Импульсный блок питания своими руками (простые и мощные схемы): расчеты на микросхеме sg3525, ir2153 для 5, 12, и 24В

Виды и принцип работы импульсных источников питания

Основной принцип работы импульсного источника питания (SMPS) заключается в том, что постоянное напряжение (выпрямленное от сети или от стороннего источника) преобразуется в импульсную частоту до сотен килогерц. Благодаря этому детали обмотки (трансформаторы, индукторы) легкие и компактные.

В принципе, ИИП делятся на две категории:

  • с импульсным трансформатором;
  • с накопительной индуктивностью (может иметь вторичные обмотки)

Первые аналогичны обычным трансформаторным сетевым блокам питания, их выходное напряжение регулируется путем изменения среднего тока через обмотку трансформатора. Последние работают по другому принципу: они регулируются за счет изменения количества запасенной энергии.

По другим причинам ИИП можно разделить на нестабилизированные и стабилизированные, униполярные и биполярные и т.д. Эти особенности не так уж и важны.

Структурная и принципиальная схема основных частей блока

Обобщенная структурная схема импульсного источника питания.

На вводе блока питания установлен сетевой фильтр. На работу самодельного или промышленного импульсного блока питания в принципе не влияет — без него все будет работать. Но отказываться от схемы фильтрации нельзя: из-за крайне нелинейной формы потребляемого тока источники импульсов интенсивно «вливают» шум в домашнюю сеть 220 вольт. По этой причине устройства, работающие в одной сети на микропроцессорах и микроконтроллерах — от электронных часов до компьютеров — не будут работать.


Схема сетевого фильтра.

Назначение устройства ввода — защита от двух типов помех:

  • синфазный (несимметричный) — возникает между любым проводом и массой (корпусом) блока питания;
  • дифференциальный (симметричный) — между проводами (полюсами) блока питания.

Фильтр, как и все блоки питания, на входе защищен предохранителем F (предохранитель или самовосстанавливающийся). После предохранителя идет варистор, резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Пока входное напряжение в норме, сопротивление варистора высокое и не влияет на работу схемы. При повышении напряжения сопротивление варистора резко падает, что вызывает повышение тока и перегорание предохранителя.

Конденсаторы Cx блокируют дифференциальные шумы на входе и выходе фильтра до 30 МГц, а на частоте 50 Гц их сопротивление велико, поэтому они не влияют на сетевое напряжение. Их емкость можно выбрать от 10 до 330 нФ. Резистор Rd установлен в целях безопасности — конденсаторы через него разряжаются после выключения.

Синфазный шум подавляется фильтром на Cy и L. Их значения для частоты среза f связаны формулой Томпсона:

f = 1 / (2 * π * √L * C), где:

  • f — частота среза в кГц (берется частота импульсного преобразования);
  • L — индуктивность дросселя, мкГн;
  • — емкость Cy, мкФ.

Синфазный дроссель намотан на ферритовый валик. Обмотки одинаковые, намотаны в разные стороны.


Конструкция индуктивности общего режима.

В отличие от выходного фильтра, номинальный ток источника питания не влияет на расчет элементов шумового фильтра, за исключением провода, охватывающего индуктивность.

После фильтра выпрямляется сетевое напряжение. В большинстве случаев используется стандартный двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Схемы инверторов

Полученное выпрямленное напряжение отправляется на преобразователь (инвертор). Он выполняется на биполярных или полевых транзисторах, а также на элементах IGBT, сочетающих в себе свойства полевых и биполярных. В последние годы стали популярными мощные и недорогие полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). На таких элементах удобно строить ключевые схемы инвертора. В импульсных схемах питания используются различные варианты включения полевого МОП-транзистора, но в основном используются двухтактные схемы для простоты и возможности увеличения мощности без значительных изменений.

Пуш-пульная схема


Схема двухтактного преобразователя.

Двухтактный инвертор (двухтактный, двухтактный) является примером двухтактного преобразователя. Транзисторные переключатели работают на первичной обмотке трансформатора, которая состоит из двух полуобмоток I и II. Транзисторы открываются поочередно на определенное время. Когда верхний транзистор открыт, ток течет по полуобмотке I (красная стрелка), когда второй — по полуобмотке II (зеленая). Чтобы избежать ситуации, когда оба ключа открыты (из-за конечной скорости транзисторов), схема управления формирует паузу, называемую мертвым временем.


Контроль транзисторов с учетом мертвого времени.

Эта схема хорошо работает при низких напряжениях питания (до +12 вольт). Недостатком является наличие перенапряжений с амплитудой, равной удвоенному напряжению питания. Это предполагает использование транзисторов, рассчитанных на удвоенное напряжение.

Мостовая схема

Двухтактный мост лишен главного недостатка предыдущей схемы.


Двухтактная мостовая инверторная схема.

Здесь одновременно открывается пара транзисторов Т1 и Т4, затем Т2 и Т3 (ключевой управляющий сигнал формируется с учетом мертвого времени). В этом случае первичная обмотка подключена к источнику питания с одной или другой стороны. Ширина импульса равна полному напряжению питания, скачки напряжения отсутствуют. К недостаткам можно отнести использование четырех транзисторов вместо двух. Помимо увеличения габаритов блока питания, это приводит к двукратным потерям напряжения.

Полумостовая схема

На практике часто используется схема полумостового инвертора, что в некоторой степени является компромиссом между двумя предыдущими схемами.


Полумостовая схема.

В этом случае одна сторона обмотки переключается путем попеременного открытия транзисторов T1 и T2, а другая подключается к средней точке емкостного делителя C1, C2. Достоинства схемы:

  • в отличие от двухтактного, здесь нет скачков напряжения;
  • в отличие от моста используются всего два транзистора.

С другой стороны, обмотка трансформатора питается только половиной напряжения питания.

Однотактные схемы

В схемах преобразователя также используются несимметричные схемы — прямого и обратного хода. Их ключевое отличие от двухтактных: трансформатор (точнее его первичная обмотка) одновременно выполняет роль накопительной индуктивности. В схемах обратного хода энергия накапливается в первичной обмотке во время открытого состояния транзистора и передается нагрузке через вторичную обмотку в закрытом состоянии. В линейных проекторах накопление энергии и возврат к потребителю происходят одновременно.


Двухфазный режим работы однотактного реверсивного инвертора.

Силовой трансформатор

Силовой трансформатор работает на высоких частотах (до нескольких десятков килогерц), поэтому может быть выполнен на сердечнике не из трансформаторного железа, а на феррите. Кроме того, из-за повышенной частоты его габариты будут меньше, чем у сети, рассчитанной на преобразование на частоту 50 Гц. Расчет импульсного трансформатора довольно громоздок. Вы можете управлять им для общего развития, но для практических целей лучше всего использовать любую программу, в том числе онлайн-сервисы.


Программный интерфейс Lite-CalcIT.

Программа Lite-CalcIT пользуется популярностью. Он может рассчитать трансформатор для существующего сердечника или выбрать оптимальный на основе введенных данных.

Простой импульсный блок питания на IR2153

Самодельный импульсный блок питания — полумост на специализированной микросхеме IR2153 на 120 — 150 Вт

Часто начинающие радиолюбители опасаются увлекаться проектированием импульсных блоков питания, считая, что это очень сложно, однако, используя доступные современные специализированные микросхемы, очень быстро и относительно легко построить простой ИБП на различные напряжения и мощности которые с успехом могут быть использованы для питания различных радиолюбительских проектов.

Микросхема IR2153 представляет собой высоковольтный драйвер со встроенным генератором, по структуре схожий с типовым генератором на таймере 555. Микросхема выпускается в 8-выводном корпусе DIP-8 или SOIC-8

Заказ микросхемы IR2153 на Алиэкспресс

Типовая схема включения микросхемы представлена ​​на рисунке ниже. (схема взята из документации на IR2153):

Функции выводов IC: 1 — VCC — напряжение питания логики и внутренний драйвер 2 — Rt — синхронизирующий резистор 3 — Ct — синхронизирующий конденсатор 4 — COM — земля 5 — LO — выход драйвера высокого уровня 6 — Vs — возврат питания верхнего уровня плавающего источника питания 7 — HO — Выход драйвера низкого уровня 8 — Vb — Плавающий источник питания для переключателей высокого уровня

Частота преобразования, на которой работает источник питания IR2153, определяется резистором, подключенным между контактами RT (2) и CT (3), и конденсатором, подключенным между контактами CT (3) и COM (4). Названия этих элементов можно определить по специальной таблице на рисунке ниже (щелкните, чтобы увеличить):

Слева по оси Y видим значения частоты, внизу по оси X — значения сопротивления резистора RT. Кривые на графике соответствуют шести фиксированным значениям емкости конденсатора ТТ. Предположим, у нас есть конденсатор на 1000 пФ, мы видим, что для него с резистором 1 кОм частота преобразования будет около 80 кГц.

