Защита от короткого замыкания в блоке питания: Лабораторный блок питания с защитой от КЗ

Содержание

Лабораторный блок питания с защитой от КЗ

Здравствуйте, друзья! Лабораторный блок питания является прибором первой необходимости для начинающего радиолюбителя и по этому я хочу представить вашему вниманию свою новую самоделку. Очень простой и надежный лабораторный блок питания с регулятором напряжения от 1,5 до 30 вольт, максимальной силой тока 5А и защитой от короткого замыкания с звуковой сигнализацией. Источником питания для приведенной ниже схемы может служить любой трансформатор или импульсный блок питания, например от ноутбука с выходным напряжением от 16 до 40 вольт и максимальной силой тока до 5А.

Схема лабораторного блока питания 1,5-30В 5А с защитой от КЗ

Скачать схему лабораторного блока питания 5А 

Как работает блок питания?

Напряжение от источника питания проходя через диодный мост Br1 выпрямляется и поступает на регулятор напряжения состоящий из транзистора Т1, резистора R1 и переменного резистора Р1. На выходе из регулятора получается 12 вольт.

Этим напряжением постоянно питается вентилятор, реле К1 и вольт амперметр V/A1.

В режиме ожидания от диодного моста Br1 через постоянно замкнутые контакты реле К1 подается напряжение на звуковой сигнализатор короткого замыкания в результате чего в бипере SP1 раздается постоянный звуковой сигнал, что свидетельствует о исправной системе защиты от короткого замыкания.

При кратковременном нажатии кнопки START S1 подается напряжение через резистор R2 на базу транзистора Т2 в результате, чего транзистор Т2 открывается и подает питание на обмотку реле К1, контакты реле К1 переключаются и происходит самоблокировка реле К1.  В момент срабатывания реле К1 отключается звуковой сигнализатор короткого замыкания, а в место него подключается регулятор напряжения на микросхеме LM338T. Далее напряжение через шунтирующий диод D2 поступает на выход блока питания. Регуляция напряжения на выходе из блока питания выполняется переменным резистором Р2. Контроль напряжения и силы тока осуществляется вольт амперметром V/A1. В случае короткого замыкания происходит падение напряжения на базе транзистора Т2, транзистор закрывается в следствии чего, контакты реле переключаются. Нагрузка отключается, а на звуковой сигнализатор короткого замыкания подается питание и раздается звуковой сигнал. После устранения короткого замыкания следует кратковременно нажать кнопку START S1 и блок питания снова перейдет в рабочий режим. И так может продолжаться до бесконечности.

Список радиодеталей для сборки лабораторного блока питания:

  • Источник питания любой подходящий трансформатор или импульсный блок питания от 16 до 40 вольт
  • Транзисторы Т1, Т2 TIP41C, КТ819Г и их аналоги
  • Микросхема LM338T на 5А или LM350T на 3А, LM317T на 1,5А все зависит от мощности источника питания
  • Микросхема NE555
  • Диодный мост Br1 любой не менее 6А можно заменить диодами.
  • Диоды любые D1 0,5А, D2 от 1,5А до 10А зависит от нагрузки возможно параллельное соединение диодов
  • Конденсаторы С1, С2, С4 100нф, С3 470мкф 35в, С5 1000мкф 50в
  • Резисторы R1, R4 1k, R2 5,1k, R3 270, R5 10k, R6 330, R7 150, R8 200
  • Переменные резисторы Р1 10К, Р2 5К
  • Реле SRD12VDC-SL-C  12В 10А
  • Кнопка START S1 без фиксации на замыкание
  • Вентилятор М1 от компьютера
  • Бипер SP1 от компьютера или маленький динамик
  • Вольт амперметр китайский универсальный с Alliexpress

Внимание: При сборке лабораторного блока питания не изменяйте номиналы конденсаторов С1, С4, С5 иначе не будет срабатывать система защиты от короткого замыкания!!!

Цоколевка применяемых транзисторов

Возможно вам это пригодиться…

Все детали следует разместить на печатной плате изготовленной по лазерно-утюжной технологии.

Печатная плата лабораторного блока питания 1,5-30В 5А с защитой от КЗ

Скачать печатную плату лабораторного блока питания 5А в формате lay 

Как настроить блок питания?
Схема лабораторного блока очень простая, но все равно требуется небольшая настройка. Поставьте переменный резистор Р1 в среднее положение. Включите блок питания в сеть, подключите мультиметр параллельно вентилятору, резистором Р1 установите напряжение 12 вольт. Резистором R3 регулируется напряжение питания звукового сигнализатора короткого замыкания, смотрите по схеме напряжение на входе сигнализатора должно быть 12 вольт.

Тональность сигнализатора изменяется резистором R4 и конденсатором С2. Громкость регулируется подбором резистора R6. Порог срабатывания системы защиты от короткого замыкания подбирается резистором R2. Напряжение на выходе из блока питания изменяется переменным резистором Р2 его ручка выведена на лицевую панель блока питания.

В процессе работы транзистор Т1, микросхема LM338T и диодный мост будут сильно нагреваться, поэтому их следует установить на радиатор, перед установкой обязательно изолировать от радиатора. Как это сделать читайте здесь: Как изолировать транзисторы от радиатора?

Для контроля напряжения и силы тока лучше всего установить вот такой универсальный вольт амперметр.

Кстати, его надо откалибровать. С обратной стороны прибора находится два маленьких переменных резистора один отвечает за вольтаж, второй за ампераж. Делаем так, подключаем параллельно к выходу блока питания мультиметр, включаем в режим вольтметра и сравниваем показания приборов, если показания не соответствуют крутим переменный резистор в разные стороны, чтобы добиться наиболее точных показаний прибора. Чтобы откалибровать амперметр переключите мультиметр в режим амперметра. К блоку питания подключите лампочку последовательно с мультиметром и сверьте показания приборов.

Все компоненты лабораторного блока питания легко помещаются в корпусе от компьютерного блока питания.

Так выглядит готовое устройство. Для чего я установил два выключателя и кнопку на крыше блока питания? Красный выключатель сеть, он отключает трансформатор от сети 220В. Синяя кнопка START предназначена для перевода блока питания в рабочий режим.

Черный выключатель линия, чтобы отключать потребители от блока питания без откручивания проводов от разъемов. Справа два разъема типа «Banana» для подключения потребителей. На передней панели находится переменный резистор Р2 для регулировки выходного напряжения. И очень важная деталь это универсальный вольт амперметр.

В своем лабораторном блоке питания я установил трансформатор на 1,5 ампера. Его мощности вполне хватает, чтобы зарядить небольшой 12 вольтовый аккумулятор от бесперебойника емкостью 7А, его я установил на аккумуляторный шуруповерт. Если вы хотите собрать мощное зарядное устройство для автомобильного аккумулятора своими руками, тогда надо увеличить мощность лабораторного блока питания до 10 ампер.

Как увеличить мощность лабораторного блока питания до 10 ампер?

Чтобы увеличить мощность лабораторного блока питания достаточно параллельно микросхеме LM388T подключить мощный 12 амперный транзистор MJE13009. И соответственно заменить источник питания на более мощный трансформатор или импульсный блок питания. Схема будет выглядеть так.

Схема лабораторного блока питания 1,5-30В 10А с защитой от КЗ

Скачать схему лабораторного блока питания 10А 

Печатная плата будет выглядеть так.

Печатная плата лабораторного блока питания 1,5-30В 10А с защитой от КЗ

Скачать схему лабораторного блока питания 10А в формате lay 

А для любителей чего либо измерять, я решил снять пару осциллограмм  в разных режимах работы блока питания.

На этой осциллограмме напряжение на выходе из блока питания снижено до 12 вольт.

Осциллограмма трансформаторного лабораторного блока питания. Напряжение на выходе 12 вольт.

А здесь максимальное напряжение на выходе из блока питания 25 вольт.

Осциллограмма трансформаторного лабораторного блока питания. Напряжение на выходе 25 вольт.

P. S. Все схемы и печатные платы в этой статье я разработал самостоятельно. И прежде чем написать я убедился в 100% работоспособности лабораторного блока питания во всех режимах. Если у вас, что то не получилось, проверьте все ли вы сделали правильно…

Друзья, желаю вам удачи и хорошего настроения! До встречи в новых статьях!

Рекомендую посмотреть видеоролик о том, как работает лабораторный блок питания.

Защита от КЗ на MOSFET

РадиоКот >Схемы >Питание >Блоки питания >

Защита от КЗ на MOSFET

Всем доброго времени суток!

Поздравляю Кота с юбилеем, и желаю доброго здравия на долгие годы!

Тем временем, хочу представить небольшой проект. Простой, но полезный. 

Схема и принцип работы

Итак, вот представьте, есть у вас БП, и тут вы нечаянно замыкаете его (у всех бывает, макетка и всё такое). Хоть на мгновение. Но этого иногда достаточно, чтобы БП вышел из строя.

В таких случаях надо городить защиту. Тот вариант, который я находил использует реле. Но реле иногда потребляет не мало. Поэтому, было решено переделать на MOSFET.

Схема первая:

Что мы имеем: обычный стабилизатор на 9 вольт (U2), оптопара (U1), MOSFET ключ по питанию (Q3) и пара согласующих транзисторов (Q1, Q2). При чём, Q3 должен быть P-канальным для +стабилизатора.

Работает это так.

Изначально, на выходе напряжения нет, оптопара закрыта, Q2 открыт, Q1 закрыт, Q3 закрыт.

Для запуска принудительно замыкаем транзистор оптопары. Q2 закрывается, Q1 открыт, Q3 открыт, напряжение на выходе появляется, оптопара открывается, кнопку можно уже не держать.

Как только возникает КЗ -- всё сбрасывается в начальное состояние.

А теперь вопрос: нафига Q1 и Q2? Если укладываться в предельные значения Q3 и U1, то можно их убрать.

Тогда схема:

Деталей гораздо меньше!

Итого

В целом, защита достаточно миниатюрная и её легко встроить в уже существующий БП.

Повторюсь, что MOSFET должен быть P-канальным для БП прямой полярности (стабилизация по +). Например, IRF9Z24N -- он достаточно дешёвый.

Как пример, я сделал себе БП на 5 каналов 9В 200мА. 

Удачи в повторении, и больше экспериментируйте!


Все вопросы в Форум.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Реализация аппаратной защиты по току / Хабр

Сегодня моя статья будет носить исключительно теоретический характер, вернее в ней не будет «железа» как в предыдущих статьях, но не расстраивайтесь — менее полезной она не стала. Дело в том, что проблема защиты электронных узлов напрямую влияет на надежность устройств, их ресурс, а значит и на ваше важное конкурентное преимущество — возможность давать длительную гарантию на продукцию. Реализация защиты касается не только моей излюбленной силовой электроники, но и любого устройства в принципе, поэтому даже если вы проектируете IoT-поделки и у вас скромные 100 мА — вам все равно нужно понимать как обеспечить безотказную работу своего устройства.

Защита по току или защита от короткого замыкания (КЗ) — наверное самый распространенный вид защиты потому, что пренебрежение в данном вопросе вызывает разрушительные последствия в прямом смысле. Для примера предлагаю посмотреть на стабилизатор напряжения, которому стало грустно от возникшего КЗ:

Диагноз тут простой — в стабилизаторе возникла ошибка и в цепи начали протекать сверхвысокие токи, по хорошему защита должна была отключить устройство, но что-то пошло не так. После ознакомления со статьей мне кажется вы и сами сможете предположить в чем могла быть проблема.

Что касается самой нагрузки… Если у вас электронное устройство размером со спичечный коробок, нет таких токов, то не думайте, что вам не может стать так же грустно, как стабилизатору. Наверняка вам не хочется сжигать пачками микросхемы по 10-1000$? Если так, то приглашаю к ознакомлению с принципами и методами борьбы с короткими замыканиями!

Цель статьи


Свою статью я ориентирую на людей для которых электроника это хобби и начинающих разработчиков, поэтому все будет рассказываться «на пальцах» для более осмысленного понимания происходящего. Для тех, кому хочется академичности — идем и читаем любой ВУЗовский учебники по электротехники + «классику» Хоровица, Хилла «Искусство схемотехники».

Отдельно хотелось сказать о том, что все решения будут аппаратными, то есть без микроконтроллеров и прочих извращений. В последние годы стало совсем модно программировать там где надо и не надо. Часто наблюдаю «защиту» по току, которая реализуется банальным измерением напряжения АЦП какой-нибудь arduino или микроконтроллером, а потом устройства все равно выходят из строя. Я настоятельно не советую вам делать так же! Про эту проблему я еще дальше расскажу более подробно.

Немного о токах короткого замыкания


Для того, чтобы начать придумывать методы защиты, нужно сначала понять с чем мы вообще боремся. Что же такое «короткое замыкание»? Тут нам поможет любимый закон Ома, рассмотрим идеальный случай:

Просто? Собственно данная схема является эквивалентной схемой практически любого электронного устройства, то есть есть источник энергии, который отдает ее в нагрузку, а та греется и что-то еще делает или не делает.

Условимся, что мощность источника позволяет напряжению быть постоянным, то есть «не проседать» под любой нагрузкой. При нормальной работе ток, действующий в цепи, будет равен:


Теперь представим, что дядя Вася уронил гаечный ключ на провода идущие к лампочке и наша нагрузка уменьшилась в 100 раз, то есть вместо R она стала 0,01*R и с помощью нехитрых вычислений мы получаем ток в 100 раз больше. Если лампочка потребляла 5А, то теперь ток от нагрузки будет отбираться около 500А, чего вполне хватит чтобы расплавить ключ дяди Васи. Теперь небольшой вывод…
Короткое замыкание — значительное уменьшение сопротивления нагрузки, которое ведет к значительному увеличению тока в цепи.

Стоит понимать, что токи КЗ обычно в сотни и тысячи раз больше, чем ток номинальный и даже короткого промежутка времени хватает, чтобы устройство вышло из строя. Тут наверняка многие вспомнят о электромеханических устройствах защиты («автоматы» и прочие), но тут все весьма прозаично… Обычно розетка бытовая защищена автоматом с номинальным током 16А, то есть отключение произойдет при 6-7 кратном токе, что уже около 100А. Блок питания ноутбука имеет мощность около 100 Вт, то есть ток нем менее 1А. Даже если произойдет КЗ, то автомат долго будет этого не замечать и отключит нагрузку, только когда все уже сгорит. Это скорее защита от пожара, а не защита техники.

Теперь давайте рассмотрим еще один, часто встречающийся случай — сквозной ток. Покажу я его на примере dc/dc преобразователя с топологией синхронный buck, все MPPT контроллеры, многие LED-драйвера и мощные DC/DC преобразователи на платах построены именно по ней. Смотрим на схему преобразователя:

На схеме обозначены два варианта превышения тока: зеленый путь для «классического» КЗ, когда произошло уменьшение сопротивления нагрузки («сопля» между дорог после пайки, например) и оранжевый путь. Когда ток может протекать по оранжевому пути? Я думаю многие знают, что сопротивление открытого канала полевого транзистора очень небольшое, у современных низковольтных транзисторов оно составляет 1-10 мОм. Теперь представим, что на ключи одновременно пришел ШИМ с высоким уровнем, то есть оба ключа открылись, для источника «VCCIN — GND» это равносильно подключению нагрузки сопротивлением около 2-20 мОм! Применим великий и могучий закон Ома и получим даже при питании 5В значение тока более 250А! Хотя не переживайте, такого тока не будет — компоненты и проводники на печатной плате сгорят раньше и разорвут цепь.

Данная ошибка очень часто возникает в системе питания и особенно в силовой электронике. Она может возникать по разным причинам, например, из-за ошибки управления или длительных переходных процессах. В последнем случае не спасет даже «мертвое время» (deadtime) в вашем преобразователе.

Думаю проблема понятна и многим из вас знакома, теперь понятно с чем нужно бороться и осталось лишь придумать КАК. Об этом и пойдет дальнейший рассказ.

Принцип работы защиты по току


Тут необходимо применить обычную логику и увидеть причинно-следственную связь:
1) Основная проблема — большое значения тока в цепи;
2) Как понять какое значение тока? -> Измерить его;
3) Измерили и получили значение -> Сравниваем его с заданным допустимым значением;
4) Если превысили значение -> Отключаем нагрузку от источника тока.
Измерить ток -> Узнать превысили ли допустимый ток -> Отключить нагрузку
Абсолютно любая защита, не только по току, строится именно так. В зависимости от физической величины по которой строится защита, будут возникать на пути реализации разные технические проблемы и методы их решения, но суть неизменна.

Теперь предлагаю по порядку пройти по всей цепочки построения защиты и решить все возникающие технические проблемы. Хорошая защита — это защита, которую предусмотрели заранее и она работает. Значит без моделирования нам не обойтись, я буду использовать популярный и бесплатный MultiSIM Blue, который активно продвигается Mouser-ом. Скачать его можно там же — ссылка. Также заранее скажу, что в рамках данной статьи я не буду углубляться в схемотехнические изыски и забивать вам голову лишними на данном этапе вещами, просто знайте, что все немного сложнее в реальном железе будет.

Измерение тока


Это первый пункт в нашей цепочке и наверное самый простой для понимания. Измерить ток в цепи можно несколькими способами и у каждого есть свои достоинства и недостатки, какой из них применить конкретно в вашей задаче — решать только вам. Я же расскажу, опираясь на свой опыт, о этих самых достоинствах и недостатках. Часть из них «общепринятые», а часть мои мироощущения, прошу заметить, что как какую-то истину даже не пытаюсь претендовать.

1) Токовый шунт. Основа основ, «работает» все на том же великом и могучем законе Ома. Самый простой, самый дешевый, самый быстрый и вообще самый самый способ, но с рядом недостатков:

а) Отсутствие гальванической развязки. Ее вам придется реализовывать отдельно, например, с помощью быстродействующего оптрона. Реализовать это не сложно, но требует дополнительного места на плате, развязанного dc/dc и прочие компоненты, которые стоят денег и добавляют габаритных размеров. Хотя гальваническая развязка нужна далеко не всегда, разумеется.

б) На больших токах ускоряет глобальное потепление. Как я ранее писал, «работает» это все на законе Ома, а значит греется и греет атмосферу. Это приводит к уменьшению КПД и необходимости охлаждать шунт. Есть способ минимизировать этот недостаток — уменьшить сопротивления шунта. К сожалению бесконечно уменьшать его нельзя и вообще я бы не рекомендовал уменьшать его менее 1 мОм, если у вас пока еще мало опыта, ибо возникает необходимость борьбы с помехами и повышаются требования к этапу конструирования печатной платы.

В своих устройствах я люблю использовать вот такие шунты PA2512FKF7W0R002E:

Измерение тока происходит путем измерения падения напряжения на шунте, например, при протекании тока 30А на шунте будет падение:


То есть, когда мы получим на шунте падение 60 мВ — это будет означать, что мы достигли предела и если падение увеличится еще, то нужно будет отключать наше устройство или нагрузку. Теперь давайте посчитаем сколько тепла выделится на нашем шунте:


Не мало, правда? Этот момент надо учитывать, т.к. предельная мощность моего шунта составляет 2 Вт и превышать ее нельзя, так же не стоит припаивать шунты легкоплавким припоем — отпаяться может, видел и такое.

Рекомендации по использованию:

  • Используйте шунты, когда у вас большое напряжение и не сильно большие токи
  • Следите за количеством выделяемого на шунте тепла
  • Используйте шунты там, где нужно максимальное быстродействие
  • Используйте шунты только из специальным материалов: константана, манганина и подобных

2) Датчики тока на эффекте Холла. Тут я допущу себе собственную классификацию, которая вполне себе отражает суть различных решений на данном эффекте, а именно: дешевые и дорогие.

а) Дешевые, например, ACS712 и подобные. Из плюсов могу отметить простоту использования и наличия гальванической развязки, на этом плюсы кончаются. Основным недостатком является крайне нестабильное поведение под воздействием ВЧ помех. Любой dc/dc или мощная реактивная нагрузка — это помехи, то есть в 90% случаев данные датчики бесполезны, ибо «сходят с ума» и показывают скорее погоду на Марсе. Но не зря же их делают?

Они имеют гальваническую развязку и могут измерять большие токи? Да. Не любят помехи? Тоже да. Куда же их поставить? Правильно, в систему мониторинга с низкой ответственностью и для измерения тока потребления с аккумуляторов. У меня они стоят в инверторах для СЭС и ВЭС для качественной оценки тока потребления с АКБ, что позволяет продлить жизненный цикл аккумуляторов. Выглядят данные датчики вот так:

б) Дорогие. Имеют все плюсы дешевых, но не имеют их минусов. Пример такого датчика LEM LTS 15-NP:

Что мы имеем в итоге:
1) Высокое быстродействие;
2) Гальваническую развязку;
3) Удобство использования;
4) Большие измеряемые токи независимо от напряжения;
5) Высокая точность измерения;
6) Даже «злые» ЭМИ не мешают работе и не; влияют на точность.

Но в чем тогда минус? Те, кто открывали ссылку выше однозначно его увидели — это цена. 18$, Карл! И даже на серии 1000+ штук цена не упадет ниже 10$, а реальная закупка будет по 12-13$. В БП за пару баксов такое не поставить, а как хотелось бы… Подведем итог:

а) Это лучшее решение в принципе для измерения тока, но дорогое;
б) Применяйте данные датчики в тяжелых условиях эксплуатации;
в) Применяете эти датчики в ответственных узлах;
г) Применяйте их если ваше устройство стоит очень много денег, например, ИБП на 5-10 кВт, там он себя однозначно оправдает, ведь цена устройства будет несколько тысяч $.

3) Трансформатор тока. Стандартное решение во многих устройствах. Минуса два — не работают с постоянным током и имеют нелинейные характеристики. Плюсы — дешево, надежно и можно измерять просто огромнейшие токи. Именно на трансформаторах тока построены системы автоматики и защиты в РУ-0.4, 6, 10, 35 кВ на предприятиях, а там тысячи ампер вполне себе нормальное явление.

Честно говоря, я стараюсь их не использовать, ибо не люблю, но в различных шкафах управления и прочих системах на переменном токе все таки ставлю, т.к. стоят они пару $ и дают гальваническую развязку, а не 15-20$ как LEM-ы и свою задачу в сети 50 Гц отлично выполняют. Выглядят обычно вот так, но бывают и на всяких EFD сердечниках:

Пожалуй с методами измерения тока можно закончить. Я рассказал об основных, но разумеется не обо всех. Для расширения собственного кругозора и знаний, советую дополнительно хотя бы погуглить да посмотреть различные датчики на том же digikey.

Усиление измеренного падения напряжения


Дальнейшее построение системы защиты пойдет на базе шунта в роли датчика тока. Давайте строить систему с ранее озвученным значением тока в 30А. На шунте мы получаем падение 60 мВ и тут возникают 2 технические проблемы:

а) Измерять и сравнивать сигнал с амплитудой 60 мВ неудобно. АЦП имеют обычно диапазон измерений 3.3В, то есть при 12 битах разрядности мы получаем шаг квантования:

Это означает, что на диапазон 0-60 мВ, который соответствует 0-30А мы получим небольшое количество шагов:


Получаем, что разрядность измерения будет всего лишь:


Стоит понимать, что это идеализированная цифра и в реальности они будет в разы хуже, т.к. АЦП сам по себе имеет погрешность, особенно в районе нуля. Конечно АЦП для защиты мы использовать не будем, но измерять ток с этого же шунта для построения системы управления придется. Тут задача была наглядно объяснить, но это так же актуально и для компараторов, которые в районе потенциала земли (0В обычно) работают весьма нестабильно, даже rail-to-rail.

б) Если мы захотим протащить по плате сигнал с амплитудой 60 мВ, то через 5-10 см от него ничего не останется из-за помех, а в момент КЗ рассчитывать на него точно не придется, т. к. ЭМИ дополнительно возрастут. Конечно можно схему защиты повесить прямо на ногу шунта, но от первой проблемы мы не избавимся.

