Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций
Правило №2: у качественных ИБП в конструкции блока должен работать надежный фильтр в/ч сигналов.
Важно понимать, что импульсы высокой частоты играют двоякую роль:
- в/ч помехи могут приходить из бытовой сети в блок питания;
- импульсы высокочастотного тока генерируются встроенным преобразователем и выходят из него в домашнюю проводку.
Причины появления помех в бытовой сети:
- апериодические составляющие переходных процессов, возникающие от коммутации мощных нагрузок;
- работы близкорасположенных приборов с сильными электромагнитными полями, например, сварочных аппаратов, мощных тяговых электродвигателей, силовых трансформаторов;
- последствия погашенных импульсов атмосферных разрядов и других факторов, включая наложение высокочастотных гармоник.
Помехи ухудшают работу радиоэлектронной аппаратуры, мобильных устройств и цифровых гаджетов. Их необходимо подавлять и блокировать внутри конструкции импульсного блока питания.
Основу фильтра составляет дроссель, выполненный двумя обмотками на одном сердечнике.
Дроссели могут быть выполнены разными габаритами, намотаны толстой или тонкой проволокой на больших или маленьких сердечниках.
Начинающему мастеру достаточно запомнить простое правило: лучше работает фильтр с дросселем большого магнитопровода, увеличенным числом витков и поперечным сечением проволоки. (Принцип: чем больше — тем и лучше.)
Дроссель обладает индуктивным сопротивлением, которое резко ограничивает высокочастотный сигнал, протекающий по проводу фазы или нуля. В то же время оно не оказывает особого влияния на ток бытовой сети.
Работу дросселя эффективно дополняют емкостные сопротивления.
Конденсаторы подобраны так, что закорачивают ослабленные дросселем в/ч сигналы помех, направляя их на потенциал земли.
Принцип работы фильтра в/ч помех от проникновения на блок питания входных сигналов показан на картинке ниже.
Между потенциалами земли с нулем и фазой устанавливают Y конденсаторы. Их конструктивная особенность — они при пробое не способны создать внутреннее короткое замыкание и подать 220 вольт на корпус прибора.
Между цепями фазы и нуля ставят конденсаторы, способные выдерживать 400 вольт, а лучше — 630. Они обычно имеют форму параллепипеда.
Однако следует хорошо представлять, что ИБП в преобразователе напряжения сами выправляют сигнал и помехи им практически не мешают. Поэтому такая система актуальна для обычных аналоговых блоков со стабилизацией выходного сигнала.
У импульсного блока питания важно предотвратить выход в/ч помех в бытовую сеть. Эту возможность реализует другое решение.
Как видите, принцип тот же. Просто емкостные сопротивления всегда располагаются по пути движения помехи за дросселем.
Третья схема в/ч фильтра считается универсальной. Она объединила элементы первых двух. Y конденсаторы в ней просто работают с двух сторон каждого дросселя.
У самых дорогих и надежных устройств используется сложный фильтр с дополнительно подключенными дросселями и конденсаторами.
Сразу же показываю схему расположения фильтров на всех цепочках блока питания: входе и выходе.
Обратите внимание, что на кабель, выходящий из ИБП и подключаемый к электронному прибору, может быть дополнительно установлен ферритовый фильтр, состоящий из двух разъемных полуцилиндров или выполненный цельной конструкцией.
Примером его использования является импульсный блок питания ноутбука. Это уже четвертый вариант применения фильтра.
Схемы ИБП
Перед выбором схемы ИБП нужно:
- задать уровень входного напряжения;
- определить выходной диапазон БП;
- задать максимальную мощность или ток нагрузки.
С учетом заданных параметров выбирается проект ИБП. Отбор может производиться по типу регулирующих компонентов:
- биполярные транзисторы;
- полевые;
- специализированные микросхемы.
Последние наиболее удобны, поскольку для сборки БП на их основе требуется минимум дополнительных деталей. Их настройка проста и заключается в подборе одного параметра. Типичным представителем такого чипа для устройств бесперебойного питания является UC3842. Однотактные преобразователи нашли применение в условиях лабораторного эксперимента, когда главным критерием являются малые габариты и простота.
Сетевой выпрямитель напряжения: самая популярная конструкция
Правило №3: после выхода с фильтра напряжение подается на схему выпрямителя, состоящего в базовой версии из диодного моста и электролитического конденсатора.
В ходе электрического преобразования форма синусоиды, состоящая из полуволн противоположных знаков, вначале меняется на сигнал положительного направления после диодной сборки, а затем эти пульсации сглаживаются до практически постоянной амплитудной величины 311 вольт.
Такой сетевой выпрямитель напряжения заложен в работу всех блоков питания.
Проверка
Для того, чтобы правильно собрать блок питания, нужно внимательно отнестись к установке полярных элементов, а также следует быть осторожным при работе с сетевым напряжением. После отключения блока от источника питания, в цепи не должно оставаться опасного напряжения. При правильной сборке, последующая наладка не проводится.
Проверить правильность работы блока питания можно следующим образом:
- Включаем в цепь, на выходе лампочка, к примеру,12 Вольт. При первом кратковременном пуске, лампочка должна гореть. Кроме этого, следует обратить внимание на то, что все элементы не должны нагреваться. Если что-то греется, значит, схема собрана неправильно.
- При втором пуске замеряем значение тока при помощи тестера. Даем проработать блоку достаточное количество времени для того, чтобы убедиться в отсутствии нагревающихся элементов.
Преобразователь импульсного напряжения: объяснение простыми словами с поясняющими картинками
Правило №4: выпрямленный сигнал подвергается широтно-импульсной модуляции на силовом ключе под управлением ШИМ контроллера.
Силовой ключ выполняется первичной обмоткой высокочастотного трансформатора. Для эффективной трансформации в/ч импульсов до 100 килогерц конструкцию магнитопровода делают из альсифера или ферритов.
На обмотку трансформатора от цепей управления через в/ч транзистор поступают импульсы сигналов в несколько десятков килогерц.
Прямоугольные импульсы тока подаются по времени, чередуются с паузами, обозначаются единицей (1) и нулем (0).
Продолжительность протекания импульса или его ширина в каждый момент низкочастотного синусоидального напряжения соответствует его амплитуде: чем она больше, тем шире ШИМ. И наоборот.
ШИМ контроллер отслеживает величину подключенной нагрузки на выходе импульсного блока питания. По ее значению он вырабатывает импульсы, кратковременно открывающие силовой транзистор.
Если подключенная к ИБП мощность начинает возрастать, то схема управления увеличивает длительность импульсов управления, а когда она снижается, то — уменьшает.
За счет работы этой конструкции производится стабилизация напряжения на выходе блока в строго определенном диапазоне.
Как наладить импульсный блок питания?
Собственно, блок питания, собранный на основе исправного электронного балласта, особой наладки не требует.
Его нужно подключить к эквиваленту нагрузки и убедиться, что БП способен отдать расчетную мощность.
Во время прогона под максимальной нагрузкой, нужно проследить за динамикой роста температуры транзисторов и трансформатора. Если слишком сильно греется трансформатор, то нужно, либо увеличить сечение провода, либо увеличить габаритную мощность магнитопровода, либо и то и другое.
Если сильно греются транзисторы, то нужно установить их на радиаторы.
Если в качестве импульсного трансформатора используется домотанный дроссель от КЛЛ, а его температура превышает 60… 65ºС, то нужно уменьшить мощность нагрузки.
Не рекомендуется доводить температуру трансформатора выше 60… 65ºС, а транзисторов выше 80… 85ºС.
Вернуться наверх к меню
Импульсный трансформатор: принцип работы одного импульса в 2 такта
Правило №5: импульсный трансформатор для блока питания передает каждый ШИМ импульс за счет двух преобразований электромагнитной энергии.
Во время преобразования электрической энергии в магнитную и обратно в электрическую с пониженным напряжением обеспечивается гальваническое разделение первичных входных цепей с вторичной выходной схемой.
Каждый ШИМ импульс тока, поступающий при кратковременном открытии силового транзистора, протекает по замкнутой цепи первичной обмотки трансформатора.
Его энергия расходуется:
- вначале на намагничивание сердечника магнитопровода;
- затем на его размагничивание с протеканием тока по вторичной обмотке и дополнительной подзарядкой конденсатора.
По этому принципу каждый ШИМ импульс из первичной сети подзаряжает накопительный конденсатор.
Генераторы ИБП могут работать по простой однотактной или более сложной двухтактной технологии построения.
Однотактная схема импульсного блока питания: состав и принцип работы
На стороне 220 расположены: предохранитель, выпрямительный диодный мост, сглаживающий конденсатор, биполярный транзистор, цепочки колебательного контура и коллекторного тока, а также обмотки импульсного трансформатора.
Однотактная схема импульсного блока питания создается для передачи мощности 10÷50 ватт, не более. По ней изготавливают зарядные устройства мобильных телефонов, планшетов и других цифровых гаджетов.
В выходной цепочке трансформатора используется выпрямительный диод Д7. Он может быть включен в прямом направлении, как показано на картинке, или обратно, что важно учитывать.
При прямом включении импульсный трансформатор накапливает индуктивную энергию и передает ее в выходную цепь к подключенной нагрузке с задержкой по времени.
Если диод включен обратно, то трансформация энергии из первичной схемы во вторичную цепь происходит во время закрытого состояния транзистора.
Однотактная схема ИБП отмечается простотой конструкции, но большими амплитудами напряжения, приложенными к виткам первичной обмотки импульсного трансформатора.
Их защита осуществляется дополнительными цепочками из резисторов R2÷R4 и конденсаторов С2, С3.
Двухтактная схема импульсного блока питания: 3 варианта исполнения
Более высокий КПД и пониженные потери мощности являются неоспоримыми преимуществами этих ИБП по сравнению с однотактными моделями.
Простейший вариант исполнения двухполупериодной методики показан на картинке.
Если в нее дополнительно подключить два диода и один сглаживающий конденсатор, то на этом же трансформаторе получается двухполярная схема.
Она распространена в усилителях мощности, работает по обратноходовому принципу. В ней через каждую емкость протекают меньшие токи, обеспечивающие повышенный ресурс конденсаторов при эксплуатации.
Продлить ресурс работы электролитических конденсаторов в ИБП можно заменой одного большой мощности несколькими составными. Ток будет распределяться по всем, что вызовет меньший нагрев. А отвод тепла с каждого отдельного происходит лучше.
Прямоходовая схема блока питания имеет в своей конструкции дроссель, который выполняет функцию накопления энергии. Для этого два диода направляют поступающие импульсы ШИМ на его вход в одной полярности.
Дроссель этих устройств изготавливается большими габаритами и устанавливается отдельно внутри платы ИБП. Он дополняет работу накопительного конденсатора.
Это наглядно видно по верхней форме сигнала, показанного осциллограммой выпрямления одного и того же блока без дросселя и с ним.
Прямоходовая схема используется в мощных блоках питания, например, внутри компьютера.
В ней выпрямлением тока занимаются диоды Шоттки. Их применяют за счет:
- уменьшенного падения напряжения на прямом включении;
- и повышенного быстродействия во время обработки высокочастотных импульсов.
3 схемы силовых каскадов двухтактных ИБП
По порядку сложности их исполнения генераторы выполняют по:
- полумостовому;
- мостовому;
- или пушпульному принципу построения выходного каскада.
Полумостовая схема импульсного блока питания: обзор
Конденсаторы С1, С2 собраны последовательно емкостным делителем. На него и переходы коллектор-эмиттер транзисторов Т1, Т2 подается напряжение постоянного питания.
К средней точке емкостного делителя и транзисторов подключена первичная обмотка трансформатора Тр2. С ее вторичной обмотки снимается выходное напряжение генератора, которое пропорционально входному сигналу ТР1, трансформируемому на базы Т1 и Т2.
Полумостовая схема ИБП работает для нагрузок от нескольких ватт до киловатт. Ее недостатком является возможность повреждения элементов при перегрузках, что требует использования сложных защит.
Мостовая схема импульсного блока питания: краткое пояснение
Вместо емкостного делителя предыдущей технологии здесь работают транзисторы T3 и T4. Они попарно открываются совместно с Т1 и Т2: (пара Т1-Т4), (пара Т2-Т3).
Напряжение переходов эмиттер-коллектор у закрытых транзисторов не выше величины питающего напряжения, а на обмотке w1 ТР3 оно возрастает до значения U пит. За счет этого увеличивается величина КПД.
Мостовая схема сложна в наладке из-за трудностей с настройкой цепей управления транзисторов Т1÷Т4.
Пушпульная схема: важные особенности
Первичная обмотка выходного ТР2 имеет средний вывод, на который подается плюсовой потенциал источника питания, а его минус — на среднюю точку вторичной обмотки Т1.
Во время прохождения одного полупериода колебания работает один из транзисторов Т1 или Т2 и соответствующая ему часть полуобмотки трансформатора.
Здесь создается самый высокий КПД, малые пульсации и низкие помехи. Амплитудное значение импульсного напряжения на любой половине обмотки w1 ТР2 достигает величины U пит.
К напряжению перехода коллектор-эмиттер каждого транзистора добавляется ЭДС самоиндукции, и оно возрастает до 2U пит. Поэтому Т1 и Т2 надо подбирать на 600÷700 вольт.
Пушпульная схема ключевого каскада пользуется большей популярностью. Она применяется в наиболее мощных преобразователях.
Расчет мощности
Повторение уже готовой разработки БП не требует проведения расчетов. Копирование схемы и точный подбор компонентов гарантируют получение указанных параметров. Необходимость в расчетах появляется, если нужны другие характеристики блока или есть необходимость применять другие детали. Наибольшую сложность вызывает подбор требуемого феррита и расчет импульсного трансформатора. При пользовании онлайн-калькуляторами все параметры задавайте в сопоставимых единицах — вольтах, ваттах.
Выходной выпрямитель: самое популярное устройство
Правило №6: сигнал, поступающий с выхода ИБП, выпрямляется и сглаживается.
Простейшая схема выпрямителя, состоящая из диода и накапливающего конденсатора, показана картинкой ниже.
Она может дорабатываться подключением дополнительных конденсаторов, дросселей, элементов фильтров.
Сборка и настройка ЛБП
Рекомендуем строить этот лабораторный БП в следующем порядке:
- Сборка и проверка модуля с мостовым выпрямителем, фильтрацией и реле, подключение к трансформатору и активация реле от независимого источника для проверки выходных напряжений.
- Исполнение модуля переключения обмоток и контроля охлаждения радиаторов. Запуск этого модуля облегчит настройку будущего источника питания. Для этого понадобится другой источник питания для подачи регулируемого напряжения на вход системы, отвечающей за управление реле.
- Температурная часть схемы может быть настроена путем моделирования температуры. Для этой цели использовалась тепловая пушка, которая аккуратно нагревала радиатор с датчиком (BD135). Температура измерялась с помощью датчика, включенного в мультиметр (в то время не было готовых точных измерителей температуры). В обоих случаях настройка сводится к подбору PR201 и PR202 или PR301 и PR302 соответственно.
- Затем запускаем блок питания, регулируя RV1 таким образом, чтобы получить 0 В на выходе, что полезно при настройке ограничения тока. Само ограничение зависит от значений резисторов R18, R7, R17.
- Регулирование А/В индикаторов сводится к настройке опорных напряжений между контактами 35 и 36 микросхем ICL. В измерителях напряжения и тока использовался внешний эталонный источник. В случае с измерителями температуры такая точность не нужна, а отображение с десятичным знаком все же несколько преувеличено. Передача показаний температуры осуществляется одним выпрямительным диодом (на схеме их три). Это связано с дизайном печатной платы. На ней есть две перемычки.
- Непосредственно на выходных клеммах к вольтметру подключен делитель напряжения и резистор 0,01 Ом / 5 Вт, на котором падение напряжения используется для измерения тока нагрузки.
Дополнительным элементом источников питания является схема, которая позволяет включать только один источник питания без необходимости использования второго канала, несмотря на тот факт, что вспомогательный трансформатор питает оба канала источника питания сразу. На той же плате размещена система для включения и выключения блока питания с помощью одной слаботочной кнопки (для каждого канала блока питания).
Схема питается от инвертора, который в состоянии ожидания потребляет около 1 мА от сети 220 В. Все схемы в хорошем качестве можете скачать в архиве
