Трансформатор блока питания почему – Отличия импульсного блока питания от обычного

Отличия импульсного блока питания от обычного


Отличия импульсного блока питания от обычного-1Отличия импульсного блока питания от обычного-1

Отличия импульсного блока питания от обычного

Отличия импульсного блока питания от обычного между трансформаторным и импульсными, а также их достоинства и недостатки. Например трансформаторный блок питания, в составе которого имеется трансформатор выполняющий функцию понижения сетевого напряжения до заданного, такая конструкция называется понижающим трансформатором.

Блоки питания работающие в импульсном режиме являются импульсным преобразователем или инвертором. В импульсных источниках питания переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а затем происходит формирование импульсов необходимой частоты. У такого ИП в отличии от обыкновенного силового трансформатора при одинаковой мощности намного меньше потерь и незначительные габаритные размеры полученные в следствии высокочастотного преобразования. p>

Трансформаторные блоки питания

Самым распространенным блоком питания считается конструкция, в составе которого имеется понижающий трансформатор, его определенная обязанность — понижать входное напряжение. Его первичная обмотка намотана с учетом работы с сетевым напряжением. Кроме понижающего трансформатора в таком БП установлен еще выпрямитель собранный на диодах, как правило применяется две пары выпрямительных диодов (диодный мост) и конденсаторах фильтра. Такое устройство служит для преобразования однонаправленного пульсирующего переменного напряжение в постоянное. Не редко применяются и другие конструктивно выполненные устройства, например, выполняющий в выпрямителях функцию удвоения напряжения. Кроме сглаживающих пульсации фильтров, там же могут быть элементы фильтра помех высокой частоты и всплесков, схема защиты от короткого замыкания, полупроводниковые приборы для стабилизации напряжения и тока.

Отличия источников питания-3

Отличия источников питания-3
Схема простейшего трансформаторного БП c двухполупериодным выпрямителем

Достоинства трансформаторных блоков питания

● Простота в конструировании
● Высокая надежность
● Доступность составляющих компонентов
● Отсутствие паразитных радио-волновых помех (Отличия блоков питания от импульсных блоков питания, которые создают помехи в виде напряжений и токов синусоидальной формы, которые во много раз выше частоты электросети)
● Имеющиеся недостатки трансформаторных блоков питания
● Солидный вес и размеры, особенно высокомощные
● Для изготовления требуется много железа
● Компромиссное решение относительно уменьшения КПД и высокой стабильностью напряжения на выходе: для получения стабильного напряжения необходим стабилизатор, с применением которого появляются дополнительные потери.

Импульсные блоки питания

Отличия импульсного блока питания от обычного — импульсные источники питания это инверторное устройство и является составляющей частью аппаратов бесперебойного электрического питания. В импульсных блоках переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а потом формирует импульсы определенной частоты. Преобразованное выходное постоянное напряжение имеет импульсы прямоугольной формы высокой частоты поступающее на трансформатор или сразу на выходной фильтр нижних частот. В импульсных блоках питания часто используются небольшие по размерам трансформаторы — это вызвано тем, что при возрастании частоты увеличивается эффективность работы устройства, тем самым становятся меньше требования к размерам магнитопровода, необходимого для отдачи равнозначной мощности. В основном такой магнитопровод изготавливается из ферромагнитных материалов служащих проводниками магнитного потока.

Отличия источников питания в частности от сердечника трансформатора низкой частоты, для изготовления которых применяется электротехническая сталь.

Отличия импульсного блока питания от обычного — происходящая в импульсных источниках питания стабилизация напряжения возникает за счет цепи отрицательной обратной связи. ООС дает возможность обеспечивать выходное напряжение на достаточно устойчивом уровне не взирая на периодические скачки входящего напряжения и значение сопротивления нагрузки. Отрицательную обратную связь также можно создать иными способами. Относительно импульсных источников питания имеющих гальваническую развязку от электрической сети, наиболее применяемый в таких случаях способ — это образование связи с помощью выходной обмотки трансформатора либо воспользоваться оптроном. С учетом значения величины сигнала отрицательной обратной связи, которое зависит от напряжения на выходе, меняется скважность импульсных сигналов на выходном выводе ШИМ-контроллера. Если можно обойтись без гальванической развязки то, в таком случае, применяется обычный делитель напряжения собранный на постоянных резисторах. В конечном итоге, источник питания обеспечивает выходное напряжение стабильного характера.

Отличия источников питания-4Отличия источников питания-4

Принципиальная схема простейшего однотактного импульсного БП

Достоинства импульсных блоков питания

● Если сравнивать относительно выходной мощности линейный стабилизатор и импульсный, то последний имеет некоторые достоинства:
● Относительно небольшой вес, получившийся в следствии того, что с увеличением частоты можно применять трансформаторы малых габаритов имея аналогичную выдаваемую выходную мощность.
● Большой вес линейного стабилизатора получается за счет использования массивных силовых трансформаторов, а также тяжелых теплоотводов силовых компонентов.
● Высокий КПД, который составляет около 98% полученный в следствии того, что штатные потери происходящие в импульсных стабилизирующих устройствах зависят от переходных процессов на стадии переключения ключа.
● Поскольку больший отрезок времени ключи находятся в стабильном либо включенном или выключенном состоянии, то соответственно и энергетические потери ничтожны;
● Относительно небольшая стоимость, образовавшаяся в следствии выпуска большого количества необходимых электронных элементов, в частности появление на рынке электронных товаров высокомощных транзисторных ключей. ● Помимо всего этого необходимо заметить существенно малую стоимость импульсных трансформаторов при аналогичной отдаваемой в нагрузку мощности.

● Имеющиеся в подавляющем большинстве блоках питания установленных схем защиты от всевозможных нештатных ситуаций, таких как защита от короткого замыкания или если не подключена нагрузка на выходе устройства.

usilitelstabo.ru

Как работают импульсные блоки питания: 7 правил

Домашний мастер часто сталкивается с поломками сложной бытовой техники из-за отказов ее электрической схемы. Не всегда удается сразу выполнить такой ремонт. Часто требуются знания про импульсные блоки питания, принципы работы их составных частей.

Такие работники популярны, всегда востребованы, заслуживают уважения. Однако не все так сложно в этом вопросе, как кажется на первый взгляд.

Я выделил 7 правил, по которым работает любой ИБП, постарался объяснить их простыми словами для новичков. А что получилось — оценивайте сами.

Содержание статьи

Блоки питания — это электротехнические устройства, которые изменяют характеристики промышленной электроэнергии до уровня параметров, необходимых для работы конечных механизмов.

Они подразделяются на трансформаторные и импульсные изделия.

Схема трансформаторного блока питанияСтруктурная схема блока питания

Силовой трансформатор понижает входное напряжение и одновременно обеспечивает гальваническую развязку между электрической энергией первичной и вторичной цепи.

Силовой трансформатор

Трансформаторные модули тратят значительную часть мощности на электромагнитные преобразования и нагрев, имеют повышенные габариты, вес.

Импульсные блоки питания: как работает структурная схема и взаимодействуют ее части — краткое пояснение

Правило №1 всех ИБП: чем выше рабочая частота, тем лучше. Преобразование электроэнергии выполняется не на промышленных 50 герц, а на более высоких сигналах в пределах 1÷100кГц.

За счет этого снижаются потери и общий вес всех элементов, но усложняется технология. Принципы работы импульсного блока питания помогает понять его структурная схема.

Показываю ее составные части прямоугольниками, связи стрелками, а форму выходного сигнала из каждого блока — мнемонической фигурой преобразованного напряжения (темно синий цвет сверху).

Структурная схема импульсного блока питания

Сетевой фильтр пропускает через себя промышленную синусоиду. Одновременно он отделяет из нее все посторонние помехи.

Очищенная от помех синусоида поступает на выпрямитель со сглаживающим фильтром. Он превращает полученную гармонику в сигнал напряжения строго постоянной формы действующей величины.

Следующим этапом начинается работа инвертора. Он из постоянного стабилизированного сигнала формирует высокочастотные колебания уже не синусоидальной, а практически строго прямоугольной формы.

Преобразованная в подобный вид электрическая энергия поступает на силовой высокочастотный трансформатор, который, как и обычный аналоговый, видоизменяет ее на пониженное напряжение с увеличенным током.

После силового трансформатора наступает очередь работы выходного выпрямителя.

Заключительным звеном работает сглаживающий выходной фильтр. После него на блок управления бытового прибора поступает стабилизированное напряжение постоянной величины.

Качество работы импульсного блока поддерживается за счет создания в рабочем состоянии обратной связи, реализованной в блоке управления инвертора. Она компенсирует все посадки и броски напряжения, вызываемые колебаниями входной величины или коммутациями нагрузок.

Пример монтажа деталей показан на фотографии платы импульсного блока питания ниже.

Импульсный блок питания

Сетевой выпрямитель имеет в своем составе предохранитель на основе плавкой вставки, диодный мост, электромеханический фильтр, набор дросселей, конденсаторы развязки со статикой.

Накопительная емкость сглаживает пульсации.

Генератор инвертора на основе силового ключевого транзистора
в комплекте с импульсным трансформатором выдает напряжение на выходной
выпрямитель с диодами, конденсаторами и дросселями.

Оптопара в узле обратной связи обеспечивает оптическую развязку электрических сигналов.

Разберем все эти части подробнее.

Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций

Правило №2: у качественных ИБП в конструкции блока должен работать надежный фильтр в/ч сигналов.

Важно понимать, что импульсы высокой частоты играют двоякую роль:

  1. в/ч помехи могут приходить из бытовой сети в блок питания;
  2. импульсы высокочастотного тока генерируются встроенным преобразователем и выходят из него в домашнюю проводку.

Причины появления помех в бытовой сети:

  • апериодические составляющие переходных процессов, возникающие от коммутации мощных нагрузок;
  • работы близкорасположенных приборов с сильными электромагнитными полями, например, сварочных аппаратов, мощных тяговых электродвигателей, силовых трансформаторов;
  • последствия погашенных импульсов атмосферных разрядов и других факторов, включая наложение высокочастотных гармоник.

Помехи ухудшают работу радиоэлектронной аппаратуры, мобильных устройств и цифровых гаджетов. Их необходимо подавлять и блокировать внутри конструкции импульсного блока питания.

Основу фильтра составляет дроссель, выполненный двумя обмотками на одном сердечнике.

Дроссели фильтров

Дроссели могут быть выполнены разными габаритами, намотаны толстой или тонкой проволокой на больших или маленьких сердечниках.

Начинающему мастеру достаточно запомнить простое правило: лучше работает фильтр с дросселем большого магнитопровода, увеличенным числом витков и поперечным сечением проволоки. (Принцип: чем больше — тем и лучше.)

Дроссель обладает индуктивным сопротивлением, которое резко ограничивает высокочастотный сигнал, протекающий по проводу фазы или нуля. В то же время оно не оказывает особого влияния на ток бытовой сети.

Работу дросселя эффективно дополняют емкостные сопротивления.

Конденсаторы для ВЧ фильтров

Конденсаторы подобраны так, что закорачивают ослабленные дросселем в/ч сигналы помех, направляя их на потенциал земли.

Принцип работы фильтра в/ч помех от проникновения на блок питания входных сигналов показан на картинке ниже.

Как работает фильтр

Между потенциалами земли с нулем и фазой устанавливают Y конденсаторы. Их конструктивная особенность — они при пробое не способны создать внутреннее короткое замыкание и подать 220 вольт на корпус прибора.

Между цепями фазы и нуля ставят конденсаторы, способные выдерживать 400 вольт, а лучше — 630. Они обычно имеют форму параллепипеда.

Однако следует хорошо представлять, что ИБП в преобразователе напряжения сами выправляют сигнал и помехи им практически не мешают. Поэтому такая система актуальна для обычных аналоговых блоков со стабилизацией выходного сигнала.

Самодельный блок питания

У импульсного блока питания важно предотвратить выход в/ч помех в бытовую сеть. Эту возможность реализует другое решение.

Фильтр ВЧ помех

Как видите, принцип тот же. Просто емкостные сопротивления всегда располагаются по пути движения помехи за дросселем.

Фильтр ВЧ

Третья схема в/ч фильтра считается универсальной. Она объединила элементы первых двух. Y конденсаторы в ней просто работают с двух сторон каждого дросселя.

Универсальный фильтр

У самых дорогих и надежных устройств используется сложный фильтр с дополнительно подключенными дросселями и конденсаторами.

Сложный фильтр

Сразу же показываю схему расположения фильтров на всех цепочках блока питания: входе и выходе.

Схема фильтра

Обратите внимание, что на кабель, выходящий из ИБП и подключаемый к электронному прибору, может быть дополнительно установлен ферритовый фильтр, состоящий из двух разъемных полуцилиндров или выполненный цельной конструкцией.

Ферритовый фильтр

Примером его использования является импульсный блок питания ноутбука. Это уже четвертый вариант применения фильтра.

Ферритовый фильтр на кабеле

Сетевой выпрямитель напряжения: самая популярная конструкция

Правило №3: после выхода с фильтра напряжение подается на схему выпрямителя, состоящего в базовой версии из диодного моста и электролитического конденсатора.

В ходе электрического преобразования форма синусоиды, состоящая из полуволн противоположных знаков, вначале меняется на сигнал положительного направления после диодной сборки, а затем эти пульсации сглаживаются до практически постоянной амплитудной величины 311 вольт.

Схема выпрямителя

Такой сетевой выпрямитель напряжения заложен в работу всех блоков питания.

Преобразователь импульсного напряжения: объяснение простыми словами с поясняющими картинками

Правило №4: выпрямленный сигнал подвергается широтно-импульсной модуляции на силовом ключе под управлением ШИМ контроллера.

Силовой ключ выполняется первичной обмоткой высокочастотного трансформатора. Для эффективной трансформации в/ч импульсов до 100 килогерц конструкцию магнитопровода делают из альсифера или ферритов.

Схема управления силовым ключом

На обмотку трансформатора от цепей управления через в/ч транзистор поступают импульсы сигналов в несколько десятков килогерц.

ШИМ импульсы

Прямоугольные импульсы тока подаются по времени, чередуются с паузами, обозначаются единицей (1) и нулем (0).

Продолжительность протекания импульса или его ширина в каждый момент низкочастотного синусоидального напряжения соответствует его амплитуде: чем она больше, тем шире ШИМ. И наоборот.

ШИМ контроллер отслеживает величину подключенной нагрузки на выходе импульсного блока питания. По ее значению он вырабатывает импульсы, кратковременно открывающие силовой транзистор.

Если подключенная к ИБП мощность начинает возрастать, то схема управления увеличивает длительность импульсов управления, а когда она снижается, то — уменьшает.

За счет работы этой конструкции производится стабилизация напряжения на выходе блока в строго определенном диапазоне.

Импульсный трансформатор: принцип работы одного импульса в 2 такта

Правило №5: импульсный трансформатор для блока питания передает каждый ШИМ импульс за счет двух преобразований электромагнитной энергии.

Во время преобразования электрической энергии в магнитную и обратно в электрическую с пониженным напряжением обеспечивается гальваническое разделение первичных входных цепей с вторичной выходной схемой.

Каждый ШИМ импульс тока, поступающий при кратковременном открытии силового транзистора, протекает по замкнутой цепи первичной обмотки трансформатора.

Его энергия расходуется:

  1. вначале на намагничивание сердечника магнитопровода;
  2. затем на его размагничивание с протеканием тока по вторичной обмотке и дополнительной подзарядкой конденсатора.
Как работает импульсный трансформатор

По этому принципу каждый ШИМ импульс из первичной сети подзаряжает накопительный конденсатор.

Генераторы ИБП могут работать по простой однотактной или более сложной двухтактной технологии построения.

Однотактная схема импульсного блока питания: состав и принцип работы

На стороне 220 расположены: предохранитель, выпрямительный диодный мост, сглаживающий конденсатор, биполярный транзистор, цепочки колебательного контура и коллекторного тока, а также обмотки импульсного трансформатора.

Схема электронного генератора

Однотактная схема импульсного блока питания создается для передачи мощности 10÷50 ватт, не более. По ней изготавливают зарядные устройства мобильных телефонов, планшетов и других цифровых гаджетов.

В выходной цепочке трансформатора используется выпрямительный диод Д7. Он может быть включен в прямом направлении, как показано на картинке, или обратно, что важно учитывать.

При прямом включении импульсный трансформатор накапливает индуктивную энергию и передает ее в выходную цепь к подключенной нагрузке с задержкой по времени.

Если диод включен обратно, то трансформация энергии из первичной схемы во вторичную цепь происходит во время закрытого состояния транзистора.

Однотактная схема ИБП отмечается простотой конструкции, но большими амплитудами напряжения, приложенными к виткам первичной обмотки импульсного трансформатора.

Их защита осуществляется дополнительными цепочками из
резисторов R2÷R4 и конденсаторов С2, С3.

Двухтактная схема импульсного блока питания: 3 варианта исполнения

Более высокий КПД и пониженные потери мощности являются неоспоримыми преимуществами этих ИБП по сравнению с однотактными моделями.

Простейший вариант исполнения двухполупериодной методики показан на картинке.

Двухполупериодная схема

Если в нее дополнительно подключить два диода и один сглаживающий конденсатор, то на этом же трансформаторе получается двухполярная схема.

Двухполярная схема питания

Она распространена в усилителях мощности, работает по обратноходовому принципу. В ней через каждую емкость протекают меньшие токи, обеспечивающие повышенный ресурс конденсаторов при эксплуатации.

Продлить ресурс работы электролитических конденсаторов в ИБП можно заменой одного большой мощности несколькими составными. Ток будет распределяться по всем, что вызовет меньший нагрев. А отвод тепла с каждого отдельного происходит лучше.

Прямоходовая схема блока питания имеет в своей конструкции дроссель, который выполняет функцию накопления энергии. Для этого два диода направляют поступающие импульсы ШИМ на его вход в одной полярности.

Прямоходовая схема блока питания

Дроссель этих устройств изготавливается большими габаритами и устанавливается отдельно внутри платы ИБП. Он дополняет работу накопительного конденсатора.

Это наглядно видно по верхней форме сигнала, показанного осциллограммой выпрямления одного и того же блока без дросселя и с ним.

Как работает дроссель

Прямоходовая схема используется в мощных блоках питания, например, внутри компьютера.

В ней выпрямлением тока занимаются диоды Шоттки. Их применяют за счет:

  • уменьшенного падения напряжения на прямом включении;
  • и повышенного быстродействия во время обработки высокочастотных импульсов.

3 схемы силовых каскадов двухтактных ИБП

По порядку сложности их исполнения генераторы выполняют по:

  • полумостовому;
  • мостовому;
  • или пушпульному принципу построения выходного каскада.

Полумостовая схема импульсного блока питания: обзор

Конденсаторы С1, С2 собраны последовательно емкостным делителем. На него и переходы коллектор-эмиттер транзисторов Т1, Т2 подается напряжение постоянного питания.

Полумостовая схема

К средней точке емкостного делителя и транзисторов подключена первичная обмотка трансформатора Тр2. С ее вторичной обмотки снимается выходное напряжение генератора, которое пропорционально входному сигналу ТР1, трансформируемому на базы Т1 и Т2.

Полумостовая схема ИБП работает для нагрузок от нескольких ватт до киловатт. Ее недостатком является возможность повреждения элементов при перегрузках, что требует использования сложных защит.

Мостовая схема импульсного блока питания: краткое пояснение

Вместо емкостного делителя предыдущей технологии здесь работают транзисторы T3 и T4. Они попарно открываются совместно с Т1 и Т2: (пара Т1-Т4), (пара Т2-Т3).

Мостовая схема

Напряжение переходов эмиттер-коллектор у закрытых транзисторов не выше величины питающего напряжения, а на обмотке w1 ТР3 оно возрастает до значения U пит. За счет этого увеличивается величина КПД.

Мостовая схема сложна в наладке из-за трудностей с настройкой цепей управления транзисторов Т1÷Т4.

Пушпульная схема: важные особенности

Первичная обмотка выходного ТР2 имеет средний вывод, на который подается плюсовой потенциал источника питания, а его минус — на среднюю точку вторичной обмотки Т1.

Пушпульная схема

Во время прохождения одного полупериода колебания работает один из транзисторов Т1 или Т2 и соответствующая ему часть полуобмотки трансформатора.

Здесь создается самый высокий КПД, малые пульсации и низкие помехи. Амплитудное значение импульсного напряжения на любой половине обмотки w1 ТР2 достигает величины U пит.

К напряжению перехода коллектор-эмиттер каждого транзистора добавляется ЭДС самоиндукции, и оно возрастает до 2U пит. Поэтому Т1 и Т2 надо подбирать на 600÷700 вольт.

Пушпульная схема ключевого каскада пользуется большей популярностью. Она применяется в наиболее мощных преобразователях.

Выходной выпрямитель: самое популярное устройство

Правило №6: сигнал, поступающий с выхода ИБП, выпрямляется и сглаживается.

Простейшая схема выпрямителя, состоящая из диода и накапливающего конденсатора, показана картинкой ниже.

Простая схема выпрямителя

Она может дорабатываться подключением дополнительных конденсаторов, дросселей, элементов фильтров.

Схема стабилизации напряжения: как работает

Правило №7: оптимальные условия для работы нагрузки при изменяющихся условиях эксплуатации обеспечивает принцип стабилизации вторичного напряжения.

Самая примитивная схема стабилизации выходного напряжения создается на дополнительной обмотке импульсного трансформатора.

Простая схема стабилизации напряжения

С нее снимается напряжение и подается для корректировки величины сигнала первичной обмотки.

Лучшая стабилизация создается за счет контроля выходного сигнала с вторичной обмотки и отделения его гальванической связи через оптопару.

Схема импульсного блока питания

В ней используется светодиод, через который проходит ток, пропорциональный значению выходного напряжения. Его свечение воспринимается фототранзистором, который посылает соответствующий электрический сигнал на схему управления генератора ключевого каскада.

Как работает оптопара

Повысить качество стабилизации выходного напряжения позволяет последовательное дополнение к оптопаре стабилитрона, как показано на примере микросхемы TL431 на картинке ниже.

Схема стабилизации

Для закрепления материала в памяти рекомендую посмотреть видеоролик владельца Паяльник TV, который хорошо объясняет информацию про импульсные блоки питания: принципы работы на примере конкретной модели.

Надеюсь, что моя статья поможет вам выполнить ремонт ИБП своими руками за 7 шагов, которые я изложил в другой статье.

Задавайте возникшие вопросы в разделе комментариев, высказывайте свое мнение. Его будет полезно знать другим людям.

electrikblog.ru

Как устроен блок питания, часть 4

Как я уже сказал, речь сегодня пойдет о силовом трансформаторе, а также об узле, именуемом Снаббер.
И если трансформатор наверное знает большинство, то снаббер в основном те, кто занимается блоками питания более плотно.
Весь узел на фото выделен красным, а снаббер я обвел зеленым.

Также его можно увидеть в народном блоке питания. На фото я вычеркнул диод, не имеющий отношения к снабберу.

И в моем самодельном блоке питания. Здесь его схема отличается и об этом я расскажу немного позже.

Схема типового обратноходового блока питания думаю знакома многим, подобные схемы часто встречаются в моих обзорах.

Выделим из нее ту часть, о которой я и буду рассказывать.
В нее входит снаббер, трансформатор, входной конденсатор и высоковольтный транзистор.

Отсечем ту часть, которая не имеет отношения к теме разговора, останется совсем мало деталей, думаю что так будет проще для понимания процессов.

Что же происходит в импульсном блоке питания во время работы.
Сначала открывается силовой ключ, через цепь выделенную красным, течет ток, энергия в это время запасается в магнитопроводе трансформатора.

После закрытия ключа полярность на обмотках трансформатора меняется на противоположную и ток начинает течь в нагрузку.

Но так как трансформатор и выходные цепи неидеальны, то на первичной обмотке возникает выброс напряжения, который начинает течь через снаббер.
Если вы посмотрите внимательно, то увидите, что начала обмоток помеченные точками, одинаково сориентированы по отношению к диодам D1 и D2, потому во время открытого состояния силового ключа эти цепи не работают.
Функция снаббера поглотить паразитный выброс, который возникает в первичной обмотке и тем самым защитить высоковольтный транзистор. У некоторых совсем дешевых блоках питания снаббера нет вообще, и это весьма вредно, так как снижает надежность.

В типовом блоке питания данный участок схемы выглядит так. Номиналы подбираются в зависимости от индуктивности обмотки трансформатора, частоты работы и мощности блока питания. Я не буду рассказывать о методике расчета, это довольно долго, но скажу лишь что здесь не работает принцип - чем больше, тем лучше, цепь должна быть оптимальная для определенных условий.

Некоторые наверное увидели диод в схеме снаббера и подумали - что-то знакомое.
Да, так и есть, ближайший аналог, это цепь защиты транзистора, который коммутирует питание обмотки реле. В данном случае он выполняет похожую функцию, не допускает выброса напряжения на транзисторе при выключении. Кстати если диод в этой схеме заменить стабилитроном, то работать должно лучше.

Так как вариант с диодом неприменим в варианте с трансформатором, то последовательно с ним ставят либо резистор с конденсатором, либо супрессор, как на этой схеме.

Еще одно новое слово - супрессор. Не пугайтесь, супрессор это по сути просто стабилитрон, но если у стабилитрона функция обеспечить стабильное напряжение, то у супрессора акцент сделан на импульсный ток и рассеиваемую мощность, стабильность напряжения в данном случае не так важна.
Выглядит он как обычный диод, при этом бывает двунаправленным, но тогда катод не маркируется. Наиолее распространенные супрессоры серий P6KE и 1.5KE. Первый имеет импульсную мощность 600 Ватт, второй 1500 Ватт. Существуют и более мощные, но нас они не интересуют.

Я немного переверну схему так, чтобы было более понятно как работает эта схема. В подобных схемах чаще применяют супрессоры на напряжение в 200 Вольт, например P6KE200A.
Благодаря этому напряжение на обмотке трансформатора не может быть больше чем 200 Вольт. Напряжение на входном конденсаторе около 310 Вольт.
Получается что на транзисторе напряжение около 510 Вольт. На самом деле напряжение будет немного выше, так как детали неидеальны, а кроме того в сети может быть и более высокое напряжение.

В даташитах к микросхемам серии ТОР часто была показана именно такая схема включения супрессора.
Такая схема имеет более жесткую характеристику ограничения, так как до 200 Вольт не ограничивает совсем, а потом старается обрезать все что выше 200 Вольт. Схема с конденсатором имеет немного другую характеристику ограничения, но на самом деле это не критично.

Для уменьшения мощности, рассеиваемой на супрессоре, параллельно ему можно подключить конденсатор.

Или вообще сделать гибрид из двух схем, где есть все элементы обоих вариантов, такое часто применяется в мощных обратноходовых блоках питания.

Иногда применяется альтернативный вариант защиты транзистора, супрессор включенный параллельно ему. Такой вариант применяется довольно редко, чаще в блоках питания имеющих низкое входное напряжение.

Например такое включение супрессора можно увидеть в РоЕ блоке питания, входное напряжение здесь не 310 Вольт постоянного тока, а всего до 70 Вольт.

Теперь можно перейти к трансформатору.
Трансформатор состоит из магнитопровода и каркаса, иногда конструкция дополняется специальным скобами, которые фиксируют магнитопровод на каркасе.

Чаще всего для них используются Ш-образные магнитопроводы. Если блок питания обратноходовый, каким является подавляющее большинство недорогих маломощных блоков питания, то между половинками магнитопровода должен быть зазор. Зазор делается либо между половинками, либо используется специальный магнитопровод, где центральный керн уже имеет зазор, а этом случае ширина зазора должна быть в два раза больше.

Обычно в качестве материала магнитопровода используется феррит, у фирменных магнитопроводов может быть нанесена маркировка и по даташиту можно узнать его характеристики, у более дешевых магнитопроводом чаще маркировки нет.

Вначале мотаются обмотки трансформатора, а затем на этот магнитопровод устанавливается каркас.

Процесс намотки мелких трансформаторов довольно прост.
Сначала мотаем первичную обмотку.

Затем вторичную, иногда в два и более проводов.

Если есть третья обмотка, чаще всего это обмотка питания ШИМ контроллера, то мотаем и ее.

В целях безопасности изолируем всю конструкцию.

После этого берем подобранный магнитопровод, в данном случае здесь у одной половинки средний керн укорочен.

Собираем всю конструкцию вместе. Магнитопровод чаще всего склеивается, но я обычно дополнительно фиксирую скотчем.

В итоге получаем небольшой аккуратный трансформатор. На фото трансформатор мощностью около 25-30 Ватт.

Этот трансформатор уже имеет мощность до 80-100 Ватт. Мотаются они подобным образом, но с некоторыми отличиями.

У трансформаторов рассчитанных на низкое выходное напряжение и большой ток выходная обмотка может мотаться либо литцендратом, либо шиной.

Величина выбора с первичной обмотке напрямую зависит от правильности намотки трансформатора и если для маломощных трансформаторов это не очень критично, то неправильная намотка мощного трансформатора может привести к печальным последствиям.
Обычно наматывают обмотки в три слоя (если используется три обмотки), первичная, вторичная и вспомогательная.
Но связь между обмотками можно сильно улучшить если вторичную обмотку разместить между двумя половинами первичной.

Кроме того рекомендуется мотать провод не внавал, а виток к витку, равномерно заполняя всю площадь каркаса. Обмотки рассчитанные на большой ток мотать лучше несколькими тонкими проводами, а не одним толстым.

Проблемы, которые могут возникнуть в этом узле:
1. Межвитковое КЗ в случае выхода из строя высоковольтного транзистора.
2. Перегрев трансформатора, последующее резкое уменьшение его индуктивности и выход из строя транзистора инвертора
3. Пробой диода снаббера, крайне редко.
4. Частичный пробой супрессора, например супрессор на 200 Вольт превращается в супрессор на 100 Вольт, ничего не выгорает, но БП не работает.

www.kirich.blog

О трансформаторных блоках питания для самых маленьких

Делал тут намедни презентацию на тему «Однополярные и двуполярные трансформаторные блоки питания», решил заодно и здесь продублировать. Наверное, будет полезно для начинающих.

Блок питания радиоэлектронной аппаратуры является вторичным источником питания, то есть он служит для преобразования электроэнергии (первичные — для ее производства). Как правило, происходит преобразование переменного тока напряжением 220 В в постоянный с напряжением, необходимым для нормальной работы устройства. Из этих функций вытекает структурная схема трансформаторного блока питания: трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор.


Последние две части могут отсутствовать, как, например, в трансформаторных зарядных устройствах ACP-7E телефонов Nokia.

В последнее время трансформаторные блоки активно вытесняются импульсными (легкими, компактными, способными переварить любую дрянь из розетки: 110-240 вольт, 50-60 Гц — трансформатор такого не потерпит), однако все еще есть ниши, где они актуальны: например, устройства высококачественного воспроизведения звука или радиоприемники, которые подвержены действию помех, излучаемых импульсными БП (да-да, некоторые экземпляры можно использовать как маленькие глушилки длинных, средних и коротких волн).


Рассмотрим наиболее простой и наиболее часто встречающийся подвид: однополярный трансформаторный блок питания

Сразу оговорюсь, что однополупериодная схема выпрямителя (один диод, как в детекторном приемнике) в трансформаторной схемотехнике не снискала популярности ввиду низкого КПД и высокого уровня пульсаций.

В разрывы первичной и вторичной обмотки включены предохранители (у современных трансформаторов по первичной обмотке включен термопредохранитель, срабатывающий при перегреве магнитопровода). По «вторичке» предохранителя может и не быть, но по «первичке» он обязателен — это электро- и пожаробезопасность.

Вторичных обмоток может быть несколько (на разные напряжения), у одной обмотки могут быть несколько отводов от разных витков… Все это можно узнать из паспорта на трансформатор.

Диодный мост выпрямляет напряжение, а конденсаторный фильтр сглаживает его пульсации (минимально рекомендуемая емкость — 100 мкФ, максимальная ограничивается экономическими соображениями, размерами корпуса устройства, максимально возможным током через диоды и здравым смыслом). Не стоит забывать о физике: на диодном мосту неизбежно потеряется 1 — 2 вольта, но после конденсатора то, что останется, увеличится в корень из двух (1,41) раз (конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения). Например, с трансформатора идут 12 вольт «переменки» (действующее значение). 1,4 вольта отдадим диодам — итого уже 10,6. А на конденсаторе будет 14,94 вольта (амплитудное значение). Поэтому рабочее напряжение конденсатора должно быть с запасом — 25 вольт вполне хватит, а вот 16 — это уже пороховая бочка. Может, и не долбанет, но ресурс быстрее выработается.

 Выходное напряжение снимается с конденсатора и может питать устройство как напрямую, так и через стабилизатор: в этом случае рекомендуется, чтобы выходное напряжение БП было на 3 — 5 вольт выше номинального выходного напряжения стабилизатора. Используя интегральные стабилизаторы серии L78XX и компоненты из примера выше, можно сделать шикарный блок питания на девять вольт. Или на двенадцать, если падение напряжения на самом стабилизаторе 2-3 вольта (эта информация находится в даташите микросхемы). Или на пять, но 14,94 — 5 = 9,94 вольта, которые надо куда-то девать. А куда? Только в тепло. Поэтому стабилизаторы на малое напряжение, подключенные к большому входному, очень сильно греются.

Это слайд-шоу требует JavaScript.

Примеры устройств с таким БП: радиоприемник VEF 216 (встроенный), радиотелефоны (внешний), магнитофон «Весна 306» (встроенный).

Это слайд-шоу требует JavaScript.

Принцип работы мостового выпрямителя незатейлив: в течение каждого полупериода ток идет через два диода, включенные в прямом направлении (на одном кремниевом диоде в среднем падает 0,7 вольт — отсюда и берется число потерь 1,4). Таким образом, на конденсатор будет приходить напряжение, пульсирующее с удвоенной частотой питающей сети. Если за эти полпериода конденсатор не будет успевать разрядиться, то можно рассчитывать на то, что уровень пульсаций выходного напряжения будет низок (здесь, например, это хорошо показано: красное напряжение — с конденсатора, серое — с моста).

Следующие схемотехнические решения можно заметить в звуковоспроизводящей аппаратуре высокого класса: это пленочные конденсаторы, шунтирующие первичную и вторичную обмотки трансформатора (высоковольтный C1, C2), керамические конденсаторы, шунтирующие диоды моста (C3C6), и керамический или пленочный конденсатор емкостью 10 — 100 нФ, шунтирующий выходной электролитический (C7).

Конденсаторы на обмотках трансформатора предназначены для гашения высокочастотных помех от близких грозовых разрядов, щеточно-коллекторных узлов работающих электродвигателей и пр.

Шунтирование диодов помогает бороться с мультипликативной помехой радиоприему: она проявляется как фон в приемнике с частотой 100 Гц при настройке на мощную станцию в АМ-диапазоне.

Шунтирование выходного электролитического конденсатора помогает продлить срок его службы, так как «электролиты» склонны быстрее деградировать под действием высокочастотных помех. При наличии керамического или пленочного шунта малой емкости эти помехи через него закорачиваются на «землю».

Преимущества однополярных трансформаторных БП:

-Просты в изготовлении.
-Относительно легкие и маленькие.
-Легко обеспечить батарейное питание, что актуально для переносной техники (нужно всего лишь напыжевать достаточно батареек «в послед»).

К недостаткам можно отнести:

-Повышенное падение напряжение на выпрямителе (полтора вольта теряются, и при выпрямлении малого напряжения, например, трех вольт, это уже будет ощутимо — после конденсатора останется только 2,1 В).
-Мощные диоды в металлическом корпусе должны устанавливаться на радиатор через электроизолирующие прокладки, что в ряде случаев может быть затруднительно.


Следующий на очереди — двуполярный трансформаторный блок питания

Здесь используется трансформатор с двумя одинаковыми вторичными обмотками, соединенными последовательно (или это может быть одна обмотка со средней точкой). В этом случае средняя точка объявляется «землей», а с фильтров снимается напряжение как положительной, так и отрицательной полярности (измерения, разумеется, относительно «земли». И логично, что между «плюсом» и «минусом» 2Uвых).

Это слайд-шоу требует JavaScript.

Примеры устройств с таким БП: магнитофон «Вильма М-212С», усилитель «Радиотехника У-101», осциллограф «С1-94».

Это слайд-шоу требует JavaScript.

Диодный мост работает точно так же, как и в случае однополярного блока питания. Попеременно открываясь, то одна, то другая пара диодов пропускает переменное напряжение к конденсаторам фильтра.

К достоинствам двуполярного БП можно отнести:

-Значительное упрощение схем с операционными усилителями (исключаются цепочки, создающие «искусственный ноль» на входе — достаточно сравнить первую и вторую схемы отсюда).
-Уменьшение количества межкаскадных емкостей, так как в большинстве случаев постоянная составляющая сигнала отсутствует. А все мы знаем, что «электролиты» имеют свойство пересыхать.
-Акустика, подключенная к выходу исправного и настроенного усилителя с двуполярным питанием, не будет хлопать при включении, так как на выходе нет постоянной составляющей и конденсатора, блокирующего ее.

Однако есть и определенные недостатки:

-Снова повышенное падение напряжение на выпрямителе.
-Трансформатор со средней точкой сложен в изготовлении; он большой, тяжелый и совсем не портативный.
-Устройство чувствительно к перекосу плеч питания — например, если в звуковоспроизводящей технике при номинальных +/-14 вольт де-факто будут +12 и -16, форма выходного сигнала может сильно исказиться относительно нуля.
-«Исправный и настроенный усилитель», став вдруг неисправным, может выжечь акустику постоянным напряжением на выходе: нужна схема ее защиты при аварии.

Как следствие, такие блоки питания прижились в стационарной аппаратуре, где нет нужды в батарейном питании.


Необычная схема: однополярный БП с выпрямителем Миткевича

Этот блок питания также основывается на трансформаторе со средней точкой, но в качестве выпрямителя применяются два четвертьмоста, соединенные параллельно (выпрямитель Миткевича). Это двухполупериодный выпрямитель, и ток на фильтрующий конденсатор течет то с одной половины обмотки, то с другой через диод, находящийся в этот момент в прямом включении. Это было достаточно типичное решение для тех времен, когда диоды стоили дороже меди.

Пример устройства с таким БП: радиоприемник «Ишим».

Это слайд-шоу требует JavaScript.

Первым делом в глаза бросается то, что выпрямитель и фильтр включены по схеме с общим «плюсом», и с конденсатора снимается напряжение отрицательной полярности. Это обычная схемотехника 60-70-х гг.: тогда применялись германиевые транзисторы в основном p-n-p-структуры (ограничение технологии), у которых эмиттер подключается к «плюсу», а база и коллектор — к «минусу» питания.

В течение каждого полупериода ток протекает через один диод.

Положительными сторонами таких блоков питания можно считать:

-Экономию на диодах.
-Потери в выпрямители в два раза меньше, чем в мостовой схеме (ток в каждом полупериоде течет только через один диод).

Однако недостатки загнали этот вид блока питания в «Красную книгу РЭА»:

-Трансформатор со средней точкой сложен в изготовлении; он большой, тяжелый и совсем не портативный.
-В каждом полупериоде одна половина обмотки простаивает. Меди много, но работает она не вся.


Как быстро отличить импульсный блок питания от трансформаторного (имеются в виду те, что вставляются в розетку)?

Ипульсный: компактный, почти невесомый, часто бывает вытянут в осевом направлении. Жрет что угодно: чудовищный разброс по напряжению 110-240 вольт и частоте сети его не пугает (обычно эти параметры написаны на наклейке). Выходной ток при высоких напряжениях как правило, тоже достаточно большой — до 2 ампер. На секундочку: 2 А * 12 В = 24 Вт!

Трансформаторный: тяжелый, сбитый «кубик«. На наклейке обычно указано входное напряжение 230 вольт, иногда с маленькими зазорами (плюс-минус десять вольт). Частота — строго 50 Гц для постсоветского пространства. Ток обычно скромный: тот, что на картинке — девятивольтовый с полуамперным выходом (0,5 А * 9 В = 4,5 Вт). А ведь уже и такой блок достаточно громоздкий.

Для питания радиоприемников и другой старой техники, конечно, лучше выбрать трансформаторный.

Понравилось это:

Нравится Загрузка...

Похожее

huxfluxdeluxe.wordpress.com

как он есть (часть 1)

Прогресс не стоит на месте, в домашнем хозяйстве используется множество электронных приборов и всем им требуется блок питания. В крупных аппаратах его встраивают в корпус устройства, а «мелочь» довольствуется внешним исполнением. Но что-то теряется, что-то перестает удовлетворять требованиям и приходится покупать новые модели. А так ли это необходимо? Можно ли сделать свой блок питания или улучшить старый? Одни из самых востребованных типов БП - те, что встраиваются в усилители низкой частоты. Сам усилитель, особенно начального уровня, собрать не трудно, обычно на все уходит одна-две микросхемы и немного «мелочевки», проблема возникает с блоком питания. Давайте об этом и поговорим.

Подобный блок подразумевает использование низкочастотного трансформатора для получения пониженного напряжения, из которого формируется постоянное выходное напряжение. Типовая топология БП выглядит следующим образом: 394x171  5 KB

Входное напряжение сети 220 вольт через предохранитель FU1 подается на первичную обмотку трансформатора TV1 (выводы 1-2). На его вторичной обмотке (выводы 3-4) наводится переменное напряжение, которое выпрямляется диодным выпрямителем D1, сглаживается конденсатором С1 и подается на выход. Такое построение является типичным, меняются лишь номиналы и количество компонентов, а топология остается прежней.

Рассмотрим назначение элементов схемы.

  • Предохранитель FU1 защищает блок питания и сеть 220 вольт от чрезмерного тока. При увеличении тока в цепи выше предельного он разрушается (расплавляется низкоплавкая проволочка) и цепь разрывается.
  • Трансформатор TV1 преобразует величину напряжения с первичной стороны во вторичную, при этом обеспечивается гальваническая развязка выхода от сети 220 вольт.
  • Диодный выпрямитель D1 выпрямляет переменное напряжение в однополярное пульсирующее.
  • Конденсатор С1 сглаживает выходное напряжение.

Теперь подробнее про использование элементов устройства.

Предохранитель защищает устройство в случае возникновения экстренных ситуаций. При перегрузке или коротком замыкании в нагрузке возникает большой ток в первичной обмотке, что может привести к ее перегреву с последующим возгоранием устройства. Кроме того, не исключена вероятность пробоя межслойной изоляции, и фазное напряжение попадет на выход. Лучше уж отключенный БП, чем подобное, поэтому присутствие предохранителя обязательно.

К слову, зачастую элемент защиты монтируют в обмотку трансформатора, что позволяет отключать его при критическом нагревании. К сожалению, такой прием срабатывает только один раз, и восстановить работоспособность трансформатора удается не всегда – предохранитель, в конструктивном исполнении резистора 0.125 Вт, подключен к внешнему концу первичной обмотки и «намотан» вместе с ней под слоем изоляции.

Трансформатор преобразует переменное напряжение в магнитное поле, которое наводит напряжение во вторичной обмотке. Степень понижения (повышения) выходного напряжения, иначе говоря «коэффициент трансформации» зависит от соотношения числа витков в этих обмотках.

Диодный выпрямитель служит для преобразования переменного напряжения (положительной и отрицательной полярности) с вторичной обмотки в однополярную форму.

Выходной конденсатор сглаживает пульсации выходного напряжения. Дело в том, что трансформатор «предоставляет» напряжение той же формы, что и в сети 220 вольт, а именно синусоидальной. К слову, при работе от бесперебойных источников его форма может быть далеко не синусоидальной. Форма выпрямленного напряжения непостоянна во времени, наличествует длительное снижение до нуля вольт, поэтому необходима установка элемента, поддерживающего выходное напряжение постоянной величины, что выполняется на сглаживающем конденсаторе. Рассмотрим происходящие процессы подробнее, на модели блока питания 10 В.

295x450  59 KB. Big one: 439x670  14 KB

На картинке представлены напряжения, токи вторичных обмоток трансформатора и выходных напряжений для трех вариантов:

1. (красный). Выходной конденсатор отсутствует.
2. (зеленый). Выходной конденсатор присутствует, но его емкости явно недостаточно.
3. (синий). Выходной конденсатор обладает достаточной емкостью.

Форма напряжения на выходной обмотке, в первом приближении, остается синусоидальной для всех трех случаев, но только в первом – обмотки трансформатора намотаны медным проводом, и хотя медь хорошо проводит электрический ток, но ее используется довольно много, а потому сопротивление обмоток весьма чувствительно по величине. Чем больше ток нагрузки, чем она более «импульсная», тем сильнее искажается напряжение на выходе трансформатора.

Посмотрите на форму тока для всех трех вариантов – по мере увеличения емкости сглаживающего конденсатора растет величина тока потребления вторичной обмотки с одновременным его «сужением» в зонах максимума напряжений. Ток нагрузки блока питания 1 ампер, но от вторичной обмотки потребляется 4 А, то есть следует говорить о «пик факторе» четыре. Иначе говоря, в трансформаторном БП пиковый ток выходной обмотки в три-четыре раза больше тока нагрузки, и по мере увеличения емкости сглаживающих конденсаторов он только возрастает, хоть и не так существенно. Это важный момент.

От общего к частному, рассмотрим основные составные части блока питания.

Сетевой трансформатор работает на частоте 50 Гц, что определяет тип магнитопровода – тонкие листы трансформаторного железа. Толщина пластин, или ленты, выбирается из уровня потерь на вихревые токи в железе, так называемые «токи Фуко» - переменное магнитное поле наводит напряжение в любом металлическом предмете, не только в обмотках, но и в самом магнитопроводе. Для уменьшения потерь применяют тонкие листы с лакокрасочным покрытием для изоляции между слоями. Впрочем, не будем самостоятельно выпиливать сердечник трансформатора из цельного куска железа.

По конструктивному исполнению трансформаторы делятся на тороидальные, стержневые и броневые.

450x183  22 KB

Внешне они выглядят следующим образом:

450x171  21 KB

Тороидальный трансформатор. Это конструктивное исполнение самое простое – обмотки наматываются на кольце из ленты трансформаторного железа, никаких специальных каркасов не требуется. Кроме того, у такого решения самое эффективное использование поверхности магнитопровода, что означает низкое рассеивание магнитного поля и снижение потерь в меди обмоток. Отсутствие каркаса приближает провод к сердечнику, диаметр витка уменьшается, что снижает общую длину провода, то есть его сопротивление.

Броневой трансформатор гораздо технологичнее тороидального – применяется один каркас для намотки обмоток, сам процесс изготовления не вызывает каких-либо технических трудностей, не требует весьма специфического оборудования, свойственного тороидальным трансформаторам. Увы, на этом его достоинства заканчиваются и начинаются недостатки – относительно низкий коэффициент использования магнитопровода, сильно ограниченное место для обмоток, плохое рассеивание тепла.

Стержневой трансформатор занимает среднее положение между тороидальным и броневым – от последнего он «взял» каркас для обмоток, а от первого – улучшенное использование поверхности магнитопровода. Да и по техническим свойствам данный тип расположен посредине между тороидальным и броневым вариантами. Из особенностей его исполнения отмечу то, что количество обмоток на трансформаторе удвоено. А именно, на каждом стержне присутствует первичная (сетевая) и вторичная обмотка (их может быть несколько).

При подключении такого трансформатора надо проявлять максимальную аккуратность – всегда можно спутать начало-конец обмоток, что может окончиться весьма печально. У меня были случаи, когда в партии советских трансформаторов некоторое их количество обладало «перевернутыми» обмотками. Как легко понять, это привело к необходимости «ручной настройки» серийной продукции, регулировщики были счастливы.

От исполнения перейдем к электрическим характеристикам. В домашних условиях мало кто возьмется изготавливать подобное самостоятельно – намотка сетевой обмотки тороидального трансформатора крайне утомительна, а другие исполнения требуют каркас, который хоть и облегчает работу, но все же является проблемой. Чаще всего подбирают подходящий трансформатор, удаляют с него вторичные обмотки и наматывают свои, с нужным числом витков. Такое решение довольно легко реализуется – достаточно узнать количество вольт на виток и намотать свои обмотки.

Методика переделки:

1. Определить первичную обмотку (или обмотки) трансформатора.
2. Удалить вторичные обмотки.
3. Намотать на трансформаторе тестовую обмотку с известным числом витков (например, сто), диаметр провода роли не играет.
4. Подключить его к сети 220 вольт и померить напряжение на временной обмотке.

Зная напряжение на тестовой обмотке и то, которое необходимо получить, нетрудно вычислить нужное количество витков. После удаления вторичных обмоток на каркасе освободилось место, вот исходя из этого и количества витков, можно вычислить диаметр провода для вторичной. Только не забудьте два момента – если выходных обмоток несколько, то надо их все уместить на свободном пространстве каркаса. И не следует забывать о слое изоляции поверх первичной – пробой фазы на вторичную обмотку хотелось бы получить меньше всего. Впрочем, вернемся к теме.

При рассмотрении схемы замещения трансформатора следует учитывать два фактора – сопротивление первичной и вторичной обмоток, а также величину индуктивности первичной обмотки. Дело в том, что трансформатор представляет собой дроссель, который подключен к источнику переменного напряжения довольно низкой частоты. Это означает, что через первичную обмотку протекает ток даже при отсутствии нагрузки на выходе.

Возьмем конкретный пример и оценим вклад каждого параметра. Скажем, трансформатор настольной лампы - 12 вольт, 20 Вт. Измерения показали следующие характеристики трансформатора:

  • Сопротивление первичной обмотки 144 Ом;
  • Сопротивление вторичной обмотки 0.7 Ом;
  • Индуктивность первичной обмотки 5.2 Гн;
  • Выходное напряжение холостого хода 13.8 В.

Представим его в эквивалентном виде:

297x167  5 KB

Резисторы R1 и R2 показывают сопротивление первичной и вторичной обмотки, L1 – индуктивность первичной стороны. «А»-«B» и «C»-«D» - «внешние» выводы обмоток.

Рассмотрим два варианта работы трансформатора – без нагрузки и с подключенной лампой накаливания.

На холостом ходу вторичная обмотка никуда не подключена, но через первичную обмотку течет некоторый ток, который определяется конечной индуктивностью первичной обмотки. Величина тока определяется из импеданса обмотки на частоте сети (50 Гц) и напряжения сети (220 В). Импеданс индуктивности считается по обычной формуле:

Z=2*PI*L*F

Где:

  • PI = 3.14.
  • L – индуктивность катушки, Гн.
  • F – частота, Гц.

Для данного примера это составит 2*3.14*5.2*50=1.63 КОм. При напряжении в сети 220 вольт через обмотку будет протекать ток 220 В/ 1.63 кОм=135 мА. Обратите внимание, ток будет течь всегда, подключена ли нагрузка к трансформатору или нет. Это создает реактивный ток в проводах, но не считается за потребляемую мощность… по крайней мере счетчик электроэнергии его не должен учитывать. Увы, негативные последствия подобного тока все же присутствуют – он протекает через первичную обмотку с конечным сопротивлением, что наводит в ней чисто активную мощность потерь:

P = I*I*R = 0.135*0.135*144 = 2.6 Вт.

Вот эта мощность уже активная и вызывает вполне ощутимое последствие – трансформатор немного нагревается, даже при отключенной нагрузке (выключенной лампочке).

Фильтрация помех

Трансформатор довольно неплохо изолирует выходную обмотку от помех в сети, особенно в высокочастотной части звукового диапазона и выше. «Довольно неплохо», но никак не «хорошо» - у него существует конструктивно-технологическое ограничение, мешающее получению высокой степени изоляции. А именно – обмотки очень протяженные как по поверхности магнитопровода, так и по области их взаимного соприкосновения.

Особенно неудачно обстоят дела у тороидального варианта исполнения – межслойный экран сделать крайне сложно и не технологично, обмотки наматываются одна поверх другой с небольшим количеством слоев, что означает очень большую поверхность соприкосновения. У «стержневого» и «броневого» трансформатора с этим лучше – жесткий каркас намотки лишен искривлений и позволяет использовать экраны, да и поверхность соприкосновения обмоток менее «тороидального» варианта. Одна беда – полноценные экраны в трансформаторах встречаются довольно редко. Подчас экран вроде бы и есть, но выполнен он «одним слоем тонкого провода», что может выполнять свою функцию только на очень низких частотах.

Существует еще один способ получения высокой степени подавления помех – разнести первичную и вторичную обмотки по разные стороны магнитопровода, полностью исключив передачу помехи через емкость между обмотками. Кроме устранения емкостной связи такой способ позволяет фильтровать помехи за счет невысокой предельной рабочей частоты магнитопровода. Трансформаторное железо плохо пропускает переменное поле средней – высокой частоты, что положительно сказывается на уровне помех на вторичной стороне.

Увы, для этого трансформатор должен быть намотан специальным образом, что в серийном производстве для бытовых нужд не встречается. Для такого исполнения в «тороидальном» трансформаторе первичная и вторичная обмотки должны находиться в противоположных сторонах кольца без взаимного контакта. В «стержневом» – сетевые обмотки необходимо разместить на одном стержне, вторичные на другом. По конструктивным причинам разнесение обмоток в броневом трансформаторе выполнить сложнее, да и эффект от его применения проявится слабее – слишком компактное размещение не позволяет исключить емкостную связь между обмотками.

Трансформатор «для светильников» лишен каких-либо элементов ёмкостной изоляции обмоток, ведь они не только повышают его стоимость, но и снижают технические характеристики, поскольку возрастает индуктивность рассеивания между первичной и вторичной обмотками. Последнее в свою очередь приводит к увеличению выходного сопротивления. Но не все так плохо, и обычный трансформатор эффективно устраняет помехи средне-высокочастотного диапазона. Даже проникнув через межобмоточную емкостную связь на вторичную сторону, помеха встретит на пути проникновения как индуктивность катушки до её выводов, так и сглаживающий конденсатор довольно большой емкости.

С вторичной обмотки трансформатора поступает переменное напряжение, но для питания аппаратуры требуется постоянное, поэтому блок питания должен быть со схемой выпрямления. Обычно она выполняется на полупроводниковых диодах, синхронные выпрямители применяются крайне редко – сопротивление потерь трансформатора больше, чем теряется на p-n переходе диодов и смысл усложнения схемы отсутствует. В трансформаторном блоке питания чаще всего применяются два схемных решения – мост или полумост с удвоенным количеством обмоток.

Мост

Данное схемное решение означает применение четырех диодов:

289x145  2 KB

Диоды открываются парами, D1 - D3 для положительной полуволны и D2 – D4 для отрицательной, в результате на выходе получается напряжение одной полярности, хоть и с непостоянной амплитудой.

289x145  2 KB289x145  2 KB

Для сглаживания выходного напряжения применяется конденсатор довольно большой емкости (С1).

Полумост

Такое построение выпрямительного узла несколько напоминает «мост», но у него в два раза меньше диодов и удвоено количество выходных обмоток трансформатора:

289x145  2 KB

Что сразу бросается в глаза – две вторичные обмотки вместо одной. На элементы в сером прямоугольнике пока не обращайте внимания. Выходные обмотки (выводы «3»-«5» и «1»-«4») включены в противофазе, напряжение на выводе «3» равно напряжению на выводе «4», но противоположно по знаку. Иначе говоря, когда на одной обмотке «+», то на другой «-».

289x145  2 KB289x145  2 KB

Принцип работы схемы примерно такой же, как у ранее рассмотренной – при положительной полуволне «+» формируется на выводе «3», открывается диод D1 и на выход следует положительное напряжение. При отрицательной полуволне на выводе «3» получается «-», а на выводе «4» становится «+», диод D2 открывается и на выходе также получается положительное напряжение. В такой схеме используются всего лишь два диода, что должно (бы) уменьшить потери на выпрямительном узле и получить более стабильное выходное напряжение.

Увы, это далеко не так, применение подобного решения для получения одного напряжения неизбежно проиграет «мосту» - при удваивании числа обмоток их внутреннее сопротивление возрастает (примерно в два раза), что приведет к большим потерям, чем еще один p-n переход в мостовом выпрямителе. Подробнее вопрос будет рассмотрен в разделе расчета блока питания. Запомните главное – крайне не рекомендуется использовать полумостовой выпрямитель в трансформаторных блоках питания. Какой же смысл, зачем в разделе вообще идет речь о такой конструкции выпрямительного узла, если он проигрывает «мосту»?

Все просто – на «мосте» можно получить только одно напряжение и всё, а «полумост» способен предоставить как положительное, так и отрицательное напряжение, всё с тех же обмоток. Посмотрите еще раз на схему, в «сером» прямоугольнике изображены элементы, необходимые для получения отрицательного напряжения, причем той же величины, что и положительного. Эта часть работает точно так же, как и рассмотренная ранее, только диоды проводят в противоположной полярности и на выходе формируется отрицательное напряжение.

Небольшой вывод – если аппаратура требует однополярное выходное напряжение, то необходимо применять мостовую схему выпрямления, а если двухполярное – сдвоенную полумостовую. Кстати, если посмотреть на схему внимательнее, то окажется, что двойной полумост представляет собой мост, который работает с удвоенным напряжением, при этом две выходные обмотки трансформатора выполняют роль симметрирующего элемента для деления выходного напряжения на две равные «половинки».

Трансформаторный блок питания состоит из трех ключевых элементов – самого трансформатора, который понижает напряжение до нужной величины, выпрямительного узла, формирующего однополярное напряжение и, третьего обязательного элемента устройства – сглаживающего конденсатора. Смысл его существования в снижении пульсаций напряжения после выпрямительного узла.

В сети 220 вольт, от которой должен работать БП, представляет собой переменное напряжение синусоидальной формы частотой 50 Гц. Проблема в том, что синусоида довольно значительную часть периода обладает небольшим напряжением, вплоть до нуля, а аппаратура требует жесткого удержания выходного напряжения в заданных рамках, поэтому прямое подключение к выпрямительному узлу без дополнительных фильтрующих средств невозможно – пульсации будут слишком большие и работоспособность устройства нарушится.

Для устранения проблемы после диодного выпрямителя требуется установить элемент, который бы запасал энергию при высоком уровне синусоидального напряжения и отдавал ее на выход при снижении уровня синусоиды. Этого можно добиться применением конденсаторов достаточно большой емкости. На рисунке, приведенном ранее, указаны формы напряжения для различной емкости сглаживающего конденсатора – чем она выше, тем больше выходное напряжение похоже на прямую линию, то есть уровень пульсаций уменьшается. Выбор параметров сглаживающих конденсаторов будет произведен в следующем разделе.

Рассмотрев элементы, используемые в трансформаторном БП, перейдем к конкретным, практическим решениям. Теория суха и трудна в освоении, поэтому лучше что-то сделать своими руками, так проще.

Есть трансформатор с измеренными параметрами, можно собрать на нём блок питания с вполне утилитарным применением – источник питания усилителя низкой частоты. Для такого применения чаще всего используется однополярное питание с напряжением 12 вольт. Типичные микросхемы усилителей - TDA2005 (22 Вт), TDA1554Q (2*22 Вт), TDA7385 (4*30 Вт), TDA7386 (4*45 Вт) и другие. Габаритная мощность трансформатора вряд ли превышает 20 Вт, было бы излишне оптимистично пытаться запитать от него усилитель мощнее 20 Вт, ограничим ассортимент первой микросхемой из списка, TDA2005. Впрочем, вместо нее можно применить любую другую, и более мощную – только не удастся получить полную отдачу на все каналы, а так работать будет.

Микросхема выбрана, начнем по порядку.

overclockers.ru

Почему гудит трансформатор в блоке питания, усилителе, люстре

Природа характерного звука, издаваемого трансформатором при работе, объясняется в школьном курсе физики (явление именуется магнитострикцией). Но влияние этого физического процесса на устройства, работающие в бытовых приборах ничтожно мало, поэтому причины гудения в большинстве случаев указывают на нештатную работу. Попробуем разобраться, почему гудит трансформатор в люстре, блоке питания или в усилителе, и как устранить это явление. Начнем с азов.

Природа магнитострикции

Для объяснения этого явления кратко напомним о принципе работы электромагнитных приборов, преобразовывающих переменное напряжение, то есть трансформаторов. Его упрощенное изображение показано на рисунке 1.

Устройство трансформатораРисунок 1. Устройство трансформатора

Представленное на рисунке устройство состоит из первичной обмотки «А», вторичной -«В» и проходящего через них сердечника — «С», выполненного из тонких наборных железных пластин или другого материала с ферримагнитными свойствами.

Прохождение переменного напряжения через обмотку «А», приводит к образованию переменного магнитного поля «D» в сердечнике, способствующего появлению электрического тока в катушке «В». При этом частота тока остается неизменной, а величина напряжения зависит от соотношения количества витков между катушками.

Теперь напомним, что представляет собой магнитострикция. Это физический эффект приводящий к изменению линейных размеров и объема тела, через которое проходит магнитный поток. Наибольшим изменениям подвергаются сильномагнитные материалы, именно из них, в большинстве случаев, изготавливают сердечники трансформаторов. На рисунке 2 показана периодичность растяжения-сжатия сердечника на протяжении одного цикла изменения магнитного потока.

Изменение линейных размеров сердечника на протяжении одного циклаРисунок 2. Изменение линейных размеров сердечника на протяжении одного цикла

Под воздействием линейных колебаний в прилегающем воздухе создаются звуковые волны соответствующей частоты. То есть, если в течение одного цикла сердечник растягивается-сжимается дважды, то при стандартной частоте сети переменного тока 50 Гц будут формироваться звуковые волны частотой 100 Гц. Это и есть характерный гул, который производит трансформатор при работе.

Учитывая вышесказанное можно объяснить, почему импульсный трансформатор неслышно при работе. Частота производимых звуковых колебаний этого устройства находится за границей восприятия человеческого уха.

Уровень шума напрямую зависит от следующих факторов:

  • габаритные размеры устройства;
  • величина нагрузки;
  • структура и физические характеристики материала сердечника.

Учитывая перечисленные факторы, можно констатировать, что для устройств, работающих в бытовых приборах, повышенный уровень шума, скорее, исключение, чем правило. Это указывает на нештатную работу трансформатора, следовательно, необходимо найти и устранить неисправность.

Сильно шумит силовой трансформатор, возможные причины

Если устройство свистит или гудит, хотя ранее работало нормально, то это может свидетельствовать о разошедшихся пластинах сердечника. В данном случае потребуется идеальный подгон железа, чтобы исключить зазоры, помимо этого обеспечить хорошую стяжку. Если трансформатор броневого типа, то сделать это можно при помощи обычного водопроводного хомута, затянув его по периметру сердечника, как показано на рисунке 3.

Стягивание сердечника при помощи червячного хомутаРисунок 3. Стягивание сердечника при помощи червячного хомута

Когда устройство не только шумит, а и значительно нагревается, то такие признаки характерны при большой нагрузке по току. Причина может крыться как в самом трансформаторе (межвитковое замыкание), так и в проблемах цепи, питающегося от него устройства (например, утечка в электролитических конденсаторах).

Необходимо сразу предупредить, что произвести диагностику на предмет межвиткового замыкания, используя только мультиметр, довольно затруднительно. Но, при поверхностном осмотре обнаружить дефект, вполне возможно. КЗ между витками вызывает местный нагрев. Следствием этого может быть почернение, подтеки, подпалины, вздутие заливки, характерный запах сгоревшей изоляции и т.д.

Характерные следы межвиткового замыканияХарактерные следы межвиткового замыкания

Если визуальный осмотр не дал результатов, а в наличии из измерительных приборов только мультиметр, то проверить работоспособность устройства можно двумя способами:

  1. Измерить сопротивление первичной и вторичной обмотки, переведя прибор в режим мегомметра. После чего сравнить полученные значения с указанными в справочнике (если определен тип устройства). Расхождение в показателях более 50% свидетельствуют о межвитковом замыкании.

В тех случаях, когда установить штатное сопротивление обмотки не представляется возможным, вычислить его можно по сечению, типу провода и количеству витков. Как правило, эти параметры указаны на трансформаторе.

Также можно провести диагностику, имея в наличии аналогичное, заведомо рабочее устройство. В этом случае достаточно измерить сопротивление обмоток и сравнить их, расхождение не должно превышать 20%.

  1. Понижающий трансформатор иногда тестируют, включением в сеть, после чего проверяют напряжение на кабеле (подключенным к вторичной обмотке). Если после включения слышится треск или появляется дым, устройство необходимо сразу обесточить, такие признаки характерны при неисправности первичной обмотки.

Проводя измерения, следует проявлять осторожность, чтобы избежать контакта с токоведущими частями. Показания прибора должны соответствовать ожидаемым. Если напряжение на вторичной обмотке меньше необходимого на 20%, то это свидетельствует о межвитковом замыкании.

Появление гула после перемотки

Если трансформатор перематывается в домашних условиях, то есть большая вероятность того, что при работе он будет издавать характерный шум. Это может быть связано со следующими причинами:

  • неправильно собран или не подогнан магнитопровод. Наиболее часто такая проблема возникает после разборки-сборки Ш-образного сердечника. Как правильно собрать такой магнитопровод чтобы устранить проблему, расскажем чуть ниже;
  • не закреплена катушка на сердечнике или неплотно намотаны обмотки. Исправить ситуацию можно плотно зафиксировав катушку, перемотав обмотку или пропитав ее парафином (парафиновая ванна). Последний вариант хорошо помогает в том случае, когда гудит тороидальный трансформатор;
  • неверно произведен расчет обмоток. Как правило, в этом случае нагруженный трансформатор не только гудит, но и ощутимо нагревается. Для исправления проблемы потребуется проверка расчетов и перемотка с учетом исправленных ошибок.

Как правильно собрать Ш-образный сердечник, чтобы минимизировать шум трансформатора

Магнитопровод такого устройства состоит из двух типов пластин, они показаны на рисунке 5. Это Ш-образная пластина «А» и торцевая – «В».

Пластины Ш-образного сердечникаРисунок 5. Пластины Ш-образного сердечника

Чтобы снизить потери на вихревые токи каждая из пластин изолируется с одной стороны. Для этой цели их покрывают лаком или производят отжиг до появления окисла. Для уменьшения магнитного зазора и, как следствие, потери на магнитный поток рассеяния, после перемотки пластины следует устанавливать поочередно с каждой стороны. Как это делать продемонстрировано на рисунке 6.

Поочередная установка пластинРисунок 6. Поочередная установка пластин

Собрав примерно половину сердечника, следует установить две Ш-пластины с одной стороны (без торцевых пластин) не задвигая их до конца. Далее продолжаем сборку, пока магнитопровод не будет набран на 2/3. В оставшейся части устанавливаем только Ш-пластины. В итоге останется около двух десятков торцевых вставок и несколько Ш-образных, которые уже не пролазят в каркас.

Оставшиеся вставки устанавливаем между двух выдвинутых на середине (см. рисунок 7) и осторожно забиваем их деревянной киянкой, стараясь не погнуть.

Рисунок 7. Установка в магнитопровод оставшихся пластинРисунок 7. Установка в магнитопровод оставшихся пластин

На завершающем этапе сборки вставляем торцевые пластины.

www.asutpp.ru

Как подобрать трансформатор для блока питания

Проще всего подобрать трансформатор для бока питания на радиорынке, если, конечно, он есть в вашем городе. Там же можно договориться о перемотке трансформатора. Но, и трансформаторы, и услуги по их перемотке достаточно дороги.

На радиорынке всегда,  можно подобрать и купить трансформатор как Б/у так и новый.

Если у Вас в сарае или на балконе валяется какая-нибудь ненужная техника, то наверняка в ней есть и трансформаторы. Любой разборный сетевой трансформатор очень легко переделать под свои нужды. Самое главное, чтобы хватило его габаритной мощности.

Если мощность трансформатора меньше требуемой, то под нагрузкой выходное напряжение трансформатора может существенно просесть. Но, это тоже не беда, так как микросхемы типа TDA2030, TDA2040 и TDA2050 могут работать при значительном снижении напряжения питания, а именно: ±6, ±2,5 и ±4,5 Вольт соответственно.

Маловероятно, что вторичные обмотки найденного трансформатора подойдут по току и напряжению, но первичная обмотка уже рассчитана на напряжение осветительной сети и это самое лучшее подспорье, так как перемотать вторичную обмотку намного проще, чем первичную.

Хорошо, если это будет стандартный унифицированный трансформатор, тогда можно по его наименованию точно определить напряжения и максимально допустимые токи вторичных обмоток. Такие трансформаторы не поддаются разборке, поэтому прежде чем его покупать, нужно сверить название с данными в справочнике.

В сайте есть ссылка на справочник, в котором можно найти подробную информацию о большинстве унифицированных трансформаторов советского и постсоветского производства.

старый трансформаторЕсли же это будет трансформатор без опознавательных знаков, то вероятность того, что его придётся перематывать, будет стремиться к 99%. За такой трансформатор много платить не стоит.

При покупке трансформатора на кольцевом магнитопроводе, следует иметь в виду, что не каждый трансформатор можно разобрать, не повредив первичной обмотки.

  • Годится для замены вторичной обмотки
  • Нужно мотать первичную обмотку
  • Нужно мотать первичную обмотку.

Видео: ГДЕ ВЗЯТЬ ИДЕАЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ ЛАБОРАТОРНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ

В этом видео рассмотрен трансформатор от музыкального центра. На его основе можно сделать лабораторный блок питания. На выходе у него 35 вольт 20 ампер. Так же есть выход на 4,7 вольт 4 ампер для usb зарядников.

transformator220.ru

0 comments on “Трансформатор блока питания почему – Отличия импульсного блока питания от обычного

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *