Проектирование импульсного источника питания с активным ккм. эпизод i / хабр

Основные этапы ремонта импульсных блоков питания

Несмотря на то что практически все импульсные блоки питания работают почти по одному принципу, схематические схемы для разных моделей электроприборов могут существенно различаться. Поэтому прежде чем приступить к ремонту постарайтесь найти электрическую принципиальную схему именно на тот объект, который собираетесь ремонтировать. Это поможет и для замеров конкретных рабочих напряжений в определённых точках, чтобы быстрее понять и найти неисправный элемент в цепи.
Как бы теоретически вы ни были подкованы в этой области, без практических навыков вам не обойтись

Элементарные знания и практическое использование мультиметра или осциллографа, а также практические навыки по замене радиоэлементов с помощью паяльника и припоя вам просто необходимы в процессе ремонта.
Если первые два этапа выполнены и вы готовы начать – разберите и почистите устройство с помощью пылесоса и произведите визуальную проверку блока (обратите внимание на вздутые конденсаторы, гарь и прочие механические дефекты).
Проверьте электроприборами соответствие рабочих напряжений согласно схеме или просто подозрительные радиоэлементы. Осциллографом определите соответствие необходимых пульсаций в контрольных точках

После этого делайте выводы и производите необходимые замены.

Возможные неисправности типовых импульсных блоков питания на примере телевизора или компьютера:

Если нет свечения светодиода дежурного режима телевизора, прозвоните сетевой шнур и предохранитель блока питания. Когда они в порядке проверьте дальше выпрямительный мост, транзисторы, стабилитроны и выходные напряжения микросхемы. Не забудьте устранить возможные «коротыши». А также можете пойти от обратного. Для этого замерьте выходные напряжения, которые должны подаваться на остальные блоки и если найдёте несоответствие – проверяйте всю цепочку в обратном порядке. Включайте при этом не только измерительные приборы, но и свою логику. Для этого, конечно, нужны теоретические знания работы тока в конкретном блоке. Но если вы имеете представление хотя бы о простых законах Ома – сделать это будет несложно.
Для ремонта компьютерного блока питания можно начать с обычных первоначальных проверок любого электроблока. Маленькое отступление и совет: убедитесь в точности своей диагностики. Если вы неуверены в правильности своих выводов по поводу неисправности того или иного блока – просто замените его на заведомо исправный. Если замена устранила дефект или сделала работоспособной систему, значит, вы не ошиблись и можете смело приступать к ремонту заменяемого блока. Для этого проверяются все предохранители и диодные переходы. Проверка обмоток трансформатора тоже будет не лишней. Запомните одно, и это, главное. Даже если вы не имеете понятия о процессах, происходящих, в радиоэлементах под воздействием разного тока, научитесь просто читать электрическую схему и по ней измерять и сравнивать нужные напряжения и делать логические выводы. Это как разгадывание кроссворда – занимательно и интересно.

Достоинства и недостатки

Импульсный преобразователь имеет следующие достоинства:

Высокий показатель коэффициента стабилизации позволяет обеспечить условия питания, которые не будут вредить чувствительной электронике.
Рассматриваемые конструкции обладают высоким показателем КПД. Современные варианты исполнения имеют этот показатель на уровне 98%. Это связано с тем, что потери снижены до минимума, о чем говорит малый нагрев блока.
Большой диапазон входного напряжения – одно из качеств, из-за которого распространилась подобная конструкция. При этом, КПД не зависит от входных показателей тока. Именно невосприимчивость к показателю напряжения тока позволяет продлить срок службы электроники, так как в отечественной сети электроснабжения прыжки показателя напряжения частое явление.
Частота входящего тока оказывает влияние на работу только входных элементов конструкции.
Малые габариты и вес, также обуславливают популярность из-за распространения портативного и переносного оборудования. Ведь при использовании линейного блока вес и габариты увеличиваются в несколько раз.
Организация дистанционного управления.
Меньшая стоимость.

Есть и недостатки:

Наличие импульсных помех.
Необходимость включения в цепь компенсаторов коэффициента мощности.
Сложность самостоятельного регулирования.
Меньшая надежность из-за усложнения цепи.
Тяжелые последствия при выходе одного или нескольких элементов цепи.

Схемы блоков питания

Напряжение лабораторного БП располагается в интервале от 0 до 35 вольт. Для этой цели подходят схемы, по которым можно собрать следующие БП:

однополярный;
двуполярный;
лабораторный импульсный.

Конструкции подобных устройств обычно собраны либо на обычных трансформаторах напряжения (ТН), либо на импульсных трансформаторах (ИТ).