Предлагаемый источник питания обеспечивает ток нагрузки около 3А при выходном напряжении около 12..50 В. Выходное напряжение можно легко изменить, варьируя количество витков вторичной обмотки импульсного трансформатора. Как рассчитать трансформатор будет рассказано ниже. Подобный блок питания я успешно применил в сочетании со стереофоническим усилителем мощности звука на двух микросхемах TDA2050. Его также можно использовать в комбо-гитарном усилителе с усилителем на самом TDA2050 или для питания других устройств с аналогичными потребностями.

Схема блока питания представлена ​​на рисунке ниже (нажмите, чтобы увеличить):

Преимущество этой схемы в том, что она предельно проста и содержит минимум деталей. Недостатки: отсутствие схем стабилизации выходного напряжения и защиты. Кстати о деталях. Термистор NTC1 устанавливается последовательно на входе устройства и служит для уменьшения пускового тока при включении питания. Сопротивление термистора при комнатной температуре составляет примерно 3 Ом. Пусковой ток при включении агрегата в сеть 230 вольт возникает в момент зарядки сглаживающего конденсатора С3. Термистор можно снять с платы старого блока питания компьютера, а также некоторых других компонентов этой схемы. Поэтому не выбрасывайте старые компьютерные блоки, из них можно получить много полезного для радиолюбительской практики. В принципе, термистор можно исключить из схемы, заменив его на постоянный резистор мощностью пару ватт и сопротивлением 3-5 Ом. Можно использовать термистор типа НТК 5Д-9 или других типов с подходящими параметрами, например, это с Алиэкспресс.

вынимать из цепи предохранитель F1 крайне нежелательно.

Компоненты C1, L1 и C2 образуют сетевой фильтр, который предотвращает проникновение высокочастотного шума от нашего устройства в сеть 230 В. Конденсаторы C1 и C2 должны быть рассчитаны на напряжение не менее 250..275 вольт. Сетевой фильтр не влияет на работу блока питания, но служит для защиты электросети. Этот узел можно устранить, а обмотки катушек на плате можно заменить перемычками.

Диодный мост D1 используется для выпрямления переменного напряжения 230 вольт, поэтому необходимо использовать мост с соответствующими параметрами, например типа KBP307, рассчитанный на токи до 3А при напряжении до 1000В.

резистор R1 — демпфирующий резистор, через него протекает ток питания микросхемы. Необходимо использовать резистор мощностью не менее 2 Вт. Резисторы R3 и R4 в цепях затворов ключевых транзисторов могут иметь номинал от 15 до 33 Ом. Любой ключевой транзистор можно использовать для получения соответствующей мощности и напряжения не менее 600 вольт. Обычные IRF840 великолепны. Для повышения надежности агрегата, а также при желании увеличить мощность на радиаторах желательно установить ключевые транзисторы.

Самая важная часть — импульсный трансформатор. Его можно намотать, например, на кольцевой сердечник от электронного трансформатора, на популярное у радиолюбителей советское ферритовое кольцо с проницаемостью 2000, а можно использовать трансформатор от компьютерного блока питания. В зависимости от желаемого выходного напряжения такой трансформатор можно использовать без модификации. На рисунке ниже представлена ​​схема такого трансформатора и его внешний вид

Если вам нужно больше напряжения, вам нужно будет разобрать трансформатор и перемотать вторичную обмотку. Не всегда можно разобрать такой трансформатор, не повредив его, поэтому в этом случае лучше намотать трансформатор самостоятельно, например, на ферритовом кольце. Для полупроводниковой схемы в сердечнике трансформатора не требуется места, что упрощает задачу изготовления трансформатора в домашних условиях.

Расчет импульсного трансформатора

Допустим, мы хотим использовать самодельный трансформатор на базе советского ферритового кольца. Прежде всего, нам необходимо скачать программу для расчета. Мы будем использовать бесплатную программу Lite-CalcIT.

Читайте также: Предпусковой обзор: плеер N6IIT01 и бронированные наушники YB04 — Hi-Fi из южного Китая

Программа очень маленькая и не требует установки. Просто скачайте архив по ссылке, распакуйте файлы программы в папку и запустите (можно с флешки).

Допустим, у нас есть ферритовое кольцо российского производства типа М2000НМ, размером 40х25х11. Хочу получить на выходе выпрямителя постоянное напряжение 40 вольт и мощность нагрузки 120 ватт. При этом у меня только проволока диаметром 0,5 мм.

Итак, приступим.

В окне программы вверху справа нажмите кнопку «Выбрать ядро»

Открывается дополнительное окно, в котором мы выбираем следующие параметры:

активируйте переключатель «Модуль» — R (кольцо), в верхнем выпадающем списке выберите R 40.0 / 25.0 / 11.0 2000НМ Россия, затем в списке «материал» выберите 2000НМ Россия Далее нажмите кнопку Применить. Если появляется окно с предупреждением, игнорируем его, так как мы еще не ввели правильные параметры обмоток трансформатора. В главном окне программы установите следующие параметры:

Схема преобразования: выберите Полумост.

Схема преобразования: выберите Полумост.

Напряжение питания: постоянное. Минимум: 266 В. Номинал: 295 В. Максимум: 325 В. Тип контроллера: IR2153. Частота генерации 41 кГц. Стабилизация выхода — n. Принудительного охлаждения нет.

Для вторичной выберем: Номинальное напряжение = 40 В. Номинальная мощность = 120 Вт. Укажите диаметр провода 0,5 мм. Для первички также указываем диаметр проволоки = 0,5мм

Подбираем схему выпрямления типа 1.

Мы все готовы и теперь нажимаем на кнопку «Рассчитать»! В правой половине окна читаем данные нашего импульсного трансформатора.

У нас есть:

  • Суммарная мощность трансформатора = 348,7 Вт,
  • Потребляемая мощность нагрузки = 123,2 Вт,
  • Коэффициент заполнения окна = 0,116,
  • Количество витков первичной обмотки = 70,
  • Диаметр первичного провода = 0,5, намотка однопроволочная,
  • Количество витков вторичной обмотки = 22 + 22 (у нас обмотка из 2-х частей, с отводом от центра),
  • Диаметр вторичного провода = 0,5, намотка из трех проводов

Окно программы будет выглядеть так (нажмите, чтобы увеличить):

Как видите, размера кольца для наших целей более чем достаточно. Перед обмоткой трансформатора берем наждачную бумагу или напильник и слегка заглушаем острые края ферритового кольца, чтобы при тугой намотке они не повредили изоляцию обмотки.

Намотываем на кольцо слой изоленты или фторопластовой ленты, после чего наматываем 70 витков первичной обмотки, равномерно распределяя провод по кольцу.

Намотав первичную обмотку, сверху изолируем, обматывая пару слоев изоленты (малярный скотч, фторопласт и так далее) и сверху наматываем обе части вторичной обмотки, по 22 витка. Вторичные обмотки необходимо наматывать жгутом из трех проводов диаметром 0,5 мм, также стараемся равномерно распределить провод по кольцу. Это улучшит работу трансформатора.

Обычно блок, собранный из исправных деталей, сразу начинает работать. Первое подключение к сети осуществляется через лампу накаливания мощностью около 60 Вт. Включаем лампу последовательно с блоком питания. При первом включении лампа должна мигать и погаснуть — это заряженный сглаживающий конденсатор. Если лампа горит постоянно, значит неисправен блок питания. Возможно короткое замыкание в установке или наличие некачественных деталей. Проверяем установку и детали и снова включаем через лампу, если все хорошо, проверяем наличие выходного напряжения на выходе блока. Учтите, что при подключении блока к сети через лампу накаливания нет необходимости заряжать блок сильным током. Если накопитель работает, можно попробовать подключить его напрямую к сети и проверить, как он держит нагрузку. Если блок периодически запускается и сразу выключается, это может означать отсутствие напряжения питания на микросхеме IR2153, в этом случае можно немного уменьшить сопротивление резистора R1

Будьте осторожны при работе с импульсными блоками питания. На элементах схемы присутствует опасное напряжение!

Как рассчитать диаметр провода для первичных и вторичных обмоток?

Диаметр провода первичной и вторичной обмоток зависит от параметров мощности, введенных в модуль. Чем выше ток намотки, тем больше требуется диаметр провода. Ток первичной обмотки пропорционален «используемой мощности трансформатора».

Снаббер

Для компенсации сверхтоков и перенапряжений, которые неизбежно возникают при переключении первичной обмотки трансформатора, используются демпфирующие цепи, которые в английской технической литературе называются демпфирующими. Такие схемы могут быть установлены на блоке питания (параллельно первичной обмотке трансформатора) или отдельно на каждый ключ. Исполнение амортизаторов может быть разным, но наиболее распространены амортизаторы в виде последовательной RC-цепи (схема б на рисунке).

Различные схемы амортизаторов.

Обоснованной методики расчета демпфера нет. Для этого необходимо учитывать все паразитные индуктивности (обмотки, дорожки, конденсаторы) на различных частотах и ​​для неизвестных характеристических сопротивлений. Следовательно, все существующие расчеты являются эмпирическими.

Основным (и единственным) активным элементом заслонки является конденсатор. Он «поглощает» импульсные выбросы. Резистор только ухудшает демпфирующие свойства, но ограничивает ток через конденсатор, который может достигать значительных значений, хотя и на короткое время. Эта схема более актуальна в тиристорных преобразователях.

Узнать, что такое демпфер или амортизатор, можно посмотрев видео.

В демпферных схемах УЗО (c и d на рисунке) присутствуют диоды. Они могут быть полезны для ограничения импульсов обратной полярности в схемах тиристоров и биполярных транзисторов. Если ключи собраны на полевых транзисторах или IGBT, то нет смысла устанавливать вентили — они дублируют имеющиеся внутри этих транзисторов диоды.

Емкость конденсатора выбирается в пределах 0,1-0,33 мкФ. Более чем в 90% случаев этого достаточно. Увеличение или уменьшение номинала используется для ключей, работающих в нестандартных условиях (увеличение частоты преобразования и т.д.)

Выпрямитель

Вторичное напряжение необходимо выпрямить. Для уровней до 12 вольт предпочтительно использовать двухполупериодную схему средней точки.


Схема выпрямителя со средней точкой и прохождением через нее тока.

Преимущество этой схемы в том, что ток проходит в каждом направлении только через диод, а падение напряжения на лампах, в отличие от классической мостовой схемы, составляет половину. Это может значительно уменьшить количество необходимых вторичных витков. Этой же цели служило использование диодов Шоттки и сборок из них.


Схема мостового выпрямителя и ток через нее.

Если выходное напряжение блока питания больше +12 вольт, то экономия 0,6 вольт становится незначительной и можно выполнить выпрямитель по стандартной схеме и использовать трансформатор без отвода.

В том случае, если выход импульсного источника питания должен быть биполярным, снова становится рациональным выполнить отвод от средней точки. В этом случае экономится сразу 4 диода и радиатора — выигрыш в размерах может быть значительным.


Биполярный выпрямитель Midpoint.

Фильтр

Выходное напряжение нужно фильтровать — в нем большое количество продуктов преобразования. Поскольку инвертор работает на достаточно высокой частоте, эффективными становятся фильтры, содержащие не только конденсаторы, но и небольшие индуктивности с относительно небольшой индуктивностью.


L- и U-образные ЖК-фильтры

Для расчета фильтрующих элементов необходимо установить коэффициент пульсаций Kp. Подбирается по ожидаемой нагрузке:

  • чувствительная аппаратура радиоприема, предварительные каскады звуковой аппаратуры, микрофонные усилители — Кп = 10-5..10-4;
  • усилители звуковой частоты — Кп = 10-4..10-3;
  • аппаратура приема и воспроизведения звука среднего и низшего класса — Кп = 10-2..10-3.

Для L-фильтра, установленного после двухполупериодного выпрямителя, применяются следующие соотношения:

  • L * C = 25000 / (f2 + Kp);
  • L / C = 1000 / R2n.

В этих формулах:

  • L — индуктивность индуктивности в мкГн;
  • C — емкость конденсатора в мкФ;
  • f — частота преобразования в Гц;
  • Rн — сопротивление нагрузки в Ом.

Для U-образного фильтра:

  • С1 = С2 = С;
  • L / C = 1176 / R2n.

Размер значений такой же, как в предыдущем фильтре.

Wavetools

Схема управления

Схема управления генерирует импульсы, которые включают транзисторы. Для регулирования напряжения используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Импульсы генерируются с постоянной частотой. Для увеличения напряжения ширина импульса увеличивается (транзисторы открываются дольше). Чтобы уменьшить напряжение, время открытия клавиш сокращено.

Цепи обратной связи

Петли обратной связи используются для регулирования напряжения или стабилизации тока. Напряжение можно поддерживать на заданном уровне или регулировать вручную, изменяя параметры обратной связи. В источниках с нерегулируемым выходом это часто выполняется на высокоскоростных оптопарах.

Схемы и изготовление импульсных блоков питания

Импульсные источники питания монтируются на различных базовых элементах. Обычно для построения ИИП используются специализированные микросхемы, специально разработанные для создания таких устройств. Кроме простейших блоков.

Мощный импульсный блок на ir2153

На микросхеме IR2153 можно построить простые блоки питания. Это мощный встроенный драйвер таймера, аналогичный NE555. Частота генерации задается внешними элементами. В микросхеме нет входов для организации обратной связи, поэтому добиться стабилизации тока и напряжения методом ШИМ не представляется возможным.


Расположение выводов микросхемы IR2153.

Назначение контактов показано в таблице.

№ Номинал Номинал Номинал Номинал№

1 Vcc Блок питания логики и драйвер Клавиши вывода мощности Vb восемь
2 Rt Сопротивление регулирования частоты Выход верхнего драйвера У МЕНЯ ЕСТЬ 7
3 Кт Конденсатор установки частоты Превосходный возврат мощности драйвера Против 6
4 COM Общий Нижний вывод драйвера В 5


Внутренняя схема IR2153.

Для лучшего понимания работы и назначения выводов лучше всего изучить внутреннюю схему. Главное, на что следует обратить внимание, это то, что ключи выхода собраны по полумостовой схеме.

На эту микросхему можно установить простой блок питания.

Схема простого блока питания на IR2153.

IR2153 питается 220 вольт через гасящий резистор R1, выпрямитель на диоде VD3, фильтр на C4. Частота генерации фиксируется элементами C5, R2 (при номиналах, указанных на схеме, получаем около 47 кГц). Трансформатор можно рассматривать как программу. В авторской версии использован силовой трансформатор от компьютерного блока питания. Стандартные обмотки снимаются, первичная намотана на две жилы проводом в эмалированной изоляции диаметром 0,6 мм.

Обмотка содержит 38 витков. Слои обтягиваются изолентой. Вторичная обмотка из 7 проводов, скрученных с одним и тем же проводом, для получения напряжения 24 В требуется 7-8 витков, для другого напряжения необходимо пропорционально пересчитать.


Простая конструкция блока питания.

Остальные элементы схемы не требуют отдельных пояснений. Детали расположены на плате, транзисторы подключены к радиатору.

Блок питания с максимальной токовой защитой.

Более сложная схема — с максимальной токовой защитой транзисторов. Измерение организовано на трансформаторе ТВ1. Он намотан на ферритовом кольце диаметром 12..16 мм. Вторичная обмотка содержит 50..60 витков в два провода диаметром 0,1… 0,15 мм. Таким образом, начало одной обмотки соединено с концом второй. Первичная обмотка содержит 1..2 витка. Уровень срабатывания защиты регулируется потенциометром R13. При превышении установленного предела тиристор VD4 активируется и обходит стабилитрон VD3. Напряжение питания микросхемы снижено практически до нуля.

Силовая цепь обеспечивает плавный пуск. Если генерация началась, импульсы с вывода 6 через делитель R8R9 и конденсатор C8 выпрямляются. Постоянное напряжение заряжает C7 и открывает транзистор VT1. Конденсатор С3 подключается к цепи задания частоты, и частота генератора микросхемы снижается до рабочей частоты.

Простой блок питания на полевом транзисторе

Простой блок питания можно собрать на базе мощного полевого транзистора. Особенностью схемы является использование первичной обмотки трансформатора в качестве энергоаккумулирующей индуктивности. Этот блок питания принципиально отличается от рассмотренных выше. Хотя он содержит многие из элементов блок-схемы выше, большинство из них работают по-другому.

Источник питания на полевом транзисторе.

На входе источника установлены выпрямитель и сетевой фильтр. При подаче напряжения и заряде конденсатора C4 (а также цепи C2C3) транзистор VT1 слегка открывается и ток в первичной обмотке I начинает возрастать. В обмотке II возникает ЭДС, напряжение на положительной обратной связи R9VD5C5 цепь подводится к затвору VT1, что делает его еще более открытым. Процесс развивается лавинообразно и приводит к полному открытию транзистора. Ток в обмотке I увеличивается, создавая запас энергии. Напряжение на R10 увеличивается, поступая на базу фототранзистора приемной части оптопары U1. При этом он немного открывается, напряжение на затворе VT1 уменьшается и закрывается. Начинается второй цикл движения. Накопленная в обмотке энергия передается через диоды VD8 на конденсатор фильтра С9 и нагрузку. Если напряжение превысит установленный уровень, загорится светодиод оптопары и транзистор VT1 закроется раньше.

Трансформатор в этой схеме работает иначе и не может быть рассчитан указанной программой. Он намотан на два кольца, наклеенных пермаллоем МП140 типоразмера 19x11x6,7. Первичная обмотка I изготовлена ​​из провода ПЭВ диаметром 0,35 мм и содержит 180 витков. Обмотка II — 8 витков провода ПЭВ-2 0,2, обмотка III — 7 витков пятипровода ПЭВ-2 0,56.

Дроссели L1 и L2 намотаны на кольцах из того же материала размером 15x7x6,7. Первая содержит две обмотки по 30 витков от провода ПЭВ 0,2 на противоположных половинах магнитопровода. Второй делается проволокой ПЭВ-2 0,8 в один слой по всей длине кольца до заполнения. Дроссели также могут быть намотаны на ферритовых кольцах. Этот блок питания способен выдавать до 5А при напряжении 5В.


Схема и сборка домашнего блока питания с регулировкой напряжения и тока

Стабилизированный БП на SG3525

TL494 — культовая микросхема для построения импульсных блоков питания. Экономичный и распространенный, он позволяет создавать блоки питания любого назначения: регулируемые, стабилизированные и т.д. Для монтажа SMPS рекомендуется обратить внимание на микросхему SG3525. Он аналогичен по функциональности TL494, но его выходные каскады оптимизированы для работы с мощными полевыми транзисторами, поэтому схема инвертора упрощена. Но схема ограничения или стабилизации тока усложняется, потому что имеется только один усилитель ошибки, и он обычно уже участвует в управлении напряжением. Но если в этом режиме нет необходимости, то этот момент не важен. Несомненным достоинством SG3525 является возможность плавного пуска, который реализуется схемой конденсатора.


Назначение контактов SG3525.

Для первоначальной разработки микросхемы и экспериментов по выявлению ее возможностей можно собрать простой импульсный блок по следующей принципиальной схеме.

Схема простого стабилизированного блока питания на базе SG3525.

Здесь частота генерации задается элементами C1 и R1 и составляет примерно 50 кГц. Резистор R2 определяет продолжительность мертвого времени. Режим плавного пуска задается конденсатором С4. Вывод 10 Shutdown, обычно используемый для защиты силовых транзисторов, используется здесь для включения / выключения инвертора.

Конвертер собран по двухтактной схеме, поэтому управление ключами предельно простое. Трансформатор намотан на кольцо, первичная обмотка содержит 5 витков в нескольких проводах провода (в зависимости от требуемой мощности), вторичная — в зависимости от требуемого напряжения (питание может увеличиваться или уменьшаться относительно напряжение на первичной обмотке, к которой приложено 6 вольт — половина напряжения питания).

Выпрямитель собран по мостовой схеме на диодах Шоттки, выходной фильтр L1C8 имеет L-образную форму. Делитель R10R11 имеет цепь обратной связи. Часть выходного напряжения поступает на вывод 1 микросхемы. Если напряжение снижается, период открытого состояния ключей увеличивается.

Для работы агрегата необходимо запитать микросхему от стороннего источника питания + 12В.

Освоив микросхему и поэкспериментировав с ней, можно собрать более сложный блок питания. Этот стабилизированный блок обеспечивает мощность до 500 Вт.

Регулируемый блок питания на базе SG3525.

Здесь микросхема питается от отдельной обмотки трансформатора. Напряжение на нем появляется только после включения питания, затем собирается схема микростарта для начального питания SG3525. При включении источника питания конденсатор 1 заряжается, когда напряжение на нем достигает установленного уровня, транзисторы следующего каскада открываются и выдают импульс на микросхему. Этого достаточно для запуска и во время работы SG3525 питается от дополнительной обмотки. Резистор 2 действует как нагрузка, без него цепь не запустится.

Плавный пуск реализован на конденсаторе 3. Элементы 4,5 служат для защиты транзисторов от перегрузки по току. Уровень срабатывания устанавливается потенциометром. Управление ключами осуществляется трансформатором гальванической развязки (TGR) 6. Это решение позволило упростить схему управления. Этот трансформатор намотан на кольцо из материала 2000НН в три провода. Начало и конец обмоток подключают по схеме.


Производство ТГР.

Основными элементами обратной связи, вводимой для стабилизации напряжения, являются стабилитроны 7 и оптрон 8. Выходное напряжение рассчитывается по формуле:

Uout = 2 + Ustab1 + Ustab2, где:

  • Uout — выходное напряжение в вольтах;
  • Ustab — напряжение стабилизации каждого стабилитрона.

Таким образом можно получить любое выходное напряжение. Количество стабилитронов может быть различным до тех пор, пока общее напряжение цепной стабилизации составляет 2 вольта от желаемого выходного уровня. Трансформатор можно рассчитать в существующей программе исходя из имеющихся материалов и необходимого напряжения.

Для работы схемы стабилизации требуется запас по напряжению. При расчете силового трансформатора этот момент необходимо учесть, установив отметку в чекбоксе.

Флажок с пометкой о необходимости стабилизации напряжения.

Большинство деталей собрано на печатной плате. Если вы разрабатываете модель самостоятельно, учитывайте, что печатные кондукторы должны быть максимально короткими и широкими. Не делайте пути длинными и узкими. На радиаторе установлены мощные транзисторы.


Конструктивный блок питания на SG3525.

Особенности намотки импульсных трансформаторов.

Обмотка импульсных трансформаторов, в частности трансформаторов на кольцевых и тороидальных магнитопроводах, имеет некоторые особенности.

Дело в том, что если одна обмотка трансформатора неравномерно распределена по периметру магнитопровода, отдельные участки магнитопровода могут стать насыщенными, что может привести к значительному снижению мощности блока питания и даже привести к его неудача.

Казалось бы, можно просто посчитать расстояние между отдельными витками катушки, чтобы витки обмотки точно уместились в один или несколько слоев. Но на практике наматывать такую ​​обмотку сложно и утомительно.

Мы пытаемся завернуть в «ленивую упаковку». И в этом случае самый простой способ — намотать однослойную обмотку «по очереди».

Что для этого нужно?

необходимо подбирать провод такого диаметра, чтобы он одним слоем подходил «виток к витку» в окне существующего кольцевого сердечника, а также чтобы количество витков первичной обмотки не сильно отличалось из того, что рассчитано.

Если полученное в калькуляторе количество витков не отличается более чем на 10-20% от количества, полученного в формуле расчета стека, можно смело наматывать обмотку, не считая витков.

правда, для такой обмотки, скорее всего, придется выбирать магнитопровод с немного завышенной общей мощностью, которую я уже рекомендовал выше.

1 — кольцевидное ядро.

3 — витки обмотки.

D — диаметр, по которому можно рассчитать периметр, занимаемый витками обмотки.

На изображении видно, что при намотке «от поворота к повороту» расчетный периметр будет намного меньше внутреннего диаметра ферритового кольца. Это связано с диаметром самой проволоки и толщиной полосы.

Фактически, фактический периметр, который будет заполнять провод, будет еще меньше. Это связано с тем, что обмоточный провод не прилегает к внутренней поверхности кольца, образуя определенный зазор. Кроме того, существует прямая зависимость между диаметром проволоки и размером этого зазора.

Нет необходимости увеличивать натяжение провода при намотке, чтобы уменьшить этот зазор, так как это может повредить изоляцию и сам провод.

Используя приведенную ниже эмпирическую формулу, можно рассчитать количество витков на основе диаметра существующего провода и диаметра центрального окна.

Максимальная погрешность расчета составляет примерно –5% + 10% и зависит от плотности нити.

w = (D — 10S — 4d) / d, где:

w — количество витков первичной обмотки,

— 3,1416,

D — внутренний диаметр кольцевого магнитопровода,

S — толщина изоляционной полосы,

d — диаметр провода с изоляцией,

/ — дробная черта.

Здесь описано, как измерить диаметр провода и определить толщину изоляции.

Некоторые примеры расчета реальных трансформаторов.

● Мощность — 50 Вт.

Магнитопровод — К28 х 16 х 9.

w = π (16 — 10 * 0,1 — 4 * 0,39) / 0,39 ≈ 108 (оборотов).

Действительно подходит — 114 кругов.

● Мощность — 20 Вт.

Магнитопровод — К28 х 16 х 9.

w = π (16 — 10 * 0,1 — 4 * 0,25) / 0,25 ≈ 176 (оборотов).

Действительно подходит — 176 кругов.

● Мощность — 200 Вт.

Магнитопровод — два кольца К38 х 24 х 7.

w = (24 — 10 * 0,1 — 4 * 1,07) / 1,07 ≈ 55 (оборотов).

Он действительно измеряет 58 кругов.

В практике радиолюбителя редко удается подобрать диаметр обмоточного провода с необходимой точностью.

Если проволока слишком тонкая для обмотки «виток на поворот», как это часто бывает при намотке вторичной обмотки, всегда можно немного удлинить обмотку, сдвинув витки в сторону. А если сечения провода не хватает, обмотку можно намотать сразу на несколько проводов.

 

Оцените статью
Блог о трансформаторах
Adblock
detector