Импульсный блок питания своими руками (простые и мощные схемы): расчеты на микросхеме sg3525, ir2153 для 5, 12, и 24В

Структурная и принципиальная схема основных частей блока

На входе блока питания устанавливается сетевой фильтр. Принципиально на работу самодельного или промышленного импульсного блока питания он не влияет – все будет функционировать без него. Но отказываться от схемы фильтрации нельзя – из-за крайне нелинейной формы потребляемого тока импульсные источники интенсивно «сыплют» помехами в бытовую сеть 220 вольт.

Назначение входного устройства — защита от двух видов помех:

• синфазной (несимметричной) – возникает между любым проводом и землей (корпусом) БП;
• дифференциальной (симметричной) – между проводами (полюсами) питания.

Фильтр, как и весь блок питания, на входе защищен предохранителем F (плавким или самовосстанавливающимся). После предохранителя стоит варистор – резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Пока входное напряжение в норме, сопротивление варистора велико и он не оказывает никакого действия на работу схемы.

Статья по теме: Из чего состоит блок питания компьютера

Конденсаторы Cx блокируют дифференциальные помехи на входе и выходе фильтра в диапазоне до 30 МГц. На частоте 50 Гц их сопротивление велико, поэтому влияния на сетевое напряжение они не оказывают. Их емкость может быть выбрана от 10 до 330 нФ. Резистор Rd устанавливается для безопасности – через него разряжаются конденсаторы после отключения питания.

Синфазные помехи подавляет фильтр на Cy и L. Их значения для частоты среза f связаны формулой Томпсона:

f=1/(2*π*√L*C), где:

• f – частота среза в кГц (берется частота преобразования импульсника);
• L – индуктивность дросселя, мкГн;
• С – емкость Cy, мкФ.

Синфазный дроссель наматывается на ферритовом кольце. Обмотки одинаковые, мотаются на противоположных сторонах.

После фильтра сетевое напряжение выпрямляется. В большинстве случаев используется стандартный двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Выпрямитель

Напряжение вторичной обмотки надо выпрямить. Для уровней до 12 вольт желательно использовать двухполупериодную схему со средней точкой.

Преимущество данной схемы – ток проходит в каждую сторону только через один диод, и падение напряжения на вентилях, в отличие от классической мостовой схемы, в два раза меньше. Это может существенно сократить потребное число витков вторичной обмотки.

Если выходное напряжение БП выше 12 вольт, то экономия 0,6 вольт становится несущественной, и можно выполнить выпрямитель по стандартной схеме и применить трансформатор без отвода.

Мощный импульсный блок на ir2153

Несложные блоки питания можно строить на микросхеме IR2153. Она представляет собой мощный интегральный драйвер с таймером, подобным NE555. Частота генерации задается внешними элементами. Входов для организации обратной связи микросхема не имеет, поэтому стабилизацию тока и напряжения методом ШИМ не получить.

Назначение выводов приведено в таблице.

Для наилучшего понимания работы и назначения выводов лучше изучить внутреннюю схему. Основной момент, на который надо обратить внимание – выходные ключи собраны по полумостовой схеме.

На этой микросхеме можно собрать простой блок питания.

Питается IR2153 от 220 вольт через гасящий резистор R1, выпрямитель на диоде VD3, фильтр на С4. Частота генерации задается элементами С5, R2 (с указанными на схеме номиналами получается около 47 кГц). Трансформатор можно посчитать программой. В авторском варианте использовался силовой трансформатор от компьютерного БП. Штатные обмотки удалены, первичка намотана в две жилы проводом в эмалевой изоляции диаметром 0,6 мм.

Первое включение блока

Если БП собран на микросхеме, перед первым включением желательно проверить исправность обвязки. Для этого надо подать на микросхему напряжение питания от стороннего источника и осциллографом проверить наличие импульсов.

Если все нормально, можно подавать напряжение 220 вольт и приступать к наладке устройства. Первое включение в сеть (да и последующие после переделок или при наладке) надо делать через лампу накаливания на 220 вольт, включив ее в разрыв провода питания.

Если в схеме что-то не так, лампа вспыхнет, сигнализируя о неисправности. Если все в порядке, лампа гореть не будет или будет светиться в полнакала. На выходе надо нагрузить БП хотя бы одной автомобильной лампой на 12 вольт – без этого некоторые источники не запустятся.

Импульсный блок питания – не самое простое электронное устройство. Успех сборки и эксплуатации зависит от разных факторов, в том числе от конструктива устройства. На работоспособность влияют, например, тщательность изготовления намоточных деталей или топология разводки печатной платы. Рекомендуется сначала повторить уже опробованную конструкцию, и, по мере наработки опыта, творить что-то свое.

В завершении для наглядности рекомендуем к просмотру серию тематических видеороликов.

Простой блок питания на полевом транзисторе

Несложный блок питания можно собрать на основе мощного полевого транзистора. Особенностью схемы является использование первичной обмотки трансформатора в качестве индуктивности, накапливающей энергию. Этим блок питания принципиально отличается от рассмотренных выше. Хотя он содержит многие элементы приведенной блок-схемы, работают большинство из них по-другому принципу.

На входе источника установлен выпрямитель и сетевой фильтр. При подаче напряжения и зарядке конденсатора С4 (а также цепочки С2С3) транзистор VT1 приоткрывается, и в первичной обмотке I начинает нарастать ток. В обмотке II возникает ЭДС, напряжение через цепочку положительной обратной связи R9VD5C5 поступает на затвор VT1, отчего он открывается еще больше.

Процесс развивается лавинообразно и приводит к полному открыванию транзистора. Ток в обмотке I нарастает, создавая запас энергии. Напряжение на R10 возрастает, поступая на базу фототранзистора приемной части оптрона U1. Он при этом приоткрывается, напряжение на затворе VT1 уменьшается, и он закрывается.

Начинается второй цикл работы преобразователя. Накопленная в обмотке энергия через диоды VD8 передается в конденсатор фильтра С9 и в нагрузку. Если напряжение превысит установленный уровень, загорится светодиод оптрона и транзистор VT1 закроется раньше.

Трансформатор в данной схеме работает по-другому, и рассчитывать его через упомянутую программу нельзя. Он намотан на двух склеенных кольцах из пермаллоя МП140 типоразмера 19х11х6,7. Первичная обмотка I выполнена проводом ПЭВ диаметром 0,35 мм и содержит 180 витков. Обмотка II — 8 витков провода ПЭВ-2 0,2, обмотка III — 7 витков из пяти проводов ПЭВ-2 0,56.

Дроссели L1 и L2 намотаны на кольцах из того же материала типоразмера 15x7x6,7. Первый содержит две обмотки по 30 витков из провода ПЭВ 0,2 на противоположных половинах магнитопровода. Второй выполнен проводом ПЭВ-2 0,8 в один слой по всей длине кольца до заполнения. Дроссели можно намотать и на кольцах из феррита. Данный БП способен выдать до 5А при напряжении 5В.

Процесс переделки

Перед изготовлением лабораторного блока питания из компьютерного надо открыть его корпус и очистить плату и внутреннее пространство от пыли. Лучше делать это пылесосом, при этом счищая загрязнения мягкой кистью.

Далее следует отрезать (или выпаять) от блока питания все провода, кроме одного черного и одного желтого. Если они разной толщины, то надо оставить самые толстые. Или можно оставить по два провода, соединив их параллельно.

После выпайки проводника в зеленой изоляции, освободившуюся контактную площадку надо соединить перемычкой с полигоном общего провода. Сделать это удобнее на плате по кратчайшему пути. После этой операции БП будет запускаться после подачи сетевого напряжения.

Следующий этап – удаление лишних элементов на плате.

Надо удалить все элементы выпрямителей ненужных в дальнейшем напряжений. Схему формирования сигнала PWR_OK и запуска БП, обведенную синим, можно оставить, а можно удалить. В последнем случае соединять зеленый провод с нулем не надо.

