Схемы импульсного блока питания для самостоятельного изготовления

Импульсные блоки питания наряду с преимуществами (небольшие по отношению к мощности массогабаритные показатели) имеют и явный недостаток – сложную схемотехнику. Это отпугивает многих, особенно начинающих, электронщиков от сборки импульсных блоков питания своими руками. Однако все не так страшно, и при определенной аккуратности и достаточно глубоком понимании процессов, происходящих в устройстве, такие БП вполне пригодны для самостоятельного изготовления.

Общий принцип действия импульсных блоков питания

Прежде, чем браться за сборку ИБП, надо разобраться в принципах работы блоков питания, построенных по различным схемам. Без этого можно собрать БП, спаяв детали, но невозможно наладить устройство или отыскать возможную неисправность.

Когда говорят об импульсном блоке питания, имеют в виду устройство, питающееся от сети 220 вольт и выдающее на выходе один или несколько уровней постоянного напряжения, которое может быть однополярным, двухполярным, стабилизированным, нестабилизированным и т.п. Структура такого устройства показана на схеме:

1. Сетевое напряжение поступает на фильтр. Строго говоря, этот узел не обязателен, работать будет и без него. Однако настоятельно рекомендуется не экономить на нескольких элементах, так как уровень помех, возникающих при работе импульсника, многократно возрастет.
2. Высоковольтный выпрямитель выпрямляет сетевое напряжение и сглаживает его.
3. Полученное постоянное напряжение поступает на инвертор, который можно собрать по различным схемам, на биполярных или полевых транзисторах. Этот узел «нарезает» постоянное напряжение на импульсы, пригодные для трансформации.
4. Для управления инвертором служит специальная схема. В простейшем случае это генератор, формирующий одинаковые импульсы для открывания и закрывания транзисторов инвертора. В более сложных блоках питания применяется схема, управляющая ключами методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). С помощью ШИМ можно осуществить стабилизацию выходного уровня.
5. Импульсный трансформатор преобразует импульсное напряжение в другой уровень — выше или ниже исходного, заодно осуществляет гальваническую развязку входа от выхода. В однотактных схемах он служит дросселем, запасающим энергию для передачи в нагрузку. За счет того, что инвертор создает импульсы, следующие с достаточно высокой частотой (от нескольких сотен герц до сотен килогерц, в зависимости от схемотехники), трансформатор получается легким и компактным. Параллельно первичной обмотке подключен снаббер – цепочка, поглощающая выбросы, возникающие при коммутации индуктивной нагрузки.
6. Трансформированное напряжение снова выпрямляется.
7. Для сглаживания импульсного напряжения используется сглаживающий фильтр. В нем, в отличие от сетевых блоков питания, наряду с конденсаторами широко применяются индуктивности. На частотах 50 или 100 Гц они малоэффективны – дроссели нужной индуктивности получаются тяжелыми, громоздкими и дорогими. Для более высоких частот применение легких компактных катушек с небольшой индуктивностью дает хорошие результаты.
8. Напряжение с выхода ИБП через цепи обратной связи подается на схему ШИМ – так осуществляется стабилизация выходного уровня. Если напряжение повысилось, ширина импульсов уменьшается, если понизилось – увеличивается. Обратную связь можно сделать переменной – тогда блок питания будет регулируемым (по току или напряжению, или по двум параметрам). Если БП выполняется без стабилизации, цепи обратной связи в нем отсутствуют.

Если кратко резюмировать, то импульсный блок питания:

• выпрямляет сетевое напряжение, создавая из переменного постоянное;
• создает из постоянного напряжения импульсное (подобие переменного) высокой частоты, что позволяет уменьшить габариты трансформатора и фильтрующих элементов;
• трансформирует импульсное напряжение до нужного уровня;
• сглаживает импульсное напряжение до постоянного.

При необходимости принимаются меры для стабилизации выходного уровня.

При подборе реальной схемы не путать импульсный блок питания со схемой импульсного стабилизатора напряжения. Этот узел предназначен лишь для стабилизации сниженного и выпрямленного напряжения.

Практические схемы импульсных блоков питания

Начать освоение импульсной техники можно с простой и отработанной схемы однотактного БП. Входной фильтр здесь отсутствует, а сетевое напряжение выпрямляется простейшим однополупериодным выпрямителем VD1. Резистор R1 ограничивает ток. На транзисторе VT1 собран генератор импульсов. Обратная связь для возникновения генерации создана посредством введения обмотки 2 трансформатора TR2. Этот же транзистор служит однотактным ключом для создания импульсов тока через обмотку 1. С понижающей обмотки 3 снимаются трансформированные импульсы, выпрямляются диодом VD2 и сглаживаются конденсатором С3. Цепи обратной связи отсутствуют, выходное напряжение ничем не стабилизировано. Цепочка из R4 и LED служит для индикации наличия выходного напряжения. Рассчитан БП на ток нагрузки около 150 мА.

Сборку можно начать с изготовления импульсного трансформатора. Он наматывается на готовом сердечнике, который можно взять от неисправного сетевого источника питания для гаджетов.

Трансформатору (это относится и к другим схемам) надо уделить особое внимание – от качества его изготовления зависит не только надежность, но и работоспособность схемы.

Обмотки содержат:

• 1 – 200 витков провода диаметром 0,075..0,01 мм;
• 2 – 5 витков провода 0,1 мм;
• 3 – 12 витков провода 0,4 мм.

Начала обмоток 1 и 2 должны быть сфазированны согласно схеме (начала отмечены точками). Они наматываются первыми, затем надо проложить слой изоляции из лакоткани, изоленты или фторопластовой ленты. Далее каркас собирается с сердечником, и здесь необходим зазор для более эффективного накопления энергии в дросселе, которым является в данном случае первичная обмотка трансформатора. Зазор выполняется между половинками сердечника путем прокладки между ними бумаги, слоя текстолита, другого немагнитного материала толщиной около 0,4 мм. Если повезет, то сердечник уже будет с зазором, тогда ничего делать не надо.

Если при работе БП будут наблюдаться сбои в работе включенных в ту же сеть электронных устройств, можно дополнить импульсный источник фильтром, собрав его по любой схеме.

Основная схема собирается на печатной или макетной плате. Если на выходе нет напряжения, возможно, нарушена фазировка обмоток 1 и 2. Надо перекинуть начало и конец любой из них.

Более сложный и более мощный импульсник можно собрать на базе микросхемы IR2153. Она представляет собой драйвер инвертора, работающего по полумостовой двухтактной схеме, со встроенным генератором. Частота колебаний задается цепочкой R2C5. С выхода микросхемы импульсы поочередно включают транзисторы полумоста IRF840, которые создают импульсы в первичной обмотке трансформатора T1. Трансформированные импульсы со вторичной обмотки выпрямляются мостом VD4 и сглаживаются конденсатором C8. Обратная связь отсутствует, напряжение на выходе под нагрузкой можно подкорректировать, подобрав номиналы элементов С5 и R2. На входе БП установлен фильтр C1L1C2, сетевое напряжение выпрямляется и сглаживается элементами VD1 и С3.

Все детали можно купить в магазине или найти на блоках-донорах. Каркас для импульсного трансформатора можно взять из неисправного компьютерного блока питания.

Как и в других схемах, особое внимание надо уделить изготовлению импульсного трансформатора. Его надо аккуратно разобрать, нагрев феном, смотать старые обмотки. Новые наматываются:

• первичная – 47 витков скруткой из двух проводов диаметром 0,6 мм;
• вторичная –4 витка скруткой из 7 жил из того же провода.

После намотки первичной обмотки, надо проложить изоляционный слой. Фазировать обмотки, в отличие от предыдущего варианта, не обязательно.

Расположить детали можно на плате, изготовленной из фольгированного текстолита методом ЛУТ. Можно собрать устройство на макетной плате.

На приведенном чертеже платы установка элементов фильтра не предусмотрена! Чтобы их установить, плату надо доработать.

Самостоятельно можно собирать и аналоги промышленных импульсных блоков питания. В интернете популярна схема импульсного блока питания, отличающаяся хорошей повторяемостью. Она собрана на микросхеме CR6842S, более известной, как SG6842 (ШИМ-контроллер). Резисторы R5R9 образуют цепочку запуска контроллера. Микросхема управляет ключом BT1, который коммутирует первичную обмотку трансформатора Trans. Так реализован однотактный обратноходовый инвертор (преобразователь). Со вторичной обмотки снимаются импульсы, которые затем выпрямляются диодами VD4 и сглаживаются фильтром на C13L2R17С14С20. Цепочка Led и R16 индицирует наличие напряжения на выходе. Обмотка III служит для питания микросхемы, выполняет функцию защиты от перенапряжений, дополнительно управляет ключом.

Обратная связь реализована на резисторе R1. Через него протекает ток первичной обмотки, который создает падение напряжения на резисторе. Как только оно достигнет 0,8 вольт, контроллер дает команду на закрытие ключа.

Второй контур обратной связи организован посредством оптрона PC817. «Программируемый стабилитрон» TL431 определяет уровень, при котором начинает светиться светодиод оптрона. Если напряжение повышается, транзистор оптрона открывается, ключ закрывается. таким способом организована не только стабилизация напряжения, но и защита от перенапряжения и сверхтока. Для указанных на схеме номиналов выходное напряжение будет составлять 12 вольт. Чтобы увеличить выходной уровень до 24 вольт, надо изменить номиналы некоторых элементов:

• С4 – 33 мкФ;
• R1 – 0,33 Ом;
• R19 – 2,32 кОм.

Также лучше увеличить номиналы С12 до 2,2 нФ и R17 до 1 кОм.

Входная часть особенностей не имеет. Фильтр на конденсаторе С1 и синфазном дросселе С1 служит для защиты сети от помех. Сетевое напряжение выпрямляется мостом RDH307 и сглаживается конденсатором С2. Терморезистор ограничивает бросок тока на заряд С2. Цепь R3C7VD2 образует снаббер, защищающий ключевой элемент от обратных выбросов при коммутации индуктивности.

У тех, кто решил собрать эту схему, вопросы вызывают только моточные детали:

• синфазный дроссель;
• импульсный трансформатор.

Дроссель наматывается на ферритовом кольце и имеет две симметричные обмотки. Они наматываются на противоположных сторонах кольца, каждая обмотка должна иметь индуктивность 10 мкГн. Ее можно рассчитать исходя из магнитной проницаемости и размеров имеющегося кольца или подобрать экспериментально, контролируя индуктивность прибором.

Если имеется сердечник E25, то для него имеется готовый и экспериментально подтвержденный расчет обмоток:

• I – 90 витков провода диаметром не менее 0,3 мм;
• II – 15 витков проводом 2х1 мм;
• III – 12 витков проводом 0,2 мм.

При таких данных трансформатор легко переносит ток 6-8 А при стабилизированном выходном напряжении 12 вольт.

Если такого сердечника нет, но есть другой, или надо изготовить трансформатор для работы в других условиях, его надо пересчитать. Для расчета лучше воспользоваться специализированными программами, например, Flyback. Введя необходимые данные, приложение выдаст число витков каждой обмотки, диаметр провода и другие данные.

Рекомендуем: Как сделать блок питания на 12 вольт

В видео, буквально за 5 минут, делают из зарядки телефона регулируемый блок питания.

Очевидно, что для сборки и наладки самодельных импульсных блоков питания потребуется не только определенный уровень квалификации, но и приборный парк. Как минимум, это будет мультиметр, а в некоторых случаях потребуется осциллограф. Собирая импульсные источники питания от простого к более сложным, можно повысить свое мастерство, глубже изучить схемотехнику подобных устройств и применить свои знания для практических целей.