Импульсный блок питания – подборка схем для самостоятельного изготовления

В быту часто необходим мощный источник питания на фиксированное напряжение. Он может быть использован в качестве зарядного устройства, для питания звуковой аппаратуры (усилителей) и т.д. Подобные блоки питания целесообразно выполнять по импульсной схеме. Такая схемотехника позволяет создавать легкие и мощные источники постоянного напряжения. Сложность схемы начинает отходить на второй план перед ее преимуществами уже при токах нагрузки более 2А. Сделать импульсный блок питания можно своими руками при наличии приборов и определенной квалификации.

Виды и принцип работы импульсных источников питания

Основной принцип работы импульсного источника питания (ИИП) состоит в том, что постоянное напряжение (выпрямленное сетевое или от стороннего источника) преобразовывается в импульсное частотой до сотен килогерц. За счет этого намоточные детали (трансформаторы, дроссели) получаются легкими и компактными.

Принципиально ИИП делятся на две категории:

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

Первые подобны обычным трансформаторным сетевым блокам питания, выходное напряжение у них регулируется изменением среднего тока через обмотку трансформатора. Вторые работают по другому принципу – у них регулируется изменением количества накопленной энергии.

По другим признакам ИИП можно разделить на нестабилизированные и стабилизированные, однополярные и двухполярные и т.п. Эти особенности не носят столь принципиального характера.

Корпус

Корпус для блока питания очень удобно делать из алюминия. Сперва собирается каркас из уголков, который затем обшивают алюминиевыми пластинками. Плюсов такого решения как минимум два – во-первых, с алюминием легко работать, во-вторых, он очень хорошо проводит тепло, что предохранит блок питания от перегрева.

Если нет желания собирать каркас самостоятельно, можно позаимствовать его от старой микроволновки. Определенные плюсы у такого решения есть – малый вес, эстетичный вид и вместительность.

Структурная и принципиальная схема основных частей блока

На входе блока питания устанавливается сетевой фильтр. Принципиально на работу самодельного или промышленного импульсного блока питания он не влияет – все будет функционировать без него. Но отказываться от схемы фильтрации нельзя – из-за крайне нелинейной формы потребляемого тока импульсные источники интенсивно «сыплют» помехами в бытовую сеть 220 вольт. По этой причине работающие от этой же сети устройства на микропроцессорах и микроконтроллерах – от электронных часов до компьютеров – будут работать со сбоями.

Назначение входного устройства — защита от двух видов помех:

• синфазной (несимметричной) – возникает между любым проводом и землей (корпусом) БП;
• дифференциальной (симметричной) – между проводами (полюсами) питания.

Фильтр, как и весь блок питания, на входе защищен предохранителем F (плавким или самовосстанавливающимся). После предохранителя стоит варистор – резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Пока входное напряжение в норме, сопротивление варистора велико и он не оказывает никакого действия на работу схемы. Если напряжение повышается, сопротивление варистора резко просаживается, что вызывает увеличение тока и сгорание предохранителя.

Конденсаторы Cx блокируют дифференциальные помехи на входе и выходе фильтра в диапазоне до 30 МГц. На частоте 50 Гц их сопротивление велико, поэтому влияния на сетевое напряжение они не оказывают. Их емкость может быть выбрана от 10 до 330 нФ. Резистор Rd устанавливается для безопасности – через него разряжаются конденсаторы после отключения питания.

Синфазные помехи подавляет фильтр 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 преобразования импульсника);
• L – индуктивность дросселя, мкГн;
• С – емкость Cy, мкФ.

Синфазный дроссель наматывается на ферритовом кольце. Обмотки одинаковые, мотаются на противоположных сторонах.

В отличие от выходного фильтра, на расчет элементов фильтра защиты от помех номинальный ток БП не влияет, за исключением провода, которым наматывается дроссель.

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

Пробные тесты

Прежде, чем приниматься за сооружение рабочей конструкции, следует протестировать все на «коленках», убедиться в стабильности работы шуруповерта под нагрузкой и отсутствии сильных перегревов в блоке питания.

Берем компьютерный блок питания и проверяем его: включаем в сеть, в выходном пучке проводов находим зеленый (говорят он может быть другого цвета, но мне всегда попадались зеленые) и замыкаем его перемычкой на любой из черных (все черные провода на выходе — общий вывод, в нашем случае он минус). Блок должен включиться, между черными и желтыми проводами появится напряжение 12 вольт. Проверить это можно мультиметром или подключив к названным выводам любой компьютерный кулер.

Если все в порядке и блок выдает около 12 вольт на желтом(+) и черном(-) выводах, продолжаем. Если же напряжение на выходе отсутствует — ищем другой блок или ремонтируем этот, эта отдельная тема будет описана отдельно.

Отрезаем штекер от выхода блока и берем по 3-4 желтых и черных проводов, идущих из блока и соединяем их параллельно. Отрезая штекер, не забудьте о зеленом пусковом проводнике, он должен быть замкнут на черный. Мы получили источник 12 В с приличной нагрузочной способностью по току в 10-20 А, токи зависят от модели и мощности блока.

Теперь нужно подцепить наши 12 В к клеммам шуруповерта без батареи, полярность подключения смотрим по батарее. Ну и проверяем шуруповерт — на холостом ходу, потом притормаживая рукой. На этом этапе я столкнулся с проблемой: при полном нажатии кнопки шуруповерт работает, при медленном, плавном нажатии кнопки шуруповерта блок питания уходит в защиту. Для сброса защиты необходимо отключать блок от сети и включать заново. Совсем не пойдет, нужно как-то исправлять такую нестабильность.

На мой взгляд, такое явление может возникать из-за того, что блоком питания и кнопкой шуруповерта управляют ШИМ-контроллеры, из-за помех по проводам питания, контроллеры как-то мешают друг другу. Пробуем решить эту проблему использованием импровизированного LC-фильтра.

Я собрал фильтр за 5 минут из того что было под рукой: 3 электролитических конденсатора по 1000 мкф на 16 вольт, неполярного конденсатора менее 1 мкф и намотал 20 витков медного провода диаметром 2 мм на ферритовое колечко от другого блока. Вот его схема:

А вот так он выглядит. Это чисто пробная версия, в дальнейшем эта конструкция перенесется в корпус батареи шуруповерта и будет выполнена аккуратнее.

Проверяем всю конструкцию: блок не уходит в защиту при любых положениях кнопки, великолепно! Теперь можно попробовать закрутить несколько саморезов — все пучечком. Чувствуется, что шуруповерт сможет закрутить и более крупные саморезы.

Ну чтож, теперь нужно убрать все сопли и кучи проводов, вытащить из корпуса батареи «сдохшие банки», заменив их на LC-фильтр и уже потестировать шуруповерт в более реальных условиях.

Схемы инверторов

Получившееся выпрямленное напряжение поступает на преобразователь (инвертор). Его выполняют на биполярных или полевых транзисторах, а также на IGBT-элементах, сочетающих свойства полевых и биполярных. В последние годы получили распространение мощные и недорогие полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). На таких элементах удобно строить ключевые схемы инверторов. В схемах импульсных блоков питания используются различные варианты включения MOSFET, но в основном применяются двухтактные схемы из-за простоты и возможности наращивания мощности без существенных переделок.

Пуш-пульная схема

Пуш-пульный инвертор (push – толкать, pull – тянуть) — пример двухтактного преобразователя. Транзисторные ключи работают на первичную обмотку трансформатора, состоящую из двух полуобмоток I и II. Транзисторы поочередно открываются на заданный промежуток времени. Когда открыт верхний по схеме транзистор, ток течет через полуобмотку I (красная стрелка), когда второй – через полуобмотку II (зеленая). Чтобы избежать ситуации, когда оба ключа открыты (из-за конечной скорости работы транзисторов), схема управления формирует паузу, называемую Dead time.

Такая схема хорошо работает при низком напряжении питания (до +12 вольт). Минусом является наличие выбросов амплитудой, равной удвоенному напряжению питания. Это влечет за собой применение транзисторов, рассчитанных на вдвое большее напряжение.

Мостовая схема

От главного недостатка предыдущей схемы свободна двухтактная мостовая.

Здесь одновременно открывается пара транзисторов T1 и T4, потом Т2 и Т3 (сигнал управления ключами формируется с учетом Dead time). При этом первичная обмотка подключается к источнику питания то одной стороной, то другой. Амплитуда импульсов равна полному напряжению питания, и выбросы напряжения отсутствуют. К минусам относят применение четырех транзисторов вместо двух. Помимо увеличения габаритов БП это ведет к удвоенным потерям напряжения.

Полумостовая схема

На практике часто применяют полумостовую схему инвертора – в определенной мере компромисс между предыдущими двумя схемами.

В этом случае одна сторона обмотки коммутируется поочередно открывающимися транзисторами Т1 и Т2, а другая подключается к средней точке емкостного делителя С1, С2. Достоинства схемы:

• в отличие от пушпульной отсутствуют выбросы напряжения;
• в отличие от мостовой используются только два транзистора.

На другой чаше весов – обмотка трансформатора запитана лишь от половины напряжения питания.

Однотактные схемы

В схемотехнике преобразователей применяются и однотактные схемы – прямоходовые и обратноходовые. Их принципиальное отличие от двухтактных – трансформатор (точнее, его первичная обмотка) служит одновременно накопительной индуктивностью. В обратноходовых схемах энергия накапливается в первичной обмотке во время открытого состояния транзистора, а отдается в нагрузку через вторичную обмотку во время закрытого. В прямоходовых накопление энергии и отдача потребителю происходит одновременно.

⇡#Какая мощность необходима современным игровым ПК

Еще раз отмечу: эта статья в определенной степени привязана к рубрике «Компьютер месяца». Поэтому если вы заскочили к нам на огонек впервые, то я рекомендую ознакомиться хотя бы с августовским выпуском. В каждом «Компьютере месяца» рассматриваются шесть сборок — преимущественно игровых. Похожие системы я использовал и для этой статьи. Давайте знакомиться:

• Связка Ryzen 5 1600 + Radeon RX 570 + 16 Гбайт ОЗУ — это аналог стартовой сборки (35 000-37 000 рублей за системный блок без учета стоимости ПО).
• Связка Ryzen 5 2600X + GeForce GTX 1660 + 16 Гбайт ОЗУ — это аналог базовой сборки (50 000-55 000 рублей).
• Связка Core i5-9500F + GeForce RTX 2060 + 16 Гбайт ОЗУ — это аналог оптимальной сборки (70 000-75 000 рублей).
• Связка Core i5-9600K + GeForce RTX 2060 + 16 Гбайт ОЗУ — еще один вариант оптимальной сборки.
• Связка Ryzen 7 2700X + GeForce RTX 2070 + 16 Гбайт ОЗУ — это аналог продвинутой сборки (100 000 рублей).
• Связка Ryzen 7 2700X + Radeon VII + 32 Гбайт ОЗУ — это аналог максимальной сборки (130 000-140 000 рублей).
• Связка Core i7-9700K + Radeon VII + 32 Гбайт ОЗУ — еще один вариант максимальной сборки.
• Связка Core i9-9900K + GeForce RTX 2080 Ti + 32 Гбайт ОЗУ — это аналог экстремальной сборки (220 000-235 000 рублей).

К сожалению, достать процессоры Ryzen 3000 на момент проведения всех тестов мне не удалось, но полученные результаты от этого не станут менее полезными. Тот же Ryzen 9 3900X, , потребляет меньше Core i9-9900K — получается, в рамках экстремальной сборки изучить энергопотребление 8-ядерника Intel будет даже интереснее и важнее.

А еще, как вы могли заметить, в статье используются только массовые платформы, а именно AMD AM4 и Intel LGA1151-v2. Я не стал задействовать HEDT-системы, такие как TR4 и LGA2066. Во-первых, мы уже давно отказались от них в «Компьютере месяца». Во-вторых, с появлением в массовом сегменте 12-ядерного Ryzen 9 3900X и в преддверии скорого выхода 16-ядерного Ryzen 9 3950X такие системы стали уж больно узкоспециализированными. В-третьих, потому, что , что Core i9-9900K все равно дает всем прикурить в плане энергопотребления, в очередной раз доказывая, что заявленная производителем расчетная тепловая мощность мало о чем говорит потребителю.

А теперь перейдем к результатам тестирования.

Если честно, результаты тестирования в таких программах, как Prime95 и Adobe Premier Pro 2022, я привожу больше для ознакомления — для тех, кто не играет и не пользуется дискретными видеокартами. Можете смело ориентироваться на эти данные. В основном же здесь нас интересует поведение тестовых систем в нагрузках, приближенных к максимальным.

А здесь наблюдаются весьма занятные вещи. В целом мы видим, что все рассмотренные системы потребляют не очень много энергии. Самой прожорливой, что вполне логично, стала система с Core i9-9900K и GeForce RTX 2080 Ti, но даже она в стоке (читай — без разгона) потребляет 338 Вт, если речь идет об играх, и 468 Вт — при максимальной нагрузке ПК. Получается, такой системе хватит блока питания на честные 500 Вт. Ведь так?

Силовой трансформатор

Силовой трансформатор работает на высоких частотах (до нескольких десятков килогерц), поэтому его можно выполнить на сердечнике не из трансформаторного железа, а на феррите. Также за счет повышенной частоты его размеры будут меньше, чем у сетевого, предназначенного для преобразования на частоте 50 Гц. Расчет импульсного трансформатора достаточно объемен. С ним можно разобраться для общего развития, а для практических целей лучше воспользоваться какой-либо программой, включая онлайн-сервисы.

Популярностью пользуется программа Lite-CalcIT. Она может рассчитать трансформатор под имеющийся сердечник, а может подобрать оптимальный, исходя из введенных данных.

Составляющие части устройства

Собираемый нами сегодня механизм состоит из трёх частей:

понижающего трансформатора, являющегося наиболее важной и неотъемлемой частью; конденсатора, с помощью которого стабилизируется текущее напряжение до оптимальных показаний; диодов, которые необходимы для сборки диодного моста своими руками.

Каждая из частей очень важна. Если в какой-либо из них допустить ошибку при сборке, то это приведёт к тому, что неправильно будет работать собранный агрегат и подключённый к системе бытовой электрический прибор. А также собранный аппарат может вообще не включиться. Рассмотрим каждый из компонентов механизма более подробно.

Снаббер

Чтобы скомпенсировать выбросы тока и напряжения, неизбежно возникающие при коммутации первичной обмотки трансформатора, применяются демпферные цепи, в англоязычной технической литературе называемые снабберами. Такие цепи могут устанавливаться по питанию (параллельно первичной обмотке трансформатора) либо отдельно на каждый ключ. Исполнение снабберов может быть разным, но наибольшее распространение получили демпферы в виде последовательной RC-цепочки (схема б на рисунке).

Обоснованной методики расчета снаббера не существует. Для этого надо учесть все паразитные индуктивности (обмотки, дорожек, конденсаторов) на множестве частот и для неизвестных волновых сопротивлений. Поэтому все существующие расчеты носят эмпирический характер.

Основным (и единственным) действующим элементом демпфера является конденсатор. Он «поглощает» импульсные выбросы. Резистор лишь ухудшает демпфирующие свойства, но ограничивает ток через конденсатор, который может достигнуть значительных величин, хотя и кратковременно. Такая схема более актуальна в тиристорных преобразователях.

Что такое снаббер или демпфер можете узнать посмотрев видео.

В схемах RCD-снабберов (в и г на рисунке) присутствуют диоды. Они могут быть полезны для ограничения импульсов обратной полярности в схемах с тиристорами и биполярными транзисторами. Если ключи собраны на полевых или IGBT-транзисторах, то смысла в установке вентилей нет – они дублируют диоды, имеющиеся внутри указанных транзисторов.

Емкость конденсатора выбирается в пределах 0,1–0,33 мкФ. В 90+ процентах случаев этого достаточно. Увеличение или уменьшение номинала применяется для ключей, работающих в нестандартных условиях (повышенная частота преобразования и т.п.)

Выпрямитель

Напряжение вторичной обмотки надо выпрямить. Для уровней до 12 вольт желательно использовать двухполупериодную схему со средней точкой.

Преимущество данной схемы – ток проходит в каждую сторону только через один диод, и падение напряжения на вентилях, в отличие от классической мостовой схемы, в два раза меньше. Это может существенно сократить потребное число витков вторичной обмотки. Этой же цели служит применение диодов Шоттки и сборок из них.

Если выходное напряжение БП выше +12 вольт, то экономия 0,6 вольт становится несущественной, и можно выполнить выпрямитель по стандартной схеме и применить трансформатор без отвода.

В случае, если выход импульсного блока питания должен быть двухполярным, снова становится рациональным выполнение отвода от средней точки. В этом случае экономится сразу 4 диода и радиаторы для них – выигрыш в габаритах может быть существенным.

Фильтр

Выходное напряжение надо отфильтровать – оно содержит большое количество продуктов преобразования. Так как инвертор работает на достаточно большой частоте, то эффективными становятся фильтры, содержащие не только конденсаторы, но и малогабаритные дроссели относительно небольшой индуктивности.

Для расчета элементов фильтра надо задаться коэффициентом пульсаций Кп. Он выбирается из предполагаемой нагрузки:

• чувствительная аппаратура для радиоприема, предварительные каскады аудиоаппаратуры, микрофонные усилители – Кп=10-5..10-4;
• усилители звуковой частоты – Кп=10-4..10-3;
• приемная и звуковоспроизводящая аппаратура среднего и низкого класса – Кп=10-2..10-3.

Для Г-образного фильтра, устанавливаемого после двухполупериодного выпрямителя, действуют соотношения:

• L*C=25000/(f2+Кп);
• L/C=1000/R2н.

В этих формулах:

• L – индуктивность дросселя в мкГн;
• С – емкость конденсатора в мкФ;
• f – частота преобразования в Гц;
• Rн – сопротивление нагрузки в Омах.

Для П-образного фильтра:

• С1=С2=С;
• L/C=1176/R2н.

Размерность величин та же, что и для предыдущего фильтра.

Схемы и изготовление импульсных блоков питания

Импульсные блоки питания собираются на различной элементной базе. Обычно для построения ИИП применяются специализированные микросхемы, специально разработанные для создания таких устройств. За исключением самых простых блоков.

Мощный импульсный блок на ir2153

Несложные блоки питания можно строить на микросхеме IR2153. Она представляет собой мощный интегральный драйвер с таймером, подобным NE555. Частота генерации задается внешними элементами. Входов для организации обратной связи микросхема не имеет, поэтому стабилизацию тока и напряжения методом ШИМ не получить.

Расположение выводов микросхемы IR2153.

Назначение выводов приведено в таблице.

№	Обозначение	Назначение	Назначение	Обозначение	№
1	Vcc	Питание логики и драйверов	Питание выходных ключей	Vb	8
2	Rt	Резистор частотозадающей цепи	Выход верхнего драйвера	HO	7
3	Ct	Конденсатор частотозадающей цепи	Возврат питания верхнего драйвера	Vs	6
4	COM	Общий	Выход нижнего драйвера	LO	5

Для наилучшего понимания работы и назначения выводов лучше изучить внутреннюю схему. Основной момент, на который надо обратить внимание – выходные ключи собраны по полумостовой схеме.

На этой микросхеме можно собрать простой блок питания.

Питается IR2153 от 220 вольт через гасящий резистор R1, выпрямитель на диоде VD3, фильтр на С4. Частота генерации задается элементами С5, R2 (с указанными на схеме номиналами получается около 47 кГц). Трансформатор можно посчитать программой. В авторском варианте использовался силовой трансформатор от компьютерного БП. Штатные обмотки удалены, первичка намотана в две жилы проводом в эмалевой изоляции диаметром 0,6 мм.