Внимание! Отличие ИТ от ТН в том, что на обмотки ТН подается синусоидальное переменное напряжение, а на обмотки ИТ приходят однополярные импульсы. Схема включения обоих абсолютно идентична

Импульсный трансформатор

Простой лабораторный

Однополярный БП с возможностью регулировать выходное напряжение можно собрать по схеме, в которую входят:

понижающий трансформатор Tr ( 220/12…30 В);
диодный мост Dr для выпрямления пониженного переменного напряжения;
электролитический конденсатор С1 (4700 мкФ*50В) для сглаживания пульсации переменной составляющей;
потенциометр для регулировки выходного напряжения Р1 5 кОм;
сопротивления R1, R2, R3 номиналом 1кОм, 5,1 кОм и 10 кОм, соответственно;
два транзистора: Т1 КТ815 и Т2 КТ805, которые желательно установить на теплоотводы;
для контроля напряжения на выходе устанавливают цифровой вольтамперметр, с интервалом измерений от 1,5 до 30 В.

В коллекторную цепь транзистора Т2 включены: С2 10 мкф * 50 В и диод Д1.

Схема простого БП

К сведению. Диод устанавливают для защиты С2 от переполюсовки при подключении к аккумуляторам для подзарядки. Если такая процедура не предусмотрена, можно заменить его перемычкой. Все диоды должны выдерживать ток не менее 3 А.

Печатная плата простого БП

Двухполярный источник питания

Для питания усилителей низкой частоты (УНЧ), имеющих два “плеча” усиления возникает необходимость в применении двухполярного БП.

Важно! Если монтировать лабораторный БП, стоит остановить внимание именно на аналогичной схеме. Источник питания должен поддерживать любые форматы выдаваемого постоянного напряжения

Двухполярный ИП на транзисторах

Для такой схемы допустимо применять трансформатор с двумя обмотками на 28 В и одной на 12 В. Первые две – для усилителя, третья – для питания охлаждающего вентилятора. Если таковой не окажется, то достаточно двух обмоток равного напряжения.

Для регулировки выходного тока применены наборы резисторов R6-R9, подключаемые с помощью сдвоенного галетного переключателя (5 положений). Резисторы подбирают такой мощности, чтобы они выдерживали ток более 3 А.

Переменный резистор R нужно брать сдвоенный номиналом 4.7 Ом. Так проще осуществлять регулировку по обоим плечам. Стабилитроны VD1 Д814 соединены последовательно для получения 28 В (14+14).

Для диодного моста можно взять диоды подходящей мощности, рассчитанные на ток до 8 А. Допустимо устанавливать диодную сборку типа KBU 808 или аналогичную. Транзисторы КТ818 и КТ819 необходимо установить на радиаторы.

Подбираемые транзисторы должны иметь коэффициент усиления от 90 до 340. БП после сборки не требует специальной наладки.

Лабораторный импульсный бп

Отличительной чертой ИПБ является рабочая частота, которая в сто раз выше частоты сети. Это дает возможность получить большее напряжение при меньшем количестве витков обмотки.

Информация. Чтобы получить 12 В на выходе ИПБ с током 1 А для сетевого трансформатора достаточно 5 витков при сечении провода 0,6-0,7 мм.

Простой полярный ИП можно собрать, используя импульсные трансформаторы от компьютерного БП.

Лабораторный блок питания своими руками можно собрать по схеме приведенной ниже.

Схема импульсного блока питания

Данный источник питания собран на микросхеме TL494.

Важно! Для управления Т3 и Т4 используется схема, в которую входит управляющий Тr2. Это связано с тем, что встроенные ключевые элементы микросхемы не имеют достаточной мощности

Трансформатор Тr1 (управляющий) берут от компьютерного БП, он «раскачивается» при помощи транзисторов Т1 и Т2.

Особенности сборки схемы:

для минимизации потерь при выпрямлении используют диоды Шоттки;
ESR электролитов в фильтрах на выходе должен быть как можно ниже;
дроссель L6 от старых БП применяют без изменения обмоток;
дроссель L5 перематывают, намотав на ферритовое кольцо медный провод диаметром 1,5 мм, набрав 50 витков;
Т3, Т4 и D15 крепят на радиаторы, предварительно отформатировав выводы;
для питания микросхемы, управления током и напряжением применяют отдельную схему на Tr3 BV EI 382 1189.

Вторичная обмотка выдает 12 В, которые выпрямляются и сглаживаются при помощи конденсатора. Микросхема линейного стабилизатора 7805 стабилизирует его до 5 В для питания схемы индикации.

Внимание! Допустимо использовать в этом БП любую схему вольтамперметра. В таком случае микросхема для стабилизации 5 В не понадобится

Линейный блок питания

Традиционным блоком питания является линейный блок. Его конструкция состоит из автотрансформатора и понижающего трансформатора. Также имеется выпрямитель, который преобразует переменное напряжение в постоянное. Преимущественное большинство моделей укомплектовано выпрямителем, состоящим из одного или четырёх диодов, составляющих так называемые диодный мост. При этом есть и другие конструкционные схемы, но они используются гораздо реже. В некоторых моделях после выпрямителя может быть инсталлирован специальный фильтр, который стабилизирует колебания в сети. Как правило, эту функцию выполняет высокоемкостный конденсатор. В некоторых моделях предусмотрены фильтры высокочастотных помех, стабилизаторы тока и напряжения и многое другое. Простейший линейный блок питания, возможно, сделать своими руками, при этом, основным и самым дорогим компонентом является понижающий трансформатор – Т1.

Схема линейного блока питания

Среди мастеров, которые специализируются на ремонте и обслуживании электроники и радиотехники, самым востребованным линейным блоком питания считается модель с выходными характеристиками напряжения в регулируемом диапазоне 0-30 В и тока в диапазоне 0-5А, например — источник питания постоянного тока YIHUA-305D . Этот блок представляет собой высокоточный агрегат, с помощью которого можно легко и тонко настраивать параметры переменного тока и напряжения в установленных номинальных рамках. Оборудование функционирует в двойном режиме – цифровой индикатор одновременно показывает актуальные показатели напряжение и выходного тока. Кроме того, данная модель имеет режим защиты от короткого замыкания (кз), перегрузки по току и функцию самовосстановления.

Фото лабораторных блоков питания своими руками

Источники

https://supereyes.ru/articles/power_supply/laboratornyy_blok_pitaniya_impulsnyy_ili_lineynyy_kakoy_vybrat/
https://svoimirykami.guru/laboratornyj-blok-pitaniya-svoimi-rukami/
https://amperof.ru/sovety-elektrika/laboratornyj-blok-pitaniya-svoimi-rukami.html
https://USamodelkina.ru/16407-reguliruemyj-blok-pitanija-ochen-prosto-po-silam-dazhe-shkolniku-podrobno.html
https://tehnoobzor.com/schemes/pitanie/2779-kak-sdelat-laboratornyy-blok-pitaniya-svoimi-rukami.html
https://www.ixbt.com/live/topcompile/power-supply_3.html

Достоинства и недостатки

Импульсный преобразователь имеет следующие достоинства:

Высокий показатель коэффициента стабилизации позволяет обеспечить условия питания, которые не будут вредить чувствительной электронике.
Рассматриваемые конструкции обладают высоким показателем КПД. Современные варианты исполнения имеют этот показатель на уровне 98%. Это связано с тем, что потери снижены до минимума, о чем говорит малый нагрев блока.
Большой диапазон входного напряжения – одно из качеств, из-за которого распространилась подобная конструкция. При этом, КПД не зависит от входных показателей тока. Именно невосприимчивость к показателю напряжения тока позволяет продлить срок службы электроники, так как в отечественной сети электроснабжения прыжки показателя напряжения частое явление.
Частота входящего тока оказывает влияние на работу только входных элементов конструкции.
Малые габариты и вес, также обуславливают популярность из-за распространения портативного и переносного оборудования. Ведь при использовании линейного блока вес и габариты увеличиваются в несколько раз.
Организация дистанционного управления.
Меньшая стоимость.

Есть и недостатки:

Наличие импульсных помех.
Необходимость включения в цепь компенсаторов коэффициента мощности.
Сложность самостоятельного регулирования.
Меньшая надежность из-за усложнения цепи.
Тяжелые последствия при выходе одного или нескольких элементов цепи.

При самостоятельном создании подобной конструкции, следует учитывать то, что допущенные ошибки могут привести к выходу из строя электропотребителя. Поэтому нужно предусмотреть наличие защиты в системе.

Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций

Правило №2: у качественных ИБП в конструкции блока должен работать надежный фильтр в/ч сигналов.

Важно понимать, что импульсы высокой частоты играют двоякую роль:

в/ч помехи могут приходить из бытовой сети в блок питания;
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.

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.

Принцип работы импульсного блока питания

Напряжение 220 В выпрямляется мостом с диодами D26-D29. Входные конденсаторы C18 и C19 заряжаются до общего напряжения 320 В, а поскольку инвертор работает в полумостовой системе, они делят их на половину, что дает 160 В на конденсатор. Это напряжение дополнительно уравновешивается резисторами R16 и R17. Благодаря этому разделению можно подключить трансформатор Т1 к одному каналу. Тогда потенциал между конденсаторами обрабатывается как масса, один конец первичной обмотки подключен к +160 В, другой к -160 В. Напряжение переключения первичной обмотки трансформатора Т1 осуществляется с помощью переменного транзистора N-MOSFET Q8 и Q9.

Конденсатор C10 и первичная обмотка трансформатора тока T3 расположены последовательно с первичной обмоткой. Конденсатор связи не нужен для функционирования схемы, но он играет очень важную роль — защищает от несбалансированного потребления энергии от входных конденсаторов и, следовательно, перед зарядкой одного из них до более чем 200 В. Трансформатор тока Т3, также расположенный последовательно с первичной обмоткой, действует как защита от короткого замыкания. Трансформатор тока обеспечивает гальваническую развязку и позволяет измерять величину тока, уменьшенную до точности ее передачи. Его задача — информировать контроллер о величине тока, протекающего через первичную обмотку T1.

Силовые МОП-транзисторы не могут управляться напрямую от контроллера из-за изменения потенциала верхнего транзисторного источника. Транзисторы управляются с помощью специального трансформатора Т2. Это обычный импульсный трансформатор, работающий в двухтактном режиме, открывающий силовые транзисторы. Управляющий трансформатор Т2 имеет на входе набор элементов управления напряжением на обмотках, которые помимо генерирования напряжения, продиктованного контроллером, защищают от возникновения размагничивающего напряжения сердечника. Неконтролируемое напряжение размагничивания удерживало бы транзистор открытым. Элементами, непосредственно ответственными за устранение напряжения размагничивания, являются диоды D7 и D9, а также транзисторы Q3 и Q5. Во время простоя, когда оба МОП-транзистора закрыты, ток протекает через D7 и Q5 (или D9 и Q3) и поддерживает напряжение размагничивания около 1,4 В. Это напряжение безопасно и не может открыть силовой транзистор.

Осциллограмма напряжения на входах MOSFET:

На осциллограмме можно четко видеть момент, когда сердечник перестает размагничиваться диодами D7 и D8 (D6 и D9) и начинает намагничиваться в противоположном направлении транзисторами Q3 и Q4 (Q2 и Q5). В фазе размагничивания сердечника напряжение на затворе Т2 достигает 18 В, а на фазе намагничивания оно падает примерно до 14 В.
Почему не использован один из драйверов типа IR? Прежде всего управляющий трансформатор более надежный, более предсказуемый. IR-драйверы очень капризны и подвержены ошибкам.

На вторичной обмотке основного трансформатора Т1 генерируется переменное напряжение, поэтому необходимо его выпрямить. Роль выпрямителя играют выпрямительные фаст диоды, генерирующие симметричное напряжение. Выходные дроссели расположены за диодами — их присутствие влияет на эффективность инвертора, подавляя всплески заряжающие выходные конденсаторы при включении одного из силовых транзисторов. Далее выходные конденсаторы с резисторами предварительной нагрузки, которые препятствуют подъёма напряжения до слишком высоких значений.

Принципиальная схема

Изначально за основу была взята схема с — настоятельно рекомендую не собирать так как там предложено, иначе можно устроить пожар или взрыв, схема с фатальной ошибкой и не одной.

Рис. 1. Схема импульсного блока питания, взятая за основу.

Исправил ошибки на той схеме и добавил еще несколько элементов (показаны красными стрелками), чтобы данный импульсник был годен для питания УНЧ.

Рис. 2. Схема импульсного блока питания для УМЗЧ мощностью до 200Вт.

В первой схеме основная ошибка — нет разделительного конденсатора между полевыми транзисторами и трансформатором, без этого конденсатора транзисторы сразу же взорвутся при включении, или через пару минут как раскалятся…

У микросхемы IR2153 первый вывод — это плюс питания, поскольку напряжение на выводе 1 микросхемы в пределах 16-18 вольт то конденсатор должен быть на порядок выше по напряжению, а не впритык как указано на первоначальной схеме — на 16В. Можно установить конденсатор на напряжение 25В, я поставил на 35В.

Идем дальше, запитывать микросхему так как указано на первоначальной схеме через диод и резистор в 18К, нельзя!! Посмотрите как запитывается микросхемы IR2153 у меня (рисунок 2), а не непосредственно от переменки 220вольт (рисунок 1).

В схеме на рисунке 1 скачек напряжения в сети сразу же приведет к сгоранию микросхемы, хорошо если просто работать все перестанет, а так опять же взорвутся транзисторы.

Вот эти три ошибки на схеме с рисунка 1 могут привести к очень печальным последствиям!