Mazda4you.ru

Мазда №4
70 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Импульсный электродуговой сварочный аппарат

Импульсный электродуговой сварочный аппарат

В нашем коллективе давно витала идея создания небольшого, компактного, лёгкого, но в то же время приемлемого по параметрам сварочного аппарата. Однако, наша частичная безграмотность и неосведомлённость не позволяла нам решить проблему, так сказать, "с ходу".

Единственное, что мы знали, что напряжение холостого хода у всех "обычных" аппаратов — около 60-ти вольт, а токи достигают 150-200 ампер.

Но. но тут мы узнали, что идея наша не нова, и некоторые уже для себя её давным давно решили. Одним умельцем был изготовлен электродуговой сварочный аппарат, который при токе сварки от 30-ти до 80-ти ампер имел вес всего 7.5 кг и запросто умещался в дипломате.

Некоторые скажут: "Маловато! Маловато будет!". А что, для того, чтобы варить автомобиль вполне достаточно, да и забор на даче в случае чего подварить хватает.

Главное, что этот аппарат можно было подключать в обычную бытовую розетку

220 вольт! (Его КПД — больше 85%).

Этот сварочный аппарат послужил прообразом для воплощения нашей идеи.

Естественно, что в первоначальную схему было внесено масса изменений.

Во-первых, возбуждение преобразователя было сделано от внешнего генератора (в той схеме преобразователь "самовозбуждающийся" с насыщающимся выходным трансформатором).

Во-вторых, добавлена схема "мягкого" запуска для предотвращения перегорания диодов сетевого выпрямителя в момент включения в сеть.

В-третьих, для измерения тока первичной обмотки (а вместе с ним и во вторичной) был применён компаратор 554СА3 (вместо схемы на транзисторе КТ315 и тиристоре КУ112).

В-четвёртых, были разделены выходные обмотки и выходные выпрямители.

После всех доработок, изменений и расчётов была рождена схема, с которой мы вас сейчас познакомим.

Преобразователь. Силовая часть сварочного аппарата

Ниже приведена так называемая "силовая" часть.

Спецификация деталей "силовой части"
Схема управления: задающий генератор, компаратор, схема запуска.

Схема управления и часть схемы запуска:

Спецификация деталей схемы управления
Обозначение на схеме Марка элемента Примечания
ДИОДЫ
VD1 КД503 Любой маломощный
ТРАНЗИСТОРЫ
VT1, VT8, VT9 КТ315 Возможны любые аналоги
VT2 — VT5 КТ361 Возможны любые аналоги
VT6, VT7 КТ605БМ Возможны любые аналоги
МИКРОСХЕМЫ
DA1 К155ЛА3 (ЛА12) Возможны любые аналоги
DA2 К544СА3
DA3 К155АГ3
DA4 К155ТМ2 (К1531ТМ2) Возможны любые
DA5 К155ЛА1 (К155ЛА6) Возможны любые аналоги
РЕЗИСТОРЫ
R1, R2, R5, R8, R10 2,2-4,7 кОм В зависимости от применяемых микросхем
R3 27 кОм
R4 4,3 кОм
R6 Подбирается при настройке В справочнике по микросхемам под редакцией Шило есть графики расчёта длительностей импульсов, получаемых с одновибратора 155АГ3
R7 Подбирается при настройке
R9 330 Ом
R11, R13, R15, R17 3,3 кОм
R12, R14, R16, R18 2,7 кОм
R19, R21 680 Ом
R20, R22 1,5 кОм
R23, R24 1,2 кОм
КОНДЕНСАТОРЫ
C1 1000 пФ
C2 56 пФ
C3 Подбирается при настройке В справочнике по микросхемам под редакцией Шило есть графики расчёта длительностей импульсов, получаемых с одновибратора 155АГ3
C4 Подбирается при настройке
C5 1000 пФ
Чертеж печатной платы:
Схема расположения элементов на плате

Обратите внимание, что схема ''мягкого запуска'' (кроме элементов R1, C2) размещена на плате управления.

Вид устройства в сборе

На фото слева не показаны:

  • корпус устройства с дополнительными вентиляторами;
  • элементы крепления к корпусу;
  • плата управления (крепится на корпусе устройства и соединяется гибким жгутом к плате управления токовыми ключами);
  • разъём "сварочного тока";
  • сетевой фильтр и предохранительный автомат (крепятся на корпусе устройства).

Как известно, напряжение на дуге в режиме сварки обычно составляет около 20-24 вольт. В режиме разрезания металла напряжение может достигать и 30-36 вольт.

