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.

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.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

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.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

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.

Пример миниатюрных импульсных БП

  • 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.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

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

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 UРС, 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:

  • различные виды зарядных устройств;
    Зарядки и внешние БП
  • внешние блоки питания;
  • электронный балласт для осветительных приборов;
  • БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

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

Принципиальная схема импульсного БП

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 – 2019 -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.