Блок питания - простой,регулируемый,импульсный.

Современная схемотехника и производители микросхем здорово облегчили жизнь конструктору-например,при создании источников питания. Продемонстрируем это на микросхеме L4960.Согласно заводской документации, на ней можно изготовить регулируемый источник питания с выходным напряжением 5,1В...40В, с током нагрузки 2.5 А, встроенной защитой по току и перегреву, КПД до 90%.Мощность рассеивания с радиатором- 15 ватт,корпус HEPTAWATT,частота преобразования 50..150 кГц.

На рисунке представлена схема включения, в основном соответствующая рекомендованной.
Поясним назначение и характеристики использованных элементов. Трансформатор- мощностью не менее 80 ватт, выходным напряжением 36 вольт и ток 3 ампера.Конденсаторы С1,С5,С6- обычные электролитические.Конденсатор С2 обеспечивает "мягкое" включение микросхемы, и может быть ёмкостью до 2 мкф. Конденсаторы С3 и С4 задают рабочую частоту и частотную компенсацию встроенного генератора,тип- плёночные. Диод D1-лучше всего Шоттки,частотой 100кГц и ток не менее 3 А. Резисторы R1,R2,R4- обычные мощностью 0,25Вт,R3-проволочный, сопротивлением 0,1 Ом 1% мощность 1 Вт, служит шунтом для амперметра (Хотелось бы заметить уважаемому Автору и читателям, что современные измерительные головки ампер- и вольтметров не нуждаются во внешнем шунтировании, поскольку имеют внутрений шунт. Прим. Кота. );можно заменить перемычкой, если не нужно измерять ток. Резистор Р1- многооборотный, служит для плавной регулировки выходного напряжения; можно заменить двумя последовательными- для грубой и точной установки напряжения.

Параметры дросселя L1- индуктивность 150..300 микрогенри. При индуктивности 150 мкГн максимальный выходной ток будет равен 2 А, при индуктивности 300 мкГн- 3 а. При макетировании схемы проверялись различные дроссели- разной индуктивности, на разных сердечниках, намотанные разным проводом. Наилучшие результаты получены на ферритовом кольце проводом диаметром 1 мм. К сожалению, дроссели все были заводской намотки с неизвестной магнитной проницаемостью и числом витков. Можно было измерить только индуктивность и комплексное сопротивление обмоток. Микросхема способна рассеивать мощность до 15 ватт, и поэтому для регулируемого стабилизатора надо установить её на соответствующий радиатор площадью не менее 200кв.см. Желательно снабдить радиатором и выпрямительный мост VD1. L2 и C6- необязательные элементы, служат для устранения коммутационных выбросов напряжения.

Характеристики получившегося стабилизатора:
выходное напряжение 5...32 вольта;
ток максимальный-2,5 ампера, при перегрузке уменьшается выходное напряжение, самовосстановление происходит при увеличении нагрузки на 20..30%;
высокочастотные пульсации выходного напряжения менее 10 мв и меньше, чем вариации выходного напряжения при изменении входного напряжения.

Стабилизатор собран в корпусе от бывшего компьютерного БП размерами 15х14х8,5 см. В качестве цифрового индикатора использован готовый модуль на базе К572пв5.Можно использовать модуль, описанный в статье "цифровой индикатор". Рисунок использованной

Импульсные источники питания, в отличие от обычных, с силовым понижающим трансформатором, при одинаковой выходной мощности, отличаются меньшими габаритами, меньшим весом и, не всегда, но, как правило, более высоким КПД. Блоки питания с регулируемым выходным напряжением обычно изготавливают с применением силового понижающего трансформатора, работающего на частоте сети переменного тока 50 Гц и линейного или импульсного стабилизатора выходного напряжения постоянного тока.

Регулируемый импульсный блок питания

Импульсные источники питания с регулируемым выходным напряжением, преобразователь сетевого напряжения которых работает на высокой частоте, распространены мало из-за их повышенной сложности. Не обязательно изготавливать такой источник питания с чистого листа, для значительного упрощения и ускорения сборки можно применить уже готовый импульсный БП на фиксированное выходное напряжение, который после несложной доработки станет регулируемым, нагрузки до 0,5 А.

Принципиальная схема показан на сайте , была составлена по монтажной плате. Высоковольтная часть этого БП выглядит - узел преобразователя собран на популярном мощном высоковольтном транзисторе MJE13003, на транзисторе Q4 собран узел защиты от перегрузки Q1. Также, Q4 участвует в схеме стабилизации выходного напряжения. Отличительной особенностью этого БП является наличие ещё одного узла защиты от перегрузки, реализованного на Q2, R8, R9.

При увеличении тока нагрузки до 0,5…0,6 А, подключенной к выходу БП, напряжение на выводах резистора R8 достигает 0,5…0,6 В, транзистор Q2 открывается, ток через светодиод оптрона U1 увеличивается, фототранзистор оптрона открывается сильнее, что приводит к большему открывания Q4, который частично шунтирует эмиттерный переход Q1, выходное напряжение БП понижается. При уменьшении тока нагрузки выходное напряжение БП стремится увеличиться, ток через стабилитрон ZD1 возрастает, что так же приводит к увеличению тока через светодиод оптрона U1. Зелёный кристалл сдвоенного светодиода

На рис. 1 показана схема импульсного БП от одной из «зарядок», маркированный как СТ1В. Выходное стабилизированное напряжение этого БП около 6,2 В при токе LED1 светит при наличии выходного напряжения. Красный кристалл светит в полную яркость при подключении к выходу БП нагрузки. Стабилитрон ZD2 защищает подключенную нагрузку от повышенного напряжения при неисправности преобразователя напряжения.

При отключении узла защиты на транзисторе Q2 выходной ток БП ограничивают на уровне около 1 А при напряжении сети 220 В узел на Q4 и датчик тока на R10. Чтобы в этом импульсном источнике питания появилась возможность регулировать выходное напряжение, он был доработан по схеме, показанной на рис. 2. Модернизированный БП рассчитан на выходное напряжение 3,3…9 В при токе нагрузки до 0,5 А. Нумерация дополнительно установленных элементов продолжает нумерацию элементов, установленных изготовителем БП.

Импульсный блок питания

На входе блока питания был установлен дополнительный RC фильтр C10R3L4C11, который понижает уровень помех, как поступающих из сети питания, так и проникающих в питающую сеть от работающего импульсного преобразователя напряжения. Резистор R16 ограничивает пусковой ток БП, а также, выполняет предохранительные функции. Пусковой ток при включении питания также ограничивается сопротивлением обмоток дросселей L3, L4. Конденсатор С1 был установлен ёмкостью 2,2 мкФ вместо 1 мкФ, а на место СЗ припаян конденсатор ёмкостью 4,7 мкФ вместо 1 мкФ.

Резистор R10 установлен сопротивлением 3,9 Ом вместо 3,3 Ом. Это снизило ток срабатывания защиты от перегрузки до 0,8 А вместо 1 А. Конденсатор С7 удалён. Конденсатор С8 установлен ёмкостью 1000 мкФ вместо 220 мкФ. Конденсатор С9 установлен на 470 мкФ вместо 220 мкФ. Параллельно этим двум конденсатором припаяно по SMD керамическому конденсатору емкостью по 10 мкФ. На место диода D8 вместо FR103 установлен более мощный диод FR203. Поскольку размах амплитуды напряжения на обмотке III превышает 50 В, диод Шотки на место D8 было решено не устанавливать.

Резистор R8 установлен сопротивлением 0,5 Ом вместо 1 Ом. Стабилитроны ZD1 и ZD2 удалены.
Выходное напряжение БП регулируют переменным резистором R20. Этот резистор используется в реостатном включении, чтобы в случае обрыва в цепи его подвижного контакта, на выходе БП было минимальное напряжение. Чем ниже по схеме положение движка R20, тем больше выходное напряжение БП. R19 и С13 устраняют самовозбуждение микросхемы регулируемого стабилитрона DA1.

Узел индикации тока подключенной нагрузки был модернизирован. Вместо кремниевого рпр транзистора типа SS9015 установлен германиевый МП25Б и изменена схема его включения. Теперь для этого узла на Q5 не требуется отдельный датчик протекающего тока, роль которого ранее выполнял кремниевый диод D3. В новой схеме резистор R8 является датчиком тока как для кремниевого Q2, так и для германиевого Q5. При выходном напряжении 5 В свечение красного кристалла светодиода становится хорошо заметным при токе подключенной нагрузки около 60 мА.

При токе нагрузки 0,35 А свечение красного кристалла полностью перекрывает свечение зелёного кристалла светодиода, при токе 0,45 А яркость свечения красного кристалла светодиода достигает максимума. На выход блока питания установлен дополнительный LC фильтр L5C15. Амплитуда напряжения пульсаций и шумов на выходе БП 20…40 мВ. Резистор R13 установлен сопротивлением 1 кОм вместо 560 Ом, а R1 680 Ом вместо 470 Ом. На последней странице обложки показаны фотографии платы до модернизации и после. Микросхема KIA431 установлена на место, где раньше был припаян светодиод.

Вместо такой микросхемы можно применить TL431, AZ431, LM431, выполненную в трёхвыводном корпусе ТО92. Вместо неисправного транзистора MJE13003 можно применить MJE13005. К высоковольтному транзистору нужно прикрепить дюралюминиевый теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности около 8 см.кв, это значительно повысит надёжность устройства. Теплоотвод с помощью тонкой слюдяной прокладки и ПВХ трубки или втулки должен быть надёжно электрически изолирован от коллектора Q1, иначе он станет эффективной излучающей антенной.

Вместо транзистора ВС847 подойдёт любой из серий 2SC1815, 2SC945, ВС548, SS9014, КТ315, КТ3102, КТ645, КТ6111. Транзистор 2SA733 можно заменить на SS9012, SS9015, ВС557, ВС558, 2SA708, КТ361, КТ209, КТ3107, КТ6112, КТ6115. Вместо германиевого транзистора МП25Б подойдёт любой из серий МП20, МП21, МП25, МП26, МП39 МП42. Рекомендованные в вариантах замен транзисторы имеют отличия в типах корпусов и цоколёвке выводов. Диоды 1N4007 можно заменить на 1N4005, 1N4007, UF4005 UF4007, 1N4937GP, 11DF4, КД 209Б, КД243Д, КД247Г.

Вместо диода FR107 может работать любой из UF4007, 1N4937GP, 1N5399, RG2M, КД247Д. Диод FR203 можно заменить на любой из FR202 FR207, FR302 FR307, SRP300D SRP300K, КД226А КД226Е. Вместо диода 1N4148 можно установить 1SS176S, 1SS244, 1 N914, КД510А,
Дроссели L3, L4 малогабаритные промышленного изготовления, намотанные на Нобразных ферритовых сердечниках. Подойдут любые индуктивностью от 100 мкГн и сопротивлением обмоток 10…100 Ом. Дроссель L5 двухобмоточный, содержит несколько витков сложенного вдвое многожильного монтажного провода на кольце из низкочастотного феррита или пермаллоя, чем больше индуктивность и чем меньше сопротивление обмоток этого дросселя, тем лучше.

Конденсаторы С10, С11 керамические высоковольтные. Переменный резистор R20 подключают к схеме экранированным проводом минимальной длины, металлический экран переменного резистора должен быть соединён с минусом С9. Резистор R16 желательно применить невозгораемый или разрывной. Светодиод любой двухкристальный с общим катодом, например, серий L119, L293. Вместо такого светодиода можно применить и два обычных светодиода непрерывного свечения. Оптрон РС817 можно заменить на любой из PS817, LTV817, EL817, SFH617A2, PS25011, РС814, РС120, РС123, выполненный в стандартном четырёхвыводном корпусе.

Все детали модернизированного блока питания размещены в коробке из полистирола размером 80x50x44 мм от сетевого адаптера для игровой приставки «Денди». Контактные штыри для подключения к сетевой розетке удалены с корпуса, вместо них используется гибкий сетевой шнур с вилкой, что гораздо удобнее. Вес устройства в сборе 110 грамм. Узел на германиевом транзисторе Q5 смонтирован на отдельной небольшой плате. Дроссель L5 приклеен к корпусу полимерным клеем «Квинтол».

СТАБИЛИЗАЦИЯ ВЫХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ

СТАТЬЯ ПОДГОТОВЛЕНА НА ОСНОВЕ КНИГИ А. В. ГОЛОВКОВА и В. Б ЛЮБИЦКОГО "БЛОКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМНЫХ МОДУЛЕЙ ТИПА IBM PC-XT/AT" ИЗДАТЕЛЬСТВА «ЛАД и Н»

Схема стабилизации выходных напряжений в рассматриваемом классе ИБП представляет собой замкнутую петлю автоматического регулирования (рис. 31). Эта петля включает в себя:
схему управления 8;
согласующий предусилительный каскад 9;
управляющий трансформатор DT;
силовой каскад 2;
силовой импульсный трансформатор РТ;
выпрямительный блок 3;
дроссель межканальной связи 4;
блок фильтров 5;
делитель напряжения обратной связи 6;
делитель опорного напряжения 7.
В составе схемы управления 8 имеются следующие функциональные узлы:
усилитель сигнала рассогласования 8.1 с цепью коррекции Zk;
ШИМ-компаратор (модулятор) 8.2;
генератор пилообразного напряжения (осциллятор) 8.3;
источник опорного стабилизированного напряжения Uref 8.4.
В процессе работы усилитель сигнала рассогласования 8.1 сравнивает выходной сигнал делителя напряжения б с опорным напряжением делителя 7. Усиленный сигнал рассогласования поступает на широтно-импульсный модулятор 8.2, управляющий предоконечным каскадом усилителя мощности 9, который, в свою очередь, подает модулированный управляющий сигнал на силовой каскад преобразователя 2 через управляющий трансформатор DT. Питание силового каскада производится по бестрансформаторной схеме. Переменное напряжение питающей сети выпрямляется сетевым выпрямителем 1 и подается на силовой каскад, где сглаживается конденсаторами емкостной стойки. Часть выходного напряжения стабилизатора сравнивается с постоянным опорным напряжением и затем осуществляется усиление полученной разности (сигнала рассогласования) с введением соответствующей компенсации. Широтно-импульсный модулятор 8.2 преобразует аналоговый сигнал управления в широтно-модулированный сигнал с переменным коэффициентом заполнения импульса. В рассматриваемом классе ИБП схема модулятора осуществляет сравнение сигнала, поступающего с выхода усилителя сигнала рассогласования с напряжением пилообразной формы, которое получается от специального генератора 8.3.

Рисунок 31. Контур регулирования типового импульсного блока питания на основе управляющей микросхемы TL494.

Рисунок 32. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП PS-200B.

Рисунок 33. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП LPS-02-150XT.

Рисунок 34. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП "Appis".

Рисунок 35. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП GT-200W.

Однако наиболее распространенным является случай, когда регулировка, позволяющая воздействовать на выходные напряжения блока, отсутствует. В этом случае напряжение на любом из входов 1 или 2 выбирается произвольным в пределах от +2,5 до +5 В, а напряжение на оставшемся входе подбирается с помощью высокоом-ного шунтирующего резистора таким, чтобы блок выдавал оговоренные в паспорте выходные напряжения в номинальном нагрузочном режиме. Рис. 35 иллюстрирует случай подбора уровня опорного напряжения, рис. 34 - показывает случай подбора уровня сигнала обратной связи. Ранее было отмечено, что значение нестабильности выходного напряжения при воздействии любых дестабилизирующих факторов (изменение тока нагрузки, напряжения питающей сети и температуры окружающей среды) можно было бы уменьшить, увеличивая коэффициент усиления цепи обратной связи (коэффициент усиления усилителя DA3).
Однако максимальное значение коэффициента усиления DA3 ограничивается условием обеспечения устойчивости. Поскольку как ИБП, так и нагрузка содержат реактивные элементы (индуктивность или емкость), накапливающие энергию, то в переходных режимах происходит перераспределение энергии между этими элементами. Это обстоятельство может привести к тому, что при определенных параметрах элементов переходный процесс установления выходных напряжений ИБП примет характер незатухающие колебаний, или же величина перерегулирования в переходном режиме будет достигать недопустимых значений.

Рисунок 36. Переходные процессы (колебательный и апериодический) выходного напряжения ИБП при скачкообразном изменении тока нагрузки (а) и входного напряжения (б).

На рис. 36 изображены переходные процессы выходного напряжения при скачкообразном изменении тока нагрузки и входного напряжения. ИБП работает устойчиво, если выходное напряжение вновь принимает установившееся значение после прекращения действия возмущения, выведшего его из первоначального состояния (рис. 37,а).

Рисунок 37. Переходные процессы выходного напряжения ИБП в устойчивой (а) и неустойчивой (б) системах.

Если это условие не соблюдается, то система является неустойчивой (рис.37,6). Обеспечение устойчивости импульсного блока питания является необходимым условием его нормального функционирования. Переходный процесс в зависимости от параметров ИБП носит колебательный или апериодический характер, при этом выходное напряжение ИБП имеет определенное значение перерегулирования и время переходного процесса. Отклонение выходного напряжения от номинального значения выявляется в измерительном элементе цепи обратной связи (в рассматриваемых ИБП в качестве измерительного элемента используется резистивный делитель, подключаемый к шине выходного напряжения +5В). Из-за инерционности петли регулирования номинальное значение выходного напряжения устанавливается с определенным запаздыванием. При этом схема управления по инерции некоторое время еще будет продолжать свое воздействие в том же направлении. В результате этого имеет место перерегулирование, т.е. отклонение выходного напряжения от его номинального значения в направлении, противоположном первоначальному отклонению. Схема управления вновь изменяет выходное напряжение в противоположную сторону и т.д. Для того чтобы обеспечить устойчивость петли регулирования выходных напряжений ИБП при минимальной длительности переходного процесса, амплитудно-частотная характеристика усилителя ошибки DA3 подвергается коррекции. Это делается с помощью RC-цепочек, включаемых как цепи отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель DA3. Примеры таких корректирующих цепочек показаны на рис. 38.

Рисунок 38. Примеры конфигурвции корректирующих RC-цепочек для усилителя ошибки по напряжению DA3.

Для уменьшения уровня помехообразования на вторичной стороне импульсного блока питания устанавливаются апериодические RC-цепочки. Остановимся подробнее на принципе их действия.
Переходный процесс тока через диоды выпрямителя в моменты коммутации происходит в виде ударного возбуждения (рис. 39,а).

Рисунок 39. Временные диаграммы напряжения на диоде восстановления обратного сопротивления:
а) - без RC-цепочки; б) - при наличии RC-цепочки.