Показать содержимое по тегу: импульсные блоки питания схемы

Хороший, качественный усилитель мощности звуковой частоты должен иметь на своем борту надежный, безотказный и качественный источник питания. Вокруг вас и меня по сей день, неустанно бушуют споры о применении линейных или импульсных источников питания в УМЗЧ. Я не отношусь категорично к определенной конструкции и применяю в усилителях, как высокочастотные преобразователи, так и линейные блоки питания.

В этой статье будет представлена хорошая схема блока питания для усилителя на микросхеме IR2161, которая первоначально создавалась, как специализированная микросхема для преобразователей питания галогеновых ламп. Вскоре одним из опытных любителей электроники, Ильей Стельмах (Nem0), была разработана схема импульсного блока питания для усилителя на базе той самой микросхемы питания галогеновых ламп IR2161.

В арсенале IR2161 есть все необходимое для построения надежного импульсного источника питания (ИИП). Присутствует, как защита от перегрузки, так и защита от короткого замыкания (КЗ). Без функции «Софт-старта» поднимать такой разговор было бы несерьезно, поэтому мягкий пуск также присутствует. Еще, к особенностям IR2161 относятся адаптивное мертвое время (ADT) и компенсация выходного напряжения.

Схема блока питания для усилителя на IR2161

Работа схемы

При включении ИИП в сеть, напряжение переменного тока поступает через предохранитель F1 и фильтры C2, L1, C1 на диодный мост VDS1. Энергия выпрямленного напряжения (+310В) накапливается в электролитическом конденсаторе С10 и будет использоваться в дальнейшем для питания первичной обмотки трансформатора T1.

Также, напряжение переменного тока поступает на однополупериодный выпрямитель, выполненный на диоде VD4. Далее выпрямленное напряжение через гасящий резистор R1 поступает на катод стабилитрона VD1 (13 Вольт). Это напряжение сглаживается конденсаторами C3 и C4 и поступает на вывод питания (вывод 1) драйвера IR2161. Хочу обратить внимание, что микросхема не начнет генерацию, пока напряжение на выводе 1 будет меньше 10.5 Вольт. Описанная выше схема питания IR2161 работает только при запуске, в дальнейшем в работу включается цепь самопитания. Самопитание обеспечивается от первичной обмотки трансформатора, через гасящий конденсатор C7, резистор R2 и диоды VD2, VD3. Такой способ питания микросхемы способствует малому нагреву гасящего резистора R1, который выполняет свою основную работу только при запуске. Также за счет подключения гасящего конденсатора C7 к высокочастотной части позволило снизить его емкость до 330пФ, тем самым уменьшив его габариты.

Генерируемые импульсы через резисторы R3 и R5 поступают на затворы полевых транзисторов VT1 и VT2. Транзисторы, открываясь по очереди, подключают нижний отвод первичной обмотки к положительному или отрицательному выводу электролитического конденсатора C10, в котором накапливается энергия выпрямленного напряжения +310В. Верхний отвод первичной обмотки соединен к средней точке емкостного делителя напряжения C11, C13. Таким образом, на первичной обмотке будет присутствовать прямоугольный импульс со значением половины выпрямленного напряжения, то есть примерно 160В. Напряжение с вторичной обмотки поступает на мостовой выпрямитель VDS2, выполненный на диодах Шоттки. Далее уже выпрямленное напряжение через дроссели L2 и L3 поступает на выход ИИП. На выходе блока питания имеются конденсаторы C15-C20, сглаживающие пульсации и служащие накопителями.

Рабочая частота блока питания на IR2161 находится в диапазоне 34-70кГц и зависит от потребляемой мощности. У микросхемы IR2161 нет времязадающих элементов.

Софт-старт

Драйвер IR2161 при старте запускается на частоте 130кГц, дальше по мере зарядки конденсатора C5 до 5В частота осциллятора будет плавно снижаться до рабочей частоты (70кГц на холостом ходу), после того как закончен этап мягкого старта, конденсатор C5 разряжается и далее внутренне подключается уже к цепи компенсации напряжения, драйвер выводится в рабочий режим. Таким образом, устроена функция «Софт-старт». При частоте 130кГц сопротивление первичной обмотки будет довольно высоким, следовательно, напряжение на ней просядет, ограничив выходной ток при зарядке конденсаторов C15-C20. Емкость конденсатора C5 должна быть строго 100нФ, потому что от ее значения зависит не только длительность мягкого запуска, но и время отключения IR2161 при работе защиты от перегрузки и короткого замыкания, а также C5 задействован в цепи компенсации напряжения.

Работа защиты

В схеме резистор R6 является датчиком тока. Через него протекает ток, пропорциональный току нагрузки. При увеличении тока резистора R6, увеличивается на нем и падение напряжения, которое через резистор R5 поступает на 4 вывод драйвера. Этот вывод отвечает за срабатывание защиты.

Защита по перегрузке срабатывает с задержкой примерно 0.5 секунды, когда напряжение на выводе 4 находится в диапазоне от 0.5В до 1В. Задержка исключает ложные срабатывания. Если перегрузка устранена, то примерно через 1 секунду драйвер выйдет из защиты.

Защита от короткого замыкания срабатывает с более короткой задержкой (примерно 50мс), но при условии, что на выводе 4 присутствует напряжение более 1В. При устранении КЗ драйвер IR2161 также сбрасывается в рабочий режим примерно через 1 секунду.

За задержку срабатывания отвечает все тот же конденсатор C5, который отвечает за длительность софт-старта и компенсацию напряжения. Его емкость нельзя увеличивать более 100нФ.

На входе схемы установлен варистор RV1, защищающий схему при скачках сетевого напряжения более 275В.

Компенсация напряжения

Компенсация представляет собой некую стабилизацию выходного напряжения в малых пределах за счет изменения частоты генерации. Как говорилось выше, рабочая частота IR2161 находится в диапазоне от 34кГц до 70кГц. При повышении нагрузки частота будет снижаться. Для понижения выходного напряжения частота драйвера увеличивается. Драйвер получает информацию о токе нагрузке через цепь защиты (см. выше) от датчика тока R6. Когда конденсатор C5 уже подключен к цепи компенсации напряжения (после завершения мягкого запуска), от напряжения на его выводах зависит частота осциллятора, при 0В частота 70кГц, при 5В частота 34кГц.

Несрабатывание Soft—Start Mode

Софт-старт в данной схеме не совсем идеален, поэтому стоит учесть, что в случае наличия на выходе блока питания больших емкостей, при его запуске протекают большие токи, которые вводят IR2161 в защиту. Но, если при старте защита сработала, то выходя из нее драйвер, включается сразу в рабочий режим, минуя режим плавного запуска.

Для устранения такой проблемы необходимо уменьшить выходные емкости конденсаторов или увеличить индуктивность дросселей L2, L3. Также, для повышения надежности, в схему включен термистор RT1, который ограничивает ток зарядки емкостей при запуске блока питания.

Немного о мертвом времени

Также хотелось отметить, что для данного драйвера нет элементов, задающих мертвое время. Драйвер его оптимально подбирает сам. Мертвое время – это когда оба ключа находятся в закрытом положении. Автоматику может сбить с толку высокая емкость снаббера, поэтому разработчик схемы (Илья Стельмах) утверждает и категорически не рекомендует использовать снабберную цепь в первичной обмотке трансформатора, подкрепив свои слова опытами и измерениями.

Компоненты схемы

В принципе, все номиналы элементов представлены на схеме импульсного блока питания.

Ток предохранителя F1 от 3А до 5А. Он не является защитой от КЗ, а лишь исключает возможность возникновения пожара при нештатной ситуации. Варистор RV1 на напряжение 275В. Термистор RT1 должен быть рассчитан на ток не менее 3А и иметь сопротивление 10-20Ом.

Конденсаторы C1, C2 – помехоподавляющие (типа X2), можно пленочные.

Диодный мост VDS1 на ток 6 или 8 Ампер.

На печатной плате для R1 есть место установки четырех резисторов на 82кОм по 0.5Вт каждый, установленные попарно в параллель, но также есть возможность установки одного резистора 82кОм 2Вт.

Стабилитрон VD1 на напряжение не менее 13В и не более 14В. Можно установить последовательно два стабилитрона, например на 6.2В и на 7.5В. У IR2161 есть встроенный стабилитрон, но VD1 обязателен для повышения надежности и облегчения работы маломощного встроенного стабилитрона.

Диоды VD2, VD3, VD5 должны быть быстрыми HER108 или серии SF, UF, FR.

Датчик тока R6 рассчитывается по формуле R6 = 32/Pном, где Pном – номинальная мощность. Я, например, применил два резистора по 0.3Ома 1Вт, соединенных параллельно.

На плате есть полигон под SMD резисторы типоразмера 2512, из которых можно собрать сопротивление R6.

Автор схемы настоятельно рекомендует не ставить в качестве C4 емкость более 47мкФ, как и завышать емкость C11 и C13 более 0.47мкФ.

Транзисторы VT1 и VT2 необходимо выбирать близкие по параметрам IRF740, такие как IRF840, STP10NK60, STP8NK80 и им подобные.

На выходе блока питания в качестве элементов диодного моста VDS2 необходимо использовать только диоды Шоттки или очень быстрые импульсные диоды.

Дроссели наматываются на ферритовых стержнях диаметром 6-8мм и имеют от 5 до 30 витков медного эмалированного провода диаметром 1-1.5мм. Я мотал 20 витков, индуктивность составила 12мкГн. Автор схемы рекомендует чем больше витков, тем лучше, то есть оптимальным будет 30 витков.

Синфазный дроссель L1 можно взять готовый из блока питания ПК, либо намотать на кольце по 20-30 витков медным эмалированным проводом 0.6-0.8мм, обратите внимание, что две обмотки мотаются в противофазе и каждая на своей половине сердечника. Кольцо из любого материала, с цветом покрытия: синий, зеленый, желтый, коричневый.

Трансформатор

Сердечник трансформатора типа ER35, взятый из блока питания ПК. Его габариты 35мм*21мм*11мм, а проницаемость составляет 2000. Первичная обмотка у меня содержит 45 витков медного эмалированного провода, диаметром 0.63мм (в одну жилу). Вторичные обмотки по 13 витков того же провода, но в две жилы. Такое количество витков необходимо для вышеописанных параметров сердечника трансформатора и выходного напряжения 40+40 Вольт. Все обмотки мотать в одном направлении.

Первичную обмотку необходимо укладывать виток к витку, до заполнения всей длины каркаса.

После чего нужно положить несколько слоев изоляции.

В качестве изоляции я использую пакет для запекания, нарезанный лентой. Можно использовать термоскотч. Простой скотч использовать нельзя, он плохо передает тепло, и его основа неблагоприятно влияет на покрытие провода.

Далее, необходимо уложить оставшиеся витки первичной обмотки. Например, нам нужно намотать 45 витков, но в первый слой влезло 20 витков, тогда кладем несколько слоев изоляции, а потом равномерно распределяем по всему участку каркаса оставшиеся 15 витков. Я оставшиеся витки мотал виток к витку, но лучше распределять равномерно, это повысит КПД вашего ИИП.

Вторичная обмотка мотается аналогично первичной обмотке. Между первичной и вторичной обмотками необходимо выполнить хороший слой изоляции. Далее двумя жилами провода диаметром 0.63мм я мотал 13 витков, все влезло в один слой. Делаю средний отвод.

От среднего отвода мотаю еще 13 витков, в ту же сторону. Все, абсолютно все витки мотаем в одну сторону. Если влезли не все витки, то равномерно распределяем оставшиеся виточки по всей длине каркаса сердечника трансформатора.

Если у вас другой сердечник, то необходимо убедиться, что у него нет зазора на центральной его части. Также магнитная проницаемость сердечника желательно должна быть в районе 2000.

Скачиваем программу Lite-CalcIT(2000) и вводим параметры сердечника, а также желаемое выходное напряжение. Частоту указываем 34кГц. Диаметр провода лучше всего использовать 0.6-0.8мм, при необходимости использовать 2-3 и более жил, нежели использовать одну жилу диаметром 1мм и более. Это необходимо для того, чтобы не снизить КПД источника питания.

Советы при сборке

Используйте только оригинальные транзисторы и диоды Шоттки. Применяйте номиналы, указанные в схеме без ее изменения. Используйте печатную плату разработчика схемы (приложена к статье), которая отработана множество раз.

Транзисторы и выходные диоды установите на радиатор площадью не менее 300см2, через изоляционные прокладки и втулки, а после сборки проверьте сопротивление между фланцами полупроводников и теплоотводом, сопротивление должно быть бесконечно большим.

Силовые дорожки печатной платы можно залудить оловом или вдоль них пропаять медную жилу.

После монтажа смывайте остатки флюса.

