Схема импульсного бп 12в 3а: Схема блок питания 12в

Блок питания 12В сделать самому своими руками. Самодельный блок питания: схема

Изготовить блок питания 12В своими руками несложно, но для этого вам потребуется изучить немного теории. В частности, из каких узлов состоит блок, за что отвечает каждый элемент изделия, основные параметры каждого. Также важно знать, какие трансформаторы необходимо использовать. Если нет подходящего, то можно перемотать вторичную обмотку самостоятельно для получения нужного напряжения на выходе. Нелишним будет узнать о методах травления печатных плат, а также про изготовление корпуса блока питания.

Компоненты блока питания

Основной элемент любого блока питания – это понижающий трансформатор. При его помощи происходит снижение напряжения в сети (220 Вольт) до 12 В. В конструкциях, рассмотренных ниже, можно использовать как самодельные трансформаторы с перемотанной вторичной обмоткой, так и готовые изделия, без модернизации. Нужно только учитывать все особенности и проводить правильный расчет сечения провода и количества витков.

Второй элемент по важности – это выпрямитель. Изготовляется он из одного, двух либо четырех полупроводниковых диодов. Все зависит от типа схемы, по которой собирается самодельный блок питания. Например, для реализации удвоения напряжения нужно использовать два полупроводника. Для выпрямления без увеличения достаточно одного, но лучше применить мостовую схему (все пульсации тока сглаживаются). После выпрямителя обязательно наличие электролитического конденсатора. Желательна установка стабилитрона с подходящими параметрами, он позволяет на выходе сделать стабильное напряжение.

Что такое трансформатор

Трансформаторы, используемые для выпрямителей, имеют следующие компоненты:

1. Сердечник (магнитопровод, изготовленный из металла либо ферромагнетика).
2. Сетевую обмоту (первичная). Запитывается от 220 Вольт.
3. Вторичную обмотку (понижающую). Служит для подключения выпрямителя.

Теперь обо всех элементах более подробно. Сердечник может иметь любую форму, но наиболее распространены Ш-образные и U-образные. Реже встречаются тороидальные, но у них специфика иная, чаще применяются в инверторах (преобразователях напряжения, например, из 12 в 220 Вольт), нежели в обычных выпрямительных устройствах. Блок питания 12В 2А целесообразнее делать с использованием трансформатора, имеющего Ш-образный или U-образный сердечник.

Обмотки могут располагаться как друг на друге (сначала первичная, а после вторичная), на одном каркасе, так и на двух катушках. В качестве примера можно привести трансформатор с U-образным сердечником, на котором имеются две катушки. На каждой из них произведена намотка половины первичной и вторичной обмоток. При подключении трансформатора требуется соединять выводы последовательно.

Как произвести расчет трансформатора

Допустим, вы решили намотать вторичную обмотку трансформатора самостоятельно. Для этого вам надо будет узнать величину главного параметра – напряжения, которое можно будет снять с одного витка. Это самый простой способ, которым можно воспользоваться при изготовлении трансформатора. Намного сложнее вычислить все параметры, если требуется намотка не только вторичной, но и первичной обмотки. Необходимо для этого знать сечение магнитопровода, его проницаемость и свойства. Если рассчитывать блок питания 12В 5А самому, то этот вариант получается более точным, нежели подстраиваться под готовые параметры.

Первичную обмотку наматывать сложнее, чем вторичную, так как в ней может быть несколько тысяч витков тонкого провода. Можно упростить задачу и самодельный блок питания изготовить при помощи специального станка.

Чтобы рассчитать вторичную обмотку, нужно намотать 10 витков тем проводом, который планируете использовать. Соберите трансформатор и, соблюдая технику безопасности, подключите его первичную обмотку к сети. Проведите замер напряжения на выводах вторичной обмотки, полученное значение разделите на 10. Теперь число 12 разделите на полученное значение. И получаете количество витков, необходимое для вырабатывания 12 Вольт. Можно добавить немного, чтобы компенсировать падение напряжения (достаточно увеличить на 10%).

Диоды для блока питания

Выбор полупроводниковых диодов, используемых в выпрямителе блока питания, напрямую зависит от того, какие значения параметров трансформатора необходимо получить. Чем больше сила тока на вторичной обмотке, тем мощнее диоды необходимо использовать. Предпочтение стоит отдавать тем деталям, которые изготовлены на основе кремния. Но не стоит брать высокочастотные, так как они не предназначены для использования в выпрямительных устройствах. Их основное предназначение – детектирование высокочастотного сигнала в радиоприемных и передающих устройствах.

Идеальное решение для маломощных блоков питания – это применение диодных сборок, блок питания 12В 5А с их помощью можно разместить в гораздо меньшем корпусе. Диодные сборки — это набор из четырех полупроводниковых диодов. Используются они исключительно для выпрямления переменного тока. Работать с ними гораздо удобней, не нужно делать много соединений, достаточно на два вывода подать напряжение от вторичной обмотки трансформатора, а с оставшихся снять постоянное.

Стабилизация напряжения

После изготовления трансформатора обязательно проведите замер напряжения на выводах его вторичной обмотки. Если оно превышает значение 12 Вольт, то необходимо провести стабилизацию. Даже самый простой блок питания 12В плохо будет работать без этого. Следует учесть, что в питающей сети величина напряжения непостоянна. Подключите вольтметр к розетке и проведите замеры в разное время. Так, например, днем оно может подскочить до 240 Вольт, а вечером опуститься даже до 180. Все зависит от нагрузки на линию электропередач.

Если у вас в первичной обмотке трансформатора изменяется напряжение, то оно будет нестабильно и во вторичной. Чтобы компенсировать это, нужно применить устройства, называемые стабилизаторами напряжения. В нашем случае можно использовать стабилитроны с подходящей величиной параметров (тока и напряжения). Стабилитронов множество, подберите необходимые элементы до того, как делать 12В блок питания.

Существуют и более «продвинутые» элементы (типа КР142ЕН12), которые представляют собой комплект из нескольких стабилитронов и пассивных элементов. Их характеристики намного лучше. Также встречаются и зарубежные аналоги подобных устройств. Необходимо познакомиться с этими элементами до того, как сделать12В блок питания вы решите самостоятельно.

Особенности импульсных блоков питания

Блоки питания такого типа нашли широкое применение в персональных компьютерах. У них на выходе имеется два значения напряжения: 12 Вольт — для питания приводов дисководов, 5 Вольт — для функционирования микропроцессоров и иных устройств. Отличие от простых блоков питания состоит в том, что на выходе сигнал не постоянный, а импульсный – по форме похож на прямоугольники. В первый период времени сигнал появляется, во второй он равен нулю.

Также имеются отличия и в схеме устройства. Для нормального функционирования самодельный импульсный блок питания нуждается в выпрямлении сетевого напряжения без предварительного понижения его значения (на входе отсутствует трансформатор). Использовать импульсные блоки питания можно как самостоятельные устройства, так и их модернизированные аналоги – аккумуляторные батареи. В итоге можно получить простейший бесперебойник, причем его мощность будет зависеть от параметров блока питания и типа используемых батарей.

Как получить бесперебойное питание?

Блок питания достаточно подключить параллельно аккумуляторной батарее, чтобы при выключении электричества все устройства продолжили работать в нормальном режиме. При подключенной сети блок питания производит зарядку батареи, принцип схож с работой электроснабжения автомобиля. А когда бесперебойный блок питания 12В отключаете от сети, происходит подача напряжения на всю аппаратуру от аккумулятора.

Но бывают случаи, когда необходимо на выходе получить сетевое напряжение 220 Вольт, например, для питания персональных компьютеров. В этом случае потребуется внедрение в схему инвертора – устройства, которое преобразует постоянное напряжение 12 Вольт в переменное 220. Схема оказывается сложнее, нежели у простого блока питания, но собрать его можно.

Фильтрация и отсечение переменной составляющей

Важное место в выпрямительной технике занимают фильтры. Взгляните на блок питания 12В, схема которого наиболее распространена. Она состоит из диодного моста, конденсатора, сопротивления. Фильтры отсекают все лишние гармоники, оставляя на выходе блока питания постоянное напряжение. Например, простейший фильтр – это электролитический конденсатор с большой емкостью. Если взглянуть на его работу при постоянном и переменном напряжениях, то становится ясен его принцип функционирования.

В первом случае он имеет определенное сопротивление и в схеме замещения он может быть заменен на постоянный резистор. Актуально это для проведения расчетов по теоремам Кирхгофа.

Во втором случае (при протекании переменного тока) конденсатор становится проводником. Другими словами, его можно заменить перемычкой, у которой нет сопротивления. Она соединит оба выхода. При более подробном изучении можно увидеть, что переменная составляющая уйдет, ведь выходы замыкаются во время протекании тока. Останется только постоянное напряжение. Кроме того, для быстрого разряда конденсаторов собираемый блок питания 12В своими руками необходимо на выходе укомплектовать резистором с большим сопротивлением (3-5 МОм).

Изготовление корпуса

Для изготовления корпуса блока питания идеально подойдут алюминиевые уголки и пластины. Сначала необходимо сделать своеобразный скелет конструкции, который впоследствии можно обшить листами из алюминия подходящей формы. Для уменьшения веса блока питания можно в качестве обшивки использовать более тонкий металл. Изготовить блок питания 12В своими руками из таких подручных материалов несложно.

Идеально подойдет корпус от микроволновой печи. Во-первых, металл достаточно тонкий и легкий. Во-вторых, если сделать все аккуратно, то лакокрасочное покрытие не повредится, поэтому внешний вид останется привлекательным. В-третьих, размер обшивки микроволновой печи довольно большой, что позволяет сделать практически любой корпус.

Изготовление печатной платы

Подготовьте фольгированный текстолит, для этого обработайте металлический слой раствором соляной кислоты. Если такового нет, то можно использовать электролит, заливаемый в аккумуляторные батареи автомобилей. Эта процедура позволит обезжирить поверхность. Работайте в резиновых перчатках, чтобы исключить попадание растворов на кожу, ведь можно получить сильнейший ожог. После этого промойте водой с добавлением соды (можно мыла, чтобы нейтрализовать кислоту). И можно наносить рисунок печатной платы.

Сделать рисунок можно как с помощью специальной программы для компьютеров, так и вручную. Если вы изготовляете обычный блок питания 12В 2А, а не импульсный, то количество элементов минимально. Тогда при нанесении рисунка можно обойтись без программ для моделирования, достаточно нанести его на поверхность фольги перманентным маркером. Желательно сделать два-три слоя, дав предыдущему высохнуть. Неплохие результаты может дать применение лака (например, для ногтей). Правда, рисунок может выйти неровным из-за кисти.

Как протравить плату

Подготовленную и просушенную плату поместите в раствор хлорного железа. Насыщенность его должна быть такой, чтобы медь как можно быстрее разъедалась. Если процесс идет медленно, то рекомендуется увеличить концентрацию хлорного железа в воде. Если и это не помогает, то попробуйте нагреть раствор. Для этого наберите в емкость воду, установите в нее банку с раствором (не забывайте о том, что его желательно хранить в пластиковой или стеклянной таре) и нагревайте на медленном огне. Теплая вода будет нагревать раствор хлорного железа.

Если у вас много времени либо нет хлорного железа, то воспользуйтесь смесью из соли и медного купороса. Плата подготавливается аналогичным образом, после чего помещается в раствор. Недостаток способа – плата блока питания травится очень медленно, потребуются почти сутки для полного исчезновения всей меди с поверхности текстолита. Но за неимением лучшего, можно использовать и такой вариант.

Монтаж компонентов

После процедуры травления вам потребуется ополоснуть плату, очистить от защитного слоя дорожки, обезжирить их. Наметьте расположение всех элементов, просверлите отверстия для них. Больше 1,2-мм сверло не стоит применять. Установите все элементы и припаяйте их к дорожкам. После этого необходимо все дорожки покрыть слоем олова, т. е. произвести их лужение. Изготовленный блок питания 12В своими руками с лужением монтажных дорожек прослужит вам намного дольше.

импульсный блок питания 12В 400Вт на IR2153

Иногда в нашей практике бывает необходим довольно мощный нестабилизированный источник постоянного напряжения. От такого источника можно запитать например подогреваемый столик 3D принтера, батарейный шуруповерт или даже мощный усилитель НЧ класса D (в этом случае ИБП стоит оборудовать дополнительным фильтром для уменьшения высокочастотных помех). В случае изготовления источника питания, рассчитанного на мощности 200 — 500 вт дешевле пойти по пути изготовления импульсного источника, так как сетевой трансформатор 50 Гц на такую мощность будет довольно дорог и очень тяжел.

Проще всего такой источник питания собрать по полумостовой схеме на основе драйвера IR2153. Эта микросхема обычно используется в качественных драйверах (электронных балластах) люминесцентных ламп.

Принципиальная схема импульсного блока питания на IR2153

Сетевое напряжение 220В поступает на выпрямитель (диодный мост) через сетевой фильтр на элементах C1, C2, C3, C4, L1. Этот фильтр предотвращает проникновение высокочастотных помех от блока питания в электросеть. Термистор на входе устройства уменьшает бросок тока через диодный мост в момент включения блока питания в сеть, когда происходит заряд конденсаторов C5 и C6.

Катушку сетевого фильтра L1, термистор и конденсаторы C5 и C6 можно извлечь из старого компьютерного блока питания. импульсный силовой трансформатор Т1 придется намотать самостоятельно. Сердечник трансформатора берем также из старого компьютерного блока. Нужно разобрать трансформатор. Для этот помещаем трансформатор в емкость с водой (банку, кастрюльку) так, чтобы он был полностью погружен в жидкость. Ставим ескость на плиту и кипятим примерно полчаса. После этого сливаем воду, извлекаем трансформатор и пока он горячий, пытаемся аккуратно разобрать сердечник. Сматываем с каркаса все заводские обмотки и наматываем новые. Первичная обмотка содержит 40 витков провода диаметром 0.8мм. Вторичная обмотка содержит 2 части по 3 витка и намотана «косой» из 7 проводов того же провода диаметром 0.8мм.

Импульсный трансформатор от компьютерного блока питания

Резистор R2 в цепи питания микросхемы должен быть мощностью не менее 2 W и в процессе работы он будет слегка нагреваться. Это нормально. Диодный мост выпрямителя сетевого напряжения можно составить из четырех диодов 1N5408 (3А 1000В). Транзисторы IRF840 нужно установить на радиатор через изолирующие прокладки. желательно установить в корпусе блока питания небольшой вентилятор для охлаждения этих транзисторов и других элементов схемы.

Первое включение блока питания в сеть нужно производить через лампу накаливания мощностью 100вт, включенную последовательно с предохранителем FU1. В момент включения в сель лампа может вспыхнуть, затем она должна погаснуть. Если лампа светится постоянно, это означает что с блоком проблемы — короткое замыкание в монтаже или неисправность компонентом. В этом случае включать блок в сеть напрямую без лампы накаливания нельзя. Нужно найти причину неисправности.

IR2153Power Supplypulse transformerswitching power supplyимпульсный блок питанияимпульсный трансформатор

Импульсный источник питания

: преимущества использования и принцип работы | Артикул

СКАЧАТЬ PDF

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылка раз в месяц

Подписаться

Мы ценим вашу конфиденциальность

Что такое блок питания?

Источник питания — это электрическое устройство, которое преобразует электрический ток, поступающий от источника питания, в значение напряжения, необходимое для питания нагрузки, такой как двигатель или электронное устройство.

Существует две основные конструкции источников питания: линейный источник питания и импульсный источник питания.

• Линейный: В линейных источниках питания используется трансформатор для понижения входного напряжения. Затем напряжение выпрямляется и превращается в напряжение постоянного тока, которое затем фильтруется для улучшения качества сигнала. В линейных источниках питания используются линейные стабилизаторы для поддержания постоянного напряжения на выходе. Эти линейные регуляторы рассеивают любую дополнительную энергию в виде тепла.
• Коммутация: конструкция импульсного источника питания — это новая методология, разработанная для решения многих проблем, связанных с конструкцией линейного источника питания, включая размер трансформатора и регулирование напряжения. В импульсных конструкциях блоков питания входное напряжение больше не снижается; вместо этого он выпрямляется и фильтруется на входе. Затем напряжение проходит через прерыватель, который преобразует его в высокочастотную последовательность импульсов. Прежде чем напряжение достигнет выхода, оно еще раз фильтруется и выпрямляется.

Как работает импульсный источник питания?

В течение многих лет линейные блоки питания переменного/постоянного тока преобразовывали энергию переменного тока из коммунальной сети в напряжение постоянного тока для работы бытовой техники или освещения. Потребность в источниках меньшего размера для мощных приложений означает, что линейные источники питания стали использоваться в конкретных промышленных и медицинских целях, где они по-прежнему необходимы из-за низкого уровня шума. Но импульсные источники питания взяли верх, потому что они меньше по размеру, более эффективны и способны работать с большой мощностью. На рис. 1 показано общее преобразование переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) в импульсном источнике питания.

Рис. 1. Изолированный импульсный источник питания переменного/постоянного тока

Входное выпрямление

Выпрямление — это процесс преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямление входного сигнала является первым шагом в импульсных источниках питания переменного/постоянного тока.

Принято считать, что напряжение постоянного тока представляет собой прямую, непоколебимую линию постоянного напряжения, подобного типу, который выходит из батареи. Однако то, что определяет постоянный ток (DC), является однонаправленным потоком электрического заряда. Это означает, что напряжение течет в одном и том же направлении, но не обязательно постоянно.

Синусоида является наиболее типичной формой волны переменного тока (AC). Она положительна в течение первого полупериода, но отрицательна в остальной части цикла. Если отрицательный полупериод обратить или устранить, то ток перестает быть переменным и становится постоянным током. Это может быть достигнуто с помощью процесса, называемого исправлением.

Выпрямление может быть достигнуто путем использования пассивного полумостового выпрямителя для устранения отрицательной половины синусоиды с помощью диода (см. рис. 2) . Диод позволяет току течь через него во время положительной половины волны, но блокирует ток, когда он течет в противоположном направлении.

Рис. 2: Полумостовой выпрямитель

После выпрямления полученная синусоида будет иметь низкую среднюю мощность и не сможет эффективно питать устройства. Гораздо более эффективным методом было бы изменить полярность отрицательной полуволны и сделать ее положительной. Этот метод называется двухполупериодным выпрямлением, и для него требуется всего четыре диода в мостовой конфигурации (см. рис. 3) . Такое расположение поддерживает стабильное направление тока, независимо от полярности входного напряжения.

Рис. 3: Мостовой выпрямитель

Полностью выпрямленная волна имеет более высокое среднее выходное напряжение, чем напряжение, создаваемое полумостовым выпрямителем, но она все еще очень далека от постоянной формы волны постоянного тока, необходимой для питания электронных устройств. Хотя это волна постоянного тока, использование ее для питания устройства было бы неэффективным из-за формы волны напряжения, которая очень быстро и очень часто меняет значение. Это периодическое изменение напряжения постоянного тока называется пульсацией — уменьшение или устранение пульсации имеет решающее значение для эффективного источника питания.

Самым простым и наиболее часто используемым методом уменьшения пульсаций является использование большого конденсатора на выходе выпрямителя, называемого накопительным конденсатором или сглаживающим фильтром (см. рис. 4) .

Конденсатор накапливает напряжение во время пика волны, затем подает ток на нагрузку до тех пор, пока его напряжение не станет меньше нарастающей волны выпрямленного напряжения. Результирующая форма сигнала намного ближе к желаемой форме, и ее можно рассматривать как напряжение постоянного тока без составляющей переменного тока. Эта окончательная форма волны напряжения теперь может использоваться для питания устройств постоянного тока.

Рис. 4: Мостовой выпрямитель со сглаживающим фильтром

В пассивном выпрямлении используются полупроводниковые диоды в качестве неуправляемых переключателей. Это самый простой метод выпрямления волны переменного тока, но он не самый эффективный.

Диоды являются относительно эффективными переключателями; они могут быстро включаться и выключаться с минимальной потерей мощности. Единственная проблема с полупроводниковыми диодами заключается в том, что они имеют прямое падение напряжения смещения от 0,5 В до 1 В, что снижает эффективность.

Активное выпрямление заменяет диоды управляемыми переключателями, такими как полевые МОП-транзисторы или биполярные транзисторы (см. рис. 5) . Это имеет двойное преимущество: во-первых, выпрямители на основе транзисторов устраняют фиксированное падение напряжения от 0,5 В до 1 В, связанное с полупроводниковыми диодами, поскольку их сопротивления можно сделать сколь угодно малыми и, следовательно, иметь небольшое падение напряжения. Во-вторых, транзисторы являются управляемыми переключателями, а это означает, что частотой переключения можно управлять и, следовательно, оптимизировать.

Недостатком активных выпрямителей является то, что для достижения их цели требуются более сложные схемы управления, что требует дополнительных компонентов и, следовательно, делает их более дорогими.

Рис. 5: Мостовой активный выпрямитель

Коррекция коэффициента мощности (PFC)

Вторым этапом в конструкции импульсного источника питания является коррекция коэффициента мощности (PFC).

Цепи PFC имеют мало общего с фактическим преобразованием мощности переменного тока в мощность постоянного тока, но являются важным компонентом большинства коммерческих источников питания.

Рис. 6. Кривые напряжения и тока на выходе выпрямителя

Если вы наблюдаете кривую тока накопительного конденсатора выпрямителя (см. рис. 6) , вы увидите, что зарядный ток протекает через конденсатор в течение очень короткого промежутка времени, особенно от точки, где напряжение на входе конденсатора больше, чем заряд конденсатора, до выпрямленного сигнала. вершина горы. Это создает серию коротких всплесков тока в конденсаторе, что создает серьезную проблему не только для источника питания, но и для всей энергосистемы из-за большого количества гармоник, которые эти всплески тока вводят в сеть. Гармоники могут генерировать искажения, которые могут повлиять на другие источники питания и устройства, подключенные к сети.

В конструкции импульсного источника питания целью схемы коррекции коэффициента мощности является минимизация этих гармоник путем их фильтрации. Для этого есть два варианта: активная и пассивная коррекция коэффициента мощности.

• Пассивные схемы ККМ состоят из пассивных фильтров нижних частот, которые пытаются устранить высокочастотные гармоники. Однако источники питания, особенно в приложениях большой мощности, не могут соответствовать международным нормам по гармоническим шумам, используя только пассивную коррекцию коэффициента мощности. Вместо этого они должны применять коррекцию активной мощности.
• Active PFC изменяет форму кривой тока и заставляет ее следовать за напряжением. Гармоники перемещаются на гораздо более высокие частоты, что облегчает их фильтрацию. Наиболее широко используемой схемой для этих случаев является повышающий преобразователь, также называемый повышающим преобразователем.

Изоляция: изолированные и неизолированные импульсные источники питания

Независимо от того, присутствует схема PFC или нет, последним шагом преобразования мощности является понижение выпрямленного постоянного напряжения до значения, необходимого для предполагаемого применения.

Поскольку входной сигнал переменного тока был выпрямлен на входе, выходное напряжение постоянного тока будет высоким: если нет PFC, выходное постоянное напряжение выпрямителя будет около 320 В. Если имеется активная схема PFC, на выходе повышающего преобразователя будет постоянное напряжение постоянного тока 400 В или более.

Оба сценария чрезвычайно опасны и бесполезны для большинства приложений, которые обычно требуют значительно более низких напряжений. В таблице 1 показаны некоторые аспекты преобразователя и приложений, которые следует учитывать при выборе правильной топологии изоляции.

Таблица 1. Изолированные и неизолированные блоки питания переменного/постоянного тока

При выборе метода понижения напряжения основной проблемой является безопасность.

Блок питания подключен к сети переменного тока на входе, а значит, при утечке тока на выходе поражение электрическим током такой пропорции может привести к тяжелым травмам или смерти, а также повредить любое устройство, подключенное к выходу.

Безопасность может быть обеспечена за счет магнитной изоляции входных и выходных цепей подключенного к сети источника переменного/постоянного тока. Наиболее широко используемые схемы в изолированных источниках переменного/постоянного тока — это обратноходовые преобразователи и резонансные LLC-преобразователи, поскольку они включают гальваническую или магнитную изоляцию (см. рис. 7) .

Рис. 7: Обратноходовой преобразователь (слева) и LLC-резонансный преобразователь (справа)

Использование трансформатора означает, что сигнал не может представлять собой плоское напряжение постоянного тока. Вместо этого должно быть изменение напряжения и, следовательно, изменение тока, чтобы передавать энергию с одной стороны трансформатора на другую посредством индуктивной связи. Следовательно, как обратноходовые, так и LLC-преобразователи «режут» входное постоянное напряжение на прямоугольную волну, которую можно понизить с помощью трансформатора. Затем выходная волна должна быть снова выпрямлена перед выходом.

Обратноходовые преобразователи в основном используются для маломощных приложений. Обратноходовой преобразователь представляет собой изолированный повышающе-понижающий преобразователь, что означает, что выходное напряжение может быть выше или ниже входного напряжения, в зависимости от соотношения витков трансформатора между первичной и вторичной обмотками.

Работа обратноходового преобразователя очень похожа на работу повышающего преобразователя.

Когда переключатель замкнут, первичная катушка заряжается от входа, создавая магнитное поле. Когда переключатель разомкнут, заряд первичной катушки индуктивности переносится на вторичную обмотку, которая подает ток в цепь, питая нагрузку.

Обратноходовые преобразователи относительно просты в конструкции и требуют меньшего количества компонентов, чем другие преобразователи, но они не очень эффективны из-за значительных потерь из-за жесткого переключения из-за принудительного произвольного включения и выключения транзистора (см. рис. 8). Особенно в приложениях с высокой мощностью это очень вредно для жизненного цикла транзистора и приводит к значительным потерям мощности, поэтому обратноходовые преобразователи лучше подходят для приложений с низким энергопотреблением, обычно до 100 Вт.

Резонансные преобразователи LLC чаще используются в приложениях большой мощности. Эти цепи также имеют магнитную изоляцию через трансформатор. Преобразователи LLC основаны на явлении резонанса, которое представляет собой усиление определенной частоты, когда она совпадает с собственной частотой фильтра. В этом случае резонансная частота LLC-преобразователя определяется последовательно включенными катушкой индуктивности и конденсатором (LC-фильтр) с дополнительным эффектом первичной катушки индуктивности (L) трансформатора, отсюда и название LLC-преобразователь.

LLC-резонансные преобразователи предпочтительнее использовать для мощных приложений, поскольку они могут производить переключение с нулевым током, также известное как мягкое переключение (см. рис. 8) . Этот метод переключения включает и выключает переключатель, когда ток в цепи приближается к нулю, минимизируя коммутационные потери транзистора, что, в свою очередь, снижает электромагнитные помехи и повышает эффективность. К сожалению, за эти улучшенные характеристики приходится платить: сложно разработать LLC-резонансный преобразователь, который может обеспечить плавное переключение для широкого диапазона нагрузок. С этой целью компания MPS разработала специальный инструмент проектирования LLC, который помогает убедиться, что преобразователь работает точно в правильном резонансном состоянии для оптимальной эффективности переключения.

Рисунок 8: Потери при жестком переключении (слева) и при мягком переключении (справа)

Ранее в этой статье мы обсуждали, почему одним из ограничений источников питания переменного/постоянного тока являются для низкой рабочей частоты (50 Гц) требуются большие катушки индуктивности и магнитные сердечники, чтобы избежать насыщения.

В импульсных источниках питания частота колебаний напряжения значительно выше (как минимум выше 20 кГц). Это означает, что понижающий трансформатор может быть меньше, поскольку высокочастотные сигналы вызывают меньшие магнитные потери в линейных трансформаторах. Уменьшение размера входных трансформаторов позволяет миниатюризировать систему до такой степени, что весь блок питания помещается в корпус размером с зарядные устройства для мобильных телефонов, которые мы используем сегодня.

Существуют устройства постоянного тока, которым не требуется изоляция, обеспечиваемая трансформатором. Это обычно наблюдается в устройствах, к которым пользователю не нужно напрямую прикасаться, таких как источники света, датчики, IoT и т. д., поскольку любые манипуляции с параметрами устройства выполняются с отдельного устройства, такого как мобильный телефон. планшет или компьютер.

Это предлагает большие преимущества с точки зрения веса, размера и производительности. Эти преобразователи снижают уровни выходного напряжения с помощью высоковольтного понижающего преобразователя, также называемого понижающим преобразователем. Эта схема может быть описана как инверсия повышающего преобразователя, описанного ранее. В этом случае, когда транзисторный ключ закрыт, ток, протекающий через катушку индуктивности, создает напряжение на катушке индуктивности, которое противодействует напряжению от источника питания, уменьшая напряжение на выходе. Когда ключ размыкается, катушка индуктивности высвобождает ток, протекающий через нагрузку, поддерживая значение напряжения на нагрузке, пока цепь отключена от источника питания.

В импульсных источниках питания переменного/постоянного тока используется высоковольтный понижающий преобразователь, поскольку полевой МОП-транзистор, работающий в качестве переключателя, должен выдерживать большие изменения напряжения (см. рис. 9) . Когда ключ замкнут, напряжение на МОП-транзисторе близко к 0 В; но когда он открывается, это напряжение возрастает до 400 В для однофазных приложений или до 800 В для трехфазных преобразователей. Эти большие резкие изменения напряжения могут легко повредить обычный транзистор, поэтому используются специальные высоковольтные полевые МОП-транзисторы.

Рис. 9. Неизолированный импульсный источник питания переменного/постоянного тока с активной коррекцией коэффициента мощности

Понижающие преобразователи интегрируются намного проще, чем трансформатор, поскольку требуется только одна катушка индуктивности. Они также намного более эффективны при понижении напряжения с нормальным КПД выше 95%. Такой уровень эффективности возможен благодаря тому, что транзисторы и диоды почти не имеют потерь мощности при переключении, поэтому единственные потери приходятся на дроссель.

Одним из примеров неизолированного выходного стабилизатора переменного/постоянного тока является семейство MPS MP17xA. Это семейство может управлять множеством различных топологий преобразователей, таких как понижающий, повышающий, повышающе-понижающий или обратноходовой. Его можно использовать для напряжения до 700 В, то есть он предназначен для однофазного питания. Он также имеет вариант зеленого режима, в котором частота коммутации и пиковый ток уменьшаются пропорционально нагрузке, повышая общую эффективность блока питания. На рис. 10 показана типичная схема применения MP173A, где он регулирует понижающий преобразователь, состоящий из катушки индуктивности (L1), диода (D1) и конденсатора (C4). Резисторы (R1 и R2) образуют делитель напряжения, который обеспечивает напряжение обратной связи (вывод FB), замыкая контур управления.

Рис. 10: Типовая прикладная схема MP173A

Импульсные блоки питания переменного/постоянного тока обеспечивают повышенную производительность при небольшом размере, что и сделало их такими популярными. Недостатком является то, что их схемы значительно сложнее, и они требуют более точных схем управления и фильтров шумоподавления. Несмотря на дополнительную сложность, MPS предлагает простые и эффективные решения, облегчающие разработку вашего источника питания переменного/постоянного тока.

Резюме

Импульсные блоки питания переменного/постоянного тока в настоящее время являются наиболее эффективным способом преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Преобразование питания осуществляется в три этапа:

1. Выпрямление на входе: Этот процесс берет сетевое напряжение переменного тока и преобразует его в выпрямленное напряжение постоянного тока с помощью диодного моста. На выходе моста добавлен конденсатор для уменьшения пульсаций напряжения.
2. Коррекция коэффициента мощности (PFC): из-за нелинейного тока в выпрямителе содержание гармоник в токе довольно велико. Есть два способа решить эту проблему. Первый — это пассивная коррекция коэффициента мощности, в которой используется фильтр для ослабления влияния гармоник, но он не очень эффективен. Второй вариант, называемый активной коррекцией коэффициента мощности, использует импульсный повышающий преобразователь, чтобы форма кривой тока соответствовала форме входного напряжения. Активная коррекция коэффициента мощности — это единственный метод проектирования силового преобразователя, который соответствует современным стандартам размера и эффективности.
3. Изоляция: Импульсные источники питания могут быть изолированными или неизолированными. Устройство изолировано, когда вход и выход источника питания физически не связаны. Изоляция осуществляется с помощью трансформаторов, которые гальванически развязывают две половины цепи. Однако трансформаторы могут передавать электроэнергию только при изменении тока, поэтому выпрямленное постоянное напряжение расщепляется на высокочастотную прямоугольную волну, которая затем передается во вторичную цепь, где снова выпрямляется и, наконец, передается на выход.

При проектировании импульсного источника питания необходимо учитывать множество различных аспектов, особенно связанных с безопасностью, производительностью, размером, весом и т. д. Схемы управления импульсными источниками питания также более сложны, чем в линейных источниках питания, поэтому многие разработчики считают полезным использовать встроенные модули в своих источниках питания.

MPS предлагает широкий выбор модулей, упрощающих проектирование импульсных источников питания, таких как силовые преобразователи, контроллеры, выпрямители и т. д.

_________________________

Вы нашли это интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылка раз в месяц!

Схема преобразователя переменного тока в постоянный

В современную эпоху почти каждая бытовая электроника работает на постоянном токе (DC), но мы получаем переменный ток (AC) от электростанций по линиям электропередачи, потому что переменный ток может передаваться более эффективно, чем постоянный в более низкой стоимости. Таким образом, каждое устройство, работающее от постоянного тока, имеет и Цепь преобразователя переменного тока в постоянный. Ранее мы построили зарядное устройство для сотового телефона на 5 В, в котором также есть схема преобразователя переменного тока в постоянный.

Существует в основном два типа преобразователей, широко используемых для целей разговора AC-DC.

Одним из них является традиционный линейный преобразователь на основе трансформатора , в котором используется простой диодный мост, конденсатор и регулятор напряжения. Простой диодный мост может быть построен либо с одним полупроводниковым устройством, таким как DB107, либо с 4 независимыми диодами, такими как 1N4007. другим типом преобразователя является SMPS или импульсный источник питания , в котором используется небольшой высокочастотный трансформатор и импульсный регулятор для обеспечения выхода постоянного тока.

В этом проекте мы обсудим традиционную конструкцию на основе трансформатора , в которой используются простые диоды и конденсатор для преобразования переменного тока в постоянный и дополнительный регулятор напряжения для регулирования выходного постоянного напряжения. Проект будет представлять собой преобразователь переменного тока в постоянный с использованием трансформатора с входным напряжением 230 В и выходным напряжением 12 В 1 А 9. 0029 .

Необходимые компоненты

1. Трансформатор с номиналом 1 А, 13 В

2,4 шт.

4. Несколько одножильных проводов

5. Макет

6. LDO или линейный регулятор напряжения в соответствии со спецификацией (здесь используется LM2940).

7. Мультиметр для измерения напряжения.

Принципиальная схема и объяснение

Схема этого преобразователя переменного тока в постоянный проста. Трансформатор используется для понижения напряжения 230 В переменного тока до 13 В переменного тока.

Четыре выпрямительных диода общего назначения 1N4007 используются здесь для усиления входного переменного тока. 1N4007 имеет пиковое повторяющееся обратное напряжение 1000 В при среднем выпрямленном прямом токе 1 А. Эти четыре диода используются для преобразования выходного напряжения переменного тока 13 В через трансформатор. Диоды используются для создания мостового преобразователя, который является неотъемлемой частью схемы преобразования переменного тока в постоянный. Чтобы узнать больше о схеме мостового выпрямителя, перейдите по ссылке.

Конденсатор фильтра, C1 добавляется после мостового преобразователя для сглаживания выходного напряжения.

LDO , IC1  также подключается для регулирования выходного напряжения.

Работа схемы преобразователя переменного тока в постоянный

Понижающий трансформатор используется для преобразования переменного тока высокого напряжения в переменный ток низкого напряжения. Трансформатор смонтирован на печатной плате и представляет собой 1-амперный 13-вольтовый трансформатор. Однако при нагрузке напряжение трансформатора падает примерно на 12,5-12,7 вольт.

Существенной частью схемы является диодный мост , состоящий из четырех диодов. Диод представляет собой электронный полупроводниковый прибор, преобразующий переменный ток в постоянный.

Протекание тока внутри диодного моста можно увидеть на изображении ниже.

Здесь два диода D2 и D4 блокируют отрицательный пик переменного тока и заставляют ток течь в одном направлении. Это полный мостовой выпрямитель, который означает, что диодный мост выпрямляет как положительный, так и отрицательный пик сигнала переменного тока.

Большой конденсатор C1 заряжается во время преобразования и сглаживает выходное напряжение. Но в конечном итоге это не регулируемое выходное напряжение. Здесь регулировка напряжения осуществляется LDO, LM2940, , который на схеме обозначен как IC1.

LDO, LM2940 представляет собой 3-контактное устройство в корпусе TO220. LDO означает низкое падение напряжения. Схема контактов может быть показана на изображении ниже.

Некоторые стабилизаторы напряжения имеют ограничения на входное напряжение, необходимое для обеспечения гарантированной стабилизации напряжения на выходе регулятора. В некоторых линейных регуляторах указано, что требуется минимум 2 вольта разницы между входным напряжением и выходным напряжением, что означает, что для регулируемого выхода 12 вольт регулятору требуется входное напряжение не менее 14 вольт для гарантированных 12 вольт регулируемого выходного напряжения. В целом, регуляторы с малым падением напряжения (LDO) требуют минимальной разницы напряжений между входом и выходом. Для ЛМ2940 требуется минимальная разница 0,5 вольта между входом и выходом. Мы использовали стабилизатор серии LDO с фиксированным напряжением от Texas Instruments. LM2940 с выходным напряжением 12 вольт.

Результат хорошо виден на изображении ниже.

Проверьте полную работу в видео , приведенном в конце.

Трансформаторный преобразователь переменного тока в постоянный очень распространен там, где требуется преобразование переменного тока в постоянный высокого напряжения. Чаще всего используется в усилителях, различных адаптерах питания, паяльных станциях, испытательном оборудовании и т. д. Требуется постоянный ток, но он имеет определенные недостатки.

1. В любых ситуациях, когда входное переменное напряжение может колебаться или если переменное напряжение значительно падает, выходное переменное напряжение на трансформаторе также падает. Таким образом, преобразователь 230 В переменного тока в 12 В постоянного тока не может питаться от сети 110 В переменного тока. Для решения этой проблемы предусмотрена дополнительная настройка для различных уровней входного напряжения.

2. Несмотря на отсутствие универсального диапазона входного напряжения, это дорогостоящий выбор, так как стоимость самого трансформатора составляет более 60% от общей стоимости изготовления схемы преобразователя.

3. Еще одним ограничением является низкая эффективность преобразования. Трансформатор нагревается и теряет ненужную энергию.

4. Трансформатор — это тяжелый материал, который излишне увеличивает вес изделия.

5. Из-за наличия трансформатора внутри изделия требуется больше места для размещения схемы преобразователя или, по крайней мере, трансформатора.