Импульсный блок питания с стабилизатором тока

Мощный блок питания 0-30 В своими руками

Занимаясь проектированием и конструированием различных электронных схем, не обойтись без надежного блока питания с регулируемым напряжением. Сегодня предлагаются различные конструкции: как сложные, так и простые. Узнайте, как сделать блок питания от 0 до 30 В на 10 ампер своими руками по пошаговым инструкциям со схемами и фото-примерами процесса сборки.

Варианты БП для самостоятельного монтажа

Блок питания выбирают исходя из того, какие схемы предполагается им запитывать. Если это устройства с низким потреблением тока, то и БП не обязательно делать мощный: вполне можно обойтись источником с током на 5 ампер. Рассмотрим несколько вариантов схем, а также узнаем, как собирать самодельные блоки питания.

Простой БП 0-30 В

Одна из несложных схем источника питания с регулировкой выходного напряжения приводится на схеме.

Устройство выполнено всего на трех транзисторах и отличается высокой точностью напряжения на выходе, благодаря использованию компенсационной стабилизации, а также применением недорогих элементов.

Изделие собирается на печатной плате и после монтажа практически сразу начинает функционировать. Главное — подобрать стабилитрон, который должен соответствовать максимальному напряжению на выходе.

Для корпуса подойдет любой пластиковый или металлический короб, который окажется под рукой, например, от компьютерного БП.

В такой корпус без проблем поместится трансформатор на 100 Вт и печатная плата. Имеющийся вентилятор можно оставить, подключив в разрыв его питания сопротивление для снижения оборотов.

Для измерения потребляемого нагрузкой тока задействуем стрелочный амперметр, устанавливая его на переднюю панель из пластиковой коробки.

Вольтметр можно использовать цифровой.

Завершив монтаж, проверяем выходное напряжение, изменяя положение переменного резистора.

Минимальное значение должно быть около нуля, максимальное – 30 В. Подсоединив нагрузку около 0,5 А, проверяем просадку напряжения на выходе – она должна быть минимальной.

Мощный импульсный БП

Рассмотрим схему блока питания с регулировкой по току и напряжению. Такие устройства иногда еще называют лабораторными, поскольку они подходят не только для запитки электронных схем, но и для зарядки АКБ.

Этот БП обеспечивает регулировку напряжения в диапазоне 0-30 В и тока 0-10 А. Источник можно разделить на три части:

1. Внутренняя схема питания, состоящая из источника напряжения на 12 В, и ток минимум 300 мА. Назначение этого источника – запитка схемы БП.
2. Блок управления. Выполнен на микросхеме TL494 с простым драйвером. Резистор R4 позволяет регулировать максимальный порог напряжения, R2 – ток.
3. Силовая часть. Большую часть схемы можно задействовать из старого компьютерного блока питания. Для намотки трансформатора управления подойдет ферритовое кольцо R16*10*4,5, на котором наматывают провод МГТФ 0.07 мм² в количестве 30 витков одновременно в 3 провода. L1 мотают на кольце от того же БП, удалив старую обмотку и намотав медный провод диаметром 2 мм и длиной 2 м. Для L2 подойдет дроссель на ферритовом стержне.

Для размещения элементов схемы изготавливают печатную плату.

Если сборка выполнена правильно, блок питания начинает работать сразу. Чтобы была возможность управлять вентилятором по температуре, можно собрать простую схему на lm317.

На Ардуино

Радиолюбители с опытом иногда собирают блоки питания под управлением Ардуино. Таким образом удается создать контролируемый источник питания с такими режимами: может «отдыхать», функционировать в режиме экономии либо работать на ток в 10 А и разное выходное напряжение, если это требуется.

«Умный» блок питания представлен на схеме.

Для запитки микропроцессора ATmega задействуется импульсный стабилизатор. Благодаря наличию постоянного и стабилизированного напряжения 5 В блок питания можно оснастить разъемом USB, что позволит подзаряжать какие-либо устройства.

Печатную плату можно сделать по образцу.

Внешний вид устройства и внутреннее расположение компонентов представлены на фото.

Блок питания от 0 до 30 В на 10 ампер можно собрать своими руками по любой из представленных схем, а как именно сделать такое устройство, пошагово рассмотрено в инструкциях с фото-примерами. Для сборки простого источника питания потребуются начальные значения в области радиоэлектроники, умение обращаться с паяльником и минимальный перечень радиокомпонентов.

Импульсный и аналоговый блок питания своими руками

В большинстве устройств, применяются импульсные схемы блоков питания (ИБП) из-за их высоких электроэнергетических показателей и стабильности в работе. Но вместе с тем используются и аналоговые источники питания, обладающие простотой изготовления и высокой надёжностью. Существует огромное количество вариантов изготовления блоков питания своими руками, применяя различные схематические решения.

Виды и принцип работы

Выполнен блок питания (БП) самостоятельно или приобретён серийный экземпляр, требования, предъявляемые к нему неизменные, а именно: высокий коэффициент полезного действия (КПД), малый размер, высокая стабильность выходного сигнала, отсутствие электропомех, а также высокая надёжность.

Основная классификация источников питания осуществляется по режиму работы, он бывает линейным и инверторным. Соответственно Б. П. разделяются:

• на аналоговые (линейные);
• на цифровые (инверторные).

Из важных параметров БП выделяют:

1. Тип выходного сигнала. В результате преобразования, напряжение на выходе может быть переменной или постоянной величины.
2. Мощность. Характеризуется током, которое выдаёт устройство без ухудшения характеристик выходного напряжения. Единица измерения ватт.
3. Коэффициент полезного действия. Показывает эффективность работы прибора, т. е. отношение преобразованной энергии к переданной. Чем показатель больше, тем менее греется устройство при работе.
4. Защита от перегрузок. Способность устройства реагировать на возникновение нештатных ситуаций в питаемых им устройствах.
5. Система охлаждения. По виду охлаждения разделяются на пассивные и активные. К пассивному виду относятся радиаторы или естественное охлаждение, к активному, нагнетатели воздуха или водяное охлаждение.

Аналоговый источник питания

Такие источники напряжения характеризуются надёжностью в работе и простотой изготовления. Недостатками являются размеры и вес, а также высокое ценообразование.

Ключевыми элементами линейного источника напряжений являются:

• сетевой фильтр;
• трансформатор.

Для получения постоянного напряжения после трансформатора добавляется диодный мост и электролитический конденсатор.

Трансформаторы применяются различного исполнения, единственно их первичная обмотка должна быть рассчитана на подключение к сети 220 вольт. По виду они бывают понижающими и повышающими. Сам трансформатор представляет собой электротехническое изделие, состоящее из двух частей. Сердечника, собранного из стали или феррита, и обмоток, выполненных в виде витков из проводникового материала. Для получения на выходе меньшего уровня сигнала, чем на входе, количество витков во вторичной обмотке делается меньше. Таким образом, изменяя это соотношение можно получить любое напряжение.

Сетевой фильтр предотвращает попадание помех в сеть от работающего оборудования и наоборот. Обычно представляет собой ёмкостно-индуктивную цепочку.

Принцип работы БП

Схема трансформаторного блока питания работает следующим образом. Напряжение сети проходит через фильтр, а с него попадает на первичную обмотку трансформатора. При прохождении по ней переменного тока, образовывается переменное магнитное поле. Этот поле пронизывает сердечник и все обмотки, в которых появляется ЭДС. Если к вторичной обмотке подсоединена нагрузка, то под действием ЭДС через неё начинает протекать переменный ток.

Для получения напряжения постоянной величины, сигнал со вторичной обмотки трансформатора передаётся на выпрямительный узел. Это устройство собранно на четырёх диодах, включённых по мостовой схеме, и электролитического конденсатора. С электролита и снимается постоянное напряжение, предназначенное для питания приборов.

Импульсный источник питания

Работа ИБП основана на двойном преобразовании напряжения. Вначале, входной сигнал преобразуется в постоянное напряжение, а затем в импульсы высокой частоты. Трансформатор, применяющийся в схеме, не требует больших размеров. При совместном включении трансформатора и транзистора в режиме ключа, образовывается блокинг-генератор. Изменение и стабилизация выходного сигнала, происходит уменьшением длительности открытого состояния транзистора, которое управляется специализированной микросхемой. Её работа построена на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Преимущество такого вида БП:

• малый вес;
• невысокая стоимость;
• КПД достигает 98%;
• защита от короткого замыкания и перегрузок.

Из недостатков отмечается сложность схемотехники и то, что такой источник питания вносит высокочастотные помехи в линию электропередачи.

Принцип работы ИБП

Сетевое напряжение попадает на схему через предохранитель, затем на ёмкостной помехоподавляющий фильтр. Далее, на выпрямительный блок из диодов. К выходу выпрямителя подключена сглаживающая электролитическая ёмкость. Напряжение на конденсаторе уменьшается, через цепочку резисторов и стабилитрон, для обеспечения пускового значения микросхемы. Микросхема управляет работой ключевого транзистора через ограничивающий резистор.

При поступлении прямоугольного импульса на транзистор происходит его открывание, и через обмотку импульсного трансформатора начинает течь ток. В результате наводится ЭДС и появляется напряжение на вторичной обмотке. Если длительность импульса, приходящего на ключевой транзистор, увеличивается, то увеличивается и величина выходного сигнала, при уменьшении соответственно уменьшается.

Для получения стабильного сигнала применяется обратная связь. Она собирается на оптопаре и резисторе. При повышении значения сигнала на вторичной обмотке трансформатора увеличивается и ток, протекающий через оптопару, что приводит к снижению сопротивления фототранзистора оптопары. В результате увеличивается падение напряжения на резисторе и уменьшается на входе ШИМ контроллера. Длительность импульса, посылаемая микросхемой на транзисторный ключ, увеличивается.

Стабилизация выходного сигнала

При необходимости получения стабилизированного сигнала на выходе, перед нагрузкой, подключается интегральный стабилизатор. Например, постоянного уровня сигнала КРЕН5А, 7812, или с его регулировкой LM 317T и т. п. Стабилизаторы характеризуются входным рабочим диапазоном, то есть при изменении входного сигнала в этом диапазоне на входе всегда будет постоянное значение напряжения.

Кроме интегральных микросхем, используется и параметрический стабилизатор. Конструкция его отличается тем, что параллельно нагрузке подсоединяется стабилитрон с требуемым напряжением стабилизации. Последовательно к нагрузке и стабилитрону включается сопротивление. При увеличении тока в цепи, напряжение на стабилитроне практически не изменится из-за его вольт-амперной характеристики. А весь излишек напряжения упадёт на сопротивление. Для увеличения коэффициента стабилизации в схеме применяется дополнительное включение транзисторов как последовательно, так и параллельно стабилитрону.

