1.1 Исторический аспект БП
Одним из первых изобретателей в области источников питания был А. Вольта в начале 19 века. В 1876 году изобретен трансформатор, патент на который получил П.Н. Яблочков. Конец 19 века известен открытиями Н. Теслы – генератор переменного тока, и К.Ф. Брауна – выпрямитель на кристалле (диод). Уже в начале 20 века открыта электронная лампа Д.А. Флемингом. Тем самым данные открытия послужили появлению нового направления в физике – электроники, основным объектом которой является создание устройств преобразование электромагнитной энергии для различных целей.
Для работы электронных приборов и устройств необходимы источники питания, которые подразделяются на первичные и вторичные.
К первичным относятся источники, непосредственно вырабатывающие электрическую энергию: аккумуляторы, батареи, солнечные батареи, генераторы постоянного и переменного тока.
Вторичные источники питания преобразуют энергию первичного источника в энергию питания конкретных электронных устройств, радиоэлектронной аппаратуры, измерительных приборов.
Питание широко используемых электронных устройств и бытовой радиоэлектронной аппаратуры осуществляется в основном вторичными источниками питания, преобразующими энергию переменного тока с номиналами напряжения 5, 9, 12, 15 и 27 В.
1.2 Классификация БП
Одно из устройств, которое всегда требует оптимизации и усовершенствования на базе постоянно развивающихся материалов и технологий – блок питания. На сегодняшний все устройства работают от постоянного тока, преобразуя переменный.
Первый вид БП – трансформаторные (рисунок 1). Он преобразует напряжение сети 110-220 В, частотой 50-60 Гц в напряжение постоянного тока. Как правило, состоят из трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра, где последний может быть заменен на стабилизатор напряжения.
Рисунок 1 - Трансформаторный блок питания
Трансформаторный БП состоит из понижающего трансформатора с первичной обмоткой под сетевое напряжение. И вторичной обмоткой из расчета необходимого напряжения и тока. Преобразование переменного напряжения в постоянное осуществляется с помощью выпрямителя. Затем пульсирующее напряжение сглаживается с помощью конденсаторов большой емкости. В схему трансформаторного блока могут входить фильтры от высокочастотных помех, защита от короткого замыкания, стабилизаторы тока и напряжения. Трансформаторные блоки питания просты в использовании и конструкции. Собираются по простым схемам.
?
Преимущества трансформаторного БП:
? высокая надежность;
? простота конструкции;
? доступность элементной базы;
? низкий уровень создаваемых помех.
Недостатки трансформаторного БП:
? большие габариты и вес;
? металлоемкость;
? низкий КПД;
? высокочастотный уровень помех.
Второй вид – импульсные, впервые появились в 1940-х годах. Для блоков питания в 1976 году была разработана интегральная схема и уже на сегодняшний день существуют самые различные по напряжению и току и мощности в целом блоки питания. Данный аспект подводит к тому, что разнообразие устройств и приборов настолько велико, что необходимо иметь сразу большое множество питающих устройств. Импульсные блоки питания основаны на принципе первоначального выпрямления входящего напряжения, с последующим преобразованием в импульсы повышенной частоты. В импульсных блоках с гальванической развязкой, питание сети подается на трансформатор. Если гальваническая развязка от питающей сети не нужна, то импульсы сразу подаются на низкочастотный выходной фильтр. Благодаря использованию отрицательной обратной связи, импульсные блоки питания выдают стабильные характеристики независимо от колебаний входящего напряжения и величины нагрузки. Импульсные БП имеют сравнительно небольшие габариты и вес. Они охватывают широкий диапазон входящего напряжения и частоты, отличаются высоким показателем коэффициента полезного действия.
Преимущества импульсных блоков питания:
? малый вес агрегата, благодаря меньшему размеру требуемого для работы трансформатора, и как следствие уменьшенной конструкции всего преобразователя. Конструкция оснащается фильтром выходного напряжения меньших размеров, так как, при сопоставимой мощности с аналогами импульсное устройство имеет большую частоту преобразования;
? агрегаты повышенной мощности имеют наивысший КПД, доходящий до 90-98%. Такие устройства имеют минимальные потери энергии благодаря минимальному количеству операций переключения ключа, так как он большую часть времени находится в одном положении, в то время как в агрегатах других типов на операции с ним расходуется значительная мощность;
? более высокая степень надежности стабилизаторов импульсного типа в сравнении с линейными аналогами, которые сейчас используются только в питании плат со слабыми токами, например, СВЧ печах и других агрегатах малой мощности, созданных для непрерывной эксплуатации в течение нескольких лет без техобслуживания;
? расширенный диапазон частоты и напряжения тока, который могут быть реализованы только в очень дорогих, недоступных обычному потребителю, блоках линейного типа. Это позволяет использовать переносной импульсный блок даже при путешествиях по всему миру, так как его характеристики можно регулировать в широком диапазоне, подстраивая их для работы от розеток в разных странах с разными частотами и напряжением в электросети;
? такие устройства в конструкции имеют несколько степеней защиты от аварийных ситуаций в сети: перебоев питания, короткого замыкания, отсутствия выходной нагрузки.
Недостатки импульсных блоков питания:
? работы по их ремонту отличаются сложностью, так как большинство их внутренних элементов функционируют в совместной сети без какой-либо гальванической развязки;
? сам импульсный принцип работы имеет оборотную сторону в виде высокочастотных помех, которые требуют подавления для использования блоков с большинством аппаратуры. А с некоторыми ее видами, обладающими повышенной чувствительностью к помехам они и вовсе не совместимы;
? входящий ток имеет ограничение на минимальную мощность, при которой блок начнет работать.
Предназначен данный лабораторный блок питания (ЛБП) для использования в домашней мастерской. Имеет следующие характеристики, представленные в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристики ЛБП
Характеристика Пределы изменения
Выходное напряжение 0-40 В
Максимальный ток нагрузки 1А
Коэффициент стабилизации 2500
Амплитуда пульсации выходного напряжения 0,15мВ
Однако, потребляемая мощность новых устройств со временем меняется в сторону увеличения и появляются импульсные лабораторные блоки питания с актуальными характеристиками, что показано в таблице 2 . Отмечается высокая стабильность, многоцелевое назначение: от зарядки аккумуляторов до питания электролизера.
Таблица 2. Характеристики импульсного ЛБП
Характеристика Пределы изменения
Выходное напряжение 0-30 В
Максимальный ток нагрузки 5 А
В последствии появились БП с управлением через микроконтроллер или компьютер, один из которых представлен ни рисунке 2.
Рисунок 2 - Управляемый блок питания
Далее появился нерегулируемый БП. Этот блок питания с фиксированным выходным напряжением – его менять нельзя. Так, например, многим известный и широко распространённый блок питания «Электроника» Д2-27 является нерегулируемым и имеет на выходе 12 вольт напряжения. Также нерегулируемыми блоками питания являются всевозможные зарядные устройства для сотовых телефонов, адаптеры модемов и роутеров. Все они, как правило, рассчитаны на какое-то одно выходное напряжение: 5, 9, 10 или 12 вольт.
Далее нужно определиться со схемой блока питания.
Схема должна быть простая, легка для повторения начинающими радиолюбителями. Тут лучше остановиться на схеме с обычным силовым трансформатором. Потому что найти подходящий трансформатор достаточно легко как на радиорынках, так и в старой бытовой электронике. Делать импульсный блок питания сложнее. Для импульсного блока питания необходимо изготавливать достаточно много моточных деталей, таких как высокочастотный трансформатор, дроссели фильтров и пр. Также импульсные блоки питания содержат больше радиоэлектронных компонентов, чем обычные блоки питания с силовым трансформатором.
Традиционным блоком питания является линейный блок. Его конструкция состоит из автотрансформатора и понижающего трансформатора. Также имеется выпрямитель, который преобразует переменное напряжение в постоянное. Преимущественное большинство моделей укомплектовано выпрямителем, состоящим из одного или четырёх диодов, составляющих так называемые диодный мост. При этом есть и другие конструкционные схемы, но они используются гораздо реже. В некоторых моделях после выпрямителя может быть инсталлирован специальный фильтр, который стабилизирует колебания в сети. Как правило, эту функцию выполняет высокоемкостной конденсатор. В некоторых моделях предусмотрены фильтры высокочастотных помех, стабилизаторы тока и напряжения и многое другое. Простейший линейный блок питания, возможно, сделать своими руками, при этом, основным и самым дорогим компонентом является понижающий трансформатор.
К преимуществам относится:
? простота устройства;
? надежность;
? отсутствие высокочастотных помех в отличие от импульсных аналогов.
К недостаткам можно отнести:
? большой вес и размер, увеличивающиеся пропорционально мощности устройства;
? триоды, идущие в конце схемы и стабилизирующие напряжение снижают КПД устройства. Чем стабильнее напряжение, тем большие его потери будут на выходе.
1.3 Характеристики БП
Таким образом, у современных БП выделают следующие характеристики:
1) выходная мощность – максимальная суммарная нагрузка, при которой БП может работать неограниченно долго;
2) максимальный ток нагрузки – допустимый ток нагрузки на каждой шине;
3) защита – защита по максимальной выходной мощности, защита от замыкания шин между собой, контроль выходного напряжения, защита от перегрева;
4) КПД – отношение отдаваемой на нагрузку мощности к активной мощности, потребляемой блоком от сети питания.
Технические характеристики ЛБП:
- входное напряжение: 230 В;
- выходной ток: 3 А максимальный;
- выходное напряжение: от 0 до 30 В (непрерывное регулируемое) ;
- пульсации выходного напряжения: менее 0.1%;
- намотка трансформатора с входным напряжением 220 и выходным 24 вольта.
?
2 Проектирование ЛБП
Схема (приложение А, рисунок А.1) простого, но надежного блока питания с плавной регулировкой состоит из двух частей:
- основная часть (сам блок питания);
- транзисторная схема регулятора выходного напряжения.
В основную часть входит:
- понижающий трансформатор мощностью до 30Вт. В нашем случае необходим трансформатор с первичной обмоткой, рассчитанной на переменный ток 220В и вторичной обмоткой с выходным напряжением 15В и током 2-3 ампера;
- выпрямитель, собранный на четырех диодах КД202 (или аналогичных) для преобразования постоянного напряжения из переменного с силой тока 2 Ампера;
- электролитический конденсатор емкостью не менее 1000 микрофарад, благодаря своей способности накапливать и отдавать напряжение он выполняет функцию сглаживающего фильтра. Чем выше номинал конденсатора, тем меньше пульсация.
В транзисторную схему входит:
- параметрический стабилизатор, состоящий из резистора и стабилитрона. На стабилитроне образуется постоянная величина с малым коэффициентом отклонения;
- переменный резистор, осуществляющий плавное изменение выходного напряжения;
- эмиттерный повторитель, состоящий из двух транзисторов работающих в режиме усиления тока.
Основой большинства преобразователей тока импульсного типа является блок-схема простейшего импульсного трансформатора, включающая в себя несколько блоков:
- блок, преобразующий ток сети переменного типа в постоянный на выходе. В его основе диодный мост, который исполняет роль выпрямителя переменного напряжения и конденсатор, нивелирующий пульсации напряжения подвергшегося выпрямлению. Он может быть оснащен вспомогательными приборами: фильтрами напряжения сети, сглаживающими пульсации генератора импульсов и термисторами для ослабления скачка напряжения при включении.
В схеме (Приложение А, рисунок А.2) просматриваются несколько основных узлов, выделены отдельным цветом :
- зеленый — узел регулировки и стабилизации напряжения;
- красный — узел регулировки и стабилизации тока;
- фиолетовый — узел индикации перехода в режим стабилизации тока;
- синий — источник опорного напряжения.
Отдельно есть:
1 входной диодный мост и фильтрующий конденсатор;
2 силовой регулирующий узел на транзисторах VT1 и VT2;
3 защита на транзисторе VT3, отключающая выход, пока питание операционных усилителей не будет нормальным;
4 стабилизатор питания вентилятора, построен на микросхеме 7824;
5 R16, R19, C6, C7, VD3, VD4, VD5, узел формирования отрицательного полюса питания операционных усилителей. Из-за наличия этого узла БП не будет работать просто от постоянного тока, необходим именно вход переменного тока с трансформатора;
6 С9 выходной конденсатор, VD9, выходной защитный диод.
Плюсы БП:
- наличие стабилизатора для питания вентилятора, но вентилятор нужен на 24 Вольта, при замене стабилизатора с 7824 на 7812, мы можем подключить вентилятор 12 вольт;
- БП содержит источник опорного напряжение 5.0 Вольта, который служит для питания микросхемы, это позволило не только корректно регулировать выходное напряжение и ток и дает возможность управлять блоком питания извне, просто изменяю напряжение управления;
- выходной конденсатор очень маленькой емкости, что позволяет безопасно проверять светодиоды, не будет броска тока, пока выходной конденсатор не разрядится и БП не войдет в режим стабилизации тока;
- выходной диод необходим для защиты БП от подачи на его выход напряжения обратной полярности.
Рассмотрим структурную схему ИБП (рисунок 3).
Рисунок 3 – Структурная схема импульсного БП
В ИБП входящее переменное напряжение сети сначала выпрямляется полупроводниковым диодами (1) (сборками, мостами), затем емкостной фильтр (2) сглаживает пульсирующее напряжение. Электронный ключ (3) является элементом генератора, вырабатывающего импульсы высокой частоты, которые поступают на импульсный трансформатор (4) , который служит одновременно гальванической развязкой.
Таким образом, в ИБП снова создаётся переменный ток. На выходе снова стоят выпрямитель (1) и фильтр (2). Для того, чтобы стабилизировать Uвых, в ИБП используется отрицательная обратная связь (5). Это позволяет удерживать Uвых на относительно постоянном уровне. Управление электронным ключом (3) происходит через ШИМ-регулятор (6). Благодаря такому способу управления Uвых не зависит от возможных колебаний входного (сетевого) напряжения, а также от величины нагрузки, а лишь ограничивается мощностью импульсного трансформатора.
Самодельный блок электропитания (БП) создаст удобства и сэкономит немалую сумму также в следующих случаях:
- для питания низковольтного электроинструмента, ради экономии ресурса дорогостоящей аккумуляторной батареи (АКБ);
- для электрификации помещений особо опасных по степени поражения электротоком: подвалов, гаражей, сараев и т.п. При питании их переменным током большая его величина в низковольтной проводке способна создать помехи бытовой технике и электронике;
- в дизайне и творчестве для точной, безопасной и безотходной резки нагретым нихромом пенопласта, поролона, легкоплавких пластиков;
- в светодизайне – использование специальных БП позволит продлить жизнь светодиодной ленты и получить стабильные световые эффекты. Питание подводных осветителей фонтана, пруда и пр. от бытовой электросети вообще недопустимо;
- для зарядки телефонов, смартфонов, планшетов, ноутбуков вдали от стабильных источников электропитания;
- для электроаппаратуры.
3 Сборка ИБП
Начинаем сборку с вытравливания платы. Поверхность печатных схем и радиодеталей очищаются от жира, остатков смазки и грязи. Все электронные детали имеют контакты для пайки, их называют выводами. Используя пассатижи, сгибаются выводы радиодеталей под отверстия печатной схемы. Предварительно на выводы радиодеталей наносится флюс. Далее радиодеталь (с соблюдением полярности) устанавливается в посадочное место. Начинаем сборку с самых маленьких элементов так как если сначала установить высокие, то низкие потом будет неудобно ставить. Также лучше начать с установки тех компонентов, которых больше одинаковых.
Начну я с резисторов, и это будут резисторы номиналом 10 КОм.
Резисторы не особо качественные и имеют точность 10%.
Несколько слов о резисторах. Резисторы имеют цветовую маркировку. На самом деле это лучше чем цифробуквенная маркировка, так как маркировку видно в любом положении резистора.
Не стоит пугаться цветовой маркировки, на начальном этапе можно пользоваться онлайн калькуляторами, а со временем будет получаться определять ее уже и без него.
Для понимания и удобной работы с такими компонентами надо лишь запомнить две вещи, которые начинающему радиолюбителю пригодятся в жизни.
4 Выбор радиокомпонентов для создания БП
4.1 Микросхема TL081
Микросхема TL081 выпускается в корпусах DIP-8 (PDIP-8) для обычного монтажа в отверстия и в корпусе SO-8 (SOIC-8) для поверхностного монтажа. Естественно, в корпусе SOIC-8 микросхема обладает меньшими размерами, а расстояние между выводами составляет около 1,27 мм. Поэтому изготовить печатную плату для микросхемы в корпусе SOIC-8 сложнее, особенно тем, кто только недавно начал осваивать технологию изготовления печатных плат. Следовательно, лучше взять микросхему TL081 в DIP-корпусе, которая больше по размерам, а расстояние между выводами у такого корпуса – 2,5 мм. Сделать печатную плату под корпус DIP-8 будет легче.
4.2 Диодный мост
Диодный мост для блока питания можно изготовить из 4 отдельных диодов 1N4001-1N4007 или их аналогов, в нашем случае это КД202. Также вместо диодов 1N4001-1N4007 можно применить диоды Шоттки. При этом экономичность блока питания повыситься, поскольку у них меньшее падение напряжения на p-n переходе, чем у обычных диодов.
Также в блок питания можно установить диодную сборку выпрямительного моста. Сборка занимает на печатной плате меньше места. Для установки в схему подойдут сборки на ток 1 ампер и выше.
Если быть более конкретным, то подойдут диодные мосты (сборки): DB101-107, RB151-157, D3SBA10, 2W10M, DB207, RS207 и другие аналогичные и более мощные. Можно с лёгкостью применить диодный мост из неисправного компьютерного блока питания. Они мощные и здоровые, рассчитаны на довольно большой ток.
