Импульсные блоки питания высокого напряжения

Как работает простой и мощный импульсный блок питания

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:

Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
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 U_П пилообразной формы, поступающее на вход компаратора К_ШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал U_УС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности U_П (опорное напряжение) и U_РС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал U_УС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (U_OUT).

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 U_РС, 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 – 6800 -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.

Источник

МозгоЧины

#самоделки #инструкции #ремонт_техники #изобретения

МозгоЧины

#самоделки #инструкции #ремонт_техники #изобретения

Высоковольтный блок питания своими руками

Изготовление самоделок такого рода требует особых умений и знаний. Если это ваша первая самоделка, подобного вида, следует обратиться за помощью к специалисту (для собственной безопасности).

Статья лишь демонстрирует процесс изготовление блока питания. Автор статьи не несет ответственности за любой ущерб или травмы, вызванные использованием данной информации.

Шаг 1: Вступление

Этот блок питания был разработан для подачи постоянного напряжения величиной около 50 кВ. Он легко может быть преобразован в регулируемой БП, путем подсоединения реостата (в случае использования трансформатора) или добавления дополнительных схем для регулирования мощности.

Общая стоимость около 15 €, так как большинство частей (трансформатор, мостовой выпрямитель, радиатор, переключатели, кабели …) были взяты из старой техники, единственные части, которые были приобретены – это таймер 555, разъемы и конденсаторы.

Шаг 2: Материалы

Трансформатор+выпрямительный мост+конденсаторы;
Переключатели и разъемы;
Термоусадочные трубки;
Макетная и печатная плата;
555 таймер;
8 контактное гнездо;
7812 (если входящее питание в 555 > чем 14,5В или ниже, чем 35В);
Малый радиатор для 7812 (при необходимости);
2*100 нФ;
1*1 мкФ;
1*10нФ;
1*68 мкФ ( или 100 мкФ);
2*4148 диода;
3*10k;
(1 МОП) 10R;
1*680R;
1*470R;
1*10k переменный резистор;
1*100k переменный резистор;
2* ручки для переменных резисторов;
1*2N2222 и 2N2907 (или другая NPN-PNP пара);
1*Инфракрасный датчик;
1*Инфракрасный светодиод;
1*BC547(или аналогичный: 2N2222или 2N3904);
2* изолирующих разъема высокого напряжение;
3* МОП IRF540N, но рекомендую 1*IRFP260;
Радиатор для транзисторов(и вентилятор, при необходимости);
Кнопки;
Трансформатор для строчной развертки от старого телевизора или монитора компьютера;
Толстый медный кабель(около1 метра);
Эпоксидный клей.

Шаг 3: Расчеты

Единственный расчет, который необходимо выполнить – расчет значение конденсаторов (в случае, если вы используете трансформатор).

В моем случае использовал 20000 uF. Возможно следует добавить 10000uF или 20000uF, чтобы увидеть эффект на выходе. Пульсация созданная в связи с изменением токов может изменить корректную работу управления, в результате снизится эффективность и уменьшится дуга.

Шаг 4: Изготовляем короб

Каждый блок питания нуждается в надежном ящике, который будет скрывать компоненты цепи. Очевидные материалы для корпуса – это дерево и пластик.

Я выбрал дерево, потому что оно позволит дополнительно заизолировать элементы высокого напряжения.

Примечание: Если вы планируете покрасить корпус, предварительно проверьте краску на предмет проводимости при больших напряжениях.

ВНИМАНИЕ: Несмотря на то, что древесина очень хороший изолятор, она может накапливать влагу. Рекомендую перед изготовлением корпуса высушить древесину в печи, после чего нанести равномерный слой краски.

Шаг 5: Управляющая схема

Соберём небольшую схему на базе 555 таймера с регулируемой частотой и рабочим циклом (от 5-50kHz и 5-50% рабочего цикла), она имеет свой собственный вход 12В, который не зависит от трансформатора.

Три IRF540N соединяем параллельно (можете использовать один IRFP260N). При этой конфигурации они едва нагреваются, даже при полной нагрузке.

Добавим в цепь кнопку с резистором 1k (в этом месте должен быть помещен ИК-датчик). Вы можете доработать схему и удалить транзистор, оставив кнопку и подключенный к 4 выводу 10k резистор, идущий на землю.

Примечание: Для того, чтобы перевести рабочий цикл от 5 до 50% (а не из

5% до 100%), поместим 10k резистор, как показано на рисунке. Этот резистор должен быть размешен в сборке с диодом перед конденсатором. Если вы подключите его в ряд с другим диодом то в конечном итого вы будете регулировать рабочий цикл от 50 до 100%.

Вы можете скачать схему, если планируете изготовлять печатную плату.

Шаг 6: Прокладываем проводку

Убедившись, что схема работает правильно подключим МОП — транзисторы параллельно, (чтобы сделать это соединим все «стоки» и «источники» кабелями «для большой силы тока», добавив 10 Ом на каждый вывод и соединим их вместе.