Возможные неисправности

Во-первых, первый запуск необходимо выполнять на холостом ходу через лампу 220В подключенную в разрыв сетевого провода. Если все нормально, то лампа вспыхнет и погаснет. Если лампа продолжит гореть, значит в ИИП есть ошибки, либо он вышел из строя. Пример включения лампы аналогично ИИП на IR2153 представлен ниже.

После нормального запуска нагрузить выход резисторами 10-20кОм и сделать прогон 20-30мин. За это время трансформатор немного нагреется, до температуры 30-400C, это нормально. Ключи должны быть комнатной температуры. Если все нормально, то нагружаем дальше и делаем прогон под нагрузкой.

Если на холостом ходу нагреваются, и происходит быстрая раскачка выходного напряжения, а также на затворах транзисторов наблюдаются выбросы, то автор схемы рекомендует выполнить зазор, в виде наклеенного скотча между всеми тремя соприкасающимися поверхностями сердечника трансформатора. То есть, совсем небольшой зазор.

Осциллограмма у одного из пользователей форума «Паяльник», показывающая выбросы на транзисторах.

Также на форуме было много нареканий в сторону автора, что в полумостовой схеме нельзя выполнять зазор в сердечнике, но те, кто выполнил рекомендации автора, убедились, что он был прав. Я зазор в пару десятых миллиметра сделал еще при склеивании сердечника, то есть капля клея на соприкасающихся поверхностях обеспечила этот самый небольшой зазор, и соответственно у меня выбросов на затворах ключей не было.

Изначально у меня на старте выходили из строя транзисторы, микросхема IR2161 и резисторы R4-R6. Так было несколько раз, пока я не установил оригинальные транзисторы IRF740, поэтому не используйте транзисторы из Китая, с этой проблемой столкнулся не я один.

Еще при старте может наблюдаться такая картина, как цоканье микросхемы IR2161 и естественно она не запускается. Обычно в такой ситуации на 1 выводе драйвера напряжение ниже 10.5В, что препятствует её запуску. Необходимо проверить все номиналы элементов питания и самопитания драйвера, если все соответствует схеме, то необходимо увеличить емкость конденсатора самопитания C7 до 680пФ-1нФ.

Форма сигнала на трансформаторе, на холостом ходу.

Форма сигнала на одном из затворов ключей, на холостом ходу.

На нагрузке осциллограммы не выкладываю, но форма сигнала практически не менялась, за исключением частоты, которая снизилась примерно до 35кГц.

При испытании ИИП был нагружен 160Вт, а после 180Вт в течение 30мин. Нагрузка была статическая, в виде резистора. Нагрев диодного моста VDS1 продолжался до 700C, после чего рост температуры остановился. Радиатор с площадью поверхности 300см2 нагрелся до 600C, также нагрелся трансформатор до температуры 600C. Можно сделать вывод, что данный импульсный блок питания для усилителя на IR2161 можно смело применить для питания двух каналов усилителя НЧ класса AB с выходной мощностью 100Вт на канал, так как в усилителе нагрузка не статическая и сигнал не является чистой синусоидой, с постоянной амплитудой.

Схема и печатная плата взяты из сообщества «[Nem0] Аудиотехника и Радиоэлектроника».

Печатная плата

Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций

Важно понимать, что импульсы высокой частоты играют двоякую роль:

1. в/ч помехи могут приходить из бытовой сети в блок питания;
2. импульсы высокочастотного тока генерируются встроенным преобразователем и выходят из него в домашнюю проводку.

Причины появления помех в бытовой сети:

• апериодические составляющие переходных процессов, возникающие от коммутации мощных нагрузок;
• работы близкорасположенных приборов с сильными электромагнитными полями, например, сварочных аппаратов, мощных тяговых электродвигателей, силовых трансформаторов;
• последствия погашенных импульсов атмосферных разрядов и других факторов, включая наложение высокочастотных гармоник.

Помехи ухудшают работу радиоэлектронной аппаратуры, мобильных устройств и цифровых гаджетов. Их необходимо подавлять и блокировать внутри конструкции импульсного блока питания.

Основу фильтра составляет дроссель, выполненный двумя обмотками на одном сердечнике.

Дроссели могут быть выполнены разными габаритами, намотаны толстой или тонкой проволокой на больших или маленьких сердечниках.

Начинающему мастеру достаточно запомнить простое правило: лучше работает фильтр с дросселем большого магнитопровода, увеличенным числом витков и поперечным сечением проволоки. (Принцип: чем больше — тем и лучше.)