Регулятор выходного напряжения

В случае необходимости изменения стабилизированного сигнала на выходе, применяют регулятор величины уровня сигнала. Один из простых регуляторов напряжения для блока питания, собирается на специализированной микросхеме LM 317.

Микросхема LM 317 обеспечивает регулировку сигнала в диапазоне от 1,2 до 37 вольт при максимальной силе тока 1,5 ампера. Само изменение напряжения происходит с помощью подстройки сопротивления резистора R1. Микросхема снабжена защитой от короткого замыкания.

Необходимо отметить, что в случае использования ИБП микросхема ШИМ контроллера, за счёт сужения и расширения фронта импульсов изменяет мощность, передаваемую в трансформатор, и играет роль регулятора напряжения. Изменения происходят с помощью переменного резистора, подключённого к управляющим выводам микросхемы.

Управление переменным напряжением

Не всегда нужен БП с постоянным уровнем сигнала, иногда требуется на выходе переменное напряжение. Для плавной регулировки выходного переменного сигнала используется схема с мощным тиристорным управлением.

Такая схема применяется как с активной, так и реактивной нагрузкой. Входное напряжение может меняться от 125 до 220 вольт.

В состав выпрямительного моста включается тиристор, играющий роль ключа управления. Как только происходит разряд конденсатора C1 через резистор R2, тиристор открывается. Величина сигнала, при котором происходит открытие тиристора, регулируется переменным резистором R1. Выходное напряжение изменяется в диапазоне от нуля до величины входного сигнала.

Схемы источников питания

Для самостоятельного изготовления БП, потребуется наличие радиоэлементов, аккуратность и принципиальна схема. Выполнить аналоговый, самодельный блок питания, обычно не вызывает трудностей. В то время как изготовить регулируемый импульсный блок питания своими руками, будет сложно даже для подготовленного радиолюбителя.

Линейный блок питания

Самая дорогостоящая деталь такого источника напряжения будет трансформатор. Для простоты изготовления лучше поискать трансформатор вида тор. Остальные радиоэлементы не являются дефицитными и их всегда можно легко достать. Для того чтоб выполнить простой регулируемый источник питания понадобится:

• понижающий трансформатор;
• четыре выпрямительных диода или готовый диодный мост;
• электролитическая ёмкость 68—220 мкФ на 400 вольт;
• резистор 200 Ом;
• переменный резистор 6,8 кОм;
• интегральный стабилизатор LM 317.

Трансформатор выбирается со вторичной обмоткой около 25 вольт. При необходимости нужное количество витков потребуется смотать или домотать самостоятельно. Следует отметить, что при использовании диодного моста, выходное напряжение поднимется на величину равную произведению переменного напряжения на число 1.41. Вся схема собирается на плате из текстолита или навесным монтажом. Управление уровнем сигнала осуществляется изменением сопротивления построечного резистора. Такой блок питания сможет выдавать от 1,2 и до 37 вольт при токе 1,5 ампера.

Цифровой блок питания

Сделать самостоятельно такой БП совсем непросто. Для выполнения простого импульсного блока самостоятельно, в первую очередь понадобится изготовить печатную плату. Для этого в домашних условиях используется лазерно-утюжный метод (ЛУТ). После того как плата будет готова и закуплены радиодетали, потребуется правильно всё распаять.

Работа схемы заключается в использовании микросхемы TL 494. Встроенный в неё генератор подаёт поочерёдно на транзисторы VT1, VT2 работающие в ключевом режиме, импульсы с частотой 30 кГц. Транзисторы соединены с управляющим трансформатором TR1, который управляет VT3, VT4. Конденсаторы С3, С4 являются фильтром питания.

Цепочка R7, C8 формирует питающее напряжение для микросхемы в первый момент включения, после разряда С8 питание уже подаётся через третью обмотку трансформатора TR2. Стабилитрон VD2 и ёмкость C6 предназначены для формирования сигнала, обеспечивающего работу микросхемы. Напряжение с третьего вывода трансформатора, через диоды Шотки и С9, С10, подаётся на вход радиоустройства.

Собрав источник напряжения, изучив его работу, в дальнейшем выполнить ремонт импульсных блоков питания телевизоров своими руками не составит труда. Да и такой же ремонт БП в компьютерных системах или зарядных устройствах, будет легко осуществим самостоятельно.

При самостоятельном изготовлении приборов необходимо соблюдать осторожность и помнить об электробезопасности при работе с сетью переменного тока 220 вольт. Как правило, верно выполненный БП из исправных деталей не потребует настройки и сразу начинает работать.

Импульсный стабилизатор конденсаторного блока питания

Автор публикуемой статьи делится опытом применения импульсных стабилизаторов выходного напряжения в бестрансформаторных блоках питания с балластным конденсатором.

Один из наиболее серьезных недостатков бестрансформаторных источников питания с гасящим конденсатором, например, описанных в [1, 2], заключается в том, что их нельзя включать в сеть без нагрузки или с нагрузкой недостаточной мощности. Устраняют его включением стабилизатора на стабилитроне параллельно выходу выпрямительного моста [3]. Но при этом сам стабилитрон может потреблять ток, значение которого соизмеримо с током нагрузки, если учесть влияние разброса емкости гасящего конденсатора, напряжения стабилизации стабилитрона и колебания в сторону увеличения напряжения сети. На стабилитроне рассеивается значительная мощность, поэтому его приходится ставить на теплоотвод [2].

