Линейные стабилизаторы имеют общий недостаток – это малый КПД и высокое выделение тепла. Мощные приборы, создающие нагрузочный ток в широких пределах имеют значительные габариты и вес. Чтобы компенсировать эти недостатки, разработаны и используются импульсные стабилизаторы.

Устройство, поддерживающее в постоянном виде напряжение на потребителе тока с помощью регулировки электронным элементом, действующим в режиме ключа. Импульсный стабилизатор напряжения, так же как и линейный существует последовательного и параллельного вида. Роль ключа в таких моделях исполняют транзисторы.

Так как действующая точка стабилизирующего устройства практически постоянно расположена в области отсечки или насыщения, проходя активную область, то в транзисторе выделяется немного тепла, следовательно, импульсный стабилизатор имеет высокий КПД.

Стабилизация осуществляется с помощью изменения продолжительности импульсов, а также управления их частотой. Вследствие этого различают частотно-импульсное, а другими словами широтное регулирование. Импульсные стабилизаторы функционируют в комбинированном импульсном режиме.

В устройствах стабилизации с регулированием широтно-импульсным частота импульсов имеет постоянную величину, а продолжительность действия импульсов является непостоянным значением. В приборах с регулированием частотно-импульсным продолжительность импульсов не изменяется, меняют только частоту.

На выходе устройства напряжение представлено в виде пульсаций, соответственно оно не годится для питания потребителя. Перед подачей питания на нагрузку потребителя, его нужно выровнять. Для этого на выходе импульсных стабилизаторов монтируют выравнивающие емкостные фильтры. Они бывают многозвенчатыми, Г-образными и другими.

Средняя величина напряжения, поданная на нагрузку, вычисляется по формуле:

• Ти – продолжительность периода.
• tи – продолжительность импульса.
• Rн – значение сопротивления потребителя, Ом.
• I(t) – значение тока, проходящего по нагрузке, ампер.

Ток может перестать протекать по фильтру к началу следующего импульса, в зависимости от индуктивности. В этом случае идет речь о режиме действия с переменным током. Ток также может дальше протекать, тогда имеют ввиду функционирование с постоянным током.

При повышенной чувствительности нагрузки к импульсам питания, выполняют режим постоянного тока, не смотря со значительными потерями в обмотке дросселя и проводах. Если размер импульсов на выходе прибора незначителен, то рекомендуется функционирование при переменном токе.

Принцип работы

В общем виде импульсный стабилизатор включает в себя импульсный преобразователь с устройством регулировки, генератор, выравнивающий фильтр, снижающий импульсы напряжения на выходе, сравнивающее устройство, подающее сигнал разности входного и выходного напряжения.

Схема основных частей стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Напряжение на выходе прибора поступает на сравнивающее устройство с базовым напряжением. В результате получают пропорциональный сигнал. Его подают на генератор, предварительно усилив его.

При регулировании в генераторе разностный аналоговый сигнал модифицируют в пульсации с постоянной частотой и переменной продолжительностью. При регулировании частотно-импульсном продолжительность импульсов имеет постоянное значение. Она меняет частоту импульсов генератора в зависимости от свойств сигнала.

Образованные генератором управляющие импульсы проходят на элементы преобразователя. Транзистор регулировки действует в режиме ключа. Изменяя частоту или интервал импульсов генератора, есть возможность менять нагрузочное напряжение. Преобразователь модифицирует значение напряжения на выходе в зависимости от свойств управляющих импульсов. По теории в приборах с частотной и широтной регулировкой импульсы напряжения на потребителе могут отсутствовать.

При релейном принципе действия сигнал, который управляется стабилизатором, образуется с помощью триггера. При поступлении постоянного напряжения в прибор транзистор, работающий в качестве ключа, открыт, и повышает напряжение на выходе. сравнивающее устройство определяет сигнал разности, который достигнув некоторого верхнего предела, поменяет состояние триггера, и произойдет коммутация регулирующего транзистора на отсечку.

Напряжение на выходе станет уменьшаться. При падении напряжения до нижнего предела сравнивающее устройство определяет сигнал разности, переключающий снова триггер, и транзистор опять войдет в насыщение. Разность потенциалов на нагрузке прибора станет повышаться. Следовательно, при релейном виде стабилизации напряжение на выходе повышается, тем самым выравнивается. Предел срабатывания триггера настраивают с помощью корректировки амплитуды значения напряжения на сравнивающем устройстве.

Стабилизаторы релейного типа имеют повышенную скорость реакции, в отличие от приборов с частотным и широтным регулированием. Это является их преимуществом. В теории при релейном виде стабилизации на выходе прибора всегда будут импульсы. Это является их недостатком.

Повышающий стабилизатор

Импульсные повышающие стабилизаторы применяют вместе с нагрузками, разность потенциалов которых выше, чем напряжение на входе приборов. В стабилизаторе нет гальванической изоляции сети питания и нагрузки. Импортные повышающие стабилизаторы называются boost converter. Основные части такого прибора:

Транзистор вступает в насыщение, и ток проходит по цепи от положительного полюса по накопительному дросселю, транзистору. При этом накапливается энергия в магнитном поле дросселя. Нагрузочный ток может создать только разряд емкости С1.

Отключим выключающее напряжение с транзистора. При этом он вступит в положение отсечки, а следовательно на дросселе появится ЭДС самоиндукции. Оно будет коммутировано последовательно с напряжением входа, и подключено по диоду к потребителю. Ток пойдет по цепи от положительного полюса к дросселю, по диоду и нагрузке.

В этот момент магнитное поле индуктивного дросселя выдает энергию, а емкость С1 резервирует энергию для поддержки напряжения на потребителе после вхождения транзистора в режим насыщения. Дроссель является для резерва энергии и не работает в фильтре питания. При повторной подаче напряжения на транзистор, он откроется, и весь процесс пойдет заново.

Стабилизаторы с триггером Шмитта

Такой вид импульсного устройства имеет свои особенности наименьшим набором компонентов. Основную роль в конструкции играет триггер. В его состав входит компаратор. Основной задачей компаратора является сравнивание величины выходной разности потенциалов с наибольшим допустимым.

Принцип действия аппарата с триггером Шмитта состоит в том, что при увеличении наибольшего напряжения осуществляется коммутация триггера в позицию ноля с размыканием электронного ключа. В одно время разряжается дроссель. Когда напряжение доходит до наименьшего значения, то выполняется коммутация на единицу. Это обеспечивает замыкание ключа и прохождение тока на интергратор.

Такие приборы имеют отличия своей упрощенной схемой, но использовать их можно в особых случаях, так как импульсные стабилизаторы бывают только повышающими и понижающими.

Понижающий стабилизатор

Стабилизаторы импульсного типа, функционирующие с понижением напряжения, являются компактными и мощными приборами питания электрическим током. При этом они имеют низкую чувствительность к наводкам потребителя постоянным напряжением одного значения. Гальваническая изоляция выхода и входа в понижающих устройствах отсутствует. Импортные приборы получили название chopper. Выходное питание в таких устройствах постоянно находится меньше входного напряжения. Схема импульсного стабилизатора понижающего типа изображена на рисунке.

Подключим напряжение для управления истоком и затвором транзистора, который войдет в положение насыщения. По нему будет проходить ток по цепи от положительного полюса по выравнивающему дросселю и нагрузке. В прямом направлении ток по диоду не протекает.

Отключим управляющее напряжение, которое выключает ключевой транзистор. После этого он будет находиться в положении отсечки. ЭДС индукции выравнивающего дросселя будет преграждать путь для изменения тока, который пойдет по цепи через нагрузку от дросселя, по общему проводнику, диод, и опять придет на дроссель. Емкость С1 будет разряжаться и будет удерживать напряжение на выходе.

При подаче отпирающей разницы потенциалов между истоком и затвором транзистора, он перейдет в режим насыщения и вся цепочка вновь повторится.

Инвертирующий стабилизатор

Импульсные стабилизаторы инвертирующего типа используют для подключения потребителей с постоянным напряжением, полюсность которого имеет противоположное направление полюсности разности потенциалов на выходе устройства. Его значение может быть выше сети питания, и ниже сети, в зависимости от настройки стабилизатора. Гальваническая изоляция сети питания и нагрузки отсутствует. Импортные приборы инвертирующего типа называются buck-boost converter. На выходе таких приборов напряжение всегда ниже.

Подключим управляющую разность потенциалов, которое откроет транзистор между истоком и затвором. Он откроется, и ток пойдет по цепи от плюса по транзистору, дросселю к минусу. При таком процессе дроссель резервирует энергию с помощью своего магнитного поля. Отключим разность потенциалов управления от ключа на транзисторе, он закроется. Ток пойдет от дросселя по нагрузке, диоду, и возвратится в первоначальное положение. Резервная энергия на конденсаторе и магнитном поле будет расходоваться для нагрузки. Снова подадим питание на транзистор к истоку и затвору. Транзистор опять станет насыщаться и процесс повторится.

Преимущества и недостатки

Как и все приборы, модульный импульсный стабилизатор не идеален. Поэтому ему присущи минусы и плюсы. Разберем основные из преимуществ:

• Простое достижение выравнивания.
• Плавное подключение.
• Компактные размеры.
• Устойчивость выходного напряжения.
• Широкий интервал стабилизации.
• Повышенный КПД.

Недостатки прибора:

• Сложная конструкция.
• Много специфических компонентов, снижающих надежность устройства.
• Необходимость в использовании компенсирующих устройств мощности.
• Сложность работ по ремонту.
• Образование большого количества помех частоты.

Допустимая частота

Функционирование импульсного стабилизатора возможно при значительной частоте преобразования. Это является основной отличительной чертой от устройств, имеющих трансформатор сети. Увеличение этого параметра дает возможность получить наименьшие габариты.

Для большинства приборов интервал частот будет равен 20-80 килогерц. Но при выборе ШИМ и ключевых приборов необходимо учесть высокие гармоники токов. Верхняя граница параметра ограничена определенными требованиями, которые предъявляются к радиочастотным приборам.

Чтобы эффективно побороть различные помехи в сети, необходимо использовать простые стабилизаторы тока. Современные производители занимаются промышленным изготовлением таких устройств, благодаря чему каждая модель отличается своими функциональными и техническими характеристиками. В бытовой отрасли нет больших требований к стабилизаторам тока, но высококачественное измерительное оборудование всегда нуждается в стабильном напряжении.

Краткое описание

Опытные мастера прекрасно знают, что простейшие ограничители тока представлены в виде обычных резисторов. Такие агрегаты часто называют стабилизаторами , что не является действительностью, так как они не способны убрать все помехи при колебании напряжения на своём входе. Использование резистора в схеме питания того или иного прибора возможно только в том случае, если всё входное напряжение стабилизируется.

В иной ситуации даже мельчайшие скачки напряжения воспринимаются как повышенная нагрузка, что негативно отражается на работе всего устройства. Эффективность работы резистивных ограничителей тока является довольно низкой, так как потребляемая ими энергия рассеивается в виде тепла.

Более высоким уровнем КПД обладают те конструкции, которые изготовлены на базе готовых интегральных микросхем линейных стабилизаторов. Схемы таких устройств отличаются минимальным набором элементов, простотой настройки и отсутствием помех. Чтобы избежать нежелательного перегрева регулирующего элемента, различия между входным и выходным напряжением должны быть минимальными. В противном случае корпус микросхемы будет вынужден рассеивать всю невостребованную энергию, что в несколько раз снижает итоговый показатель КПД.

Наибольшей эффективностью обладают схемы с широтно-импульсной модуляцией. Их производство основано на использовании универсальных микросхем, где присутствует цепь обратной связи и специальные защитные механизмы, благодаря чему существенно возрастает надёжность всего устройства. Использование импульсного трансформатора ведёт к удержанию схемы, что положительно влияет на уровень КПД и продолжительность эксплуатационного срока. Стоит отметить, что такие стабилизаторы мастера часто изготавливают своими руками, используя для этого специальные детали.

Функциональные возможности

Только тот мастер, который хорошо знает принцип работы стабилизатора тока, сможет эффективно применять это устройство в различных сферах. Основная сложность в том, что электросети насыщены различными помехами, которые негативно влияют на работоспособность оборудования и приборов. Чтобы эффективно преодолеть источники отрицательного воздействия, специалисты повсюду применяют стабилизаторы напряжения и тока.

В каждом таком изделии присутствует незаменимый элемент - трансформатор , который обеспечивает стабильную и безотказную работу всей системы. Даже самая элементарная схема обязательно укомплектована универсальным выпрямительным мостом, который соединён с разными резисторами, а также конденсаторами. К главным эксплуатационным характеристикам относятся предельный уровень сопротивления и индивидуальная ёмкость.

Квалифицированные специалисты отмечают, что простой стабилизатор тока функционирует по самой элементарной схеме. Всё дело в том, что электрический ток поступает на основной трансформатор, благодаря чему меняется его предельная частота. На входе она всегда совпадает с этим показателем в электросети, находясь в пределах 50 герц. Только после того, как произошло преобразование тока, предельная частота будет снижена до оптимальной отметки.

Стоит отметить, что в традиционной схеме присутствуют мощные высоковольтные выпрямители, которые помогают определить полярность напряжения. А вот конденсаторы участвуют в качественной стабилизации тока, резисторы устраняют имеющиеся помехи.

Изготовление простого преобразователя для светодиодов

Опытные мастера согласятся, что собрать качественный и долговечный стабилизатор не так уж и сложно. Главная особенность состоит в том, что на блок может быть установлена целая система низковольтных конденсаторов на 20 вольт, а импульсная микросхема может иметь вход до 35 В. Наиболее простой светодиодный стабилизатор, выполненный своими руками - это вариант LM317. Потребуется только правильно рассчитать резистор для используемого светодиода с помощью специализированного онлайн-калькулятора.

Важным фактом остаётся то, что для слаженной работы такого агрегата отлично подходит подручное питание:

• Стандартный блок на 19 вольт от ноутбука.
• На 24 В.
• Более мощный агрегат на 32 вольт от обычного принтера.
• Либо на 9 или на 12 вольт от какой-либо бытовой электроники.

К основным преимуществам такого преобразователя всегда относят его доступность, минимальное количество элементов, высокую степень надёжности, а также наличие в магазинах. Собирать самостоятельно более сложную схему весьма нерационально. Если мастер не обладает необходимым опытом, тогда импульсный стабилизатор тока лучше купить в готовом виде. При необходимости его всегда можно усовершенствовать.

Продолжительность работы светодиода без потери яркости зависит от режима. Главное достоинство простейших стабилизаторов (драйверов), таких как микросхема-стабилизатор LM317, - их довольно трудно сжечь. Схема подключения LM317 требует всего двух деталей: самой микросхемы, включаемой в режим стабилизации, и резистора. Сам процесс сборки состоит из нескольких основных этапов:

1. Потребуется купить переменный резистор сопротивлением в 0.5 кОм (имеет три вывода и ручку регулировки). Заказать его можно через интернет или купить в «Радиолюбителе».
2. Провода припаиваются к среднему выводу, а также к одному из крайних.
3. С помощью мультиметра, включённого в режиме измерения сопротивления, замеряется сопротивление резистора. Нужно добиться максимального показания в 500 Ом (чтобы светодиод не перегорел при низком сопротивлении резистора).
4. После внимательной проверки правильности соединений перед подключением собирается цепь.

Для любого устройства можно добиться подачи 10 А (задаётся низкоомным сопротивлением). Для этих целей можно использовать транзистор КТ825 или установить аналог с лучшими техническими характеристиками и системой охлаждения. Максимальная мощность LM317 - 1.5 ампер. Если есть необходимость увеличить ток, то в схему можно добавить полевой или обычный транзистор.

Универсальная регулируемая модель

Многие мастера сталкиваются с необходимостью использования высококачественного стабилизатора, который позволил бы проводить настройки сети в широком диапазоне. Некоторые современные схемы отличаются тем, что в них предусмотрено наличие токозадающего резистора с пониженными характеристиками. Сами специалисты отмечают, что такое устройство позволяет проводить усиление напряжения в другом резисторе. Это состояние принято называть усиленным напряжением ошибки.

Параметры опорного и ошибочного напряжения можно сравнить при помощи опорного усилителя, благодаря этому мастер осуществляет настройку состояния полевого транзистора. Стоит отметить, что такая схема требует дополнительного питания, которое обязательно должно поступать к отдельному разъёму. Всё дело в том, что питающее напряжение должно обеспечивать слаженную работу абсолютно всех компонентов используемой схемы. Допустимый уровень не должен быть превышен, так как это чревато преждевременной поломкой оборудования.

Чтобы максимально правильно настроить работу регулируемого стабилизатора тока, необходимо использовать специальный ползунок. Именно подстроечный резистор позволяет мастеру выставить максимальное значение тока. Настройка сети получается более гибкой, так как все параметры можно самостоятельно корректировать в зависимости от интенсивности эксплуатации.

Многофункциональный прибор

Среднюю сложность изготовления имеют драйверы для светодиодов на 220 В. Много времени может занять их настройка, требующая опыта по наладке. Такой драйвер извлечь можно из светодиодных ламп, прожекторов и светильников с неисправной светодиодной цепью. Большинство из них также возможно доработать, узнав модель контроллера преобразователя. Параметры обычно задаются одним или несколькими резисторами.

В datasheet указывается уровень сопротивления, необходимый для получения нужного тока. Если установить регулируемый резистор, то количество Ампер будет настраиваемым (но без превышения указанной номинальной мощности).

Ещё недавно высокой популярностью пользовался универсальный модуль XL4015. По своим характеристикам он подходит для подключения светодиодов с высокой мощностью (до 100 Ватт). Стандартный вариант его корпуса припаян к плате, выполняющей функции радиатора. Чтобы улучшить охлаждение XL4015, схема должна быть доработана с установкой радиатора на коробку устройства.

Многие пользователи просто ставят его сверху, однако, эффективность такой установки довольно низкая. Систему охлаждения желательно располагать внизу платы, напротив пайки микросхемы. Для оптимального качества её можно отпаять и установить на полноценный радиатор, используя термопасту. Провода потребуется удлинить. Дополнительное охлаждение можно монтировать и для диодов, что значительно повысит эффективность работы всей схемы.

Среди драйверов наиболее универсальным считается регулируемый. Обязательно устанавливается переменный резистор, который задаёт количество ампер. Эти характеристики обычно указываются в следующих документах:

• В сопроводительной документации к микросхеме.
• В datasheet.
• В стандартной схеме включения.

Без добавочного охлаждения микросхемы такие устройства выдерживают 1-3 А (в соответствии с моделью контроллера широтно-импульсной модуляции). Главный недостаток этих драйверов - чрезмерный нагрев диода и дросселя. Выше 3 А потребуется охлаждение мощного диода и контроллера. Дроссель заменяют более подходящим либо перематывают толстым проводом.

Незаменимое устройство постоянного тока

Даже начинающий мастер знает, что такой агрегат работает по принципу двойного интегрирования . Абсолютно во всех моделях за этот процесс отвечают преобразователи. Универсальные двухканальные транзисторы предназначены для увеличения существующих динамических характеристик. Важно помнить, что для устранения тепловых потерь нужно использовать конденсаторы с большой ёмкостью.

Сделать показатель выпрямления можно только благодаря точному расчёту необходимого значения. Как показывает практика, если при выходном напряжении постоянного тока получается 12 ампер, то предельное значение должно составлять 5 В. Устройство сможет стабильно поддерживать рабочую частоту на отметке 30 Гц. Относительно порогового напряжения - всё зависит от блокировки сигнала, который поступает от трансформатора. Но фронт импульсов не должен превышать 2 МКС.

Только качественное преобразование тока позволяет обеспечить слаженную работу главных транзисторов. В этой схеме допускается использование исключительно полупроводниковых диодов. Если резисторы балластные, то это чревато большими тепловыми потерями. Именно поэтому коэффициент рассевания существенно увеличивается. Мастер может увидеть, что амплитуда колебаний возросла, а процесс индуктивности не произошёл.

Современная схема на базе КРЕН

Такое устройство будет стабильно работать только с элементами LM317 и КР142ЕН12. Это связано с тем, что они выступают в качестве универсальных стабилизаторов напряжения, хорошо справляясь с током до 1.5 А и выходным напряжением до 40 вольт. В классическом тепловом режиме эти элементы способны качественно рассеивать мощность до 10 Ватт. Сами микросхемы отличаются низким собственным потреблением, так как этот показатель составляет всего 8 мА. Главное, что этот показатель остаётся неизменным даже в том случае, если напряжение колеблется.

Отдельного внимания заслуживает микросхема LM317, которая способна удерживать постоянное напряжение на основном резисторе. Этот агрегат с неизменным сопротивлением обеспечивает максимальную стабильность проходящего через него тока, благодаря чему его часто называют токозадающим резистором. Современные стабилизаторы на КРЕН отличаются от своих аналогов относительной простотой, за счёт чего активно эксплуатируются в качестве зарядки для аккумуляторов и для электронной нагрузки.

Для нормального функционирования бытовой техники требуется стабильное напряжение. Как правило, в сети могут происходить различные сбои. Напряжение от 220 В может отклоняться, и в устройстве происходят сбои. В первую очередь под удар попадают лампы. Если рассматривать бытовую технику в доме, то могут пострадать телевизоры, аудиоаппаратура и прочие приборы, которые работают от электросети.

В данной ситуации на помощь людям приходит импульсный стабилизатор напряжения. Он в полной мере способен справиться со скачками, которые возникают ежедневно. Многих при этом волнует вопрос о том, как появляются перепады напряжения, и с чем они связаны. Зависят они главным образом от загруженности трансформатора. На сегодняшний день количество электроприборов в жилых домах все время увеличивается. Как результат, потребности в электричестве непременно растут.

Также следует учитывать, что к жилому дому могут быть проложены кабели, которые уже давно устарели. В свою очередь, квартирная проводка в большинстве случаев не рассчитана на большие нагрузки. Чтобы обезопасить свою технику в доме, следует более подробно ознакомиться с устройством стабилизаторов напряжения, а также принципом их работы.

Какие функции выполняет стабилизатор?

Главным образом импульсный стабилизатор напряжения служит контролером сети. Все скачки при этом отслеживаются им и устраняются. В результате техника получает стабильное напряжение. Электромагнитные помехи стабилизатором также учитываются, и на работу устройств не способны повлиять. Таким образом, сеть избавляется от перегрузок, и случаи практически исключаются.

Устройство простого стабилизатора

Если рассматривать стандартный импульсный напряжения, то в нем устанавливается только один транзистор. Как правило, их используют исключительно коммутирующего типа, поскольку на сегодняшний день они считаются более эффективными. В результате коэффициент полезного действия устройства можно сильно поднять.

Вторым важным элементом импульсного стабилизатора напряжения следует назвать диоды. В обычной схеме их можно встретить не больше трех единиц. Соединяются они друг с другом с помощью дросселя. Для нормальной работы транзисторов важными являются фильтры. Устанавливаются они в начале, а также конце цепочки. При этом блок регулирования отвечает за работу конденсатора. Его неотъемлемой частью принято считать резисторный делитель.

Как это работает?

В зависимости от типа устройства, принцип действия импульсного стабилизатора напряжения может отличаться. Рассматривая стандартную модель, можно сказать, что сначала ток подается на транзистор. На данном этапе происходит его преобразование. Далее в работу включаются диоды, в обязанности которых входит передача сигнала на конденсатор. При помощи фильтров, электромагнитные помехи отсеиваются. Конденсатор в этот момент сглаживает колебания напряжения и по дросселю ток через резистивный делитель вновь возвращается к транзисторам для преобразования.

Самодельные устройства

Сделать импульсный стабилизатор напряжения своими руками можно, но они будут иметь малую мощность. При этом резисторы устанавливаются самые обычные. Если использовать в приборе более одного транзистора, можно добиться высокого коэффициента полезного действия. Важным заданием в этом плане является установка фильтров. Именно они влияют на чувствительность прибора. В свою очередь, габариты устройства совсем не важны.

Стабилизаторы с одним транзистором

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения данного типа способен похвастаться коэффициентом полезного действия на уровне 80 %. Как правило, он функционируют только в одном режиме и может справляться только с малыми помехами в сети.

Обратная связь в данном случае полностью отсутствует. Транзистор в стандартной схеме импульсного стабилизатора напряжения функционирует без коллектора. В результате на конденсатор сразу подается большое напряжение. Еще одной отличительной чертой приборов данного типа можно назвать слабый сигнал. Решить эту проблему смогут различные усилители.

В результате можно добиться лучшей работоспособности транзисторов. Резистор устройства в цепи в обязательном порядке должен находиться за В данном случае можно будет добиться более качественной работы устройства. В качестве регулировщика в цепи импульсный стабилизатор постоянного напряжения имеет блок контроля. Данный элемент способен ослаблять, а также повышать мощность транзистора. Происходит это явление при помощи дросселей, которые соединены с диодами в системе. Нагрузка на регулятор контролируется через фильтры.

Стабилизаторы напряжения ключевого типа

Зачем устанавливать компенсаторы?

Компенсаторы в большинстве случаев играют в стабилизаторе второстепенную роль. Связана она с регулировкой импульсов. Главным образом с этим справляются транзисторы. Однако свои преимущества у компенсаторов все же имеются. В данном случае многое зависит от того, какие приборы подключены к источнику питания.

Если говорить о радиооборудовании, то тут необходим особый подход. Связан он с различными колебаниями, которые воспринимаются таким прибором иначе. В этом случае компенсаторы способны помочь транзисторам в стабилизации напряжения. Установка дополнительных фильтров в цепи, как правило, ситуацию не улучшает. При этом они сильно влияют на коэффициент полезного действия.

Недостатки гальванических развязок

Гальванические развязки устанавливаются для передачи сигнала между важными элементами системы. Основной их проблемой можно назвать неверную оценку входного напряжения. Происходит это чаще всего с устаревшими моделями стабилизаторов. Контроллеры в них не способны быстро обрабатывать информацию и подключать в работу конденсаторы. В результаты диоды страдают в первую очередь. Если система фильтрации устанавливается за резисторами в электрической цепи, то они просто сгорают.

Сделать блок питания своими руками имеет смысл не только увлеченному радиолюбителю. Самодельный блок электропитания (БП) создаст удобства и сэкономит немалую сумму также в следующих случаях:

• Для питания низковольтного электроинструмента, ради экономии ресурса дорогостоящей аккумуляторной батареи (АКБ);
• Для электрификации помещений особо опасных по степени поражения электротоком: подвалов, гаражей, сараев и т.п. При питании их переменным током большая его величина в низковольтной проводке способна создать помехи бытовой технике и электронике;
• В дизайне и творчестве для точной, безопасной и безотходной резки нагретым нихромом пенопласта, поролона, легкоплавких пластиков;
• В светодизайне – использование специальных БП позволит продлить жизнь светодиодной ленты и получить стабильные световые эффекты. Питание подводных осветителей , и пр. от бытовой электросети вообще недопустимо;
• Для зарядки телефонов, смартфонов, планшетов, ноутбуков вдали от стабильных источников электропитания;
• Для электроакупунктуры;
• И многих других, не имеющих прямого отношения к электронике, целей.

Допустимые упрощения

Профессиональные БП рассчитываются на питание нагрузки любого рода, в т.ч. реактивной. В числе возможных потребителей – прецизионная аппаратура. Заданное напряжение профи-БП должен поддерживать с высочайшей точностью неопределенно долгое время, а его конструкция, защита и автоматика должны допускать эксплуатацию неквалифицированным персоналом в тяжелых условиях, напр. биологами для питания своих приборов в теплице или в экспедиции.

Любительский лабораторный блок питания свободен от этих ограничений и поэтому может быть существенно упрощен при сохранении достаточных для собственного употребления качественных показателей. Далее, путем также несложных усовершенствований, из него можно получить БП специального назначения. Чем мы сейчас и займемся.

Сокращения

1. КЗ – короткое замыкание.
2. ХХ – холостой ход, т.е. внезапное отключение нагрузки (потребителя) или обрыв в ее цепи.
3. КСН – коэффициент стабилизации напряжения. Он равен отношению изменения входного напряжения (в % или разах) к такому же выходного при неизменном токе потребления. Напр. напряжение сети упало «по полной», с 245 до 185В. Относительно нормы в 220В это будет 27%. Если КСН БП равен 100, выходное напряжение изменится на 0,27%, что при его величине 12В даст дрейф в 0,033В. Для любительской практики более чем приемлемо.
4. ИПН – источник нестабилизированного первичного напряжения. Это может быть трансформатор на железе с выпрямителем или импульсный инвертор напряжения сети (ИИН).
5. ИИН – работают на повышенной (8-100 кГц) частоте, что позволяет использовать легкие компактные трансформаторы на феррите с обмотками из нескольких-нескольких десятков витков, но не лишены недостатков, см. ниже.
6. РЭ – регулирующий элемент стабилизатора напряжения (СН). Поддерживает на выходе заданную его величину.
7. ИОН – источник опорного напряжения. Задает эталонное его значение, по которому совместно с сигналами обратной связи ОС устройство управления УУ воздействует на РЭ.
8. СНН – стабилизатор напряжения непрерывного действия; попросту – «аналоговый».
9. ИСН – импульсный стабилизатор напряжения.
10. ИБП – импульсный блок питания.

Примечание: как СНН, так и ИСН могут работать как от ИПН промышленной частоты с трансформатором на железе, так и от ИИН.

О компьютерных БП

ИБП компактны и экономичны. А в кладовке у многих валяется БП от старого компа, морально устаревший, но вполне исправный. Так нельзя ли приспособить импульсный блок питания от компьютера для любительских/рабочих целей? К сожалению, компьютерный ИБП достаточно высоко специализированное устройство и возможности его применения в быту/на работе весьма ограничены:

Использовать ИБП, переделанный из компьютерного, обычному любителю целесообразно, пожалуй, только для питания электроинструмента; об этом см. далее. Второй случай – если любитель занимается ремонтом ПК и/или созданием логических схем. Но тогда он уже знает, как для этого приспособить БП от компа:

1. Нагрузить основные каналы +5В и +12В (красные и желтые провода) нихромовыми спиральками на 10-15% номинальной нагрузки;
2. Зеленый провод мягкого запуска (слаботочной кнопкой на передней панели системника) pc on замкнуть на общий, т.е. на любой из черных проводов;
3. Вкл/выкл производить механически, тумблером на задней панели БП;
4. При механическом (железном) I/O «дежурка», т.е. независимое питание USB портов +5В будет также выключаться.

За дело!

Вследствие недостатков ИБП, плюс их принципиальная и схемотехническая сложность, мы только в конце рассмотрим пару таких, но простых и полезных, и поговорим о методике ремонта ИИН. Основная же часть материала посвящена СНН и ИПН с трансформаторами промышленной частоты. Они позволяют человеку, только-только взявшему в руки паяльник, построить БП весьма высокого качества. А имея его на хозяйстве, освоить технику «потоньше» будет легче.

ИПН

Сначала рассмотрим ИПН. Импульсные подробнее оставим до раздела о ремонте, но у них с «железными» есть общее: силовой трансформатор, выпрямитель и фильтр подавления пульсаций. В комплексе они могут быть реализованы различным образом сообразно назначению БП.

Поз. 1 на Рис. 1 – однополупериодный (1П) выпрямитель. Падение напряжения на диоде наименьшее, ок. 2В. Но пульсация выпрямленного напряжения – с частотой 50Гц и «рваная», т.е. с промежутками между импульсами, поэтому конденсатор фильтра пульсаций Сф должен быть в 4-6 раз большей емкости, чем в прочих схемах. Использование силового трансформатора Тр по мощности – 50%, т.к. выпрямляется всего 1 полуволна. По этой же причине в магнитопроводе Тр возникает перекос магнитного потока и сеть его «видит» не как активную нагрузку, а как индуктивность. Поэтому 1П выпрямители применяются только на малую мощность и там, где по-иному никак нельзя, напр. в ИИН на блокинг-генераторах и с демпферным диодом, см. далее.

Примечание: почему 2В, а не 0,7В, при которых открывается p-nпереход в кремнии? Причина – сквозной ток, о котором см. далее.

Поз. 2 – 2-полупериодный со средней точкой (2ПС). Потери на диодах такие же, как в пред. случае. Пульсация – 100 Гц сплошная, так что Сф нужен наименьший из возможных. Использование Тр – 100% Недостаток – удвоенный расход меди на вторичную обмотку. Во времена, когда выпрямители делали на лампах-кенотронах, это не имело значения, а теперь – определяющее. Поэтому 2ПС используют в низковольтных выпрямителях, преимущественно повышенной частоты с диодами Шоттки в ИБП, однако принципиальных ограничений по мощности 2ПС не имеют.

Поз. 3 – 2-полупериодный мостовой, 2ПМ. Потери на диодах – удвоенные по сравнению с поз. 1 и 2. Остальное – как у 2ПС, но меди на вторичку нужно почти вдвое меньше. Почти – потому что несколько витков приходится доматывать, чтобы компенсировать потери на паре «лишних» диодов. Наиболее употребительная схема на напряжение от 12В.

Поз. 3 – двухполярный. «Мост» изображен условно, как принято в принципиальных схемах (привыкайте!), и повернут на 90 градусов против часовой стрелки, но на самом деле это пара включенных разнополярно 2ПС, как ясно видно далее на рис. 6. Расход меди как у 2ПС, потери на диодах как у 2ПМ, остальное как у того и другого. Строится в основном для питания аналоговых устройств, требующих симметрии напряжения: Hi-Fi УМЗЧ, ЦАП/АЦП и др.

Поз. 4 – двухполярный по схеме параллельного удвоения. Дает без дополнительных мер повышенную симметрию напряжения, т.к. асимметрия вторичной обмотки исключена. Использование Тр 100%, пульсации 100 Гц, но рваные, поэтому Сф нужны удвоенной емкости. Потери на диодах примерно 2,7В за счет взаимного обмена сквозными токами, см. далее, и при мощности более 15-20 Вт резко возрастают. Строятся в основном как маломощные вспомогательные для независимого питания операционных усилителей (ОУ) и др. маломощных, но требовательных к качеству электропитания аналоговых узлов.

Как выбрать трансформатор?

В ИБП вся схема чаще всего четко привязана к типоразмеру (точнее – к объему и площади поперечного сечения Sс) трансформатора/трансформаторов, т.к. использование тонких процессов в феррите позволяет упростить схему при большей ее надежности. Здесь «как-нибудь по-своему» сводится к точному соблюдению рекомендаций разработчика.

Трансформатор на железе выбирают с учетом особенностей СНН, или сообразуются с ними при его расчете. Падение напряжения на РЭ Uрэ не надо брать менее 3В, иначе КСН резко упадет. При увеличении Uрэ КСН несколько возрастает, но гораздо быстрее растет рассеиваемая РЭ мощность. Поэтому Uрэ берут 4-6 В. К нему добавляем 2(4)В потерь на диодах и падение напряжения на вторичной обмотке Тр U2; для диапазона мощностей 30-100 Вт и напряжений 12-60 В берем его 2,5В. U2 возникает преимущественно не на омическом сопротивлении обмотки (оно у мощных трансформаторов вообще ничтожно мало), а вследствие потерь на перемагничивание сердечника и создание поля рассеивания. Попросту, часть энергии сети, «накачанной» первичной обмоткой в магнитопровод, улетучивается в мировое пространство, что и учитывает величина U2.

Итак, мы насчитали, допустим, для мостового выпрямителя, 4+4+2,5 = 10,5В лишку. Прибавляем его к требуемому выходному напряжению БП; пусть это будет 12В, и делим на 1,414, получим 22,5/1,414 = 15,9 или 16В, это будет наименьшее допустимое напряжение вторичной обмотки. Если Тр фабричный, из типового ряда берем 18В.

Теперь в дело идет ток вторички, который, естественно, равен максимальному току нагрузки. Пусть нам нужно 3А; умножаем на 18В, будет 54Вт. Мы получили габаритную мощность Тр, Pг, а паспортную P найдем, поделив Pг на КПД Тр η, зависящий от Pг:

• до 10Вт, η = 0,6.
• 10-20 Вт, η = 0,7.
• 20-40 Вт, η = 0,75.
• 40-60 Вт, η = 0,8.
• 60-80 Вт, η = 0,85.
• 80-120 Вт, η = 0,9.
• от 120 Вт, η = 0,95.

В нашем случае будет P = 54/0,8 = 67,5Вт, но такого типового значения нет, так что придется брать 80Вт. Для того, чтобы получить на выходе 12Вх3А = 36Вт. Паровоз, да и только. Впору научиться рассчитывать и мотать «трансы» самому. Тем более что в СССР были разработаны методики расчета трансформаторов на железе, позволяющие без потери надежности выжимать 600Вт из сердечника, который, при расчете по радиолюбительским справочникам, способен дать всего 250Вт. «Железный транс» вовсе не так туп, как кажется.

СНН

Выпрямленное напряжение нужно стабилизировать и, чаще всего, регулировать. Если нагрузка мощнее 30-40 Вт, необходима и защита от КЗ, иначе неисправность БП может вызвать аварию сети. Все это вместе делает СНН.

Простой опорный

Начинающему лучше сразу не лезть в большие мощности, а сделать для пробы простой высокостабильный СНН на 12в по схеме на Рис. 2. Его можно будет потом использовать как источник эталонного напряжения (точная его величина выставляется R5), для поверки приборов или как ИОН высококачественного СНН. Максимальный ток нагрузки этой схемы всего 40мА, но КСН на допотопном ГТ403 и таком же древнем К140УД1 более 1000, а при замене VT1 на кремниевый средней мощности и DA1 на любой из современных ОУ превысит 2000 и даже 2500. Ток нагрузки при этом также возрастет до 150-200 мА, что уже годится в дело.

0-30

Следующий этап – блок питания с регулировкой напряжения. Предыдущий выполнен по т. наз. компенсационной схеме сравнения, но переделать такой на большой ток сложно. Мы сделаем новый СНН на основе эмиттерного повторителя (ЭП), в котором РЭ и УУ совмещены всего в 1-м транзисторе. КСН выйдет где-то 80-150, но любителю этого хватит. Зато СНН на ЭП позволяет без особых ухищрений получить выходной ток до 10А и более, сколько отдаст Тр и выдержит РЭ.

Схема простого БП на 0-30В приведена на поз. 1 Рис. 3. ИПН для него – готовый трансформатор типа ТПП или ТС на 40-60 Вт со вторичной обмоткой на 2х24В. Выпрямитель типа 2ПС на диодах на 3-5А и более (КД202, КД213, Д242 и т.п.). VT1 устанавливается на радиатор площадью от 50 кв. см; очень хорошо подойдет старый от процессора ПК. При таких условиях этот СНН не боится КЗ, только VT1 и Тр греться будут, так что для защиты хватит предохранителя на 0,5А в цепи первичной обмотки Тр.

Поз. 2 показывает, насколько удобен для любителя СНН на ЭП: там схема БП на 5А с регулировкой от 12 до 36 В. Этот БП может отдать в нагрузку и 10А, если найдется Тр на 400Вт 36В. Первая его особенность – интегральный СНН К142ЕН8 (предпочтительно с индексом Б) выступает в необычной роли УУ: к его собственным 12В на выходе добавляется, частично или полностью, все 24В, напряжение от ИОН на R1, R2, VD5,VD6. Емкости С2 и С3 предотвращают возбуждение на ВЧ DA1, работающей в необычном режиме.

Следующий момент – устройство защиты (УЗ) от КЗ на R3, VT2, R4. Если падение напряжения на R4 превысит примерно 0,7В, VT2 откроется, замкнет на общий провод базовую цепь VT1, он закроется и отключит нагрузку от напряжения. R3 нужен, чтобы экстраток при срабатывании УЗ не вывел из строя DA1. Увеличивать его номинал не надо, т.к. при срабатывании УЗ нужно надежно запереть VT1.

И последнее – кажущаяся избыточной емкость конденсатора выходного фильтра С4. В данном случае это безопасно, т.к. максимальный ток коллектора VT1 в 25А обеспечивает его заряд при включении. Но зато данный СНН может в течение 50-70 мс отдать в нагрузку ток до 30А, так что этот простой блок питания пригоден для питания низковольтного электроинструмента: его пусковой ток не превышает такого значения. Нужно только сделать (хотя бы из оргстекла) контактную колодку-башмак с кабелем, надеваемую на пятку рукояти, и пусть «акумыч» отдыхает и бережет ресурс до выезда.

Об охлаждении

Допустим, в данной схеме на выходе 12В при максимуме в 5А. Это всего лишь средняя мощность электролобзика, но, в отличие от дрели или шуруповерта, он берет ее постоянно. На С1 держится около 45В, т.е. на РЭ VT1 остается где-то 33В при токе 5А. Рассеиваемая мощность – более 150Вт, даже более 160, если учесть, что VD1-VD4 тоже надо охлаждать. Отсюда ясно, что любой мощный регулируемый БП должен быть снабжен весьма эффективной системой охлаждения.

Ребристый/игольчатый радиатор на естественной конвекции проблемы не решает: расчет показывает, что нужна рассевающая поверхность от 2000 кв. см. и толщина тела радиатора (пластины, от которой отходят ребра или иглы) от 16 мм. Заполучить столько алюминия в фасонном изделии в собственность для любителя было и остается мечтой в хрустальном замке. Процессорный кулер с обдувом также не годится, он рассчитан на меньшую мощность.

Один из вариантов для домашнего мастера – алюминиевая пластина толщиной от 6 мм и размерами от 150х250 мм с насверленными по радиусам от места установки охлаждаемого элемента в шахматном порядке отверстиями увеличивающегося диаметра. Она же послужит задней стенкой корпуса БП, как на Рис. 4.

Непременное условие эффективности такого охладителя – пусть слабый, но непрерывный ток воздуха сквозь перфорацию снаружи внутрь. Для этого в корпусе (желательно вверху) устанавливают маломощный вытяжной вентилятор. Подойдет компьютерный диаметром от 76 мм, напр. доп. кулер HDD или видеокарты. Его подключают к выводам 2 и 8 DA1, там всегда 12В.

Примечание: вообще-то радикальный способ побороть эту проблему – вторичная обмотка Тр с отводами на 18, 27 и 36В. Первичное напряжение переключают смотря по тому, какой инструмент в работе.

И все-таки ИБП

Описанный БП для мастерской хорош и весьма надежен, но таскать его с собой на выезд тяжко. Вот тут и придется впору компьютерный БП: к большинству его недостатков электроинструмент нечувствителен. Некоторая доработка сводится чаще всего к установке выходного (ближайшего к нагрузке) электролитического конденсатора большой емкости с целью, описанной выше. Рецептов переделки компьютерных БП под электроинструмент (преимущественно шуруповерты, как не очень мощные, но очень полезные) в рунете известно немало, один из способов показан в ролике ниже, для инструмента на 12В.

Видео: БП 12В из компьютерного

С инструментами на 18В еще проще: при той же мощности они потребляют меньший ток. Здесь может пригодится куда более доступное устройство зажигания (балласт) от лампы-экономки на 40 и более Вт; его можно целиком поместить в корпус от негодной АКБ, и снаружи останется только кабель с сетевой вилкой. Как из балласта от сгоревшей экономки сделать блок питания для шуруповерта на 18В, см. следующее видео.

Видео: БП 18В для шуруповерта

Высокий класс

Но вернемся к СНН на ЭП, их возможности далеко еще не исчерпаны. На Рис. 5 – двухполярный мощный блок питания с регулировкой 0-30 В, пригодный для Hi-Fi звуковой аппаратуры и прочих привередливых потребителей. Установка выходного напряжения производится одной ручкой (R8), а симметрия каналов поддерживается автоматически при любой его величине и любом токе нагрузки. Педант-формалист при виде этой схемы, возможно, поседеет на глазах, но у автора такой БП исправно работает уже около 30 лет.

Главным камнем преткновения при его создании было δr = δu/δi, где δu и δi – малые мгновенные приращения напряжения и тока соответственно. Для разработки и наладки высококлассной аппаратуры нужно, чтобы δr не превышало 0,05-0,07 Ом. Попросту, δr определяет способность БП мгновенно реагировать на броски тока потребления.

У СНН на ЭП δr равно таковому ИОН, т.е. стабилитрона, деленному на коэффициент передачи тока β РЭ. Но у мощных транзисторов β на большом коллекторном токе сильно падает, а δr стабилитрона составляет от единиц до десятков Ом. Здесь же, чтобы компенсировать падение напряжения на РЭ и уменьшить температурный дрейф выходного напряжения, пришлось набрать их целую цепочку пополам с диодами: VD8-VD10. Поэтому опорное напряжение с ИОН снимается через дополнительный ЭП на VT1, его β умножается на β РЭ.

Следующая фишка данной конструкции – защита от КЗ. Простейшая, описанная выше, в двухполярную схему никак не вписывается, поэтому задача защиты решена по принципу «против лома нет приема»: защитного модуля как такового нет, но есть избыточность параметров мощных элементов – КТ825 и КТ827 на 25А и КД2997А на 30А. Т2 такой ток дать не способен, а пока он разогреется, успеют сгореть FU1 и/или FU2.

Примечание: делать индикацию перегорания предохранителей на миниатюрных лампах накаливания не обязательно. Просто тогда светодиоды были еще довольно дефицитны, а СМок в загашнике насчитывалось несколько горстей.

Осталось уберечь РЭ от экстратоков разряда фильтра пульсаций С3, С4 при КЗ. Для этого они включены через ограничительные резисторы малого сопротивления. При этом в схеме могут возникнуть пульсации с периодом, равным постоянной времени R(3,4)C(3,4). Их предотвращают С5, С6 меньшей емкости. Их экстратоки для РЭ уже не опасны: заряд стечет быстрее, чем кристаллы мощнющих КТ825/827 разогреются.

Симметрию выхода обеспечивает ОУ DA1. РЭ минусового канала VT2 открывается током через R6. Как только минус выхода по модулю превзойдет плюс, он приоткроет VT3, а тот подзакроет VT2 и абсолютные величины выходных напряжений сравняются. Оперативный контроль за симметрией выхода осуществляется по стрелочному прибору с нулем посередине шкалы P1 (на врезке – его внешний вид), а регулировка при необходимости – R11.

Последняя изюминка – выходной фильтр С9-С12, L1, L2. Такое его построение необходимо для поглощения возможных ВЧ наводок от нагрузки, чтобы не ломать голову: опытный образец глючит или БП «заколбасило». С одними электролитическими конденсаторами, зашунтированными керамикой, тут полной определенности нет, мешает большая собственная индуктивность «электролитов». А дроссели L1, L2 разделяют «отдачу» нагрузки по спектру, и – каждому свое.

Этот БП в отличие от предыдущих требует некоторой наладки:

1. Подключают нагрузку на 1-2 А при 30В;
2. R8 ставят на максимум, в крайнее верхнее по схеме положение;
3. С помощью эталонного вольтметра (сейчас подойдет любой цифровой мультиметр) и R11 выставляют равные по абсолютной величине напряжения каналов. Может быть, если ОУ без возможности балансировки, придется подобрать R10 или R12;
4. Подстроечником R14 выставляют P1 точно на ноль.

О ремонте БП

БП выходят из строя чаще других электронных устройств: они принимают на себя первый удар бросков сети, им много чего достается и от нагрузки. Даже если вы не намерены делать свой БП, ИБП найдется, кроме компа, в микроволновке, стиралке и др. бытовой технике. Умение диагностировать БП и знание основ электробезопасности даст возможность если не устранить неисправность самому, то уж со знанием дела поторговаться о цене с ремонтниками. Поэтому посмотрим, как производится диагностика и ремонт БП, особенно с ИИН, т.к. свыше 80% отказов приходится на их долю.

Насыщение и сквозняк

Прежде всего – о некоторых эффектах, без понимания которых работать с ИБП нельзя. Первый из них – насыщение ферромагнетиков. Они не способны принять в себя энергии более определенной величины, зависящей от свойств материала. На железе любители с насыщением сталкиваются редко, его можно намагнитить до нескольких Тл (Тесла, единица измерения магнитной индукции). При расчете железных трансформаторов индукцию берут 0,7-1,7 Тл. Ферриты выдерживают только 0,15-0,35 Тл, их петля гистерезиса «прямоугольнее», и работают на повышенных частотах, так что вероятность «заскочить в насыщение» у них на порядки выше.

Если магнитопровод насытился, индукция в нем более не растет и ЭДС вторичных обмоток пропадает, хоть бы первичка уже плавилась (помните школьную физику?). Теперь выключим первичный ток. Магнитное поле в магнитомягких материалах (магнитожесткие – это постоянные магниты) не может существовать стационарно, как электрический заряд или вода в баке. Оно начнет рассеиваться, индукция падать, и во всех обмотках наведется ЭДС противоположной относительно исходной полярности. Этот эффект достаточно широко используется в ИИН.

В отличие от насыщения, сквозной ток в полупроводниковых приборах (попросту – сквозняк) явление безусловно вредное. Он возникает вследствие формирования/рассасывания объемных зарядов в p и n областях; у биполярных транзисторов – преимущественно в базе. Полевые транзисторы и диоды Шоттки от сквозняка практически свободны.

Напр., при подаче/снятии напряжения на диод он, пока заряды не соберутся/рассосутся, проводит ток в обеих направлениях. Именно поэтому потери напряжения на диодах в выпрямителях больше 0,7В: в момент переключения часть заряда фильтрового конденсатора успевает стечь через обмотку. В выпрямителе с параллельным удвоением сквозняк стекает сразу через оба диода.

Сквозняк транзисторов вызывает выброс напряжения на коллекторе, способный испортить прибор или, если подключена нагрузка, сквозным экстратоком повредить ее. Но и без того транзисторный сквозняк увеличивает динамические потери энергии, как и диодный, и уменьшает КПД устройства. Мощные полевые транзисторы ему почти не подвержены, т.к. не накапливают заряд в базе за ее отсутствием, и поэтому переключаются очень быстро и плавно. «Почти», потому что их цепи исток-затвор защищены от обратного напряжения диодами Шоттки, которые чуточку, но сквозят.

Типы ИНН

ИБП ведут свою родословную от блокинг-генератора, поз. 1 на Рис. 6. При включении Uвх VT1 приоткрыт током через Rб, по обмотке Wк течет ток. Мгновенно вырасти до предела он не может (снова вспоминаем школьную физику), в базовой Wб и обмотке нагрузки Wн наводится ЭДС. С Wб она через Сб форсирует отпирание VT1. По Wн ток пока не течет, не пускает VD1.

Когда магнитопровод насытится, токи в Wб и Wн прекращаются. Затем за счет диссипации (рассасывания) энергии индукция падает, в обмотках наводится ЭДС противоположной полярности, и обратное напряжение Wб мгновенно запирает (блокирует) VT1, спасая его от перегрева и теплового пробоя. Поэтому такая схема и названа блокинг-генератором, или просто блокингом. Rк и Ск отсекают ВЧ помехи, которых блокинг дает хоть отбавляй. Теперь с Wн можно снять некоторую полезную мощность, но только через выпрямитель 1П. Эта фаза продолжается, пока Сб не перезарядится полностью или пока не иссякнет запасенная магнитная энергия.

Мощность эта, впрочем, невелика, до 10Вт. Если попробовать взять больше, VT1 сгорит от сильнейшего сквозняка, прежде чем заблокируется. Поскольку Тр насыщается, КПД блокинга никуда не годится: более половины запасенной в магнитопроводе энергии улетает греть иные миры. Правда, за счет того же насыщения блокинг до некоторой степени стабилизирует длительность и амплитуду своих импульсов, а схема его очень проста. Поэтому ИНН на основе блокинга часто применяют в дешевых телефонных зарядках.

Примечание: величина Сб во многом, но не полностью, как пишут в любительских справочниках, определяет период повторения импульсов. Величина его емкости должна быть увязана со свойствами и размерами магнитопровода и быстродействием транзистора.

Блокинг в свое время породил строчную развертку телевизоров с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ), а она – ИНН с демпферным диодом, поз. 2. Здесь УУ по сигналам от Wб и цепи обратной связи ЦОС принудительно открывает/запирает VT1 прежде чем Тр насытится. При запертом VT1 обратный ток Wк замыкается через тот самый демпферный диод VD1. Это рабочая фаза: уже большая, чем в блокинге, часть энергии снимается в нагрузку. Большая потому, что при полном насыщении вся лишняя энергия улетает, а здесь этого лишку мало. Таким путем удается снимать мощность до нескольких десятков Вт. Однако, поскольку УУ не может сработать, пока Тр не подошел к насыщению, транзистор сквозит все-таки сильно, динамические потери велики и КПД схемы оставляет желать много большего.

ИИН с демпфером до сих пор живы в телевизорах и дисплеях с ЭЛТ, поскольку в них ИИН и выход строчной развертки совмещены: мощный транзистор и Тр общие. Это намного сокращает издержки производства. Но, откровенно говоря, ИИН с демпфером принципиально чахлый: транзистор и трансформатор вынуждены все время работать на грани аварии. Инженеры, сумевшие довести эту схему до приемлемой надежности, заслуживают глубочайшего уважения, но совать туда паяльник никому, кроме мастеров, прошедших профессиональную подготовку и обладающих соответствующим опытом, настоятельно не рекомендуется.

Двухтактный ИНН с отдельным трансформатором обратной связи применяется наиболее широко, т.к. обладает наилучшими качественными показателями и надежностью. Впрочем, по части ВЧ помех и он страшно грешит по сравнению с БП «аналоговыми» (с трансформаторами на железе и СНН). В настоящее время эта схема существует во множестве модификаций; мощные биполярные транзисторы в ней почти начисто вытеснены полевыми, управляемыми спец. ИМС, но принцип действия остается неизменным. Его иллюстрирует исходная схема, поз. 3.

Устройство ограничения (УО) ограничивает ток заряда емкостей входного фильтра Сфвх1(2). Их большая величина – непременное условие работы устройства, т.к. за один рабочий цикл из них отбирается малая доля запасенной энергии. Грубо говоря, они играют роль водонапорного бака или воздушного ресивера. При заряде «накоротко» экстраток заряда может превышать 100А на время до 100 мс. Rc1 и Rc2 сопротивлением порядка МОм нужны для симметрирования напряжения фильтра, т.к. малейший разбаланс его плеч недопустим.

Когда Сфвх1(2) зарядятся, устройство запуска УЗ формирует запускающий импульс, открывающий одно из плеч (какое – все равно) инвертора VT1 VT2. По обмотке Wк большого силового трансформатора Тр2 течет ток и магнитная энергия из его сердечника через обмотку Wн почти полностью уходит на выпрямление и в нагрузку.

Небольшая часть энергии Тр2, определяемая величиной Rогр, снимается с обмотки Wос1 и подается на обмотку Wос2 маленького базового трансформатора обратной связи Тр1. Он быстро насыщается, открытое плечо закрывается и за счет диссипации в Тр2 открывается ранее закрытое, как описано для блокинга, и цикл повторяется.

В сущности, двухтактный ИИН – 2 блокинга, «пихающих» друг друга. Поскольку мощный Тр2 не насыщается, сквозняк VT1 VT2 невелик, полностью «тонет» в магнитопроводе Тр2 и в конечном итоге уходит в нагрузку. Поэтому двухтактный ИИН может быть построен на мощность до нескольких кВт.

Хуже, если он окажется в режиме ХХ. Тогда за полуцикл Тр2 успеет насытиться и сильнейший сквозняк сожжет сразу оба VT1 и VT2. Впрочем, сейчас есть в продаже силовые ферриты на индукцию до 0,6 Тл, но они дороги и от случайного перемагничивания деградируют. Разрабатываются ферриты более чем на 1 Тл, но, чтобы ИИН достигли «железной» надежности, надо хотя бы 2,5 Тл.

Методика диагностирования

При поиске неисправностей в «аналоговом» БП, если он «тупо молчит», проверяют сначала предохранители, затем защиту, РЭ и ИОН, если в нем есть транзисторы. Звонятся нормально – идем дальше поэлементно, как описано ниже.

В ИИН, если он «заводится» и тут же «глохнет», проверяют сначала УО. Ток в нем ограничивает мощный резистор малого сопротивления, затем шунтируемый оптотиристором. Если «резик» видимо подгорел, меняют его и оптрон. Прочие элементы УО выходят из строя крайне редко.

Если ИИН «молчит, как рыба об лед», диагностику начинают тоже с УО (может, «резик» совсем сгорел). Затем – УЗ. В дешевых моделях в них используются транзисторы в режиме лавинного пробоя, что далеко не весьма надежно.

Следующий этап, в любых БП – электролиты. Разрушение корпуса и вытекание электролита встречаются далеко не так часто, как пишут в рунете, но потеря емкости случается гораздо чаще, чем выход из строя активных элементов. Проверяют электролитические конденсаторы мультиметром с возможностью измерения емкости. Ниже номинала на 20% и более – опускаем «дохляка» в отстой и ставим новый, хороший.

Затем – активные элементы. Как прозванивать диоды и транзисторы вы, наверное, знаете. Но тут есть 2 каверзы. Первая – если диод Шоттки или стабилитрон звонится тестером с батарейкой на 12В, то прибор может показать пробой, хотя диод вполне исправен. Эти компоненты лучше звонить стрелочным прибором с батарейкой на 1,5-3 В.

Вторая – мощные полевики. Выше (обратили внимание?) сказано, что их И-З защищены диодами. Поэтому мощные полевые транзисторы звонятся вроде бы как исправные биполярные даже негодными, если канал «выгорел» (деградировал) не полностью.

Тут единственный доступный дома способ – замена на заведомо исправные, причем обоих сразу. Если в схеме остался горелый, он немедленно потянет за собой новый исправный. Электронщики шутят, мол, мощные полевики жить друг без друга не могут. Еще проф. шуточка – «замена гей-пары». Это к тому, что транзисторы плеч ИИН должны быть строго однотипными.

Наконец, пленочные и керамические конденсаторы. Для них характерны внутренние обрывы (находятся тем же тестером с проверкой «кондюков») и утечка или пробой под напряжением. Чтобы их «выловить», нужно собрать простенькую схемку по Рис. 7. Пошагово проверка электрических конденсаторов на пробой и утечку осуществляется так:

• Ставим на тестере, никуда его не подключая, наименьший предел измерения постоянного напряжения (чаще всего – 0,2В или 200мВ), засекаем и записываем собственную погрешность прибора;
• Включаем предел измерения 20В;
• Подключаем подозрительный конденсатор в точки 3-4, тестер к 5-6, а на 1-2 подаем постоянное напряжение 24-48 В;
• Переключаем пределы напряжения мультиметра вниз вплоть до наименьшего;
• Если на любом тестер показал хоть что-то, кроме 0000.00 (на самом малом – что-то, кроме собственной погрешности), проверяемый конденсатор не годен.

На этом методическая часть диагностики заканчивается и начинается творческая, где все инструкции – собственные знания, опыт и соображение.

Пара импульсников

ИБП статья особая, вследствие их сложности и схемного разнообразия. Здесь мы, для начала, рассмотрим пару образцов на широтно-импульсной модуляции (ШИМ), позволяющей получить наилучшее качество ИБП. Схем на ШИМ в рунете много, но не так страшен ШИМ, как его малюют…

Для светодизайна

Просто зажечь светодиодную ленту можно от любого описанного выше БП, кроме того, что на Рис. 1, выставив требуемое напряжение. Хорошо подойдет СНН с поз. 1 Рис. 3, таких несложно сделать 3, для каналов R, G и B. Но долговечность и стабильность свечения светодиодов зависят не от приложенного к ним напряжения, а от протекающего через них тока. Поэтому хороший блок питания для светодиодной ленты должен включать в себя стабилизатор тока нагрузки; по-технически – источник стабильного тока (ИСТ).

Одна из схем стабилизации тока светоленты, доступная для повторения любителями, приведена на Рис. 8. Собрана она на интегральном таймере 555 (отечественный аналог – К1006ВИ1). Обеспечивает стабильный ток ленты от БП напряжением 9-15 В. Величина стабильного тока определяется по формуле I = 1/(2R6); в данном случае – 0,7А. Мощный транзистор VT3 – обязательно полевой, от сквозняка из-за заряда базы биполярного ШИМ просто не сформируется. Дроссель L1 намотан на ферритовом кольце 2000НМ K20x4x6 жгутом 5хПЭ 0,2 мм. К-во витков – 50. Диоды VD1 ,VD2 – любые кремниевые ВЧ (КД104, КД106); VT1 и VT2 – КТ3107 или аналоги. С КТ361 и т.п. диапазоны входного напряжения и регулировки яркости уменьшатся.

Работает схема так: вначале времязадающая емкость С1 заряжается по цепи R1VD1 и разряжается через VD2R3VT2, открытый, т.е. находящийся в режиме насыщения, через R1R5. Таймер генерирует последовательность импульсов с максимальной частотой; точнее – с минимальной скважностью. Безинерционный ключ VT3 формирует мощные импульсы, а его обвязка VD3C4C3L1 сглаживает их до постоянного тока.

Примечание: скважность серии импульсов есть отношение периода их следования к длительности импульса. Если, напр., длительность импульса 10 мкс, а промежуток между ними 100 мкс, то скважность будет 11.

Ток в нагрузке нарастает, и падение напряжения на R6 приоткрывает VT1, т.е. переводит его из режима отсечки (запирания) в активный (усилительный). Это создает цепь утечки тока базы VT2 R2VT1+Uпит и VT2 также переходит в активный режим. Ток разряда С1 уменьшается, время разряда увеличивается, скважность серии растет и среднее значение тока падает до нормы, заданной R6. В этом и есть суть ШИМ. На минимуме тока, т.е. при максимальной скважности, С1 разряжается по цепи VD2-R4-внутренний ключ таймера.

В оригинальной конструкции возможность оперативной регулировки тока и, соответственно, яркости свечения, не предусмотрена; потенциометров на 0,68 Ом не бывает. Проще всего регулировать яркость, включив после наладки в разрыв между R3 и эмиттером VT2 потенциометр R* на 3,3-10 кОм, выделено коричневым. Передвигая его движок вниз по схеме, увеличим время разряда С4, скважность и уменьшим ток. Другой способ – шунтировать базовый переход VT2, включив потенциометр примерно на 1 МОм в точки а и б (выделено красным), менее предпочтителен, т.к. регулировка получится более глубокой, но грубой и острой.

К сожалению, для налаживания этого полезного не только для светолент ИСТ нужен осциллограф:

1. Подают на схему минимальное +Uпит.
2. Подбором R1(импульс) и R3 (пауза) добиваются скважности 2, т.е. длительность импульса должна быть равна длительности паузы. Давать скважность меньше 2 нельзя!
3. Подают максимальное +Uпит.
4. Подбором R4 добиваются номинальной величины стабильного тока.

Для зарядки

На Рис. 9 – схема простейшего ИСН с ШИМ, пригодного для зарядки телефона, смартфона, планшета (ноутбук, к сожалению, не потянет) от самодельной солнечной батареи, ветрогенератора, мотоциклетного или автомобильного аккумулятора, магнето фонарика-«жучка» и др. маломощных нестабильных случайных источников электропитания. См. на схеме диапазон входных напряжений, там не ошибка. Этот ИСН и в самом деле способен выдавать на выход напряжение, большее входного. Как и в предыдущем, здесь наличествует эффект перемены полярности выхода относительно входа, это вообще фирменная фишка схем с ШИМ. Будем надеяться, что, прочитав внимательно предыдущее, вы в работе этой крохотульки разберетесь сами.

Попутно о заряде и зарядках

Заряд аккумуляторов весьма сложный и тонкий физико-химический процесс, нарушение которого в разы и десятки раз снижает их ресурс, т.е. к-во циклов заряд-разряд. Зарядное устройство должно по очень малым изменениям напряжения АКБ вычислять, сколько принято энергии и регулировать соответственно ток заряда по определенному закону. Поэтому зарядное устройство отнюдь и отнюдь не БП и заряжать от обычных БП можно только АКБ в устройствах со встроенным контроллером заряда: телефонах, смартфонах, планшетах, отдельных моделях цифровых фотокамер. А зарядка, которая зарядное устройство – предмет отдельного разговора.

Вопрос-ремонт.ру сказал(а):

Искрить от выпрямителя будет, но, возможно, ничего страшного. Дело в т. наз. дифференциальном выходном сопротивлении источника питания. У щелочных аккумуляторов оно порядка мОм (миллиом), у кислотных еще меньше. У транса с мостом без сглаживания – десятые и сотые доли Ом, т. е. прим. в 100 – 10 раз больше. А пусковой ток коллекторного мотора постоянного тока может быть больше рабочего раз в 6-7 и даже в 20. У вашего, скорее всего, ближе к последнему – быстро разгоняющиеся моторы компактнее и экономичнее, а огромная перегрузочная способность аккумуляторов позволяет давать движку тока, сколько съест на разгон. Транс с выпрямителем столько мгновенного тока не дадут, и двигатель разгоняется медленнее, чем на то рассчитан, и с большим скольжением якоря. От этого, от большого скольжения, и возникает искра, и в работе потом держится за счет самоиндукции в обмотках.

Что тут можно посоветовать? Первое: приглядитесь внимательнее – как искрит? Смотреть нужно в работе, под нагрузкой, т.е. во время распиловки.

Если искорки пляшут в отдельных местах под щетками – ничего страшного. У меня мощная конаковская дрель от рождения так искрит, и хоть бы хны. За 24 года один раз менял щетки, мыл спиртом и полировал коллектор – всего-то. Если вы подключали инструмент на 18 В к выходу 24 В, то небольшое искрение это нормально. Отмотать обмотку или погасить избыток напряжения чем-то вроде сварочного реостата (резистор прим. 0,2 Ом на мощность рассеяния от 200 Вт), чтобы в работе на моторе было номинальное напряжение и, скорее всего, искра уйдет. Если же подключали к 12 В, надеясь, что после выпрямления будет 18, то зря – выпрямленное напряжение под нагрузкой сильно садится. А коллекторному электромотору, между прочим, все равно, постоянным он током питается или переменным.

Конкретно: возьмите 3-5 м стальной проволоки диаметром 2,5-3 мм. Сверните в спираль диаметром 100-200 мм так, чтобы витки не касались друг друга. Уложите на несгораемую диэлектрическую подкладку. Концы провода зачистите до блеска и сверните «ушами». Лучше всего сразу промазать графитовой смазкой, чтобы не окислялись. Этот реостат включается в разрыв одного из проводов, ведущих к инструменту. Само собой, что контакты должны быть винтовые, затянутые натуго, с шайбами. Подключайте всю цепь к выходу 24 В без выпрямления. Искра ушла, но и мощность на валу упала – реостат нужно уменьшить, переключить один из контактов на 1-2 витка ближе к другому. Все равно искрит, но меньше – реостат маловат, нужно добавить витков. Лучше сразу сделать реостат заведомо большим, чтобы не прикручивать добавочные секции. Хуже, если огонь по всей линии контакта щеток с коллектором или за ними тянутся искровые хвосты. Тогда к выпрямителю нужен сглаживающий фильтр где-то, по вашим данным, от 100 000 мкФ. Недешевое удовольствие. «Фильтр» в данном случае будет накопителем энергии на разгон мотора. Но может и не помочь – если габаритной мощности трансформатора маловато. КПД коллекторных электродвигателей постоянного тока прим. 0,55-0,65, т.е. транс нужен от 800-900 Вт. Т.е., если фильтр поставили, но все равно искрит с огнем под всей щеткой (под обоими, разумеется), то трансформатор не дотягивает. Да, если ставить фильтр, то и диоды моста должны быть на тройной рабочий ток, не то могут вылететь от броска тока заряда при включении в сеть. А инструмент тогда можно будет запускать спустя 5-10 с после включения в сеть, чтобы «банки» успели «накачаться».

И хуже всего, если хвосты искр от щеток дотягиваются или почти дотягиваются до противоположной щетки. Это называется круговой огонь. Он очень быстро выжигает коллектор до полной негодности. Причин кругового огня может быть несколько. В вашем случае наиболее вероятная – мотор включался на 12 В с выпрямлением. Тогда при токе 30 А электрическая мощность в цепи 360 Вт. Скольжение якоря выходит больше 30 градусов за оборот, а это обязательно сплошной круговой огонь. Не исключено также, что якорь мотора намотан простой (не двойной) волной. Такие электромоторы лучше преодолевают мгновенные перегрузки, но уж пусковой ток у них – мама, не горюй. Точнее заочно не могу сказать, да и ни к чему – своими руками тут вряд ли что исправимо. Тогда, наверное, дешевле и проще будет найти и приобрести новые аккумуляторы. Но сначала все же попробуйте включить движок на немного повышенном напряжении через реостат (см. выше). Почти всегда таким способом удается сбить и сплошной круговой огонь ценой небольшого (до 10-15%) уменьшения мощности на валу.

Приставка к блоку питания

Это преобразователь задумывался, как приставка, позволяющая расширить диапазон напряжений лабораторного блока питания, рассчитанного на выходное напряжение 12 вольт и ток 5 ампер. Принципиальная схема преобразователя показана на рисунке 1.

Основой устройства является микросхема однотактного широтно-импульсного контроллера UC3843N, включенная по типовой схеме. Непосредственно эта схема бала заимствована у немецкого радиолюбителя Георга Тиф (Tief G. Dreifacher Step-Up-Wandler. Stabile Spennunger fϋr den FieldDay). Данные на русском языке на эту микросхему можно посмотреть в справочнике «Микросхемы для импульсных источников питания и их применение» издательства «Додэка» на странице 103. Схема не сложная и при исправных деталях и правильном монтаже, начинает работать сразу же. Регулировка выходного напряжения преобразователя осуществляется при помощи подстроечного резистора R8. Но при желании, его можно поменять на резистор переменный. Величину выходного напряжения можно изменять от 15 до 40 вольт, при номиналах резисторов R8, R9, R10, указанных на схеме. Данный преобразователь был испытан с паяльником, рассчитанным на 24 вольта и мощностью 40 Вт.
И так:

Напряжение выхода ……………… 24 В
Ток нагрузки составил ……....... 1,68 А
Мощность нагрузки ………………. 40,488 Вт
Напряжение входа ………………... 10,2 В
Общий ток потребления ………. 4,65 А
Общая мощность …………………... 47,43 Вт
Получившийся КПД ………………... 85%
При этом температура активных компонентов схемы была в районе 50 градусов.

При этом ключевой транзистор и диод с барьером Шоттки имеют небольшие радиаторы. В качестве ключевого транзистора применен транзистор IRFZ34, имеющий сопротивление открытого канала 0,044 Ом, а в качестве диода применен один из диодов диодной сборки S20C40C, выпаянной из блока питания старого компьютера. На печатной плате предусмотрена коммутация диодов при помощи перемычки. Можно применить и другие диоды с барьером Шоттки с прямым током не менее чем в два раза превышающим ток нагрузки. Дроссель намотан на желтом с белым кольце из распыленного железа, так же взятым из блока питания ПК. Про такие сердечники можете почитать в брошюре Джима Кокса. Скачать ее можно из Сети. Вообще советую скачать эту статью и полностью прочитать. Много полезного материала по дросселям.

Магнитная проницаемость такого кольца равна 75, а его размеры – D = 26,9 mm; d = 14,5 mm; h = 11,1 mm. Обмотка дросселя имеет 24 витка любого обмоточного провода диаметром 1,5 мм.

Все детали стабилизатора установлены на печатной плате, причем с одной стороны установлены все «высокие» детали, а с другой – все, так сказать, «низкорослые». Рисунок печатной платы показан на рисунке 2.

Первое включение собранного устройства можно производить без ключевого транзистора и убедиться в работоспособности ШИМ-контроллера. При этом на выводе 8 микросхемы должно быть напряжение 5 вольт, это напряжение внутреннего источника опорного напряжения ИОН. Оно должно быть стабильны при изменении напряжения питания микросхемы. Стабильной должна быть и частота, и амплитуда пилообразного напряжения на выходе 4 DA1. Убедившись в работоспособности контроллера можно впаять и мощный транзистор. Все должно работать.

Не забывайте, что ток нагрузи стабилизатора, должен быть меньше тока, на который рассчитан ваш блок питания и его величина зависит от выходного напряжения стабилизатора. Без нагрузки на выходе стабилизатор потребляет ток примерно равный 0,08 А. Частота импульсной последовательности управляющих импульсов без нагрузки, находится в районе 38 кГц. И еще немного, если будете рисовать печатную плату сами, ознакомьтесь с правилами монтажа микросхемы по ее документации. Стабильная и безотказная работа импульсных устройств зависит не только от качественных деталей, но и в правильной разводке проводников печатной платы. Успехов. К.В.Ю.