Мощный импульсный блок питания на 1000 вт своими руками

Обновлено: 04.07.2024

Во многих радиолюбительских конструкциях используются импульсные блоки питания (БП). Они отличаются небольшими размерами при значительной мощности. Такое уменьшение стало возможным благодаря высокой частоте. На таких частотах можно получить на выходе большое напряжение при небольшом количестве витков. Например, чтобы получить напряжение 12 В при токе равном 1 А, требуется намотать всего пять витков. Кроме того, импульсные БП имеют высокий коэффициент полезного действия, так как потери на трансформаторе очень небольшие.

Эти блоки питания имеют и недостатки: они создают высокочастотные помехи и предъявляют высокие требования к нагрузке. Последняя не должна быть больше или меньше той, на которую рассчитан блок питания.

Можно ли сделать импульсный блок питания своими руками?

Иногда покупка готового импульсного блока питания является экономически нецелесообразной. В таком случае, если вы разбираетесь в электронике и умеете паять, можете сами сделать импульсный БП. Он пригодится для питания различного низковольтного электроинструмента, чтобы избежать расходования ограниченного ресурса дорогой аккумуляторной батареи. Можно также сделать зарядное устройство для смартфона, ноутбука или других мобильных гаджетов.

Прежде чем приступить к изготовлению источника питания, нужно знать, где он будет использоваться. В зависимости от области его применения определяется мощность изделия. Мощность должна выбираться с запасом. Считается, что импульсный блок питания имеет самый высокий КПД при нагрузке 60-90%.

Кроме того, требуется выбрать схему источника питания, а также определить, должно ли на выходе быть стабильное напряжение и нужно ли для этого вводить обратную связь. Обратите внимание на его номинальные параметры: напряжение, ток и мощность.

Как работает импульсный блок питания

На вход импульсного блока питания подается переменное напряжение от электрической сети. Оно преобразуется в постоянное с помощью выпрямителя и фильтра. В качестве фильтра используется конденсатор большой емкости. В качестве выпрямителя используется однополупериодная или двухполупериодная схема. Ниже приведены типовые схемы, но в нашем случае мы не берем во внимание то, что на них изображена обмотка трансформатора.

Затем выпрямленное напряжение приходит на высокочастотный преобразователь, который генерирует электрические колебания с частотой в диапазоне от 20 кГц до 50 кГц. После этого напряжение понижается трансформатором до требуемого и снова выпрямляется, сглаживаясь конденсатором.

Такое отфильтрованное и выпрямленное постоянное напряжение используется для питания бытовой техники. Кроме того, с выхода БП идёт цепь обратной связи для регулирования выходного напряжения.

Для управления и стабилизации напряжения на выходе источника питания используется широтно-импульсная модуляция. Как показано на схеме, высокочастотный преобразователь приводится в действие генератором ШИМ и таким образом регулирует напряжение, подаваемое на понижающий трансформатор. Обратная связь является отрицательной, то есть значения напряжения на ШИМ контроллере и на понижающем трансформаторе обратно пропорциональны друг другу. Так, при увеличении выходного напряжения растет также напряжение на контроллере. Благодаря отрицательной связи уменьшается напряжение на понижающем трансформаторе, а значит, и на выходе блока питания.

Схемы импульсных БП

В зависимости от конструкции сетевого выпрямителя выделяют три разновидности схем импульсного блока питания:

для однополупериодной схемы требуется минимальное количество деталей, она проста в реализации, но имеет один недостаток – высокую пульсацию на выходе;
конструкция со средней точкой отличается низким уровнем пульсаций. Основной недостаток в том, что необходимо организовывать среднюю точку во входном трансформаторе;
мостовая схема имеет низкие показатели пульсации и не требует наличия средней точки. Для реализации такой схемы потребуется четыре транзистора.

По конструкции высокочастотного преобразователя импульсные блоки питания делятся на две категории: однотактные и двухтактные. Двухтактные источники питания могут быть спроектированы по следующим схемам: с нулевой точкой (пушпульная), полумостовая и мостовая.

Кроме вышеперечисленных схем преобразователя, существует отдельная разновидность конструкций – это обратноходовые преобразователи. Их основными элементами являются накопительные дроссели. Работа в таких схемах происходит в два этапа. Первый заключается в накоплении энергии, полученной от источника питания, в дросселе. Во время второго этапа запасенная энергия передается во вторичную цепь. На первом шаге ключ замкнут, и напряжение источника питания прикладывается к дросселю (первичной обмотке трансформатора).

В результате ток в первичной цепи возрастает, а вместе с ним и магнитный поток. Ток во вторичной цепи отсутствует, так как диод препятствует его росту. На второй стадии ключ размыкается, и ток, проходящий через первичную обмотку, пропадает. Однако магнитный поток не может мгновенно исчезнуть, и во вторичной цепи индуцируется ЭДС, направленное в обратную сторону. Затем начинает протекать ток, который открывает диод. В результате энергия запасается на конденсаторе и поступает на нагрузку. На первом этапе на нагрузку подается энергия, запасенная конденсатором во время второго этапа. Рассматривая схемы, обратите внимание на точки около обмоток трансформатора — это точки начала обмоток, и для обратноходового преобразователя характерно именно такое подключение элементов.

Как собрать: пошаговая инструкция

Для тех, кто хочет собрать импульсный блок питания своими руками, приведем несколько схем сборки.

Самый простой вариант маломощного импульсного блока питания

Рассмотрим схему импульсного блока питания мощностью до 2 Вт. Выпрямитель и фильтр в нем собраны на резисторе R1 (от 25 до 50 Ом), диоде VD1 и конденсаторе С1 (20,0 мкФ, 400 В). В качестве высокочастотного преобразователя выступает автогенератор, собранный на транзисторе VT1, трансформаторе TR1, частотозадающей цепи резисторе R2 (470 кОм) и конденсаторе С2 (3300 пкФ, 1000 В). Напряжение, снимаемое с выходной обмотки трансформатора, выпрямляется диодом VD2 и сглаживается электролитическим конденсатором С3 (47 пФ, 50 В).

В качестве сердечника для трансформатора подойдет любой от нерабочего трансформатора, использовавшегося в зарядке мобильного телефона или в другом маломощном источнике питания. Намотка происходит в следующем порядке:

Внимание! Между половинками магнитного сердечника должен присутствовать небольшой немагнитный зазор. Обычно он уже есть на сердечниках, взятых с трансформаторов зарядных устройств смартфонов. Если его нет, положите слой бумаги между половинками сердечника.

Готовый трансформатор стягиваем изолентой или скотчем.

Однотактный, обратноходовый импульсный блок питания

Рассмотрим однотактный блок питания, сделанный по автогенераторной схеме с самовозбуждением. Напряжение на выходе – 16 В, мощность устройства – 15 Вт.

На входе устройства переменное напряжение электрической сети выпрямляется при помощи диодного моста, собранного на диодах D1-D4 (можно использовать любые диоды, рассчитанные на напряжение 400 В и ток 0,5 А, например, N4007). За сглаживание пульсаций отвечает конденсатор С1 (20 мкФ, 400 В). Для предотвращения броска тока при включении служит резистор R1 (25-50 Ом).

Начальное смещение на базе транзистора Т1 (можно использовать 13003 или 13005) устанавливается резистором R2 (470 кОм) и диодом D6 (N4007). Чтобы сгладить скачки напряжения, возникающие при закрытии Т1, в схему включены такие элементы, как: конденсатор С2 (3300 пФ 1000 В), диод D5 (N4007) и резистор R3 (30 кОм 1 Вт либо можно использовать два резистора по 15 кОм).

Импульсы положительной обратной связи, необходимые для поддержания режима автоколебаний, через резистор R4(150 Ом) и конденсатор С3(47 пФ, 50 В) подаются на базу Т1. Цепочка состоящая из Т2, R5 (1,5 кОм), Д9 (стабилитрон КС515), нужна для стабилизации напряжения.

Высокочастотный преобразователь собран по обратноходовой схеме. Когда Т1 открыт, энергия накапливается на трансформаторе, при этом диод D7 (КД213 использовать совместно с радиатором площадью 10 см2) находится в закрытом состоянии. После закрытия транзистора Т1 происходит отдача запасенной магнитной энергии, диод D7 открывается, во вторичной цепи появляется ток, конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Конденсаторы С4 (2200 пФ) и С5 (0,1 мкФ) нужны для уменьшения помех.

Стабилизация выходного напряжения происходит по схеме, описанной далее. При включении прибора в сеть запускается генератор. На вторичной обмотке появляется напряжение. Конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Когда напряжение на нем превысит 16,3 В открывается стабилитрон D9 (КС515). Транзистор Т2 (КТ603) открывается и закорачивает эмиттерный переход Т1. Транзистор Т1 закрывается, генератор перестает работать, и конденсатор С6 начинает разряжаться. Когда напряжение на С6 становится меньше 16,3 вольт, стабилитрон D9 закрывается и закрывает Т2. Благодаря этому Т1 открывается и работа генератора возобновляется.

Первичная обмотка w1 трансформатора намотана проводом 0,25 мм и имеет 179 витков. В базовой обмотке w2 присутствуют два витка, намотанных тем же проводом. Вторичная обмотка w2 состоит из 14 витков провода 0,6-0,7 мм.

Лампочки можно взять любые маломощные, рассчитанные на напряжение от 24 до 36 В и ток от 100 до 200 мА.

Мощный импульсный источник питания

Рассмотрим импульсный БП с выходной мощностью 300 Вт.

Генератором в данной конструкции является интегральная микросхема TL494. Управляющие сигналы с выхода этой ИС подаются поочередно на МОП (MOSFET) транзисторы VT1 и VT2 (IRFZ34). Импульсы с этих транзисторов через трансформатор, формирователь импульсов приходят на мощные транзисторы VT3 и VT4 (IRFP460). Преобразователь сделан на мощных транзисторах VT3 и VT4 по полумостовой схеме.

Все четыре обмотки трансформатора TR1 намотаны проводом 0,5 мм и содержат по 50 витков. В трансформаторе TR2 первая обмотка состоит из 110 витков провода диаметром 0,8 мм. Количество витков обмотки номер два зависит от желаемого напряжения на выходе, из расчета один виток на два вольта. Обмотка три наматывается 12 витками провода диаметром 0,8 мм.

Проверка конструкции

Перед первым включением БП нужно проверить. В первую очередь проверяется монтаж, например, могли остаться следы от пайки, несмытый флюс. Какой-либо компонент, установленный на плате, может оказаться неисправным.

Если с монтажом все в порядке, можно приступать ко второй стадии проверки с помощью лампочки. В качестве лампочки можно использовать любую лампу накаливания. Для этого подключаем изготовленный нами источник питания последовательно с лампочкой, как показано на рисунке ниже.

Если лампочка не светится, значит, в цепи БП есть обрыв. Нужно проверить дорожки платы, дроссель, диодный мост.

Лампочка постоянно горит. В блоке питания короткое замыкание. Причина может быть в пробое конденсаторов, транзисторов. Нужно также проверить дорожки печатной платы, выходные цепи трансформатора.

Если лампочка вспыхнула и погасла, значит, БП исправен, конденсаторы зарядились.

В некоторых случаях требуется зарядка конденсатора высоким напряжением. Также подобное устройство может потребоваться для проверки напряжения пробоя полупроводников. Для этого сделаем регулируемый блок питания на напряжение около одного киловольта.

Справедливости ради стоит заметить, что данный прибор может потребоваться для проверки транзисторов, диодов и т.п., заказанных на сайтах типа алиэкспресс. Соответственно, можно сделать вывод что еще остались наивные люди готовые потратить месяц на ожидание каких-нибудь IGBT или MOSET транзисторов купленных за 50 рублей, чтобы в очередной раз убедиться что они поддельные. Поскольку сам закупаюсь только у проверенных поставщиков подобный прибор мне требовался редко, например вообще никогда.

Помимо общей ущербности конструкции разберу особо прекрасные моменты:

DIP детали, из-за которых пришлось сверлить больше сотни отверстий;
абсолютно ненужный радиатор;
самый неудачный выбор ШИМ -контроллера, из-за чего пришлось городить псевдодрайвера для ключей;
ничем не оправданный выбор самих ключей: IRF3205;
бесполезные снабберы;
сногсшибательное количество диодов и конденсаторов на выходе с глупой обвязкой;

Для заявленной автором задачи совершенно не требуется ведро древних деталей и виртуозное владение дрелью. Источник не предполагает продолжительную работу под нагрузкой и делается во много раз проще, да и выбор топологии push-pull в данном случае неудачен т.к. здесь явно просится flyback. В итоге, кроме раздутого самомнения автора в данной конструкции ничего полезного нет.

Попробуем тот же пуш-пулл но немного иначе:

Условно схему можно разделить на три части: ШИМ -контроллер + ключи + первичная обмотка, обратная связь для контроля выходного напряжения и выпрямитель на со стороны вторичной обмотки.

Начнем с выпрямителя, просто берем 4 шт. HER208 и все. Спокойно работает до 1000 вольт (проверял до 1200). Обратная связь реализована на OPA2316, подойдет практически любой rail-to-rail сдвоенный операционный усилитель. Управляет он практически любым P-канальным транзистором, к примеру я взял первое что попало под руку: КТ818. В качестве ШИМ -контроллера идет IR2153 работающая на частоте около 50кГц, напрямую управляющая ключами IRLML6344 в sot23 корпусе.

Более того, если использовать данное изделие только для проверки полупроводников, операционный усилитель и обратную связь можно вообще выбросить. Оставляем только 2153 с обвязкой, ключи, трансформатор и выпрямитель, т.е. схема сокращается до минимума.

IR2153 запитываем от 12 вольт а на центральный отвод трансформатора через лабораторный блок питания постепенно повышая начинаем подавать напряжение от 0 вольт, контролируя выход с помощью вольтметра. При 4-5 вольтах на центральном выводе напряжение на выходе будет около одного киловольта.

Определение напряжения пробоя диода 1N5819 и TVS1.5KE440

Через резистор 10 мегаом подключаем к регулируемому источнику напряжения тестируемый полупроводник катодом к + анодом к – и начинаем повышать напряжение до тех пор, пока оно не перестанет расти. Условно это и будет напряжением пробоя. Более подробно лучше почитать в сети так как данная статья не ставит целью охватить методы тестирования а скорее рассматривает конструкции высоковольтных источников напряжения.

Почему flyback?

Элементарно проще. К примеру, если посмотреть на схему второй версии электропастуха, и взять только часть преобразователя, исключив управляемый генератор импульсов на вторичной стороне – можно увидеть насколько данная конструкция легче. Конечно, придется самому намотать трансформатор, но зато можно обойтись вообще без расчетов. Делаем первичную обмотку 4 витка, вторичную ~200 витков и получаем заветных 1-1.5кВ. Подробнее описано в той же статье про электропастух.

Можно поискать на алиэкспресс готовые модули, например вот этот:

Открыть можно по ссылке. Отличный пример как должно выглядеть подобное устройство. Топология flyback, минимум деталей, компактный размер. И сравните теперь с поделкой опубликованной на сайте паяльник. Небо и земля.

В цепи затворов транзисторов VT9, VT10 включены резисторы R20, R21, которые вместе с емкостями затворов образуют фильтр НЧ. Цепи R22, R23, C8, C9, VD5–VD8 также служат для уменьшения гармоник при работе преобразователя.

Элементы R6, C4 определяют частоту работы внутреннего генератора пилообразного напряжения микросхемы DA1 (при указанных на схеме частота 50000 герц). Подбором сопротивления резистора R6 и емкости конденсатора С4, возможно изменить частоту преобразователя напряжения.
Силовая часть схемы питается через сетевой фильтр С10, С11, L1, выпрямитель VD4 и конденсаторы С12, С13. Резистор R24 разряжает конденсатор фильтра в выключенном преобразователе. Микросхема DA1 и ключи на транзисторах VT3–VT8 питаются от стабилизированного источника питания на элементах Т2, VD3, C5–C7 и стабилизатора DA2.

Трансформатор Т1 преобразователя наматывают на 4-х сложенных вместе кольцах из феррита марки 2000НМ размерами К45х28х12. Моточные данные трансформатора смотрим ниже:

Обмотки I и II трансформатора отделяют от остальных обмоток двумя тремя слоями лакоткани.
Трансформатор Т2 используют готовый с переменным напряжением на вторичной обмотке около 16 вольт. Катушка L1 состоит из 2х20 витков, намотанных на ферритовом кольце из феррита 2000НМ размерами К31х18х7 в два провода диаметром 1 мм. Катушки L2, L3 наматывают на кусочках феррита диаметром 7…9 мм и длиной около 25 мм проводом диаметром 1,15 мм в один слой по всей длине феррита.
Конденсатор С12 набран из трех конденсаторов емкостью 220 мкФ х 400 вольт. Неэлектролитические конденсаторы любого типа, например К73-17.
VD3 – с выпрямленным током не менее 500 мА; VD4 – с выпрямленным током не менее 8 ампер и напряжением более 400 вольт.
Транзисторы BSS88 можно заменить другими подобными полевыми транзисторами с изолированным затвором и n-каналом (напряжение сток исток более 50 вольт, ток стока 0,15…0,5 ампер). Это могут быть транзисторы типов BSS123, BS108, 2SK1336 и т.п. Вместо мощных полевых транзисторов 2SK956 подойдут транзисторы типов 2SK787, IRFPE50.
Микросхема TL494CN заменима микросхемой КА7500В. Оптопару АОТ101БС можно заменить АОТ101АС, PS2501C2. В качестве микросхемы DA2 можно применить КР142ЕН8Е или 7815.
Транзисторы КТ502Е, КТ503Е заменимы КТ502Г, КТ503Г, а диоды КД510А – на КД503, КД522.
Схема достаточно сложна в изготовлении и налаживании, малоопытным радиолюбителям не просто будет попытаться довести дело до конца.

Схема ИБП для УМЗЧ

Нагрузку держит отлично, но замена некоторых деталей на более мощные позволит выжать из неё 400 Вт и более. Микросхема IR2153 - самотактируемый драйвер, который разрабатывался специально для работы в балластах энергосберегающих ламп. Она имеет очень малое потребление тока и может питаться через ограничительный резистор.

Сборка устройства

Начнем с травления платы (травление, зачистка, сверление). Архив с ПП скачайте тут.

Сначала прикупил некоторые отсутствующие детали (транзисторы, ирка, и мощные резисторы).

Кстати, сетевой фильтр полностью снял с БП от проигрывателя дисков:

Далее внимательно распаиваем детали на плате согласно схеме и ПП.

Теперь самое интересное в ИИП - трансформатор, хотя ничего сложного тут нету, просто надо понять, как его правильно мотать, и всего то. Для начала нужно знать, чего и сколько наматывать, для этого есть множество программ, однако самая распространённая и пользующаяся популярностью у радиолюбителей это – ExcellentIT. В ней мы и будем рассчитывать наш трансформатор.

Как видим, получилось у нас 49 витков первичная обмотка, и две обмотки по 6 витков (вторичная). Будем мотать!