Для поддержания дугового разряда достаточно не очень высокого ннапряжения пробоя, всего несколько вольт. Но для нормальной "поддержки" дугового разряда время деионизации молекул газа (воздуха, продуктов "горения") в зоне дуги должно быть значительно больше времени восстановления напряжения пробоя ионизированного газа.

Для сухого воздуха со стандартным атмосферным давлением это время составляет около 50-ти миллисекунд. Для восстановления дуги при таких условиях необходимо напряжение пробоя выше 25-30ти вольт. "Обычный" сварочный аппарат (трансформаторный) работает от сети переменного тока частотой 50Гц, при этом время восстановления дуги не может превышать 20-25мс.

По причине этого сварочные аппараты переменного тока обычно имеют напряжение холостого хода 60-80 вольт. Время восстановления в среднем составляет 25-35 миллисекунд.

Для увеличения стабильности дуги желательно, чтобы источник (в данном случае трансформатор) имел достаточно большую индуктивность. Но, с другой стороны, увеличение индуктивности сварочного трансформатора ведёт к увеличению его реактивного сопротивления, а значит к уменьшению тока на дуге.

Очень часто сердечник сварочного трансформатора выполняют ввиде незамкнутого магнитопровода с регулируемым зазором. По этим причинам сварочные аппараты переменного тока имеют достаточно узкий диапазон регулировки тока, большие габариты, вес и низкий КПД.

У аппаратов постоянного тока элементом стабилизации тока служит отдельный дроссель (иногда два дросселя). Время восстановления дуги у таких сварочных аппаратов может быть сокращено до 10-25мс, за счёт этого напряжение холостого хода может быть понижено до 40-50В.

Казалось бы теперь индуктивность стабилизируещего дросселя можно увеличивать и увеличивать, но при слишком большой индуктивности дросселя становится достаточно трудно зажечь дугу, возникает так называемый "эффект прилипания электрода".

Чтобы добиться хорошей стабильности дугового разряда и хорошего "зажигания" желательно, чтобы индуктивность стабилизирующего дросселя была низкой (для быстрого увеличения тока в момент зажигания) и частота тока была как можно выше (чтобы уменьшить время восстановления дуги).

Как известно, в промышленной электросети напряжение переменного тока составляет 220 вольт, а частота — 50 герц, и с этим приходится мириться. Увеличить частоту переменного тока можно только используя выпрямитель и преобразователь напряжения. Также, по причине того, что трансформатор сварочного аппарата кроме активного сопротивления имеет также и реактивное (без нагрузки трансформатор работает как индуктивность), то даже при отсутствии тока во вторичной обмотке, через первичную обмотку всё равно протекает достаточно большой ток.

Хотя при "холостом ходе" сварочный аппарат потребляет не очень большое количество энергии, реактивная составляющая тока может быть достаточно велика. При работе аппарата вектора "реактивного" и "активного" токов складываются, и суммарный ток может достигать значительных величин. По этой причине обычный сварочный аппарат нельзя подключать к бытовой электрической розетке, так как электрические провода должны иметь достаточно большое сечение, и предохранительные "автоматы" должны быть расчитаны на большой ток (до 50-ти и более ампер).

Габариты и масса стандартных сварочных аппаратов также не позволяют использовать их в качестве переносных. При работе, для того, чтобы не переносить сам аппарат, сварщики просто используют длинные соединительные провода. Сечение таких проводов доходит до 20-ти и более кв.мм. Естественно, что и стоимость самих соединительных проводов (в денежном эквиваленте) может быть сопоставима со стоимостью самого сварочного аппарата.

Также любой сварочный аппарат имеет такой параметр, как КПВ, выраженный в процентах (отношение: время работы/время остывания + время работы). В редких случаях данный параметр превышает 80%, чаще всего встречаемый параметр КПВ=50% (тут имеются ввиду режимы максимальных токов).

Многие производители указывают кроме КПВ также и продолжительность непрерывной работы, которая иногда не превышет дву-трёх минут.

Сварочный аппарат постоянного тока, собранный по схеме "Выпрямитель -> Вч. преобразователь -> Выпрямитель+дроссель" лишён указанных недостатков. В силу того, что отсутствуют реактивные токи в питающей сети, а при работе аппарата практически 85% энергии "идёт в дело", данный аппарат можно безболезненно подключать к обычной бытовой розетке, не беспокоясь о том, что проводка может перегореть (потребляемая аппаратом мощность при максимальных режимах работы немногим больше превышает мощность бытового утюга).

