Как сделать импульсный блок питания?

Блок питания преобразует напряжение к такому, которое нужно конкретному прибору. Традиционный путь: сначала снизить напряжение, потом его выпрямить и стабилизировать. Но можно идти другим путем, и для умного электроприбора сделать умный блок питания (БП). То есть импульсный.

Устройство обычного БП

Для понижения и выпрямления напряжения сети до 12 В традиционным способом идет передача энергии последовательно. Понадобятся блоки, изображенные на структурной схеме.

Силовой трансформатор на входе снижает напряжение с 220 вольт до 15, с запасом, чтобы потом в дальнейших схемах оно, неизбежно при выпрямлении и сглаживании теряя величину, опустилось как раз до нужных 12 вольт. Выпрямитель делается в виде моста из низковольтных диодов, в результате работы которого получается знакопостоянное пульсирующее напряжение. Делается так, что два полупериода попеременно идут то через одну пару диодов, то через другую, и на выходе напряжение начинает «дергаться» только в одну строну. Схема сглаживания содержит накапливающий заряды инерционный элемент — конденсатор большой емкости. Он заряжается от импульса и медленно поддерживает напряжение своим неторопливым разрядом до поступления следующего импульса. Это называется сглаживание, но еще делается и дополнительная стабилизация выходного напряжения, чтобы на него меньше влияла величина нагрузки.

Плюс такой схемы в том, что трансформатор на входе сразу «отвязывает» все дальнейшие схемы от высокого входного напряжения. Только за это приходится платить физически большим силовым трансформатором. В нашем случае трансформатор, питающий более-менее подходящую мощность прибора, например, в 300 ватт (старый телевизор), должен весить около 4 кг. Ну, понятно, поставил его, такой блок питания, на пол, и стоит, каши не просит. Но как быть для небольших устройств? Неужели катить его с собой на тележке? Кроме того, большая масса железа, работающая на маленькую нагрузку, порождает низкий КПД — около 50%.

Ну и цена, пропорциональная массе прибора, заставляет придумывать нечто более миниатюрное во всех отношениях.

Импульсные источники питания

В импульсных блоках питания, прежде всего, избавились от громоздкого понижающего трансформатора. Напряжение сразу выпрямляется, и уже им запитывается генератор импульсов, напряжение которого и можно потом понизить до любого желаемого уровня. Причем, габариты понижающих трансформаторов при этом напрямую зависят от частоты, выдаваемой генератором, — чем выше частота, тем меньше трансформатор. И уж потом такое питание, снова его выпрямив, используют в устройстве.

Видно, что традиционный блок питания переместился на нижний этаж; кроме того, имеется обратная связь, дополнительно настраивающая инвертор (генератор импульсов)

Силовой трансформатор здесь импульсный, работает после генератора импульсов. Он высокочастотный, так как частота генератора порядка 20–100 кГц. В качестве материала сердечника используется не обычное трансформаторное железо, а ферримагнетки, материалы на основе структурированных окислов железа, которые лучше выполняют свою функцию на высоких частотах.

Обмотки такого трансформатора имеют полярность, это играет роль при подключении начала и конца обмоток.

Такие блоки питания вполне реально изготовить совершенно маленькими, что можно увидеть на блоках питания энергосберегающих ламп — они умещаются в цоколь лампы.

Кстати, и использовать блок питания (балласт) такой лампы можно по другому назначению. Вернее, по своему назначению, но в другом устройстве, когда лампа — сверхнадежная и экономичная — все-таки перегорит.

Выходной выпрямитель после трансформатора делается на основе диодов Шоттки, имеющих меньшую, чем у обычных диодов, внутреннюю емкость, следовательно, лучше работающих на высокой частоте.

Схема обратной связи калибрует импульсы генератора сигналом рассогласования, который заставляет вырабатывать импульсы тем большей длительности, чем больше отличается выходное напряжение от нужного номинала. Этим на выход передается большая мощность, и напряжение выравнивается.

Обратноходовый блок управления инвертором создает гальваническую привязку выходной цепи к цепи входного напряжения. Чтобы от этого избавиться, используют оптроны — приборы оптической передачи, преобразователи электросигнал–свет–электросигнал.

Пример простого импульсного блок питания

Сейчас современные электронные потребительские устройства все выпускаются с импульсными блоками питания. Поэтому и самому сделать его из частей от других импульсных источников питания (ИИП) легко, а уж взять готовый блок или зарядное и слегка переделать под свое напряжение — и того проще.

Импульсный БП, то есть инверторный блок питания, характеризуется только выходным напряжением и номинальной мощностью. Входы у них у всех обычные — 220 В. Для устройств связи, модемов, например, часто встречается импульсный блок питания на 24 В. Ноутбуки чаще всего берут 19 В. Все ИБП, имеющие выход типа USB, вырабатывают 5 В. Для всего остального прочего, например, светодиодных линеек, чаще всего требуется знакомое и любимое нами по автомобильным аккумуляторам напряжение в 12 В.

Импульсный источник питания можно взять готовый, перенастроив его под требуемое напряжение выхода,

А можно собрать и самому на плате, воспользовавшись простейшей схемой.

Элементы легко приобретаются в магазинах компонентов схемотехники.

Два прибора здесь можно считать настроечными и подобрать им номиналы: сопротивление R2 и конденсатор C5

Кроме сборки элементов на плате, пользуясь данным описанием, можно сделать и импульсный трансформатор своими руками.

Недостатки импульсных БП и пути их устранения

Так как прямоугольные импульсы «не фэн-шуйны» — имеют резкие взлеты и спады напряжения (передние и задние фронты импульсов), это порождает высокочастотные помехи, способные пройти сквозь схемы с малым емкостным сопротивлением. На силовую часть различных устройств они обычно не влияют, но в умных схемах могут оказаться ощутимой нежелательной помехой.

Часто для питания компьютеров используют сетевые фильтры, пилоты, которые содержат такую функцию — подавление высокочастотных помех. Но импульсные БП сами могут являться источником таких шумовых сигналов, поэтому в нем необходимо применять дополнительную фильтрацию таких помех на выходе.

Импульсные блоки питания критичны к номиналам нагрузки, питаемая ими мощность не должна отличаться слишком сильно ни в сторону превышения, ни в сторону занижения. Регулировка обратной связью делается для того, чтобы в цифровых устройствах, которые такой БП снабжает напряжением, во время работы обычные для них колебания мощности, происходящие от включения/выключения каких-то блоков, регистров, и т. д. не ухудшали нормальную работу. Эти колебания происходят вокруг некоторого среднего значения мощности и не должны систематически отклоняться туда или сюда.

В реальных БП делается специальная защита от работы в недонагруженном или перенагруженном состоянии.