Блока инвертора или блока питания. Инверторный блок питания или пускач для авто. Высокочастотный преобразователь: его функции и схемы

Сварочный инвертор из компьютерного блока питания своими руками становится все более популярным как среди профессионалов, так и среди сварщиков-любителей. Преимущества таких аппаратов в том, что они удобные и легкие.

Применение инверторного источника питания позволяет качественно улучшить характеристики сварочной дуги, уменьшить размер силового трансформатора и тем самым облегчить вес прибора, дает возможность сделать более плавными регулировки и уменьшить разбрызгивание при сварке. Минусом сварочного аппарата инверторного типа является существенно большая цена, чем у трансформаторного аналога.

Чтобы не переплачивать в магазинах большие суммы денег за сварку, можно изготовить . Для этого необходим рабочий компьютерный блок питания, несколько электроизмерительных приборов, инструменты, базовые знания и практические навыки в электротехнических работах. Также нелишним будет обзавестись соответствующей литературой.

Если нет уверенности в своих силах, то стоит обратиться за готовым сварочным аппаратом в магазин, иначе при малейшей ошибке в процессе сборки есть риск получить электроудар или спалить всю электропроводку. Но если есть опыт собирать схемы, перематывать трансформаторы и создавать электроприборы своими руками, можно смело приступать к выполнению сборки.

Принцип работы инверторной сварки

Сварочный инвертор состоит из понижающего напряжение сети силового трансформатора, дросселей-стабилизаторов, уменьшающих пульсацию тока, и блока электросхем. Для схем можно применять транзисторы MOSFET или IGBT.

Принцип действия инвертора заключается в следующем: переменный ток от сети направляется на выпрямитель, после чего в силовом модуле происходит преобразование постоянного тока в переменный с повышением частоты. Далее ток поступает на высокочастотный трансформатор, а на выходе из него получается ток сварочной дуги.

Вернуться к оглавлению

Инструменты, необходимые для изготовления инвертора

Чтобы собрать сварочный инвертор из блока питания своими руками, понадобятся следующие инструменты:

паяльник;
отвертки с разными наконечниками;
плоскогубцы;
кусачки;
дрель или шуруповерт;
крокодилы;
провода необходимого сечения;
тестер;
мультиметр;
расходные материалы (провода, припой для пайки, изолента, шурупы и другие).

Чтобы создать сварочный аппарат из компьютерного блока питания, необходимы материалы для создания печатной платы, гетинакс, запасные элементы. Чтобы уменьшить количество работы, стоит обратиться в магазин за готовыми держателями для электродов. Однако можно сделать их и самостоятельно, припаяв крокодилы к проводам необходимого диаметра. При этой работе важно соблюдать полярность.

Вернуться к оглавлению

Порядок сборки сварочного аппарата

В первую очередь, чтобы создать сварочный аппарат из компьютерного блока питания, необходимо достать источник питания из корпуса компьютера и выполнить его разборку. Основные элементы, которые можно из него использовать, это несколько запчастей, вентилятор и стандартные пластины корпуса. Тут важно учесть режим работы охлаждения. От этого зависит, какие элементы для обеспечения необходимой вентиляции нужно добавить.

Работу стандартного вентилятора, который будет охлаждать будущий сварочный аппарат из компьютерного блока, необходимо протестировать в нескольких режимах. Такая проверка позволит убедиться в работоспособности элемента. Чтобы сварочный аппарат в ходе работы не перегревался, можно поставить дополнительный, более мощный источник охлаждения.

Для контроля необходимой температуры следует установить термопару. Оптимальная температура для работы сварочного аппарата не должна превышать 72-75°С.

Но в первую очередь следует установить на сварочный аппарат из компьютерного блока питания необходимого размера ручку для переноски и удобства работы. Ручка устанавливается на верхней панели блока при помощи шурупов.

Важно выбрать шурупы оптимальные по длине, иначе слишком большие могут задеть внутреннюю схему, что недопустимо. На этом этапе работы следует побеспокоиться о хорошей вентиляции аппарата. Размещение элементов внутри блока питания весьма плотное, потому в нем следует заранее устроить большое число сквозных отверстий. Выполняются они дрелью или шуруповертом.

Далее, чтобы создать схему инвертора, можно использовать несколько трансформаторов. Обычно выбирают 3 трансформатора типа ETD59, E20 и Kх20х10х5. Найти их можно практически в любом магазине радиоэлектроники. А если есть уже опыт создания трансформаторов самим, то проще выполнить их своими руками, ориентируясь на количество витков и рабочие характеристики трансформаторов. Найти подобную информацию в интернете не составит никакого труда. Может понадобиться трансформатор тока K17х6х5.

Выполнять самодельные трансформаторы лучше всего из гетинаксовых катушек, обмоткой послужит эмаль-провод, сечением 1.5 или 2 мм. Можно использовать медную жесть 0.3х40 мм, предварительно обернув ее прочной бумагой. Подойдет термобумага от кассового аппарата (0.05 мм), она прочна и не так рвется. Обжимку следует делать из деревянных колодок, после чего всю конструкцию нужно залить «эпоксидкой» или покрыть лаком.

Создавая сварочный аппарат из компьютерного блока, можно использовать трансформатор из микроволновой печи или старых мониторов, не забывая изменять количество витков обмотки. При этой работе нелишним будет пользоваться электротехнической литературой.

В качестве радиатора можно использовать PIV, предварительно распиленный на 3 части, или другие радиаторы от старых компьютеров. Приобрести их можно в специализированных магазинах, занимающихся разборкой и модернизацией компьютеров. Такие варианты позволят приятно сэкономить время и силы на поисках подходящего охлаждения.

Чтобы создать аппарат из компьютерного блока питания, обязательно следует использовать однотактный прямоходовой квазимистый мост, или «косой мост». Этот элемент является одним из основных в работе сварочного аппарата, поэтому на нем лучше не экономить, а приобрести новый в магазине.

Печатные платы можно скачать в интернете. Это значительно облегчит воссоздание схемы. В процессе создания платы понадобятся конденсаторы, 12-14 штук, 0.15 мк, 630 вольт. Они необходимы для блокировки резонансных выбросов тока от трансформатора. Также, чтобы изготовить такой аппарат из компьютерного блока питания, понадобятся конденсаторы С15 или С16 с маркой К78-2 или СВВ-81. Транзисторы и выходные диоды следует устанавливать на радиаторы, не используя дополнительные прокладки.

В процессе работы необходимо постоянно использовать тестер и мультиметр во избежание ошибок и для более быстрой сборки схемы.

После изготовления всех необходимых частей следует разместить их в корпусе с последующей их разводкой. Температуру на термопаре стоит выставить в 70°С: это защитит всю конструкцию от перегрева. После сборки сварочный аппарат из компьютерного блока необходимо предварительно протестировать. Иначе при допущенной в ходе сборки ошибке можно сжечь все основные элементы, а то и получить удар током.

На лицевой стороне следует установить два контактодержателя и несколько регуляторов силы тока. Выключателем аппарата в такой конструкции будет стандартный тумблер компьютерного блока. Корпус готового аппарата после сборки требуется дополнительно укрепить.

Для выполнения сварочных работ в домашних условиях незаменим сварочный инверторный аппарат. Принцип его работы основан на использовании транзисторов и переключателей, при помощи которых сначала сетевое напряжение трансформируется в постоянное.

Затем изменяются характеристики тока (повышается частота синусоиды). Эти действия приводят к понижению значения напряжения, что приводит к выпрямлению тока, при этом частота тока не изменяется.

Широкое использование данных аппаратов связано с рядом его достоинств, к которым можно отнести:

Небольшие габаритные размеры , а также малый вес, что существенно облегчает труд при сварочных работах и позволяет расположить аппарат в удобном месте;
Возможность изготовить его самостоятельно, затратив немного средств. Кроме этого, сборка своими руками позволяет подобрать детали с необходимыми характеристиками, а также в дальнейшем достаточно просто выполнить ремонт агрегата или замену деталей для корректировки характеристик;
Высокий КПД , что позволяет ему конкурировать с готовыми аппаратами.

Недостатками сварочного инвертора, который изготовлен самостоятельно, являются:

Малый срок службы , при неверно подобранных деталях;
Отсутствует возможность реализовать дополнительные функции , которые способны улучшать качество сварного шва;
При необходимости получить аппарат большой мощности требуется организация дополнительной системы охлаждения, что увеличивает конечную стоимость и габариты.

Следует учесть, что самостоятельная сборка инвертора достаточно кропотливый труд , занимающий много времени и требующий определенных навыков. Но современные производители предлагают широкий выбор комплектующих, что значительно облегчает их выбор. Сам подбор деталей основан на совместимости параметров по типам и характеристика, а также на возможности простой замены в дальнейшем.

Основными элементами инвертора являются:

блок питания;
силовая часть и ее ключи.

К базовым выходным характеристикам относятся:

потребляемый ток, причем его максимальное значение;
напряжение и частота в сети;
значение тока сварки, при котором будет выполняться шов.

Подготовительный этап

Перед тем как приступить к покупке деталей для изготовления инвертора необходимо точно представлять значения выходных параметров, а также иметь электрические схемы всех элементов (общая схема, блока питания).

Рассмотрим изготовление сварочного аппарата с входными характеристиками:

напряжение сети 220 В;
частота 50 ГЦ;
сила тока 32 А.

На выходе получится ток, преобразованный до величины 250 А, то есть увеличил свое входное значение в 8 раз. Данным аппаратом можно выполнять сварной шов, расположив электрод менее 1 см к свариваемой детали.

Перед тем как приступить к сборке аппарата необходимо подготовить следующие материалы и инструменты:

отвертки (плоские и крестовые) разных размеров;
приборы для измерения напряжения и силы тока (вольтметр и амперметр), которые можно заменить современным универсальным измерительным прибором;
с маленьким жалом;
компоненты для выполнения паяльных работ (канифоль, проволока);
осциллограф, применение которого позволит контролировать изменение синусоиды тока;
специальная сталь с подходящими электротехническими параметрами;
хлопковая и стекловолоконная ткани;
сердечник для трансформатора;
обмотки трансформаторов:
первичная на 100 витков из проволоки диаметром 0,3 мм
вторичные (внутренняя – это 15 витков проволокой 1 мм, средняя – это 15 витков из проволоки 0,2 мм, наружная – 20 витков, выполненные проволокой 0,35 мм);
текстолит;
болты и саморезы;
транзисторы с необходимыми характеристиками;
провода разного сечения;
силовой кабель;
изолента или специальная бумага.

После выполнения подготовительных работ можно приступать к сборке.

Блок питания инвертора

Плату, где располагается блок питания инвертора, собирают отдельно от силового элемента аппарата. Кроме этого, их требуется разделить между собой листом металла, который закреплен к корпусу жестко.

Основным элементом блока питания является трансформатор, который можно изготовить самостоятельно. С его помощью напряжение, которое поступает из сети, будет преобразовываться до величины безопасной для жизни, а затем повышать силу тока для выполнения сварки.

Материалом для сердечника может быть железо размеров 7х7 или 8х8. При этом можно брать как стандартные пластины или отрезать требуемый кусок металла от имеющегося листа. Обмотка выполняется медным проводом марки ПЭВ, так как именно этот материал максимально обеспечивает требуемые характеристики (малое сечение при достаточной ширине).

Использование другого материала в качестве обмотки может существенно повлиять на характеристики трансформатора, например, увеличить нагрев данной детали.

Сборку трансформатора, состоящего из 2-х обмоток, начинают создания первичной обмотки. Для этого проволоку сечением 0,3 мм обматывают 100 раз на сердечник. При этом важно чтобы обмотка занимала всю ширину сердечника. Эта особенность позволит улучшить работу инвертора при перепадах сетевого напряжения в процессе дальнейшей работы.

При этом каждый виток должен плотно прилегать к предыдущему, при этом нахлеста лучше избегать. После того как все 100 витков выполнены, необходимо уложить слой специальной изолирующей бумаги или ткани из стекловолокон. Следует учесть, что бумага будет темнеть в процессе эксплуатации.

Далее выполняют вторичную обмотку. Для этого необходимо взять медный провод сечением 1 мм и сделать 15 оборотов, стараясь распределить их по всей ширине, на равном расстоянии друг от друга. После покрытия их лаком и просушки, наматывают 2 слой медным проводом сечением 0,2 мм, делая также 15 оборотов.

Их тоже необходимо распределить, как и в предыдущем случае и изолировать. Последним слоем для вторичной обмотки будет ПЭВ сечением 0,35 мм, витков при этом будет 20. Последний слой также необходимо изолировать.

Корпус

Далее приступают к изготовлению корпуса. Его размер должен быть соизмерим с габаритами трансформатора и плюс 70% на размещение остальных деталей инвертора. Сам корпус может быть выполнен из листовой стали толщиной 0,5-1 мм.

Для соединения углов можно использовать болты или при помощи специальных гибочных станков изогнуть лист до нужных размеров. Если на корпусе расположить ручку для крепления инвертора на ремне или для простоты переноса, то это в значительной степени облегчит эксплуатацию прибора в дальнейшем.

Кроме этого, конструкция корпуса должна предусматривать достаточно простой доступ ко всем деталям, расположенным внутри него. На нем необходимо проделать несколько технологических отверстий для переключателей, кнопки питания, световой сигнализации о работоспособности, а также кабельные разъемы.

Силовая часть и инверторный блок

Силовым блоком для инвертора служит трансформатор, особенностью которого является наличие 2 сердечников, которые располагают рядом с маленьким зазором, прокладывая лист бумаги. Этот трансформатор собирается аналогично предыдущему. Важной деталью является то, что изоляционный слой между витками провода необходимо усилить, что позволит не допустить пробоя напряжения. Кроме этого, между слоями проводов укладывают прокладки, выполненные из фторопласта.

К силовой части можно отнести конденсаторы, которые соединены согласно схеме. Они предназначены для уменьшения резонанса трансформаторов, а также призваны минимизировать и компенсировать потери тока в транзисторах.

Инверторный блок аппарата служит для преобразования тока , у которого на выходе повышается частота. Для этого в инвертор используют транзисторы или диоды. Если решено использовать диоды в этом блоке, то их необходимо собрать в косой мост по специальной схеме. Выводы из него идут к транзисторам, которые предназначены для возврата переменного тока с большей частотой. Диодный мост и транзисторы должны быть разделены перегородкой.

Система охлаждения

Так как все элементы агрегата подвержены нагреву, то необходимо организовать систему охлаждения, которая обеспечит бесперебойную надежную работу. Для этого можно использовать кулеры от компьютеров, а также выполнить несколько дополнительных отверстий в корпусе для легкого доступа воздуха внутрь аппарата. Однако таких отверстий не должно быть слишком много, чтобы избежать попадания лишней пыли в корпус.

Кулеры должны располагаться таким образом, чтобы они могли работать на вывод воздуха из корпуса аппарата. Элементы охлаждения нуждаются в профилактике, например, замене термопасты, поэтому доступ к ним должен быть простой.

Есть несколько деталей в инверторе, которые требуют обязательного охлаждения. Это трансформаторы. Для их охлаждения разумно монтировать 2 вентилятора. Кроме этого, в дополнительном охлаждении нуждается диодный мост. Он устанавливается на радиаторе.

Установка такого элемента, как термодатчик, и дальнейшее его соединение со светодиодом на корпусе, позволит подавать сигнал при достижении недопустимой температуры и отключать инвертор от питания для охлаждения.

Сборка

Сборка инвертора осуществляется в следующем порядке:

на основание корпуса располагается трансформатор, диодный мост, схема управления;
выполняется скрутка, спайка и крепление между собой всех проводов;
на наружной панели выводятся световая индикация, кнопка пуска, разъем кабеля.

Когда все установлено, можно проверять работу аппарата.

Проверка работы

Чтобы проверить аппарат необходимо использовать для этого осциллограф. Инвертор подключают к сети в 220 В, а затем по прибору проверяются, насколько выходные параметры соответствуют требуемым. Например, напряжение должно быть в пределах 500-550 В. При абсолютно правильной сборке и правильно подобранных деталях, это значение не должно переходить порог в 350 В.

После таких замеров и приемлемых показателей осциллографа, можно приступать к выполнению сварочного шва. После того, как первый электрод полностью выгорит, необходимо провести замеры температуры на трансформаторе. Если он кипит, то схема нуждается в доработке, аппарат необходимо отключить и внести изменения. Только после того, как приняты меры по устранению данного недочета, можно повторно выполнить запуск с таким же замером температуры после окончания работы.

Правила эксплуатации

Сварочный инвертор можно применять как для сваривания деталей выполненных из черного металла, так и вести работы с цветным. Он полезен как в частном доме, на даче, так и в гараже.

При его эксплуатации необходимо следить за качеством напряжения и частоты в сети.

Для продолжительного использования данного агрегата необходимо периодически проверять работоспособность отдельных его чистке, выполнять профилактические мероприятия по очистке его от пыли и грязи.

При самостоятельном изготовлении инвертора необходимо:

иметь схемы всех элементов аппарата;
правильно подбирать комплектующие;
выдерживать все необходимые зазоры и тщательно изолировать элементы;
соблюдать правила техники безопасности.

Предисловие

Хочу заранее предупредить уважаемых читателей данной статьи о том, что данная статья будет иметь не совсем привычную для читателей форму и содержание. Поясню почему.

Предоставленный Вашему вниманию материал абсолютно эксклюзивен. Все устройства о которых пойдёт речь в моих статьях разрабатываются, макетируются, настраиваются и доводятся до ума лично мной. Чаще всего всё начинается с попытки реализовать на практике какую-нибудь интересную идею. Путь бывает очень тернист, и занимает, порой, довольно длительное время и каков будет конечный результат, и будет ли он вообще – заранее не известно. Но, практика подтверждает – дорогу осилит идущий…, и результаты, порой превосходят все ожидания…А как увлекателен сам процесс – словами не передать.Надо признать,что знаний и умений у меня (как у всех, надо отметить) хватает не всегда, и мудрые и своевременные советы только приветствуются, и помогают довести задумку до логического конца. Вот такая специфика…

Эта статья адресована не столько начинающим, а скорее к людям уже имеющим необходимые знания и опыт, которым тоже интересно ходить нехожеными тропами, и которым стандартные подходы к решению задач не столь интересны…Важно понять, что это не материал для бездумного повторения, а скорее – направление в котором нужно двигаться…Не обещаю читателям больших подробностей про очевидные, общеизвестные и понятные грамотному в электронике вещи…, но обещаю, что главная СУТЬ будет всегда хорошо освещена.

Про инвертор

Инвертор, о котором пойдёт речь, появился на свет именно описанным выше образом…К сожалению, я не могу, не нарушая правил публикации данных статей, осветить подробно, как он появился на свет, но уверяю, что схемы двух крайних вариантов инвертора ещё нигде не публиковались…Более того – предпоследний вариант схемы уже практически используется, а крайний (надеюсь – самый совершенный из них), пока лишь на бумаге и ещё не макетировался, но в работоспособности его не сомневаюсь, а изготовление и его проверка займёт всего пару дней…

Знакомство с микросхемой для полу-мостового инвертора IR2153, произвело хорошее впечатление - довольно маленький потребляемый по питанию ток, наличие дид-тайма, встроенный контроль питания…Но у неё два существенных недостатка – отсутствует возможность регулировать длительность импульсов на выходе и довольно маленький ток драйверов…(реально он не озвучен в даташите, но вряд ли он больше чем 250-500 мА…). Необходимо было решить две задачи – придумать, как реализовать регулировку напряжения инвертора, и как увеличить ток драйверов силовых ключей…

Эти задачи удалось решить введением в схему оптических драйверов полевых транзисторов, и дифференцирующих цепей на выходах микросхемы IR2153 (см. Рис.1)

Рис.1

Пара слов о том, как работает регулировка длительности импульсов. Импульсы с выходов IR2153 поступают на дифференцирующие цепи состоящие из элементов С2, R2, светодиод оптического драйвера, VD3-R4- транзистор оптрона…, и элементов С3,R3,светодиод оптического драйвера, VD4-R5- транзистор оптрона…Элементы дифференцирующих цепей рассчитаны таким образом, что, при закрытом транзисторе оптрона обратной связи, длительность импульсов на выходах оптических драйверов практически равна длительности импульсов на выходах IR2153. При этом, напряжение на выходе инвертора – максимально.

В момент, когда напряжение на выходе инвертора достигает напряжения стабилизации, начинает приоткрывается транзистор оптрона …, это приводит к уменьшению постоянной времени дифференцирующей цепи, и, как следствие, к уменьшению длительности импульсов на выходе оптических драйверов. Это обеспечивает стабилизацию напряжения на выходе инвертора. Диоды VD1,VD2 ликвидируют отрицательный выброс, возникающий при дифференцировании.

Тип оптических драйверов умышленно не озвучиваю. Вот почему – оптический драйвер полевого транзистора, это большая отдельная тема для разговора. Номенклатура их очень велика – десятки …, если не сотни типов …, на любой вкус и цвет. Чтобы понять их назначение и их особенности, необходимо поизучать их самостоятельно.

Представленный инвертор имеет ещё одну важную особенность. Поясню. Так как основное предназначение инвертора – зарядка литиевых (хотя – можно любых, конечно) аккумуляторов, пришлось принять меры по ограничению тока на выходе инвертора. Дело в том, что если подключить к блоку питания разряженный аккумулятор, ток зарядки может превысить все разумные пределы…Чтобы ограничить ток зарядки на необходимом нам уровне, в цепь управляющего электрода TL431, введён шунт Rш…Как это работает? Минус заряжаемого аккумулятора подключается не к минусу инвертора, а к верхнему по схеме выводу Rш…При протекании тока через Rш, повышается потенциал на управляющем электроде TL431…, что приводит к уменьшению напряжения на выходе инвертора, и, как следствие, к ограничению тока зарядки. По мере зарядки аккумулятора, напряжение на нём растёт, но вслед за ним, растёт и напряжение на выходе инвертора, стремясь к напряжению стабилизации.Короче - простая, и эффективная до безобразия штуковина. Изменив номинал Rш, легко ограничить ток заряда на любом нужном нам уровне. Именно поэтому, сам номинал Rш не озвучен… (ориентир – 0,1 Ом и ниже…) , его легче подобрать экспериментально.

Предвидя множество поучающих комментариев о «правильности» и «неправильности» принципов зарядки литиевых аккумуляторов, большая просьба – от подобных комментариев воздержаться и поверить на слово,что я более чем в курсе, как это делается…Это большая, отдельная тема …, и в рамках этой статьи она обсуждаться не будет.

Несколько слов о ВАЖНЫХ особенностях настройки сигнальной части инвертора…

Для проверки работоспособности и настройки сигнальной части инвертора необходимо подать +15 Вольт в цепь питания сигнальной части от любого внешнего блока питания и проконтролировать осциллографом наличие импульсов на затворах силовых ключей. Затем, необходимо имитировать срабатывание оптрона обратной связи (подав напряжение на светодиод оптрона) и убедиться, что при этом происходит ПОЧТИ полное сужение импульсов на затворах силовых ключей. При этом, удобнее щупы осциллографа подключить не штатно, а иначе – сигнальный провод щупа к одному из затворов силового ключа, а общий провод щупа осциллографа – к затвору другого силового ключа…Это даст возможность видеть импульсы разных полутактов одновременно …(то, что в соседних полутактах мы увидим импульсы противоположной полярности, здесь значение не имеет).Теперь САМОЕ важное – необходимо убедится (или добиться), чтобы при ВКЛЮЧЕННОМ оптроне обратной связи управляющие импульсы НЕ сужались до нуля (остались минимальной длительности, но не потеряли прямоугольную форму…). Кроме того, важно, подбором резистора R5 (или R4) добиться, чтобы импульсы в соседних полутактах были ОДИНАКОВОЙ длительности…(разница вполне вероятна, из-за разницы характеристик оптических драйверов). См. Рис.2

Рис.2

После этих хлопот, подключение инвертора к сети 220 Вольт, пройдёт, скорей всего без проблем. Очень желательно при настройке подключить к выходу инвертора небольшую нагрузку (автомобильную лампочку на 5 Вт)…Из-за ненулевой минимальной длительности управляющих импульсов, без нагрузки, напряжение на выходе инвертора может быть выше напряжения стабилизации. Это не мешает эксплуатации инвертора, но, от этого неприятного момента, надеюсь избавиться в следующем варианте инвертора.

Важное про рисунок печатной платы – она имеет ряд особенностей…

Последние несколько лет использую платы разработанные под аля-планарный монтаж элементов…То есть – все элементы расположены со стороны печатных проводников. Таким образом припаяны ВСЕ элементы схемы …, даже те, которые от рождения не предназначены для планарного монтажа. Это значительно уменьшает трудоёмкость изготовления. Кроме того – плата имеет абсолютно плоскую нижнюю часть и появляется возможность разместить плату непосредственно на радиаторе. Подобная конструкция заметно упрощает процесс замены элементов при настройке и ремонте. Некоторые соединения (самые неудобные, для разводки печатным способом) выполняются изолированным монтажным проводом. Это вполне оправданно, так как позволяет значительно уменьшить размеры платы.

Сам рисунок печатной платы (см.Рис.3) , это скорее ОСНОВА для именно Вашей конструкции.Её окончательный рисунок будет необходимо корректировать под используемые именно Вами оптические драйвера. Надо иметь ввиду, что разные оптические драйверы имеют РАЗНЫЕ корпуса, и нумерация и назначение выводов, может отличаться от приведённой на схеме в данной статье. Представленная плата пережила уже штук десять модификаций в отношении сигнальной части. Корректировка сигнальной части, порой очень значительная, отнимает совсем не много времени.

Рис.3

Приводить точный перечень элементов в рамках данной статьи я не планирую. Причина проста – главная цель всей этой возни, сделать полезную вещь с минимальными трудозатратами из максимально доступных элементов. То есть - собирайте, из того что есть. Кстати – если выходное напряжение инвертора не планируется делать более двадцати вольт, то в качестве выходного трансформатора можно использовать любой трансформатор от компьютерного блока питания (собранного по полу-мостовой схеме). Фото ниже - общий вид собранного инвертора, чтобы Вы имели представление, как это выглядит (лучше - один раз увидеть, чем сто раз услышать). Очень прошу быть снисходительными к качеству сборки, но у меня просто выхода нет - руки всего две... Паяешь текущий вариант, а в голове уже следующий вариант почти созрел... И иначе - никак...- через ступеньку не прыгнешь...

Да, вот про что забыл упомянуть – наверняка возникнут вопросы про мощность инвертора. Отвечу так – максимальную мощность подобного инвертора заочно трудно оценить…, она определяется, в основном, мощностью применяемых силовых элементов, выходного трансформатора и максимальным пиковым током выхода оптических драйверов. При больших мощностях большое влияние начнут оказывать сама конструкция, демпферные цепи силовых ключей…, понадобится применение синхронных выпрямителей вместо диодов на выходе…Короче – это уже совсем другая история, значительно более сложная в реализации…Что касается описанного инвертора, я использую его для зарядки LiFePO4 аккумулятора с напряжением 21,9 Вольт (ёмкость – 15А/ч) током 7-8 Ампер…Это та грань, где температура радиатора и трансформатора находится в разумных пределах и не требуется принудительного охлаждения…На мой вкус – дёшево и сердито..

Более подробно говорить о данном инверторе в рамках данной статьи я не планирую. Всё осветить не возможно (и отнимает такую тучу времени, надо заметить...), так что будет более разумно обсудить возникшие вопросы в отдельной теме на форуме паяльника. Там я выслушаю все пожелания и критические замечания, и отвечу на вопросы.

Не сомневаюсь - очень многим может не понравится подобный подход. А многие уверены, что всё уже придумано до нас... Уверяю - это не так...

Но это не конец истории. Если будет интерес, то можно будет продолжить разговор …, ведь есть ещё один, крайний вариант сигнальной части. …Надеюсь – продолжение следует.

Дополнения от 25.06.2014

Вот так получается и в этот раз - ещё не успели высохнуть чернила в статье, а уже появились очень интересные мысли, как сделать сигнальную часть инвертора более совершенной...

Хочу предупредить, что все рисунки, помеченные подписью "проект" в полностью собранном инверторе НЕ проверялись! Но если, работоспособность отдельных фрагментов схемы была проверена на макете, и их работоспособность подтвердилась, я буду оговаривать особо.

Принцип работы доработанной сигнальной части, по-прежнему основан на дифференцировании импульсов с микросхемы IR2153. Но с точки зрения правильности построения электронных схем, подход здесь более грамотный.

Пара пояснений - собственно дифференцирующие цепи теперь включают в себя C2, R2, R4 и C3, R3, R5 плюс диоды VD1, VD2 и оптрон обратной связи. Диоды, устраняющие отрицательные выбросы возникающие при дифференцировании - исключены..., так как в них нет необходимости - полевые транзисторы допускают подачу напряжения затвор-исток +/-20 Вольт. Продифференцированные импульсы, меняющие свою длительность при воздействии оптрона обратной связи, поступают в затворы транзисторов Т1, Т2, которые включают светодиоды оптических драйверов...

Данная схема проверена на макете. Она показала хорошую работоспособность и большую гибкость в настройке. Настоятельно рекомендую к использованию.

На фото ниже - фрагмент принципиальной схемы с изменённой сигнальной частью и рисунок печатно платы с коррекциями под доработанную сигнальную часть...

Продолжение следует...

Дополнение от 29.06.14

Вот так выглядит крайний вариант сигнальной части инвертора, о котором я упоминал в начале статьи. Наконец, нашёл время сделать его макет и посмотреть в реалии на его работу… Посмотрел…, и таки – да, именно он и будет назначен самым совершенным из предложенных… Схему можно назвать удачной и потому, что все элементы в ней выполняют функции, для которых и предназначены от рождения.

В этом варианте регулятора использован иной, более привычный, способ изменения длительности управляющих. Импульсы с выходов IR2153 преобразуются из прямоугольной, в треугольную форму, интегрирующими цепями R2,C2 и R3,C3. Сформированные треугольные импульсы поступают на инвертирующие входы сдвоенного компаратора LM393. На неинвертирующие входы компараторов поступает напряжение с делителя R4,R5. Компараторы сравнивают текущее значение треугольного напряжения с напряжением с делителя R4,R5, и в моменты, когда величина треугольного напряжения превышает напряжение с делителя R4,R5, на выходах компараторов возникает низкий потенциал. Это приводит к включению светодиода оптического драйвера… УВЕЛИЧЕНИЕ напряжения с делителя R4,R5 приводит к УМЕНЬШЕНИЮ длительности импульсов на выходах компараторов. Именно это позволят организовать обратную связь выхода инвертора с формирователем длительности импульсов, и обеспечить, тем самым, стабилизацию и управление выходным напряжением инвертора. При срабатывании оптрона обратной связи, транзистор оптрона приоткрывается, напряжение с делителя R4,R5 – увеличивается, что приводит к уменьшению длительности управляющих импульсов…, при этом, выходное напряжение – уменьшается… Величина резистора R6* определяет степень влияния цепи обратной связи на длительность формируемых импульсов… – чем номинал резистора R6* меньше, тем меньше длительность импульсов при срабатывании оптрона обратной связи… При настройке, изменение номинала резистора R6*, позволяет добиться того, что длительность сформированных импульсов в момент срабатывания оптрона обратной связи будет стремиться (или будет равной – здесь это не страшно) к нулю. Рисунки ниже, помогут понять суть работы компараторов.

Пара слов о важном при настройке. Сама процедура настройки, достаточно проста, но сделать её без осциллографа – даже не пытайтесь... Это равносильно попыткам ехать с завязанными глазами... Особенность (и это, скорее, его достоинство, чем недостаток) в том, что он позволят сформировать импульсы с любым соотношением длительностей в соседних каналах... Нужно понимать, что формирователь может как изменить (ввести или устранить полностью) длительность дид-тайма между импульсами соседних каналов, но даже сформировать их так, что импульсы соседних каналов будут «накладываться» друг на друга..., что, естественно – недопустимо... Ваша задача – контролируя осцилографом импульсы на выходе драйверов, изменяя номинал резистора R4*, выставить на неинвертирующих входах компараторов такое напряжение, при котором на выходах драйверов будут сформированы импульсы, разделённые дид-таймом 1-2 мкС (чем дид-тайм шире – тем риск сквозных токов – меньше).

Затем, необходимо включить оптрон обратной связи, и, изменяя величину резистора R6*, выбрать его таким, при котором длительность формируемых уменьшится до нуля. Во время этой процедуры, будет не вредно проконтролировать МОМЕНТ ИСЧЕЗНОВЕНИЯ формируемых импульсов. Очень желательно, чтобы полное исчезновение формируемых импульсов происходило ОДНОВРЕМЕННО... Неодновременное исчезновение возможно, если сильно различны параметры интеграторов R2,C2 и R3,C3. Это можно вылечить небольшим изменением номиналов элементов одного из интеграторов. Я сделал это практически. Для удобства, временно, вместо цепи транзистор оптрона-R6*, подключил потенциометр на 20 Ком, и выставил длительность импульсов на грани исчезновения. Разница в длительности сформированных импульсов, оказалась ничтожной… Но и её я устранил, уставив добавочной конденсатор (всего 30 пФ), параллельно конденсатору С3.

Пара слов об особенностях работы оптических драйверов... При настройке выяснилось,что оптические драйвера лучше работают при большем токе светодиодов.Причём, есть ещё один важный ньюанс – светодиод оптродрайвера потребляет больший ток не в течение всей длительности импульса, а лишь в достаточно короткие периоды (1-2мкС), совпадающие по времени с положениями фронтов импульсов. Это важно, так как позволяет понять, что средний ток потребляемый светодиодом оптодрайвера реально совсем не высок.Этими соображниями обусловлен выбор номинала резистора R7. Реально измеренный ПИКОВЫЙ ток светодиода оптодрайвера, при указанном на схеме номинале составляет 8-10 мА.

В схему добавлен диод (VD5) в цепи в цепи питания нижнего драйвера. Поясню зачем. Применяемые мной оптодрайвера, имеют встроенною систему контроля питания. В связи с тем, что в цепи питания верхнего драйвера всегда используется диод, напряжение питания верхнего драйвера всегда оказывается чуть ниже напряжения питания нижнего драйвера. Поэтому, при снижении напряжения питания, импульсы с выхода верхнего драйвера исчезают чуть раньше, чем нижнего. Чтобы сблизить моменты отключения драйверов и введён диод VD5.На эти моменты всегда следует обращать пристальное внимание…

Здесь же, самое время заметить, что данный формирователь можно использовать (после небольшого изменения логики работы компаратора) вместе с обычными (не оптическими) драйверами полу-мостов. Кто не понял о чём речь, посмотрите, к примеру, что такое IR2113. Подобных – тьма …, и их применение может оказаться даже более предпочтительным, чем оптических… Но это тема для следующего дополнения к статье…Не обещаю, что проверю на практике их работу, но хотя бы на уровне принципиальных схем нескольких вариантов – нет проблем….

Вот так – буков много – но реально настройка сводится к подбору двух резисторов. Хочу особо отметить, что данный формирователь НЕ критичен к своему питанию – в диапазоне питания микросхемы IR2153 (9-15 Вольт), он работает абсолютно адекватно. Исчезновение импульсов с выходов IR2153 при снижении её питания (в момент выключения блока), приводит к закрытию силовых ключей.

Ещё пара советов – не стоит пытаться заменить IR2153 неким аналогом на дискретных элементах – это не продуктивно… Реально, это возможно, но просто не разумно – количество деталей вырастет в разы (в оригинале – их всего три…, куда уж меньше). Кроме того, придётся решать вопросы, по поведению аналога при включении и выключении (а они будут однозначно). Борьба с этим ещё более усложнит схему, и смысл этой затеи сведётся на нет…

Для тех, кому данная тема интересна, прилагаю для удобства откорректированные под данный формирователь рисунки печатных плат. Среди них – собственно формирователь в виде субмодуля... – с них удобнее начать первое знакомство. ОСОБО подчеркну – если решите попробовать настроить формирователь автономно (не подключая силовые ключи), помните, что при настройке необходимо соединить «виртуальный» общий верхнего драйвера, с реальным общим проводом (иначе – у верхнего драйвера будет отсутствовать питание).

Хотя дальнейшее изменения инвертора я не планировал, но надо заметить, что наличие всего одной цепи регулировки длительности, позволят легко ввести в него любые защиты по току. Это, отдельная интересная тема, и мы, возможно, вернёмся к ней позже…

В заключение данного дополнения напомню – от рождения, основное назначение инвертора – зарядка литиевых аккумуляторов. Особыми, очень важными свойствами, его наделяет применение в схеме Rш…Кто не осознал его назначение, рекомендую вникнуть ещё раз в тот раздел статьи, в котором о нём идёт речь.

Если не использовать Rш (перемкнуть) – будем иметь обычный инвертор со стабилизацией напряжения (но, без всякой защиты по току, естественно…).

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот
	Драйвер питания и MOSFET	IR2153	1		В блокнот
	ИС источника опорного напряжения	TL431	1		В блокнот
Т1, Т2	Полевой транзистор		2		В блокнот
VD1-VD6	Диод		6		В блокнот
VD7, VD8	Выпрямительный диод	FR607	2		В блокнот
VD9	Диодный мост	RS405L	1		В блокнот
	Оптопара		1		В блокнот
	Оптический драйвер		2		В блокнот
С1	Конденсатор	3900 пФ	1		В блокнот
С2, С3, С10	Конденсатор	0.01 мкФ	3		В блокнот
С4		100 мкФ 25 В	1		В блокнот
С5, С6	Конденсатор	1 мкФ	2		В блокнот
С7, С12	Конденсатор	1000 пФ	2		В блокнот
С8, С9	Электролитический конденсатор	150 мкФ 250 В	2		В блокнот
С11	Электролитический конденсатор	1000 мкФ	1		В блокнот
R1	Резистор	5.1 кОм	1		В блокнот
R2, R3	Резистор	1.3 кОм	2		В блокнот
R4, R5	Резистор	110 Ом	2		В блокнот
R6, R7	Резистор	10 Ом	2		В блокнот
R8, R9	Резистор	10 кОм	2		В блокнот
R10, R15	Резистор	3.9 кОм	2	R10 0.5 Вт.	В блокнот
R11	Резистор	3 кОм	1	0.5 Вт	В блокнот
R12	Резистор	51 Ом	1	1 Вт	В блокнот
R13, R14	Резистор	100 кОм	2		В блокнот
R16, R18	Резистор	1 кОм	2		В блокнот
R17	Резистор	7.76 кОм	1		В блокнот
Rш	Резистор	0.1 Ом и менее	1		В блокнот
	Трансформатор		1	От компьютерного БП	В блокнот
	Катушка индуктивности		1		В блокнот
F1	Предохранитель	2 А	1		В блокнот
	Задающий генератор. Вариант №2.
	Драйвер питания и MOSFET	IR2153	1		В блокнот
T1, T2	MOSFET-транзистор	2N7002	2		В блокнот
	Оптопара		1		В блокнот
	Оптический драйвер		2		В блокнот
VD1-VD3	Диод		3		В блокнот
С1	Конденсатор	2200 пФ	1

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Далее вступает в работу выходной выпрямитель, поскольку он работает с высокочастотным напряжением, для процесса необходимы быстродействующие полупроводниковые элементы, поэтому для этой цели применяют диоды Шоттки.
На завершавшей фазе производится сглаживание на выгодном фильтре, после чего напряжение подается на нагрузку.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

частотно-импульсным;
фазо-импульсным;
широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется U П пилообразной формы, поступающее на вход компаратора К ШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал U УС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности U П (опорное напряжение) и U РС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал U УС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (U OUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала U РС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

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.

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.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Обозначения:

Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 – 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
Транзистор VT1 – KT872A.
Стабилизатор напряжения D1 – микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Сфера применения импульсных блоков питания в быту постоянно расширяется. Такие источники применяются для питания всей современной бытовой и компьютерной аппаратуры, для реализации источников бесперебойного электропитания, зарядных устройств для аккумуляторов различного назначения, реализации низковольтных систем освещения и для других нужд.

В некоторых случаях покупка готового источника питания мало приемлема с экономической или технической точки зрения и сборка импульсного источника собственными руками является оптимальным выходом из такой ситуации. Упрощает такой вариант и широкая доступность современной элементной базы по низким ценам.

Наиболее востребованными в быту являются импульсные источники с питанием от стандартной сети переменного тока и мощным низковольтным выходом. Структурная схема такого источника показана на рисунке.

Сетевой выпрямитель СВ преобразует переменное напряжение питающей сети в постоянное и осуществляет сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения на выходе. Высокочастотный преобразователь ВЧП осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в переменное или однополярное , имеющее форму прямоугольных импульсов необходимой амплитуды.

В дальнейшем такое напряжение либо непосредственно, либо после выпрямления (ВН) поступает на сглаживающий фильтр, к выходу которого подключается нагрузка. Управление ВЧП осуществляется системой управления, получающей сигнал обратной связи от выпрямителя нагрузки.

Такая структура устройства может быть подвергнута критике из-за наличия нескольких звеньев преобразования, что снижает КПД источника. Однако, при верном выборе полупроводниковых элементов и качественном расчете и изготовлении моточных узлов, уровень потерь мощности в схеме мал, что позволяет получать реальные значения КПД выше 90%.

Принципиальные схемы импульсных блоков питания

Решения структурных блоков включают не только обоснование выбора вариантов схемной реализации, но и практические рекомендации по выбору основных элементов.

Для выпрямления сетевого однофазного напряжения используют одну из трех классических схем изображенных на рисунке:

однополупериодную;
нулевую (двухполупериодную со средней точкой);
двхполупериодную мостовую.

Каждой из них присущи достоинства и недостатки, которые определяют область применения.

Однополупериодная схема отличается простотой реализации и минимальным количеством полупроводниковых компонентов. Основными недостатками такого выпрямителя являются значительная величина пульсации выходного напряжения (в выпрямленном присутствует лишь одна полуволна сетевого напряжения) и малый коэффициент выпрямления.

Коэффициент выпрямления Кв определяется соотношением среднего значения напряжения на выходе выпрямителя Udк действующему значению фазного сетевого напряжения Uф .

Для однополупериодной схемы Кв=0.45.

Для сглаживания пульсации на выходе такого выпрямителя требуются мощные фильтры.

Нулевая, или двухполупериодная схема со средней точкой , хоть и требует удвоенного числа выпрямительных диодов, однако, этот недостаток в значительной мере компенсируется более низким уровнем пульсаций выпрямленного напряжения и ростом величины коэффициента выпрямления до 0.9.

Основным недостатком такой схемы для использования в бытовых условиях является необходимость организации средней точки сетевого напряжения, что подразумевает наличие сетевого трансформатора. Его габариты и масса оказываются несовместимыми с идеей малогабаритного самодельного импульсного источника.

Двухполупериодная мостовая схема выпрямления имеет те же показатели по уровню пульсации и коэффициенту выпрямления, что и нулевая схема,но не требует наличия сетевого . Это компенсирует и главный недостаток – удвоенное количество выпрямительных диодов как с точки зрения КПД, так и по стоимости.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения наилучшим решением является использование емкостного фильтра. Его применение позволяет поднять величину выпрямленного напряжения до амплитудного значения сетевого (при Uф=220В Uфм=314В). Недостатками такого фильтра принято считать большие величины импульсных токов выпрямительных элементов, но критичным этот недостаток не является.

Выбор диодов выпрямителя осуществляется по величине среднего прямого тока Ia и максимального обратного напряжения U BM .

Приняв величину коэффициента пульсации выходного напряжения Кп=10%, получим среднее значение выпрямленного напряжения Ud=300В. С учетом мощности нагрузки и КПД ВЧ преобразователя (для расчета принимается 80%, но на практике получится выше, это позволит получить некоторый запас).

Ia – средний ток диода выпрямителя, Рн- мощность нагрузки, η – КПД ВЧ преобразователя.

Максимальное обратное напряжение выпрямительного элемента не превышает амплитудного значения напряжения сети (314В), что позволяет использовать компоненты с величиной U BM =400В со значительным запасом. Использовать можно как дискретные диоды, так и готовые выпрямительные мосты от различных производителей.

Для обеспечения заданной (10%) пульсации на выходе выпрямителя емкость конденсаторов фильтра принимается из расчета 1мкФ на 1Вт выходной мощности. Используются электролитические конденсаторы с максимальным напряжением не менее 350В. Емкости фильтров для различных мощностей приведены в таблице.

Высокочастотный преобразователь: его функции и схемы

Высокочастотный преобразователь представляет собой однотактный или двухтактный ключевой преобразователь (инвертор) с импульсным трансформатором. Варианты схем ВЧ преобразователей приведены на рисунке.

Однотактная схема . При минимальном количестве силовых элементов и простоте реализации имеет несколько недостатков.

Трансформатор в схеме работает по частной петле гистерезиса, что требует увеличения его размеров и габаритной мощности;
Для обеспечения мощности на выходе необходимо получить значительную амплитуду импульсного тока, протекающего через полупроводниковый ключ.

Схема нашла наибольшее применение в маломощных устройствах, где влияние указанных недостатков не столь значительно.

Чтобы самостоятельно поменять или установить новый счетчик, не требуется особых навыков. Выбор правильной обеспечит корректный учет потребляемого тока и повысит безопасность домашней электросети.

В современных условиях обеспечения освещения как внутри помещений, так и на улице все чаще используют датчики движения. Это придает не только комфорт и удобства в наши жилища, но и позволяет существенно экономить. Узнать практические советы по выбору места установки, схем подключения можно .

Двухтактная схема со средней точкой трансформатора (пушпульная) . Получила свое второе название от английского варианта (push-pull) описания работы. Схема свободна от недостатков однотактного варианта, но имеет собственные – усложненная конструкция трансформатора (требуется изготовление идентичных секций первичной обмотки) и повышенные требования к максимальному напряжению ключей. В остальном решение заслуживает внимания и широко применяется в импульсных источниках питания, изготавливаемых своими руками и не только.

Двухтактная полумостовая схема . По параметрам схема аналогична схеме со средней точкой, но не требует сложной конфигурации обмоток трансформатора. Собственным недостатком схемы является необходимость организации средней точки фильтра выпрямителя, что влечет четырехкратное увеличение количества конденсаторов.

Благодаря простоте реализации схема наиболее широко используется в импульсных источниках питания мощностью до 3 кВт. При больших мощностях стоимость конденсаторов фильтра становится неприемлемо высокой по сравнению с полупроводниковыми ключами инвертора и наиболее выгодной оказывается мостовая схема.

Двухтактная мостовая схема . По параметрам аналогична другим двухтактным схемам, но лишена необходимости создания искусственных «средних точек». Платой за это становится удвоенное количество силовых ключей, что выгодно с экономической и технической точек зрения для построения мощных импульсных источников.

Выбор ключей инвертора осуществляется по амплитуде тока коллектора (стока) I КМАХ и максимальному напряжению коллектор-эмиттер U КЭМАХ. Для расчета используются мощность нагрузки и коэффициент трансформации импульсного трансформатора.

Однако, прежде необходимо рассчитать сам трансформатор. Импульсный трансформатор выполняется на сердечнике из феррита, пермаллоя или витого в кольцо трансформаторного железа. Для мощностей до единиц кВт вполне подойдут ферритовые сердечники кольцевого или Ш-образного типа. Расчет трансформатора ведется исходя из требуемой мощности и частоты преобразования. Для исключения появления акустического шума частоту преобразования желательно вынести за пределы звукового диапазона (сделать выше 20 кГц).

При этом необходимо помнить, что при частотах близких к 100 кГц значительно возрастают потери в ферритовых магнитопроводах. Сам расчет трансформатора не составляет труда и легко может быть найден в литературе. Некоторые результаты для различных мощностей источников и магнитопроводов приведены в таблице ниже.

Расчет произведен для частоты преобразования 50 кГц. Стоит обратить внимание, что при работе на высокой частоте имеет место эффект вытеснения тока к поверхности проводника, что приводит к снижению эффективной площади обмотки. Для предотвращения подобного рода неприятностей и снижения потерь в проводниках необходимо выполнять обмотку из нескольких жил меньшего сечения. При частоте 50 кГц допустимый диаметр провода обмотки не превышает 0.85 мм.

Зная мощность нагрузки и коэффициент трансформации можно рассчитать ток в первичной обмотке трансформатора и максимальный ток коллектора силового ключа. Напряжение на транзисторе в закрытом состоянии выбирается выше, чем выпрямленное напряжение, поступающее на вход ВЧ-преобразователя с некоторым запасом (U КЭМАХ >=400В). По этим данным производится выбор ключей. В настоящее время наилучшим вариантом является использование силовых транзисторов IGBT или MOSFET.

Для диодов выпрямителя на вторичной стороне необходимо соблюдать одно правило – их максимальная рабочая частота должна превышать частоту преобразования. В противном случае КПД выходного выпрямителя и преобразователя в целом значительно снизятся.