Изготовление трансформатора

Так как у нас кольцо, скорее всего грани его будут под углом 90 градусов, и если провод мотать прямо на кольцо, возможно повреждение лаковой изоляции, и как следствие межвитковое КЗ и тому подобное. Дабы исключить этот момент, грани можно аккуратно спилить напильником, или же обмотать Х/Б изолентой. После этого можно мотать первичку.

После того как намотали, еще раз заматываем изолентой кольцо с первичной обмоткой.

Затем сверху мотаем вторичную обмотку, правда тут чуть сложней.

Как видно в программе, вторичная обмотка имеет 6+6 витков, и 6 жил. То есть, нам нужно намотать две обмотки по 6 витков 6 жилами провода 0,63 (можно выбрать, предварительно написав в поле с желаемым диаметром провода). Или еще проще, нужно намотать 1 обмотку, 6 витков 6 жилами, а потом еще раз такую же. Что бы сделать этот процесс проще, можно, и даже нужно мотать в две шины (шина-6 жил одной обмотки), так мы избегаем перекоса по напряжению (хотя он может быть, но маленький, и часто не критичный).

По желанию, вторичную обмотку можно изолировать, но не обязательно. Теперь после этого припаиваем трансформатор первичной обмоткой к плате, вторичную к выпрямителю, а выпрямитель у меня использован однополярный со средней точкой.

Расход меди конечно больше, но меньше потерей (соответственно меньше нагрева), и можно использовать всего одну диодную сборку с БП АТХ отслуживший свой срок, или просто нерабочий. Первое включение обязательно проводим с включённой в разрыв питания от сети лампочкой, в моем случае просто вытащил предохранитель, и в его гнездо отлично вставляется вилка от лампы.

Если лампа вспыхнула и погасла, это нормально, так как зарядился сетевой конденсатор, но у меня данного явления не было, либо из-за термистора, или из-за того, что я временно поставил конденсатор всего на 82 мкФ, а может все месте обеспечивает плавный пуск. В итоге если никаких неполадок нету, можно включать в сеть ИИП. У меня при нагрузке 5-10 А, ниже 12 В не просаживалось, то что нужно для питания авто усилителей!

Примечания и советы

Если мощность всего около 200 Вт, то резистор, задающий порог защиты R10, должен быть 0,33 Ом 5 Вт. Если он будет в обрыве, или сгорит, сгорят все транзисторы, а также микросхема.
Сетевой конденсатор выбирается из расчета: 1-1,5 мкФ на 1 Вт мощности блока.
В данной схеме частота преобразования примерно 63 кГц, и в ходе эксплуатации, наверное, лучше для кольца марки 2000НМ, частоту уменьшить до 40-50 кГц, так как предельная частота, на которой кольцо работает без нагрева – 70-75 кГц. Не стоит гнаться за большой частотой, для данной схемы, и кольца марки 2000НМ, будет оптимально 40-50 кГц. Слишком большая частота приведет к коммутационным потерям на транзисторах и значительных потерях на трансформаторе, что вызовет его значительный нагрев.
Если у вас на холостом ходу при правильной сборке греется трансформатор и ключи, попробуйте снизить емкость конденсатора снаббера С10 с 1 нФ до 100-220 пкФ. Ключи нужно изолировать от радиатора. Вместо R1 можно использовать термистор с БП АТХ.

Вот конечные фото проекта блока питания:

Всем удачи! Специально для Радиосхем - с вами был Alex Sky.

Форум по обсуждению материала МОЩНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ СЕТЕВОЙ ДВУХПОЛЯРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

Что такое OLED, MiniLED и MicroLED телевизоры - краткий обзор и сравнение технологий.

Микрофоны MEMS - новое качество в записи звука. Подробное описание технологии.

Переделываем игрушку обычный трактор в радиоуправляемый - фотографии процесса и получившийся результат.

Про использование технологии беспроводного питания различных устройств.

Читайте также: