы будут происходить намного быстрее.

Преимущества регулируемых блоков питания

Принцип работы импульсных блоков питания с регуляторами заключается в применении специального контроллера. Данный элемент в цепи может изменять пропускную способность транзисторов. Таким образом, предельная частота на входе и на выходе значительно отличается. Настраивать по-разному можно импульсный блок питания. Регулировка напряжения осуществляется с учетом типа трансформатора. Для охлаждения прибора используют обычные куллеры. Проблема данных устройств, как правило, заключается в избыточном токе. Для того чтобы ее решить, применяют защитные фильтры.

Мощность приборов в среднем колеблется в районе 300 Вт. Кабели в системе используются только немодульные. Таким образом, коротких замыканий можно избежать. Разъемы блока питания для подключения устройств обычно устанавливают серии АТХ 14. В стандартной модели имеется два выхода. Выпрямители используются повышенной вольтности. Сопротивление они способны выдерживать на уровне 3 Ом. В свою очередь, максимальную нагрузку импульсный регулируемый блок питания воспринимает до 12 А.

Работа блоков на 12 вольт

Импульсный включает в себя два диода. При этом фильтры устанавливаются с малой емкостью. В данном случае процесс пульсации происходит крайне медленно. Средняя частота колеблется в районе 2 Гц. Коэффициент полезного действия у многих моделей не превышает 78%. Отличаются также данные блоки своей компактностью. Связано это с тем, что трансформаторы устанавливаются малой мощности. В охлаждении при этом они не нуждаются.

Схема импульсного блока питания 12В дополнительно подразумевает использование резисторов с маркировкой Р23. Сопротивление они способны выдержать только 2 Ом, однако для прибора такой мощности достаточно. Применяется импульсный блок питания 12В чаще всего для ламп.

Как работает блок для телевизора?

Принцип работы импульсных блоков питания данного типа заключается в применении пленочных фильтров. Эти устройства способны справляться с помехами различной амплитуды. Обмотка дросселя у них предусмотрена синтетическая. Таким образом, защита важных узлов обеспечивается качественная. Все прокладки в блоке питания изолируются со всех сторон.

Трансформатор, в свою очередь, имеет отдельный куллер для охлаждения. Для удобства использования он обычно устанавливается бесшумным. Предельную температуру данные устройства выдерживают до 60 градусов. Рабочую частоту импульсный блок питания телевизоров поддерживает на уровне 33 Гц. При минусовых температурах данные устройства также могут использоваться, однако многое в этой ситуации зависит от типа применяемых конденсатов и сечения магнитопровода.

Модели устройств на 24 вольта

В моделях на 24 вольта выпрямители применяются низкочастотные. С помехами успешно справляться могут всего два диода. Коэффициент полезного действия у таких устройств способен доходить до 60%. Регуляторы на блоки питания устанавливаются довольно редко. Рабочая частота моделей в среднем не превышает 23 Гц. Сопротивление резисторы могут выдерживать только 2 Ом. Транзисторы в моделях устанавливаются с маркировкой ПР2.

Для стабилизации напряжения резисторы в схеме не используются. Фильтры импульсный блок питания 24В имеет конденсаторного типа. В некоторых случаях можно встретить разделительные виды. Они необходимы для ограничения предельной частоты тока. Для быстрого запуска выпрямителя динисторы применяются довольно редко. Отрицательный потенциал устройства убирается при помощи катода. На выходе ток стабилизируется благодаря запиранию выпрямителя.

Боки питания на схеме DA1

Блоки питания данного типа от прочих устройств отличаются тем, что способны выдерживать большую нагрузку. Конденсатор в стандартной схеме предусмотрен только один. Для нормальной работы блока питания регулятор используется. Устанавливается контроллер непосредственно возле резистора. Диодов в схеме можно встретить не более трех.

Непосредственно обратный процесс преобразования начинается в динисторе. Для запуска механизма отпирания в системе предусмотрен специальный дроссель. Волны с большой амплитудой гасятся у конденсатора. Устанавливается он обычно разделительного типа. Предохранители в стандартной схеме встречаются редко. Обосновано это тем, что предельная температура в трансформаторе не превышает 50 градусов. Таким образом, балластный дроссель со своими задачами справляется самостоятельно.

Модели устройств с микросхемами DA2

Микросхемы импульсных блоков питания данного типа среди прочих устройств выделяются повышенным сопротивлением. Используют их в основном для измерительных приборов. В пример можно привести осциллограф, который показывает колебания. Стабилизация напряжения для него является очень важной. В результате показатели прибора будут более точными.

Регуляторами многие модели не оснащаются. Фильтры в основном имеются двухсторонние. На выходе цепи транзисторы устанавливаются обычные. Все это дает возможность максимальную нагрузку выдерживать на уровне 30 А. В свою очередь, показатель предельной частоты находится на отметке 23Гц.

Блоки с установленными микросхемами DA3

Данная микросхема позволяет устанавливать не только регулятор, но и котроллер, который следит за колебаниями в сети. Сопротивление транзисторы в устройстве способны выдерживать примерно 3 Ом. Мощный импульсный блок питания DA3 с нагрузкой в 4 А справляется. Подсоединять вентиляторы для охлаждения выпрямителей можно. В результате устройства можно использовать при любой температуре. Еще одно преимущество заключается в наличии трех фильтров.

Два из них устанавливаются на входе под конденсаторами. Один фильтр разделительного типа имеется на выходе и стабилизирует напряжение, которое исходит от резистора. Диодов в стандартной схеме можно встретить не более двух. Однако многое зависит от производителя, и это следует учитывать. Основной проблемой блоков питания данного типа считается то, что они не способны справляться с низкочастотными помехами. В результате устанавливать их на измерительные приборы нецелесообразно.

Как работает блок на диодах VD1?

Данные блоки рассчитаны на поддержку до трех устройств. Регуляторы в них имеются трехсторонние. Кабели для связи устанавливаются только немодульные. Таким образом, преобразование тока происходит быстро. Выпрямители во многих моделях устанавливаются серии ККТ2.

Отличаются они тем, что энергию от конденсатора способны передавать на обмотку. В результате нагрузка от фильтров частично снимается. Производительность у таких устройств довольно высокая. При температурах свыше 50 градусов они также могут использоваться.

6) Силовой трансформатор я планирую реализовать на сердечнике компании Epcos типа ETD44/22/15 из материала N95. Возможно мой выбор изменится дальше, когда буду рассчитывать моточные данные и габаритную мощность.

7) Долго колебался между выбором типа выпрямителя на вторичной обмотке между сдвоенным диодом Шоттки и синхронным выпрямителем. Можно поставить сдвоенный диод Шоттки, но это P = 0,6В * 40А = 24 Вт в тепло, при мощности ИИП примерно в 650 Вт получается потеря в 4%! При использование в синхронном выпрямителе самых обычных IRF3205 с сопротивление канала тепла выделится P = 0,008 Ом * 40А * 40А = 12,8 Вт . Получается выигрываем в 2 раза или 2% кпд! Все было красиво, пока я не собрал на макете решение на IR11688S . К статическим потерям на канале добавились динамические потери на коммутацию, в итоге то на то и вышло. Емкость у полевиков на большие токи все таки большая. лечется это драйверами по типу HCPL3120, но это увеличение цены изделия и чрезмерное усложнение схемотехники. Собственно из этих соображений решено было поставить сдвоенный Шоттки и спать спокойно.

8) LC-контур на выходе, во-первых, уменьшит пульсации тока, во-вторых, позволит «срезать» все гармоники. Последняя проблема крайне актуальна при питании устройств работающих в радиочастотном диапазоне и имеющие в своем составе высокочастотные аналоговые цепи. У нас же речь идет от КВ трансивере, поэтому тут фильтр просто жизненно необходим, иначе помехи «пролезут» в эфир. В иделе тут еще можно поставить на выход линейный стабилизатор и получить минимальные пульсации в единицы мВ, но на деле скорость ОС позволит и без «кипятильника» получить пульсации напряжения в пределах 20-30 мВ, внутри трансивера критичные узлы запитываются через свои LDO, так что его избыточность очевидна.

Ну вот мы и пробежались по функционалу и это только начало)) Но ничего, дальше пойдет бодрее ибо начинается самая интересная часть - расчеты всего и вся!

Расчет силового трансформатора для полумостового преобразователя напряжения

Сейчас немного стоит подумать о конструктиве и топологии. Я планирую применять полевые транзисторы, а не IGBT, поэтому рабочую частоту можно выбрать побольше, пока задумываюсь о 100 или 125 кГц, такая же частота кстати будет и на ККМ. Повышение частоты позволит несколько уменьшить габариты трансформатора. С другой стороны задирать сильно частоту не хочу, т.к. применяю TL494 в качестве контроллера, после 150 кГц она себя уже не так хорошо показывает, да и динамические потери вырастут.

Исходя из таких вводных, посчитаем наш трансформатор. У меня есть в наличии несколько комплектов ETD44/22/15 и поэтому пока ориентируюсь на него, список исходных данных таков:

1) Материал N95;
2) Тип сердечника ETD44/22/15;
3) Рабочая частота - 100 кГц;
4) Выходное напряжение - 15В;
5) Выходной ток - 40А.

Для расчетов трансформаторов до 5 кВт использую программу «Старичка», она удобна и достаточно точно считает. После 5 кВт начинается магия, частоты растут для уменьшения габаритов, а плотности поля и тока достигают таких значений, что даже скин-эффект способен менять параметры чуть ли не в 2 раза, поэтому для больших мощностей применяю дедовский метод «с формулами и выводом карандашом на бумаге». Вписав в программку свои вводные данные был получен следующий результат:

Рисунок 2 - Результат расчета трансформатора для полумоста

На рисунке с левой стороны отмечены вводные данные, их я описал выше. По центру фиолетовым цветом выделены результаты, которые нас больше всего интересуют, пробегусь кратко по ним:

1) Входное напряжение составляет 380В DC, оно стабилизированное, т.к. полумост питается с ККМ. Такое питание упрощает конструкцию многих узлов, т.к. пульсации токов минимальны и трансформатору не придется вытягивать напряжение при входном сетевом напряжение 140В.

2) Потребляемая (прокачиваемая через сердечник) мощность получилась 600 Вт, что в 2 раза меньше габаритной (той, которую сердечник может прокачать не уйдя в насыщение) мощности, а значит все хорошо. В программке не нашел материал N95, но на сайте Epcos в даташите подсмотрел, что N87 и N95 дадут очень похожие результаты, проверив на листочке выяснил, что разница в 50 Вт габаритной мощности - не страшная погрешность.

3) Данные по первичной обмотке: 21 виток мотаем в 2 провода диаметром 0.8 мм, думаю тут все понятно? Плотность тока около 8А/мм2, а это значит, что обмотки не будут перегреваться - все хорошо.

4) Данные по вторичной обмотке: мотаем 2 обмотки по 2 витка в каждой проводом так же 0.8 мм, но уже в 14 - все таки ток 40А! Далее соединяем начало одной обмотки и конец другой, как это сделать я объясню дальше, почему-то часто люди при сборке на этом моменте в ступор впадают. Тут тоже вроде магии никакой нету.

5) Индуктивность выходного дросселя - 4.9 мкГн, ток соответственно 40А. Нужен он, чтобы на выходе нашего блока не было огромных пульсаций ток, в процессе отладки я покажу на осциллографе работу с ним и без него, все станет ясно.

Расчет занял 5 минут, если у кого-то вопросы, то в комментариях или ЛС спрашивайте - подскажу. Чтобы не искали саму программу, предлагаю скачать ее с облака по ссылке . И моя огромная благодарность Старичку за его труд!

Следующим логичным этапом будет расчет выходного дросселя для полумоста, это как раз тот, что на 4.9 мкГн.

