О трансформаторных блоках питания для самых маленьких

Делал тут намедни презентацию на тему «Однополярные и двуполярные трансформаторные блоки питания», решил заодно и здесь продублировать. Наверное, будет полезно для начинающих.

Блок питания радиоэлектронной аппаратуры является вторичным источником питания, то есть он служит для преобразования электроэнергии (первичные — для ее производства). Как правило, происходит преобразование переменного тока напряжением 220 В в постоянный с напряжением, необходимым для нормальной работы устройства. Из этих функций вытекает структурная схема трансформаторного блока питания: трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор.

Последние две части могут отсутствовать, как, например, в трансформаторных зарядных устройствах ACP-7E телефонов Nokia.

В последнее время трансформаторные блоки активно вытесняются импульсными (легкими, компактными, способными переварить любую дрянь из розетки: 110-240 вольт, 50-60 Гц — трансформатор такого не потерпит), однако все еще есть ниши, где они актуальны: например, устройства высококачественного воспроизведения звука или радиоприемники, которые подвержены действию помех, излучаемых импульсными БП (да-да, некоторые экземпляры можно использовать как маленькие глушилки длинных, средних и коротких волн).

---

Рассмотрим наиболее простой и наиболее часто встречающийся подвид: однополярный трансформаторный блок питания

Сразу оговорюсь, что однополупериодная схема выпрямителя (один диод, как в детекторном приемнике) в трансформаторной схемотехнике не снискала популярности ввиду низкого КПД и высокого уровня пульсаций.

В разрывы первичной и вторичной обмотки включены предохранители (у современных трансформаторов по первичной обмотке включен термопредохранитель, срабатывающий при перегреве магнитопровода). По «вторичке» предохранителя может и не быть, но по «первичке» он обязателен — это электро- и пожаробезопасность.

Вторичных обмоток может быть несколько (на разные напряжения), у одной обмотки могут быть несколько отводов от разных витков… Все это можно узнать из паспорта на трансформатор.

Диодный мост выпрямляет напряжение, а конденсаторный фильтр сглаживает его пульсации (минимально рекомендуемая емкость — 100 мкФ, максимальная ограничивается экономическими соображениями, размерами корпуса устройства, максимально возможным током через диоды и здравым смыслом). Не стоит забывать о физике: на диодном мосту неизбежно потеряется 1 — 2 вольта, но после конденсатора то, что останется, увеличится в корень из двух (1,41) раз (конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения). Например, с трансформатора идут 12 вольт «переменки» (действующее значение). 1,4 вольта отдадим диодам — итого уже 10,6. А на конденсаторе будет 14,94 вольта (амплитудное значение). Поэтому рабочее напряжение конденсатора должно быть с запасом — 25 вольт вполне хватит, а вот 16 — это уже пороховая бочка. Может, и не долбанет, но ресурс быстрее выработается.

 Выходное напряжение снимается с конденсатора и может питать устройство как напрямую, так и через стабилизатор: в этом случае рекомендуется, чтобы выходное напряжение БП было на 3 — 5 вольт выше номинального выходного напряжения стабилизатора. Используя интегральные стабилизаторы серии L78XX и компоненты из примера выше, можно сделать шикарный блок питания на девять вольт. Или на двенадцать, если падение напряжения на самом стабилизаторе 2-3 вольта (эта информация находится в даташите микросхемы). Или на пять, но 14,94 — 5 = 9,94 вольта, которые надо куда-то девать. А куда? Только в тепло. Поэтому стабилизаторы на малое напряжение, подключенные к большому входному, очень сильно греются.

Это слайд-шоу требует JavaScript.

Примеры устройств с таким БП: радиоприемник VEF 216 (встроенный), радиотелефоны (внешний), магнитофон «Весна 306» (встроенный).

Это слайд-шоу требует JavaScript.

Принцип работы мостового выпрямителя незатейлив: в течение каждого полупериода ток идет через два диода, включенные в прямом направлении (на одном кремниевом диоде в среднем падает 0,7 вольт — отсюда и берется число потерь 1,4). Таким образом, на конденсатор будет приходить напряжение, пульсирующее с удвоенной частотой питающей сети. Если за эти полпериода конденсатор не будет успевать разрядиться, то можно рассчитывать на то, что уровень пульсаций выходного напряжения будет низок (здесь, например, это хорошо показано: красное напряжение — с конденсатора, серое — с моста).

Следующие схемотехнические решения можно заметить в звуковоспроизводящей аппаратуре высокого класса: это пленочные конденсаторы, шунтирующие первичную и вторичную обмотки трансформатора (высоковольтный C1, C2), керамические конденсаторы, шунтирующие диоды моста (C3—C6), и керамический или пленочный конденсатор емкостью 10 — 100 нФ, шунтирующий выходной электролитический (C7).

Конденсаторы на обмотках трансформатора предназначены для гашения высокочастотных помех от близких грозовых разрядов, щеточно-коллекторных узлов работающих электродвигателей и пр.

Шунтирование диодов помогает бороться с мультипликативной помехой радиоприему: она проявляется как фон в приемнике с частотой 100 Гц при настройке на мощную станцию в АМ-диапазоне.

Шунтирование выходного электролитического конденсатора помогает продлить срок его службы, так как «электролиты» склонны быстрее деградировать под действием высокочастотных помех. При наличии керамического или пленочного шунта малой емкости эти помехи через него закорачиваются на «землю».

Преимущества однополярных трансформаторных БП:

-Просты в изготовлении.

-Относительно легкие и маленькие.
-Легко обеспечить батарейное питание, что актуально для переносной техники (нужно всего лишь напыжевать достаточно батареек «в послед»).

К недостаткам можно отнести:

-Повышенное падение напряжение на выпрямителе (полтора вольта теряются, и при выпрямлении малого напряжения, например, трех вольт, это уже будет ощутимо — после конденсатора останется только 2,1 В).
-Мощные диоды в металлическом корпусе должны устанавливаться на радиатор через электроизолирующие прокладки, что в ряде случаев может быть затруднительно.

---

Следующий на очереди — двуполярный трансформаторный блок питания

Здесь используется трансформатор с двумя одинаковыми вторичными обмотками, соединенными последовательно (или это может быть одна обмотка со средней точкой). В этом случае средняя точка объявляется «землей», а с фильтров снимается напряжение как положительной, так и отрицательной полярности (измерения, разумеется, относительно «земли». И логично, что между «плюсом» и «минусом» 2Uвых).

Это слайд-шоу требует JavaScript.

Примеры устройств с таким БП: магнитофон «Вильма М-212С», усилитель «Радиотехника У-101», осциллограф «С1-94».

Это слайд-шоу требует JavaScript.

Диодный мост работает точно так же, как и в случае однополярного блока питания. Попеременно открываясь, то одна, то другая пара диодов пропускает переменное напряжение к конденсаторам фильтра.

К достоинствам двуполярного БП можно отнести:

-Значительное упрощение схем с операционными усилителями (исключаются цепочки, создающие «искусственный ноль» на входе — достаточно сравнить первую и вторую схемы отсюда).
-Уменьшение количества межкаскадных емкостей, так как в большинстве случаев постоянная составляющая сигнала отсутствует. А все мы знаем, что «электролиты» имеют свойство пересыхать.
-Акустика, подключенная к выходу исправного и настроенного усилителя с двуполярным питанием, не будет хлопать при включении, так как на выходе нет постоянной составляющей и конденсатора, блокирующего ее.

Однако есть и определенные недостатки:

-Снова повышенное падение напряжение на выпрямителе.
-Трансформатор со средней точкой сложен в изготовлении; он большой, тяжелый и совсем не портативный.
-Устройство чувствительно к перекосу плеч питания — например, если в звуковоспроизводящей технике при номинальных +/-14 вольт де-факто будут +12 и -16, форма выходного сигнала может сильно исказиться относительно нуля.
-«Исправный и настроенный усилитель», став вдруг неисправным, может выжечь акустику постоянным напряжением на выходе: нужна схема ее защиты при аварии.

Как следствие, такие блоки питания прижились в стационарной аппаратуре, где нет нужды в батарейном питании.

---

Необычная схема: однополярный БП с выпрямителем Миткевича

Этот блок питания также основывается на трансформаторе со средней точкой, но в качестве выпрямителя применяются два четвертьмоста, соединенные параллельно (выпрямитель Миткевича). Это двухполупериодный выпрямитель, и ток на фильтрующий конденсатор течет то с одной половины обмотки, то с другой через диод, находящийся в этот момент в прямом включении. Это было достаточно типичное решение для тех времен, когда диоды стоили дороже меди.

Пример устройства с таким БП: радиоприемник «Ишим».

Это слайд-шоу требует JavaScript.

Первым делом в глаза бросается то, что выпрямитель и фильтр включены по схеме с общим «плюсом», и с конденсатора снимается напряжение отрицательной полярности. Это обычная схемотехника 60-70-х гг.: тогда применялись германиевые транзисторы в основном p-n-p-структуры (ограничение технологии), у которых эмиттер подключается к «плюсу», а база и коллектор — к «минусу» питания.

В течение каждого полупериода ток протекает через один диод.

Положительными сторонами таких блоков питания можно считать:

-Экономию на диодах.
-Потери в выпрямители в два раза меньше, чем в мостовой схеме (ток в каждом полупериоде течет только через один диод).

Однако недостатки загнали этот вид блока питания в «Красную книгу РЭА»:

-Трансформатор со средней точкой сложен в изготовлении; он большой, тяжелый и совсем не портативный.
-В каждом полупериоде одна половина обмотки простаивает. Меди много, но работает она не вся.

---

Как быстро отличить импульсный блок питания от трансформаторного (имеются в виду те, что вставляются в розетку)?

Ипульсный: компактный, почти невесомый, часто бывает вытянут в осевом направлении. Жрет что угодно: чудовищный разброс по напряжению 110-240 вольт и частоте сети его не пугает (обычно эти параметры написаны на наклейке). Выходной ток при высоких напряжениях как правило, тоже достаточно большой — до 2 ампер. На секундочку: 2 А * 12 В = 24 Вт!

Трансформаторный: тяжелый, сбитый «кубик«. На наклейке обычно указано входное напряжение 230 вольт, иногда с маленькими зазорами (плюс-минус десять вольт). Частота — строго 50 Гц для постсоветского пространства. Ток обычно скромный: тот, что на картинке — девятивольтовый с полуамперным выходом (0,5 А * 9 В = 4,5 Вт). А ведь уже и такой блок достаточно громоздкий.

Для питания радиоприемников и другой старой техники, конечно, лучше выбрать трансформаторный.

Понравилось это:

Нравится Загрузка…

Похожее

как он есть (часть 1)

Прогресс не стоит на месте, в домашнем хозяйстве используется множество электронных приборов и всем им требуется блок питания. В крупных аппаратах его встраивают в корпус устройства, а «мелочь» довольствуется внешним исполнением. Но что-то теряется, что-то перестает удовлетворять требованиям и приходится покупать новые модели. А так ли это необходимо? Можно ли сделать свой блок питания или улучшить старый? Одни из самых востребованных типов БП — те, что встраиваются в усилители низкой частоты. Сам усилитель, особенно начального уровня, собрать не трудно, обычно на все уходит одна-две микросхемы и немного «мелочевки», проблема возникает с блоком питания. Давайте об этом и поговорим.

Подобный блок подразумевает использование низкочастотного трансформатора для получения пониженного напряжения, из которого формируется постоянное выходное напряжение. Типовая топология БП выглядит следующим образом:

Входное напряжение сети 220 вольт через предохранитель FU1 подается на первичную обмотку трансформатора TV1 (выводы 1-2). На его вторичной обмотке (выводы 3-4) наводится переменное напряжение, которое выпрямляется диодным выпрямителем D1, сглаживается конденсатором С1 и подается на выход. Такое построение является типичным, меняются лишь номиналы и количество компонентов, а топология остается прежней.

Рассмотрим назначение элементов схемы.

• Предохранитель FU1 защищает блок питания и сеть 220 вольт от чрезмерного тока. При увеличении тока в цепи выше предельного он разрушается (расплавляется низкоплавкая проволочка) и цепь разрывается.
• Трансформатор TV1 преобразует величину напряжения с первичной стороны во вторичную, при этом обеспечивается гальваническая развязка выхода от сети 220 вольт.
• Диодный выпрямитель D1 выпрямляет переменное напряжение в однополярное пульсирующее.
• Конденсатор С1 сглаживает выходное напряжение.

Теперь подробнее про использование элементов устройства.

Предохранитель защищает устройство в случае возникновения экстренных ситуаций. При перегрузке или коротком замыкании в нагрузке возникает большой ток в первичной обмотке, что может привести к ее перегреву с последующим возгоранием устройства. Кроме того, не исключена вероятность пробоя межслойной изоляции, и фазное напряжение попадет на выход. Лучше уж отключенный БП, чем подобное, поэтому присутствие предохранителя обязательно.

К слову, зачастую элемент защиты монтируют в обмотку трансформатора, что позволяет отключать его при критическом нагревании. К сожалению, такой прием срабатывает только один раз, и восстановить работоспособность трансформатора удается не всегда – предохранитель, в конструктивном исполнении резистора 0.125 Вт, подключен к внешнему концу первичной обмотки и «намотан» вместе с ней под слоем изоляции.

Трансформатор преобразует переменное напряжение в магнитное поле, которое наводит напряжение во вторичной обмотке. Степень понижения (повышения) выходного напряжения, иначе говоря «коэффициент трансформации» зависит от соотношения числа витков в этих обмотках.

Диодный выпрямитель служит для преобразования переменного напряжения (положительной и отрицательной полярности) с вторичной обмотки в однополярную форму.

Выходной конденсатор сглаживает пульсации выходного напряжения. Дело в том, что трансформатор «предоставляет» напряжение той же формы, что и в сети 220 вольт, а именно синусоидальной. К слову, при работе от бесперебойных источников его форма может быть далеко не синусоидальной. Форма выпрямленного напряжения непостоянна во времени, наличествует длительное снижение до нуля вольт, поэтому необходима установка элемента, поддерживающего выходное напряжение постоянной величины, что выполняется на сглаживающем конденсаторе. Рассмотрим происходящие процессы подробнее, на модели блока питания 10 В.

На картинке представлены напряжения, токи вторичных обмоток трансформатора и выходных напряжений для трех вариантов:

1. (красный). Выходной конденсатор отсутствует.
2. (зеленый). Выходной конденсатор присутствует, но его емкости явно недостаточно.
3. (синий). Выходной конденсатор обладает достаточной емкостью.

Форма напряжения на выходной обмотке, в первом приближении, остается синусоидальной для всех трех случаев, но только в первом – обмотки трансформатора намотаны медным проводом, и хотя медь хорошо проводит электрический ток, но ее используется довольно много, а потому сопротивление обмоток весьма чувствительно по величине. Чем больше ток нагрузки, чем она более «импульсная», тем сильнее искажается напряжение на выходе трансформатора.

Посмотрите на форму тока для всех трех вариантов – по мере увеличения емкости сглаживающего конденсатора растет величина тока потребления вторичной обмотки с одновременным его «сужением» в зонах максимума напряжений. Ток нагрузки блока питания 1 ампер, но от вторичной обмотки потребляется 4 А, то есть следует говорить о «пик факторе» четыре. Иначе говоря, в трансформаторном БП пиковый ток выходной обмотки в три-четыре раза больше тока нагрузки, и по мере увеличения емкости сглаживающих конденсаторов он только возрастает, хоть и не так существенно. Это важный момент.

От общего к частному, рассмотрим основные составные части блока питания.

Сетевой трансформатор работает на частоте 50 Гц, что определяет тип магнитопровода – тонкие листы трансформаторного железа. Толщина пластин, или ленты, выбирается из уровня потерь на вихревые токи в железе, так называемые «токи Фуко» — переменное магнитное поле наводит напряжение в любом металлическом предмете, не только в обмотках, но и в самом магнитопроводе. Для уменьшения потерь применяют тонкие листы с лакокрасочным покрытием для изоляции между слоями. Впрочем, не будем самостоятельно выпиливать сердечник трансформатора из цельного куска железа.

По конструктивному исполнению трансформаторы делятся на тороидальные, стержневые и броневые.

Внешне они выглядят следующим образом:

Тороидальный трансформатор. Это конструктивное исполнение самое простое – обмотки наматываются на кольце из ленты трансформаторного железа, никаких специальных каркасов не требуется. Кроме того, у такого решения самое эффективное использование поверхности магнитопровода, что означает низкое рассеивание магнитного поля и снижение потерь в меди обмоток. Отсутствие каркаса приближает провод к сердечнику, диаметр витка уменьшается, что снижает общую длину провода, то есть его сопротивление.

Броневой трансформатор гораздо технологичнее тороидального – применяется один каркас для намотки обмоток, сам процесс изготовления не вызывает каких-либо технических трудностей, не требует весьма специфического оборудования, свойственного тороидальным трансформаторам. Увы, на этом его достоинства заканчиваются и начинаются недостатки – относительно низкий коэффициент использования магнитопровода, сильно ограниченное место для обмоток, плохое рассеивание тепла.

Стержневой трансформатор занимает среднее положение между тороидальным и броневым – от последнего он «взял» каркас для обмоток, а от первого – улучшенное использование поверхности магнитопровода. Да и по техническим свойствам данный тип расположен посредине между тороидальным и броневым вариантами. Из особенностей его исполнения отмечу то, что количество обмоток на трансформаторе удвоено. А именно, на каждом стержне присутствует первичная (сетевая) и вторичная обмотка (их может быть несколько).

При подключении такого трансформатора надо проявлять максимальную аккуратность – всегда можно спутать начало-конец обмоток, что может окончиться весьма печально. У меня были случаи, когда в партии советских трансформаторов некоторое их количество обладало «перевернутыми» обмотками. Как легко понять, это привело к необходимости «ручной настройки» серийной продукции, регулировщики были счастливы.

От исполнения перейдем к электрическим характеристикам. В домашних условиях мало кто возьмется изготавливать подобное самостоятельно – намотка сетевой обмотки тороидального трансформатора крайне утомительна, а другие исполнения требуют каркас, который хоть и облегчает работу, но все же является проблемой. Чаще всего подбирают подходящий трансформатор, удаляют с него вторичные обмотки и наматывают свои, с нужным числом витков. Такое решение довольно легко реализуется – достаточно узнать количество вольт на виток и намотать свои обмотки.

Методика переделки:

1. Определить первичную обмотку (или обмотки) трансформатора.
2. Удалить вторичные обмотки.
3. Намотать на трансформаторе тестовую обмотку с известным числом витков (например, сто), диаметр провода роли не играет.
4. Подключить его к сети 220 вольт и померить напряжение на временной обмотке.

Зная напряжение на тестовой обмотке и то, которое необходимо получить, нетрудно вычислить нужное количество витков. После удаления вторичных обмоток на каркасе освободилось место, вот исходя из этого и количества витков, можно вычислить диаметр провода для вторичной. Только не забудьте два момента – если выходных обмоток несколько, то надо их все уместить на свободном пространстве каркаса. И не следует забывать о слое изоляции поверх первичной – пробой фазы на вторичную обмотку хотелось бы получить меньше всего. Впрочем, вернемся к теме.

При рассмотрении схемы замещения трансформатора следует учитывать два фактора – сопротивление первичной и вторичной обмоток, а также величину индуктивности первичной обмотки. Дело в том, что трансформатор представляет собой дроссель, который подключен к источнику переменного напряжения довольно низкой частоты. Это означает, что через первичную обмотку протекает ток даже при отсутствии нагрузки на выходе.

Возьмем конкретный пример и оценим вклад каждого параметра. Скажем, трансформатор настольной лампы — 12 вольт, 20 Вт. Измерения показали следующие характеристики трансформатора:

• Сопротивление первичной обмотки 144 Ом;
• Сопротивление вторичной обмотки 0.7 Ом;
• Индуктивность первичной обмотки 5.2 Гн;
• Выходное напряжение холостого хода 13.8 В.

Представим его в эквивалентном виде:

Резисторы R1 и R2 показывают сопротивление первичной и вторичной обмотки, L1 – индуктивность первичной стороны. «А»-«B» и «C»-«D» — «внешние» выводы обмоток.

Рассмотрим два варианта работы трансформатора – без нагрузки и с подключенной лампой накаливания.

На холостом ходу вторичная обмотка никуда не подключена, но через первичную обмотку течет некоторый ток, который определяется конечной индуктивностью первичной обмотки. Величина тока определяется из импеданса обмотки на частоте сети (50 Гц) и напряжения сети (220 В). Импеданс индуктивности считается по обычной формуле:

Z=2*PI*L*F

Где:

• PI = 3.14.
• L – индуктивность катушки, Гн.
• F – частота, Гц.

Для данного примера это составит 2*3.14*5.2*50=1.63 КОм. При напряжении в сети 220 вольт через обмотку будет протекать ток 220 В/ 1.63 кОм=135 мА. Обратите внимание, ток будет течь всегда, подключена ли нагрузка к трансформатору или нет. Это создает реактивный ток в проводах, но не считается за потребляемую мощность… по крайней мере счетчик электроэнергии его не должен учитывать. Увы, негативные последствия подобного тока все же присутствуют – он протекает через первичную обмотку с конечным сопротивлением, что наводит в ней чисто активную мощность потерь:

P = I*I*R = 0.135*0.135*144 = 2.6 Вт.

Вот эта мощность уже активная и вызывает вполне ощутимое последствие – трансформатор немного нагревается, даже при отключенной нагрузке (выключенной лампочке).

Фильтрация помех

Трансформатор довольно неплохо изолирует выходную обмотку от помех в сети, особенно в высокочастотной части звукового диапазона и выше. «Довольно неплохо», но никак не «хорошо» — у него существует конструктивно-технологическое ограничение, мешающее получению высокой степени изоляции. А именно – обмотки очень протяженные как по поверхности магнитопровода, так и по области их взаимного соприкосновения.

Особенно неудачно обстоят дела у тороидального варианта исполнения – межслойный экран сделать крайне сложно и не технологично, обмотки наматываются одна поверх другой с небольшим количеством слоев, что означает очень большую поверхность соприкосновения. У «стержневого» и «броневого» трансформатора с этим лучше – жесткий каркас намотки лишен искривлений и позволяет использовать экраны, да и поверхность соприкосновения обмоток менее «тороидального» варианта. Одна беда – полноценные экраны в трансформаторах встречаются довольно редко. Подчас экран вроде бы и есть, но выполнен он «одним слоем тонкого провода», что может выполнять свою функцию только на очень низких частотах.

Существует еще один способ получения высокой степени подавления помех – разнести первичную и вторичную обмотки по разные стороны магнитопровода, полностью исключив передачу помехи через емкость между обмотками. Кроме устранения емкостной связи такой способ позволяет фильтровать помехи за счет невысокой предельной рабочей частоты магнитопровода. Трансформаторное железо плохо пропускает переменное поле средней – высокой частоты, что положительно сказывается на уровне помех на вторичной стороне.

Увы, для этого трансформатор должен быть намотан специальным образом, что в серийном производстве для бытовых нужд не встречается. Для такого исполнения в «тороидальном» трансформаторе первичная и вторичная обмотки должны находиться в противоположных сторонах кольца без взаимного контакта. В «стержневом» – сетевые обмотки необходимо разместить на одном стержне, вторичные на другом. По конструктивным причинам разнесение обмоток в броневом трансформаторе выполнить сложнее, да и эффект от его применения проявится слабее – слишком компактное размещение не позволяет исключить емкостную связь между обмотками.

Трансформатор «для светильников» лишен каких-либо элементов ёмкостной изоляции обмоток, ведь они не только повышают его стоимость, но и снижают технические характеристики, поскольку возрастает индуктивность рассеивания между первичной и вторичной обмотками. Последнее в свою очередь приводит к увеличению выходного сопротивления. Но не все так плохо, и обычный трансформатор эффективно устраняет помехи средне-высокочастотного диапазона. Даже проникнув через межобмоточную емкостную связь на вторичную сторону, помеха встретит на пути проникновения как индуктивность катушки до её выводов, так и сглаживающий конденсатор довольно большой емкости.

С вторичной обмотки трансформатора поступает переменное напряжение, но для питания аппаратуры требуется постоянное, поэтому блок питания должен быть со схемой выпрямления. Обычно она выполняется на полупроводниковых диодах, синхронные выпрямители применяются крайне редко – сопротивление потерь трансформатора больше, чем теряется на p-n переходе диодов и смысл усложнения схемы отсутствует. В трансформаторном блоке питания чаще всего применяются два схемных решения – мост или полумост с удвоенным количеством обмоток.

