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.

⇡#«Игровым ПК не нужны блоки на 1 кВт» — комментаторы под статьями на 3DNews.ru

Подобные комментарии часто приходится видеть, когда речь заходит об игровом ПК. В абсолютном большинстве случаев — и мы это выяснили на практике — так оно и есть. Однако в 2022 году есть система, которая способна поразить своим энергопотреблением.

Речь, конечно же, идет об экстремальной сборке в ее, так сказать, максимально боевой форме. Не так давно на нашем сайте вышла статья «На что способен самый быстрый игровой ПК 2022 года. Тестируем систему с двумя GeForce RTX 2080 Ti в 8K-разрешении» — в ней мы подробно рассказали о производительности пары самых быстрых GeForce-видеокарт в 4K- и 8K-разрешении. Система быстрая, но комплектующие подобраны таким образом, что ее очень просто сделать еще быстрее. К тому же выяснилось, что разгон Core i9-9900K до 5,2 ГГц оказывается совершенно не лишним занятием в случае с SLI-массивом GeForce RTX 2080 Ti и играми в Ultra HD. Только вот на пике, как мы видим, такая разогнанная конфигурация потребляет больше 800 Вт. Следовательно, для такой системы в таких условиях киловаттный блок питания точно не окажется лишним.

Структурная и принципиальная схема основных частей блока

Обобщенная структурная схема импульсного БП.

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.

Схема сетевого фильтра.

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.

Конструктив синфазного дросселя.

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.

⇡#Выводы

Если вы внимательно прочитали статью, то выделили для себя несколько главных моментов, которые надо иметь в виду при выборе блока питания. Перечислим их все еще раз:

• ориентироваться на заявленные производителем видеокарты или процессора показатели TDP, к сожалению, нельзя;
• энергопотребление компьютерной техники год от года несильно меняется и находится в определенных рамках — поэтому купленный сейчас качественный блок питания прослужит долго и верно службу и точно пригодится во время сборки следующей системы;
• потребности в кабель-менеджменте системного блока тоже влияют на выбор БП определенной мощности;
• не все разъемы питания на материнской плате необходимо использовать;
• не всегда блок питания меньшей мощности оказывается выгоднее (в плане цены) более мощной модели;
• при выборе блока питания надо смотреть в том числе на то, сколько ваттов устройство выдает по 12-вольтовой линии;
• поддержка определенного стандарта 80 PLUS косвенно говорит о качестве элементной базы блока питания;
• совершенно незазорно использовать блок питания, честная мощность которого вдвое (или даже больше) превышает максимальное энергопотребление компьютера.

Довольно часто можно услышать фразу: «Больше — не меньше». Этот весьма лаконичный афоризм отлично описывает ситуацию при выборе блока питания. Берите для своего нового ПК модель с хорошим запасом мощности — хуже точно не будет, а в большинстве случаев будет только лучше. Даже для недорогого игрового системного блока, который при максимальной нагрузке потребляет около 220-250 Вт, все равно есть смысл взять хорошую модель с честными 600-650 Вт. Потому что такой блок:

• будет работать тише, а в случае с некоторыми моделями — абсолютно бесшумно;
• будет холоднее;
• будет эффективнее;
• позволит спокойно разогнать систему, увеличив производительность центрального процессора, видеокарты и оперативной памяти;
• позволит без проблем совершить апгрейд основных компонентов системы;
• переживет несколько апгрейдов, а также (если блок питания действительно хороший) поселится во втором или третьем системном блоке;
• позволит еще и сэкономить при последующей сборке системного блока.

Думаю, мало кто из читателей откажется от хорошего блока питания. Понятно, что не всегда есть возможность купить сразу качественное устройство с большим заделом на будущее. Иногда при покупке нового системника и ограниченном бюджете хочется и процессор взять помощнее, и видеокарты побыстрее, и SSD более высокой емкости — всё это понятно. Но если возможность купить хороший блок питания с запасом есть — экономить на нем не надо.

Выражаем благодарность компаниям ASUS и Corsair, а также компьютерному магазину «Регард» за предоставленное для тестирования оборудование.

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

Схема пуш-пульного преобразователя.

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.

Управление транзисторами с учетом 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.

Двухтактная мостовая схема инвертора.

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.

Полумостовая схема.

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.

Две фазы работы обратногоходового однотактного инвертора.

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.

Интерфейс программы Lite-CalcIT.

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

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).

Различные схемы демпферов.

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.)

Вспомогательные узлы

В конструкции можно реализовать вспомогательные узлы, например, индикаторы или переключатели напряжения. Главное не переусердствовать и делать устройство согласно всем нормам и рекомендациям.

Индикаторные светодиоды

В конструкции можно продумать светодиодные индикаторы, которые применяются в заводских блоках и подзарядных устройствах. Светодиоды служат сигнализатором о том, что полезная работа трансформатора производится и напряжение соответствует требуемому значению.

Амперметр и вольтметр

Для произведения расчетов и подбора элементов, а также для правильной сборки блока питания необходимо использовать амперметр и вольтметр.

Выпрямитель

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

Схема выпрямителя со средней точкой и прохождение тока по ней.

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.

Схема мостового выпрямителя и прохождение тока по ней.

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.

Двухполярный выпрямитель со средней точкой.

Какой ток потребляет шуруповерт

Прежде, чем подбирать подходящий блок питания, нужно понять, на какой потребляемый ток нужно рассчитывать. К сожалению, производители аккумуляторных шуруповертов не указывают ток, потребляемый двигателем. Емкость самого аккумулятора в ампер-часах, которая обязательно указанна на батарее, не позволяет понять какой ток потребляет шуруповерт в рабочем режиме

. Максимум, что может указать производитель, это мощность в ваттах, но это бывает очень редко, обычно мощность указанна непосредственно в силе крутящего момента.

Если мощность в ваттах все-таки указанна, мы можем иметь представление о потребляемом токе и подобрать соответствующий блок питания с небольшим запасом по току/мощности. Для вычисления силы тока достаточно разделить мощность в ваттах на рабочее напряжение шуруповерта, в данном случае это 12 вольт. Итак, если производитель указал мощность например 200 ватт — 200:12=16,6 А — такой ток потребляет шуруповерт в рабочем режиме.

Однако указанная мощность это большая редкость и нет универсальной цифры, характеризующей все 12-ти вольтовые шуруповерты. Нужно понимать, что при полном торможении вала двигателя, токи могут значительно превышать номинальные и вычислить эту величину очень не просто. В то же время, анализ различных форумов и собственного опыта показали — для работы шуруповерта зачастую достаточно тока в 10 А, этого достаточно для выполнения многих функций закручивания и сверления. При этом известно, что броски тока при полном торможении вала могут превышать 30 А.

Ну и какой же вывод можно сделать из всего этого? Для шуруповерта подойдет блок питания 12 В дающий 10 А тока, если имеется возможность использовать блок 20-30 А, это даже лучше. Это среднестатистические цифры, применимые к большинству шуруповертов.

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.

Г- и П-образные LC-фильтры.

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.

Внутренняя схема IR2153.

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.

Схема простого БП на IR2153.

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.

Компоновка прибора

После того, как все узлы будут подобраны, или будет присутствовать четкое представление о том, какими они будут, можно приступать к компоновке прибора. Также важно понимать, каким будет будущий корпус устройства. Можно подобрать готовый, можно сделать самому при наличии материалов и навыков.

Особых правил компоновки узлов внутри корпуса нет. Но желательно расположить узлы так, чтобы они соединялись проводниками последовательно, как на схеме, и по кратчайшему расстоянию. Выходные клеммы лучше расположить на стороне, противоположной сетевому кабелю. Выключатель питания и предохранитель лучше закрепить на задней стенке устройства. Для рационального использования межкорпусного пространства часть узлов можно установить вертикально, но диодный мост лучше закрепить горизонтально. При вертикальном монтаже конвекционные потоки горячего воздуха от нижних диодов будут обтекать верхние элементы и дополнительно их нагревать.

Для тех кто не понял смотрим видео: Простой блок питания своими руками.

Собрать источник питания постоянного тока с фиксированным питанием несложно. Это по силам мастеру средней руки, нужны лишь элементарные познания в электротехнике и минимальные навыки монтажа.