Трансформатор блока питания почему – Отличия импульсного блока питания от обычного

Отличия импульсного блока питания от обычного

Отличия импульсного блока питания от обычного

Отличия импульсного блока питания от обычного между трансформаторным и импульсными, а также их достоинства и недостатки. Например трансформаторный блок питания, в составе которого имеется трансформатор выполняющий функцию понижения сетевого напряжения до заданного, такая конструкция называется понижающим трансформатором.

Блоки питания работающие в импульсном режиме являются импульсным преобразователем или инвертором. В импульсных источниках питания переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а затем происходит формирование импульсов необходимой частоты. У такого ИП в отличии от обыкновенного силового трансформатора при одинаковой мощности намного меньше потерь и незначительные габаритные размеры полученные в следствии высокочастотного преобразования. p>

Трансформаторные блоки питания

Самым распространенным блоком питания считается конструкция, в составе которого имеется понижающий трансформатор, его определенная обязанность — понижать входное напряжение. Его первичная обмотка намотана с учетом работы с сетевым напряжением. Кроме понижающего трансформатора в таком БП установлен еще выпрямитель собранный на диодах, как правило применяется две пары выпрямительных диодов (диодный мост) и конденсаторах фильтра. Такое устройство служит для преобразования однонаправленного пульсирующего переменного напряжение в постоянное. Не редко применяются и другие конструктивно выполненные устройства, например, выполняющий в выпрямителях функцию удвоения напряжения. Кроме сглаживающих пульсации фильтров, там же могут быть элементы фильтра помех высокой частоты и всплесков, схема защиты от короткого замыкания, полупроводниковые приборы для стабилизации напряжения и тока.

Схема простейшего трансформаторного БП c двухполупериодным выпрямителем

Достоинства трансформаторных блоков питания

● Простота в конструировании
● Высокая надежность
● Доступность составляющих компонентов
● Отсутствие паразитных радио-волновых помех (Отличия блоков питания от импульсных блоков питания, которые создают помехи в виде напряжений и токов синусоидальной формы, которые во много раз выше частоты электросети)
● Имеющиеся недостатки трансформаторных блоков питания
● Солидный вес и размеры, особенно высокомощные

● Для изготовления требуется много железа
● Компромиссное решение относительно уменьшения КПД и высокой стабильностью напряжения на выходе: для получения стабильного напряжения необходим стабилизатор, с применением которого появляются дополнительные потери.

Импульсные блоки питания

Отличия импульсного блока питания от обычного — импульсные источники питания это инверторное устройство и является составляющей частью аппаратов бесперебойного электрического питания. В импульсных блоках переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а потом формирует импульсы определенной частоты. Преобразованное выходное постоянное напряжение имеет импульсы прямоугольной формы высокой частоты поступающее на трансформатор или сразу на выходной фильтр нижних частот. В импульсных блоках питания часто используются небольшие по размерам трансформаторы — это вызвано тем, что при возрастании частоты увеличивается эффективность работы устройства, тем самым становятся меньше требования к размерам магнитопровода, необходимого для отдачи равнозначной мощности. В основном такой магнитопровод изготавливается из ферромагнитных материалов служащих проводниками магнитного потока.

Отличия источников питания в частности от сердечника трансформатора низкой частоты, для изготовления которых применяется электротехническая сталь.

Отличия импульсного блока питания от обычного — происходящая в импульсных источниках питания стабилизация напряжения возникает за счет цепи отрицательной обратной связи. ООС дает возможность обеспечивать выходное напряжение на достаточно устойчивом уровне не взирая на периодические скачки входящего напряжения и значение сопротивления нагрузки. Отрицательную обратную связь также можно создать иными способами. Относительно импульсных источников питания имеющих гальваническую развязку от электрической сети, наиболее применяемый в таких случаях способ — это образование связи с помощью выходной обмотки трансформатора либо воспользоваться оптроном. С учетом значения величины сигнала отрицательной обратной связи, которое зависит от напряжения на выходе, меняется скважность импульсных сигналов на выходном выводе ШИМ-контроллера. Если можно обойтись без гальванической развязки то, в таком случае, применяется обычный делитель напряжения собранный на постоянных резисторах. В конечном итоге, источник питания обеспечивает выходное напряжение стабильного характера.

Принципиальная схема простейшего однотактного импульсного БП

Достоинства импульсных блоков питания

● Если сравнивать относительно выходной мощности линейный стабилизатор и импульсный, то последний имеет некоторые достоинства:

● Относительно небольшой вес, получившийся в следствии того, что с увеличением частоты можно применять трансформаторы малых габаритов имея аналогичную выдаваемую выходную мощность.
● Большой вес линейного стабилизатора получается за счет использования массивных силовых трансформаторов, а также тяжелых теплоотводов силовых компонентов.
● Высокий КПД, который составляет около 98% полученный в следствии того, что штатные потери происходящие в импульсных стабилизирующих устройствах зависят от переходных процессов на стадии переключения ключа.
● Поскольку больший отрезок времени ключи находятся в стабильном либо включенном или выключенном состоянии, то соответственно и энергетические потери ничтожны;
● Относительно небольшая стоимость, образовавшаяся в следствии выпуска большого количества необходимых электронных элементов, в частности появление на рынке электронных товаров высокомощных транзисторных ключей. ● Помимо всего этого необходимо заметить существенно малую стоимость импульсных трансформаторов при аналогичной отдаваемой в нагрузку мощности.

● Имеющиеся в подавляющем большинстве блоках питания установленных схем защиты от всевозможных нештатных ситуаций, таких как защита от короткого замыкания или если не подключена нагрузка на выходе устройства.

usilitelstabo.ru

Как устроен блок питания, часть 4

Как я уже сказал, речь сегодня пойдет о силовом трансформаторе, а также об узле, именуемом Снаббер.
И если трансформатор наверное знает большинство, то снаббер в основном те, кто занимается блоками питания более плотно.
Весь узел на фото выделен красным, а снаббер я обвел зеленым.

Также его можно увидеть в народном блоке питания. На фото я вычеркнул диод, не имеющий отношения к снабберу.

И в моем самодельном блоке питания. Здесь его схема отличается и об этом я расскажу немного позже.

Схема типового обратноходового блока питания думаю знакома многим, подобные схемы часто встречаются в моих обзорах.

Выделим из нее ту часть, о которой я и буду рассказывать.
В нее входит снаббер, трансформатор, входной конденсатор и высоковольтный транзистор.

Отсечем ту часть, которая не имеет отношения к теме разговора, останется совсем мало деталей, думаю что так будет проще для понимания процессов.

Что же происходит в импульсном блоке питания во время работы.
Сначала открывается силовой ключ, через цепь выделенную красным, течет ток, энергия в это время запасается в магнитопроводе трансформатора.

После закрытия ключа полярность на обмотках трансформатора меняется на противоположную и ток начинает течь в нагрузку.

Но так как трансформатор и выходные цепи неидеальны, то на первичной обмотке возникает выброс напряжения, который начинает течь через снаббер.
Если вы посмотрите внимательно, то увидите, что начала обмоток помеченные точками, одинаково сориентированы по отношению к диодам D1 и D2, потому во время открытого состояния силового ключа эти цепи не работают.
Функция снаббера поглотить паразитный выброс, который возникает в первичной обмотке и тем самым защитить высоковольтный транзистор. У некоторых совсем дешевых блоках питания снаббера нет вообще, и это весьма вредно, так как снижает надежность.

В типовом блоке питания данный участок схемы выглядит так. Номиналы подбираются в зависимости от индуктивности обмотки трансформатора, частоты работы и мощности блока питания. Я не буду рассказывать о методике расчета, это довольно долго, но скажу лишь что здесь не работает принцип – чем больше, тем лучше, цепь должна быть оптимальная для определенных условий.

Некоторые наверное увидели диод в схеме снаббера и подумали – что-то знакомое.
Да, так и есть, ближайший аналог, это цепь защиты транзистора, который коммутирует питание обмотки реле. В данном случае он выполняет похожую функцию, не допускает выброса напряжения на транзисторе при выключении. Кстати если диод в этой схеме заменить стабилитроном, то работать должно лучше.

Так как вариант с диодом неприменим в варианте с трансформатором, то последовательно с ним ставят либо резистор с конденсатором, либо супрессор, как на этой схеме.

Еще одно новое слово – супрессор. Не пугайтесь, супрессор это по сути просто стабилитрон, но если у стабилитрона функция обеспечить стабильное напряжение, то у супрессора акцент сделан на импульсный ток и рассеиваемую мощность, стабильность напряжения в данном случае не так важна.
Выглядит он как обычный диод, при этом бывает двунаправленным, но тогда катод не маркируется. Наиолее распространенные супрессоры серий P6KE и 1.5KE. Первый имеет импульсную мощность 600 Ватт, второй 1500 Ватт. Существуют и более мощные, но нас они не интересуют.

Я немного переверну схему так, чтобы было более понятно как работает эта схема. В подобных схемах чаще применяют супрессоры на напряжение в 200 Вольт, например P6KE200A.
Благодаря этому напряжение на обмотке трансформатора не может быть больше чем 200 Вольт. Напряжение на входном конденсаторе около 310 Вольт.
Получается что на транзисторе напряжение около 510 Вольт. На самом деле напряжение будет немного выше, так как детали неидеальны, а кроме того в сети может быть и более высокое напряжение.

В даташитах к микросхемам серии ТОР часто была показана именно такая схема включения супрессора.
Такая схема имеет более жесткую характеристику ограничения, так как до 200 Вольт не ограничивает совсем, а потом старается обрезать все что выше 200 Вольт. Схема с конденсатором имеет немного другую характеристику ограничения, но на самом деле это не критично.

Для уменьшения мощности, рассеиваемой на супрессоре, параллельно ему можно подключить конденсатор.

Или вообще сделать гибрид из двух схем, где есть все элементы обоих вариантов, такое часто применяется в мощных обратноходовых блоках питания.

Иногда применяется альтернативный вариант защиты транзистора, супрессор включенный параллельно ему. Такой вариант применяется довольно редко, чаще в блоках питания имеющих низкое входное напряжение.

Например такое включение супрессора можно увидеть в РоЕ блоке питания, входное напряжение здесь не 310 Вольт постоянного тока, а всего до 70 Вольт.

Теперь можно перейти к трансформатору.
Трансформатор состоит из магнитопровода и каркаса, иногда конструкция дополняется специальным скобами, которые фиксируют магнитопровод на каркасе.

Чаще всего для них используются Ш-образные магнитопроводы. Если блок питания обратноходовый, каким является подавляющее большинство недорогих маломощных блоков питания, то между половинками магнитопровода должен быть зазор. Зазор делается либо между половинками, либо используется специальный магнитопровод, где центральный керн уже имеет зазор, а этом случае ширина зазора должна быть в два раза больше.

Обычно в качестве материала магнитопровода используется феррит, у фирменных магнитопроводов может быть нанесена маркировка и по даташиту можно узнать его характеристики, у более дешевых магнитопроводом чаще маркировки нет.

Вначале мотаются обмотки трансформатора, а затем на этот магнитопровод устанавливается каркас.

Процесс намотки мелких трансформаторов довольно прост.
Сначала мотаем первичную обмотку.

Затем вторичную, иногда в два и более проводов.

Если есть третья обмотка, чаще всего это обмотка питания ШИМ контроллера, то мотаем и ее.

В целях безопасности изолируем всю конструкцию.

После этого берем подобранный магнитопровод, в данном случае здесь у одной половинки средний керн укорочен.

Собираем всю конструкцию вместе. Магнитопровод чаще всего склеивается, но я обычно дополнительно фиксирую скотчем.

В итоге получаем небольшой аккуратный трансформатор. На фото трансформатор мощностью около 25-30 Ватт.

Этот трансформатор уже имеет мощность до 80-100 Ватт. Мотаются они подобным образом, но с некоторыми отличиями.

У трансформаторов рассчитанных на низкое выходное напряжение и большой ток выходная обмотка может мотаться либо литцендратом, либо шиной.

Величина выбора с первичной обмотке напрямую зависит от правильности намотки трансформатора и если для маломощных трансформаторов это не очень критично, то неправильная намотка мощного трансформатора может привести к печальным последствиям.
Обычно наматывают обмотки в три слоя (если используется три обмотки), первичная, вторичная и вспомогательная.
Но связь между обмотками можно сильно улучшить если вторичную обмотку разместить между двумя половинами первичной.

Кроме того рекомендуется мотать провод не внавал, а виток к витку, равномерно заполняя всю площадь каркаса. Обмотки рассчитанные на большой ток мотать лучше несколькими тонкими проводами, а не одним толстым.

Проблемы, которые могут возникнуть в этом узле:
1. Межвитковое КЗ в случае выхода из строя высоковольтного транзистора.
2. Перегрев трансформатора, последующее резкое уменьшение его индуктивности и выход из строя транзистора инвертора
3. Пробой диода снаббера, крайне редко.
4. Частичный пробой супрессора, например супрессор на 200 Вольт превращается в супрессор на 100 Вольт, ничего не выгорает, но БП не работает.

www.kirich.blog

Почему гудит трансформатор в блоке питания, усилителе, люстре

Природа характерного звука, издаваемого трансформатором при работе, объясняется в школьном курсе физики (явление именуется магнитострикцией). Но влияние этого физического процесса на устройства, работающие в бытовых приборах ничтожно мало, поэтому причины гудения в большинстве случаев указывают на нештатную работу. Попробуем разобраться, почему гудит трансформатор в люстре, блоке питания или в усилителе, и как устранить это явление. Начнем с азов.

Природа магнитострикции

Для объяснения этого явления кратко напомним о принципе работы электромагнитных приборов, преобразовывающих переменное напряжение, то есть трансформаторов. Его упрощенное изображение показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Устройство трансформатора

Представленное на рисунке устройство состоит из первичной обмотки «А», вторичной -«В» и проходящего через них сердечника — «С», выполненного из тонких наборных железных пластин или другого материала с ферримагнитными свойствами.

Прохождение переменного напряжения через обмотку «А», приводит к образованию переменного магнитного поля «D» в сердечнике, способствующего появлению электрического тока в катушке «В». При этом частота тока остается неизменной, а величина напряжения зависит от соотношения количества витков между катушками.

Теперь напомним, что представляет собой магнитострикция. Это физический эффект приводящий к изменению линейных размеров и объема тела, через которое проходит магнитный поток. Наибольшим изменениям подвергаются сильномагнитные материалы, именно из них, в большинстве случаев, изготавливают сердечники трансформаторов. На рисунке 2 показана периодичность растяжения-сжатия сердечника на протяжении одного цикла изменения магнитного потока.

Рисунок 2. Изменение линейных размеров сердечника на протяжении одного цикла

Под воздействием линейных колебаний в прилегающем воздухе создаются звуковые волны соответствующей частоты. То есть, если в течение одного цикла сердечник растягивается-сжимается дважды, то при стандартной частоте сети переменного тока 50 Гц будут формироваться звуковые волны частотой 100 Гц. Это и есть характерный гул, который производит трансформатор при работе.

Учитывая вышесказанное можно объяснить, почему импульсный трансформатор неслышно при работе. Частота производимых звуковых колебаний этого устройства находится за границей восприятия человеческого уха.

Уровень шума напрямую зависит от следующих факторов:

• габаритные размеры устройства;
• величина нагрузки;
• структура и физические характеристики материала сердечника.

Учитывая перечисленные факторы, можно констатировать, что для устройств, работающих в бытовых приборах, повышенный уровень шума, скорее, исключение, чем правило. Это указывает на нештатную работу трансформатора, следовательно, необходимо найти и устранить неисправность.

Сильно шумит силовой трансформатор, возможные причины

Если устройство свистит или гудит, хотя ранее работало нормально, то это может свидетельствовать о разошедшихся пластинах сердечника. В данном случае потребуется идеальный подгон железа, чтобы исключить зазоры, помимо этого обеспечить хорошую стяжку. Если трансформатор броневого типа, то сделать это можно при помощи обычного водопроводного хомута, затянув его по периметру сердечника, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Стягивание сердечника при помощи червячного хомута

Когда устройство не только шумит, а и значительно нагревается, то такие признаки характерны при большой нагрузке по току. Причина может крыться как в самом трансформаторе (межвитковое замыкание), так и в проблемах цепи, питающегося от него устройства (например, утечка в электролитических конденсаторах).

Необходимо сразу предупредить, что произвести диагностику на предмет межвиткового замыкания, используя только мультиметр, довольно затруднительно. Но, при поверхностном осмотре обнаружить дефект, вполне возможно. КЗ между витками вызывает местный нагрев. Следствием этого может быть почернение, подтеки, подпалины, вздутие заливки, характерный запах сгоревшей изоляции и т.д.

Характерные следы межвиткового замыкания

Если визуальный осмотр не дал результатов, а в наличии из измерительных приборов только мультиметр, то проверить работоспособность устройства можно двумя способами:

1. Измерить сопротивление первичной и вторичной обмотки, переведя прибор в режим мегомметра. После чего сравнить полученные значения с указанными в справочнике (если определен тип устройства). Расхождение в показателях более 50% свидетельствуют о межвитковом замыкании.

В тех случаях, когда установить штатное сопротивление обмотки не представляется возможным, вычислить его можно по сечению, типу провода и количеству витков. Как правило, эти параметры указаны на трансформаторе.

Также можно провести диагностику, имея в наличии аналогичное, заведомо рабочее устройство. В этом случае достаточно измерить сопротивление обмоток и сравнить их, расхождение не должно превышать 20%.

1. Понижающий трансформатор иногда тестируют, включением в сеть, после чего проверяют напряжение на кабеле (подключенным к вторичной обмотке). Если после включения слышится треск или появляется дым, устройство необходимо сразу обесточить, такие признаки характерны при неисправности первичной обмотки.

Проводя измерения, следует проявлять осторожность, чтобы избежать контакта с токоведущими частями. Показания прибора должны соответствовать ожидаемым. Если напряжение на вторичной обмотке меньше необходимого на 20%, то это свидетельствует о межвитковом замыкании.

Появление гула после перемотки

Если трансформатор перематывается в домашних условиях, то есть большая вероятность того, что при работе он будет издавать характерный шум. Это может быть связано со следующими причинами:

• неправильно собран или не подогнан магнитопровод. Наиболее часто такая проблема возникает после разборки-сборки Ш-образного сердечника. Как правильно собрать такой магнитопровод чтобы устранить проблему, расскажем чуть ниже;
• не закреплена катушка на сердечнике или неплотно намотаны обмотки. Исправить ситуацию можно плотно зафиксировав катушку, перемотав обмотку или пропитав ее парафином (парафиновая ванна). Последний вариант хорошо помогает в том случае, когда гудит тороидальный трансформатор;
• неверно произведен расчет обмоток. Как правило, в этом случае нагруженный трансформатор не только гудит, но и ощутимо нагревается. Для исправления проблемы потребуется проверка расчетов и перемотка с учетом исправленных ошибок.

Как правильно собрать Ш-образный сердечник, чтобы минимизировать шум трансформатора

Магнитопровод такого устройства состоит из двух типов пластин, они показаны на рисунке 5. Это Ш-образная пластина «А» и торцевая – «В».

Рисунок 5. Пластины Ш-образного сердечника

Чтобы снизить потери на вихревые токи каждая из пластин изолируется с одной стороны. Для этой цели их покрывают лаком или производят отжиг до появления окисла. Для уменьшения магнитного зазора и, как следствие, потери на магнитный поток рассеяния, после перемотки пластины следует устанавливать поочередно с каждой стороны. Как это делать продемонстрировано на рисунке 6.

Рисунок 6. Поочередная установка пластин

Собрав примерно половину сердечника, следует установить две Ш-пластины с одной стороны (без торцевых пластин) не задвигая их до конца. Далее продолжаем сборку, пока магнитопровод не будет набран на 2/3. В оставшейся части устанавливаем только Ш-пластины. В итоге останется около двух десятков торцевых вставок и несколько Ш-образных, которые уже не пролазят в каркас.

Оставшиеся вставки устанавливаем между двух выдвинутых на середине (см. рисунок 7) и осторожно забиваем их деревянной киянкой, стараясь не погнуть.

Рисунок 7. Установка в магнитопровод оставшихся пластин

На завершающем этапе сборки вставляем торцевые пластины.

www.asutpp.ru

как он есть (часть 1) (страница 2)

Максимальное напряжение питания

У приведенных микросхем наличествует один и тот же предел по напряжению питания, что удивительно однообразно – а значит, и типично. Их максимальное рабочее напряжение – 18 вольт. Если вспомнить о том, что микросхемы усилителей разрабатывались для работы в автомобиле, то цифра «18 В» становится понятной. В блоке питания самое большое напряжение получается при минимальном токе нагрузки, что для перечисленных микросхем находится в диапазоне 80-190 мА.

При выполнении расчетов можно учитывать этот ток, но он более чем «на порядок» меньше номинального/максимального токов нагрузки, а потому про него можно забыть. В качестве выпрямительного узла будет применен мостовой выпрямитель, ведь требуется получить однополярный выход, поэтому «полумостовой» вариант рассмотрим несколько позже.

Итак, начинаем считать с конца цепочки – выходное напряжение не более 18 вольт, это четко определено в спецификации микросхем и нарушение чревато неприятными последствиями. Выпрямительный узел собран на «мосте», что означает удвоенное падение напряжения, по сравнению с одним диодом, они работают «парами». На обычном кремниевом диоде при небольшом токе падает порядка 0.6 вольта. Значит, до выпрямительного узла напряжение может быть на 0.6*2=1.2 вольта больше, или 18+1.2=19.2 В. Логика рассуждений понятна? В данном случае четко определено максимальное напряжение на выходе, ограниченное по микросхеме усилителя. Выходное напряжение получается после:

• Выпрямительного узла.
• Трансформатора.

Я умышленно пошел с «выхода» на «вход». Так вот, на каждой «ступени» теряется напряжение. Выпрямительный узел – падение на диодах, трансформатор – сопротивление обмоток. Это значит, что по пути от «выхода» к «входу» напряжение должно быть больше, на величину потерь в каждом узле.

Выходное напряжение трансформатора

Технические данные трансформатора нормируются для режима нормальной работы, следовательно, указание «12 вольт» соответствует выходному напряжению с током нагрузки номинальной величины. А что происходит без нагрузки? У обмоток трансформатора вполне конечное сопротивление и при подключении нагрузки на них начинает теряться мощность, что снижает выходное напряжение. Вполне понятно как влияет сопротивление вторичной обмотки – его легко измерить и на ней падает напряжение, пропорциональное току нагрузки. А первичная обмотка, разве ее сопротивление ничего не значит?

Увы, через обмотку течет ток и её внутреннее сопротивление снижает входное напряжение. При вычислениях проще всего перевести сопротивление первичной обмотки к выходной, пересчитав сопротивление обратно пропорционально квадрату коэффициента трансформации. Для данного примера входное напряжение трансформатора 220 вольт, выходное (без нагрузки) 13.8, что задает коэффициент трансформации 220/13.8=16. Сопротивление первичной обмотки 144 Ом, для перевода на вторичную обмотку это число надо поделить на квадрат коэффициента трансформации, или 144/(16*16)=0.56 Ом. Много или мало? Сопротивление вторичной обмотки 0.7 Ома, что немного выше «приведенного» сопротивления первичной обмотки (0.56 Ом), что правильно – чаще всего вторичная обмотка наматывается поверх первичной, увеличивая длину витка и приводя к небольшому возрастанию внутреннего сопротивления.

Итак, выходное напряжение трансформатора без нагрузки определяется из отношения числа витков первичной обмотки к вторичной. При подключении нагрузки напряжение уменьшается из-за эквивалентного сопротивления выходной обмотки (равное сумме сопротивлению вторичной и пересчитанного сопротивления первичной обмоток).

Максимальное выходное напряжение (без нагрузки) получается на пиках переменного напряжения, которое в «корень из двух» раз больше действующего напряжения, получаемого со вторичной обмотки. Поскольку расчеты ведутся «с конца», выполним обратный расчет – из максимального выпрямленного напряжения вычыслим действующее напряжение. Ранее была получена цифра 19.2 вольта, что должно получаться в пике переменного напряжения.

«Действующее» будет в «корень из двух» меньше, или: 19.2/1.41=13.6 В. Мой трансформатор на холостом ходу выдает напряжение 13.8 вольта, что на 0.2 вольта больше допустимой величины (13.6 В)! Если бы это была разработка для серийной продукции, то исправление нарушения спецификации потребовало бы либо изменить схемное решение, либо вводить демпфирующие элементы – в серьезных устройствах никакие «авось» не допустимы, даже столь незначительные. Но в домашнем применении 0.2 вольта погоды не сделают.

Впрочем, не стоит «забывать» о небольшом «фоновом» потреблении микросхемы усилителя. Для приведенного списка ток потребления в состоянии покоя находится в интервале 0.08-0.19 ампера. Эквивалентное выходное сопротивление трансформатора 0.7+0.56=1.26 Ом. При токе 0.08-0.19 А это снизит напряжение на 1.26*(0.08…0.19)=0.1…0.24 вольта, что практически нивелирует завышенное на 0.2 вольта напряжение с трансформатора. Итак, последний признан условно годным для работы совместно с перечисленным списком микросхем-усилителей при предельном рабочем напряжении питания 18 вольт. Коль скоро трансформатор не отвергнут, можно выполнить «прямые» расчеты и оценить, какую максимальную мощность с него можно получить.

Рассмотрим два случая работы устройства:

• Блок питания не нагружен. Напряжение на выходе меньше пиковой величины переменного напряжения на величину падения двух диодов выпрямительного моста. А именно, 13.8*1.41 – 0.6*2 = 19.46 – 1.2 = 18.3 В. Микросхема потребляет небольшой ток в состоянии покоя, поэтому превышение на 0.3 вольта игнорируем.
• Нагрузка подключена. Выходное напряжение с трансформатора уменьшается из-за падения на эквивалентном сопротивлении вторичной обмотки от тока нагрузки. Главное здесь пик-фактор – посмотрите вторую картинку статьи, форма тока вторичной обмотки трансформатора очень «острая», по величине в три-четыре раза больше тока нагрузки БП. Если особо точные расчеты не требуются, можно облегчить себе жизнь и считать по упрощенной методике – брать пиковое напряжение на выходе трансформатора и вычитать из него падение на сопротивлении потерь, умноженное на ток нагрузки и пик-фактор.

Сложно? Вовсе нет, на примере станет понятнее.

Выходное напряжение трансформатора 13.8*1.41=19.45 В, эквивалентное сопротивление обмоток 0.7+0.56=1.26 Ом, пик-фактор 3.5, ток нагрузки… А действительно, какой ток нагрузки?

Возьмем самую простую микросхему из ранее приведенного списка, одноканальный мостовой усилитель TDA2005. Для него определен ток потребления 3.5 ампера. Если усилитель ограничен в инфразвуковой части диапазона, то можно вышеприведенную цифру считать пиковым значением, действующее значение в «корень из двух» раз меньше, или 3.5/1.41=2.48 А. Итак, ток нагрузки определен, можно продолжить вычисления.

Потери напряжения на внутренних сопротивлениях обмоток трансформатора составит 1.26 Ом * 3.5 * 2.48 А = 11 вольт. Из 19 вольт потерять 11 – это просто неприемлемо! Подобный трансформатор не способен обеспечить полную мощность даже для самой «слабой» микросхемы усилителя, что уж говорить о прочих вариантах. С другой стороны, музыкальные композиции отнюдь не то же самое, что генератор низкой частоты, в них громкие звуки встречаются относительно редко и непродолжительное время.

Поэтому заведомую негодность приведенного трансформатора можно скомпенсировать увеличенной емкостью сглаживающих конденсаторов. Довольно сложно выбрать типичный пример музыкального фрагмента, очень уж разные направления и течения в музыке, ну пусть будет «роковый бит» (сэмпл взят со страницы wiki):

В одной клетке 5 мс. Из этой картинки следует, что нагрузка на блок питания в среднем небольшая и только в течение небольшого интервала времени следует «всплеск» мощности. На фрагменте повышенное потребление продолжается семь клеток или 7*5=35 мс. Если установить сглаживающие конденсаторы такой емкости, чтобы они смогли удержать напряжение питания в допустимых рамках, то и из этого трансформатора может что-то получиться. Если «забыть» о локальном всплеске, то средняя величина потребления тока снижается в три и более раз.

Этот вывод совпадает с обычными рекомендациями – пик-фактор для музыки лежит в интервале 10-20 дб (3-10 раз). Коль скоро цифры совпадают, можно их и придерживаться. Значит, средний ток потребления усилителя будет в три раза меньше приведенной в документации на усилитель (3.5 ампера). Почему три, а не десять? Устройство собирается для себя, «кукурузный» усилитель делать не стоит, даже в качестве примера.

Возвращаемся к расчетам, использованный ранее «средний ток 2.48 А» зачеркиваем и подставляем вместо него 2.48/3=0.83 А. Падение на обмотках трансформатора составит 1.26 Ом * 3.5 * 0.83 А = 3.7 вольт, приемлемо.

Выпрямительный мост

Следующий этап – вычислить падение напряжения на выпрямительных диодах, при этом важно не забывать, что диоды работают «парами» и потери удваиваются. Но я несколько забежал вперед, вначале надо выбрать сами диоды или «диодный мост» как готовый элемент. И здесь краеугольный вопрос – можно ли использовать диоды Шоттки? Трудность в том, что этот класс обладает лучшими техническими характеристиками, но их не собирают в сборки типа «диодный мост».

Построение выпрямительного узла в виде «моста» означает, что максимальное напряжение на диодах немногим больше выходного напряжения, и в рассматриваемом случае диоды Шоттки использовать можно. Возьмем что-нибудь дешевое и доступное, например 1N5818 (1 А, 30 В). Его вольт-амперная характеристика выглядит следующим образом:

Кстати, обратите внимание – по мере повышения предельного рабочего напряжения (1N5817 = 20 В, 1N5818 = 30 В, 1N5819 = 40 В) возрастает падение на диоде, поэтому запас карман «тянет», установка диодов Шоттки с излишним запасом рабочего напряжения ухудшает характеристики БП.

Для данного случая, 1N5818, при токе 1-3 ампера падение напряжения составит 0.5-0.6 вольта, вполне приемлемо, особенно с учетом того, что диоды в мосте работают попеременно и средняя величина рассеиваемой мощности на диоде в два раза ниже. А максимальный долговременный ток трансформатора (а значит и диодного моста) – 0.83 А, что определяет рассеиваемую мощность на каждом диоде 0.83*0.5/2=0.2 Вт. Мощность не большая, установки на радиатор не требуется.

Полученные цифры можно подставить в расчет, для чего соберем все найденные цифры вместе:

• Напряжение холостого хода, пиковое значение 13.8*1.41=19.6 В.
• Падение на внутреннем сопротивлении обмоток (0.7+0.56)*3.5*0.83=3.7 В.
• Потери в диодном мосте 0.6 В * 2 шт.=1.2 В.

Из первой цифры вычитаем вторую и третью, получается 19.6-3.7-1.2=14.7 В, – пиковое напряжение на выходе выпрямительного моста. Однако сейчас самое время вспомнить, что напряжение на выходе трансформатора синусоидальной формы, что означает непостоянную амплитуду на выходе выпрямителя и обязательное использование конденсатора довольно большей емкости.

Сглаживающий конденсатор

Требования к конденсатору достаточно просты – он должен разрядиться не более «V» за время «T» при токе нагрузке «I». Время можно вычислить по картинке, приведенной в начале статьи – конденсатор сохраняет напряжение на выходе всё время, пока диоды не проводят, а это примерно 70 процентов полупериода (для частоты сети 50 Гц это 10 мс * 0.7 = 7 мс). Ток нагрузки зависит… от тока нагрузки :). Напряжение «V» – на сколько можно позволить уменьшиться напряжению питания.

Можно было бы подставить эти цифры и получить довольно низкую емкость конденсатора, но вот беда – рассматриваемый трансформатор слишком «хлипкий» и не может обеспечить достаточный ток на пиках нагрузки, придется его проблемы решать за счет увеличения емкости конденсаторов. Ранее оговаривалось время пиковой нагрузки в 35 мс при токе нагрузке 2.48 А. Сравните это с 7 мс и 0.83 А для «обычного» режима.

Емкость конденсатора считается по обычной формуле: C=I*T/V.

Ой, опять поторопился. Вначале надо решить, на сколько можно позволить уменьшиться напряжению при разряде конденсатора. Номинальное напряжение питания 12 вольт, «пиковое» выпрямленное уже 14.7 В. Не хотелось бы опускаться ниже 11 В, ну пусть будет 3 вольта.

Подставляем полученные значения, С=2.48*0.035/3= 29000 мкФ. Такой конденсатор потребовался бы в том случае, если бы блок питания вообще отключился на всё время, но трансформатор продолжает работать и частично подзаряжать конденсатор, поэтому полученную цифру стоит поделить на два.

С емкостью конденсатора определились, 12000-15000 мкФ, рабочее напряжение не меньше 25 вольт, можно перейти к выбору конкретной модели. Возьмем доступные модели фирмы Jamicon серии LP на напряжение 25 В. Например, устроили бы два варианта:

• 12000 мкФ – диаметр 22 (35) мм, высота 50 (30) мм.
• 15000 мкФ – диаметр 25 (35) мм, высота 45 (30) мм.

Оба варианта проходят по току, «Max ripple current» 3.74-3.89 ампер, в зависимости от исполнения. Габариты конденсатора приемлемы, остается уточнить расчеты на симуляторе – удастся ли вписаться с таким решением в требуемые характеристики блока питания. Моделирование в PSPICE представляет следующий переходной процесс для импульсной нагрузки (конденсатор 12000 мкФ):

Сносно, но сойдет, усилитель работать будет.

Блок питания рассчитан, но есть еще один момент, который я опустил в виду «домашнего» исполнения. Дело в том, что напряжение сети только считается 220 вольт, а на деле может быть в диапазоне +10/-15% от номинального значения. Это означает, что вполне вероятна ситуация, когда блок питания подключат к сети 242 вольта, что вызовет увеличение выходного напряжения в режиме простоя с относительно безопасных 18 В до 20 В, что повлечет за собой… думаю, объяснений не нужно.

Обратный случай, снижение на 15 процентов не вызовет деструктивных последствий, микросхема усилителя не разрушится, просто уменьшится максимальная мощность. Обычно цифра «-15%» рассматривается как «-10%» на общий уход среднего напряжения и «-5%» на непродолжительные изменения, поэтому снижение напряжения сети не так заметно для усилителя. Если же брать другую аппаратуру, то там эффект противоположный – даже непродолжительное снижение напряжения может нарушить нормальное функционирование устройства.

Выпрямительный мост или полумост?

Остался еще один вопрос, который стоит обсудить один раз и больше никогда не возвращаться – что лучше для трансформаторного блока питания, мост или полумост?

С точки зрения потерь на диодах «полумост» лучше – в выпрямительной цепи используется только один диод, в «мосте» их пара, а значит меньше падение напряжения. Но, экономия на диодах приводит к удвоению количества обмоток. Попробуем оценить эффективность этих вариантов для рассматриваемого блока питания, скажем, при токе нагрузки 1 ампер. В данном случае интересуют только потери на сопротивлении обмоток трансформатора и диодах выпрямительного узла. Емкость и другие параметры конденсатора от исполнения схемы выпрямления не зависят, а потому про него пока можно «забыть».

Вначале «мост» – потери на трансформаторе считаются как сопротивление выходной обмотки плюс приведенное сопротивление первичной обмотки, умноженные на 3.5 и ток 1 А. Это составит величину (0.7 + 0.56) * 3.5 * 1 = 4.41 В.

Потери на диодах 0.6 * 2 = 1.2 В.

Теперь «полумост» – первичная обмотка пересчитывается так же, а вот с вторичной небольшая заминка. Коль скоро их количество удвоилось, то во столько же раз уменьшилось место на трансформаторе под каждую из них. Как следствие, сопротивление одной обмотки возрастет в два раза. Итак, цифры: (1.4 + 0.56) * 3.5 * 1 = 6.86 В.

Падение на диоде… стоп-стоп! В данном схемном решении напряжение на диодах возрастает в два раза, а потому диод Шоттки 1N5818 (30 В) принципиально нельзя применять, только 1N5819 (40 В). Хотя, и 40 вольт мало – из-за дребезга и звона, свойственного построению с двумя обмотками, напряжение на диодах несколько больше, чем просто «выходное напряжение», умноженное на два. Здесь хорошо бы подумать о диодах на 45-60 вольт. Впрочем, ограничимся 1N5819. Переход на другой диод, с большим рабочим напряжением, повысил падение в прямом направлении с 0.5-0.6 до 0.6-0.8 вольта.

Результаты расчета соберем в таблицу, так нагляднее:

Тип выпрямительного узла	Падение на трансформаторе, В	Падение на диодах, В	Сумма потерь, В
Мост	4.41	1.2	5.61
Полумост	6.86	0.8	7.66

Цифры вы видите, вопрос о выборе типа выпрямительного узла можно закрыть окончательно.

Предыдущий материал показал, что в трансформаторном блоке питания выходное напряжение не особо стабильно, да еще присутствуют пульсации частотой 100 Гц (удвоенная частота сети). Можно с этим мириться, но чаще всего аппаратура представляет довольно жесткие рамки по диапазону изменения напряжения и «банальным» увеличением емкости конденсатора не обойтись, придется устанавливать стабилизатор напряжения.

Существует множество реализаций такого элемента – полностью на транзисторах, с участием операционных усилителей или интегральные микросхемы, с или без каких-либо «внешних» силовых элементов. Довольно скучно изучать работу устройства, если оно выглядит как «черный ящик» с входом, выходом, лучше взять какой-нибудь пример. Ограничимся несложной схемой на двух транзисторах, например, такой:

Входное напряжение подается на цепь «Vin», стабилизированное напряжение получается на выводе «Vout». Данная схема хоть и выглядит просто, но обладает неплохими техническими характеристиками и даже получила цепь защиты от перегрузки по току. Можно небольшую загадку? Попробуйте самостоятельно определить в данной схеме цепь и принцип работы схемы защиты. Пока вы размышляете, я попробую обсудить вопрос рациональности применения стабилизаторов напряжения в усилителях низкой частоты, оставив вам время подумать.

В рассматриваемом примере слабенький трансформатор формирует напряжение для работы усилителя. Его мощности явно недостаточно, но проблему удалось «обойти», переместив акцент на увеличение емкости сглаживающего конденсатора. Однако не стоит забывать о самой сети 220 вольт – вовсе не обязательно, что в вашей квартире напряжение именно 220 вольт и оно сохраняет свою величину в неизменном виде всё время.

Официально, советская электросеть может работать в диапазоне от 187 до 242 вольта (220 В +10/-15%). Что будет с блоком питания, если напряжение сети повысится? Вполне очевидно, что выходное напряжение БП так же возрастет.

Расчеты приводить не стоит, их уже производили… хотя, тут всё просто – повышение напряжения сети с 220 до 242 повысит выходное напряжение трансформатора с 13.8 В до 13.8 В +10% = 15.18 В. Если вычислить пиковое значение (15.18 * 1.41), получится 21.4 вольта. Вычитаем 1.2 В падение на выпрямительном мосте и получается 20 вольт. Гм, на микросхему усилителя TDA2005 (как и для прочих «автомобильных» усилителей) нормируется максимальное рабочее напряжение 18 В, а здесь – 20. К чему это приведет? Можно погадать на ромашке, а вдруг не сгорит? Это плохая идея и, увы, от повышения напряжения нельзя избавиться никакими простыми средствами типа «поставить резистор».

В данном случае есть только одно разумное решение – стабилизатор напряжения. Для работы усилителя надо 12 вольт, вот стабилизатор его и будет поддерживать, а всё, что выше 12 В погасится на регулирующем транзисторе.

Рассмотрим целесообразность применения стабилизатора, знаком «[+]» будут отмечаться достоинства, «[-]» – недостатки:

• [+] Стабильное выходное напряжение.
• [+] Ограничение по току нагрузки – защита усилителя от «дожигания» всей силовой части при выходе из строя отдельных элементов, снижается риск возгорания.
• [+] Снижение уровня пульсаций.
• [+] Перенос уровня земли.


• [-] Увеличение количества деталей – повышение стоимости изготовления устройства.
• [-] «Изоляция» цепи питания усилителя от сглаживающих конденсаторов повышенной емкости.
• [-] Возможно снижение качества работы усилителя.


• [?] Напряжение питания усилителя меньше, чем могло бы быть без стабилизатора.
• [?] Тепло рассеивается не только на выходном каскаде усилителя, но и на стабилизаторе.

Разберем по пунктам.

Стабильное выходное напряжение

Если усилитель спроектирован правильно, то он довольно спокойно относится к небольшому изменению питающих напряжений. Единственная цепь, которая обладает повышенной чувствительностью к изменению напряжения питания – это схема стабилизации тока покоя выходного каскада. Поэтому для «интегральных» усилителей особой стабильности напряжения питания не требуется, а вот «самодельные» варианты лучше снабжать стабилизаторами, но это не «критичное» требование и его можно обойти некоторым усложнением схемотехники самого усилителя.

Ограничение по току нагрузки

В любом устройстве бывают или возможны нештатные ситуации. Сгорел транзистор или уронили провод – если в блоке питания нет защиты, то может выйти из строя очень много деталей. Понятное дело, что БП с защитой не гарантирует распространение поломки на разные узлы усилителя, но хоть снизит ущерб. Второй момент – трансформаторный блок питания содержит в себе такой громоздкий элемент, как трансформатор. Если БП перегрузить, то на нём будет выделяться большая тепловая мощность из-за значительного сопротивления обмоток, и вероятны неприятные последствия, догадываетесь, какие?

Для борьбы с этим злом в цепь первичной обмотки устанавливают предохранитель, но и такое решение далеко от идеала. Дело в том, что экстраток включения трансформатора не позволяет установить предохранитель правильной величины, приходится выбирать его с номинальным током в два-три раза больше. Что до самого предохранителя, то его время срабатывания зависит от степени превышения тока над номинальным значением предохранителя. Декларируются три цифры:

• Ток нагрузки 100%, время срабатывания не менее четырех часов.
• Ток нагрузки 135%, время срабатывания не более одного часа.
• Ток нагрузки 200%, время срабатывания не больше 5-120 секунд (в зависимости от модели).

Как видите, это не самый хороший способ защиты, он спасает только в «тяжелых» ситуациях – короткое замыкание или пробой изоляции с большим током фаза-заземление. В остальных случаях он помогает очень слабо. Для низковольтового питания закорачивание выхода БП, как правило, не приводит к сгоранию сетевого предохранителя. Увы. Поэтому электронная защита в блоке питания такого типа – вещь необходимая.

Снижение уровня пульсаций

Трансформаторный блок питания создает на выходе небольшой уровень пульсаций частотой 100 Гц, что усложняет достижение низкого уровня «фона» на выходе усилителя. Стабилизатор помогает решить эту проблему. Выше приведена схема стабилизатора, она обеспечивает на выходе уровень пульсаций 20 мВ при изменении входного напряжения в диапазоне 12.5-16 В, для тока нагрузки 1 ампер. То есть стабилизатор уменьшает уровень пульсаций в 170 раз. Впрочем, это «мелочи», переход на интегральные микросхемы позволяет получить гораздо большую степень подавления.

Перенос уровня земли

Усилитель довольно сложное устройство, даже у такой простой вещи как «земля» есть несколько прочтений – «чистая» земля, «силовая», «грязная» – всё зависит от места ее расположения. Нельзя совмещать точку земли входного сигнала и питания, особенно при их «обратном» расположении – возрастут искажения, шумы и прочее, вплоть до самовозбуждения усилителя.

Прокладка цепи «земля» от входных каскадов до выходных и блока питания представляется сложной задачей и стабилизатор напряжения способен оказать реальную помощь – он может взять в качестве опорного уровня потенциал «чистой» земли и стабилизировать напряжения относительно него. Фактически, стабилизатор регулирует ток по цепям питания и уровень «земли» для него не является «силовым», поэтому затекания тока в эту цепь не происходит. При неудачной трассировке усилителя данное свойство может оказаться востребованным.

overclockers.ru

Как подобрать трансформатор для блока питания

Проще всего подобрать трансформатор для бока питания на радиорынке, если, конечно, он есть в вашем городе. Там же можно договориться о перемотке трансформатора. Но, и трансформаторы, и услуги по их перемотке достаточно дороги.

На радиорынке всегда,  можно подобрать и купить трансформатор как Б/у так и новый.

Если у Вас в сарае или на балконе валяется какая-нибудь ненужная техника, то наверняка в ней есть и трансформаторы. Любой разборный сетевой трансформатор очень легко переделать под свои нужды. Самое главное, чтобы хватило его габаритной мощности.

Если мощность трансформатора меньше требуемой, то под нагрузкой выходное напряжение трансформатора может существенно просесть. Но, это тоже не беда, так как микросхемы типа TDA2030, TDA2040 и TDA2050 могут работать при значительном снижении напряжения питания, а именно: ±6, ±2,5 и ±4,5 Вольт соответственно.

Маловероятно, что вторичные обмотки найденного трансформатора подойдут по току и напряжению, но первичная обмотка уже рассчитана на напряжение осветительной сети и это самое лучшее подспорье, так как перемотать вторичную обмотку намного проще, чем первичную.

Хорошо, если это будет стандартный унифицированный трансформатор, тогда можно по его наименованию точно определить напряжения и максимально допустимые токи вторичных обмоток. Такие трансформаторы не поддаются разборке, поэтому прежде чем его покупать, нужно сверить название с данными в справочнике.

В сайте есть ссылка на справочник, в котором можно найти подробную информацию о большинстве унифицированных трансформаторов советского и постсоветского производства.

Если же это будет трансформатор без опознавательных знаков, то вероятность того, что его придётся перематывать, будет стремиться к 99%. За такой трансформатор много платить не стоит.

При покупке трансформатора на кольцевом магнитопроводе, следует иметь в виду, что не каждый трансформатор можно разобрать, не повредив первичной обмотки.

• Годится для замены вторичной обмотки
• Нужно мотать первичную обмотку
• Нужно мотать первичную обмотку.

Видео: ГДЕ ВЗЯТЬ ИДЕАЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ДЛЯ ЛАБОРАТОРНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ

В этом видео рассмотрен трансформатор от музыкального центра. На его основе можно сделать лабораторный блок питания. На выходе у него 35 вольт 20 ампер. Так же есть выход на 4,7 вольт 4 ампер для usb зарядников.

transformator220.ru

Зачем включать конденсатор между генератором и трансформатором: теория и схемы

Задаваемый многими пользователями вопрос, зачем же включать конденсатор между генератором и трансформатором блока питания (БП) обычно рассматривается с точки зрения экономии потребляемой энергии. Согласно общему правилу уменьшить ток через первичную обмотку удается различными способами, включая использование последовательно включенного резистора.

Также можно увеличить число витков в первичной катушке трансформаторного изделия. Однако наиболее простым и экономичным способом его ограничения является установка гасящего конденсатора на входе трансформатора питания (ТП).

Особенности включения и теоретическое обоснование

Специфика работы конденсатора, включенного последовательно с входом ТП, сводится к двум моментам. Первый состоит в переходных процессах, протекающих в реактивных элементах при их мгновенном подключении к сети. Если не вникать в тонкости импульсной техники, то все эти явления следует свести к следующим особенностям коммутации электрических цепей:

• Ток в обмотке, обладающей индуктивным сопротивлением, не может изменяться скачкообразно, то есть он какое-то время будет тем же, что в момент подключения.
• Напряжение на самом конденсаторе также не может меняться скачком, и после резкого включения некоторое время имеет то же значение, что и прежде.

В момент подключения к сети конденсатор пока не заряжен и его гасящие свойства еще не проявились. Ток в первичной обмотке ТП также еще не вырос до нужного значения, вследствие чего все сетевое напряжение приложено к ней.

Важно! Особо опасен случай, когда момент коммутации (подключения) совпадает со временем действия амплитудного значения сетевого напряжения.

Из теоретических выкладок следует, что действие конденсатора проявляется в полной мере, если своевременно учесть все перечисленные выше моменты.

С другой стороны для описываемой ситуации характерны резонансные явления, происхождение которых проще понять из приведенной схемы . Из нее следует, что подключенный последовательно конденсатор вместе с индуктивностью первичной катушки образует колебательный контур.

Схема

Резонанс

При определенных условиях на входе трансформатора подключенного через конденсатор возможно явление резонанса, которое может быть объяснено следующим образом:

• И конденсатор и первичная катушка смещают фазу переменного напряжения практически одинаково, то есть на 90° (в векторном представлении она сдвигается в противоположные стороны).
• Из этого следует, что в точке соединения этих элементов как будто включен виртуальный генератор (рис.2), работающий синхронно с сетевым источником.
• Векторное наложение этих двух составляющих и приводить к резкому возрастанию амплитуды суммарного сигнала, а причиной этому является гасящий конденсатор в первичной цепи трансформатора.

Обратите внимание! Такое совпадение фаз возможно лишь в ситуации с виртуальным генератором, тогда как реальные их аналоги не приводят к описанному эффекту.

На практике характеристики колебаний задаются более мощными источниками, вынуждающими слабые автоматически подстраиваться под них. Это необычное резонансное явление в свое время было отмечено родоначальником кибернетики Н. Винером. Оно же используется для рекуперации мощности ветровых станций, существенно повышающих КПД источников альтернативной энергии.

Блок питания с трансформатором и гасящим конденсатором

Типичным примером того, как можно гасить излишки напряжения, не снижая при этом КПД модуля питания, является классический БП с балластной цепочкой (фото слева). Подключив трансформатор через конденсатор, установленный между генератором напряжения и первичной обмоткой ТП, удается обеспечить следующие преимущества:

• Уменьшаются габариты трансформатора (за счет снижения числа витков и меньших размеров магнитопровода).
• Изделие становится более компактным и легким.
• Удается реализовать щадящий режим работы обеих обмоток.

Благодаря такой схеме включения за счет резонансных явлений амплитуда напряжения на входе многократно возрастает. При этом необходимость подавать на первичную обмотку ТП полное сетевое напряжение отпадает, что приводит к существенной экономии энергии.

Дополнительная информация! Следует иметь в виду, что если включение трансформатора через конденсатор осуществлено некорректно, то из-за резонансных явлений может быть поврежден не только сам блок питания, но и подсоединенная к нему дорогостоящая нагрузка.

Именно поэтому при проектировании схем с конденсаторами в первичной цепи трансформатора необходимо принимать меры, позволяющие не допустить аварийной ситуации. Они обычно сводятся к тому, что в гасящей цепочке устанавливаются дополнительные элементы, ограничивающие размах колебаний.

Их назначение может быть представлено следующим образом:

• Конденсаторная первичная обмотка трансформатора осуществляет разделение высоковольтной и низковольтной составляющих питающей цепи.
• Резистор R2 выполняет функцию элемента, задающего ток через встречно включенные стабилитроны, ограничивающие напряжение после конденсаторного элемента.
• За счет их подсоединения параллельно обмотке трансформатора удается поддерживать потенциал в этой точке на уровне пробоя полупроводниковых элементов.

В качестве примера рассмотрим расчеты включений трансформаторов через конденсатор для двух случаев: когда к БП подключена нагрузка, а также вариант работы в режиме холостого хода (передаточный коэффициент ТП равен десяти).

Под нагрузкой

Предположим, что в нагруженном на Rн источнике питания на первичной обмотке действует определенное напряжение, не превышающее 20-ти Вольт. В этом случае приведенное к ней значение Rн составляет приблизительно десятую часть емкостного сопротивления |Xc1|, образуя делитель напряжения 10:1 (ориентировочно). Иначе результат расчета можно представить так: |Хс1|=10Rн.

При правильно рассчитанном трансформаторе ТП индуктивное сопротивление входной обмотки |XL| будет примерно в 10 раз меньше приведенного к первичной цепи Rн. Сопротивления этих элементов взаимно компенсируются, а добротность образованного ими контура будет крайне низка. Никаких резонансных явлений в этом случае наблюдаться не будет.

Холостой ход

Совершенно другая ситуация складывается в режиме с отключенной нагрузкой (сдвиг фаз равен нулю). В этом случае выведенные выше соотношения выглядят так: |Хс1|=10Rн и |ХL|=10Rн, то есть |Xc1|=|XL| и создаются условия для возникновения резонанса напряжений. Если на вход подключать генератор с пониженным напряжением порядка 1-2 Вольта – на первичной обмотке не нагруженного ТП оно увеличится в 10 и более раз (за счет резонанса).

Важно! Если продолжать увеличивать напряжение выше 20-ти Вольт магнитный сердечник трансформатора начнет насыщаться, его индуктивность при этом уменьшается, и контур потеряет резонансные свойства.

Но если трансформаторное изделие изготовлено с большим запасом по мощности и если еще больше увеличивать входное напряжение, то резонансные явления могут достичь значительной величины. А это приведет к существенному возрастанию его падения на конденсаторе С1, предельные параметры которого (по максимальному напряжению) придется выбирать с большим запасом.

Из проведенного анализа следует важный вывод, определяющий допустимость рабочих режимов в схемных решениях с подключаемым через конденсатор питающим трансформатором. Он заключается в следующих основных положениях:

• При подключенной нагрузке угроза перенапряжений из-за резонансных явлений в цепочке последовательно включенного конденсатора, как правило, невелика.
• В режиме холостого хода этот элемент подвергается большей опасности и если он выбран без требуемого запаса по предельному напряжению – возможен пробой обкладок конденсатора.
• При эксплуатации конструкций, построенных на основе данного схемного решения (как и в случае бестрансформаторного включения с гасящей емкостью) работа без нагрузки недопустима.

Дополнительная информация! В конкретных ситуациях для исключения негативных последствий параллельно первичной катушке устанавливаются два встречно включенных стабилитрона, рассчитанных на соответствующее напряжение пробоя.

Эти элементы выполняют чисто ограничительную функцию.

Подключение без трансформатора

В определенных условиях нагрузку к высоковольтной сети допускается включать непосредственно через конденсатор вместо трансформатора используемый в данном схемном решении.

У этого вида организации электропитания имеются свои преимущества и недостатки. Первые состоят в следующем:

• При данном способе ограничения сетевого напряжения схема преобразовательного устройства существенно упрощается.
• Снижаются его габариты и масса, а экономичность напротив – повышается.
• Такой блок питания удобен в пользовании и прост в ремонте.

Однако за все перечисленные достоинства приходится расплачиваться одним, но очень существенным недостатком, касающимся безопасности пользования этим устройством.

Важно! В отличие от трансформаторной схемы включения, при которой опасный потенциал 220 Вольт отделен от выходных цепей изолированными катушками, в данном случае налицо прямая электрическая связь.

А это чревато последствиями в виде поражения током случайно прикоснувшегося к нагрузочной цепи пользователя. Указанная опасность может возникнуть при непредвиденном пробое входного конденсатора с замыканием обкладок и попадании напряжения 220 Вольт непосредственно на выход устройства. Другим не менее неприятным последствием такой неисправности станет сгорание подключенной к БП нагрузки (а это может быть и дорогой смартфон, например).

Заключение

В заключительной части обзора отметим, что, разобравшись с тем, зачем нужен конденсатор на входе трансформатора, можно смело применять это схемное решение на практике. При этом всегда нужно помнить о тех ограничениях и особенностях подключения, которые исключат нежелательные последствия использования этого приема.

otransformatore.ru

Блок питания из электронного трансформатора

Содержание:

1. Технические условия изготовления
2. Как создать импульсный блок питания не разбирая трансформатор
3. Блок питания для использования в особых условиях
4. Видео: Переделка электронного трансформатора в блок питания

В настоящее время существует немало электроинструмента, работающего от аккумуляторных батарей. Однако через определенное время ресурс батарей постепенно снижается и не обеспечивает инструменту достижение нужной мощности. В таких случаях не помогает даже более частая зарядка, поэтому приходится решать, что делать дальше: вообще отказаться от агрегата или перевести его на питание от общей сети. Поскольку новая батарея по цене может сравниться с самим инструментом, можно самостоятельно изготовить блок питания из электронного трансформатора, что обойдется значительно дешевле.

Технические условия изготовления

Переделать электронный трансформатор в импульсный блок питания не так просто, как это оказывается на практике. Помимо трансформатора потребуется установка выпрямительного моста на выходе и сглаживающего конденсатора. В случае необходимости используется стабилизатор напряжения и подключение нагрузки.

Необходимо учитывать, что запуск преобразователя невозможен без нагрузки или при недостаточной нагрузке. Это легко проверить с помощью светодиода, подключаемого к выходу выпрямляющего устройства с использованием ограничительного резистора. В итоге все дело закончится лишь одной вспышкой светодиодного источника света в момент включения.

Для того чтобы появилась еще одна вспышка, преобразователь необходимо сначала выключить, а затем снова включить в сеть. Добиться постоянного свечения вместо вспышек возможно путем подключения выпрямителя к дополнительной нагрузке, которая производит отбор полезной мощности с выделением тепла. Данная схема может использоваться только при постоянной нагрузке, управляемой через первичную цепь.

Если же нагрузка требует более 12 вольт, выдаваемых электронным трансформатором, необходимо перемотать выходной трансформатор. Существуют и другой вариант решения этой проблемы, более эффективный и менее затратный.

Как создать импульсный блок питания не разбирая трансформатор

Изготовление такого блока питания осуществляется в соответствии с представленной схемой. Его основой служит электронный трансформатор, мощность которого 105 ватт. Кроме того, переделка электронного трансформатора в блок питания потребует использования дополнительных элементов – выпрямительного моста VD1-VD4, выходного дросселя L2, согласующего трансформатора Т1 и сетевого фильтра.

Для изготовления трансформатора Т1 потребуется ферритовое кольцо с размерами К30х18х7. Провод в первичной обмотке уложен вдвое, скручен в жгут и намотан в таком виде в количестве 10 витков. Лучше всего подойдет провод диаметром 0,8 мм, например, ПЭВ-2. Вторичная обмотка состоит из такого же провода с такой же укладкой, намотанного в 2х22 витка. В итоге получается двойная симметричная обмотка с общей средней точкой, получаемой путем соединения начала одной обмотки с концом другой.

Дроссель L2 также изготавливается своими руками. Он состоит из такого же ферритового кольца, как и трансформатор. Для обмоток используются аналогичные провода ПЭВ-2, наматываемые по 10 витков. Сборка выпрямительного моста выполняется с помощью диодов КД213 или КД2997, которые могут функционировать при минимальной рабочей частоте 100 кГц. В случае использования других элементов, например, КД242, они будут лишь нагреваться, но не обеспечат требуемого напряжения. Площадь радиатора для установки диодов должна быть не меньше 0,6-0,7 м2. Радиатор используется вместе с изолирующими прокладками.

В цепочку электролитических конденсаторов С4, С5 включено три элемента по 2200 мкф, соединенные параллельно. Данный вариант используют все импульсные источники питания с целью снижения общей индуктивности электролитических конденсаторов. В некоторых схемах могут параллельно с ними подключаться керамические конденсаторы на 0,33-0,5 мкф для сглаживания высокочастотных колебаний.

Сетевой фильтр устанавливается на входе блока питания, хотя вся система сможет функционировать и без него. Входной фильтр оборудуется готовым дросселем марки ДФ50ГЦ, который можно взять в телевизоре. Все узлы и элементы блока монтируются на общую плату методом навесного монтажа. Для платы используется изоляционный материал, а вся готовая конструкция помещается в латунном или жестяном корпусе с вентиляционными отверстиями.

При правильной сборки источника питания, какая-либо дальнейшая наладка не требуется, поскольку устройство сразу начинает нормально функционировать. Однако, проверить работоспособность все-таки необходимо. С этой целью на выходе блока питания подключаются резисторы на 240 Ом и минимальной мощностью 5 ватт в качестве нагрузки.

Блок питания для использования в особых условиях

Довольно часто возникают ситуации, когда применение импульсного трансформатора становится проблематичным из-за специфических условий эксплуатации. Это может быть слишком малое потребление тока или его изменение в широком диапазоне, в результате, блок питания просто не запускается. Характерным примером становится люстра, в которую устанавливаются светодиодные лампы вместо галогенных, несмотря на то, что в приборе освещения имеется встроенный электронный трансформатор. Решить эту проблему поможет упрощенная схема этого трансформатора, представленная на рисунке.

На данной схеме обмотка управляющего трансформатора Т1, отмеченная красным, служит для обеспечения обратной связи по току. То есть, когда ток не идет через нагрузку или проходит в очень малом количестве, трансформатор просто не будет включаться. Это значит, что устройство не станет работать, если к нему подключить лампочку на 2,5 Вт.

Данная схема может быть доработана, что позволит устройству работать вообще без нагрузки. Прибор окажется защищен от короткого замыкания. Как все это осуществить на практике, показано на следующем рисунке.

Работа электронного трансформатора при минимальной нагрузке или вообще без нее, обеспечивается путем замены обратной связи по току, обратной связью по напряжению. С этой целью обмотка обратной связи по току убирается, а взамен ее в плату впаивается перемычка из проволоки, не затрагивая ферритовое кольцо.

Затем на управляющем трансформаторе TR1, установленном на малом кольце, следует намотать обмотку, состоящую из 2-3 витков. На выходном трансформаторе наматывается еще один виток, после чего выполняется соединение обеих дополнительных обмоток. Если устройство не начнет функционировать, рекомендуется поменять расположение фаз на какой-либо обмотке.

Резистор, устанавливаемый в цепь обратной связи, должен иметь сопротивление в диапазоне от 3 до 10 Ом. С его помощью определяется глубина обратной связи, определяющая значение тока, при котором наступает срыв генерации. Это и будет током срабатывания против короткого замыкания, в зависимости от сопротивления резистора.

electric-220.ru