Для решения данных проблем нам понадобится операционный усилитель (ОУ). Рассказывать о том, как он работает не буду — тема отлично гуглится, а вот о критичных параметрах и выборе ОУ мы поговорим. Для начала давайте определимся со схемой. Я говорил, что особых изяществ тут не будет, поэтому охватим ОУ отрицательной обратной связью (ООС) и получим усилитель с известным коэффициентов усиления. Данное действия я смоделирую в MultiSIM (картинка кликабельна):

Простой маломощный БП с защитой от КЗ, на старой элементной базе

Блок питания появился на свет как некая гуманитарная помощь знакомому школьнику-семикласснику, для направления его внутренней энергии в хорошее, полезное русло. Таким стабилизированным и регулируемым источником можно запитывать несколько подаренных электро- и радио-конструкторов, первые несложные схемы, которые мы, я надеюсь, соберем. В дальнейшем, при необходимости БП можно будет усовершенствовать – используя корпус, измерители, радиатор, несложно будет собрать более мощный прибор с лучшими параметрами. Пространство внутри вполне это позволяет.

Итак. Блок питания собран по классической схеме, выпрямитель – источник слаботочного стабилизированного напряжения на стабилитроне, эмиттерный повторитель-регулятор на составном транзисторе. Узел защиты от КЗ собран на транзисторе V6, он закрывает регулирующий транзистор при замыкании выходных клемм, в таком состоянии прибор может находиться длительное время. Существует более подробное описание работы схемы, список элементов для замены приведенных.

Блок питания обеспечивает регулируемое стабилизированное напряжение 0,5…12 В с максимальным током 400 мА. Элементная база устройства – сугубо дискретные элементы, германиевые транзисторы старых серий. При определении со схемотехникой блока, все элементы мгновенно и без труда нашлись в коробках и банках, параметры тоже устроили. Решено было не противиться воле провидения.


Главные факторы в конструкции нынешней, применительно к назначению – небольшая мощность, небольшое выходное напряжение, регулируемость, индикация напряжения, защита от КЗ. Кроме того должен быть удобный корпус, безопасное исполнение. Чтобы никаких накрученных проводков на вилку настольной лампы (в пол-голоса) и как только жив остался…

По сравнению с исходной схемой, стрелочный вольтметр заменен на цифровой китайский модуль-измеритель напряжения и тока – не капли не жалко, а ребенку радость. Кроме прочего в голове лучше уложится зависимость потребляемого тока от напряжения, будет видно как напряжение просаживается на относительно мощной нагрузке, напряжение на конкретной нагрузке можно установить с учетом этой просадки (по сравнению со шкалой под ручкой R8) и т.д. Словом, в учебно-наглядных целях. Единственный минус – пришлось озаботиться личным микро-БП для измерителя, впрочем, он допускает широкий диапазон напряжений для питания и удалось легко подобрать ему старый исправный сетевой адаптер-зарядку для мобильного телефона. При этом, индикаторной неоновой лампой с токоограничительным резистором можно смело манкировать – светящиеся цифры измерителя преотлично их заменят.

К делу.

Что было использовано для работы.

Набор инструмента для электромонтажа, набор некрупного слесарного инструмента.

Первым делом подобрал элементы, привел в порядок их выводы, проверил на тестере элементов. К слову, транзисторы вроде П213 тестер игнорирует, проверять его пришлось старым добрым способом – попереходно, тестером.


В транзисторе П213 металлический, прижимаемый к радиатору корпус соединен с выводом его коллектора – чтобы не изолировать от металлической коробки блока весь радиатор, изолировать пришлось сам транзистор. К счастью, нашлась специальная слюдяная прокладка, к несчастью, не оказалось специальных винтиков с изоляторами, пришлось выкручиваться. Момент удалось разрешить фланцем-изолятором. Выпилил его из нетолстого текстолита ювелирным лобзиком с крупнозубой (№0) пилкой. Как и при использовании всех слоистых пластиков, детали из текстолита следует красить (лакировать) – они весьма пористы и как следствие, гигроскопичны.

Собрал прибор навесным манером для проверки работоспособности. Собственно, элементов в схеме немного, значительная их часть крупные, установочные. Их выводы удобно использовать как контактные площадки. Кроме них конструкция внутренней части блока не предполагает дополнительных точек крепления. Все мелкие элементы сгруппированы в две части так, чтобы между ними было меньше соединительных проводов. Первая часть имеет опору – крупную оксидную емкость (С1), вторая – ножки регулирующего транзистора на радиаторе.


Короткие выводы элементов при соединении пайкой образуют жесткую пространственную конструкцию.

Убедившись в работоспособности макета, приступил к самому сложному – корпусу. Он был изготовлен из листового металла способом гнутья, частично пайки и состоит из двух П-образных частей. Нижняя – поддон и торцевые стенки сделаны из оцинкованной стали (легко паять), крышка – из тонкого алюминиевого листа (старый кровельный лист). Электрохимический ряд напряжений металлов вполне допускает их механическое соединение.


Нижняя часть (поддон) выгнут из простой прямоугольной заготовки. Торцевые стенки припаиваются к нему и усиливаются (также пайкой) пластинчатыми раскосами. Конструкция несколько сложная, зато дающая возможность без помех орудовать ювелирным лобзиком при изготовлении фигурных проемов под установочные элементы.


Разметку торцевых панелей делал на манер накернивания печатных плат – распечатал вычерченный в КАДе эскиз в формате 1:1, вырезал ему лепестки, обернул вокруг заготовки железки и закрепил (при необходимости) липкой лентой. Разметку прямоугольных проемов перенес слегка накернив их углы, круглых – их центры. Чертилкой или тонко отточенным карандашиком соединил прямоугольники, в центры ставил ножку циркуля-балеринки (для малых окружностей). Дополнительные загогулины вырисовывал по месту, примеряя к детали.


Ряд установочных элементов были разукомплектованы или имели небольшие дефекты, поломки, не лишающие впрочем, их работоспособности. Например, для изолированной клеммы «-» не удалось найти гайку-крепеж с мелкошаговой резьбой, пришлось применить пайку и импровизированный изолятор. Клемму общего провода, а здесь это «+» впаял в стенку насмерть.

Выпилив и подогнав проемы для всех установочных элементов, спаял нижнюю часть корпуса – поддон, торцевые стенки, раскосы (зачистить, нанести «кислоту паяльную» (хлористый цинк), лудить; после пайки хорошо промыть водой со щеткой, в воду можно добавить чуток соды).

Некоторые установочные элементы были не рассчитаны на установку в столь тонкую (0,5 мм) панель, пришлось укрепить их термоклеем. Его адгезия к стали здесь неважна, он работает этаким упором на сжатие. Пластиковые части предварительно покорябал острым ножом.


Колодка предохранителя тоже болталась, здесь пришлось выпилить из алюминия (он чуть толще) еще пару утолщительных шайб.

В качестве сетевого трансформатора применен кадровый ТВК-110ЛМ от старого лампового телевизора. Он положен набок, его внешняя обойма припаяна к площадке из оцинкованной стали. Площадка приклепана к поддону БП вытяжными заклепками.

Адаптер-зарядка от старого телефона (БП измерителя) несколько доработана – удалена штатная сетевая вилка, вместо нее наружу выведена пара проводов. Это безопаснее и уменьшает потребное для узла место.

Для установки С1 с обвесом пришлось сделать деталь-крепление. Для нижней площадки использовал выпиленную из окна для измерителя серединку, обойму согнул из узкой пластинки на трубке подходящего диаметра. Разрезная обойма припаяна только в двух точках. Это достаточно прочно и позволяет свободной ее части плотно обжать цилиндрическую деталь – конденсатор. Фиксировать можно пластиковыми ремешками для электромонтажа или даже стальным червячным хомутом (очень осторожно - большое усилие).

Площадка с закрепленным конденсатором приклепана к поддону вытяжными заклепками.



Радиатор с транзистором крепится при помощи двух коротких винтиков, железку пришлось немного поёрзать на бруске с пришпиленной наждачной шкуркой, чтобы выровнять её нижнюю, соприкасающуюся с поддоном часть. Так она стоит ровнее и плотнее. Под винты подложил кузовные (широкие) шайбы, в резьбу капнул лака для застопоривания.




Размеры для развертки крышки вымерял по месту, начертил на отрихтованом листе, вырезал ножницами по металлу. Согнул, притупил острые кромки, разметил и просверлил массив вентиляционных отверстий. Сделал два ряда отверстий и в поддоне, под радиатором, чтобы организовать воздушный поток вокруг него.

Сверяясь с большим мультиметром подрегулировал показания измерительного блока прибора.

Собрал корпус БП, крышку к нижней части приклепал вытяжными заклепками – часто вскрывать ее нет нужды, но при необходимости, заклепки без труда высверливаются.

На дне блока «Моментом» приклеил резиновые ножки, сделал самые необходимые пояснительные надписи «промышленным» стойким лаковым фломастером.


Babay Mazay, июнь, 2020 г.

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Защита импульсных блоков питания от КЗ

Опубликовал admin | Дата 18 августа, 2019

Схема защиты импульсных блоков питания от превышения тока нагрузки

Все защитные схемы конкретного ИИП, имеющего на выходе несколько выходных напряжений, можно объединять под общим названием — комбинированные защиты. Т.к. срабатывание любой из этих защитных схем ведет к отключению всех питающих напряжений посредством воздействия на управляющую микросхему ИИП. Все выходные каналы ИИП можно условно, разделить на слаботочные и сильноточные. Необходимость раздельной защиты каждого из этих каналов объясняется тем, что чувствительность схемы защиты сильноточного канала недостаточна для обнаружения неисправности в слаботочной схеме.

В данной статье будет рассмотрена одна из классических и эффективных схем защиты для импульсных блоков питания с сильноточным выходом, реализованных на контроллере ТL494 или его аналогах.

Подробнее рассмотрим механизм защитного отключения в зависимости от максимальной ширины управляющего импульса. Суть защитного отключения заключаются в том, чтобы силовые транзисторы инвертора переставали переключаться и оставались бы в закрытом состоянии неограниченно долго при возникновении аварийной ситуации. Для того чтобы оба силовых транзистора инвертора оказались закрыты одновременно, на их базах должны отсутствовать управляющие импульсы. Источником управляющих импульсов является микросхема ТL494, поэтому для того чтобы отключить появление импульсов на выходах микросхемы необходимо заблокировать работу ее цифровой части. При этом оба выходных транзистора ее окажутся в закрытом состоянии и импульсы на выводах 8 и 11 или 9 и 10 будут отсутствовать. Амплитуда пилообразного напряжения составляет +3,2В.
Поэтому, если на вывод 4 ТL494 будет подан потенциал, превышающий +3.2В, то произойдет блокировка работы микросхемы ТL494. Однако необходимо отметить, что генератор пилообразного напряжения при этом не прекращает своей работы, т.е. несмотря на отсутствие выходных импульсов, пилообразное напряжение продолжает вырабатываться. Схема узла защиты показана на рисунке ниже.

Работа схемы защиты

Тр1 – трансформатор тока, R11 – нагрузка трансформатора, VD3 и 4 – выпрямительные диоды – это преобразователь длительности проходящих через первичную обмотку рабочих импульсов тока в пропорциональное напряжение на его выходе. Чем больше длительности рабочих импульсов, тем на большее положительное напряжение заряжается конденсатор С7. Преобразователь имеет двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой, на которой появляются только положительные по знаку импульсы. Напряжение пропорциональное длительности рабочих импульсов с конденсатора С7 поступает на резистивный делитель R7 и R6. Вместо этого делителя можно поставить потенциометр со шкалой и при необходимости выставлять нужный ток защиты. Цепь, состоящая из резистора R5 и конденсатора С4 – это Т-образный фильтр, от емкости С4 также зависит время реакции защиты на внештатную ситуацию. Если выбрать этот конденсатор недостаточной емкости, то защита сработает раньше, чем закончатся все переходные процессы при включении блока питания. БП просто напросто не успеет включиться. Здесь нужен компромисс, чтобы блок питания стабильно включался, и чтобы время срабатывания защиты было как можно меньше.

Резистор R8 – подтягивающий резистор вывода 4 DD1 к общей шине схемы ИИП. R9 и С11 – цепь мягкого запуска. При включении ИИП на воде 14 контроллера появляется стабильное напряжение +5 вольт от внутреннего стабилизатора микросхемы. Начинается заряд конденсаторы С11 через резисторы R8,9R. На выводе 4 DD1 начинает плавно нарастать напряжение. По мере его нарастания увеличивается длительность рабочих импульсов. Диод VD1 служит для развязки формирующей цепочки от схемы защиты.

В рабочем состоянии блока питания в режиме номинального тока нагрузки напряжения с выхода фильтра R5, С4 не хватает для того, что бы открыть транзистор VT1. В таком режиме оба транзистора VT1 и VT2 закрыты и не влияют на работу микросхемы DD1. При увеличении тока нагрузки контроллер начнет увеличивать длительность выходных импульсов. Увеличение длительности рабочих импульсов мощных транзисторов VT3 и VT4 приводит к увеличению напряжения на базе транзистора VT1. Через открывающийся транзистор VT1 и резистор R2 начинает поступать открывающее отрицательное напряжение базу VT2. Процесс приобретает лавинообразный характер, в результате оба транзистора открываются и могут находиться в таком состоянии сколь угодно долго (транзисторный аналог тиристора). Через открытые транзистор VT2 на вывод 4 DD1 поступит напряжения превышающее +3,2В, что приведет к блокировке цифровой части контроллера. Оба его выходных транзистора окажутся в закрытом состоянии и на выходах 8,11 и 9,10 появятся статические потенциалы, которые не смогут передаваться на базы транзисторов VT3 и VT4, так как связь с ними происходит через согласующий трансформатор (на схеме не показан). Если ИИП имеет схему с запуском посредством самовозбуждения, то после закрытия мощных транзисторов пропадет и питание на контроллере и восстановить работоспособность блока питания можно, если его отключить и снова включить. Восстановить рабочее состояние ИИП с принудительным запуском можно, поставив кнопку рестарта, параллельно переходу база-эмиттер транзистора VT1.

Данная схема была проверена в четырех ИИП и показала прекрасные результаты. В качестве ТР1 можно использовать сердечники и каркасы к ним от энергосберегающих ламп. Смотрим фото. Но в данных сердечниках имеется конструктивный зазор на среднем керне, поэтому для трансформатора тока потребуется два одинаковых дросселя. На фото три показан самодельный трансформатор тока в ИИП.

Можно применить и ферритовые кольца. Как рассчитать трансформатор тока на ферритовом кольце можно посмотреть в статье «Расчет трансформатора тока»

Вторичная обмотка ТР1 содержит 120 х 2 витков провода диаметром 0,12 мм, мотается в два провода сразу. Вторичная обмотка содержит 2 витка провода – 0,8 или можно применить плоский жгут из нескольких проводов. Диоды VD3 и VD4 – КД522, 1N4148. VD1 – любой. Транзисторы 1 и 2 – КТ315 и КТ361, у меня стоят КТ209 и С945.

На этом все. Успехов. К.В.Ю.

Скачать статью

Скачать “Защита_импульсных_блоков_питания_от_КЗ” Защита_импульсных_блоков_питания_от_КЗ.rar – Загружено 344 раза – 163 КБ

Обсудить эту статью на - форуме "Радиоэлектроника, вопросы и ответы".

Просмотров:726


Лабораторный блок питания с ампер-вольтметром на базе компьютерного БП (0-30В, 11А max)

Обычно для переделки компьютерных блоков питания используют блоки ATX, собранные на микросхемах TL494 (KA7500), но в последнее время такие блоки не попадаются. Их стали собирать на более специализированных микросхемах, на которых сложнее сделать регулировку тока и напряжения с нуля. По этой причине был взят для доработки старый блок типа AT на 200W, который был в наличии.

Содержание / Contents

1. Вмонтирована плата зарядного устройства от мобильного телефона Nokia AC-12E с доработкой. В принципе можно использовать и другие зарядные устройства.

Доработка заключалась в перемотке III обмотки трансформатора и установке дополнительного диода и конденсатора. После переделки блок стал выдавать напряжения +8V для питания вентилятора и вольтметра-амперметра и +20V для питания микросхемы управления TL494N.

2. С платы блока AT выпаяны детали самозапуска первичной цепи и цепи регулировки выходного напряжения. Также были удалены все вторичные выпрямители.


Выходной выпрямитель переделан по мостовой схеме. Использованы три диодных сборки MBR20100CT. Дроссель перемотан — диаметр кольца 27 мм, 50 витков в 2 провода ПЭЛ 1 мм. В качестве нелинейной нагрузки применена лампа накаливания 26V 0,12A. С ней напряжение и ток хорошо регулируются от нуля.
Для обеспечения устойчивой работы микросхемы изменены цепи коррекции. Для грубой и точной регулировок напряжения и тока применено особое подключение потенциометров. Такое подключение позволяет плавно изменять напряжение и ток в любом месте при любом положении потенциометра грубой регулировки.

Особого внимания требует шунт, провода для регулировки и измерения должны подключатся непосредственно к его выводам, так как напряжение, снимаемое с него невелико. На схеме эти подключения показаны фиолетовыми стрелками. Измеряемое напряжение для цепи регулирования снимается с делителя с коррекцией для устранения самовозбуждения в цепях управления.
Верхний предел установки напряжения подбираются резисторами R38, R39 и R40. Верхний предел установки тока подбирается резистором R13.


3. Для измерения тока и напряжения применен вольтметр-амперметр


За основу взята схема «Суперпростой амперметр и вольтметр на супердоступных деталях (автовыбор диапазона)» от Eddy71.
В схему введена регулировка баланса ОУ при измерении тока, что позволило резко улучшить линейность. На схеме это потенциометр «Баланс ОУ», напряжение с которого поступает на прямой или инверсный входы (подбирается, куда подключить, на схеме обозначено зелеными линиями).
Автоматический выбор диапазона измерения реализован программно. Первый диапазон до 9,99A с указанием сотых долей, второй до 12A с указанием десятых долей ампера.

4. Программа для микроконтроллера написана на СИ (mikroC PRO for PIC)и снабжена комментариями.

Конструктивно все элементы размещены в корпусе блока AT. Плата зарядного устройства закреплена на радиаторе с силовыми транзисторами. Сетевые разъемы убраны и на их месте установлен выключатель и выходные зажимы. Сбоку на крышке блока находятся резисторы установки напряжения и тока и индикатор вольтметра-амперметра. Закреплены они на фальшпанели с внутренней стороны крышки.

Чертежи выполнены в программе Frontplatten-Designer 1.0. Междукаскадный трансформатор блока AT не переделывается. Выходной трансформатор блока AT тоже не переделывается, просто средний отвод, выходящий из катушки, отпаивается от платы и изолируется. Выпрямительные диоды заменены на новые, указанные в схеме.
Шунт взят от неисправного тестера и закреплен на изоляционных стойках на радиаторе с диодами. Плата для вольтметра-амперметра использована от «Суперпростого амперметра и вольтметра на супердоступных деталях (автовыбор диапазона)» от Eddy71 с последующей доработкой (перерезаны дорожки, согласно схемы).

В качестве базового блока использован блок AT 200 W. К сожалению, он имеет довольно маленький радиатор для силовых транзисторов. При этом вентилятор подключен к напряжению 8 Вольт (для уменьшения создаваемого шума), поэтому токи больше 6 – 7 Ампер, снимать можно только кратковременно, во избежание перегрева транзисторов.Файлы схем, плат, чертежей и исходники и прошивка
▼ Файловый сервис недоступен. Зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте. • How to Convert a Computer ATX Power Supply to a Laboratory Power Supply
• Суперпростой амперметр и вольметр на супердоступных деталях II (автовыбор диапазона)
• 3 digits Digital volt meter

Иван Внуковский, г.  Днепропетровск

Иван Внуковский (if33)

Украина, г. Днепропетровск

Радиолюбитель, стаж более 40 лет. Работал на заводе инженером КБ, инженером по обслуживанию ЭВМ, механиком по ремонту бытовой техники. Сейчас на пенсии.

 

Как спроектировать схему источника питания SMPS 5 В, 2 А

Блок питания (PSU) - жизненно важная часть в проектировании любого электронного изделия. Для большинства бытовых электронных продуктов, таких как мобильные зарядные устройства, динамики Bluetooth, блоки питания, умные часы и т. Д., Требуется схема источника питания, которая могла бы преобразовать напряжение сети переменного тока в 5 В постоянного тока для их работы. В этом проекте мы построим аналогичную схему переменного тока в постоянный источник питания с номинальной мощностью 10 Вт. То есть наша схема преобразует сеть переменного тока 220 В в 5 В и обеспечит максимальный выходной ток до 2 А. Этой мощности должно хватить для питания большинства электронных устройств, работающих от 5 В. Также схема 5V 2A SMPS довольно популярна в электронике, так как существует множество микроконтроллеров, работающих от 5V.

Идея проекта состоит в том, чтобы сделать сборку максимально простой, поэтому мы спроектируем полную схему на точечной плате (перфорированной плате), а также построим наш собственный трансформатор, чтобы любой мог воспроизвести эту конструкцию или построить аналогичные. В восторге! Итак, приступим.Ранее мы также построили схему SMPS 12 В 15 Вт с использованием печатной платы, поэтому люди, которым интересно, как спроектировать печатную плату для проекта блока питания (блока питания), также могут проверить это.

Цепь ИИП, 5 В, 2 А - проектные характеристики

Различные типы источников питания по-разному работают в разных средах. Также SMPS работает в определенных границах ввода-вывода. Надлежащий анализ спецификации необходимо выполнить до того, как приступить к фактическому проектированию.

Входная спецификация:

Это будет SMPS в области преобразования переменного тока в постоянный. Следовательно, на входе будет переменный ток. В качестве значения входного напряжения хорошо использовать универсальный входной рейтинг для SMPS. Таким образом, напряжение переменного тока будет 85-265 В переменного тока с номинальной частотой 50 Гц. Таким образом, SMPS можно использовать в любой стране, независимо от значения сетевого напряжения переменного тока.

Характеристики выхода:

Выходное напряжение выбрано 5 В с номинальным током 2 А.Таким образом, будет на выходе 10Вт . Поскольку этот SMPS будет обеспечивать постоянного напряжения независимо от тока нагрузки, он будет работать в режиме CV (постоянное напряжение). Это выходное напряжение 5 В должно быть постоянным и устойчивым даже при самом низком входном напряжении при максимальной нагрузке (2 А) на выходе.

Крайне желательно, чтобы хороший блок питания имел пульсации напряжения менее 30 мВ пик-пик . Целевое напряжение пульсаций для этого ИИП составляет менее 30 мВ пик-пик пульсаций.Поскольку этот SMPS будет построен на плате с использованием коммутирующего трансформатора ручной работы , мы можем ожидать немного более высоких значений пульсации. Этой проблемы можно избежать, используя печатную плату.

Характеристики защиты:

Существуют различные схемы защиты, которые могут быть использованы в SMPS для безопасной и надежной работы. Схема защиты защищает SMPS, а также связанную с ним нагрузку. В зависимости от типа схема защиты может быть подключена к входу или выходу.

Для этого SMPS будет использоваться защита от перенапряжения на входе с максимальным рабочим входным напряжением 275 В переменного тока. Кроме того, чтобы справиться с проблемами EMI, будет использоваться фильтр синфазных помех для подавления генерируемых EMI. На стороне выхода мы будем включать защиту от короткого замыкания , защиту от перенапряжения и защиту от перегрузки по току .

Выбор микросхемы управления питанием

Для каждой цепи SMPS требуется ИС управления питанием, также известная как ИС переключения, ИС SMPS или ИС осушителя.Подведем итоги проектных соображений, чтобы выбрать идеальную ИС управления питанием, которая будет подходить для нашей конструкции. Наши требования к дизайну:

  1. Выход 10 Вт. 5В 2А при полной нагрузке.
  2. Универсальный входной рейтинг. 85-265 В переменного тока при 50 Гц
  3. Защита от перенапряжения на входе. Максимальное входное напряжение 275 В переменного тока.
  4. Выходная защита от короткого замыкания, перенапряжения и перегрузки по току.
  5. Работа с постоянным напряжением.

