импульсные источники вторичного электропитания

Двухтактный ИБП своими руками

Двухтактный ИБП своими руками





     Изготовим простой, но достаточно надежный преобразователь – инвертор своими руками. Рабочая схема такого инвертора или, говоря по другому, импульсного блока питания ИБП, изображена на рисунке. Эта схема является классической и с небольшими изменениями и дополнениями повсеместно используется.
      Своей целью в рекомендации к изготовлению этого преобразователя я считаю изготовление простого и доступного для каждого начинающего электрика – любителя, электронного прибора. При некотором практическом  навыке это несложно, хотя и придется приложить немного усилий и «потратить нервов».


     Зададимся целью создать источник питания постоянного напряжения на 15 вольт и мощностью 20 ватт в нагрузке. Можно задаться любым выходным напряжением и мощностью.
     Схема состоит из нескольких узлов: выпрямителя, устройства запуска, генератора импульсов, выходного устройства.

     Выпрямитель. Представляет из себя преобразователь переменного напряжения 220 вольт 50 герц в постоянное напряжение 310 вольт. Резистор R1 служит для ограничения первоначального броска тока заряда конденсатора С1. Переменное напряжение выпрямляется диодами D1 – D4 и сглаживается электролитическим конденсатором С1.

     Устройство запуска представляет из себя генератор пилообразного напряжения и состоит из резистора R2 конденсатора С2 и стабилитрона D7.

Импульсы  от этого генератора подаются на базу ключевого транзистора Т2.
Генератор запускающих импульсов работает только в момент пуска, а потом выключается.
     Генератор прямоугольных импульсов преобразует постоянное напряжение 310 вольт в переменное напряжение высокой частоты 30 — 45 килогерц.

Трансформатор Тр1 служит для подачи импульсов управления на базы ключевых транзисторов Т1 и Т2.
Выходной трансформатор Тр2 преобразует высокое переменное напряжение в низкое выходное переменное напряжение (согласно коэффициента трансформации).

     Выходное устройство, это два выпрямительных диода (Д9 и Д10) и сглаживающие конденсаторы (С5 и С6).

     Сразу после включения питания 220 вольт, начинает работать устройство запускающих импульсов, представляющий из себя генератор пилообразного напряжения (R2, С2, Д7) (точка 1). От него запускающие импульсы поступают на базу транзистора  Т2 (точка 2). Происходит запуск автогенератора.

      Ключевые транзисторы открываются поочередно и в первичной обмотке выходного трансформатора  Тр2, включенной в диагональ моста (Т1,Т2 – С3,С4), образуется переменное напряжение прямоугольной формы (точка 3).

     С вторичной обмотки трансформатора Тр2 снимается выходное напряжение, выпрямляется диодами Д9, Д10 (двухполупериодное выпрямление) и сглаживается конденсаторами С5 и С6. На выходе получается постоянное напряжение заданной величины.

     Предпочтение такой схемы двухполупериодного выпрямления ( с двумя диодами), перед схемой с помощью мостика, состоит в большем КПД выпрямительного устройства.

     Рабочее напряжение между коллектором и эмиттером на транзисторах Т1 и Т2, не  превышает напряжения питания 310 вольт.
     Откуда берутся эти 310 вольт?

     Действующее значение переменного напряжения в сети Uд = 220 вольт, а амплитудное значение напряжения равно: Uа = Uд х v2 = 220 х 1,41 = 310 вольт.
     Электролитический конденсатор С1 заряжается до амплитудного значения этого напряжения Uа = 310 В.
     В рабочем состоянии, под нагрузкой, это напряжение падает до величины, примерно 290 – 295 вольт. Это напряжение также зависит от емкости конденсатора С1. Чем больше емкость С1, тем  напряжение на конденсаторе ближе к 310 вольтам.
     Напряжение на первичной обмотке ферритового трансформатора Тр2 составляет половину напряжения питания. Примем, для расчета, напряжение на С1 — 290 вольт. Один конец первичной обмотки соединен со средней точкой делителя из конденсаторов С3 и С4, которая имеет потенциал равный U = 290/2 = 145 вольт, то есть половину Uпит. Второй конец обмотки w1 (точка 3) — переключаемый узел эмиттер — коллектор силовых транзисторов Т1 и Т2.
На напряжение питания U = 145 вольт мы и будем рассчитывать выходной ферритовый трансформатор Тр2, об этом необходимо помнить.
     Генератор импульсов работает в режиме автогенерации. В этой схеме задействована цепь обратной связи ОС по напряжению (Тр2, w3 – R5 – Тр1, w3). Напряжение обратной связи с обмотки w3 выходного трансформатора Тр2 поступает на обмотку w3 трансформатора Тр1 через гасящий резистор R5. С обмоток w1 и w2 трансформатора Тр1 поступают разнополярные импульсы управления на базы транзисторов Т1 и Т2.
     Генератор импульсов самостоятельно, без устройства запускающего импульса, заработать не может.
      Трансформатор Тр1 наматывается на ферритовом кольце К10×6х4 (наружный диаметр 10 мм, внутренний диаметр 6 мм, ширина кольца 4 мм) марки НМ2000.
     Количество витков в обмотках: w1 = w2 = 7 витков, w3 = 21 витков.     Диаметр провода 0,3 – 0,4 мм в хорошей изоляции. Обмотки w1 и w2 мотать одновременно двумя проводами. Обмотки w1, w2 и w3 равномерно мотать по всему сердечнику. Сначала намотать обмотку w3, а затем поверх обмотки w1 и w2.
     Желательно как то пометить начала и концы этих обмоток, чтобы не перепутать. Я обычно мотаю обмотки w1 и w2 проводом с разным цветом изоляции. Начала обмоток пометить маркером или надеть колечки из хлорвиниловой трубочки подходящего диаметра.
Подключать эти обмотки к базам транзисторов необходимо в разной полярности: начало w1 к базе Т1, начало w2 к общему проводу; конец w1 к эмиттеру Т1, конец w2 к базе Т2.
     Отнеситесь к этому очень внимательно.

     Трансформатор Тр2 можно намотать на ферритовом кольце, на Ш – образном сердечнике или П — образной формы.
Пример построения трансформатора Тр2 на ферритовом кольце смотрите в статье: «Трансформатор для двухтактного ИБП, на ферритовом кольце.».

Перечень деталей схемы:
     Резисторы: R1 – 27 Ом, 1 ватт; R2 – 470 Ком; R3 = R4 = 8 Ом; R5 – 50 — 100 Ом.
     Конденсаторы: С1 – 20 МкФ  350 В; С2 – 47 нФ 250 В; С3, С4 – 200 нФ 250 В; С5 – 1,0 МкФ  50 В керамический; С6 – 100 МкФ.
     Диоды: Д1 – Д4, Д5, Д6, Д8 — N4007; Д7 – динистор DB3; Д9, Д10 — КД213 или другие с частой до 100 КГц и током не ниже 3 ампер.
     Транзисторы: Т1, Т2 – 13003, 700 В, 1,6 А или 13005, этот транзистор помощнее.
Транзисторы лучше поставить на два небольшие радиатора по 5 — 8 см.кв., чтобы не грелись.
     Трансформаторы:
     Тр1 — ферритовое кольцо К10×6х4, НМ2000, w1 = w2 = 7 витков, w3 = 21 витков, провод 0,3 – 0,4 мм.
     Тр2 — ферритовое кольцо К28×18х8, НМ2000;
     w1 – 254 витков провода 0,25 — 0,35 мм.;
     w2-1 и w2-2 по 28 витков провода 0,6- 0,7 мм.;
     w3 – 12 витков провода 0,3 мм.
Размеры кольца рассчитаны на мощность побольше 20 ватт. но это неплохо, будет запас по диаметру провода и его  размещению  в окне ферритового кольца.
     Если нет такого ферритового  кольца, можно взять кольцо с  размерами побольше. Количество витков в обмотках можно оставить то же, а диаметры проводов в обмотках немного увеличить. Тогда  мощность инвертора увеличится.

Наладка схемы двухтактного преобразователя – инвертора.

     Перед включением устройства в сеть необходимо проверить все соединения проводов и деталей, согласно электрической схемы. Во избежание пробоя силовых транзисторов Т1 и Т2 в случае неправильного соединения проводов, в разрыв сети 220 вольт временно включают электрическую лампочку на 220 вольт, мощностью 40 -60 ватт. После наладки схемы, ее отключают.
     Еще раз проверить подключение обмоток w1 и w2 трансформатора Тр1 к базам транзисторов Т1, Т2.
     На выход преобразователя нужно подключить маломощную лампочку на 15 — 24 вольта, 0,1 ампера, для контроля работы устройства питания. В последующем ее можно будет снять.
      Включаем питание 220 вольт на вход схемы. Если все соединения проведены правильно, лампочка  "Л" должна загореться, устройство работает.
     Если же лампочка не загорелась, генератор не работает, необходимо поменять полярность подключения обратной связи на трансформаторе Тр2 (w3, точки 4, 5). Значение резистора  R5 примите 75 Ом.

     После этого все должно работать.
Постоянное напряжение на выходе инвертора  около 15 вольт, ток нагрузки до 1,5 ампера.
       Внимание! Изготовленный вами инвертор собран по простой схеме и не имеет никаких защит ни по напряжению, ни по току. Поэтому его нельзя перегружать свыше 20 -30 ватт! Имейте это в виду!




Импульсные источники электропитания — инверторы

Импульсные источники электропитания — инверторы.



style="display:inline-block;width:728px;height:90px"
data-ad-client="ca-pub-5076466341839286"
data-ad-slot="2660907582">

 ♥     Импульсные источники вторичного электропитания нашли широкое распространение в бытовой и промышленной аппаратуре. Импульсные источники электропитания вырабатывают постоянные и переменные напряжения, необходимые для электропитания блоков аппаратуры , путем ключевого преобразования выпрямленного сетевого напряжения 220 вольт и 50 герц.
♥     Преимущество ИБП по сравнению с традиционным трансформаторным источником питания обеспечивается заменой силового трансформатора, работающего на частоте промышленной сети 50 герц, малогабаритным импульсным трансформатором, работающим на частотах 16 – 40 килогерц, а также использованием импульсных методов стабилизации вторичных напряжений взамен компенсационных. Это приводит к снижению веса и габаритов изделия в 2-3 раза и повышению КПД источника до 80 — 90 %, а значит, дополнительно экономит электрическую энергию.
♥     Ключевые каскады преобразователя напряжения строятся по однотактной и двухтактной схемам.
В старых транзисторных телевизорах, в силу их специфического схемного построения, использовались однотактные ИБП.
Однотактные ИБП используются также в устройствах малой мощности до 50 ватт и более.
Наглядным примером являются различные зарядные устройства для питания мобильных телефонов, ноутбуков и много другого. Они нашли широкое распространение из-за простоты изготовления, малых размеров и высокой надежности.

♥     На рисунке изображена плата зарядного устройства от мобильного телефона. Она преобразует переменное напряжение 110 – 220 вольт в постоянное напряжение 5 вольт.

Увеличение мощности однотактных ИБП оказывается неэффективным из-за роста габаритных размеров и массы импульсного трансформатора (в сравнении с двухтактной схемой) и повышенных требований к ключевому транзистору (высокие напряжение и ток).
Двухтактные ИБП применяются при мощностях от нескольких ватт до сотен ватт, ввиду их простоты и экономичности.
♥     Пример использования двухтактного преобразователя:

Энергосберегающие лампы мощностью 20 ватт.

Мощные компьютерные блоки питания

Однотактная схема ИБП

♥     Однотактная схема ИБП представляет из себя преобразователь переменного напряжения сети (или постоянного напряжения аккумуляторной батареи) одной величины, в постоянное (выпрямленное) напряжение другой величины.
Генератор ВЧ напряжения, частотой 20 – 100 килогерц, может быть с самовозбуждением (автогенератор) или с внешним возбуждением (дополнительный генератор).
В маломощных (до10 ватт) и простых ИБП в основном применяется самовозбуждающийся автогенераторный преобразователь.
♥     Смотрите схему простого однотактного, с самовозбуждением, импульсного источника питания.

♥     Однотактная схема ИБП состоит из выпрямителя (Д1 – Д4) со сглаживающим конденсатором С1. В нем напряжение сети 220 вольт преобразуется в постоянное напряжение 310 вольт. Затем с помощью генератора импульсного напряжения (транзистор Т, трансформатор Тр), вырабатываются импульсы прямоугольной формы. С вторичной обмотки прямоугольные импульсы поступают на выпрямитель (Д6) со сглаживающим конденсатором (С5), получается постоянное напряжение.
Само преобразование напряжения происходит на ферритовом трансформаторе. Выходное напряжение зависит от соотношения витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.
♥     Существенным недостатком однотактной схемы преобразователя является большое напряжение самоиндукции, наводимое в первичной обмотке трансформатора, превосходящее входное напряжение питания Eп в 2-4 раза. В таких схемах нужны транзисторы, имеющие максимальное напряжение коллектор — эмиттер равное 700-1000 вольт.

Применяют различные способы снижения выбросов напряжения на коллекторе транзистора:
— включаются RC цепочки (С2, R3) параллельно первичной обмотке трансформатора и конденсатор C4 в цепи вторичной обмотки.
— при использовании дополнительных устройств стабилизации выходного напряжения, например широтно – импульсной модуляции (ШИМ), возможна работа однотактного ИБП при изменении подключаемой нагрузки в широких пределах (от Р=0 до Pmax) при неизменном выходном напряжении.
Применяются и другие технические приемы защиты ключевого транзистора от перенапряжения.

Плюсы и минусы однотактной схемы ИБП.

Плюсы:
— один ключевой транзистор в схеме,
— схема проще, чем двухтактная.

Минусы:
— намагничивание ферритового сердечника происходит только в одной полярности, (пассивное размагничивание сердечника), вследствие чего не полностью используется магнитная индукция сердечника. Не полностью используется ферритовый сердечник по мощности. Необходим зазор в магнитном сердечнике.
— при среднем токе потребления от сети, ток через транзистор больше в n-раз (зависит от скважности импульсов) и потому необходимо выбирать транзистор с заведомо большим максимальным током.
— возникают большие перенапряжения на элементах схемы, достигающие 700 – 1000 вольт.
— необходимо применять специальные меры защиты от перенапряжения на элементах схемы.

Двухтактная схема ИБП

♥     Двухтактная автогенераторная схема ИБП состоит из выпрямителя входного переменного напряжения 220 вольт, устройства запуска генератора, генератора прямоугольных импульсов и выпрямителя выходного напряжения с конденсатором фильтра.
На рисунке изображена простая наиболее распространенная двухтактная схема автогенераторного, импульсного преобразователя – инвертора, полумостовая схема.

По сравнению со схемой однотактного автогенератора, двухтактный автогенератор имеет более сложную схему.

Добавляется:

— устройство автоматического запуска генератора импульсов;
— еще один ключевой транзистор;
— дополнительный трансформатор Тр1, для управления ключевыми транзисторами;
— два конденсатора полумоста (С3, С4);
— два диода (Д5, Д8) для защиты транзисторов от пробоя.

♥     Двухтактная схема ИБП имеет ряд преимуществ перед однотактной схемой:

— ферритовый сердечник выходного трансформатора Тр2 работает с активным перемагничиванием (наиболее полно используется магнитный сердечник по мощности);
— напряжение коллектор – эмиттер Uэк на каждом транзисторе не превышает напряжение источника питания 310 вольт;
— при изменении тока нагрузки от I = 0 до Imax, выходное напряжение изменяется незначительно;
— выбросы высокого напряжения в первичной обмотке очень малы, соответственно меньше уровень излучаемых помех

♥     Несмотря на повышенную сложность двухтактная схема, в сравнении с однотактной, проще в настройке и эксплуатации.



style="display:inline-block;width:728px;height:90px"
data-ad-client="ca-pub-5076466341839286"
data-ad-slot="2660907582">