В цепи вывода питания (12) TL494 может быть цепочка из диода и резистора D73R25 (есть не во всех БП). Ее надо выпаять и обойти перемычкой. В цепи вывода 1 надо удалить все лишние резисторы, оставить один – идущий к шине 12 вольт. От четвертого вывода TL494 надо отключить все, кроме резистора.

Между 4 и 13-14 ногами надо установить конденсатор (если его по факту нет) емкостью 1..10 мкФ, он обеспечит мягкий пуск. Все остальные соединения от выводов 13-14 надо отключить. Также надо полностью освободить выводы 15 и 16. От 2 и 3 выводов микросхемы надо отключить все, кроме частотозадающей RC-цепочки.

Сглаживающий конденсатор в цепи 12 вольт (выделен зеленым кругом) надо заменить на другой, емкостью не ниже 1000 мкФ и напряжением не менее 35 В (можно выше по емкости и по напряжению, насколько позволит место). Также желательно увеличить сопротивление нагрузочного резистора в выходных цепях 12 вольт примерно в два раза. В итоге схема должна прийти к такому виду.

Следующим шагом надо создать схему ограничения тока. Для этого ток надо сначала измерить. Для этого потребуется шунт от амперметра – измеряя падение напряжения на нем, можно судить о токе. Шунтовые сопротивления бывают в виде пластины или в виде проволочной спирали. Вторые удобнее – их проще монтировать в условиях ограниченного места.

Включается шунт в разрыв соединения средней точки выходного трансформатора и земляной шины. Параллельно ему включается амперметр, заодно показана схема подключения вольтметра для измерения выходного напряжения.

Далее цепь измерения тока через резистор подключается к выводу 15 микросхемы, его величина подбирается для необходимого ограничения тока. Начинать подбор надо с минимума.

Для регулировки ограничения тока устанавливается потенциометр сопротивлением 1..15 кОм. Такой же потенциометр устанавливается для регулировки уровня выходного напряжения.

Необходимость установки элементов, выделенных сними цветом, определяется в процессе наладки. Перед ее проведением надо:

• временно выпаять резистор сопротивлением 24 кОм между выводом 1 микросхемы и шиной 12 вольт;
• включить в разрыв сетевого провода блока питания лампу накаливания на 220 вольт (подобно предохранителю).

При наличии проблем в силовых цепях БП, лампа будет гореть в полный накал и ограничит ток. Если все в порядке, лампа гореть не будет или будет слабо светиться. В процессе наладки также желательно использовать такое включение.

Если лампа не загорелась, можно продолжать процедуру настройки. В отсутствие резистора R24 контур регулирования разомкнут, поэтому блок питания выдаст максимально возможное напряжение. Если оно недостаточно для дальнейшей эксплуатации, надо собрать выпрямитель по мостовой схеме, используя сборки или отдельные диоды на соответствующий ток и напряжение.

Если все ОК, то вместо резистора надо впаять потенциометр или подстроечник сопротивлением 30..50 кОм. Вращая движок, надо добиться на выходе уровня примерно 0,85..0,9 от максимально возможного. Запас необходим для реализации стабилизации по току и напряжению. Получившееся сопротивление надо замерить и впаять в плату постоянный резистор с наиболее близким номиналом.

Резистор от шунта (по схеме 270 Ом) надо подобрать для получения максимального тока. При увеличении его сопротивления, верхняя граница тока тоже увеличивается. Задать ток можно с помощью нагрузки из автомобильных ламп накаливания соответствующей мощности.

Если наблюдается нестабильная работа под нагрузкой или при регулировке (прослушиваются свист, потрескивание и т.п.), надо попытаться устранить эти неприятные явления установкой элементов, выделенных синим цветом. Иногда добиться успеха получается без резистора 33 кОм, а иногда он нужен обязательно.

Завершающий этап – расположение органов управления и измерительных приборов на корпусе блока питания. Их можно закрепить на передней панели, оформив ее в соответствии с фантазией и возможностями, но необязательно. Если удобно, можно, например, расположить настроечные органы на одной панели корпуса, а измерительные приборы – на другой.

Чтобы получить двухполярный лабораторник, лучше изготовить два ЛБП по приведенной методике и соединить их последовательно. Общая точка соединения будет служить нулевым проводом. Ток и напряжение каналов можно будет регулировать раздельно.

Процесс переделки блоков питания стандарта AT осуществляется по тому же принципу, но для их запуска не нужен сигнал с материнской платы, поэтому соединения зеленого провода с землей не потребуется в любом случае. В остальном надо лишь разобраться в схеме БП.

В завершении для наглядности рекомендуем серию тематических видеороликов.

Пуш-пульная схема

Пуш-пульный инвертор (push – толкать, pull – тянуть) — пример двухтактного преобразователя. Транзисторные ключи работают на первичную обмотку трансформатора, состоящую из двух полуобмоток I и II. Транзисторы поочередно открываются на заданный промежуток времени.

Когда открыт верхний по схеме транзистор, ток течет через полуобмотку I (красная стрелка), когда второй – через полуобмотку II (зеленая). Чтобы избежать ситуации, когда оба ключа открыты (из-за конечной скорости работы транзисторов), схема управления формирует паузу, называемую Dead time.

Такая схема хорошо работает при низком напряжении питания (до 12 вольт). Минусом является наличие выбросов амплитудой, равной удвоенному напряжению питания. Это влечет за собой применение транзисторов, рассчитанных на вдвое большее напряжение.

Снаббер

Чтобы скомпенсировать выбросы тока и напряжения, неизбежно возникающие при коммутации первичной обмотки трансформатора, применяются демпферные цепи, в англоязычной технической литературе называемые снабберами. Такие цепи могут устанавливаться по питанию (параллельно первичной обмотке трансформатора) либо отдельно на каждый ключ.

Обоснованной методики расчета снаббера не существует. Для этого надо учесть все паразитные индуктивности (обмотки, дорожек, конденсаторов) на множестве частот и для неизвестных волновых сопротивлений. Поэтому все существующие расчеты носят эмпирический характер.

Что такое снаббер или демпфер можете узнать посмотрев видео.

В схемах RCD-снабберов (в и г на рисунке) присутствуют диоды. Они могут быть полезны для ограничения импульсов обратной полярности в схемах с тиристорами и биполярными транзисторами. Если ключи собраны на полевых или IGBT-транзисторах, то смысла в установке вентилей нет – они дублируют диоды, имеющиеся внутри указанных транзисторов.

Емкость конденсатора выбирается в пределах 0,1–0,33 мкФ. В 90 процентах случаев этого достаточно. Увеличение или уменьшение номинала применяется для ключей, работающих в нестандартных условиях (повышенная частота преобразования и т.п.)

Фильтр

Выходное напряжение надо отфильтровать – оно содержит большое количество продуктов преобразования. Так как инвертор работает на достаточно большой частоте, то эффективными становятся фильтры, содержащие не только конденсаторы, но и малогабаритные дроссели относительно небольшой индуктивности.

Для расчета элементов фильтра надо задаться коэффициентом пульсаций Кп. Он выбирается из предполагаемой нагрузки:

• чувствительная аппаратура для радиоприема, предварительные каскады аудиоаппаратуры, микрофонные усилители – Кп=10^-5..10^-4;
• усилители звуковой частоты – Кп=10^-4..10^-3;
• приемная и звуковоспроизводящая аппаратура среднего и низкого класса – Кп=10^-2..10^-3.

Для Г-образного фильтра, устанавливаемого после двухполупериодного выпрямителя, действуют соотношения:

• L*C=25000/(f² Кп);
• L/C=1000/R²н.

В этих формулах:

• L – индуктивность дросселя в мкГн;
• С – емкость конденсатора в мкФ;
• f – частота преобразования в Гц;
• Rн – сопротивление нагрузки в Омах.

Для П-образного фильтра:

Размерность величин та же, что и для предыдущего фильтра.