Из вышеперечисленных требований существует широкий выбор ИС, но для этого проекта мы выбрали Power integration . Power Integration - это компания, производящая полупроводники, которая имеет широкий спектр микросхем драйверов питания в различных диапазонах выходной мощности. Исходя из требований и доступности, мы решили использовать TNY268PN из семейства крошечных коммутаторов . Ранее мы использовали эту ИС для построения схемы 12 В SMPS на печатной плате.

На изображении выше показана максимальная мощность 15 Вт. Однако мы будем делать ИИП в открытом корпусе и для универсального входного рейтинга. В таком сегменте TNY268PN может обеспечить выходную мощность 15 Вт.Давайте посмотрим на схему контактов.

Проектирование цепи SMPS 5 В 2 А

Лучший способ собрать 5V 2A SMPS Schematic - использовать экспертное программное обеспечение PI Power Integration. Загрузите программное обеспечение PI expert и используйте версию 8.6. Это отличное программное обеспечение для проектирования источников питания. Схема, показанная ниже, построена с использованием экспертного программного обеспечения PI Power Integration. Если вы новичок в этом программном обеспечении, вы можете обратиться к разделу проектирования этой схемы 12 В SMPS, чтобы понять, как использовать программное обеспечение.

Прежде чем приступить к созданию прототипа, давайте рассмотрим принципиальную схему SMPS 5v 2A и его работу.

Схема состоит из следующих участков -

  1. Защита от перенапряжения и отказа SMPS
  2. Преобразование переменного тока в постоянное
  3. ПИ-фильтр
  4. Схема драйвера или схема переключения
  5. Защита от пониженного напряжения.
  6. Цепь зажима.
  7. Магниты и гальваническая развязка.
  8. Фильтр электромагнитных помех
  9. Вторичный выпрямитель и демпферная цепь
  10. Секция фильтра
  11. Раздел обратной связи.

Защита от перенапряжения и отказа SMPS :

Эта секция состоит из двух компонентов, F1 и RV1. F1 - это плавкий предохранитель на 1 А, 250 В переменного тока, а RV1 - это 7-миллиметровый, 275 В MOV ( Металлооксидный варистор ). Во время скачка высокого напряжения (более 275 В переменного тока) MOV резко замыкается и перегорает входной предохранитель. Однако благодаря функции медленного срабатывания предохранитель выдерживает пусковой ток через ИИП.

Преобразование переменного тока в постоянное :

Этот участок управляется диодным мостом. Эти четыре диода (внутри DB107) составляют полный мостовой выпрямитель. Диоды - 1N4006, но стандартный 1N4007 справится с этой задачей отлично. В этом проекте эти четыре диода заменены полным мостовым выпрямителем DB107.

ПИ-фильтр :

В разных штатах разные стандарты подавления электромагнитных помех. Эта конструкция соответствует стандарту EN61000-Class 3 , а фильтр PI разработан таким образом, чтобы уменьшить подавление синфазных электромагнитных помех . Этот раздел создается с использованием C1, C2 и L1. C1 и C2 - конденсаторы 400 В 18 мкФ. Это нечетное значение, поэтому для этого приложения выбрано 22 мкФ 400 В. L1 - это синфазный дроссель, который принимает дифференциальный сигнал электромагнитных помех для устранения обоих.

Схема драйвера или схема переключения :

Это сердце ИИП. Первичная обмотка трансформатора управляется коммутационной схемой TNY268PN. Частота переключения 120-132 кГц. Из-за этой высокой частоты коммутации можно использовать трансформаторы меньшего размера.Схема переключения состоит из двух компонентов: U1 и C3. U1 - это основная микросхема драйвера TNY268PN. C3 - это байпасный конденсатор , который необходим для работы нашей микросхемы драйвера.

Защита от пониженного напряжения :

Защита от блокировки при пониженном напряжении обеспечивается резисторами R1 и R2. Он используется, когда SMPS переходит в режим автоматического перезапуска и определяет линейное напряжение. Значение R1 и R2 генерируется с помощью инструмента PI Expert .Два последовательно подключенных резистора - это мера безопасности и хороший способ избежать проблем с отказом резистора. Таким образом, вместо 2М в серии используются два резистора 1М.

Цепь зажимов :

D1 и D2 - цепь зажима. D1 - это TVS-диод , а D2 - - сверхбыстрый восстанавливающийся диод . Трансформатор действует через большую индуктивность на интегральную схему драйвера питания TNY268PN. Следовательно, во время выключения трансформатор создает скачков напряжения из-за индуктивности рассеяния трансформатора .Эти высокочастотные всплески напряжения подавляются диодным зажимом на трансформаторе. UF4007 выбран из-за сверхбыстрого восстановления, а P6KE200A выбран для работы TVS. В соответствии с конструкцией целевое напряжение ограничения (VCLAMP) составляет 200 В. Поэтому выбран P6KE200A, а для проблем, связанных со сверхбыстрой блокировкой, UF4007 выбран как D2.

Магниты и гальваническая развязка :

Трансформатор представляет собой ферромагнитный трансформатор, который не только преобразует переменный ток высокого напряжения в переменный ток низкого напряжения, но также обеспечивает гальваническую развязку.

Фильтр электромагнитных помех :

Фильтрация электромагнитных помех осуществляется конденсатором C4. Это увеличивает невосприимчивость цепи, чтобы уменьшить высокие помехи EMI. Это конденсатор Y-класса с номинальным напряжением 2 кВ.

Вторичный выпрямитель и цепь демпфера :

Выходной сигнал трансформатора выпрямляется и преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямительного диода Шоттки D6. Демпферная цепь на D6 обеспечивает подавление переходных процессов напряжения во время операций переключения.Демпферная цепь состоит из одного резистора и одного конденсатора, R3 и C5.

Секция фильтра :

Секция фильтра состоит из конденсатора фильтра C6. Это конденсатор с низким ESR для лучшего подавления пульсаций. Кроме того, LC-фильтр, использующий L2 и C7, обеспечивает лучшее подавление пульсаций на выходе.

Отдел обратной связи :

Выходное напряжение измеряется U3 TL431 и R6 и R7. После измерения линии U2 оптопара управляется и гальванически изолирует датчик вторичной обратной связи с контроллером первичной стороны.Оптопара имеет внутри транзистор и светодиод. Управляя светодиодом, можно управлять транзистором. Поскольку связь осуществляется оптически, у него нет прямого электрического соединения, поэтому обеспечивается гальваническая развязка цепи обратной связи.

Теперь, когда светодиод напрямую управляет транзистором, обеспечивая достаточное смещение через светодиод оптопары, можно управлять транзистором оптопары , а точнее схемой драйвера. Эта система управления используется TL431.Шунтирующий регулятор. По мере того как параллельный стабилизатор имеет резистор делитель через него контрольный штифт, он может контролировать оптрон светодиод, который соединен через него. Контактная обратная связь имеет опорное напряжение 2.5V . Следовательно, TL431 может быть активен только при достаточном напряжении на делителе. В нашем случае делитель напряжения установлен на значение 5В. Следовательно, когда выходное напряжение достигает 5 В, TL431 получает 2,5 В через опорный вывод и, таким образом, активирует светодиод оптопары, который управляет транзистором оптопары и косвенно управляет TNY268PN.Если на выходе недостаточно напряжения, цикл переключения немедленно приостанавливается.

Сначала TNY268PN активирует первый цикл переключения, а затем определяет свой вывод EN. Если все в порядке, он продолжит переключение, если нет, через некоторое время он попытается еще раз. Этот цикл продолжается до тех пор, пока все не нормализуется, что предотвращает проблемы с коротким замыканием или перенапряжением. Вот почему она называется обратноходовой топологией , так как выходное напряжение возвращается к драйверу для определения связанных операций.Кроме того, цикл попыток называется режимом икоты при отказе.

D3 - это диод с барьером Шоттки . Этот диод преобразует высокочастотный выход переменного тока в постоянный. Диод Шоттки 3A 60V выбран для надежной работы. R4 и R5 выбираются и рассчитываются PI Expert. Он создает делитель напряжения и передает ток на светодиод оптопары от TL431.

R6 и R7 - это простой делитель напряжения, рассчитываемый по формуле TL431 REF Voltage = (Vout x R7) / R6 + R7 .Опорное напряжение 2.5V и Vout является 12V. Выбрав значение R6 23,7k, R7 стал примерно 9,09k.

Создание коммутирующего трансформатора для нашей цепи SMPS

Обычно для схемы SMPS требуется коммутирующий трансформатор, эти трансформаторы можно приобрести у производителей трансформаторов в соответствии с вашими проектными требованиями. Но проблема здесь в том, что если вы изучаете материал по созданию прототипа, вы не можете найти на полках точный трансформатор для своего дизайна.Итак, мы узнаем, как построить переключающий трансформатор на основе проектных требований, предоставленных нашим экспертным программным обеспечением PI.

Рассмотрим построенную схему построения трансформатора.

Как показано на изображении выше, нам нужно выполнить 103 витка одного провода 32 AWG на первичной стороне и 5 витков двух проводов 25 AWG на вторичной стороне.

На изображении выше начальная точка обмотки и направление обмотки описаны в виде механической схемы.Для изготовления этого трансформатора необходимы:

  1. Сердечник EE19, NC-2H или эквивалентная спецификация и с зазором для ALG 79 nH / T 2
  2. Шпулька с 5 штифтами на первичной и вторичной стороне.
  3. Барьерная лента толщиной 1 мил. Требуется лента шириной 9 мм.
  4. 32 AWG эмалированный медный провод с паяемым покрытием.
  5. 25AWG эмалированный медный провод с паяемым покрытием.
  6. Измеритель LCR.

Требуется ядро ​​EE19 с NC-2H с зазором ядра 79nH / T2; как правило, это доступно парами.Шпулька стандартная с 4-мя первичными и 5-ю вторичными штифтами. Однако здесь используется шпулька с 5 штырями с обеих сторон.

Для барьерной ленты используется стандартная клейкая лента, имеющая базовую толщину более 1 мил (обычно 2 мил). Во время операций, связанных с нарезанием резьбы, ножницами обрезают ленту до идеальной ширины. Медные провода закупаются у старых трансформаторов, их также можно купить в местных магазинах. Сердечник и шпулька, которые я использую, показаны ниже

.

Шаг 1: Добавьте припой на 1-й и 5-й штырьки первичной стороны.Припаяйте провод 32 AWG к выводу 5, направление намотки - по часовой стрелке. Продолжайте движение до 103 оборотов, как показано ниже

.

Это формирует первичную обмотку нашего трансформатора, после того как 103 витка обмотки завершены, мой трансформатор выглядел так, как показано ниже.

Шаг 2: Наклейте изоленту в качестве изоляции, необходимо 3 витка изоленты. Это также помогает удерживать катушку на месте.

Шаг 3: Включите вторичную обмотку с выводов 9 и 10.Вторичная сторона сделана с использованием двух жил из эмалированных медных проводов 25AWG. Припаяйте один медный провод к контакту 9, а другой - к контакту 10. Направление намотки снова по часовой стрелке. Продолжайте до 5 витков и припаяйте концы на штырях 5 и 6. Добавьте изоленту, применив изоленту так же, как и раньше.

После того, как первичная и вторичная обмотки были выполнены и изолента была использована, мой трансформатор выглядел так, как показано ниже.

Шаг 4: Теперь мы можем плотно закрепить две жилы изолентой.После завершения готовый трансформатор должен выглядеть так, как показано ниже.

Шаг 5: Также не забудьте обернуть клейкую ленту бок о бок. Это уменьшит вибрацию при передаче магнитного потока высокой плотности.

После выполнения вышеуказанных шагов и тестирования трансформатора с помощью измерителя LCR, как показано ниже. Измеритель показывает индуктивность 1,125 мГн или 1125 мкГн.

Построение цепи SMPS:

Когда трансформатор будет готов, мы можем приступить к сборке других компонентов на точечной плате.Детали, необходимые для схемы, можно найти в списке материалов ниже

.

После пайки компонентов моя плата выглядит примерно так.

Тестирование цепи SMPS 5V 2A

Для проверки схемы я подключил входную сторону к источнику питания через VARIAC, чтобы контролировать входное напряжение сети переменного тока. Выходное напряжение при 85 и 230 В переменного тока показано ниже:

.


Как вы можете видеть в обоих случаях, выходное напряжение поддерживается на уровне 5 В.Но затем я подключил выход к моему прицелу и проверил рябь. Измерение пульсации показано ниже

.

Пульсации на выходе довольно высокие, они показывают пульсации 150 мВ пик-пик на выходе. Это совершенно не подходит для цепи питания. Согласно анализу, высокая пульсация обусловлена ​​факторами ниже -

.
  1. Неправильное проектирование печатной платы.
  2. Проблема с отскоком от земли.
  3. Неправильный радиатор печатной платы.
  4. Нет отключения на шумных линиях питания.
  5. Повышенные допуски на трансформаторе из-за ручного наматывания. Производители трансформаторов наносят лак окунанием на обмотки машин для лучшей устойчивости трансформаторов.

Если схема преобразована в надлежащую печатную плату, мы можем ожидать пульсации на выходе источника питания в пределах 50 мВ пик-пик даже с трансформатором с ручной обмоткой. Тем не менее, поскольку veroboard не является безопасным вариантом для создания импульсного источника питания в области переменного и постоянного тока, постоянно предлагается установить надлежащую печатную плату перед применением цепей высокого напряжения в практических сценариях.Вы можете проверить видео в конце этой страницы, чтобы проверить, как схема работает в условиях нагрузки.

Надеюсь, вы поняли руководство и научились создавать свои собственные схемы SMPS с трансформатором ручной работы. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев ниже или воспользуйтесь нашим форумом, чтобы узнать больше о квесте

Блок питания

Регулируемый источник питания для вакуумных ламп, устанавливаемый в стойку, с возможностью +/- 1500 В постоянного тока, выходным током от 0 до 100 мА, с возможностью ограничения силы тока.

Источник питания - это устройство, которое подает электроэнергию на одну или несколько электрических нагрузок. Этот термин чаще всего применяется к устройствам, которые преобразуют одну форму электрической энергии в другую, хотя он также может относиться к устройствам, которые преобразуют другую форму энергии (например, механическую, химическую, солнечную) в электрическую энергию. Стабилизированный источник питания - это тот, который регулирует выходное напряжение или ток до определенного значения; контролируемое значение остается почти постоянным, несмотря на изменения тока нагрузки или напряжения, подаваемого источником энергии блока питания.

Каждый блок питания должен получать энергию, которую он передает своей нагрузке, а также любую энергию, которую он потребляет при выполнении этой задачи, от источника энергии. В зависимости от конструкции источник питания может получать энергию от:

  • Системы передачи электроэнергии. Типичные примеры этого включают источники питания, которые преобразуют напряжение сети переменного тока в напряжение постоянного тока.
  • Устройства накопления энергии, такие как батареи и топливные элементы.
  • Электромеханические системы, такие как генераторы и генераторы переменного тока.
  • Солнечная энергия.

Источник питания может быть реализован как дискретное автономное устройство или как интегральное устройство, которое жестко подключено к его нагрузке. В последнем случае, например, низковольтные источники питания постоянного тока обычно интегрируются с их нагрузками в такие устройства, как компьютеры и бытовая электроника.

Обычно указанные атрибуты источника питания включают:

  • Величина напряжения и тока, которые он может подать на нагрузку.
  • Насколько стабильно его выходное напряжение или ток при различных условиях сети и нагрузки.
  • Как долго он может поставлять энергию без дозаправки или подзарядки (относится к источникам питания, в которых используются портативные источники энергии).

Типы блоков питания

Источники питания для электронных устройств в общих чертах можно разделить на линейные (или «обычные») и импульсные источники питания. Сетевой источник питания обычно имеет относительно простую конструкцию, но он становится все более громоздким и тяжелым для сильноточного оборудования из-за необходимости в больших трансформаторах сетевой частоты и электронных схемах регулирования с теплоотводом.Обычные источники питания с линейной частотой иногда называют «линейными», но это неправильное название, потому что преобразование переменного напряжения в постоянное по своей природе нелинейно, когда выпрямители питаются в емкостных резервуарах. Линейные регуляторы напряжения вырабатывают регулируемое выходное напряжение с помощью активного делителя напряжения, который потребляет энергию, что снижает эффективность. Импульсный источник питания того же номинала, что и сетевой источник питания, будет меньше, обычно более эффективен, но будет более сложным.

Аккумулятор

Основная статья: Аккумулятор (электричество) Щелочные батареи

Аккумулятор - это устройство, преобразующее накопленную химическую энергию в электрическую. Батареи обычно используются в качестве источников энергии во многих домашних и промышленных применениях.

Существует два типа батарей: первичные батареи (одноразовые батареи), которые предназначены для однократного использования и выбрасывания, и вторичные батареи (аккумуляторные батареи), которые предназначены для многократной подзарядки и использования.Батареи бывают разных размеров: от миниатюрных элементов, используемых в слуховых аппаратах и ​​наручных часах, до батарейных блоков размером с комнату, которые служат в качестве резервных источников питания в телефонных станциях и компьютерных центрах обработки данных.

Источник питания постоянного тока

Самодельный линейный блок питания (здесь используется для питания любительского радиооборудования)

В нерегулируемых источниках питания переменного тока обычно используется трансформатор для преобразования напряжения от стенной розетки (сети) в другое, в настоящее время обычно более низкое напряжение. Если он используется для выработки постоянного тока, для преобразования переменного напряжения в пульсирующее постоянное напряжение используется выпрямитель, за которым следует фильтр, состоящий из одного или нескольких конденсаторов, резисторов, а иногда и индукторов, для фильтрации (сглаживания) большей части пульсаций.Небольшая остающаяся нежелательная составляющая переменного напряжения в сети или в удвоенной частоте сети (в зависимости от того, используется ли полуволновое или двухполупериодное выпрямление) - прерывистое - неизбежно накладывается на прямое выходное напряжение.

Для таких целей, как зарядка аккумуляторов, пульсация не является проблемой, и простейшая нерегулируемая цепь источника постоянного тока с питанием от сети состоит из трансформатора, который управляет одним диодом последовательно с резистором.

До появления твердотельной электроники в оборудовании использовались клапаны (вакуумные лампы), которые требовали высокого напряжения; Источники питания использовали повышающие трансформаторы, выпрямители и фильтры для генерации одного или нескольких постоянных напряжений в несколько сотен вольт и низкого переменного напряжения для нитей.Только в самом современном оборудовании использовались дорогие и громоздкие регулируемые блоки питания.

Источник питания переменного тока

Блок питания переменного тока обычно берет напряжение от настенной розетки (сети) и понижает его до желаемого напряжения (например, 9 В переменного тока). Помимо понижения напряжения может иметь место некоторая фильтрация. Примером использования источника переменного тока является питание определенных педалей гитарных эффектов (например, педали DigiTech Whammy), хотя для педалей эффектов чаще всего требуется постоянный ток.

Линейно-регулируемый источник питания

Напряжение, создаваемое нерегулируемым источником питания, будет варьироваться в зависимости от нагрузки и изменений напряжения питания переменного тока.Для критических приложений электроники можно использовать линейный регулятор для установки напряжения на точное значение, стабилизированное от колебаний входного напряжения и нагрузки. Регулятор также значительно снижает пульсации и шум постоянного выходного тока. Линейные регуляторы часто обеспечивают ограничение тока, защищая источник питания и подключенную цепь от перегрузки по току.

Регулируемые линейные источники питания - это обычное испытательное оборудование для лабораторий и сервисных центров, позволяющее регулировать выходное напряжение в широком диапазоне.Например, настольный источник питания, используемый разработчиками схем, может регулироваться до 30 вольт и до 5 ампер на выходе. Некоторые из них могут управляться внешним сигналом, например, для приложений, требующих импульсного выхода.

Источник питания переменного / постоянного тока
Основная статья: AC / DC (электричество)

В прошлом электросеть в одних регионах подавалась в виде постоянного тока, а в других - переменного тока. Трансформаторы нельзя использовать для постоянного тока, но простой и дешевый нерегулируемый источник питания может работать напрямую от сети переменного или постоянного тока без использования трансформатора.Источник питания состоял из выпрямителя и фильтрующего конденсатора. При работе от постоянного тока выпрямитель был, по сути, проводником, не оказывая никакого влияния; он был включен для обеспечения работы от переменного или постоянного тока без изменений.

Импульсный источник питания

Основная статья: Импульсный источник питания

Импульсный источник питания (SMPS) работает по другому принципу. Вход переменного тока, обычно при напряжении сети, выпрямляется без использования сетевого трансформатора для получения постоянного напряжения.Затем это напряжение включается и выключается с высокой скоростью электронной схемой переключения, которая затем может проходить через высокочастотный, следовательно, небольшой, легкий и дешевый трансформатор или индуктор. Рабочий цикл выходной прямоугольной волны увеличивается по мере увеличения требований к выходной мощности. Импульсные источники питания всегда регулируются. Если в SMPS используется должным образом изолированный высокочастотный трансформатор, выход будет электрически изолирован от сети, что необходимо для безопасности.

Разделение входной мощности происходит с очень высокой скоростью (обычно 10 кГц - 1 МГц).Высокая частота и высокое напряжение на этой первой ступени позволяют использовать трансформаторы и сглаживающие конденсаторы гораздо меньшего размера, чем в источнике питания, работающем с частотой сети, как это делают линейные источники питания. После вторичной обмотки трансформатора переменный ток снова выпрямляется в постоянный. Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, блоку питания необходим сложный контроллер обратной связи для контроля тока, потребляемого нагрузкой.

SMPS

часто включают в себя функции безопасности, такие как ограничение тока или схему лома, чтобы защитить устройство и пользователя от повреждений. [1] В случае обнаружения ненормального сильноточного потребления энергии импульсный источник питания может предположить, что это прямое короткое замыкание, и отключится до того, как будет нанесен ущерб. На протяжении десятилетий блоки питания ПК подавали на материнскую плату сигнал power good , отсутствие которого предотвращает работу при аномальных напряжениях питания.

ИИП

имеют абсолютный предел минимального выходного тока. [2] Они могут выводить мощность только выше определенного уровня и не могут работать ниже этого уровня.В условиях холостого хода частота схемы ограничения мощности увеличивается до большой скорости, в результате чего изолированный трансформатор действует как катушка Тесла, вызывая повреждение из-за возникающих в результате скачков мощности очень высокого напряжения. Импульсные источники питания со схемами защиты могут на короткое время включаться, но затем отключаться, когда нагрузка не обнаружена. К источнику питания можно подключить очень небольшую маломощную фиктивную нагрузку, такую ​​как керамический силовой резистор или 10-ваттная лампочка, чтобы он мог работать без присоединенной первичной нагрузки.

Коэффициент мощности стал недавней проблемой для производителей компьютеров. Импульсные источники питания традиционно являются источником гармоник в линии питания и имеют очень низкий коэффициент мощности. Многие компьютерные блоки питания, построенные за последние несколько лет, теперь включают коррекцию коэффициента мощности, встроенную прямо в импульсный источник питания, и могут рекламировать тот факт, что они предлагают коэффициент мощности 1,0 коэффициент мощности .

При разделении синусоидальной волны переменного тока на очень маленькие дискретные части, часть неиспользованного переменного тока остается в линии электропередачи в виде очень маленьких всплесков мощности, которые не могут быть использованы двигателями переменного тока, и приводит к чрезмерному нагреву трансформаторов линии электропередач.Сотни импульсных источников питания в здании могут привести к низкому качеству электроэнергии для других потребителей, окружающих это здание, и к высоким счетам за электроэнергию для компании, если они выставляются в соответствии с их коэффициентом мощности в дополнение к фактической потребляемой мощности. Для подавления и поглощения этих отрицательных эффектов коэффициента мощности могут потребоваться батареи фильтрующих конденсаторов [ цитата необходима ] .

Некоторые импульсные источники питания используют L-C резонанс в первичной цепи для преобразования прямоугольной волны в синусоидальную форму.Это может уменьшить потери в переключающих устройствах и снизить ВЧ-гармоники частоты переключения, но это усложняет схему и предъявляет более высокие требования к допускам конструкции.

Программируемый блок питания

Программируемые блоки питания

Программируемые источники питания позволяют дистанционно управлять выходным напряжением через аналоговый входной сигнал или компьютерный интерфейс, такой как RS232 или GPIB. К изменяемым свойствам относятся напряжение, ток и частота (для блоков вывода переменного тока).Эти источники питания состоят из процессора, схем программирования напряжения / тока, токового шунта и схем обратного считывания напряжения / тока. Дополнительные функции могут включать защиту от перегрузки по току, перенапряжения и короткого замыкания, а также температурную компенсацию. Программируемые блоки питания также бывают различных форм, включая модульные, настенные, настенные, напольные или настольные.

Программируемые блоки питания могут обеспечивать постоянный, переменный или переменный ток со смещением постоянного тока. Выход переменного тока может быть однофазным или трехфазным.Однофазное обычно используется для низкого напряжения, а трехфазное - для высоковольтных источников питания.

Программируемые блоки питания теперь используются во многих приложениях. Некоторые примеры включают автоматическое тестирование оборудования, мониторинг роста кристаллов и дифференциальный термический анализ. [3]

Источник бесперебойного питания

Основная статья: Источник бесперебойного питания

Источник бесперебойного питания (ИБП) получает питание от двух или более источников одновременно.Обычно он питается напрямую от сети переменного тока, одновременно заряжая аккумулятор. В случае пропадания или пропадания электросети аккумулятор мгновенно берет на себя, так что нагрузка никогда не прерывается. Такая схема может обеспечивать питание до тех пор, пока заряда батареи достаточно, например, в компьютерной установке, что дает оператору достаточно времени, чтобы произвести упорядоченное завершение работы системы без потери данных. В других схемах ИБП может использоваться двигатель внутреннего сгорания или турбина для непрерывной подачи энергии в систему параллельно с мощностью, поступающей от переменного тока.Генераторы с приводом от двигателя обычно работают на холостом ходу, но могут выйти на полную мощность за несколько секунд, чтобы жизненно важное оборудование могло работать без перебоев. Такую схему можно найти в больницах или телефонных центральных офисах.

Источник питания высоковольтный

Высокое напряжение означает выходную мощность порядка сотен или тысяч вольт. Источники высокого напряжения используют линейную схему для создания выходного напряжения в этом диапазоне.

Дополнительные функции, доступные для высоковольтных источников питания, могут включать в себя возможность изменения выходной полярности, а также использование автоматических выключателей и специальных разъемов, предназначенных для минимизации дугового разряда и случайного контакта с руками человека.Некоторые источники питания имеют аналоговые входы (например, 0-10 В), которые можно использовать для управления выходным напряжением, эффективно превращая их в усилители высокого напряжения, хотя и с очень ограниченной полосой пропускания.

Умножители напряжения

Основная статья: Умножитель напряжения

Умножитель напряжения - это электрическая схема, которая преобразует электрическую мощность переменного тока с более низкого напряжения в более высокое постоянное напряжение, обычно с помощью сети конденсаторов и диодов. Входное напряжение может быть удвоено (удвоение напряжения), утроено (утроено напряжения), четырехкратно (учетверено напряжение) и так далее.Эти схемы позволяют получать высокое напряжение с использованием источника переменного тока гораздо более низкого напряжения.

Обычно умножители напряжения состоят из однополупериодных выпрямителей, конденсаторов и диодов. Например, утроитель напряжения состоит из трех полуволновых выпрямителей, трех конденсаторов и трех диодов (как в умножителе Кокрофта-Уолтона). Двухполупериодные выпрямители могут использоваться в другой конфигурации для достижения еще более высоких напряжений. Также доступны как параллельная, так и последовательная конфигурации. Для параллельных умножителей требуется более высокое номинальное напряжение на каждой последовательной стадии умножения, но требуется меньшая емкость.Номинальное напряжение конденсаторов определяет максимальное выходное напряжение.

Умножители напряжения

имеют множество применений. Например, умножители напряжения можно найти в повседневных предметах, таких как телевизоры и копировальные аппараты. Другие приложения можно найти в лаборатории, например, электронно-лучевые трубки, осциллографы и фотоэлектронные умножители. [4] [5]

Применение источников питания

Блок питания компьютера

Основная статья: Блок питания компьютера

Современный компьютерный блок питания - это выключатель с включением и выключением, предназначенный для преобразования напряжения 110-240 В переменного тока из сети в несколько выходных как положительных (и исторически отрицательных) напряжений постоянного тока в диапазоне + 12В, -12В, + 5V, + 5VBs и +3.3В. Первым поколением блоков питания компьютеров были линейные устройства, но поскольку стоимость стала определяющим фактором, а вес стал важным, импульсные блоки питания стали почти универсальными.

Разнообразный набор выходных напряжений также требует сильно различающихся требований к потребляемому току, которые сложно подать от одного и того же импульсного источника. Следовательно, большинство современных компьютерных источников питания на самом деле состоят из нескольких источников с переключением режимов, каждый из которых вырабатывает только одну составляющую напряжения и каждый может изменять свою выходную мощность в зависимости от требований к питанию компонентов, и все они связаны друг с другом, чтобы отключиться как группа в случае сбоя. состояние неисправности.

Источник сварочного тока

Основная статья: Сварочный источник питания

Дуговая сварка использует электричество для плавления поверхностей металлов с целью их соединения посредством слияния. Электричество обеспечивается источником питания для сварки и может быть переменным или постоянным током. Для дуговой сварки обычно требуются высокие токи, обычно от 100 до 350 ампер. Некоторые типы сварки могут использовать всего 10 ампер, в то время как в некоторых случаях точечной сварки используются токи до 60 000 ампер в течение очень короткого времени.Старые источники сварочного тока состояли из трансформаторов или двигателей, приводящих в действие генераторы. В более поздних поставках используются полупроводники и микропроцессоры, уменьшающие их размер и вес.

Адаптер переменного тока

Зарядное устройство для мобильного телефона с переключением режимов

Основная статья: Адаптер переменного тока

Источник питания, встроенный в вилку сетевого шнура переменного тока, известен как «блок вилки» или «сменный адаптер», или на жаргоне, например, «стенная бородавка». Они даже более разнообразны, чем их имена; часто либо с одной и той же вилкой постоянного тока с разным напряжением или полярностью, либо с другой вилкой с одинаковым напряжением.«Универсальные» адаптеры пытаются заменить отсутствующие или поврежденные, используя несколько вилок и переключателей для разных напряжений и полярностей. Сменные блоки питания должны соответствовать напряжению и обеспечивать по крайней мере такой же ток, что и исходный блок питания.

Самые дешевые блоки переменного тока состоят только из небольшого трансформатора, а адаптеры постоянного тока включают несколько дополнительных диодов. Независимо от того, подключена ли нагрузка к адаптеру питания, трансформатор имеет постоянное магнитное поле и обычно не может быть полностью выключен, если не отключен от сети.

Поскольку они потребляют энергию в режиме ожидания, их иногда называют «электрическими вампирами», и их можно подключить к удлинителю, чтобы выключить их. Дорогие импульсные источники питания могут отключать протекающие электролитные конденсаторы, использовать полевые МОП-транзисторы и снижать их рабочую частоту, чтобы время от времени получать глоток энергии для питания, например, часов, которым в противном случае потребовался бы аккумулятор.

Защита от перегрузки

Блоки питания

часто включают в себя какой-либо тип защиты от перегрузки, которая защищает блок питания от сбоев нагрузки (например,ж. короткое замыкание), которые в противном случае могут вызвать повреждение из-за перегрева компонентов или, в худшем случае, электрического пожара. Предохранители и автоматические выключатели - это два обычно используемых механизма защиты от перегрузки. [6]

Предохранитель

A содержит короткий кусок провода, который плавится при протекании слишком большого тока. Это эффективно отключает источник питания от нагрузки, и оборудование перестает работать до тех пор, пока не будет выявлена ​​проблема, вызвавшая перегрузку, и не будет заменен предохранитель. В некоторых источниках питания используется очень тонкая перемычка, припаянная к месту в качестве предохранителя.Конечный пользователь может заменить предохранители в блоках питания, но для доступа к предохранителям в потребительском оборудовании и их замены могут потребоваться инструменты.

Одним из преимуществ использования автоматического выключателя по сравнению с предохранителем является то, что его можно просто сбросить, вместо того, чтобы заменять перегоревший предохранитель. Автоматический выключатель содержит элемент, который нагревает, изгибает и запускает пружину, которая отключает цепь. Как только элемент остынет и проблема будет выявлена, выключатель можно будет сбросить и подать питание.

В некоторых БП используется термовыключатель, расположенный в трансформаторе, а не предохранитель.Преимущество состоит в том, что он позволяет потреблять больший ток в течение ограниченного времени, чем устройство может обеспечивать непрерывно. Некоторые такие вырезы являются самовосстанавливающимися, некоторые - одноразовыми.

Ограничение тока

Некоторые источники питания используют ограничение тока вместо отключения питания в случае перегрузки. Используется два типа ограничения тока: электронное ограничение и ограничение импеданса. Первый типичен для лабораторных блоков питания, второй - для источников питания мощностью менее 3 Вт.

Ограничитель тока с обратной связью снижает выходной ток до значения, намного меньшего, чем максимальный ток без повреждения.

Преобразование мощности

Термин «источник питания » иногда ограничивается теми устройствами, которые преобразуют какую-либо другую форму энергии в электричество (например, солнечная энергия, топливные элементы и генераторы). Более точным термином для устройств, преобразующих одну форму электроэнергии в другую (например, трансформаторов и линейных регуляторов), является преобразователь мощности. Наиболее распространенное преобразование - из переменного в постоянный.

Источники питания механические

Терминология

  • SCP ​​- Защита от короткого замыкания
  • OPP - Защита от перегрузки (перегрузки)
  • OCP - Максимальная токовая защита
  • OTP - Защита от перегрева
  • OVP - Защита от перенапряжения
  • УВП - Защита от пониженного напряжения
  • ИБП - Источник бесперебойного питания
  • PSU - Блок питания
  • SMPSU - Импульсный блок питания

См. Цитата из патента США № 4937722, Высокоэффективный импульсный источник питания с прямой связью : Источник питания также может включать ломовую цепь, защищающую его от повреждений путем зажима выхода на землю, если оно превышает определенное напряжение. Цитата из патента США № 5402059: Проблема может возникнуть, когда нагрузки на выходе импульсного источника питания отключаются от источника питания. Когда это происходит, выходной ток источника питания уменьшается (или исчезает, если все нагрузки отключаются). Если выходной ток становится достаточно малым, выходное напряжение источника питания может достигать пикового значения вторичного напряжения трансформатора источника питания. Это происходит из-за того, что при очень малом выходном токе на катушке индуктивности L-C фильтра нижних частот не падает большое напряжение (если оно вообще есть).Конденсатор в низкочастотном фильтре L-C заряжается до пикового напряжения вторичной обмотки трансформатора. Это пиковое напряжение обычно значительно выше, чем среднее напряжение вторичной обмотки трансформатора. Более высокое напряжение, которое возникает на конденсаторе и, следовательно, на выходе источника питания, может повредить компоненты в источнике питания. Более высокое напряжение также может повредить любые оставшиеся электрические нагрузки, подключенные к источнику питания. http: // www. Мальмштадт, Энке и Крауч, Электроника и приборы для ученых, The Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc., 1981, ISBN 0-8053-6917-1, глава 3.

Внешние ссылки

защита от короткого замыкания Википедия

Простой настольный блок питания общего назначения, используемый в электронных лабораториях, с выходным разъемом питания, видимым внизу слева, и входным разъемом питания (не показан), расположенным сзади

Источник питания - это электрическое устройство, которое подает электроэнергию на электрическую нагрузку.Основная функция источника питания - преобразование электрического тока от источника в правильное напряжение, ток и частоту для питания нагрузки. В результате источники питания иногда называют преобразователями электроэнергии. Некоторые источники питания представляют собой отдельные автономные части оборудования, а другие встроены в устройства нагрузки, которые они питают. Примеры последних включают источники питания, используемые в настольных компьютерах и устройствах бытовой электроники. Другие функции, которые могут выполнять источники питания, включают ограничение тока, потребляемого нагрузкой, до безопасных уровней, отключение тока в случае электрического сбоя, регулирование мощности для предотвращения попадания электронных шумов или скачков напряжения на входе в нагрузку, питание. коррекция коэффициента и сохранение энергии, чтобы она могла продолжать питать нагрузку в случае временного отключения источника питания (источника бесперебойного питания).

Все источники питания имеют вход питания , который получает энергию в виде электрического тока от источника, и одно или несколько выходов питания , которые подают ток на нагрузку. Источник питания может поступать от электросети, такой как электрическая розетка, устройства хранения энергии, такие как батареи или топливные элементы, генераторы или генераторы переменного тока, преобразователи солнечной энергии или другой источник питания. Вход и выход обычно представляют собой проводные соединения цепи, хотя некоторые источники питания используют беспроводную передачу энергии для питания своих нагрузок без проводных соединений.Некоторые источники питания также имеют другие типы входов и выходов для таких функций, как внешний мониторинг и управление.

Общая классификация []

Настраиваемый регулируемый источник питания постоянного тока для монтажа в стойку

Функциональный []

Блоки питания

классифицируются по-разному, в том числе по функциональным характеристикам. Например, регулируемый источник питания - это источник питания, который поддерживает постоянное выходное напряжение или ток, несмотря на изменения тока нагрузки или входного напряжения.И наоборот, выход нерегулируемого источника питания может значительно измениться при изменении его входного напряжения или тока нагрузки. Регулируемые источники питания позволяют программировать выходное напряжение или ток с помощью механических элементов управления (например, регуляторов на передней панели источника питания), либо с помощью входа управления, либо и того, и другого. Регулируемый регулируемый источник питания - это регулируемый и регулируемый источник питания . Изолированный источник питания имеет выходную мощность, которая электрически не зависит от входной мощности; это отличается от других источников питания, которые имеют общее соединение между входом и выходом питания.

Упаковка []

Электронный стендовый блок питания

Источники питания упаковываются по-разному и соответственно классифицируются. Стенд Блок питания - это автономный настольный блок, используемый в таких приложениях, как тестирование и разработка схем. Открытая рама Источники питания имеют только частичный механический корпус, иногда состоящий только из монтажного основания; они обычно встроены в машины или другое оборудование. Монтаж в стойку Источники питания предназначены для крепления в стандартные стойки для электронного оборудования.Интегрированный источник питания - это тот, который разделяет общую печатную плату со своей нагрузкой. Внешний источник питания , адаптер переменного тока или блок питания - это источник питания, расположенный в шнуре питания переменного тока нагрузки, который подключается к розетке; настенная бородавка - это внешний источник питания, интегрированный с самой розеткой. Они популярны в бытовой электронике из-за их безопасности; опасный основной ток 120 или 240 вольт преобразуется в более безопасное напряжение перед тем, как попасть в корпус прибора.

Метод преобразования мощности []

Блоки питания

можно условно разделить на линейных и переключающих типов . Линейные преобразователи мощности обрабатывают входную мощность напрямую, при этом все компоненты преобразования активной мощности работают в своих линейных рабочих областях. В импульсных преобразователях мощности входная мощность преобразуется в импульсы переменного или постоянного тока перед обработкой компонентами, которые работают преимущественно в нелинейных режимах (например, транзисторы, которые проводят большую часть своего времени в режиме отсечки или насыщения).Мощность «теряется» (преобразуется в тепло), когда компоненты работают в своих линейных областях, и, следовательно, переключающие преобразователи обычно более эффективны, чем линейные преобразователи, поскольку их компоненты проводят меньше времени в линейных рабочих областях.

Типы []

Источник питания постоянного тока []

Источник питания постоянного тока - это источник постоянного напряжения, который подает на нагрузку постоянное напряжение. В зависимости от конструкции источник питания постоянного тока может питаться от источника постоянного тока или от источника переменного тока, например, от электросети.

Источник переменного тока в постоянный []
Схема основного источника питания переменного тока в постоянный, показывающая (слева направо) трансформатор, двухполупериодный мостовой выпрямитель, конденсатор фильтра и нагрузку резистора Блоки питания

постоянного тока используют электричество переменного тока в качестве источника энергии. В таких источниках питания будет использоваться трансформатор для преобразования входного напряжения в более высокое или более низкое напряжение переменного тока. Выпрямитель используется для преобразования выходного напряжения трансформатора в переменное постоянное напряжение, которое, в свою очередь, пропускается через электронный фильтр для преобразования его в нерегулируемое постоянное напряжение.

Фильтр устраняет большую часть, но не все колебания переменного напряжения; оставшееся напряжение переменного тока известно как пульсации . Допустимое отклонение электрической нагрузки от пульсаций диктует минимальный объем фильтрации, который должен обеспечивать источник питания. В некоторых приложениях допускается высокая пульсация, поэтому фильтрация не требуется. Например, в некоторых приложениях для зарядки аккумуляторов можно реализовать источник постоянного тока с питанием от сети, состоящий только из трансформатора и одного выпрямительного диода, с резистором, включенным последовательно с выходом для ограничения зарядного тока.

Импульсный источник питания []

В импульсном источнике питания (SMPS) вход переменного тока напрямую выпрямляется, а затем фильтруется для получения постоянного напряжения. Результирующее постоянное напряжение затем включается и выключается с высокой частотой с помощью электронной коммутационной схемы, создавая, таким образом, переменный ток, который проходит через высокочастотный трансформатор или индуктор. Переключение происходит на очень высокой частоте (обычно 10 кГц - 1 МГц), что позволяет использовать трансформаторы и конденсаторы фильтра, которые намного меньше, легче и дешевле, чем те, которые используются в линейных источниках питания, работающих на частоте сети.После вторичной обмотки индуктивности или трансформатора высокочастотный переменный ток выпрямляется и фильтруется для получения выходного напряжения постоянного тока. Если в SMPS используется хорошо изолированный высокочастотный трансформатор, выход будет электрически изолирован от сети; эта функция часто важна для безопасности.

Импульсные источники питания обычно регулируются, и для поддержания постоянного выходного напряжения в источнике питания используется контроллер обратной связи, который контролирует ток, потребляемый нагрузкой. Рабочий цикл переключения увеличивается по мере увеличения требований к выходной мощности.

SMPS часто включают в себя функции безопасности, такие как ограничение тока или цепь лома, чтобы защитить устройство и пользователя от повреждений. [1] В случае обнаружения ненормального сильноточного потребления энергии импульсный источник питания может предположить, что это прямое короткое замыкание, и отключится до того, как будет нанесен ущерб. Блоки питания ПК часто подают на материнскую плату сигнал power good ; отсутствие этого сигнала препятствует работе при аномальных напряжениях питания.

Некоторые ИИП имеют абсолютное ограничение на минимальный выходной ток. [2] Они могут выводить мощность только выше определенного уровня и не могут работать ниже этого уровня. В условиях холостого хода частота схемы ограничения мощности увеличивается до большой скорости, в результате чего изолированный трансформатор действует как катушка Тесла, вызывая повреждение из-за возникающих в результате скачков мощности очень высокого напряжения. Импульсные источники питания со схемами защиты могут на короткое время включаться, но затем отключаться, когда нагрузка не обнаружена.К источнику питания можно подключить очень небольшую маломощную фиктивную нагрузку, такую ​​как керамический силовой резистор или 10-ваттная лампочка, чтобы он мог работать без присоединенной первичной нагрузки.

Импульсные источники питания, используемые в компьютерах, исторически имели низкий коэффициент мощности, а также являлись значительными источниками сетевых помех (из-за наведенных гармоник и переходных процессов в линии питания). В простых импульсных источниках питания входной каскад может искажать форму волны линейного напряжения, что может отрицательно влиять на другие нагрузки (и приводить к низкому качеству электроэнергии для других потребителей коммунальных услуг) и вызывать ненужный нагрев проводов и распределительного оборудования.Кроме того, клиенты несут более высокие счета за электроэнергию при работе с нагрузками с более низким коэффициентом мощности. Чтобы обойти эти проблемы, некоторые компьютерные импульсные источники питания выполняют коррекцию коэффициента мощности и могут использовать входные фильтры или дополнительные переключающие каскады для уменьшения линейных помех.

Емкостный (бестрансформаторный) источник питания []

Емкостной источник питания (бестрансформаторный источник питания) использует реактивное сопротивление конденсатора для снижения напряжения сети до меньшего переменного напряжения.Как правило, результирующее пониженное напряжение переменного тока затем выпрямляется, фильтруется и регулируется для получения постоянного выходного напряжения постоянного тока.

Выходное напряжение не изолировано от сети. Следовательно, чтобы не подвергать людей и оборудование воздействию опасного высокого напряжения, все, что подключено к источнику питания, должно быть надежно изолировано.

Конденсатор понижения напряжения должен выдерживать полное сетевое напряжение, а также должен иметь достаточную емкость, чтобы поддерживать максимальный ток нагрузки при номинальном выходном напряжении.Взятые вместе, эти ограничения ограничивают практическое использование этого типа источника питания в приложениях с низким энергопотреблением.

Линейный регулятор []

Функция линейного регулятора напряжения заключается в преобразовании переменного напряжения постоянного тока в постоянное, часто конкретное, более низкое напряжение постоянного тока. Кроме того, они часто обеспечивают функцию ограничения тока для защиты источника питания и нагрузки от перегрузки по току (чрезмерный, потенциально разрушительный ток).

Постоянное выходное напряжение требуется во многих источниках питания, но напряжение, обеспечиваемое многими источниками энергии, будет изменяться с изменениями импеданса нагрузки.Кроме того, когда источником энергии является нерегулируемый источник питания постоянного тока, его выходное напряжение также будет изменяться с изменением входного напряжения. Чтобы обойти это, в некоторых источниках питания используется линейный регулятор напряжения для поддержания постоянного значения выходного напряжения, независимо от колебаний входного напряжения и сопротивления нагрузки. Линейные регуляторы также могут уменьшить величину пульсаций и шума на выходном напряжении.

Источники питания переменного тока []

Блок питания переменного тока обычно получает напряжение от стенной розетки (электросети) и использует трансформатор для повышения или понижения напряжения до желаемого напряжения.Также может иметь место некоторая фильтрация. В некоторых случаях напряжение источника совпадает с выходным напряжением; это называется изолирующим трансформатором. Другие трансформаторы питания переменного тока не обеспечивают изоляцию от сети; они называются автотрансформаторами; автотрансформатор с регулируемым выходом известен как вариак. Другие типы источников питания переменного тока предназначены для обеспечения почти постоянного тока, а выходное напряжение может изменяться в зависимости от импеданса нагрузки. В случаях, когда источником питания является постоянный ток (например, автомобильный аккумулятор), для преобразования его в переменный ток можно использовать инвертор и повышающий трансформатор.Портативное питание переменного тока может быть обеспечено генератором переменного тока, приводимым в действие дизельным или бензиновым двигателем (например, на строительной площадке, в автомобиле или лодке, или резервным источником энергии для аварийных служб), ток которого передается в цепь регулятора для обеспечения постоянное напряжение на выходе. Некоторые виды преобразователей переменного тока не используют трансформатор. Если выходное напряжение и входное напряжение одинаковы, а основная цель устройства - фильтровать мощность переменного тока, его можно назвать стабилизатором линии.Если устройство предназначено для обеспечения резервного питания, его можно назвать источником бесперебойного питания.

Author:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *