Как известно, блок питания едва ли не самое распространенное электронное устройство. Простой блок питания сделать под силу даже начинающим. Но какую схему выбрать? Их столько, что многие теряются. В данной статье коротко рассказано об основных четырех типах схем и даны рекомендации их использования.
Перед тем, ка вы решили изготовить или подобрать готовый блок питания необходимо ответить на следующие вопросы:
- Какое напряжение должен выдавать блок питания? Это можно определить по характеристикам того устройства, которое будет подключаться к блоку питания.
- Какой ток должен обеспечивать блок питания? Это так же указано на устройстве, которое будет подключено. Если указана потребляемая мощность, то ток можно определить, разделив мощность на напряжение.
Учитывая сказанное, перейдем к рассмотрению основных типов схем.
- Бестрансформаторный блок питания с гасящим конденсатором.
Применяется при небольших токах, десятки миллиампер, редко сотни миллиампер. На практике используется для зарядки аккумуляторов небольших фонарей, питания светодиодов и т.д. Схема такого блока питания:
Величина емкости С1 при активной нагрузке определяется по формуле:
С1 – емкость, Ф
Iэфф – эффективное значение тока нагрузки, А
Uc — напряжение сети, В
Uн – напряжение на нагрузке, В
f -частота сети, 50 Гц
π — число 3,14
Если нагрузка не всегда подключена, или ее ток меняется, то схема должна содержать стабилитрон, который не позволит напряжению на конденсаторе С2 и нагрузке превысить допустимое значение:
Величина емкости С1 рассчитывается с учетом максимального тока стабилитрона и тока нагрузки.
В этой формуле: 3,5 — коэффициент, Iстmin — минимальный ток стабилитрона, Iнmax — ток нагрузки максимальный, Ucmin — напряжение сети минимальное, Uвых — напряжение выхода блока питания.
Тип емкости С1 К73-17 или подобные, рабочее напряжение не ниже 400 В. Можно С1 зашунтировать резистором несколько сотен кОм, для разряда конденсатора в выключенном состоянии.
Подробнее о расчетах таких схем рассказано в журнале Радио №5 за 1997 год (стр. 48-50).
Понятно, что при отключенной нагрузке блок питания будет потреблять мощность на работу стабилитрона, соизмеримую с мощностью нагрузки. КПД поэтому низкий. Это одна из причин использования таких схем только для малых токов. Работая с такими блоками питания важно помнить, что их детали имеют гальваническую связь с сетью и опасность поражения током велика.
- Второй тип схем, трансформаторные блоки питания. Вот основная схема.
По такой схеме можно делать блоки питания практически на любые напряжения и токи. На практике они представлены от маломощных, например, блок питания антенного усилителя собранный в сетевой вилке, до сварочника, вес которого десятки килограмм.
Приблизительный расчет трансформатора можно посмотреть здесь, более подробный и точный здесь.
Если токи нагрузки большие, емкость фильтра С1 нужна большая, тысячи микрофарад. В этом случае после диодного моста нужно ставить сопротивление, несколько Ом, чтобы в момент включения, когда С1 разряжен, бросок зарядного тока не вывел из строя диодный мост.
Если токи несколько ампер, то на диодах будет рассеиваться большая мощность. Для ее снижения применяют диоды Шоттки, на них падает меньшее напряжение (до 0,5 В), в отличие от кремниевых диодов на которых при больших токах может падать больше 1 В.
Чтобы еще снизить потери, применяют двухполупериодный выпрямитель с двумя диодами и двумя обмотками. Вот его схема:
В данном случае вторичных обмотки две. Они соединены последовательно. Мотаются проводом в половину тоньше, чем для схемы с четырьмя диодами. Так, что количество меди то же самое. Потери ниже вдвое, так как диода два. Допустим на каждом падает 1 В, при токе 10 А, это мощность потерь 10 Вт на каждом диоде. Если диода два вместо четырех, в тепло идет не 40 Вт, а 20. Польза очевидна.
Вышеприведенные схемы имеют существенный недостаток. Напряжение на выходе меняется при изменении напряжения сети. Как известно, допустимые изменения напряжения сети ±5%, от 220 В это составит (209-231) В, предельные изменения ±10%, (198-242) В. В процентном отношении так же будет изменяться и выходное напряжение.
Для устранения этого недостатка применяют стабилизаторы, от простейших на стабилитроне, иногда с транзистором, до стабилизаторов на микросхемах.
Например:
Здесь 7812 (LM7812 или аналог) распространенная микросхема стабилизатор на 12 В. Основные правила применения таких микросхем:
— напряжение на входе от 14 В до 35 В, (при минимальном напряжении сети не менее 14 В при максимальном не более 35 В)
— максимальный ток, при длительной работе 1,5 А
— мощность, рассеиваемая без теплоотвода 1,5 Вт, с теплоотводом до 15 Вт (в некоторых справочниках пишут даже 9 Вт).
Главная ошибка, которую допускают при применении таких микросхем заключается в том, что в основном смотрят на ток и забывают про мощность. Например, от микросхемы хотят запитать нагрузку на напряжение 12 В потребляющую ток 1 А. Кажется, что это можно сделать без проблем, ведь максимальный ток этой микросхемы 1,5 А.
Но, допустим, в сети максимальное напряжение 242 В и на входе микросхемы 35 В. Эта микросхема компенсационного типа, т.е. все лишнее напряжение 35 – 12 = 23 В упадет на микросхеме. При этом мощность, которая будет рассеиваться на микросхеме будет равна 23В х 1А= 23Вт. А допустимая мощность, с радиатором, всего 15 Вт. Микросхема перегреется и сгорит. Для такого случая ее допустимый ток 15 Вт : 23 В = 0,65 А, и это с радиатором.
- Импульсные стабилизаторы в трансформаторных блоках питания.
Эти стабилизаторы имеют значительно меньшие потери, чем выше рассмотренные. В них регулирующий элемент работает в ключевом режиме. У него два состояния полностью открыт или полностью закрыт. Падение напряжения на нем при этом минимально и рассеиваемая мощность также. Величина выходного напряжения пропорциональна длительности выходных импульсов.
Uвых = tоткр/T × Uвх
Где:
Uвых — напряжение на выходе стабилизатора
tоткр – время открытого состояния ключа
Т — период импульсов
Uвх – входное напряжение стабилизатора
Схема, поясняющая принцип работы:
Как видим, здесь присутствует индуктивность L, в которой накапливается энергия и импульсный диод VD. Именно с помощью этих двух элементов, ну и конечно конденсатора С, установленного за индуктивностью, импульсы после ключа VT превращаются в постоянное напряжение.
Пример такой схемы на транзисторах:
И на микросхеме:
- Импульсные блоки питания.
Это самые эффективные и малогабаритные блоки. У них нет большого понижающего трансформатора, даже при больших токах и мощностях. Пример наиболее мощного импульсного блока питания — сварочный инвертор, который при сварочных токах 250 А весит всего несколько килограмм.
Принцип работы.
Напряжение сети 220 В поступает на диодный мост и затем на фильтр (конденсатор). Напряжение приобретает значение 310 В (при напряжении сети 220 В). Это напряжение питает выходной трансформаторный каскад и генератор. Вся схема работает на частотах до 100 кГц и даже выше. На таких частотах трансформаторы делают из феррита и их габариты в десятки раз меньше, чем у трансформаторов, работающих на частоте сети 50 Гц. Как правило, сама схема импульсного блока питания является стабилизатором и напряжение на выходе не зависит от изменения напряжения сети. Современные импульсные блоки питания, как правило работают при изменении напряжения сети от 110 В до 240 В.
Пример схемы импульсного блока питания, поясняющий принцип работы, на наиболее распространенной микросхеме UC3842.
Напряжение сети 220В через плату фильтра (ППФ) поступает на сетевой выпрямитель (СВ), конденсатор фильтра (Сф) и через обмотку трансформатора на ключ VT. Через сопротивление R3 уменьшенное напряжение поступает на вывод 7 для запуска микросхемы. После начала работы на вывод 7 дополнительно, через диод VD1, с обмотки трансформатора поступает питание в установившемся режиме.
Внутри микросхемы мы видим генератор (ГЕН), ШИМ (широтно-импульсный модулятор) для управления мощным ключом, выполненном на полевом транзисторе VT. На вывод 3 поступает сигнал обратной связи.
Практическая схема импульсного блока питания на микросхеме UC3842:
Пример изготовления схемы блока питания для ноутбука можно посмотреть здесь.
Есть микросхемы импульсных блоков питания, совмещенные с мощным выходным ключом. Но их принцип работы аналогичен рассмотренному.
Вывод.
Если нужны токи десятки миллиампер блок питания можно сделать по схеме первого типа.
Дешевый блок питания, габариты которого не так важны можно собрать по схеме второго типа. Компенсационные стабилизаторы целесообразно применять на токах до 1 А.
Так же недорогой блок питания, даже со стабилизатором выходного напряжения, на токи до 3 А можно собрать по схеме третьего типа.
Ну а если нужен малогабаритный блок питания, с защитой от перегрузок, на токи больше 3 А, с малым уровнем пульсаций, устойчивый к изменениям напряжения сети — конечно нужно собирать по схеме четвертого типа.
Материал статьи продублирован на видео: