Імпульсний блок живлення: робимо своїми руками джерело живлення за схемою

1. Структурна схема імпульсного джерела живлення
2. Принципові схеми імпульсних блоків живлення
3. Мережевий випрямляч з фільтром
4. Високочастотний перетворювач: його функції і схеми

Наши партнеры ArtmMisto

Сфера застосування імпульсних блоків живлення в побуті постійно розширюється. Такі джерела застосовуються для живлення всієї сучасної побутової та комп'ютерної апаратури, для реалізації джерел безперебійного електроживлення, зарядних пристроїв для акумуляторів різного призначення, реалізації низьковольтних систем освітлення і для інших потреб.

У деяких випадках покупка готового джерела живлення мало прийнятна з економічної або технічної точки зору і збірка імпульсного джерела власними руками є оптимальним виходом з такої ситуації. Спрощує такий варіант і широка доступність сучасної елементної бази за низькими цінами.

Структурна схема імпульсного джерела живлення

Найбільш затребуваними в побуті є імпульсні джерела з живленням від стандартної мережі змінного струму і потужним низьковольтних виходом. Структурна схема такого джерела показана на малюнку.

Мережевий випрямляч СВ перетворює змінну напругу мережі живлення в постійне і здійснює згладжування пульсацій випрямленої напруги на виході. Високочастотний перетворювач ВЧП здійснює перетворення випрямленої напруги в змінну або однополярної напруга , Що має форму прямокутних імпульсів необхідної амплітуди.

Надалі таку напругу або безпосередньо, або після випрямлення (ВН) надходить на згладжує фільтр, до виходу якого підключається навантаження. Управління ВЧП здійснюється системою управління, яка отримує сигнал зворотного зв'язку від випрямляча навантаження.

Така структура пристрою може бути піддана критиці з-за наявності декількох ланок перетворення, що знижує ККД джерела. Однак, при правильному виборі напівпровідникових елементів і якісному розрахунку і виготовленні моткових вузлів, рівень втрат потужності в схемі малий, що дозволяє отримувати реальні значення ККД вище 90%.

Принципові схеми імпульсних блоків живлення

Рішення структурних блоків включають не тільки обґрунтування вибору варіантів схемної реалізації, а й практичні рекомендації щодо вибору основних елементів.

Мережевий випрямляч з фільтром

Для випрямлення мережевого однофазного напруги використовують одну з трьох класичних схем зображених на малюнку:

• однополуперіодним;
• нульову (двухполуперіодним з середньою точкою);
• двхполуперіодную бруківку.

Кожній з них притаманні переваги і недоліки, які визначають область застосування.

Однополуперіодна схема відрізняється простотою реалізації і мінімальною кількістю напівпровідникових компонентів. Основними недоліками такого випрямляча є значна величина пульсації вихідної напруги (в випрямленном присутній лише одна полуволна напруги) і малий коефіцієнт випрямлення.

Коефіцієнт випрямлення Кв визначається співвідношенням середнього значення напруги на виході випрямляча Udк діючим значенням фазного напруги Uф.

Для однополупериодной схеми Кв = 0.45.

Для згладжування пульсації на виході такого випрямляча потрібні потужні фільтри.

Нульова, або двонапівперіодна схема з середньою точкою, хоч і вимагає подвоєного числа випрямних діодів, однак, цей недолік в значній мірі компенсується більш низьким рівнем пульсацій випрямленої напруги і зростанням величини коефіцієнта випрямлення до 0.9.

Основним недоліком такої схеми для використання в побутових умовах є необхідність організації середньої точки напруги, що має на увазі наявність мережевого трансформатора. Його габарити і маса виявляються несумісними з ідеєю малогабаритного саморобного імпульсного джерела.

Двонапівперіодна бруківка схема випрямлення має ті ж показники за рівнем пульсації і коефіцієнту випрямлення, що і нульова схема, але не вимагає наявності мережевого трансформатора . Це компенсує і головний недолік - подвійну кількість випрямних діодів як з точки зору ККД, так і за вартістю.

Для згладжування пульсацій випрямленої напруги найкращим рішенням є використання ємнісного фільтра. Його застосування дозволяє підняти величину випрямленої напруги до амплітудного значення мережевого (при Uф = 220В Uфм = 314В). Недоліками такого фільтра прийнято вважати великі величини імпульсних струмів випрямних елементів, але критичним цей недолік не є.

Вибір діодів випрямляча здійснюється за величиною середнього прямого струму Ia і максимального зворотного напруги UBM.

Прийнявши величину коефіцієнта пульсації вихідної напруги Кп = 10%, отримаємо середнє значення випрямленої напруги Ud = 300В. З урахуванням потужності навантаження і ККД ВЧ перетворювача (для розрахунку приймається 80%, але на практиці вийде вище, це дозволить отримати певний запас).

Ia - середній струм діода випрямляча, Рн потужність навантаження, η - ККД ВЧ перетворювача.

Максимальна зворотна напруга випрямного елемента не перевищує амплітудного значення напруги мережі (314В), що дозволяє використовувати компоненти з величиною UBM = 400В зі значним запасом. Використовувати можна як дискретні діоди, так і готові випрямні мости від різних виробників.

Для забезпечення заданої (10%) пульсації на виході випрямляча ємність конденсаторів фільтра приймається з розрахунку 1мкФ на 1Вт вихідної потужності. Використовуються електролітичні конденсатори з максимальною напругою не менше 350В. Ємності фільтрів для різних потужностей наведені в таблиці.

Високочастотний перетворювач: його функції і схеми

Високочастотний перетворювач являє собою однотактний або двотактний ключовий перетворювач (інвертор) з імпульсним трансформатором. Варіанти схем ВЧ перетворювачів наведені на малюнку.

Однотактна схема. При мінімальній кількості силових елементів і простоті реалізації має кілька недоліків.

1. Трансформатор в схемі працює по приватної петлі гистерезиса, що вимагає збільшення його розмірів і габаритної потужності;
2. Для забезпечення потужності на виході необхідно отримати значну амплітуду імпульсного струму, що протікає через напівпровідниковий ключ.

Схема знайшла найбільше застосування в малопотужних пристроях, де вплив зазначених недоліків не настільки значно.

Щоб самостійно поміняти або встановити новий лічильник, не потрібно особливих навичок. вибір правильної схеми підключення електролічильника забезпечить коректний облік споживаного струму і підвищить безпеку домашньої електромережі.

В сучасних умовах забезпечення освітлення як всередині приміщень, так і на вулиці все частіше використовують датчики руху. Це надає не тільки комфорт і зручності в наші оселі, а й дозволяє істотно економити. Дізнатися практичні поради щодо вибору місця установки, схем підключення можна тут .

Двотактна схема з середньою точкою трансформатора (пушпульний). Отримала свою другу назву від англійського варіанту (push-pull) опису роботи. Схема вільна від недоліків однотактного варіанти, але має власні - ускладнена конструкція трансформатора (потрібне виготовлення ідентичних секцій первинної обмотки) і підвищені вимоги до максимального напруження ключів. В решті рішення заслуговує на увагу і широко застосовується в імпульсних джерелах живлення, що виготовляються своїми руками і не тільки.

Двотактна полу мостова схема. За параметрами схема аналогічна схемі з середньою точкою, але не вимагає складної конфігурації обмоток трансформатора. Власним недоліком схеми є необхідність організації середньої точки фільтра випрямляча, що тягне чотириразове збільшення кількості конденсаторів.

Завдяки простоті реалізації схема найбільш широко використовується в імпульсних джерелах живлення потужністю до 3 кВт. При великих потужностях вартість конденсаторів фільтра стає неприйнятно високою в порівнянні з напівпровідниковими ключами інвертора і найбільш вигідною виявляється бруківка схема.

Двотактна бруківка схема. За параметрами аналогічна іншим двотактним схемами, але позбавлена ​​необхідності створення штучних «середніх точок». Платою за це стає подвійну кількість силових ключів, що вигідно з економічної і технічної точок зору для побудови потужних імпульсних джерел.

Вибір ключів інвертора здійснюється за амплітудою струму колектора (стоку) IКМАХ і максимального напруження колектор-емітер UКЕМАХ. Для розрахунку використовуються потужність навантаження і коефіцієнт трансформації імпульсного трансформатора.

Однак, перш необхідно розрахувати сам трансформатор. Імпульсний трансформатор виконується на сердечнику з фериту, пермаллоя або крученого в кільце трансформаторного заліза. Для потужностей до одиниць кВт цілком підійдуть ферритові сердечники кільцевого або Ш-образного типу. Розрахунок трансформатора ведеться виходячи з необхідної потужності і частоти перетворення. Для виключення появи акустичного шуму частоту перетворення бажано винести за межі звукового діапазону (зробити вище 20 кГц).

При цьому необхідно пам'ятати, що при частотах близьких до 100 кГц значно зростають втрати в феритових магнитопроводах. Сам розрахунок трансформатора не складає труднощів і легко може бути знайдений в літературі. Деякі результати для різних потужностей джерел і магнитопроводов наведені в таблиці нижче.

Розрахунок зроблений для частоти перетворення 50 кГц. Варто звернути увагу, що при роботі на високій частоті має місце ефект витіснення струму до поверхні провідника, що призводить до зниження ефективної площі перетину проводів обмотки. Для запобігання подібного роду неприємностей і зниження втрат в провідниках необхідно виконувати обмотку з декількох жив меншого перетину. При частоті 50 кГц допустимий діаметр проводу обмотки не перевищує 0.85 мм.

Параметри імпульсних трансформаторів і ключів ВЧ-перетворювача

Знаючи потужність навантаження і коефіцієнт трансформації можна розрахувати струм в первинній обмотці трансформатора і максимальний струм колектора силового ключа. Напруга на транзисторі в закритому стані вибирається вище, ніж випрямлена напруга, що надходить на вхід ВЧ-перетворювача з деяким запасом (UКЕМАХ> = 400В). За цими даними можна обирати ключів. В даний час найкращим варіантом є використання силових транзисторів IGBT або MOSFET.

Для діодів випрямляча на вторинній стороні необхідно дотримуватися одне правило - їх максимальна робоча частота повинна перевищувати частоту перетворення. В іншому випадку ККД вихідного випрямляча і перетворювача в цілому значно знизяться.

Виконання наведених рекомендацій дає можливість в найкоротші терміни і з мінімумом проблем і витрат зібрати силову частину високочастотного імпульсного перетворювача для побутових потреб.

Відео про виготовленні найпростішого імпульсного пристрою живлення