Расчет моточных параметров для выходного дросселя

Вводные данные мы получили в предыдущем пункте при расчет трансформатора, это:

1) Индуктивность - 4.9 мкГн;
2) Номинальный ток - 40А;
3) Амплитуда перед дросселем - 18В;
4) Напряжение после дросселя - 15В.

Используем так же программу от Старичка (все они есть в ссылке выше) и получаем следующие данные:

Рисунок 3 - Расчетные данные для намотки выходного дросселя

Теперь пробежимся по результатам:

1) По вводным данным есть 2 нюанса: частота выбирается та же самая, на которой работает преобразователь, это думаю логично. Второй момент связан с плотностью тока, сразу отмечу - дроссель должен греться ! Вот только насколько сильно уже определяем мы, я выбрал плотность тока 8А/мм 2 , чтобы получить температуру в 35 градусов, это видно в выходных данных (отмечено зеленым). Ведь как мы помним по требованиям на выходе нужен «холодный ИИП». Так же хочется отметить для новичков возможно не совсем очевидный момент - дроссель будет греться меньше, если через него протекает большой ток, то есть при номинальной нагрузке 40А дроссель будет иметь минимальный нагрев. Когда ток меньше номинального, то для части энергии он начинает работать как активная нагрузка (резистор) и превращает все избытки энергии в тепло;

2) Максимальная индукция, это значение которое нельзя превышать, иначе магнитное поле насытит сердечник и будет все очень плохо. Данный параметр зависит от материала и его габаритных размеров. Для современных сердечников из распыленного железа типовым значение является 0,5-0,55 Тл;

3) Намоточные данные: 9 витков мотаются косой из 10 жил провода диаметром 0.8 мм. Программка даже примерно указывает сколько слоев для этого понадобится. Я буду мотать в 9 жил, т.к. потом удобно будет разделить большую косу на 3 «косички» по 3 жилы и без проблем их распаять на плате;

4) Собственно само кольцо на котором буду мотать имеет размеры - 40/24/14.5 мм, его хватает с запасом. Материал №52, думаю многие видели в АТХ блоках кольца желто-голубого цвета, часто они используются в дросселях групповой стабилизации (ДГС).

Расчет трансформатора дежурного источника питания

На функциональной схеме видно, что я хочу использовать в качестве дежурного блока питания «классический» flayback на TOP227, от него будут запитываться все ШИМ контроллеры, индикацию и вентиляторы системы охлаждения. То, что вентиляторы будут запитываться от дежурки я понял только спустя какое-то время, поэтому данный момент на схеме не отображен, но ничего это же реалтайм разработка))

Скорректируем немного наши вводные данные, что же нам нужно:

1) Выходные обмотки для ШИМ: 15В 1А + 15В 1А;
2) Выходная обмотка самопитания: 15В 0.1А;
3) Выходная обмотка для охлаждения: 15В 1А.

Получаем необходимость в блоке питания с суммарной мощностью - 2*15Вт + 1.5Вт + 15Вт = 46.5 Вт . Это нормальная мощность для TOP227, я ее использую в мелких ИИП до 75 Вт для всяких зарядок АКБ, шуруповертов и прочего хлама, за много лет что странно еще ни один пока не сгорел.

Идем в другую программку Старичка и считаем трансформатор для flayback:

Рисунок 4 - Расчетные данные для трансформатора дежурного питания

1) Выбор сердечника обоснован просто - он у меня есть в количестве ящика и те самый 75 Вт он вытягивает)) Данные на сердечника . Он из материала N87 и имеет зазор 0.2 мм на каждой половинке или 0.4 мм так называемый полный зазор. Данный сердечник прямо предназначен для дросселей, а у обратноходовых преобразователей эта индуктивность именно дроссель, но не буду пока в дебри влезать. Если в трансформаторе полумоста зазора не было, то для обратноходового преобразователя он обязателен иначе как и любой дроссель он просто уйдет в насыщение без зазора.

2) Данные о ключе 700В «сток-исток» и 2.7 Ом сопротивления канала, взяты из даташита на TOP227, у данного контроллера силовой ключ встроен в саму микросхему.

3) Входного напряжение минимальное взял чуть с запасом - 160В, это сделано для того, чтобы в случае выключения самого блока питания в работе осталась дежурка и индикация, они сообщат о аварийно низком напряжении питания.

4) Первичная обмотка у нас представляет из себя 45 витков проводом 0.335 мм в одну жилу. Вторичные обмотки силовые по 4 витка и 4 жилы проводом 0.335 мм (диаметр), обмотка самопитания обладает такими же параметрами, поэтому все тоже самое, только 1 жила, ибо ток на порядок ниже.

Расчет силового дросселя активного корректора мощности

Думаю самый интересный участок данного проекта именно корректор коэффициента мощности, т.к. по ним достаточно мало информации в интернете, а рабочих и описанных схем еще меньше.

Выбираем программку для расчета - PFC_ring (PFC это по-басурмански ККМ), вводные используем следующие:

1) Входное напряжение питания - 140 - 265В;
2) Номинальная мощность - 600 Вт;
3) Выходное напряжение - 380В DC;
4) Рабочая частота - 100 кГц, обусловлена выбором ШИМ контроллера.

Рисунок 5 - Расчет силового дросселя активного ККМ

1) Слева как обычно вводим исходные данные, установив 140В минимальным порогом мы получаем блок, который сможет работать при напряжение сети 140В, так мы получаем «встроенный стабилизатор напряжения»;

Схемотехника силовой части и управления достаточно стандартные, если вдруг у вас остались вопросы, то смело спрашивайте в комментариях или в личных сообщениях. По возможности постараюсь всем ответить и объяснить.

Дизайн печатной платы импульсного блока питания

Вот я и добрался до этапа, который остается для многих чем-то сакральным - дизайн/разработка/трассировка печатной платы. Почему предпочитаю именно термин «дизайн»? Он ближе к сущности данной операции, для меня «разводка» платы всегда процесс творческий как у художника написание картины, да и людям из других стран будет проще понять чем вы занимаетесь.

Сам процесс проектирования платы не содержит в себе каких либо подводных камней, они содержатся в том устройстве для которого она предназначена. На деле силовая электроника не выдвигает какое-то дикое количество правил и требований на фоне того же СВЧ аналога или скоростных цифровых шин данных.

Я перечислю основные требования и правила касающиеся именно силовой схемотехники, это позволит реализовать 99% любительских конструкций. О нюансах и «хитростях» рассказывать не буду - каждый должен сам набить себе шишек, получить опыт и уже оперировать им. И так поехали:

Немного о плотности тока в печатных проводниках

Часто люди не задумываются о данном параметре и мне приходилось встречать, где силовая часть выполнена проводниками 0.6 мм при 80% площади платы просто пустующей. Зачем так делать для меня лично загадка.

Так какую же плотность тока можно брать в расчеты? Для обычного провода стандартной цифрой является 10А/мм 2 , это ограничение привязано к охлаждению провода. Можно пропускать и больший ток, но перед этим опустите его в жидкий азот. У плоских проводников, как на печатной плате к примеру, площадь поверхности большая, охлаждать их проще, а значит можно позволить себе большие плотности тока. Для нормальных условий с пассивных или воздушным охлаждением принято брать в расчет 35-50 А/мм 2 , где 35 - для пассивного охлаждения, 50 - при наличии искусственной циркуляции воздуха (мой случай). Есть еще одна цифра - 125 А/мм 2 , это по настоящему большая цифра, не все сверхпроводники могут ее себе позволить, но она достижима лишь при погружном жидкостном охлаждение.

С последним я столкнулся при работе с одной компанией, занимавшейся инженерными коммуникациями и проектированием серверов, на мою доля выпал как раз дизайн материнской платы, а именно часть с многофазным питанием и коммутацией. Сильно удивился, когда увидел плотность тока в 125 А/мм 2 , но мне объяснили и показали на стенде такую возможность - тут я понял зачем же целые стеллажи с серверами погружают в огромные бассейны с маслом)))

В моей железке все по проще, 50 А/мм 2 цифра вполне себе адекватная, при толщине меди в 35 мкм полигоны без проблем обеспечат нужное сечение. Остальное же было для общего развития и понимания вопроса.

2) Длина проводников - в данном пункте нету необходимости равнять линии с точностью до 0,1 мм как это делают, например, при «разводке» шины данных DDR3. Хотя все равно крайне желательно делать длину сигнальных линий примерно равно длины. Достаточно будет и +-30% длины, главное не делать HIN в 10 раз длиннее, чем LIN. Это необходимо, чтобы фронты сигналов не смещались относительно друг друга, ведь даже на частоте всего в сотню килогерц разница в 5-10 раз может вызвать сквозной ток в ключах. Особенно это актуально при малом значение «мертвого времени», даже при 3% у TL494 это актуально;

3) Зазор между проводниками - он необходим для уменьшения токов утечки, особенно это касается проводников, где протекает ВЧ сигнал (ШИМ), ведь поле в проводниках возникает сильно и ВЧ сигнал за счет скин-эффекта стремится вырваться как на поверхность проводника, так и за его пределы. Обычно достаточно зазора в 2-3 мм;

4) Зазор гальванической развязки - это зазор между гальванически развязанными участками платы, обычно требование на пробой около 5 кВ. Чтобы пробить 1 мм воздуха надо около 1-1,2 кВ, но у нас пробой возможен не только по воздуху, но и по текстолиту и маске. В заводских условиях используются материалы проходящие электротестирование и можно спать спокойно. Поэтому основная проблема воздух и из вышеописанных условий можно сделать вывод, что достаточно будет около 5-6 мм зазора. В основном разделение полигонов под трансформатором, т.к. он является основным средством гальванической развязки.

Теперь перейдем непосредственно к дизайну платы, я не буду в данной статье рассказывать ну супер подробно, да и вообще писать целую книгу текста желания не много. Если наберется большая группа желающих (в конце опрос сделаю), то просто сниму видеоролики по «разводке» данного устройства, это будет и быстрее и информативнее.

Этапы создания печатной платы:

1) Первым делом необходимо определиться с примерными габаритами устройства. Если у вас есть уже готовый корпус, то вы должны измерить посадочное место в нем и отталкиваться в размерах платы именно от него. Я же планирую корпус сделать на заказ из алюминия или латуни, поэтому буду стараться сделать максимально компактное устройство без потери качества и ТТХ.

Рисунок 9 - Создаем заготовку будущей платы

Запомните - габариты платы должны быть кратны 1 мм! Или хотя бы 0.5 мм, иначе вы еще вспомните мое завещание Ленина, когда будете собирать все в панели и делать заготовку на производство, а конструкторы, которые будут создавать по вашей плате корпус засыпят вас проклятиями. Не надо создавать плату с размерами аля «208,625 мм» без крайней необходимости!
P.S. спасибо тов. Лунькову за то, что он все таки донес мне эту светлую мысль))

Тут я сделал 4 операции:

А) Сделал саму плату с габаритными размерами 250х150 мм. Пока это примерный размер, дальше думаю ужмется ощутимо;
б) Закруглил углы, т.к. в процессе доставки и сборку острые убьются и сомнутся + плата приятнее выглядит;
в) Разместил крепежные отверстия, не металлизированные, с диаметром отверстия 3 мм под стандартный крепеж и стойки;
г) Создал класс «NPTH», в который определил все не металлизированные отверстия и создал для него правило, создающие зазор 0.4 мм между всеми другими компонентами и компонентами класса. Это технологическое требование «Резонита» для стандартного класса точности (4-й).

Рисунок 10 - Создание правила для не металлизированных отверстий

2) Следующим этапом необходимо сделать расстановку компонентов с учетом всех требований, она должна быть уже сильно приближена к конечному варианту, т.к. побольше части сейчас определятся финальные габариты платы и ее форм-фактор.