Дроссель обладает индуктивным сопротивлением, которое резко ограничивает высокочастотный сигнал, протекающий по проводу фазы или нуля. В то же время оно не оказывает особого влияния на ток бытовой сети.

Читать также: Приспособление для поднятия тяжести на небольшую высоту

Работу дросселя эффективно дополняют емкостные сопротивления.

Конденсаторы подобраны так, что закорачивают ослабленные дросселем в/ч сигналы помех, направляя их на потенциал земли.

Принцип работы фильтра в/ч помех от проникновения на блок питания входных сигналов показан на картинке ниже.

Между потенциалами земли с нулем и фазой устанавливают Y конденсаторы. Их конструктивная особенность — они при пробое не способны создать внутреннее короткое замыкание и подать 220 вольт на корпус прибора.

Между цепями фазы и нуля ставят конденсаторы, способные выдерживать 400 вольт, а лучше — 630. Они обычно имеют форму параллепипеда.

Однако следует хорошо представлять, что ИБП в преобразователе напряжения сами выправляют сигнал и помехи им практически не мешают. Поэтому такая система актуальна для обычных аналоговых блоков со стабилизацией выходного сигнала.

У импульсного блока питания важно предотвратить выход в/ч помех в бытовую сеть. Эту возможность реализует другое решение.

Как видите, принцип тот же. Просто емкостные сопротивления всегда располагаются по пути движения помехи за дросселем.

Третья схема в/ч фильтра считается универсальной. Она объединила элементы первых двух. Y конденсаторы в ней просто работают с двух сторон каждого дросселя.

У самых дорогих и надежных устройств используется сложный фильтр с дополнительно подключенными дросселями и конденсаторами.

Сразу же показываю схему расположения фильтров на всех цепочках блока питания: входе и выходе.

Обратите внимание, что на кабель, выходящий из ИБП и подключаемый к электронному прибору, может быть дополнительно установлен ферритовый фильтр, состоящий из двух разъемных полуцилиндров или выполненный цельной конструкцией.

Примером его использования является импульсный блок питания ноутбука. Это уже четвертый вариант применения фильтра.

Блоки питания формата АТХ с коррекцией коэффициента мощности.

В рассмотренных схемах нагрузкой сети служит конденсатор, подключаемый к сети через диодный мост. Заряд конденсатора происходит только в том случае если на нем напряжение меньше чем сетевое. В результате ток носит импульсный характер, что имеет множество недостатков.

Мостовой выпрямитель напряжения.

Перечислим эти недостатки:

1. токи вносят в сеть высшие гармоники (помехи);
2. большая амплитуда тока потребления;
3. значительная реактивная составляющая в токе потребления;
4. сетевое напряжение не используетсяв течение всего периода;
5. КПД таких схем имеет небольшое значение.

Новые блоки питания имеют усовершенствованную современную схему, в ней появился еще один дополнительный блок – корректор коэффициента мощности (ККМ). Он осуществляет повышение коэффициента мощности. Или более простым языком убирает некоторые недостатки мостового выпрямителя сетевого напряжения.

Формула полной мощности.

Коэффициент мощности (КМ) характеризует, сколько в полной мощности активной составляющей и сколько реактивной. В принципе, можно сказать, а зачем учитывать реактивную мощность, она же мнимая и не несет пользу.

Формула коэффициента мощности.

Допустим, у нас есть некий прибор, блок питания, с коэффициентом мощности 0,7 и мощностью300 Вт. Видно из расчетов, что наш блок питания имеет полную мощность (сумму реактивной и активной мощности) больше, чем указанная на нем.И эту мощность должна дать сеть питания 220В. Хотя эта мощность не несет пользы (даже счетчик электричества ее не фиксирует) она все же существует.

Расчет полной мощности блока питания.

То есть внутренние элементы и сетевые провода должны быть рассчитаны на мощность430 Вт, а не 300 Вт.А представьте себе случай, когда коэффициент мощности равен 0,1 … Из-за этого ГОРСЕТЬЮ запрещается использовать приборы с коэффициентом мощности менее 0,6, а в случае обнаружения таковых на владельца налагается штраф.

Соответственно кампаниями были разработанные новые схемы блоков питания, которые имели ККМ. Вначале в качестве ККМ использовался включенный на входе дроссель большой индуктивности, такой блок питания называют блок питания с PFC или пассивным ККМ. Подобный блок питания обладает повышенным КМ. Для достижения нужного КМ необходимо оснащать блоки питания большим дросселем, так как входное сопротивление блока питания носит емкостной характер из-за установленных конденсаторов на выходе выпрямителя. Установка дросселя значительно увеличивает массу блока питания, и повышает КМ до 0,85, что не так уж и много.

400 Вт блок питания с пассивной коррекцией коэффициента мощности.

На рисунке представлен блок питания компании FSP мощностью 400 Вт с пассивной коррекцией коэффициента мощности. Он содержит следующие элементы:

1. Конденсаторы фильтра выпрямленного сетевого напряжения.
2. Дроссель, осуществляющий коррекцию коэффициента мощности.
3. Трансформатор главного преобразователя.
4. Трансформатор, управляющий ключами.
5. Трансформатор вспомогательного преобразователя (дежурного напряжения).
6. Фильтры сетевого напряжения от пульсаций блока питания.
7. Радиатор, на котором установлены выходные транзисторные ключи.
8. Радиатор, на котором установлены диоды, выпрямляющие переменное напряжение главного трансформатора.
9. Плата управления скоростью вращения вентилятора.
10. Плата, на которой установлен ШИМ-контроллер FSP3528 (аналог KA3511).
11. Дроссель групповой стабилизации и элементы фильтра пульсаций выходного напряжения.
12. Конденсаторы фильтра пульсаций выходного напряжения.

Включение дросселя для коррекции КМ.

Вследствие не высокой эффективности пассивной ККМ в блок питания была введена новая схема ККМ, которая построена на основе ШИМ-стабилизатора, нагруженного на дроссель.Эта схема приносит множество плюсов блоку питанию:

• расширенный диапазон рабочих напряжений;
• появилась возможность значительно уменьшить емкость конденсатора фильтра сетевого напряжения;
• значительно повышенный КМ;
• уменьшение массы блока питания;
• увеличение КПД блока питания.

Есть и недостаткиу этой схемы – это снижение надежности БП и некорректная работа с некоторымиисточниками бесперебойного питания при переключениях режимов работы батарея / сеть. Некорректная работа этой схемы с ИБП вызвана тем, что в схеме существенно снизилась емкость фильтра сетевого напряжения. В момент, когда кратковременно пропадает напряжение, сильно возрастает ток ККМ, необходимый для поддержания напряжения на выходе ККМ, в результате чего срабатывает защита от КЗ (короткого замыкания) в ИБП.

Схема активного корректора коэффициента мощности.

Если посмотреть на схему, то она представляет собой генератор импульсов, который нагружен на дроссель. Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом и подаетсяна ключ, который нагружен дросселем L1 и трансформатором Т1. Трансформатор введен для обратной связи контроллера с ключом. Напряжение с дросселя снимается с помощью диодов D1 и D2. Причем напряжение снимается поочередно с помощью диодов, то с диодного моста, то с дросселя,и заряжает конденсаторы Cs1 и Cs2. Ключ Q1 открывается и в дросселе L1 накапливается энергия нужной величины. Размер накопленной энергии регулируется длительностью открытого состояния ключа. Чем больше накоплено энергии, тем большее напряжение отдаст дроссель. После выключения ключа происходит отдача накопленной энергии дросселем L1 через диод D1 конденсаторам.

Такая работа позволяет использовать полностью всю синусоиду переменного напряжения сети в отличиеот схем без ККМ, а также стабилизировать напряжение, питающее преобразователь.

В современных схемах блоков питания, часто применяют двухканальные ШИМ-контроллеры. Одна микросхема осуществляет работу, как преобразователя, так и ККМ.В результате существенно снижается количество элементов в схеме блока питания.

Схема простого блока питания на двухканальном ШИМ-контролере.

Рассмотрим схему простого блока питания на 12В с использованием двуканального ШИМ-контроллера ML4819. Одна часть блока питания осуществляет формирование постоянного стабилизированного напряжения +380В. Другая часть представляет собой преобразователь, формирующий постоянное стабилизированное напряжение +12В. ККМ состоит, как и в выше рассмотренном случае, из ключа Q1, нагруженного на него дросселя L1 трансформатора Т1 обратной связи. Диоды D5, D6 заряжают конденсаторы С2, С3, С4. Преобразователь состоит из двух ключей Q2 и Q3, нагруженных на трансформатор Т3. Импульсное напряжение выпрямляется диодной сборкой D13 и фильтруется дросселем L2 и конденсаторами С16, С18.° C помощью патрона U2 формируется напряжение регулирования выходного напряжения.

Блок питания GlacialPower GP-AL650AA.

Рассмотрим конструкцию блока питания, в которой есть активный ККМ:

1. Плата управления токовой защитой;
2. Дроссель, выполняющий роль как фильтра напряжений +12В и +5В, так и функцию групповой стабилизации;
3. Дроссель фильтра напряжения +3,3В;
4. Радиатор, на котором размещены выпрямительные диоды выходных напряжений;
5. Трансформатор главного преобразователя;
6. Трансформатор, управляющий ключами главного преобразователя;
7. Трансформатор вспомогательного преобразователя (формирующий дежурное напряжение);
8. Плата контроллера коррекции коэффициента мощности;
9. Радиатор, охлаждающий диодный мост и ключи главного преобразователя;
10. Фильтры сетевого напряжения от помех;
11. Дроссель корректора коэффициента мощности;
12. Конденсатор фильтра сетевого напряжения.

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.

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.

Блоки питания форм-фактора АТХ без коррекции коэффициента мощности

Преобразователи, рассмотренные выше, хоть и законченные устройства, но в практикеих использовать неудобно. Частота преобразователя, выходное напряжение и многие другие параметры «плавают», изменяются в зависимостиот изменения: напряжения питания, загруженности выхода преобразователя и температуры.Но если ключами управлять контроллером, который бы мог осуществлять стабилизацию и различные дополнительные функции, то можно использовать схему для питания устройств. Схема блока питания с применением ШИМ-контроллера довольно проста, и, в общем, представляет собой генератор импульсов, построенный на ШИМ-котроллере.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция. Она позволяет регулировать амплитуду сигнала прошедшего ФНЧ (фильтр низких частот) с изменением длительности или скважности импульса. Главные достоинства ШИМ это высокое значение КПД усилителей мощности и большие возможности в применении.

Схема простого блока питания с ШИМ контроллером.

Данная схема блока питания имеет небольшую мощность и в качестве ключа использует полевой транзистор, что позволяет упростить схему и избавитьсяот дополнительных элементов, необходимых для управления транзисторных ключей. В блоках питания большой мощности ШИМ-контроллер имеет элементы управления («Драйвер») выходным ключом. В качестве выходных ключей в блоках питаниях большой мощности используются IGBT-транзисторы.

Сетевое напряжение в данной схеме преобразуется в постоянное напряжение и чрез ключ поступает на первую обмотку трансформатора. Вторая обмотка служит для питания микросхемы и формирования напряжения обратной связи. ШИМ-котроллер генерирует импульсы с частотой, которая задана RC-цепочкой подключенной к ножке 4. Импульсы подаются на вход ключа, который их усиливает. Длительность импульсов изменяется в зависимостиот напряженияна ножке 2.

Рассмотрим реальную схему АТХ блока питания. Она имеет намного больше элементов и в ней присутствуют еще дополнительные устройства. Красными квадратами схема блока питания условно поделена на основные части.

Схема АТХ блока питания мощностью 150–300 Вт.

Для питания микросхемы контроллера, а также формирования дежурного напряжения +5, которое используется компьютером, когда он выключен,в схеме находиться еще один преобразователь. На схемеон обозначен как блок 2. Как видноон выполнен по схеме однотактного преобразователя. Во втором блоке также есть дополнительные элементы. В основном это цепочки поглощения всплесков напряжений, которые генерируются трансформатором преобразователя. Микросхема 7805 – стабилизатор напряжения формирует дежурное напряжение +5В из выпрямленного напряжения преобразователя.

Зачастую в блоке формирования дежурного напряжения установлены некачественные или дефектные компоненты, что вызывает снижение частоты преобразователя до звукового диапазона. В результате чего из блока питания слышен писк.

Так как блок питания питается от сети переменного напряжения 220В, а преобразователь нуждается в питании постоянным напряжением, напряжение необходимо преобразовать. Первый блок осуществляет выпрямление и фильтрацию переменного сетевого напряжения. В этом блоке также находится заграждающий фильтр от помех, генерируемых самим блоком питания.

Третий блок это ШИМ-контроллер TL494. Он осуществляет все основные функции блока питания. Защищает блок питания от коротких замыканий, стабилизирует выходные напряжения и формируетШИМ-сигнал для управления транзисторными ключами, которые нагружены на трансформатор.

Четвертый блок состоит из двух трансформаторов и двух групп транзисторных ключей. Первый трансформатор формирует управляющее напряжение для выходных транзисторов. Поскольку ШИМ-контроллер TL494 генерирует сигнал слабой мощности, первая группа транзисторов усиливает этот сигнал и передает его первому трансформатору. Вторая группа транзисторов, или выходные, нагружены на основной трансформатор, который осуществляет формирование основных напряжений питания. Такая более сложная схема управления выходными ключами применена из-за сложности управления биполярными транзисторами и защиты ШИМ-контроллера от высокого напряжения.

Пятый блок состоит из диодов Шоттки, выпрямляющих выходное напряжение трансформатора, и фильтра низких частот (ФНЧ). ФНЧ состоитиз электролитических конденсаторов значительной емкости и дросселей.На выходе ФНЧ стоят резисторы, которые нагружают его. Эти резисторы необходимы для того, чтобы после выключения емкости блока питания не оставались заряженными. Также резисторы стоят и на выходе выпрямителя сетевого напряжения.

Оставшиеся элементы, не обведенныев блоке это цепочки, формируют «сигналы исправности». Этими цепочками осуществляется работа защиты блока питания от короткого замыкания или контроль исправности выходных напряжений.

Блок питания АТХ мощностью 200 Вт.

Теперь посмотрим, как на печатной плате блока питания мощностью 200 Вт расположены элементы. На рисунке показаны:

1. Конденсаторы, выполняющие фильтрацию выходных напряжений.
2. Место не распаянных конденсаторов фильтра выходных напряжений.
3. Катушки индуктивности, выполняющие фильтрацию выходных напряжений. Более крупная катушка играет роль не только фильтра, но и еще работает в качестве ферромагнитного стабилизатора. Это позволяет немного снизить перекосы напряжений при неравномерной нагрузке различных выходных напряжений.
4. Микросхема ШИМ-стабилизатора WT7520.
5. Радиатор на котором установлены диоды Шоттки для напряжений +3.3В и +5В, а для напряжения +12В обычные диоды. Необходимо отметить, что часто особенно в старых блоках питаниях, на этом же радиаторе размещаются дополнительно элементы. Это элементы стабилизации напряжений +5В и +3,3В. В современных блоках питаниях размещаются на этом радиаторе только диоды Шоттки для всех основных напряжений или полевые транзисторы, которые используются в качестве выпрямительного элемента.
6. Основной трансформатор, который осуществляет формирование всех напряжений, а также гальваническую развязку с сетью.
7. Трансформатор, формирующий управляющие напряжения для выходных транзисторов преобразователя.
8. Трансформатор преобразователя, формирующий дежурное напряжение +5В.
9. Радиатор, на котором размещены выходные транзисторы преобразователя, а также транзистор преобразователя формирующего дежурное напряжение.
10. Конденсаторы фильтра сетевого напряжения. Их не обязательно должно быть два. Для формирования двухполярного напряжения и образования средней точки устанавливают два конденсатора равной емкости. Они делят выпрямленное сетевое напряжение пополам, тем самым формируя два напряжения разной полярности, соединенных в общей точке. В схемахс однополярным питанием конденсатор один.
11. Элементы фильтра сети от гармоник (помех), генерирующихся блоком питания.
12. Диоды диодного моста, осуществляющие выпрямление переменного напряжения сети.

Блок питания АТХ мощностью 350 Вт.

Блок питания 350 Вт устроен эквивалентно. Сразу бросается в глаза больших размеров плата, увеличенные радиаторы и большего размера трансформатор преобразователя.

1. Конденсаторы фильтра выходных напряжений.
2. Радиатор, охлаждающий диоды, выпрямляющие выходное напряжение.
3. ШИМ-контролер АТ2005 (аналог WT7520), осуществляющий стабилизацию напряжений.
4. Основной трансформатор преобразователя.
5. Трансформатор, формирующий управляющее напряжение для выходных транзисторов.
6. Трансформатор преобразователя дежурного напряжения.
7. Радиатор, охлаждающий выходные транзисторы преобразователей.
8. Фильтр сетевого напряжения от помех блока питания.
9. Диоды диодного моста.
10. Конденсаторы фильтра сетевого напряжения.

Рассмотренная схема долго применялась в блоках питания и сейчас иногда встречается.