Мост

Данное схемное решение означает применение четырех диодов:

Диоды открываются парами, D1 — D3 для положительной полуволны и D2 – D4 для отрицательной, в результате на выходе получается напряжение одной полярности, хоть и с непостоянной амплитудой.

Для сглаживания выходного напряжения применяется конденсатор довольно большой емкости (С1).

Полумост

Такое построение выпрямительного узла несколько напоминает «мост», но у него в два раза меньше диодов и удвоено количество выходных обмоток трансформатора:

Что сразу бросается в глаза – две вторичные обмотки вместо одной. На элементы в сером прямоугольнике пока не обращайте внимания. Выходные обмотки (выводы «3»-«5» и «1»-«4») включены в противофазе, напряжение на выводе «3» равно напряжению на выводе «4», но противоположно по знаку. Иначе говоря, когда на одной обмотке «+», то на другой «-».

Принцип работы схемы примерно такой же, как у ранее рассмотренной – при положительной полуволне «+» формируется на выводе «3», открывается диод D1 и на выход следует положительное напряжение. При отрицательной полуволне на выводе «3» получается «-», а на выводе «4» становится «+», диод D2 открывается и на выходе также получается положительное напряжение. В такой схеме используются всего лишь два диода, что должно (бы) уменьшить потери на выпрямительном узле и получить более стабильное выходное напряжение.

Увы, это далеко не так, применение подобного решения для получения одного напряжения неизбежно проиграет «мосту» — при удваивании числа обмоток их внутреннее сопротивление возрастает (примерно в два раза), что приведет к большим потерям, чем еще один p-n переход в мостовом выпрямителе. Подробнее вопрос будет рассмотрен в разделе расчета блока питания. Запомните главное – крайне не рекомендуется использовать полумостовой выпрямитель в трансформаторных блоках питания. Какой же смысл, зачем в разделе вообще идет речь о такой конструкции выпрямительного узла, если он проигрывает «мосту»?

Все просто – на «мосте» можно получить только одно напряжение и всё, а «полумост» способен предоставить как положительное, так и отрицательное напряжение, всё с тех же обмоток. Посмотрите еще раз на схему, в «сером» прямоугольнике изображены элементы, необходимые для получения отрицательного напряжения, причем той же величины, что и положительного. Эта часть работает точно так же, как и рассмотренная ранее, только диоды проводят в противоположной полярности и на выходе формируется отрицательное напряжение.

Небольшой вывод – если аппаратура требует однополярное выходное напряжение, то необходимо применять мостовую схему выпрямления, а если двухполярное – сдвоенную полумостовую. Кстати, если посмотреть на схему внимательнее, то окажется, что двойной полумост представляет собой мост, который работает с удвоенным напряжением, при этом две выходные обмотки трансформатора выполняют роль симметрирующего элемента для деления выходного напряжения на две равные «половинки».

Трансформаторный блок питания состоит из трех ключевых элементов – самого трансформатора, который понижает напряжение до нужной величины, выпрямительного узла, формирующего однополярное напряжение и, третьего обязательного элемента устройства – сглаживающего конденсатора. Смысл его существования в снижении пульсаций напряжения после выпрямительного узла.

В сети 220 вольт, от которой должен работать БП, представляет собой переменное напряжение синусоидальной формы частотой 50 Гц. Проблема в том, что синусоида довольно значительную часть периода обладает небольшим напряжением, вплоть до нуля, а аппаратура требует жесткого удержания выходного напряжения в заданных рамках, поэтому прямое подключение к выпрямительному узлу без дополнительных фильтрующих средств невозможно – пульсации будут слишком большие и работоспособность устройства нарушится.

Для устранения проблемы после диодного выпрямителя требуется установить элемент, который бы запасал энергию при высоком уровне синусоидального напряжения и отдавал ее на выход при снижении уровня синусоиды. Этого можно добиться применением конденсаторов достаточно большой емкости. На рисунке, приведенном ранее, указаны формы напряжения для различной емкости сглаживающего конденсатора – чем она выше, тем больше выходное напряжение похоже на прямую линию, то есть уровень пульсаций уменьшается. Выбор параметров сглаживающих конденсаторов будет произведен в следующем разделе.

Рассмотрев элементы, используемые в трансформаторном БП, перейдем к конкретным, практическим решениям. Теория суха и трудна в освоении, поэтому лучше что-то сделать своими руками, так проще.

Есть трансформатор с измеренными параметрами, можно собрать на нём блок питания с вполне утилитарным применением – источник питания усилителя низкой частоты. Для такого применения чаще всего используется однополярное питание с напряжением 12 вольт. Типичные микросхемы усилителей — TDA2005 (22 Вт), TDA1554Q (2*22 Вт), TDA7385 (4*30 Вт), TDA7386 (4*45 Вт) и другие. Габаритная мощность трансформатора вряд ли превышает 20 Вт, было бы излишне оптимистично пытаться запитать от него усилитель мощнее 20 Вт, ограничим ассортимент первой микросхемой из списка, TDA2005. Впрочем, вместо нее можно применить любую другую, и более мощную – только не удастся получить полную отдачу на все каналы, а так работать будет.

Микросхема выбрана, начнем по порядку.

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.

характеристика, схемы, как сделать своими руками

Трансформаторный блок питания на 12В используется для преобразования сетевого напряжения до уровня необходимого для работы определенного устройства. Сегодня в данной разновидности блоков питания устанавливаются системы предохранения от резких скачков напряжения, коротких замыканий и для нормализации высокочастотных помех. Конструкция обладает надежностью при сравнительной простоте и низкой стоимости. Блок питания с трансформаторным типа можно самостоятельно сконструировать и собрать в домашних условиях.

Устройство и принцип работы

От обычного блока питания трансформаторный отличается наличием понижающего устройства, который позволяет снизить подаваемое в сети напряжение с 220В до 12В. Также в этих устройствах используется выпрямитель, который изготавливают из 1, 2 или 4 диодов полупроводникового типа – в зависимости от разновидности схемы.

В блоках питания этой категории используются трансформаторы в которых используется три основных компонента:

• Сердечник специального сплава металлов или из ферромагнетика;
• Сетевая первичная обмотка которая питается от 220В;
• Вторичную обмотку применяют с понижающим действием – к ней подключается выпрямитель.

В остальном данный блок совпадает по принципу работы, строению и устройству с обычным блоком питания. Благодаря этому есть возможность подключать устройства различных категорий.

Применяемый выпрямитель определяется схематическим устройством, которое зависит от того, до каких значений нужно довести уровень напряжения. Например, в случае удвоения напряжения, используется два полупроводника. После проводника необходимо в устройстве конструкции использовать электролитический конденсатор.

Общая структура

Структурная схема блока питания с трансформаторным действием имеет следующий тип:

При этом в некоторых зарядных устройствах трансформаторного типа не используются последние два элемента. По сути основными являются трансформатор и выпрямитель, именно они отвечают за снижение напряжения, но фильтр и стабилизатор обеспечивают дополнительную защиту и регулировку значений в подаваемом на устройство напряжении.

На рынке электроники сегодня наиболее популярными являются однополярные трансформаторные блоки питания. Схема данного устройства выглядит следующим образом:

О конструкции самого трансформатора и принципах его работы поговорим далее. Двухполюсный блок питания данной категории имеет следующую схему:

В отличии от первой схемы, в этой применяется трансформатор с одинаковыми парными вторичными обмотками, которые последовательно соединяются.

Трансформатор

Один из основных элементов конструкции трансформатора – сердечник. В блоках питания он может быть Ш-образный либо U-образный, в редких случаях применяются тороидальные сердечники. На них располагаются трансформаторные обмотки из двух слоев: вторичная поверх первичной.

Конструкция

При сборке конструкции используется специальная формула, которая позволяет вычислить необходимые габариты трансформатора:

(1/N)~F*S*B

В этой формуле используются следующие значения:

• N – число витков на 1 вольт;
• F – уровень частоты в переменном напряжении;
• S – сечение магнитопровода;
• B – индукция магнитного поля в магнитопроводе.

Таким образом можно вычислить конструктивные особенности трансформатора. В трансформаторных блоках питания применяются тороидальные, стержневые и броневые виды обмоток.

Их внешний вид представлен на картинке ниже:

Для расчета вторичной обмотки можно использовать следующий прием. Наматывается 10 витков, собирается трансформатор и с соблюдением техники безопасности, стандартным методом первичная обмотка подключается к электросети. Затем производятся замеры уровня напряжения на выводе из вторичной обмотки. Полученные значения делятся на 10, после этого 12 делится на 10. Так определяется число витков необходимое для выработки напряжения в 12В.

Принцип работы

Трансформатор на этой разновидности блока питания позволяет преобразовывать напряжение в 220В получаемое из обычной электросети до необходимого уровня напряжения для определенного устройства.

Генератором электромагнитных полей выступает проводник через который проходит переменный ток, а благодаря тому, что на трансформаторе он смотан в катушку его действие производится более плотно. Согласно закону электромагнитной индукции переменное поле наводится во вторичной обмотке.

Выбор напряжения

Необходимое напряжение определяется устройством, для питания которого будет использоваться блок питания. Можно использовать напряжение в 12В, 3.3В, 5В и 9В. Это самые популярные значения напряжения на выходе, при этом оно может иметь и другие значения. Все зависит от конструкции трансформатора, количества обмоток и размер сечения, используемого магнитопровода.

12В

Блок питания с напряжением на выходе в 12В широко используются в быту с конца прошлого столетия. Их применяют для питания котлов отопления, светодиодных лент, игровых устройств, сварочных аппаратов, телевизионных приставок и различных бытовых приборов.

3.3 В

Блоки с напряжением этого уровня используются преимущественно в персональных компьютерах, но могут использоваться и для подзарядки других устройств, например, в сварочных аппаратах.

5В

Данный вид трансформаторных блоков питания также используется для обеспечения питания компьютеров и серверов.

9В

Эта разновидность блоков для питания устройств широко применяется для работы со строительной техникой и различных бытовых устройств. Например, им подпитывается дрель, болгарка или перфоратор.

Выпрямитель

В трансформаторном блоке питания используется обычно мостовой выпрямитель с одним, двумя или четырьмя диодами.

Используем мостовую схему выпрямления

Использование мостового выпрямителя показано на данной схеме:

Как работает

Принцип работы у выпрямителя мостового типа следующий: во время течения в полупериоде, электрический ток идет через два диода, которые включены в прямом направлении. Это позволяет конденсатору получать напряжение с пульсацией в два раза большей частотой от питания.

Выше представлена схема как использовать выпрямитель мостового типа в конструкции. Чтобы понять, как работает выпрямитель с постоянным и переменным напряжением мостового типа можно использовать для ознакомления данную схему:

Треугольники на схеме – это диоды, которые позволяют работать мостовому выпрямителю.

Как спаять

Для спайки мостового выпрямителя следует использовать следующую схему:

Фильтр

В блоках трансформаторного типа фильтрация и отсечение переменных, составляющих являются обязательными. С этой целью в данных устройствах используются электролитические конденсаторы с большой емкостью.

Назначение

Электролитический конденсатор, выполняющий роль фильтра в этих устройствах используется как при работе блока с постоянным, так и переменным напряжением. Но в некоторых случаях выбор конденсатора может быть другим.

Выбор конденсатора

Для трансформаторных блоков питания подбирается конденсатор согласно уровню напряжения, с которым он работает. При постоянном напряжении вместо электролитного конденсатора можно использовать постоянный резистор, а при переменном напряжении обычной перемычкой, так как конденсатор становится проводником.

Как правильно подключать

Чтобы при самостоятельной сборке трансформаторного блока питания на 12В конденсаторы правильно работали, на выходе устройство укомплектовывается резистором с сопротивлением от 3 до 5 Мом.

Стабилизатор напряжения или тока

Источник питания стандартного типа собирается с использованием электролитического конденсатора с емкостью не более 10000 мкФ, двухполупериодного выпрямителя мостового типа из диодов с обратным напряжением в 50 вольт и прямым током 3А, а также с предохранителем 0,5А. В роли интегрального стабилизатора напряжения на 12В используется конденсатор 7912, либо 7812.

Стабилитрон

Для постоянства напряжения при выходе из блока питания рекомендуется использовать стабилитрон.

Интегральный стабилизатор напряжения

Без использования стабилизатора напряжения блок питания не сможет правильно функционировать. В роли этих компонентов используются конденсаторы серий LM 78xx и LM 79xx. Стабилитроны подбираются по подходящей величине параметров тока и напряжения, на рынке их большое множество, но самым продвинутым считается элемент типа КР142ЕН12.

Чем больше емкость конденсатора, тем лучше уровень сигнала на выходе, он имеет правильную форму и стремится к прямой линии.

Серия LM 78xx

Данные регуляторы напряжения имеют выходной ток до 1А, и выходное напряжение: 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18, 24. Кроме того в этих конденсаторах есть тепловая защита от перегрузок и защита от коротких замыканий.

Серия LM 79xx

Эти регуляторы напряжения имеют значения схожие с серией 78xx. В них также реализована тепловая защита от больших перегрузок и защита от замыканий.

Вспомогательные узлы

В конструкции можно реализовать вспомогательные узлы, например, индикаторы или переключатели напряжения. Главное не переусердствовать и делать устройство согласно всем нормам и рекомендациям.

Индикаторные светодиоды

В конструкции можно продумать светодиодные индикаторы, которые применяются в заводских блоках и подзарядных устройствах. Светодиоды служат сигнализатором о том, что полезная работа трансформатора производится и напряжение соответствует требуемому значению.

Амперметр и вольтметр

Для произведения расчетов и подбора элементов, а также для правильной сборки блока питания необходимо использовать амперметр и вольтметр.

Схема самодельного источника питания

Схемы как собрать самодельный блок питания трансформаторного типа представлены были выше, но для удобства предлагаем для ознакомления еще одну схему, с понятными обозначениями.

На данной схеме изображен понижающий трансформатор с двумя обмотками и диодный мост для выпрямления.

Это простая схема, которая позволяет собрать самодельный источник питания с трансформатором любому начинающему электрику.

Как паять

Для сборки используется печатная плата из фольгированного диэлектрика. Сначала рисуется схема, затем на заготовку платы наносится рисунок и производится протравка. После этого засверливаются отверстия для крепления каждого элемента схемы блока.

Правила выбора комплектующих

Чтобы сделать своими руками блок питания с трансформатором необходимо правильно подобрать комплектующие. В данной статье мы разобрались как подсчитать значения необходимых элементов устройства, какие трансформаторы, выпрямители и фильтры можно использовать в блока питания этой разновидности. Для удобства предлагаю таблицу ниже, она поможет при выборе комплектующих:

В данной таблице приведены оптимальные значения и соотношения мощности устройства и технических характеристик всех компонентов, используемых в конструкции. Емкость конденсаторов должна обеспечивать заданную пульсацию в расчете 1мкФ на 1Вт в показателях мощности на выходе. Электролитический конденсатор должен выбираться для напряжения от 350В.