Рисунок 11 - Выполнена первичная расстановка компонентов

Установил основные компоненты, они уже с большой вероятностью не будут перемещаться, а следовательно габаритные размеры платы окончательно определены - 220 х 150 мм. Свободное место на плате оставлено не просто так, там будут размещены модули управления и прочие мелкие SMD компоненты. Для удешевления платы и удобства монтажа все компоненты будут только на верхнем слое, соответственно и слой шелкографии только один.

Рисунок 13 - 3D вид платы после расстановки компонентов

3) Теперь, определив расположение и общую структуру расставляем оставшиеся компоненты и «разводим» плату. Дизайн платы можно выполнить двумя способами: в ручную и с помощью автотрассировщика, предварительно описав его действия парой десятков правил. Оба способа хороши, но данную плату сделаю все таки руками, т.к. компонентов мало и особых требований по выравниваю линий и целостности сигналов тут нет и не должно быть. Так будет определенно быстрее, автотрассировка хороша, когда много компонентов (от 500 и далее) и основная часть схемы цифровая. Хотя если кому-то будет интересно, то могу показать как «разводить» платы автоматически за 2 минуты. Правда перед этим надо будет весь день писать правила, хех.

После 3-4х часов «колдунства» (половину времени отрисовывал модели недостающие) с температурой и чашечкой чая я наконец-то развел плату. Я даже не задумывался от экономии места, многие скажу, что габариты можно было ужать на 20-30% и будут правы. У меня штучный экземпляр и тратить свое время, которое явно дороже 1 дм 2 за двухслойную плату, было просто жалко. Кстати о цене платы - при заказе в «Резонит»-е, 1 дм 2 двухслойной платы стандартного класса, обходится примерно в 180-200 рублей, так что много тут не сэкономить если у вас конечно не партия в 500+ штук. Исходя из этого, могу посоветовать - не извращайтесь с уменьшением площади, если 4 класс и не требований к габаритам. И вот что получилось на выходе:

Рисунок 14 - Дизайн платы для импульсного блока питания

В дальнейшем я буду проектировать корпус для данного устройства и мне необходимо знать его полные габариты, а так же иметь возможность «примерить» его внутрь корпуса, чтобы на финальной стадии не выяснилось, например, что основная плата мешает разъемам на корпусе или индикации. Для этого я всегда страюсь отрисовывать все компоненты в 3D виде, на выходе вот такой результат и файлик в формате.step для моего Autodesk Inventor :

Рисунок 15 - Трехмерный вид на получившиеся устройство

Рисунок 16 - Трехмерный вид на устройство (вид сверху)

Теперь документация готова. Сейчас необходимо сформировать необходимый пакет файлов для заказа компонентов, у меня все настройки уже прописаны в Altium-е, поэтому выгружается все одной кнопкой. Нам необходимы Gerber-файлы и файл NC Drill, в первом хранится информация о слоях, во втором координаты сверловки. Посмотреть файлик для выгрузки документации можно будет в конце статьи в проекте, выглядит это все примерно так:

Рисунок 17 - Формирования пакета документации для заказа печатных плат

После того, как файлы готовы можно заказывать платы. Конкретных производителей рекомендовать не буду, наверняка есть лучше и дешевле именно для прототипов. Все платы стандартного класса 2,4,6 слоев я заказываю в Резоните, там же 2 и 4-х слойный платы 5-го класса. Платы 5 класса, где 6-24 слоя в Китае (например, pcbway), а вот платы HDI и 5-го класса с 24 и более слоями уже только на Тайване, все таки качество к Китае еще хромает, а где не хромает ценник уже не такой приятный. Это все касается прототипов!

Следуя своим убеждениям я иду в Резонит, ох сколько они нервов потрепали и крови выпили… но в последнее время вроде исправились и начали более адекватно работать, хоть и с пинками. Заказы я формирую через личный кабинет, вводите данные о плате, подгружаете файлы и отправляете. Личный кабинет у них мне нравится, цену кстати тут же считает и можно меняя параметры добиться лучше цены без потери качества.

Например, сейчас я хотел плату на текстолите 2 мм с медью 35 мкм, но оказалось, что такой вариант в 2,5 раза дороже чем вариант с 1,5 мм текстолитом и 35 мкм - поэтому выбрал последний. Для увеличения жесткости платы я добавил дополнительные отверстия под стойки - проблема решена, цена оптимизирована. Кстати, если бы плата шла в серию, то где-то на 100 штуках эта разница в 2,5 раза пропала и цены сравнялись, ибо тогда нестандартный лист закупали под нас и потратили без остатков.

Рисунок 18 - Финальный вид расчета стоимости плат

Финальная стоимость определена: 3618 рублей . Из них 2100 - это подготовка, она платится только один раз на проект, все последующие повторения заказа идут уже без нее и выплатите лишь за площадь. В данном случае 759 рублей за плату площадью 3.3 дм 2 , чем больше серия, тем меньше будет стоимость, хотя и сейчас она 230 руб/дм 2 , что вполне приемлемо. Можно было конечно сделать срочное изготовление, но я заказываю часто, работаю с одним менеджером и девушка всегда старается пропихнуть заказ быстрее если производство не загружено - в итоге и с вариантом «мелкая серия» по сроком выходит 5-6 дней, достаточно просто вежливо общаться и не хамить людям. Да и спешить мне сильно некуда, поэтому решено сэкономить около 40%, что как минимум приятно.

Эпилог

Ну вот я и подошел к логическому завершению статьи - получение схемотехники, дизайна платы и заказ плат на производстве. Всего же будет 2 части, первая перед вами, а во второй буду рассказывать как я проводил монтаж, сборку и отладку устройства.

Как и обещал делюсь исходниками проекта и прочими продуктами деятельности:

1) Исходник проекта в Altium Designer 16 - ;
2) Файлы для заказа печатных плат - . Вдруг вы захотите повторить и заказать, например, в Китае, этого архива более чем достаточно;
3) Схема устройства в pdf - . Для тех, кто с телефона или для ознакомления не хочет тратить время на установку Altium (качество высокое);
4) Опять же для тех, кто не хочет ставить тяжеловесный софт, но интересно покрутить железку выкладываю 3D модель в pdf - . Для просмотра надо обязательно скачать файл, когда откроете в правом верхнем углу жмем «доверять документу только один раз», дальше тыкаем в центр файла и белый экран превращается в модельку.

Так же хочется поинтересоваться мнение читателей… Сейчас платы заказаны, компоненты тоже - по факту есть 2 недели, о чем написать статью? По мимо таких «мутантов» как эта иногда хочется наваять что-то миниатюрное, но полезное, несколько вариантов я представил в опросах, либо предлагайте свой вариант наверное в личку, чтобы не засорять комментарии.

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. , пожалуйста.

ДАННЫЙ МАТЕРИАЛ СОДЕРЖИТ БОЛЬШОЕ КОЛИЧЕСТВО АНИМИРОВАННЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ!!!

Для браузера Microsoft Internet Extlorer необходимо временно выключить некоторые функции, а именно:
- выключить интегрированные бары от Яндекса, Гугла и т.д.
- выключить строку состояния (снять галочку):

Выключить адресную строку:

По желанию можно выключить и ОБЫЧНЫЕ КНОПКИ, но получившейся площади экрана уже достаточно

В остальном больше ни каких регулировок производить не нужно - управление материалом производится при помощи встроенных в материал кнопок, а убранные панели вы всегда можете вернуть на место.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Прежде чем приступить к описанию принципа работы импульсных источников питания следует вспомнить некоторые детали из общего курса физики, а именно что такое электричество, что такое магнитное поле и как они зависят друг от друга.
Сильно глубоко мы не будем углублятся и о причинах возникновения электричества в различных объектах мы тоже умолчим - для этого нужно просто тупо перепечатать 1/4 курса физики, поэтому будем надеятся, что читатель знает что такое электричество не по надписям на табличах "НЕ ВЛЕЗАЙ - УБЬЕТ!". Однако для начала напомним какое оно бывает, это самое электричество, точнее напряжение.

Ну а теперь, чисто теоритически, предположим, что в качестве нагрузки у нас выступает проводник, т.е. самый обычный отрезок провода. Что происходит в нем, когда через него протекает ток наглядно показанно на следующем рисунке:

Если с проводником и магнитным полем вокруг него все понятно, то сложим проводник не в кольцо, а в несколько колец, чтобы наша катушка индуктивности проявила себя активней и посмотрим что будет происходить дальше.

На этом самом месте имеет смысл попить чаю и дать мозгу усвоить только что узнанное. Если же мозг не устал, или же эта информация уже известна, то смотрим дальше

В качестве силовых транзисторов в импульсных блока питания используются биполярные транзисторы, полевые(MOSFET) и IGBT. Какой именно силовой транзистор использовать решает только производитель устройств, поскольку и те, и другие и третьи имеют и свои достоинства, и свои недостатки. Однако было бы не справедливым не заметить, что биполярные транзисторы в мощных источника питания практически не используются. Транзисторы MOSFET лучше использовать при частотах преобразования от 30 кГц до 100 кГц, а вот IGBT "любят частоты пониже - выше 30 кГц уже лучше не использовать.
Биполярные транзисторы хороши тем, что они довольно быстро закрываются, поскольку ток коллектора зависит от тока базы, но вот в открытом состоянии имеют довольно большое сопротивление, а это означает, что на них будет довольно большое падение напряжения, что однозначно ведет к лишнему нагреву самого транзистора.
Полевые имеют в открытом состоянии очень маленькое активное сопротивление, что не вызывает большого выделения тепла. Однако чем мощнее транзистор, тем больше его емкость затвора, а для ее зарядки-разрядки требуются довольно большие токи. Данная зависимость емкости затвора от мощности транзистора вызвана тем, что используемые для источников питания полевые транзисторы изготавливаются по технологии MOSFET, суть которой заключается в использовании параллельного включения нескольких полевых транзисторов с изолированным затвором и выполненных на одном кристалле. И чем мощенее транзистор, тем большее количество параллельных транзисторов используется а емкости затворов суммируются.
Попыткой найти компромисс являются транзисторы, выполненные по технологии IGBT, поскольку являются составными элементами. Ходят слухи, что получилисьони чисто случайно, при попытке повторить MOSFET, но вот вместо полевых транзисторов, получились не совсем полевые и не совсем биполярные. В качестве управляющего электрода выступает затвор встроенного внутрь полевого транзистора не большой мощности, который своими истоком-стоком уже управляет током баз мощных биполярных транзисторов, включенных параллельно и выполненных на одном кристалле данного транзстора. Таким образом получается довольно маленькая емкость затвора и не очень большое активное сопротивление в открытом состоянии.
Основных схем включения силовой части не так уж и много:
АВТОГЕНЕРАТОРНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ . Используют положительную связь, обычно индукционную. Простота подобных источников питания накладывает на них некоторые ограничения - подобные источники питания "любят" постоянную, не меняющуюся нагрузку, поскольку нагрузка влияет на параметры обратной связи. Подобные источники бывают как однотактные, так и двухтактные.
ИМПУЛЬСНИНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ . Данные источники питания так же делятся на однотактыные и двухтактные. Первые хоть и лояльней относятся к меняющейся нагрузке, но все же не очень устойчиво поддерживают необходимый запас мощности. А аудиотехника имеет довольно большой разброс по потреблению - в режиме паузы усилитель потребляет единицы ватт (ток покоя оконечного каскада), а на пиках аудиосигнала потребление может достигать десятков или даже сотен ватт.
Таким образом единственным, максимально приемлемым вариантом импульсных источником питания для аудиотехники является использование двухтактных схем с принудительным возбуждением. Так же не стоит забывать о том, что при высокочастотном преобразовании необходимо уделять более тщательное внимание к фильтрации вторичного напряжения, поскольку появление помех по питанию в звуковом диапазоне сведут на нет все старания по изготовлению импульсного источника питания для усилителя мощности. По этой же причине частота преобразования уводится по дальше от звукового диапазона. Самой популярной частотой преобразования раньше была частота в районе 40 кГц, но современная элементная база позволяет производить преобразование на частотах гораздо выше - вплоть до 100 кГц.
Различают два базовых вида данных импульсных источников - стабилизированные и не стабилизированные.
Стабилизированные источники питания используют широтноимпульсную модуляцию, суть которой заключается в формровании выходного напряжения за счет регулировки длительности подаваемого в первиную обмотку напряжения, а компенсация отсутствия импульсов осуществляется LC цепочками, включенными на выходе вторичного питания. Большим плюсом стабилизированных источников питания является стабильность выходного напряжения, не зависящая ни от входного напряжения сети 220 В, ни от потребляемой мощности.
Не стабилизированные просто управляют силовой частью с постоянной частотой и длительностью импульсов и от обычного трансформатора отличаются лишь габаритами и гораздо меньшими емкостями конденсаторов вторичного питания. Выходное напряжение напрямую зависит от сети 220 В, и имеет небольшую зависисмость от потребляемой мощности (на холостом ходу напряжение несколько выше рассчетного).
Самыми популярными схемами силовой части импульсных источников питания являются:
Со средней точкой (ПУШ-ПУЛЛ). Используются обычно в низковольтных источниках питания, поскольку имеет некоторые особенности в требованиях к элементной базе. Диапазон мощностей довольно большой.
Полумостовые . Самая популярная схема в сетевых ипульсных источниках питания. Диапазон мощностей до 3000 Вт. Дальнейшее увеличение мощности возможно, но уже по стоимости доходит до уровня мостового варианта, поэтому несколько не экономично.
Мостовые . Данная схема не экономична на малых мощностях, поскольку содержит удвоенное количество силовых ключей. Поэтому чаще всего используется на мощностях от 2000 Вт. Максимальные мощности находятся в пределах 10000 Вт. Данная схемотехника является основной при изготовлении сварочных аппаратов.
Рассмотрим подробнее кто есть кто и как работает.

СО СРЕДНЕЙ ТОЧКОЙ

Как было показанно - данную схемотехнику силовой части не рекомендуется использовать для создания сетевых источников питания, однако НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ не значит НЕЛЬЗЯ. Просто необходимо более тщательно подходить к выбору элементной базы и изготовлению силового трансформатора, а так же учитывать довольно большие напряжения при разводке печатной платы.
Максимальную же популярность данный силовой каскад получил в автомобильной аудитехнике, а так же в источниках бесперебойного питания. Однако на этом поприще данная схемотехника притерпевает некоторые неудобства, а именно ограничение максимальной мощности. И дело не в элементной базе - на сегодня совсем не являются дефицитными MOSFET транзисторы с мгновенными значениями тока сток-исток в 50-100 А. Дело в габаритной мощности самого трансформатора, а точнее в первичной обмотке.
Проблема заключается... Впрочем для большей убедительности воспользуемся программой расчетов моточных данных высокочастотных трансформаторов.
Возьмем 5 колец типоразмера К45х28х8 с проницаемостью M2000HM1-А, заложем частоту преобразования 54 кГц и первичную обмотку в 24 В (две полуобмотки по 12 В) В итоге получаем, что мощность данный сердечник сможет развить 658 вт, но вот первичная обмотка должна содержать 5 витков, т.е. по 2,5 витка на одну полуобмотку. Как то не естественно маловато... Однако стоит поднять частоту преобразорвания до 88 кГц как получится всего 2 (!) витка на полуобмотку, хотя мощность выглядит весьма заманчиво - 1000 Вт.
Вроде с такими результатами можно смириться и равномерно по всему кольцу распределить 2 витка тоже, если сильно постараться, можно, но вот качество феррита оставляет желать лучшего, да и M2000HM1-А на частотах выше 60 кГц уже сам по себе греется довольно сильно, ну а на 90 кГц его уже обдувать надо.
Так что как не крути, но получается замкнутый круг - увеличивая габариты для получения большей мощности мы слишком сильно уменьшаем количество витков первичной обмотки, увеличивая частоту мы опять же уменьшаем количество витков первичной обмотки, но еще в довеско получаем лишнее тепло.
Именно по этой причине для получения мощностей свыше 600 Вт используют сдвоенные преобразователи - один модуль управления выдает управляющие импульсны на два одинаковых силовых модуля, содержащих два силовых трансформатора. Выходные напряжения обоих трансформаторов суммируются. Именно таким способом организуется питания сверхмощных автмобильных усилителей заводского производства и с одного силовго модуля снимается порядка 500..700 Вт и не более. Способов суммирования несколько:
- суммирования переменного напряжения. Ток в первичные обмотки трансформаторов подается синхронно, следовательно и выходные напряжения синхронны и могут соединяться последовательно. Соединять вторичные обмотки параллельно от двух трансформаторов не рекомендуется - небольшая разница в намотке или качестве феррита приводит в большим потерям и снижению надежности.
- суммирование после выпрямителей, т.е. постоянного напряжения. Самый оптимальный вариант - один силовой модуль выдает положительное напряжение для усилителя мощности, а второй - отрицательное.
- формирование питания для усилителей с двух уровневым питанием сложением двух идентичных двухполярных напряжений.

ПОЛУМОСТОВАЯ

Полумостовая схема имеет довольно много достоинств - проста, следовательно надежна, легка в повторении, не содержит дефицитных деталей, может выполняться как на биполярных, так и на полывых транзисторах. Транзисторы IGBT в ней тоже прекрано работают. Однако слабое место у нее есть. Это проходные конденсаторы. Дело в том, что при больших мощностях через них протекает довольно большой ток и качество готового импульсного источника питания на прямую зависит от качества именно этого компонента.
А проблема заключается в том, что конденсаторы постоянно перезаряжаются, следовательно они должны иметь минимальное сопротивление ВЫВОД-ОБКЛАДКА, поскольку при большом сопротивлении на этом участке будет выделяться довольно много тепла и в конце концов вывод просто отгорит. Поэтому в качестве проходных конденсаторов необходимо использовать пленочные конденсаторы, причем емкость одного конденсатора может достигать емкости 4,7 мкФ в крайнем случае, если используется один конденсатор - схема с одни кондлесатром тоже довольно часто используется, по принципу выходного каскада УМЗЧ с однполярным питанием. Если же используются два конденсатора на 4,7 мкФ (точка их соединения подключена к обмотке трансформатора, а свободные выводы к плюсовой и минусовой шинам питания), то данная комплектация вполне пригодна для питания усилителей мощности - суммарная емкость для переменного напряжения преобразования складывает и в итоге получается равной 4,7 мкФ + 4,7 мкФ = 9,4 мкФ. Однако данный вариант не расчитан для догосрочного непрерывного использования с максимальной нагрузкой - необходимо разделять суммарную емкость на несколько конденсаторов.
При необходимости получения больших емкостей (низкая частота преоразования) лучше использовать несколько конденсаторов меньшей емкости (например 5 штук по 1 мкФ соединенных параллельно). Однако большое количество включенных параллельно конденсаторов довольно сильно увеличивает габариты устройства, да и суммарная стоимость все гирлянды конденсаторов получается не маленькой. Поэтому, при необходимости получить большую мощность имеет смысл воспользоваться мостовой схемой.
Для полумостового варианта мощности выше 3000 Вт не желательны - уж больно громоздкими будут платы с проходными конденсаторами. Использование в качестве проходных конденсаторов электролитических имеет смысл, но лишь на мощностях до 1000 Вт, посокольку на больших частотах электролиты не эффективны и начинаю греться. Бумажные конденсаторы в каестве проходных показали себя очень хорошо, но вот их габариты...
Для большей наглядности мы приводим таблицу зависимости реактивного сопротивления конденсатора от частоты и емкости (Ом):

Емкость конденсатора	Частота преобразования

На всякий случай напоминаем, что при использовании двух конденсаторо (один на плюс, второй на минус) финальная емкость будет равна сумме емкостей этих конденсаторов. Итоговое сопротивление не выделает тепла, поскольку реактивное, но может повлиять на КПД источника питания при максимальных нагрузках - напряжение на выходе начнет уменьшаться, не смотря на то, что габаритная мощность силового трансформатора вполне достаточна.

МОСТОВАЯ

Мостовая схема пригодна для любых мощностей, но наиболее эффективна на больших мощностях (для сетевых источников питания это мощности от 2000 Вт). Схема содержит две пары силовых транзисторов, управляемых синхроно, но необходимость гальванической развязки эмиттеров верхенй пары вносит некоторые неудобства. Однако эта проблема вполне решаема при использовании трансформаторов управления или же специализированных микросхем, например для полевых транзисторов вполен можно использовать IR2110 - специализированная разработка компании International Rectifier .

Однако силовая часть не имеет ни какого смысла, если ею не управляет модуль управления.
Специализированных микросхем, способных управлять силовой частью импульсных источников питания довольно много, однако наиболее удачной разработкой в этой области является TL494, которая появилась еще в прошлом веке, тем не менее не утратила своей актуальности, поскольку содержит ВСЕ необходимые узлы для управления силовой частью импульсных источников питания. О популярности данной микросхемы прежде всего говорит выпуск ее сразу несколькими крупными производителями электронных компонентов.
Рассмотрим принцип действия данной микросхемы, которую с полной ответственностью можно назвать контроллером, поскольку она обладет ВСЕМИ необходимыми узлами.

ЧАСТЬ II

В чем же заключается собственно ШИМ способ регулировки напряжения?
В основу способа положена все таже инерционность индуктивности, т.е. ее не способность мгновенно пропустить ток. Поэтому регулируя длительность импульсов можно изменять финальное постоянное напряжение. Причем для импульсных источников питания это лучше делать в первичных цепях и таким образом экономить средства на создание источника питания, поскольку данный источник будет исполнять сразу две роли:
- преобразование напряжения;
- стабилизацию выходного напряжения.
Причем тепла при этом будет выделяться гораздо меньше по сравнению с линейным стабилизатором, установленным на выходе не стабилизированно импульсного блока питания.
Для больше наглядности стоит посмотреть рисунок, приведенный ниже:

На рисунке приведена схема-эквивалент импульсного стабилизатора в котором в качестве силового ключа выступает генерато прямоугольных импульсов V1, а R1 в качестве нагрузки. Как видно из рисунка при фиксированной амплитуде выходных импульсов в 50 В, изменяя длительность импульсов можно в широких пределах изменять подаваемое на нагрузку напряжение, причем с очень маленькими тепловыми поетрями, зависищами лишь от параметров используемого силового ключа.

С принципами работы силовой части разобрались, с управлением тоже. Осталось соединить оба узла и получить готовый импульсный источник питания.
Нагрузочная способность контроллера TL494 не очень большая, хотя ее хватает для управления одной парой силовых транзисторов типа IRFZ44. Однако для более мощных транзисторов уже необходимы усилители тока, способные развить необходимы тока на управляющих электродах силовых транзисторов. Поскольку мы стараемся снизить габариты источника питания и уйти подальше от звукового диапазона, то оптимальным использованием в качестве силовых транзисторов будут полевые транзисторы, выполненные по технологии MOSFET.

Варианты структур при изготовлении MOSFET.

С одной стороны - для управления полевым транзистором не нужны большие токи - они открываются напряжением. Однако в этой бочке меда есть ложка дегтя, в данном случае заключающаяся в том, что хоть затвор и имеет огромное активное сопротивление, не потребляющее тока для управления транзистором, но затвор имеет емкость. А для ее заряда и разряда как раз и нужны большие токи, поскольку на больших частотах преобразования реактивное сопротивление уже снижается до пределов которые нельзя игнорировать. И чем больше мощность силового MOSFET транзистора тем больше емкость его затвора.
Для примера возьмем IRF740 (400 V, 10A), у которого емкость затвора составляет 1400 пкФ и IRFP460 (500 V, 20 A), у которого емкость затвора составляет 4200 пкФ. Поскольку и у первого, и у второго напряжение затвора не должно быть более ± 20 В, то в качестве управляющих импульсов возьмем напряжение 15 В и посмотрим в симмуляторе что происходит при частоте генератора в 100 кГц на резисторах R1 и R2, которые включены последовательно с конденсаторами на 1400 пкФ и 4200 пкФ.

Тестовый стенд.

При протекании через активную нагрузку тока на ней образуется падение напряжения, по этой величене и можно судить о мгновенных значениях протекающего тока.

Падение на резисторе R1.

Как видно из рисунка сразу при появлении управляющего импульса на резисторе R1 падает примерно 10,7 В. При сопротивлении 10 Ом это означает, что мгновенное значения тока достигает 1, А (!). Как только импульс заканчивается на резисторе R1 падает так же 10,7 В, следовательно и для того, чтобы разрядить конденсатор С1 требуется ток около 1 А..
Для зарядки-разрядки емкости в 4200 пкФ через резистор 10 Ом требуется 1,3 А, поскольку на резисторе 10 Ом падает 13,4 В.

Вывод напрашивается сам собой - для зарядки-разрядки емкостей затворов необходимо, чтобы каска, работающий на затворы силовых транзисторов, выдерживал довольно большие токи, не смотря на то, что суммарное потребление довольно мало.
Для ограничения мгновенных значений тока в затворах полевых транзисторов обычно используют токоограничивающие резисторы от 33 до 100 Ом. Чрезмерное уменьшение этих резисторов повышает мгновенное значение проеткающих токов, а увеличение - увеличивает длительность работы силового транзистора в линейном режиме, что влечет необоснованный нагрев последних.
Довольно часто используется цепочка состоящая из соединенных параллельно резистора и диода. Данная хитрость используется прежде всего для того, чтобы разгрузить управляющий каскад на время зарядки и ускорить разрядку емкости затвора.

Фрагмент однотактного преобразователя.

Таким образом достигается не мгновенное появление тока в обмотке силового трансформатора, а несколько линейное. Хотя это увеличивает температуру силового каскада, но довольно ощутимо снижает выбосы самоидуции, которые неизбежно появляются при подаче прямоугольного напряжения в обмотку трансформатора.

Самоиндукция в работе однотактного преобразователя
(красная линия - напряжение на обмотке трансформатора, синяя - напряжение питания, зеленая - импульсы управления).

Итак с теоритической частью разобрались и можно подвести кое какие итоги:
Для создания импульсного источника питания необходим трансформатор, сердечник у которого изготовлен из феррита;
Для стабилизации выходного напряжения импульсного источника питания необходим ШИМ метод с которым вполне успешно справляется контроллер TL494;
Силовая часть со средней точкой наиболее удобна для низковольных импульсных источников питания;
Силовая часть полумостовой схемотехники удобна для малых и средних мощностей, а ее параметы и надежность во многом зависят от коичества и качества проходных конденсаторов;
Силовая часть мостового типа более выгодна для больших мощностей;
При использовании в силовой части MOSFET не стоит забывать о емкости затворов и расчитывать управляющие элементы силовыми транзисторами с поправками на эту емкость;

Поскольку с отдельными узлами разобрались переходим к финальному варианту импульсного источника питания. Поскольку и алгоритм и схемотехника всех полумостовых источников практически одинакова, то для разъяснения какой элемент для чего нужен разберем по косточкам самый популярный, мощностью 400 Вт, с двумя двуполярными выходными напряжениями.

Осталось отметить некоторые ньюнасы:
Резисторы R23, R25, R33, R34 служат для создания RC-фильтра, который крайне желателен при использовании электролитических конденсаторах на выходе импульсных источниках. В идеале конечно же лучше использовать LС-фильтры, но поскольку "потребители" не очень мощные можно вполне обойтись и RC-фильтром. Сопротивление данных резисторов может использоваться от 15 до 47 Ом. R23 лучше мощностью 1 Вт, остальные на 0,5 Вт вполне достаточно.
С25 и R28 - снабер снижающий выбросы самоиндукции в обмотке силового трансформатора. Наиболее эффективны при емкостях около выше 1000 пкф, но в этом случае на резисторе выделяется слишком много тепла. Необходимы в случае когда после выпрямительных диодов вторичного питания отсутствуют дроссели (подавляющее большинство заводской аппаратуры). Если дроссели используются эффективность снаберов не так заметна. Поэтому мы их ставим крайне редко и хуже источники питания от этого не работают.
Если некоторые номиналы элементов отличаются на плате и принципиальной схеме эти номиналы не критичны - можно использовать и те и другие.
Если на плате имеются элементы отсутствующие на принципиальной схеме (обычно это конденсаторы по питанию) то можно их не ставить, хотя с ними будет лучше. Если же решили устанавливать, то не электролитические конденсаторы можно использовать на 0,1...0,47 мкФ, а электролитические такой же емкости как и те, которые получаются с ними включенными параллельно.
На плате ВАРИАНТ 2 Возле радиаторов имеется прямоугольная часть которая высверливается по периметру и на нее устанавливаются кнопки управления источником питания (вкл-выкл). Необходимость данного отверстия обусловлена тем, что вентилятор на 80 мм не умещается по высоте, для того, чтобы закрепить его к радиатору. Поэтому вентиялтор устанавливается ниже основания печатной платы.

ИНСТРУКЦИЯ ПО САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ СБОРКЕ
СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Для начала внимательно следует ознакомиться с принципиальной схемой, впрочем это следует делать всегда, перед тем как приступать к сборке. Данный преобразователь напряжения работает по полумостовой схеме. В чем отличие от остальных подробно рассказанно .

Принципиальная схема упакованна WinRAR старой версии и выполнена на странице WORD-2000, поэтому с распечаткой данной страницы проблем возникнуть не должно. Здесь же мы рассмотрим ее фрагментами, поскольку хочется сохранить высокую читаемость схемы, а целиком на эеран монитора она умещается не совсем корректно. На всякий случай можно пользоватся этим чертежом для представления картины в целом, но лучше распечатать...
На рисунке 1 - фильтр и выпрямитель сетевого напряжения. Фильтр предназначен прежде всего для исключения проникновения импульсных помех от преобразователя в сеть. Выполнен на L-C основе. В качестве индуктивности используется ферритовый сердечник любой формы (стержневые лучше не нужно - большой фон от них) с намотанной одинарной обмоткой. Габариты сердечника зависят от мощности источника питания, поскольку чем мощнее источник, тем больше помех он будет создавать и тем лучше нужен фильтр.

Рисунок 1.

Примерные габариты сердечников в зависимости от мощности источника питания сведены в таблицу 1. Обмотка мотается до заполения сердечника, диаметр(ы) провода следует выбирать из расчета 4-5 А/мм кв.

				Таблица 1
МОЩНОСТЬ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ		КОЛЬЦЕВОЙ СЕРДЕЧНИК		Ш-ОБРАЗНЫЙ СЕРДЕЧНИК
		Диаметр от 22 до 30 при толщине 6-8 мм		Ширина от 24 до 30 при толщине 6-8 мм
		Диаметр от 32 до 40 при толщине 8-10 мм		Ширина от 30 до 40 при толщине 8-10 мм
		Диаметр от 40 до 45 при толщине 8-10 мм		Ширина от 40 до 45 при толщине 8-10 мм
		Диаметр от 40 до 45 при толщине 10-12 мм		Ширина от 40 до 45 при толщине 10-12 мм
		Диаметр от 40 до 45 при толщине 12-16 мм		Ширина от 40 до 45 при толщине 12-16 мм
		Диаметр от 40 до 45 при толщине 16-20 мм		Ширина от 40 до 45 при толщине 16-20 мм

Здесь следует немного пояснить почему диаметр (ы ) и что такое 4-5 А/мм кв .
Данная категория источников питания относится в высокочастотной. Теперь вспомним курс физики, а именно то место, в котором говорится, что на высоких частотах ток течет не по всему сечению проводника, а по его поверхности. И чем выше частота, тем большая часть сечения проводника остается не задействованной. По этой причине в импульсных высокочастотных устройствах обмотки выполняют с помощью жгутов, т.е. берется несколько более тонкив проводников и складывается вместе. Затем получившийся жгут немного скручивают вдоль оси, чтобы отдельные проводники не торчали в разные стороны во время намотки и этим жгутом наматывают обмотки.
4-5 А/мм кв означает, что напряженность в проводнике может достигать от четырех до пяти Ампер на квадрантный миллиметр. Этот параметр отвечает за нагрев проводника за счет пандения в нем напряжения, ведь проводник имеет, хоть и не большое, но все же сопротивление. В импульсной технике моточные изделия (дроссели, трансформаторы) имеют сравнительно не большие габариты, следовательно охлаждаться они будут хорошо, поэтому напряженность можно использовать именно 4-5 А/мм кв. А вот для традиционных трансформаторов, выполненных на железе, этот параметр не должен превышать 2,5-3 А/мм кв. Сколько проводов и какого сечения поможет расчитать табличка диаметров. Кроме этого табличка подскажет какую мощность можно получить при использовании того или иного количества проводов имеющегося в наличии провода, если использовать его в качестве первичной обмотки силового трансформатора. Открыть табличку .
Емкость конденсатора С4 должна быть не ниже 0,1 мкФ, если он используется вообще. Напряжение 400-630 В. Формулировка если он используется вообще используется не напрасно - основным фильтром является дроссель L1, а его индуктивность получилась довольно большой и вероятность проникновения ВЧ помех сводится практически до нулевых значений.
Диодный мост VD служит для выпрямления переменного сетевого напряжения. В каечстве диодного моста используется сборка типа RS (торцевые выводы). Для мощности в 400 Вт можно использовать RS607, RS807, RS1007 (на 700 В, 6, 8 и 10 А соответственно), поскольку установочные габариты у этих диодных мостов одинаковые.
Конденсаторы С7, С8, С11 и С12 необходимы для снижения импульсных помех, создаваемых диодами во время приближения переменного напряжения к нулю. Емкость данных конденсаторов от 10 нФ до 47 нФ, напряжение не ниже 630 В. Однако проведя несколько замеров было выяснено, что L1 хорошо справляется и с этими помехами, а для исключения влияния по первичным цепях вполне хватает конденсатора С17. Кроме этого свою лепту вносят и емкости конденсаторов С26 и С27 - для первичного напряжения они являются двумя, соединенными последовательно конденсаторами. Поскольку их номиналы равны, то итоговая емккость делится на 2 и эта емкость уже не только служит для работы силового трансформатора, но еще и подавляет импульсные помехи по первичному питанию. Исходя из этого мы отказались от использования С7, С8, С11 и С12, ну а если кому то уж очень хочется их установить, то на плате, со стороны дорожек места вполне достаточно.
Следующий фрагмент схемы - ограничители тока на R8 и R11 (рисунок 2). Данные резисторы необходимы для снижения тока зарядки электролитических конденсаторов С15 и С16. Данная мера необходима, поскольку в момент включения необходим очень большой ток. Ни предохранитель, ни диодный мост VD не способны, пусть даже кратковременно выдержать такой мощный токовый бросок, хотя индуктивность L1 и ограничивает максимальное значение протекающего тока, в данном случае этого не достаточно. Поэтому используются токоограничивающие резисторы. Мощность резисторов в 2 Вт выбрана не столько из за выделяемого тепла, а по причине довольно широкого резистивного слоя, способного кратковременно выдержать ток в 5-10 А. Для источников питания мощностью до 600 Вт можно использовать резисторы мощностью и 1 Вт, либо использовать один резистор мощностью 2 Вт, необходимо лишь соблюсти условие - суммарное сопротивление даннйо цепи не должно быть меньше 150 Ом и не должно быть больше 480 Ом. При слишком низком сопротивлении увеличивается шанс разрушения резистивного слоя, при слишком выском - увеличивается время заряда С15, С16 и напряжение на них не успеет приблизится к максимальному значению как сработает реле К1 и контактам этого реле придется коммутировать слишком большой ток. Если вместо резисторов МЛТ использовать проволочные, то суммарное сопротивление можно уменьшить до 47...68 Ом.
Емкость конденсаторов С15 и С16 выбирается так же в зависимости от мощности источника. Вычислить необходиму емкость можно воспользовавшись не сложной формулой: НА ОДИН ВАТТ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ НЕОБХОДИМ 1 МКФ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРОВ ФИЛЬТРА ПЕРВИЧНОГО ПИТАНИЯ . Если есть сомнения в своих математических способностях можно воспользоваться табличкой , в которой просто ставите мощность источника питания, который вы собираетесь изготовить и смотрите сколько и каких конденсаторов Вам необходимо. Обратите внимание на то, что плата расчитана на установку сетевых электролитических конденсаторов диаметром 30 мм .

Рисунок 3

На рисунке 3 показанны гасящие резисторы основная цель которых сформировать стартовое напряжение. Мощность не ниже 2 Вт, на плату устанавливаются парами, друг над дружкой. Сопротивление от 43 кОм до 75 кОм. ОЧЕНЬ желательно, чтобы ВСЕ резисторы были одного номилала - в этом случае тепло распределяется равномерно. Для небольших мощностей используется маленькое реле с небольшим потреблением, поэтому можно обойтись 2 или тремя гасящими резисторами. На плате устанавливаются друг над дружкой.

Рисунок 4

Рисунок 4 - стабилизатор питания модуля управления - в любом корпусе интергарльный стабилизатор на +15В. Необходим радиатор. Размер... Обычно хватает радиатора от предпоследнего каскада отечественных усилителей. Можно попросить что-то в телемастерских - на телевезионных платах обычно 2-3 подходящих радиатора находятся. Второй как раз используется для охлаждения транзистора VT4, управляющего оборотами вентилятора (рисунок 5 и 6). Конденсаторы С1 и С3 можно использовать и 470 мкФ на 50 В, но такая замена подходит лишь для источников питания, использующих определенный тип реле, у которых сопротивление катушки довольно большое. На более мощных источниках используется более мощное реле и уменьшение емкости С1 и С3 крайне не желательно.

Рисунок 5

Рисунок 6

Транзистор VT4 - IRF640. Можно заменить на IRF510, IRF520, IRF530, IRF610, IRF620, IRF630, IRF720, IRF730, IRF740 и т.д.. Главное - он должен быть к орпусе ТО-220, иметь максимальное напряжение не ниже 40 В и максимальный ток не менее 1 А.
Транзистор VT1 - практически любой прямой транзистор с максимальным током более 1 А, желательно с маленьким напряжение насыщения. Одинаково хорошо становятся транзисторы в корпусах ТО-126 и ТО-220, поэтому можно подобрать уйму замен. Если прикрутить небольщой радиатор то вполне подойдет даже КТ816 (рисунок 7).

Рисунок 7

Реле К1 - TRA2 D-12VDC-S-Z или TRA3 L-12VDC-S-2Z . По сути - самое обыкновенное реле с обмоткой на 12 V и контактной группой способной коммутировать 5 А и более. Можно использовать реле, используемые в некоторых телевизрах для включения петли размагничивания, только учтите - контактная группа в подобных реле имеет другую цоколевку и даже если она становится на плату без проблем следует проверить какие выводы замыкаются при подаче напряжения на катушку. Отличаются TRA2 от TRA3 тем, что TRA2 имеют одну контактную группу, способную коммутировать ток до 16 А, а TRA3 имеет 2 контактные группы по 5А.
Кстати сказать - печатная плата предлагается в двух вариантах, а именно с использованием реле и без такового. В варианте без реле не используется система мягкого старта первичного напряжения, поэтому данный вариант пригоден для источника питания мощностью не более 400 Вт, поскольку без токоограничения включать на "прямую" емкость более 470 мкФ крайне не рекомендуется. Кроме того - в качестве диодного моста VD ОБЯЗАТЕЛЬНО должен использоваться мост с максимальным током 10 А, т.е. RS1007. Ну а роль реле в варианте без софт-старта выполняет светодиод. Фунция дежурного режима сохранена.
Кнопки SA2 и SA3 (подразумевается, что SA1 - сетевой выключатель) - кнопки любого типа без фиксации, для которых можно изготовить отдельную печатную плату, а можно закрупить и другим удбным способом. Необходимо помнить, что контакты кнопок гальванически связанны с сетью 220 В , поэтому необходимо исключить вероятность их касания в процессе эксплуатации источника питания .
Аналогов контроллера TL494 довольно много, можно использовать любой, только учтите - у разных производителей возможны некоторые различия параметров. Например при замене одного производителя на другого может измениться частота преобразования, но не сильно, а вот выходное напряжение может измениться вплоть до 15%.
IR2110 в принципе не дефецитный драйвер, да и аналогов у нее не так много - IR2113, но IR2113 имеет большее количество вариантов корпуса, поэтому будьте внимательны - необходим корпус DIP-14.
При монтаже платы вместо микросхем лучше использовать разъемы для микросхем (панельки), идеально - цанговые, но можно и обычные. Данная мера позволит избежать некоторых недоразумений, поскольку брака среди и TL494 (нет выходных импульсов, хотя тактовый генератор работает), и среди IR2110 (нет управляющих импульсов на верхний транзистор) довольно много, так что условия гарантии следует согласовать с продавцом микросхем.

Рисунок 8

На рисунке 8 показана силовая часть. Диоды VD4...VD5 лучше использовать быстрые, например SF16, но при отсутствии таковых HER108 тоже вполне подойдут. С20 и С21 - суммарная емкость не менее 1 мкФ, поэтому можно использовать 2 конденсатора по 0,47 мкФ. Напряжение не менее 50 В, идеально - пленочный конденсатра на 1 мкФ 63 В (в случае пробоя силовых транзисторов пленочный остается целым, а многослойная керамика погибает). Для источников питания мощностью до 600 Вт сопротивление резисторов R24 и R25 может быть от 22 до 47 Ом, поскольку емкости затворов силовых транзисторов не очень велики.
Силовые транзисторы могут быть любыми из приведенных в таблице 2 (корпус ТО-220 или ТО-220Р).

					Таблица 2
Наименование	Емкость затвора, пкФ	Макс напряжение, В	Макс ток, А	Тепловая мощн, Вт	Сопротивление, Ом
Если тепловая мощность не превышает 40 Вт значит корпус транзистора полностью пластмассовый и требуется теплоотвод большей площади, чтобы не доводить температуру кристалла до критического значения. Напряжение затвора для всех не более ±20 В

Тиристоры VS1 и VS в принципе марка значения не имеет, главное - максимальный ток должен составлять не менее 0,5 А и корпус должен быть ТО-92. Мы используем либо MCR100-8, либо MCR22-8.
Диоды для слаботочного питания (рисунок 9) желательно выбирать с маленьким временем восстановления. Вполне подойдут диоды серии HER, например HER108, но можно использоваь и другие, например SF16, MUR120, UF4007. Резисторы R33 и R34 на 0,5 Вт, сопротивление от 15 до 47 Ом, причем R33=R34. Служебная обмотка, работающая на VD9-VD10 должна быть рассчитана на 20 В стабилизированного напряжения. В таблице расчета обмоток она отмечена красным.

Рисунок 9

Силовые выпрямительные диоды могут использоваться как в корпусе ТО-220, так и в корпусе ТО-247. В обоих вариантах печатной платы подразумевается, что диоды будут установлены друг над дружкой и с платой соединяться проводниками (рисунок 10). Разумеется, что при установке диодов следует использовать термопасту и изолирующие прокладки (слюду).

Рисунок 10

В качестве выпрямительных диодов желательно использовать диоды с маленьким временем восстановления, поскольку от этого зависит нагрев диодов на холостом ходу (сказывается внутренняю емкость диодов и они просто греются сами по себе, даже без нагрузки). Список вариантов сведен в таблицу 3

			Таблица 3
Наименование	Максимальное напряжение, В	Максимальный ток, А	Время восстановления, нано сек

Трансформатор тока выполняет две роли - используется именно как трансформатор тока и как индуктивность, включенная последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора, что позволяет несколько снизить скорость появляения тока в первичной обмотке, что ведет к уменьшению выбросов самоиндукции (рисунок 11).

Рисунок 11

Строгих формул для расчета данного трансформатора нет, но вот соблюсти некоторые ограничения настоятельно рекомендуется:

ДЛЯ МОЩНОСТЕЙ ОТ 200 ДО 500 ВТ - КОЛЬЦО ДИАМЕТРОМ 12...18 ММ ДЛЯ МОЩНОСТЕЙ ОТ 400 ДО 800 ВТ - КОЛЬЦО ДИАМЕТРОМ 18...26 ММ ДЛЯ МОЩНОСТЕЙ ОТ 800 ДО 1800 ВТ - КОЛЬЦО ДИАМЕТРОМ 22...32 ММ ДЛЯ МОЩНОСТЕЙ ОТ 1500 ДО 3000 ВТ - КОЛЬЦО ДИАМЕТРОМ 32...48 ММ

КОЛЬЦА ФЕРРИТОВЫЕ, ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ 2000, ТОЛЩИНОЙ 6...12 ММ

КОЛИЧЕСТВО ВИТКОВ ПЕРВИЧНОЙ ОБМОТКИ:
3 ВИТКА ДЛЯ ПЛОХИХ УСЛОВИЙ ОХЛАЖДЕНИЯ И 5 ВИТКОВ ЕСЛИ ВЕНТИЛЯТОР ОБДУВАЕТ НЕПОСРЕДСТВЕННО ПЛАТУ
КОЛИЧЕСТВО ВИТКОВ ВТОРИЧНОЙ ОБМОТКИ:
12...14 ДЛЯ ПЕРВИЧНОЙ ИЗ 3-Х ВИТКОВ И 20...22 ДЛЯ ПЕРВИЧНОЙ ИЗ 5-ТИ ВИТКОВ

ГОРАЗДО УДОБНЕЙ ТРАНСФОРМАТОР НАМОТАТЬ СЕКЦИОННО - ПЕРВИЧНАЯ ОБМОТКА НЕ ПЕРЕХЛЕСТЫВАЕТСЯ СО ВТОРИЧНОЙ. В ЭТОМ СЛУЧАЕ ОТМОТАТЬ-ДОМОТАТЬ ВИТОК К ПЕРВИЧНОЙ ОБМОТКЕ НЕ ПРЕДСТАВЛЯЕТ ТРУДА. В ФИНАЛЕ ПРИ НАГРУЗКЕ В 60% ОТ МАКСИМАЛЬНОЙ НА ВЕРХНЕМ ВЫВОДЕ R27 ДОЛЖНО БЫТЬ ПОРЯДКА 12...15 В
Первичная обмотка трансформатора мотается тем же, что и первичная обмотка силового трансформатора TV2, вторичная двойным проводом диаметром 0,15...0,3 мм.

Для изготовления силового трансформатора импульсного блока птания следует воспользоваться программой для расчета импульсных трансформаторов . Конструктив сердечника принципиального значения не имеет - может быть и тороидальным и Ш-образным. Печатные платы позволяют без проблемно использовать и тот и другой. Если габаритной мощности Ш-образного средечника не хватает его можно так же сложить в пакет, как кольца (рисунок 12).

Рисунок 12

Ш-образными ферритами можно разжиться в телемастерских - не чато, но трансформаторы питания в телевизорах выходят из строя. Легче всего найти блоки питания от отечественных телевизоров 3...5-го. Не стоит забывать, что в случае, если требуется трансформатор из двух-трех средечников, то ВСЕ средечники должны быть одной марки, т.е. для разборки необходимо использовать трансформаторы одного типа.
Если силовой трансформатор будет изготовлен из колец 2000, то можно воспользоваться таблицей 4.

РЕАЛИЗАЦИЯ	РЕАЛЬНЫЙ ТИПОРАЗМЕР	ПАРАМЕТР	ЧАСТОТА ПРЕОБРАЗОРВАНИЯ
			МОЖНО БОЛЬШЕ		ОПТИМАЛЬНО			СИЛЬНЫЙ НАГРЕВ
1 КОЛЬЦО К40х25х11		ГАБАРИТНАЯ МОЩНОСТЬ
		ВИТКОВ НА ПЕРВ ОБМОТКУ
2 КОЛЬЦА К40х25х11		ГАБАРИТНАЯ МОЩНОСТЬ
		ВИТКОВ НА ПЕРВ ОБМОТКУ
1 КОЛЬЦО К45х28х8		ГАБАРИТНАЯ МОЩНОСТЬ
		ВИТКОВ НА ПЕРВ ОБМОТКУ
2 КОЛЬЦА К45х28х8		ГАБАРИТНАЯ МОЩНОСТЬ
		ВИТКОВ НА ПЕРВ ОБМОТКУ
3 КОЛЬЦА К45х28х8		ГАБАРИТНАЯ МОЩНОСТЬ
		ВИТКОВ НА ПЕРВ ОБМОТКУ
4 КОЛЬЦ А К45х28х8		ГАБАРИТНАЯ МОЩНОСТЬ
		ВИТКОВ НА ПЕРВ ОБМОТКУ
КОЛИЧЕСТВО ВИТКОВ ВТОРИЧНОЙ ОБМОТКИ РАСЧИТЫВАЕТСЯ ЧЕРЕЗ ПРОПОРЦИЮ, УЧИТЫВАЯ ТО, ЧТО НАПРЯЖЕНИЕ НА ПЕРВИЧНОЙ ОБМОТКЕ РАВНО 155 В ИЛИ ПРИ ПОМОЩИ ТАБЛИЦЫ (ИЗМЕНЯТЬ ТОЛЬКО ЖЕЛТЫЕ ЯЧЕЙКИ )

Обратите внимание, что стабилизация напряжения осуществляется при помощи ШИМ, следовательно выходное расчетное напряжение вторичных обмоток должно быть минимум на 30 % больше, чем вам необходимо. Оптимальные параметры получаются, когда расчетной напряжение составляет на 50...60% больше, чем необходимо стабилизировать. Например Вам необходим источник с выходным напряжением 50 В, следовательно вторичная обмотка силового трансформатора должна расчитываться на выходное напряжение 75...80 В. В таблице расчетов вторичной обмотки этот коэфициент учтен.
Зависимость частоты преобразования от номиналов С5 и R5 показана на графике:

Использовать довольно большое сопротивление R5 не рекомендуется - слишком большое магнитное поле находится совсем не далеко и возможны наводки. Поэтому остановимся на "среднем" номинале R5 в 10 кОм. При таком сопротивлении частотозадающего резистора получаются следующие частоты преобразования:

Параметры получены у данного производителя			Частота преобразования

(!) Тут следует сказать несколько слов о намотке трансформатора. Довольно часто приходят возмущения, мол при самостоятельном изготовлении источник либо не отдает необходиму мощность, либо силовые транзисторы сильно греются даже без нагрузки.
Откровенно говоря с такой проблемой мы тоже сталкнулись используя кольца 2000, но нам было проще - наличие измерительной аппартуры позволило выяснить в чем причина таких казусов, а она оказалась довольно ожидаемой - магнитная проницаемость феррита не соответсвует маркировки. Другими словами на "слабеньких" трансформаторах пришлось отматывать первичную обмотку, на "греющихся силовых транзисторах" наоборот - доматывать.
Немного позже мы отказалиьс от использования колец, однако тот феррит который мы используем вообще был не макрирован, поэтому пошли на радикальные меры. К собранной и отлаженной плате подключается трансформатор с расчетным количеством витков первичной обмотки и изменяется частота преобразования установленным на плату подстроечным резистором (вместо R5 устанавливается подстроечник на 22 кОм). В момент включения частоат преобразования устанавливается в пределах 110 кГц и начинает снижаться вращением движка подстроечного резистора. Таким образом выясняется частота при которой сердечник начинает входить в насыщение, т.е. когда силовые транзисторы начинают греться без нагрузки. Если частота снижается ниже 60 кГц, то первичная обмотка отматывается, если же температура начинает повышаться на 80 кГц, то первичная обмотка доматывается. Таким образом выясняется количество витков именно для этого сердечника и тоько после этого наматывается вторичная обмотка с использованием предлагаемой выше таблички и на упаковках проставляется количество витков первички для того или иного средечника..
Если качество вашего сердечника вызывает сомнения, то лучше изготовить плату, проверить ее на работоспособность и только после этого изготавливать силовой трансформатор используя описанную выше методику..

Дроссель групповой стабилизации. Кое где даже мелькало суждение, что он ну никак не может работать, поскольку через него протекает постоянное напряжение. С одной стороны подобные суждения верны - напряжение действительно одной полярности, значит может быть опознанно как постоянное. Однако автор подобного суждения не учел тот факт, что напряжение хоть и постонное, но оно пульсирующее и во время работы в данном узле происходит далеко не один процесс (протекание тока), а множество, поскольку дроссель содержит не одну обмотку, а минимум две (если выходное напряжение нужно двуполярное) или 4 обмотки, если необходимо два двуполярных напряжения (рисунок 13).

Рисунок 13

Изготовить дроссель можно и на кольце и на Ш-образхном феррите. Габариты конечно же зависят от мощности. Для мощностей до 400-500 Вт хватает средечника от сетевого фильтра питания телевизоров с 54-х см диагональю и выше (рисунок 14). Конструктив сердечника не принципиален

Рисунок 14

Мотается так же как и силовой трансформатор - из нескольких тонких проводников, свитых в жгут или склеенных в ленту из расчета 4-5 А/мм кв. Теоритически - чем больше витков - тем лучше, поэтому обмотка укладывается до заполнения окна, причем сразу в 2 (если нужен двуполярный источник) или в 4 провода (если нужен источник с двумя двуполярными напряжениями.
После сглаживающих конденсаторов стоят выходные дроссели. Особых требований к ним не предъявляется, габариты... Платы расчитаны на установку сердечников от фильтров сетевого питания телевизоров. Наматывают до заполнения окна, сечение из расчета 4-5 А/мм кв (рисунок 15).

Рисунок 15

Выше упоминалась лента в качетсве обмотки. Здесь следует остановится несколько подробней.
Что лучше? Жгут или лента? И у того и у другого способа есть свои преимущества и недостатки. Изготовление жгута наиболее простой способ - растянул необходимое количество проводов, а затем скрутил их в жгут при помощи дрели. Однако такой способ увеличивает суммарную длину проводников за счет внутреннего кручения, а так же не позволяет добиться идентичности магнитного поля во все проводниках жгута, а это, пусть и не большие, но все же потери на тепло.
Изготовление ленты более трудоемко и немного дороже обходится, поскольку необходимое количество проводников растягивается и затем, при помощи полиуританового клея (ТОП-ТОП, СПЕЦИАЛИСТ, МОМЕНТ-КРИСТАЛЛ) склеивается в ленту. Клей наносят на провод небольшими порциями - по 15…20 см длинны проводника и затем зажав жгут между пальцами как бы втирают его следя за тем, чтобы провода уложились в ленту, на подобии ленточных жгутов, используемых для соединения дисковых носителей с материнской платой IBM компьютеров. После того как клей прихватился наносится новая порция на 15…20 см длины проводов и снова разглаживается пальцами до получения ленты. И так по всей длине проводника (рисунок 16).

Рисунок 16

После полного высыхания клея производят намотку ленты на сердечник, причем первой наматывается обмотка с большим количеством витков (как правило и меньшим сечением), а сверху уже более сильноточные обмотки. После намотки первого слоя необходимо ленту "уложить" внутри кольца воспользовавшись выструганным из дерева конусообразным колышком. Максимальный диаметр колышка равен внутреннему диаметру используемого кольца, а минимальный - 8…10 мм. Длина конуса должна быть не меньше 20 см и измение диаметра должно быть равномерным. После намотки первого слоя кольцо просто одевают на колышек и с усилием надавливают таким образом, чтобы кольцо довольно сильно заклинило на колышке. Затем кольцо снимают, переворачивают и снова одевают на колышек с тем же усилием. Колышек должен быть достаточно мягким, чтоб не повредить изоляцию обмоточного провода, поэтому твердые породы дерева для этих целей не подойдут. Таким образом проводники укладывают строго по форме внутреннего диаметра сердечника. После намотки следующего слоя провод снова "укладывают" при помощи колышка и так делают после намотки каждого следующего слоя.
После намотки всех обмоток (не забывая использовать межобмоточную изоляцию) трансформатор желательно прогреть до 80…90°С в течении 30-40 мин (можно воспользоваться духовкой газовой или электрической печки на кухне, но не следует перегревать). При этой температуре полиуритановый клей делается эластичным и снова приобретает клеящие свойства склеивая между собой уже не только проводники расположенные параллельно самой ленте, но и находящиеся сверху, т.е. происходит склеивание слоев обмоток между собой, что добавляет механической жесткости обмоткам и исключает какие либо звуковые эффекты, появление которых иногда случается при плохой стяжке проводников силового трансформатора (рисунок 17).

Рисунок 17

Плюсами такой намотки является получения идентичного магнитного поля во все проводах ленточного жгута, поскольку геометрически они располагаются одинаково по отношению к магнитному полю. Такой ленточный проводник гораздо легче равномерно распределять по всему периметру сердечника, что очень актуально даже для типовых трансформаторов, а для импульсных является ОБЯЗАТЕЛЬНЫМ условием. Используя ленту можно добиться довольно плотной намотки, причем увеличив доступ охлаждающего воздуха к виткам, расположенным непосредственно внутри обмотки. Для этого достаточно количество необходимых проводов разделить на два и сделать две одинаковых ленты, которые будут наматываться друг на друга. Таким образом увеличится толщина намотки, но появится большое расстояние между витками ленты, обеспечивая доступ воздуха внутрь трансформатора.
В качестве межслойной изоляции лучше всего использовать фторопластовую пленку - очень эластична, что компенсирует напряженность одного края, возникающего при намотке на кольцо, имеет довольно большое пробивное напряжение, не чувствительна к температурам до 200°С и очень тонкая, т.е. не будет занимать много места в окне сердечника. Но она не всегда имеется под рукой. Использовать виниловую изоленту можно, но она чувствительна к температурам выше 80°С. Изолента на основе материи к температурам устойчива, но имеет маленькое пробивное напряжение, поэтому при ее использовании необходимо наматывать минимум 2 слоя.
Каким бы проводником и в какой бы последовательности Вы не наматывали дроссели и силовой трансформатор следует помнить о длине выводов
Если Дроссели и силовой трансформатор изготавливаются с использованием ферритовых колец, то не надо забывать, что перед намоткой края ферритового кольца следует скруглить, поскольку они достаточно остры, а феррит материал довольно прочный и может повредить изоляцию на обмоточном проводе. После обработки феррит обматывается фторопластовой лентой или матерчатой изолентой и наматывается первая обмотка.
Для полной идентичности одинаковых обмоток обмотки мотаются сразу в два провода (подразумевается сразу в два жгута) которые после намотки прозваниваются и начало одной обмотки соединяется с концом другой.
После намотки трансформатора необходимо удалить лаковую изоляцию на проводах. Это самый не приятный момент, поскольку ОЧЕНЬ трудоемкий.
Прежде всего необходимо зафиксировать вывода на самом трансформаторе и исключить вытягивание отдельных проводов их жгута при механических воздействиях. Если жгут ленточный, т.е. клееный и после намотки прогретый, то достаточно намотать на отводы несколько витков тем же обмоточным проводом непосредственно возле тела трансформатора. Если же используется витой жгут, то его необходимо дополнительно свить у снования вывода и так же зафиксировать, намотав несколько витков провода. Далее вывода либо обжигаются при помощи газовой горелки сразу все, либо зачищаются по одному при помощи канцелярского резака. Если лак отжигался, то после остывания провода защищаются наждачной бумагой и свиваются.
После удаления лака, зачистки и свивки вывода необходимо защитить от окисления, т.е. покрыть канифольным флюсом. Затем трансформатор устанавливают на плату, все вывода, кроме вывода первичной обмотки подключаемого к силовым транзисторам, вставляются в соответствующие отверстия, на всякий случай следует "прозвонить" обмотки. Особое внимание следует обратить на фазировку обмоток, т.е. на соответствие начала обмотки с принципиальной схемой. После того как вывода трансформатора вставлены в отверстия следует их укоротить так, чтобы от конца вывода до печатной платы было 3…4 мм. Затем свитый вывод "раскручивается" и в место пайки помещается АКТИВНЫЙ флюс, т.е. это либо гашенная соляная кислота, на кончик спички берется капелька и переносится в место пайки. Либо в глицерин добавляется ацетил-салициловая кислота кристаллическая (аспирин) до получения кашеобразной консистенции (и то и другое можно приобрести в аптеке, в рецептурном отделе). После этого вывод припаивается к печатной плате, тщательно прогревая и добиваясь равномерного расположения припоя вокруг ВСЕХ проводников отвода. Затем вывод укорачивается по высоте пайки и плата тщательно моется либо спиртом (90% минимум), либо очищенным бензином, либо смесью бензина с растворителем 647 (1:1).

ПЕРВОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ
Включение, проверка работоспособности производится в несколько этапов позволяющих избежать неприятностей, которые однозначно возникнут при ошибке в монтаже.
1 . Для проверки данной конструкции потребуется отдельный источник питания с двуполярных напряжением ±15...20 В и мощность 15...20 Вт. Первое включение производят подключив МИНУСОВОЙ ВЫВОД дополнительного источника питания к минусовой первичной шине питания преобразователя, а ОБЩИЙ подключают в плюсовому выводу конденсатора С1 (рисунок 18). Таким образом симмулируется питани модуля управления и он проверяется на работоспосбность без силовой части. Тут желательно использовать осцилограф и частотомер, но если их нет, то можно обойтись и мультиметром, желательно стрелочны (цифровые не адекватно реагируют на пульсирующие напряжения).

Рисунок 18

На выводах 9 и 10 контроллера TL494 стрелочный прибор, включенный на измерение постоянного напряжения должен показать почти половину напряжения питания, что говорит о том, что на микросхеме имеются прямоугольные импульсы
Так же должно сработать реле К1
2 . Если модуль работает нормально, то следует проверить силовую часть, но опять же не от высокого напряжения, а используя доп источник питания (рисунок 19).

Рисунок 19

При такой последовательности проверки что либо сжечь весьма затруднительно даже при серьезных ошибках монтажа (замыкание между дорожками платы, не пропайка элементов) поскольку мощности дополнительного блока не хватит. После включения проверяется наличие выходных напряжения преобразователя - конечно же оно будет значительно ниже расчетного (при использовании доп источника ±15В выходные напряжения будут занижены примерно в 10 раз, поскольку первичное питание составляет не 310 В а 30 В), тем не менее наличие выходных напряжений говорит о том, что в силовой части нет ошибок и можно переходить к терьей части проврки.
3 . Первое включение от сети необходимо производить с токоограничением в качестве которого может выступить обычная лампа накаливания на 40-60 Вт, которую подключают вместо предохранителя. Радиаторы уже должны быть установлены. Таким образом в случае чрезмерного потребления по какой либо причине лампа загорится, а вероятность выхода из строя сведется к минимуму. Если же все нормально, то производят регулировку выходного напряжения резисторовм R26 и проверяют нагрузочную способность источника подключив к выходу такую же лампу накаливания. Включенная вместо предохранителя лампа должна загоряется (яркость зависит от выходного напряжения, т.е. от того какую мощность источник будет отдавать. Выходное напряжение регулируется резистором R26, однако может потебоваться подбор R36.
4 . Проверка работоспособности производится с установленным на место предохранителем. В качестве нагрузки можно использовать нихромовую спираль для электропечек мощность 2-3 кВт. Два отрезка провода подпаивают к выходу источника питания, для начала к плечу, с котрого производится контроль выходного напряжения. Один провод прикручивается к концу спирали, на второй устанавливается "крокодил". Теперь, переустанавливая "крокодил" по длине спирали, можно оперативно менять сопротивление нагрузки (рисунок 20).

Рисунок 20

Будет не лишним на спирали сделать "растяжки" в местах с определенным сопротивлением, например каждые 5 Ом. Подключаясь к "растяжкам" Уже заранее будет известно какая нагрузка и какая выходная мощность на данный момент. Ну а мощность можно вычислить по закону Ома (используется в табличке).
Все это необходимо для регулировки порога срабатывания защиты от перегрузки, которая должна устойчиво срабатывать при превышении реальной мощности на 10-15% расчетную. Так же проверяется как устойчиво источник питания держит нагрузку.

Если источник питания не отдает расчетную мощность значит какая то ошибка закралась при изготовлении трансформатора - смотрим выше как расчитать витки под реальный сердечник.
Осталось внимательно изучить как изготовить печатную плату, а это И можно приступать к сборке. Необходимые чертежи печатной платы с первоисточником в формате LAY лежат в

Первая
цифра

Вторая
цифра

Третья
цифра

Множе-
тель

Допуск
+/- %

Серебристый

-

-

-

10^-2

10

Золотистый

-

-

-

10^-1

5

Черный

-

0

-

1

-

Коричневый

1

1

1

10

1

Красный

2

2

2

10^2

2

Оранжевый

3

3

3

10^3

-

Желтый

4

4

4

10^4

-

Зеленый

5

5

5

10^5

0,5

Голубой

6

6

6

10^6

0,25

Фиолетовый

7

7

7

10^7

0,1

Серый

8

8

8

10^8

Сделал еще и инвертор, чтобы можно было питать от 12 В, то есть автомобильный вариант. После того как все сделал в плане УНЧ, был поставлен вопрос: чем теперь его питать? Даже для тех же тестов, или чтобы просто послушать? Думал обойдется все АТХ БП, но при попытке «навалить», БП надежно уходит в защиту, а переделывать как-то не очень хочется... И тут осенила мысль сделать свой, без всяких «прибамбасов» БП (кроме защиты разумеется). Начал с поиска схем, присматривался к относительно не сложным для меня схем. В итоге остановился на этой:

Нагрузку держит отлично, но замена некоторых деталей на более мощные позволит выжать из неё 400 Вт и более. Микросхема IR2153 - самотактируемый драйвер, который разрабатывался специально для работы в балластах энергосберегающих ламп. Она имеет очень малое потребление тока и может питаться через ограничительный резистор.

Сборка устройства

Начнем с травления платы (травление, зачистка, сверление). Архив с ПП .

Сначала прикупил некоторые отсутствующие детали (транзисторы, ирка, и мощные резисторы).

Кстати, сетевой фильтр полностью снял с БП от проигрывателя дисков:

Теперь самое интересное в ИИП - трансформатор, хотя ничего сложного тут нету, просто надо понять, как его правильно мотать, и всего то. Для начала нужно знать, чего и сколько наматывать, для этого есть множество программ, однако самая распространённая и пользующаяся популярностью у радиолюбителей это - ExcellentIT . В ней мы и будем рассчитывать наш трансформатор.

Как видим, получилось у нас 49 витков первичная обмотка, и две обмотки по 6 витков (вторичная). Будем мотать!

Изготовление трансформатора

Так как у нас кольцо, скорее всего грани его будут под углом 90 градусов, и если провод мотать прямо на кольцо, возможно повреждение лаковой изоляции, и как следствие межвитковое КЗ и тому подобное. Дабы исключить этот момент, грани можно аккуратно спилить напильником, или же обмотать Х/Б изолентой. После этого можно мотать первичку.

После того как намотали, еще раз заматываем изолентой кольцо с первичной обмоткой.

Затем сверху мотаем вторичную обмотку, правда тут чуть сложней.

Как видно в программе, вторичная обмотка имеет 6+6 витков, и 6 жил. То есть, нам нужно намотать две обмотки по 6 витков 6 жилами провода 0,63 (можно выбрать, предварительно написав в поле с желаемым диаметром провода). Или еще проще, нужно намотать 1 обмотку, 6 витков 6 жилами, а потом еще раз такую же. Что бы сделать этот процесс проще, можно, и даже нужно мотать в две шины (шина-6 жил одной обмотки), так мы избегаем перекоса по напряжению (хотя он может быть, но маленький, и часто не критичный).

По желанию, вторичную обмотку можно изолировать, но не обязательно. Теперь после этого припаиваем трансформатор первичной обмоткой к плате, вторичную к выпрямителю, а выпрямитель у меня использован однополярный со средней точкой.

Расход меди конечно больше, но меньше потерей (соответственно меньше нагрева), и можно использовать всего одну диодную сборку с БП АТХ отслуживший свой срок, или просто нерабочий. Первое включение обязательно проводим с включённой в разрыв питания от сети лампочкой, в моем случае просто вытащил предохранитель, и в его гнездо отлично вставляется вилка от лампы.

Если лампа вспыхнула и погасла, это нормально, так как зарядился сетевой конденсатор, но у меня данного явления не было, либо из-за термистора, или из-за того, что я временно поставил конденсатор всего на 82 мкФ, а может все месте обеспечивает плавный пуск. В итоге если никаких неполадок нету, можно включать в сеть ИИП. У меня при нагрузке 5-10 А, ниже 12 В не просаживалось, то что нужно для питания авто усилителей!

1. Если мощность всего около 200 Вт, то резистор, задающий порог защиты R10, должен быть 0,33 Ом 5 Вт. Если он будет в обрыве, или сгорит, сгорят все транзисторы, а также микросхема.
2. Сетевой конденсатор выбирается из расчета: 1-1,5 мкФ на 1 Вт мощности блока.
3. В данной схеме частота преобразования примерно 63 кГц, и в ходе эксплуатации, наверное, лучше для кольца марки 2000НМ, частоту уменьшить до 40-50 кГц, так как предельная частота, на которой кольцо работает без нагрева - 70-75 кГц. Не стоит гнаться за большой частотой, для данной схемы, и кольца марки 2000НМ, будет оптимально 40-50 кГц. Слишком большая частота приведет к коммутационным потерям на транзисторах и значительных потерях на трансформаторе, что вызовет его значительный нагрев.
4. Если у вас на холостом ходу при правильной сборке греется трансформатор и ключи, попробуйте снизить емкость конденсатора снаббера С10 с 1 нФ до 100-220 пкФ. Ключи нужно изолировать от радиатора. Вместо R1 можно использовать термистор с БП АТХ.

Вот конечные фото проекта блока питания:

​

Обсудить статью МОЩНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ СЕТЕВОЙ ДВУХПОЛЯРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

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

Конструктивные особенности и принцип работы

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

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

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

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

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

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

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

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

Импульсные устройства

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

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

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

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

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

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

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

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

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

Алгоритм работы устройства следующий:

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

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

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

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

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

Сильные и слабые стороны импульсных источников

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

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

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

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

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

Сфера применения

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

Собираем импульсный БП своими руками

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

Обозначения:

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

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