Как сделать своими руками импульсные блоки питания

ИБП

Описание

В продолжительной поездке на личном автомобиле или отдыхая «дикарем» на природе, неплохо иметь с собой домашние электрооборудование, например, фен, электрическую бритву, фото или видеокамеру. Но из-за отсутствия розеток невозможно обеспечить питание приборов от обычной сети.

Но не стоит отчаиваться, выход из такой ситуации есть – это использование небольшого импульсного преобразователя тока. Он поможет превратить «воду в вино», то есть 12 вольт напряжения аккумулятора, в ток, требуемый для работы всех приборов − 220 вольт.

Принцип работы

Принцип его работы заключается в конвертировании переменного напряжения из электросети, имеющее частоту 50 Гц в аналогичное прямоугольного типа. Затем оно подвергается трансформации для достижения определенных значений, выпрямляется и отфильтровывается. Такой транзистор повышенной мощности, исполняющий одновременно роль импульсного трансформатора и ключа, преобразует напряжение тока.

Также такие трансформаторы выпускаются разных размеров и мощностей в зависимости от специфики применения, но габариты в них не главное так, как эффективность таких устройств повышается по мере нарастания частоты, увеличение которой позволяет серьезно уменьшить размер и вес стального сердечника. Они, как правило, работают в частотном диапазоне от 18 до 50 кГц.

Область применения

Область применения импульсных преобразователей питания для бытового использования постоянно ширится. Они сегодня используются для обеспечения энергией всех приборов бытовой и вычислительной техники, а также в устройствах бесперебойного питания и зарядных устройствах для АКБ разного назначения, питания низковольтных осветительных систем и других нужд.

Часто приобретение такого устройства заводской сборки не очень оправдано, по соображениям экономии или с точки зрения специфики технических параметров требуемого агрегата. В этом случае собственноручное сооружение импульсного преобразователя может быть лучшим вариантом. Такой подход, как правило, более рационален благодаря широкому выбору недорогих комплектующих.

Преимущества и недостатки

Покупая ИБП, необходимо соотнести все его достоинства и недостатки с конкретными требованиями к эксплуатации в каждом частном случае и если он им удовлетворяет можно смело приобретать агрегат.

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.
• На порядок 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 или колонках и других агрегатах малой мощности, созданных для непрерывной эксплуатации в течение нескольких лет без техобслуживания.
• Кроме того их преимуществом является 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.
• В отличие от линейных устройств, благодаря универсальности импульсных преобразователей мощностью 12 V налажен массовый выпуск комплектующих для них, что положительным образом снизило их себестоимость и повысило доступность для рядового потребителя. Однако на более мощные их варианты эта особенность, конечно, не распространилась, они стоят дорого.
• Как правило, 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.

Схема

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. Наличие или отсутствие дополнительных компонентов влияет на себестоимость агрегата, и является статьей экономии при покупке бюджетного варианта агрегата.
• Блок генератора импульсов, создающий для питания первичной обмотки трансформатора импульсы заданной частоты. Различные модели работают с разной частотой, но границы ее колебания для всех устройств находятся в пределах от 30 до 200 кГц. Трансформатор является сердцем прибора, так как именно посредством него происходит гальваническая развязка с электросетью и преобразование тока для соответствия требуемым параметрам.
• Третий − блок трансформации переменного тока, поступающего с трансформатора в постоянный. В него входят диоды для выпрямления напряжения и фильтры пульсаций, которые значительно сложнее своего аналога из первого блока и включают в себя уже несколько конденсаторов и дроссель. В качестве статьи экономии, для уменьшения себестоимости преобразователи могут комплектоваться конденсаторами и дросселями минимально необходимой для работы, емкости и индуктивности соответственно.

Как сделать своими руками

Необходимые инструменты:

• паяльный аппарат;
• бокорезы;
• утконосы;
• пинцет;
• скальпель.

Пошаговое руководство

• Первым делом на входе устанавливается РТС термистор, выполняющий роль полупроводникового резистора с плюсовым коэффициентом по температуре. Он способен резко увеличить свое сопротивление при превышении определенного значения температуры, например, когда необходимо защитить силовые ключи, когда агрегат только начинает работать и конденсаторы еще заряжаются.
• Далее, монтируется диодный мост для выпрямления входящего напряжения сети током 10А. Можно использовать разные диодные сборки: «вертикалку» или «табуретку».
• Затем на входе паяется пара конденсаторов в соотношении 1 мкФ на 1 Вт мощности.
• Используются отечественные резисторы типа МЛТ-2 в качестве гасящего сопротивления в сети переменного тока мощностью 2 Вт.
• Для регулировки затворов полевых транзисторов, функционирующих под током 600В, монтируется драйвер IR Он попеременно открывает затворы полевых транзисторов с периодичностью, определяемой деталями на ножках Rt и Ct.
• Полевые транзисторы выбираются не меньше 200В, имеющие минимальное сопротивление в открытой фазе работы. Величина сопротивления прямо пропорциональна нагреву устройства и обратно пропорциональна его КПД.
• При их монтаже фланцы транзисторов нельзя закорачивать, поэтому применяются прокладки для изоляции.
• Трансформатор, проще взять обычный понижающий из старого блока ПК. Но можно и самостоятельно намотать на ферритовые торы из расчета на преобразующую частоту 100 кГц и ½ преобразованного напряжения.
• Трансформаторные выводы закорачивают аналогично плате, из которой он взят.
• На выходе устанавливаются диоды с небольшими таймингами восстановления − не более 100 нс, например, из группы HER.
• Буферную емкость на выходе не стоит преувеличивать более 10 тыс. мкФ.
• Как и любой электрический агрегат, самодельный импульсный блок питания при сборке предъявляет повышенные требования к внимательности и аккуратности в процессе сборки. Необходим верный монтаж полярных деталей и выполнение мер предосторожности в работе с электросетью. Верно, сконструированный блок не требует до настройки или подлаживания.

Регулируемый/однотактный/двухтактный/двухполярный блок своими руками

• Для сборки регулируемого блока питания необходимо в его схеме сборки использовать один или два транзистора полупроводникового типа. Однако для контроля напряжения понадобится установить датчик в виде вольтметра. Тогда ориентируясь на его показания, можно будет отрегулировать оптимальное напряжение на выходе для работы разных приборов, чтобы не пожечь их. Напряжение регулируется при помощи резистора переменного типа.
• В самом простом однотактном блоке ток преобразуется за счет работы одного транзистора, который открывается и закрывается, пропуская импульсы определенной частоты.
• Его усовершенствованной модификацией, работающей с удвоенной частотой и соответственно лучшим КПД, является двухтактный преобразователь, в котором друг за другом открываются и закрываются уже два транзистора.
• Двухполярная конструкция блока еще сложнее, так как необходим монтаж операционного усилителя и стабилитронов. Особое внимание в этом случае следует уделять качеству пайки и соответствию сечения проводов току.

Ремонт ИБП

Ремонт ИБП, как правило, заключается в замене, неисправных, погоревших деталей на новые. Но сложность даже не в самом монтаже новой детали, а именно в поиске неисправной. Для этого производят следующие операции:

• Внешний осмотр платы блока на предмет наличия вздувшихся конденсаторов, обуглившихся резисторов и других элементов с дефектами.
• Осмотр пайки трансформатора, ключевых транзисторов и микросхем, а также дросселей.
• Проверка цепи питания на предмет разрыва: позванивают сам кабель, предохраняющий переключатель, переключатель тока при его наличии, а также дроссели и выпрямительный мост.
• Первичная диагностика любой детали производится без демонтажа, и только когда есть вполне обоснованное предположение о том, что она неисправна, ее можно выпаивать и проверять отдельно.
• Также необходимо проверить цепь на предмет коротких замыканий.
• Проведя визуальную и приборную диагностику оборудования и поменяв нерабочие элементы, приступают к проверке под рабочим напряжением сети. Но в роли предохранителя используется обычная лампочка на 150-200 Ватт 220 вольт. Она не даст сгореть всему преобразователю при наличии неисправности и просигнализирует о характере дефекта. Так, если лампочка ярко вспыхнет и притухнет, излучая растр, то, скорее всего, неисправны конденсаторы. Проверить их на исправность можно только заменив на новые. Другим случаем является вариант, когда лампа вспыхнула и сразу же погасла совсем. Этот вариант предусматривает индивидуальную проверку всех резисторов цепи запуска. Наконец последний случай – светильник горит на полную яркость. В этом случае надо полностью перепроверить всю схему заново.

Советы/рекомендации

• При конструировании импульсного преобразователя тока своими руками следует помнить, что все работы по монтажу и испытанию агрегата проходят под напряжением опасным для жизни и здоровья. Поэтому настоятельно рекомендуется в помещении, в котором проводятся работы установить автоматические прерыватели тока, работающие в связке с прибором аварийного отключения тока. Такая система способна защитить человека от удара током даже в случае, когда он коснулся фазы.
• При работе с импульсными преобразователями тока, даже со стандартными блоками от ПК, необходимо всегда соблюдать технику безопасности. Например, конденсаторы электролитического типа входящие в их схему даже после отключения от сети долгое время держат токи высокого напряжения. Поэтому прежде чем приступить к каким-либо манипуляциям с ними их необходимо предварительно разрядить, замкнув их выводы.
• И наконец, при проведении любых работ связанных с электричеством, всегда следует пользоваться исправными, предназначенными для этого инструментами. Например, ручки всех отверток, бокорезов и других инструментов должны быть заизолированы.