В большинстве устройств, применяются импульсные схемы блоков питания (ИБП) из-за их высоких электроэнергетических показателей и стабильности в работе. Но вместе с тем используются и аналоговые источники питания, обладающие простотой изготовления и высокой надёжностью. Существует огромное количество вариантов изготовления блоков питания своими руками, применяя различные схематические решения.
Виды и принцип работы
Выполнен блок питания (БП) самостоятельно или приобретён серийный экземпляр, требования, предъявляемые к нему неизменные, а именно: высокий коэффициент полезного действия (КПД), малый размер, высокая стабильность выходного сигнала, отсутствие электропомех, а также высокая надёжность.
Основная классификация источников питания осуществляется по режиму работы, он бывает линейным и инверторным. Соответственно Б. П. разделяются:
- на аналоговые (линейные);
- на цифровые (инверторные).
Из важных параметров БП выделяют:
Тип выходного сигнала. В результате преобразования, напряжение на выходе может быть переменной или постоянной величины.- Мощность. Характеризуется током, которое выдаёт устройство без ухудшения характеристик выходного напряжения. Единица измерения ватт.
- Коэффициент полезного действия. Показывает эффективность работы прибора, т. е. отношение преобразованной энергии к переданной. Чем показатель больше, тем менее греется устройство при работе.
- Защита от перегрузок. Способность устройства реагировать на возникновение нештатных ситуаций в питаемых им устройствах.
- Система охлаждения. По виду охлаждения разделяются на пассивные и активные. К пассивному виду относятся радиаторы или естественное охлаждение, к активному, нагнетатели воздуха или водяное охлаждение.
Аналоговый источник питания
Такие источники напряжения характеризуются надёжностью в работе и простотой изготовления. Недостатками являются размеры и вес, а также высокое ценообразование.
Ключевыми элементами линейного источника напряжений являются:
- сетевой фильтр;
- трансформатор.
Для получения постоянного напряжения после трансформатора добавляется диодный мост и электролитический конденсатор.
Трансформаторы применяются различного исполнения, единственно их первичная обмотка должна быть рассчитана на подключение к сети 220 вольт. По виду они бывают понижающими и повышающими. Сам трансформатор представляет собой электротехническое изделие, состоящее из двух частей. Сердечника, собранного из стали или феррита, и обмоток, выполненных в виде витков из проводникового материала. Для получения на выходе меньшего уровня сигнала, чем на входе, количество витков во вторичной обмотке делается меньше. Таким образом, изменяя это соотношение можно получить любое напряжение.
Сетевой фильтр предотвращает попадание помех в сеть от работающего оборудования и наоборот. Обычно представляет собой ёмкостно-индуктивную цепочку.
Принцип работы БП
Схема трансформаторного блока питания работает следующим образом. Напряжение сети проходит через фильтр, а с него попадает на первичную обмотку трансформатора. При прохождении по ней переменного тока, образовывается переменное магнитное поле. Этот поле пронизывает сердечник и все обмотки, в которых появляется ЭДС. Если к вторичной обмотке подсоединена нагрузка, то под действием ЭДС через неё начинает протекать переменный ток.
Для получения напряжения постоянной величины, сигнал со вторичной обмотки трансформатора передаётся на выпрямительный узел. Это устройство собранно на четырёх диодах, включённых по мостовой схеме, и электролитического конденсатора. С электролита и снимается постоянное напряжение, предназначенное для питания приборов.
Импульсный источник питания
Работа ИБП основана на двойном преобразовании напряжения. Вначале, входной сигнал преобразуется в постоянное напряжение, а затем в импульсы высокой частоты. Трансформатор, применяющийся в схеме, не требует больших размеров. При совместном включении трансформатора и транзистора в режиме ключа, образовывается блокинг-генератор. Изменение и стабилизация выходного сигнала, происходит уменьшением длительности открытого состояния транзистора, которое управляется специализированной микросхемой. Её работа построена на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Преимущество такого вида БП:
- малый вес;
- невысокая стоимость;
- КПД достигает 98%;
- защита от короткого замыкания и перегрузок.
Из недостатков отмечается сложность схемотехники и то, что такой источник питания вносит высокочастотные помехи в линию электропередачи.
Принцип работы ИБП
Сетевое напряжение попадает на схему через предохранитель, затем на ёмкостной помехоподавляющий фильтр. Далее, на выпрямительный блок из диодов. К выходу выпрямителя подключена сглаживающая электролитическая ёмкость. Напряжение на конденсаторе уменьшается, через цепочку резисторов и стабилитрон, для обеспечения пускового значения микросхемы. Микросхема управляет работой ключевого транзистора через ограничивающий резистор.
При поступлении прямоугольного импульса на транзистор происходит его открывание, и через обмотку импульсного трансформатора начинает течь ток. В результате наводится ЭДС и появляется напряжение на вторичной обмотке. Если длительность импульса, приходящего на ключевой транзистор, увеличивается, то увеличивается и величина выходного сигнала, при уменьшении соответственно уменьшается.
Для получения стабильного сигнала применяется обратная связь. Она собирается на оптопаре и резисторе. При повышении значения сигнала на вторичной обмотке трансформатора увеличивается и ток, протекающий через оптопару, что приводит к снижению сопротивления фототранзистора оптопары. В результате увеличивается падение напряжения на резисторе и уменьшается на входе ШИМ контроллера. Длительность импульса, посылаемая микросхемой на транзисторный ключ, увеличивается.
Стабилизация выходного сигнала
При необходимости получения стабилизированного сигнала на выходе, перед нагрузкой, подключается интегральный стабилизатор. Например, постоянного уровня сигнала КРЕН5А, 7812, или с его регулировкой LM 317T и т. п. Стабилизаторы характеризуются входным рабочим диапазоном, то есть при изменении входного сигнала в этом диапазоне на входе всегда будет постоянное значение напряжения.
Кроме интегральных микросхем, используется и параметрический стабилизатор. Конструкция его отличается тем, что параллельно нагрузке подсоединяется стабилитрон с требуемым напряжением стабилизации. Последовательно к нагрузке и стабилитрону включается сопротивление. При увеличении тока в цепи, напряжение на стабилитроне практически не изменится из-за его вольт-амперной характеристики. А весь излишек напряжения упадёт на сопротивление. Для увеличения коэффициента стабилизации в схеме применяется дополнительное включение транзисторов как последовательно, так и параллельно стабилитрону.
Регулятор выходного напряжения
В случае необходимости изменения стабилизированного сигнала на выходе, применяют регулятор величины уровня сигнала. Один из простых регуляторов напряжения для блока питания, собирается на специализированной микросхеме LM 317.
Микросхема LM 317 обеспечивает регулировку сигнала в диапазоне от 1,2 до 37 вольт при максимальной силе тока 1,5 ампера. Само изменение напряжения происходит с помощью подстройки сопротивления резистора R1. Микросхема снабжена защитой от короткого замыкания.
Необходимо отметить, что в случае использования ИБП микросхема ШИМ контроллера, за счёт сужения и расширения фронта импульсов изменяет мощность, передаваемую в трансформатор, и играет роль регулятора напряжения. Изменения происходят с помощью переменного резистора, подключённого к управляющим выводам микросхемы.
Управление переменным напряжением
Не всегда нужен БП с постоянным уровнем сигнала, иногда требуется на выходе переменное напряжение. Для плавной регулировки выходного переменного сигнала используется схема с мощным тиристорным управлением.
Такая схема применяется как с активной, так и реактивной нагрузкой. Входное напряжение может меняться от 125 до 220 вольт.
В состав выпрямительного моста включается тиристор, играющий роль ключа управления. Как только происходит разряд конденсатора C1 через резистор R2, тиристор открывается. Величина сигнала, при котором происходит открытие тиристора, регулируется переменным резистором R1. Выходное напряжение изменяется в диапазоне от нуля до величины входного сигнала.
Схемы источников питания
Для самостоятельного изготовления БП, потребуется наличие радиоэлементов, аккуратность и принципиальна схема. Выполнить аналоговый, самодельный блок питания, обычно не вызывает трудностей. В то время как изготовить регулируемый импульсный блок питания своими руками, будет сложно даже для подготовленного радиолюбителя.
Линейный блок питания
Самая дорогостоящая деталь такого источника напряжения будет трансформатор. Для простоты изготовления лучше поискать трансформатор вида тор. Остальные радиоэлементы не являются дефицитными и их всегда можно легко достать. Для того чтоб выполнить простой регулируемый источник питания понадобится:
- понижающий трансформатор;
- четыре выпрямительных диода или готовый диодный мост;
- электролитическая ёмкость 68—220 мкФ на 400 вольт;
- резистор 200 Ом;
- переменный резистор 6,8 кОм;
- интегральный стабилизатор LM 317.
Трансформатор выбирается со вторичной обмоткой около 25 вольт. При необходимости нужное количество витков потребуется смотать или домотать самостоятельно. Следует отметить, что при использовании диодного моста, выходное напряжение поднимется на величину равную произведению переменного напряжения на число 1.41. Вся схема собирается на плате из текстолита или навесным монтажом. Управление уровнем сигнала осуществляется изменением сопротивления построечного резистора. Такой блок питания сможет выдавать от 1,2 и до 37 вольт при токе 1,5 ампера.
Цифровой блок питания
Сделать самостоятельно такой БП совсем непросто. Для выполнения простого импульсного блока самостоятельно, в первую очередь понадобится изготовить печатную плату. Для этого в домашних условиях используется лазерно-утюжный метод (ЛУТ). После того как плата будет готова и закуплены радиодетали, потребуется правильно всё распаять.
Работа схемы заключается в использовании микросхемы TL 494. Встроенный в неё генератор подаёт поочерёдно на транзисторы VT1, VT2 работающие в ключевом режиме, импульсы с частотой 30 кГц. Транзисторы соединены с управляющим трансформатором TR1, который управляет VT3, VT4. Конденсаторы С3, С4 являются фильтром питания.
Цепочка R7, C8 формирует питающее напряжение для микросхемы в первый момент включения, после разряда С8 питание уже подаётся через третью обмотку трансформатора TR2. Стабилитрон VD2 и ёмкость C6 предназначены для формирования сигнала, обеспечивающего работу микросхемы. Напряжение с третьего вывода трансформатора, через диоды Шотки и С9, С10, подаётся на вход радиоустройства.
Собрав источник напряжения, изучив его работу, в дальнейшем выполнить ремонт импульсных блоков питания телевизоров своими руками не составит труда. Да и такой же ремонт БП в компьютерных системах или зарядных устройствах, будет легко осуществим самостоятельно.
При самостоятельном изготовлении приборов необходимо соблюдать осторожность и помнить об электробезопасности при работе с сетью переменного тока 220 вольт. Как правило, верно выполненный БП из исправных деталей не потребует настройки и сразу начинает работать.
