Нередко радиолюбителям для электроснабжения схем и устройств от сети приходится сооружать импульсный блок питания своими руками.

Пошаговая инструкция позволит понять, как работают импульсные БП, которые предпочтительны в использовании, компактны, но сложнее устроены, чем обычные трансформаторные.

Устройство

Как и в обычном БП, в импульсном основными узлами являются трансформатор и выпрямитель.

Принцип работы блока питания

Функция устройства состоит в двух действиях:

1. преобразование сетевого напряжения, обычно до 12 или 24 В;
2. выпрямление переменного тока.

В импульсном БП помимо упомянутых узлов присутствует еще т.н. инвертор: схема, преобразующая постоянный ток в переменный с частотой, намного превышающей сетевую — десятки кГц.

Схема

Импульсный БП состоит из следующих функциональных блоков:

• фильтр. Не пропускает помехи из сети и обратно (генерируются самим БП);
• выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Обычный диодный мост, дает на выходе почти ровное (с низким коэффициентом пульсаций) постоянное напряжение, равное действующему значению переменного селевого напряжения — 311 В;
• инвертор. Состоит из быстро переключающихся силовых ключевых транзисторов и управляющей ими микросхемы. На выходе дает прямоугольный переменный ток. Процесс преобразования в инверторе называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а микросхему — ШИМ-контроллером. В рабочем режиме реализована обратная связь, потому в зависимости от мощности подключенной к БП загрузки, контроллер регулирует продолжительность открытия транзисторов, то есть ширину импульсов. Также благодаря обратной связи, компенсируются скачки напряжения на входе и броски, обусловленные коммутацией мощных потребителей. Это обеспечивает высокое качество выходного напряжения;
• импульсный высокочастотный трансформатор. Понижает напряжение до требуемых 12 или 24 В;
• выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Преобразует высокочастотное переменное напряжение в постоянное.

Дроссель переменного тока

Основной элемент сетевого фильтра — дроссель. Его сопротивление (индуктивное) возрастает с увеличением частоты тока, потому высокочастотные помехи нейтрализуются, а ток частотой 50 Гц проходит свободно. Дроссель работает тем эффективнее, чем больше размеры магнитопровода, толщина проволоки и больше витков. Дополнительно установленные конденсаторы улучшают фильтрацию, закорачивая высокочастотные помехи и отводя их на «землю».

Также емкостные сопротивления не позволяют в/ч помехам, генерируемым БП, поступать в сеть. Высокочастотный трансформатор отличается от обычного материалом магнитопровода: используются ферриты или альсифер. Выпрямитель после трансформатора собирается на диодах Шоттки, отличающихся высоким быстродействием.

Существует два способа генерации высокочастотного переменного тока:

1. однотактная схема. Применяется в БП небольшой мощности — до 50 Вт (зарядки телефонов, планшетов и т.п.). Конструкция простая, но у нее велика амплитуда напряжения на первичной обмотке трансформатора (защищается резисторами и конденсаторами);
2. двухтактная схема. Сложнее в устройстве, но выигрывает в экономичности (выше КПД). Двухтактная схема делится на три разновидности:
   двухполупериодная. Самый простой вариант;
3. двухполярная. Отличается от предыдущей присутствием 2-х дополнительных диодов и сглаживающего конденсатора. Реализован обратноходовый принцип работы. Такие схемы широко применяются в усилителях мощности. Важная особенность: продлевается срок службы конденсаторов за счет того, что через них протекают меньшие токи;
4. прямоходовая. Используется в БП большой мощности (В ПК и т.п. устройствах). Выделяется наличием габаритного дросселя, накапливающего энергию импульсов ШИМ (направляются на него через два диода, обеспечивающих одинаковую полярность).

2-тактные БП отличаются схемой силового каскада, есть три модификации:

1. полумостовая: чувствительна к перегрузкам, потому требуется сложная защита;
2. мостовая: более экономична, но сложна в наладке;
3. пушпульная. Наиболее экономична и потому весьма востребована, особенно в мощных БП. Отличается присутствием среднего вывода у первичной и вторичной обмоток трансформатора. В течение периода работает то одна, то другая полуобмотка, подключаемая соответствующим ключевым транзистором.

Стабилизации выходного напряжения добиваются следующими способами:

• применением дополнительной обмотки на трансформаторе. Это самый простой способ, но и наименее действенный. Снимаемое с нее напряжение корректирует сигнал на первичной обмотке;
• применением оптопары. Это более эффективный способ. Основные элементы оптопары — светодиод и фототранзистор. Схема устроена так, что протекающий через светодиод ток пропорционален выходному напряжению. Свечение диода управляет работой фототранзистора, подающего сигналы ШИМ-контроллеру.

Таким образом, в данной методике контролируется непосредственно напряжение на вторичной обмотке, при этом отсутствует гальваническая связь с генератором ключевого каскада.

При подключении последовательно с оптопарой стабилитрона качество стабилизации становится еще выше.

Основные этапы изготовления импульсного блока питания 12 В своими руками

Работу по изготовлению БП можно разбить на несколько этапов: подготовительный, монтаж и проверка работоспособности. В данной статье рассмотрим изготовление блока питания по схеме, приведённой на рисунке № 10.

Подготовительный этап

В этот период рассчитывается мощность блока питания. Она должна быть достаточной для его использования с нагрузкой, планируемой к подключению. Выбирается вид и схема БП (см. рисунок № 10), после чего приобретаются необходимые комплектующие. В рассматриваемом случае это:

• PTC термистор;
• два конденсатора из расчёта 1 мкФ на 1 Вт мощности;
• диодный мост (диоды должны соответствовать по напряжению и току);
• драйвера − IR2152 (IR2153, IR2153D);
• полевые транзисторы − IRF740, IRF840;
• трансформатор (можно использовать б/у от ПК);
• диоды, устанавливаемые на выходе, серии HER.

Монтаж блока питания

Пошаговая инструкция по изготовлению импульсного БП по выше приведённой схеме выглядит следующим образом:

Проверка работоспособности

Когда БП собран, необходимо его проверить, для этого:

• к выходу блока питания подключается нагрузка;
• БП включается в электрическую сеть.

В случае если подключённая нагрузка работает нормально: LED-светильники излучают свет, гаджеты и инструмент заряжаются, а прочая техника работает – значит, монтаж выполнен успешно. Ещё один способ изготовления блока питания − это размещение всех элементов устройства на ДИН-рейке.

Дин-рейка – это металлическая профилированная полоса, предназначенная для крепления электрических приборов и элементов электрических схем.

При использовании ДИН-рейки отпадает потребность в изготовлении монтажной платы, однако конструкция получается более объёмная, т.к. соединение между элементами схемы приходится выполнять при помощи соединительных проводов.

Блок питания HTS-75-12-FA (12 V)

Пошаговая инструкция

Процесс изготовления импульсного БП выглядит так:

• выполняют расчет изделия в онлайн-калькуляторе (публикуются на многих сайтах) или специальной программе. В зависимости от желаемых характеристик БП, ПО подберет параметры всех элементов: конденсаторов, транзисторов, дросселей и пр.;
• закупают все радиодетали;
• в пластине текстолита в соответствии со схемой и размерами элементов высверливают отверстия. Далеко не всегда удается добиться желаемых характеристик с первого раза, ввиду чего схему приходится дополнять компенсаторами и прочими элементами. Необходимо оставить для них место на плате;
• на схеме выбирают точки входа, помеченные символами «АС», припаивают предохранитель и далее один за другим все элементы согласно схеме;
• выполняют проверку.

Важно найти подходящую схему и правильно рассчитать параметры элементов.

Расчёт мощности блока питания на 12 V

Мощность БП является одной из главных технических характеристик, определяющих возможность подключения к нему той или иной нагрузки. Мощность поэтому может быть рассчитана разными способами:

Для светодиодных лент.

В этом случае расчёт выполняется следующим образом:

• за основу берётся мощность в 1 метра LED-ленты, указываемая производителем на упаковке;
• определяется её длина;
• эти значения перемножаются, и полученное выражение увеличивается на 30%.

Увеличение на 30% обеспечивает необходимый запас мощности блока питания. Этот расчёт можно выразить следующей формулой:

P блока = P уд × L ленты × K запаса , где:

P блока – электрическая мощность блока питания;

P уд − электрическая мощность 1 метра светодиодной ленты;

L ленты – длина ленты;

K запаса — коэффициент запаса мощности.

Внешний вид блоков питания персонального компьютера

Для персонального компьютера.

При необходимости определить мощность БП персонального компьютера следует знать мощности всех элементов устройств, входящих в его комплект. Это непростая задача, поэтому существуют специальные программы и онлайн-калькуляторы, служащие для выполнения такого расчёта. Вот некоторые из них:

• OuterVision®
• MSI
• KSA Power Supply Calculator WorkStation

Читать также: Пылесборник для болгарки своими руками

Для зарядки электрического инструмента и электронных гаджетов.

Когда необходимо определить мощность БП для зарядки шуруповёрта, смартфона или иного электронного устройства, необходимо знать их электрическую мощность и учесть коэффициент запаса. Это можно отразить следующей формулой:

P блока = P устройства × K запаса

Универсальный адаптер питания 12 В

ИБП на микросхеме

Выпускается множество микросхем с функцией ШИМ-контроллера. Далее рассматривается несколько схем с использованием самых популярных из них.

TL494

Поскольку встроенные ключи данной микросхемы не обладают мощностью, достаточной для непосредственного управления силовыми транзисторами инвертора (T3 и T4), вводится промежуточное звено из трансформатора TR1 (управляющего) и транзисторов T1, T2.

Схема на микросхеме TL494

Если в наличии есть старый БП от компьютера, управляющий трансформатор можно взять оттуда. Состав обмоток оставляют без изменений. В качестве силовых рекомендуется использовать биполярные транзисторы MJT13009 — схема окажется более надежной. При использовании транзисторов MJE13007, рассчитанных на меньший ток, схема будет рабочей, но слишком чувствительной к перегрузкам.

Дроссели L5, L6 также извлекаются из поломанного компьютерного БП. Первый перематывают, поскольку в оригинальном исполнении он рассчитан на несколько уровней напряжения. На желтый магнитопровод (другие не подойдут) в виде кольца наматывают около 50 витков медного провода диаметром 1,5 мм. Силовые транзисторы T3, T4 и диод D15 в процессе работы сильно греются, потому устанавливаются на радиаторы.

IR2153

Из всех микросхем эта стоит дешевле всего, потому многие предпочитают собирать БП на ней. Здесь драйвер подключен не к шине +310 В, а через резистор к сети. При таком подключении снижена выделяемая на резисторе мощность.

Схема на микросхеме IR2153

В схеме предусмотрены:

1. ограничение пускового тока (мягкий старт или софт-старт). Компонент запитан от сети через гасящий конденсатор С2;
2. защита от короткого замыкания и перегрузки. Сопротивление R11 используется как датчик тока. Ток срабатывания защиты регулируется подстроечным сопротивлением R10.

О срабатывании защиты сообщает светодиод HL1. Напряжение на выходе — до 70 В, с двоякой полярностью. Число витков на первичной обмотке импульсного трансформатора — 50, на каждой из 4-х вторичных — 23. Выбор сечения проводов в обмотках и типа сердечника зависит от желаемой мощности.

UC3842

Еще одна недорогая микросхема, при этом весьма надежная и потому очень популярная. При включении ток, заряжающий конденсатор С2, ограничивается терморезистором R1.

Схема на микросхеме UC3842

Сопротивление последнего в этот момент составляет 4,7 Ом, затем по мере разогрева оно снижается на порядок, после чего данный элемент из схемы как бы «выключается». Стабилизация выходного напряжения — за счет обратной связи (петля «вторичная обмотка трансформатора Т1 – диод VD6 – конденсатор С8 – резистор R6 – диод VD5»).

Напряжение петли задается резистивным делителем R2 – R3. Цепочка «R4 – C5» — таймер для внутреннего генератора импульсов UC3842. ШИМ-контроллер и прочие микросхемы устанавливаются на пластинчатые радиаторы с площадью не менее 5 кв. см.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

• Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
• Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
• Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
• Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
• Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

Читать также: Лобзик своими руками видео

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Проверка

Проверяют самодельный импульсный БП так:

• подсоединяют выводы от микросхемы к лампе мощностью 40 Вт;
• подключают устройство к сети. Лампа при этом слабо мигнет;
• проверяют мультиметром соответствие выходного напряжения желаемому;
• проверяют мультиметром импульс на затворах ключей;
• замеряют напряжение постоянного тока на сглаживающих конденсаторах. В норме оно в 1,5 – 2 раза превышает переменное напряжение на диодном мосту.

При верном значении всех величин включают БП с полной нагрузкой.

Изготовление своими руками

Для того чтобы устройство правильно работало и выполняло возложенные на него функции, необходимо соблюсти ряд правил. С их помощью можно добиться нужного результата и снизить вероятность возникновения ошибок.

Рекомендации профессионалов

Во время изготовления импульсного источника питания следует брать во внимание не только советы производителей деталей, но и рекомендации специалистов. Они помогут новичкам избежать большинства простых ошибок и выполнить работу за максимально короткий промежуток времени. Советы профессионалов:

1. В большинстве случаев схема блока питания не требует наличия специальных фильтров и организации обратной связи.
2. Из множества полевых транзисторов рекомендуется покупать детали типа IR. Они хорошо выдерживают повышенные температуры и не разрушаются под длительным воздействием тепла.
3. Если в собранной своими руками конструкции транзисторы будут сильно нагреваться в процессе работы, то следует установить дополнительное охлаждающее устройство (вентилятор).

Необходимые материалы и инструменты

Перед тем как приступить к изготовлению устройства, нужно подготовить все необходимые материалы и инструменты. Благодаря этому можно будет не отвлекаться во время работы, чтобы найти тот или иной предмет. В процессе создания прибора понадобятся:

• любой РТС термистор;
• конденсаторы ёмкостью не менее 220 мкФ;
• диодная сборка;
• полевые транзисторы с хорошим сопротивлением (IRF840, IRF740);
• драйвера IR2153D, IR2153, IR2152;
• трансформатор (можно использовать устройство, снятое со старых системных блоков компьютера);
• диоды из семейства HER.

Помимо составляющих частей конструкции необходимо подготовить различные инструменты. С их помощью будет выполняться сборка устройства, поэтому они должны быть качественными и удобными для использования.

Необходимые инструменты:

• плоскогубцы;
• отвёртки разного размера;
• пинцет;
• паяльное оборудование;
• расходные материалы для пайки.

Процесс сборки

После того как все подготовительные мероприятия были завершены, можно приступать к сборке устройства своими руками. Схема импульсных источников питания составляется заранее. Эту работу можно выполнять самостоятельно или с помощью специалиста.

Первый вариант значительно дешевле, но требует от мастера наличия знаний в области электроники и больших временных затрат.

Пошаговая инструкция:

1. Первым делом на входе устанавливается РТС термистор и надёжно фиксируется.
2. Затем конструкция дополняется диодными мостами.
3. На следующем этапе монтируются драйвера, используемые для управления работой затворов полевых транзисторов.
4. Полевые транзисторы крепятся без укорачивания фланцев.
5. После этого проводится крепление к радиатору. Эту работу нужно выполнять с применением изоляционных прокладок и специальных шайб.
6. Трансформаторы монтируются с закороченными выводами.
7. На выходе ставятся диоды.

Тестирование устройства

Для того чтобы проверить собранный импульсный источник энергии на работоспособность, необходимо выполнить несколько простых действий. Они помогут выявить различные проблемы и ошибки, допущенные в процессе сборки. Порядок действий:

1. Выполняется первое кратковременное включение устройства в цепь.
2. Если всё правильно сделано, то должна загореться лампочка, сигнализирующая о подаче питания к прибору.
3. Затем следует оставить блок питания в рабочем состоянии на несколько минут.
4. По истечении этого времени необходимо отключить устройство и проверить температуру всех его деталей. Нагрев одного или нескольких элементов будет свидетельствовать о допущенной ошибке в процессе сборки.
5. При втором пуске определяется величина напряжения. Выполнить эту операцию можно при помощи специального тестера.
6. Работающий блок питания оставляется примерно на 1 час.
7. По прошествии указанного промежутка времени элементы проверяются на степень нагрева.
8. Если ни один из элементов не стал горячим, то все они проверяются на наличие высокого тока после отключения питания.