Примечание: Если вы добавили 10 Ом резистор на каждый вывод, удалите 10 Ом резистор на плате.

Закрепим разъем сетевого кабеля и выключателя на короб, подключим их (очень важно использовать термоусадочные трубки для защиты соединений).

ВНИМАНИЕ: Кнопка предпочтительнее переключателя! В случае аварии кнопка отпружинит обратно и разорвет цепь. НИКОГДА не используйте переключатель в качестве разрывателя цепи.

После того, как управляющая схема была собрана, можно приступить к подключению БП.

Шаг 7: Монтаж блока питания

После того, как найдем подходящий источник питания, прикрепим его к схеме. Подключим 12В блок питания вместе с трансформатором к одному выводу выключателя, как показано на картинке. Подключим трансформатор к мостовому выпрямителю, а затем конденсаторы, используя термоусадочную трубку для изоляции соединений цепи.

Подключим питание к «обратному ходу» и МОП-транзисторам, как показано в следующем шаге.

Шаг 8: Подготовка, подключение и изоляция обратного хода

Обвернём около 10 витков толстой проволоки вокруг ядра первичной обмотки. Положительный вывод блока питания подключается к одному из концов этого провода, а другой конец соединяется со «стоком» полевого транзистора. Для соединений можете использовать клеммные колодки. Припаиваем провода и покрываем все контакты эпоксидной смолой.

Обратный ход имеет полярность и встроенный диод, который позволяет току протекать в одном направлении. Чтобы проверить, какой стороной следует подключить его, расположим положительные и отрицательные провода на некотором расстоянии, а затем разведём соединения и сравним обе длины дуги.

Примечание: Добавил конденсатор 22uF 250V к (или параллельно) первичной обмотке в целях достижения некоторого резонанса – это улучшило выходной ток, и теперь я бы сказал, что напряжение немного выше. Могу ошибаться, но трансформатор и мостовой выпрямитель, кажется, не греются, как раньше, или по крайней мере не чувствуется никаких побочных эффектов.

Шаг 9: Тестовой запуск

Рекомендую проверить поделку в полной темноте, чтобы увидеть, если есть коронные разряды в тех местах, где они не должно быть и исправить это эпоксидной смолой или каким-либо другим видом изоляционного материала.

Для оптимизации выходной мощности обратного хода мы должны настроить частоту и рабочий цикл. Для этого вы можете измерить ток, протекающий через вторичную обмотку и отрегулировать потенциометры, чтобы получить максимальную дугу.

Источник

Импульсный блок питания

Для обычного человека, не вникающего в электронику, был незаметен переход всех питающих устройств с линейных на импульсные. Именно импульсные источники (ИИП) питания устанавливаются во всей современной аппаратуре. Основная причина перехода на такой тип преобразователей напряжения — это уменьшение габаритов. Так как всё время, с начала появления и изобретения, электронные приборы требуют постоянного уменьшения их размеров. На рисунке изображен для сравнения габариты обычного и импульсного источника постоянного тока. Не вооруженным глазом видны различия в размерах.

Принцип действия ИИП и его устройство

ИИП Импульсный источник питания — это устройство, которое работает по принципу инвертора, то есть сначала преобразует переменное напряжение в постоянное, а потом снова из постоянного делает переменное нужной частоты. В конечном итоге последний каскад преобразователя всё равно основан на выпрямлении напряжения, так как большинство приборов всё же работают на пониженном постоянном напряжении. Суть уменьшения габаритов этих питающих и преобразующих устройств построена на работе трансформатора. Дело в том, что трансформатор не может работать с постоянным напряжением. Просто-напросто на выходе вторичной обмотки при подаче на первичную постоянного тока не будет индуктироваться ЭДС (электродвижущая сила). Для того чтобы на вторичной обмотке появилось напряжения оно должно меняться по направлению или же по величине. Переменное напряжение обладает этим свойством, ток в нём меняет своё направление и величину с частотой 50 Гц. Однако, чтобы уменьшить габариты самого блока питания и соответственно трансформатора, являющегося основой гальванической развязки, нужно увеличить частоту входного напряжения.

При этом импульсные трансформаторы, в отличие от обычных линейных, имеют ферритовый сердечник магнитопровода, а не стальной из пластин. И также современные блоки питания работающие по этому принципу состоят из:

выпрямителя сетевого напряжения;
генератора импульсов, работающего на основе ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или же триггера Шмитта;
преобразователя постоянного стабилизированного напряжения.

После выпрямителя сетевого напряжения генератор импульсов с помощью ШИМ генерирует его в переменное с частотой около 20–80 кГц. Именно это повышение с 50 Гц до десятков кГц и позволяет значительно уменьшить, и габариты, и массу источника питания. Верхний диапазон мог быть и больше, однако, тогда устройство будет создавать высокочастотные помехи, которые будет влиять на работу радиочастотной аппаратуры. При выборе ШИМ стабилизации обязательно нужно учитывать также и высшие гармоники токов.

Даже при работе на таких частотах эти импульсные устройства вырабатывают высокочастотные помехи. А чем больше их в одном помещении или в одном закрытом помещении тем больше их в радиочастотах. Для поглощения этих негативных влияний и помех устанавливаются специальные помехоподавляющие фильтры на входе устройства и на его выходе.

Это наглядный пример современного импульсного блока питания применяемого в персональных компьютерах.

A — входной выпрямитель. Могут применяться полумостовые и мостовые схемы. Ниже расположен входной фильтр, имеющий индуктивность;
B — входные с довольно большой емкостью сглаживающие конденсаторы. Правее установлен радиатор высоковольтных транзисторов;
C — импульсный трансформатор. Правее смонтирован радиатор низковольтных диодов;
D — катушка выходного фильтра, то есть дроссель групповой стабилизации;
E — конденсаторы выходного фильтра.
Катушка и большой жёлтый конденсатор, находящиеся ниже E, являются компонентами дополнительного входного фильтра, установленного непосредственно на разъёме питания, и не являющегося фрагментом основной печатной платы.

Если схему радиолюбитель изобретает сам то он обязательно заглядывает в справочник по радиодеталям. Именно справочник является основным источником информации в данном случае.

Обратноходовой импульсный источник питания

Это одна из разновидностей импульсных источников питания, имеющих гальваническую развязку как первичных, так и вторичных цепей. Сразу был изобретён именно этот вид преобразователей, который был запатентован ещё в далёком 1851 году, а его усовершенствованный вариант применялся в системах зажигания и в строчной развертке телевизоров и мониторов, для подачи высоковольтной энергии на вторичный анод кинескопа.

Основная часть этого блока питания тоже трансформатор или может быть дроссель. В его работе есть два этапа:

Накопление электрической энергии от сети или от другого источника;
Вывод накопленной энергии на вторичные цепи полумоста.

Во время размыкания и замыкания первичной цепи во вторичной появляется ток. Роль размыкающего ключа выполнял чаще всего транзистор. Узнать параметры которого нужно обязательно использовать справочник. управление же этим транзистором чаще всего полевым выполняется за счёт ШИМ-контроллера.

Управление ШИМ-контроллером

Преобразование сетевого напряжения, которое уже прошло этап выпрямления, в импульсы прямоугольной формы выполняется с какой-то периодичностью. Период выключения и включения этого транзистора выполняется с помощью микросхем. ШИМ-контроллеры этих ключей являются основным активным управляющим элементом схемы. В данном случае как прямоходовой, так и обратноходовой источник питания имеет трансформатор, после которого происходит повторное выпрямление.

Для того чтобы с увеличением нагрузки не падало выходное напряжение в ИИП была разработана обратная связь которая была заведена непосредственно в ШИМ-контроллеры. Такое подключение даёт возможность полной стабилизации управляемым выходным напряжения путём изменения скважности импульсов. Контроллеры, работающие на ШИМ модуляции, дают большой диапазон изменения выходного напряжения.

Микросхемы для импульсных источников питания могут быть отечественного или зарубежного производства. Например, NCP 1252 – ШИМ-контроллеры, которые имеют управление по току, и предназначены для создания обоих видов импульсных преобразователей. Задающие генераторы импульсных сигналов этой марки показали себя как надёжные устройства. Контроллеры NCP 1252 обладают всеми качественными характеристиками для создания экономически выгодных и надежных блоков питания. Импульсные источники питания на базе этой микросхемы применяются во многих марках компьютеров, телевизоров, усилителей, стереосистем и т. д. Заглянув в справочник можно найти всю нужную и подробную информацию обо всех её рабочих параметрах.

Преимущество импульсных источников питания перед линейными

В источниках питания на импульсной основе видны целый ряд преимуществ, которые качественно выделяют их от линейных. Вот основные из них:

Значительное снижение габаритов и массы устройств;
Уменьшение количества дорогостоящих цветных металлов, таких как медь, используемых в их изготовлении;
Отсутствие проблем при возникновении короткого замыкания, в большей степени это касается обратноходовых устройств;
Отличная плавная регулировка выходного напряжения, а также его стабилизация путём введения обратной связи в ШИМ-контроллеры;
Высокие показатели КПД.

Однако, как и всё в этом мире, импульсные блоки имеют свои недостатки:

Излучение помех, которые могут появляется при неисправных помехоподавляющих цепочек, чаще всего это высыхание электролитических конденсаторов;
Нежелательная работа их без нагрузки;
Более сложная схема с применением большего количества деталей для поиска аналогов которых необходим справочник.

Применение источников питания на основе высокочастотной модуляции (в импульсных) в современной электронике как в быту, так и на производстве, существенно повлияли на развитие всей электронной техники. Они давно вытеснили с рынка устаревшие источники, построенные на традиционной линейной схеме, и в дальнейшем будут только усовершенствоваться. ШИМ-контроллеры при этом являются сердцем этого аппарата и развитие их функциональности и технических характеристик постоянно улучшается.

Видео о работе импульсного источника питания

Источник