Основная идея усовершенствования бестрансформаторного блока питания с гасящим конденсатором заключается в введении в него импульсного регулирующего элемента, например, как это сделано в [4], для уменьшения рассеиваемой на стабилизаторе мощности.

В предлагаемом стабилизированном источнике питания с регулируемым выходным напряжением (см. схему) параллельно выходу диодного моста VD1 включен аналог неуправляемого четырехслойного диода (динистора) [5], выполненный на комплементарной паре транзисторов КТ502А, КТ503А. Для обеспечения стабильного порога включения аналога динистора подключен стабилитрон VD2 последовательно с эмиттерным переходом транзистора VT1.

При увеличении выходного напряжения диодного моста конденсатор С2 начинает заряжаться. Когда напряжение достигнет некоторого значения, зависящего от положения движка переменного резистора R6, включится стабилитрон VD2 и откроется сначала транзистор VТ1, а затем и VТ2. Из-за глубокой положительной обратной связи транзисторы открываются лавинообразно и шунтируют выход моста, что приводит к скачкообразному уменьшению напряжения на нем практически до нуля. Диод VD3 закрывается, а конденсатор С2 подпитывает нагрузку. Когда напряжение на выходе моста уменьшится до нуля, транзисторный аналог динистора выключается, начинается зарядка конденсатора С2. Процесс повторяется. Суммарное напряжение насыщения между эмиттерами транзисторов (падение напряжения на аналоге динистора) около 0,7 В.

В зависимости от сопротивления нагрузки включение аналога динистора происходит в разные моменты полупериодов сетевого напряжения. В режиме холостого хода на выходе диодного моста — короткие импульсы, следующие с наибольшей скважностью. При подключении нагрузки скважность уменьшается: уменьшается время открытого состояния транзисторов, что приводит к увеличению длительности импульса напряжения, поступающего через разделительный диод VD3 на конденсатор С2.

Процесс стабилизации напряжения очень похож на функционирование известного радиолюбителям стабилизатора напряжения с широтно-импульсным регулированием. Частота следования импульсов равна частоте пульсаций на конденсаторе С2. Разделительный диод VD3 предотвращает разрядку конденсатора С2 через открытые транзисторы.

Амплитуда импульса тока через стабилитрон VD2 не превышает 0,5 мА во всех режимах работы, что свидетельствует об экономичности стабилизатора с транзисторным аналогом динистора по сигналу управления. Для сравнения: если применить импульсный элемент — тринистор, то приборам серий КУ201, КУ202 необходима амплитуда тока включения до 100 мА.

Кроме того, использование параллельного стабилизатора позволяет плавно регулировать выходное стабилизированное напряжение на нагрузке, например, сопротивлением 1 кОм в пределах от 4,7 до 46 В. На холостом ходу — соответственно от 4,84 до 46,06 В. Отличие значений напряжения на нагрузке и на холостом ходу составляет около одного процента. Этого вполне достаточно практически для всех случаев.

Если регулировка выходного напряжения не требуется (необходимо фиксированное значение), резисторы R5 и R6 удаляют, а анод стабилитрона подключают к эмиттеру транзистора VT2. Такой источник питания со стабилитроном Д814Г обеспечивает фиксированное стабилизированное напряжение 9,94 В на нагрузке сопротивлением 180 Ом. На холостом ходу выходное напряжение равно 10,09 В . При использовании стабилитрона Д814А Uвых = 7,67 В на той же нагрузке, а на холостом ходу — 7,8 В. Как видно, разница между напряжениями на нагрузке и на холостом ходу и в этом случае составляет около одного процента.

Повысить выходное напряжение выпрямителя можно использованием в нем более высоковольтного стабилитрона или двух низковольтных, соединенных последовательно. При двух стабилитронах Д814В и Д814Д и емкости конденсатора С1 2 мкФ выходное напряжение на нагрузке сопротивлением 250 Ом может быть 23. 24 В.

Приведенные примеры иллюстрируют возможность экспериментальным путем подобрать элементы бестрансформаторного выпрямителя на требуемое стабилизированное выходное напряжение при заданной нагрузке.

Когда требуется наличие общего провода между выходом стабилизированного выпрямителя и сетью, может быть применен известный однополупериодный диодно-конденсаторный выпрямитель. Для этого следует исключить диодный мост VD1, резистор R2 включить последовательно с балластным конденсатором С1, нижний (по схеме) сетевой провод соединить с «минусовым» выходным и между эмиттерами транзисторов подключить выпрямительный диод анодом к эмиттеру транзистора VT2.

Резистор R2 ограничивает входной ток при переходных процессах в момент включения устройства в сеть. Из-за неизбежного «дребезга» контактов сетевой вилки и розетки процесс включения сопровождается серией кратковременных замыканий и разрывов цепи.

При одном из таких явлений гасящий конденсатор С1 может зарядиться до полного амплитудного значения напряжения сети, т. е. примерно до 300 В. После разрыва и последующего замыкания цепи напряжение на конденсаторе и сетевое могут сложиться и составить в сумме около 600 В. Это — наихудший случай, который необходимо учитывать для обеспечения надежной работы устройства.

Поэтому в устройствах, предложенных для повышения надежности, лучше применить более мощные комплементарные пары транзисторов, например, КТ814А и КТ815А; КТ816А и КТ817А; КТ837А и КТ805А; КТ973А и КТ972А; 2Т505А и 2Т504А и т. д.

Устройство гальванически связано с сетью. Об этом следует помнить и соблюдать осторожность при его конструировании и налаживании.

Дорофеев М. Бестрансформаторный с гасящим конденсатором. — Радио, 1995, № 1, с. 41, 42; № 2, с. 36, 37. Хухтиков Н. Зарядное устройство. — Радио, 1993, № 5, с. 37. Бирюков С. Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором. — Радио, 1997, № 5, с. 48-50. Алексеев С. Симметричные динисторы — в источниках питания. — Радио, 1998, № 10, с. 70, 71. Войцеховский Я. Радиоэлектронные игрушки. — М.: Советское радио, 1970, с. 40.

Импульсный стабилизатор напряжения

Импульсный стабилизатор напряжения — это стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме [1] , то есть бо́льшую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, либо в режиме насыщения — с минимальным сопротивлением, а значит может рассматриваться как ключ. Плавное изменение напряжения происходит благодаря наличию интегрирующего элемента: напряжение повышается по мере накопления им энергии и снижается по мере отдачи её в нагрузку. Такой режим работы позволяет значительно снизить потери энергии, а также улучшить массогабаритные показатели, однако имеет свои особенности.

Содержание

Разновидности

Принцип действия

Важнейшими элементами импульсного источника питания являются ключ — устройство, способное за короткое время изменить сопротивление прохождению тока с минимального на максимальное, и наоборот, и интегратор, напряжение на котором не может измениться мгновенно, а плавно растёт по мере накопления им энергии и так же плавно падает по мере отдачи её в нагрузку. Простейшим примером такого элемента может служить конденсатор, перед которым включено некоторое ненулевое сопротивление (в качестве которого может служить, к примеру, внутреннее сопротивление источника питания) [замечание 1] .

Примечание

1. ↑ Конденсатор взят для наглядности, но в реальных схемах КПД такого преобразователя мал, и не превышает КПД линейных регуляторов, т.к. много энергии рассеивается на упомянутом сопротивлении, или излучается в виде электромагнитной энергии (см. «Two Capacitors Paradox»). Схемы, позволяющие достичь более высокого КПД описаны ниже.

Ключевой с триггером Шмитта

Несколько иначе устроен ключевой стабилизатор напряжения с триггером Шмитта (называемый также релейным или стабилизатором с двухпозиционным регулированием [2] ). В нём, при замкнутом ключе (1), входное напряжение поступает через ключевой элемент на накопитель (2), а выходное напряжение сравнивается с минимально допустимым напряжением и максимально допустимым напряжением в компараторе (4), который является входной составной частью инвертирующего триггера Шмитта (4)-(3). Как только выходное напряжение превышает максимально допустимое напряжение U_max, инвертирующий триггер Шмитта переключается в «0» и закрывает ключ (1). Накопитель разряжается, пока напряжение на нём не упадёт ниже минимально допустимого напряжения U_min, после чего инвертирующий триггер Шмитта переключается в «1», ключ снова открывается и процесс повторяется.
В середине диапазона стабилизации от U_min до U_max состояние ключа не изменяется.
Напряжения сравнения U_min и U_max формируются из опорного напряжения (5), при применении простого триггера Шмитта без обратной связи простыми делителями напряжения, а при применении более сложного триггера Шмитта с обратной связью более сложными для расчёта U_min и U_max цепями.

Такой стабилизатор прост по конструкции, частота замыкания/размыкания ключа в нём определяется суммой постоянных времени заряда и разряда накопителя (объекта управления) и разницей между максимально допустимым и минимально допустимым напряжениями и, при постоянной нагрузке, постоянна.

При двухпозиционном регулировании возможно использование не всех видов преобразований: например, невозможно использование описанного ниже повышающего преобразователя.

Ключевой с широтно-импульсной модуляцией

На рисунке изображена функциональная схема ключевого стабилизатора напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Когда ключ (1) замкнут, входное напряжение U_i через ключ поступает на интегратор (2). Интегратор накапливает энергию, подаваемую с ключа и отдаёт её в нагрузку, когда ключ разомкнут. В результате на выходе имеем усреднённое значение напряжения, которое зависит от входного напряжения и скважности импульсов, зависящей от частоты генератора и ёмкости конденсатора. Вычитатель-усилитель на операционном усилителе (4) вычитает из выходного напряжения напряжение сравнения (6) и усиливает разность. Усиленная разница поступает на модулятор (3). В модуляторе компаратор преобразует импульсы генератора (5) в прямоугольные импульсы, отклонение скважности которых от среднего значения, равного 2, пропорционально разности между выходным напряжением и напряжением сравнения. Поэтому, ключевой стабилизатор напряжения с ШИМ, при малых отклонениях выходного напряжения от напряжения сравнения работает как пропорциональный регулятор (П-регулятор). Обычно генератор выдаёт треугольные или пилообразные импульсы, которые преобразуются в прямоугольные с помощью порогового элемента с регулируемым порогом срабатывания (компаратора). Прямоугольные импульсы с выхода модулятора управляют замыканием и размыканием ключа (1).

При малых отклонениях выходного напряжения от напряжения сравнения скважность близка к 2, а частота работы ключа близка к частоте генератора модулятора. Ключ (транзистор) работает в наиболее благоприятном частотном режиме.

При больших отклонениях выходного напряжения от напряжения сравнения скважность приближается к или к , эквивалентная частота работы ключа в начале периода или в конце периода приближается к , ключ (транзистор) работает в наихудшем частотном режиме, в котором чаще всего и выходит из строя, затем ключ (транзистор) переходит в благоприятные, полностью открытое или в полностью закрытое состояние.

Диапазон частот

В отличие от блоков питания с сетевым трансформатором, импульсные блоки питания могут работать при достаточно высокой частоте преобразования. Повышение частоты позволяет уменьшить габариты и массу устройства. С верхней стороны диапазон частот преобразователей ограничивается требованиями ограничения источников помех для работы радиочастотной аппаратуры.

Обычно диапазон частот преобразователей составляет 20..80 кГц. При выборе частоты работы ключевых и ШИМ-стабилизаторов необходимо учитывать высшие гармоники токов.

Преобразователи на основе дросселя

Стабилизаторы с ёмкостным накопителем не получили широкого распространения, так как они хорошо работают только при достаточно большом внутреннем сопротивлении первичного источника. Такая ситуация возникает достаточно редко, т. к. внутреннее сопротивление источников питания стараются уменьшить, для отдачи большей мощности в нагрузку и меньших потерь энергии в источнике (например, внутреннее сопротивление бытовой сети электроснабжения в жилых помещениях составляет обычно от 0,05 Ом до 1 Ом). При работе от источника с маленьким внутренним сопротивлением в качестве накопителя энергии целесообразно использовать дроссель, либо более сложные комбинации дросселей и конденсаторов. Рассмотрим некоторые простые разновидности преобразователя.

Преобразователь с понижением напряжения

Кроме ключа S и дросселя L содержит диод D и конденсатор C. Когда ключ S замыкается, ток от источника течёт через дроссель L и нагрузку. ЭДС самоиндукции дросселя приложена обратно напряжению источника тока. В результате напряжение на нагрузке равно разности напряжения источника питания и ЭДС самоиндукции дросселя, ток через дроссель растёт, как и напряжение на конденсаторе C и нагрузке. При разомкнутом ключе S ток продолжает протекать через дроссель в том же направлении через диод D и нагрузку, а также конденсатор C. ЭДС самоиндукции приложена к нагрузке R через диод D, ток через дроссель постепенно уменьшается, как и напряжение на конденсаторе C и на нагрузке [3] .

Преобразователь с повышением напряжения

В этом преобразователе ключ установлен после дросселя. Когда ключ замкнут, ток от источника протекает через дроссель L, ток через него увеличивается, в нём накапливается энергия. При размыкании ключа ток от источника течёт через дроссель L, диод D и нагрузку. Напряжение источника и ЭДС самоиндукции дросселя приложены в одном направлении и складываются на нагрузке. Ток постепенно уменьшается, дроссель отдаёт энергию в нагрузку. Пока ключ замкнут, нагрузка питается напряжением конденсатора C. Диод D не даёт ему разрядиться через ключ S [4] .

Возможно также совмещение этой схемы с предыдущей, что позволяет произвольно изменять величину выходного напряжения: как повышать, так и понижать. Для этого перед дросселем устанавливаются диод и ключ, как в предыдущей схеме.

Инвертирующий преобразователь

В нём дроссель подключен параллельно источнику и нагрузке. Когда ключ S замкнут, ток от источника течёт через дроссель и быстро растёт. Когда ключ размыкается, ток продолжает течь через нагрузку R и диод D. ЭДС самоиндукции дросселя приложена в обратную сторону, по сравнению с напряжением источника. Поэтому напряжение к нагрузке также приложено в обратном направлении. Когда ключ S замкнут — диод D закрывается, а нагрузка питается зарядом конденсатора C [5] .

Во всех трёх схемах диод D может быть заменён на ключ [6] , замыкаемый в противофазе к основному ключу. Во многих случаях, особенно в низковольтных стабилизаторах, это позволяет увеличить КПД. Такую схему называют синхронным выпрямителем см. синхронное выпрямление (англ.)

Другие разновидности

Существуют другие разновидности импульсных преобразователей напряжения, использующихся в стабилизаторах. Например, такие преобразователи, как Обратноходовый преобразователь и Двухтактный преобразователь имеют индуктивную развязку выходных цепей, что позволяет питать с их помощью устройства, для которых недопустима гальваническая связь с питающей сетью.

Резонансный преобразователь имеет наилучшие условия работы ключей, что позволяет строить на его основе преобразователи большой мощности (до десятков киловатт) с достаточно высоким КПД. [7] [8] Однако его недостатком является сложность проектирования, что мешает его широкому распространению.

Квазирезонансный преобразователь обладает значительно более высоким КПД по сравнению с широтно-импусными модуляторами, благодаря чему обеспечивается минимальное энергопотребление в дежурном режиме и низкое тепловыделение в рабочем. Выходное напряжение БП регулируется за счет изменения частоты работы преобразователя. [9]

Особенности использования

Фильтрация импульсных помех

Импульсный стабилизатор напряжения является источником высокочастотных помех в связи с тем, что содержит ключи, коммутирующие ток [10] . Сложно подобрать такой режим работы ключей, чтобы коммутация происходила в моменты, когда через ключ не протекает ток при размыкании, или на ключе нулевое напряжение при замыкании. Поэтому в моменты коммутации возникают довольно значительные броски напряжения и тока, распространяющиеся как на вход, так и на выход стабилизатора. Для поглощения помех помехоподавляющие фильтры устанавливаются как на входе, так и на выходе стабилизатора.

Использование в сетях переменного тока

Рассмотренные импульсные преобразователи напряжения преобразуют постоянный ток на входе в постоянный ток на выходе. Для питания устройств от сети переменного тока необходимо устанавливать на входе выпрямитель и сглаживающий фильтр. Стоит отметить, что импульсный стабилизатор напряжения под нагрузкой имеет отрицательное дифференциальное сопротивление: при повышении напряжения на входе для сохранения выходного напряжения уменьшается входной ток, и наоборот. Если подключить такой стабилизатор через мостовой выпрямитель в сеть переменного тока, он станет источником нечётных гармоник [11] . Поэтому, чтобы обеспечить достаточный коэффициент мощности, требуется компенсатор.

Гальваническая развязка

Стоит отметить некоторые особенности импульсных стабилизаторов с точки зрения гальванической развязки цепей:

• Существование импульсных преобразователей напряжения с гальванической развязкой позволяет отказаться от низкочастотного сетевого трансформатора — необходимую гальваническую развязку будет осуществлять высокочастотный трансформатор, который работает на частоте десятков-сотен килогерц, и следовательно его габариты значительно меньше, чем обычного силового сетевого трансформатора работающего на промышленной частоте 50 Гц.
• Озвученное выше решение предполагает наличие относительно большого количества элементов, установленных до развязывающего трансформатора, а значит гальванически связанных с входными цепями. Эта часть, гальванически связанная с электрической сетью, обычно выделяется на платах либо штриховкой, либо чертой на слое сеткографической маркировки, или даже особой окраской, которая предупреждает человека о потенциальной опасности прикосновения к частям, расположенным в ней. Импульсные блоки питания в составе других приборов (телевизоров, компьютеров) закрываются защитными крышками, снабжёнными предупреждающими надписями. Если при ремонте импульсного блока питания необходимо включить его со снятой крышкой, рекомендуется включать его через развязывающий трансформатор или УЗО.
• Обратная связь в импульсных стабилизаторах также требует развязки. Для этой цели применяют либо отдельную обмотку на трансформаторе, с которой снимается напряжение для сравнения с опорным, либо напряжение снимается с выхода блока питания, а развязка управляющих цепей осуществляется с помощью оптрона.
• Часто помехоподавляющие фильтры на входе импульсных блоков питания соединяются с корпусом прибора. Это делается в том случае, если предполагается подключение защитного заземления корпуса. Если защитным заземлением пренебрегли, то на корпусе прибора образуется потенциал относительно земли равный половине сетевого напряжения. Конденсаторы фильтров, как правило, имеют небольшую ёмкость, поэтому прикосновение к корпусу такого прибора неопасно для человека, но одновременное прикосновение чувствительными частями тела к заземленным приборам и к незаземленному корпусу ощутимо (говорят, что прибор «кусается»). Кроме того потенциал на корпусе может быть опасен для самого прибора.

Как работает блок питания компьютера

Содержание

Содержание

Большинство рассказов про блоки питания начинается с подчеркивания их важнейшей и чуть ли не главенствующей роли в составе компьютера. Это не так. БП — просто один из компонентов системы, без которого она не будет работать. Он обеспечивает преобразование переменного напряжения из сети в необходимые для работы ПК стабилизированные напряжения. Все блоки можно разделить на импульсные и линейные. Современные компьютерные блоки выполнены по импульсной схеме.

Линейные блоки питания

Сетевое напряжение поступает на первичную обмотку трансформатора, а со вторичной мы снимаем уже пониженное до нужных пределов переменное напряжение. Далее оно выпрямляется, следом стоит фильтр (в данном случае нарисован обычный электролитический конденсатор) и схема стабилизации. Схема стабилизации необходима, так как напряжение на вторичной обмотке напрямую зависит от входного напряжения, а оно только по ГОСТу может меняться в пределах ±10 %, а в реальности — и больше.

Основные достоинства линейных блоков питания — простая конструкция и низкий уровень помех (поэтому аудиофилы часто используют их в усилителях). Недостаток таких БП — габариты и невысокий КПД. Собрать БП мощностью 400 и более Вт по такой схеме возможно, но он будет иметь устрашающие размеры, вес и стоимость (медь нынче дорогая).

Импульсные блоки питания

Далее в тексте сократим название «импульсный источник питания» до ИИП. Такие блоки питания более сложны, но гораздо более компактны. Для примера на фото ниже показана пара трансформаторов.

Слева — отечественный сетевой с номинальной мощностью 17 Вт, справа — выпаянный из компьютерного БП мощностью 450 Вт. Кстати, отечественный еще и весит раз в 5 больше.

В ИИП сетевое напряжение сначала выпрямляется и сглаживается фильтром, а потом опять преобразуется в переменное, но уже гораздо более высокой частоты (несколько десятков килогерц). А затем оно понижается трансформатором.

Так выглядит плата вживую:

Фильтр

Фильтр в блоке питания двунаправленный: он поглощает разного рода помехи: как созданные самим БП, так и приходящие из сети. В самых бюджетных БП предприимчивые китайцы вместо дросселей распаивали перемычки (или, как их называют ремонтники, «пофигисторы»), а конденсаторы не ставили вообще. Чем это плохо: помехи будут влиять на другую аппаратуру, подключенную к данной сети, а напряжение на выходе получится с «мусором». Сейчас таких блоков уже немного. Встречается также экономия на размерах: фильтр как бы есть, но работать он будет кое-как.

Фильтр работает эффективнее, когда он находится как можно ближе к источнику помех. Поэтому часть фильтра зачастую располагают прямо на сетевой розетке.

На картинке изображен фильтр в минимальной комплектации. F1 — предохранитель, VDR1 — варистор, N1 — термистор, Х2 — Х-конденсатор, Y1 — Y-конденсаторы, L1 — синфазный дроссель. Резистор R1 служит для разряда конденсатора Х2.

Еще одна опасная для жизни пользователей экономия — когда вместо специальных Х- и Y-конденсаторов ставят обычные. Впрочем, встречается она редко. Автор видел такое всего один раз и очень давно. Экономия очень незначительна, а риск для пользователей очень велик, так как, например, Y-конденсаторы подключаются одной «ногой» на фазу, а другой — на корпус. В случае пробоя конденсатора можно получить опасное для жизни напряжение на корпусе.

Корректор коэффициента мощности

Не будем вдаваться в подробности, поскольку статьи на эту тему уже были: раз и два. Скажем только, что корректор коэффициента мощности должен быть во всех компьютерных БП, желательно активного типа (A-PFC).

Плюсы корректора:
1) Снижается нагрузка на сеть.
2) Повышенный диапазон входного напряжения (чаще всего, но не всегда).
3) Улучшение работы инвертора.

Минусы:
1) Увеличивается сложность конструкции, соответственно, снижается надежность.
2) Возможны проблемы при работе с UPS.

Преобразователь

Обычно используется мостовая или полумостовая схема. Чаще всего встречается полумост. На картинке ниже он изображен в упрощенном виде.

Как видно по схеме, транзисторы открываются поочередно с небольшой задержкой, чтобы не случилось ситуации, когда оба окажутся открыты. В таком случае получаем на первичной обмотке переменный ток высокой частоты, а на вторичной — уже пониженный до нужной величины.

В топовых блоках применяются резонансные преобразователи (LLC), которые имеют более высокий КПД, но они технически сложнее.

Выпрямление и стабилизация выходных напряжений

На выходе БП имеется четыре напряжения:
1) 12 В — отвечает за питание процессора, видеокарты, HDD, вентиляторов.
2) 5 В — питание логики материнской платы, накопителей, USB.
3) 3,3 В — питание оперативной памяти.
4) -12 В — считается атавизмом и не используется в современных компьютерах.

По способу выпрямления и стабилизации блоки можно поделить на четыре группы:

1) Выпрямление с помощью диодов Шоттки (полупроводниковый прибор, у которого при прямом включении падение напряжения будет в три-четыре раза меньше, чем у обычных кремниевых), групповая стабилизация.

Внешне их можно определить по двум крупным дросселям. На одном — три обмотки (12 В, 5 В и тонкий провод -12 В).

Второй имеет меньший размер. Это отдельная стабилизация канала 3,3 В. Сейчас такие БП часто встречаются в основном в бюджетном сегменте. Например:

Вот, например, фото такого блока. Очень бюджетно:

2) Выпрямление с помощью диодов Шоттки, раздельная стабилизация на магнитных усилителях. Внешне их можно отличить по наличию в выходных цепях трех крупных дросселей. Данная схема в современных БП не используется: ее вытеснили более производительные решения. Пик такой схемотехники — начало 2000-х годов.

3) Выпрямление канала 12 В с помощью диодов Шоттки. Напряжения 5 В и 3,3 В получают из 12 В с помощью преобразователей DC-DC. Развитие электроники позволило производить недорогие и эффективные преобразователи такого рода. БП будет ненамного эффективнее обычных с групповой стабилизацией (так как нагрузка на низковольтные каналы небольшая), но стабильность напряжений выше.

4) Канал 12 В — синхронный выпрямитель на MOSFET (полевой транзистор с изолированным затвором), остальные напряжения получают при помощи преобразователей DC-DC.

Это наиболее эффективная и точная, но и более сложная схемотехника. В соответствии с ней делают все топовые блоки питания. Отклонения выходных напряжений у таких блоков укладываются в один-два процента при допустимых 5 %.

Дежурный источник питания

Представляет из себя маломощный ИИП с напряжением на выходе 5 В. Он работает все время, пока БП подключен к сети. Обеспечивает питание микросхем внутри блока и питание логики на материнской плате, а также подает питание на порты USB при выключенном компьютере.

Супервизор

Микросхема обеспечивает функционирование основных защит в блоке (превышения выходных напряжений, превышение выходного тока и прочее), управляет включением и выключением блока по сигналам с материнской платы.

Теперь вы представляете, как обстоит дело со схемотехникой в наши дни. А что нас ждет в будущем? В мае 2020 года компания Интел выпустила новый ATX12VO (12 V Only) Desktop Power Supply Disign Guide в котором описывает совершенно новые БП: у блока осталось только одно напряжение — 12 В. Нужные напряжения будет преобразовывать материнская плата. Дежурный источник питания с напряжения 5 В перейдет на 12 В. При этом размеры блоков АТХ остаются такими же. Это сделано для того, чтобы сохранить совместимость со старыми корпусами. Правда, пока производители не торопятся переходить на этот формфактор.