КПД у такого аппарата, если и не 100%, то, во всяком случае, где-то рядом, да и продолжительность непрерывной работы намного больше, чем 20 минут. Если учесть вес аппарата — не более 10 кг -, то отпадает необходимость в длинных соединительных проводах, гораздо проще просто поднести аппарат к месту работы.

Сечение проводов также можно уменьшить. Для "сварочных" проводов достаточно сечения 12 кв.мм. (при длинне 2-3 метра), а в качестве "питающих" проводов вполне можно употреблять бытовые электроудлинители, важно только, чтобы максимальный ток для выбранного удлинителя был не менее 10-ти ампер.

Читать еще:  Как отрегулировать зазоры по кузову автомобиля

Хочу также отметить, что если Вы всё-таки соберёте себе такую штуковину, то останетесь весьма довольны ею. Никто из нас никаких навыков сварщика никогда не имел, однако, когда пришла необходимость подварить калитку на даче, агрегат здорово выручил.

Несмотря на то, что "дачное" напряжение — было далеко не 220V, дуга была стабильной, зажигалась с пол-пинка, не было эффекта прилипания электрода, да и получившийся шов был по качеству как у заправского сварщика.

Конечно же, без трудовых и материальных затрат не обойтись, но, себестоимость нашего агрегата (по крайней мере для нас) оказалась куда ниже, чем цены того двухпудового дерьма, что продаётся сейчас на каждом углу (даже с импортными наклейками).

Как работает простой и мощный импульсный блок питания

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

  1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
  2. Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Структурная схема импульсного блока питания

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

  • Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
  • Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
  • На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
  • Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

  • Далее вступает в работу выходной выпрямитель, поскольку он работает с высокочастотным напряжением, для процесса необходимы быстродействующие полупроводниковые элементы, поэтому для этой цели применяют диоды Шоттки.
  • На завершавшей фазе производится сглаживание на выгодном фильтре, после чего напряжение подается на нагрузку.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

  • частотно-импульсным;
  • фазо-импульсным;
  • широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется UП пилообразной формы, поступающее на вход компаратора КШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал UУС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности UП (опорное напряжение) и UРС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал UУС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (UOUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала UРС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

  • Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
  • Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
  • Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
  • Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
  • Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

Зарядки и внешние БП

  • различные виды зарядных устройств; Зарядки и внешние БП
  • внешние блоки питания;
  • электронный балласт для осветительных приборов;
  • БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.
Читать еще:  Зажигание от скутера на яву регулировка

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

  • Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
  • Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
  • Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
  • Транзистор VT1 – KT872A.
  • Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
  • Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
  • Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Как сделать импульсный блок питания своими руками?

Если нет желания устанавливать громоздкий трансформатор или создавать намотку, можно своими руками собрать блок питания импульсного типа, который требует трансформатора всего с несколькими витками.

импульсный блок питания

При этом, потребуется небольшое количество деталей, а работу можно выполнить за 1 час. В данном случае, основой для блока питания используется микросхема IR2151.

Для работы понадобятся следующие материалы и детали:

  1. PTC термистор любого типа.
  2. Пара конденсаторов, которые выбираются с расчетом 1мкф. на 1 Вт. При создании конструкции подбираем конденсаторы так, чтобы они вытянули 220 Вт.
  3. Диодная сборка типа «вертикалка».
  4. Драйвера типа IR2152, IR2153, IR2153D.
  5. Полевые транзисторы типа IRF740, IRF840. Можно выбрать и другие, если у них хороший показатель сопротивления.
  6. Трансформатор можно взять из старых компьютерных системных блоков.
  7. Диоды, устанавливаемые на выходе, рекомендуется брать из семейства HER.

Кроме этого, понадобятся следующие инструменты:

  1. Паяльник и расходные материалы.
  2. Отвертка и плоскогубцы.
  3. Пинцет.

Также, не стоит забывать и о необходимости хорошего освещения на месте работы.

Пошаговая инструкция

Сборка проводится согласно составленной схеме цепи. Микросхема была подобрана согласно особенностям цепи.

Сборка проводится следующим образом:

  1. На входе устанавливаем PTC термистор и диодные мосты.
  2. Затем, устанавливается пара конденсаторов.
  3. Драйвера необходимы для регулирования работы затворов полевых транзисторов. При наличии у драйверов индекс D в конце маркировки устанавливать диод FR107 не нужно.
  4. Полевые транзисторы устанавливаются без закорачивания фланцев. При проведении крепления к радиатору, используют специальные изоляционные прокладки и шайбы.
  5. Трансформаторы устанавливаются с закороченными выводами.
  6. На выходе диоды.

Проверка

проверка импульсного блока питания

Для того, чтобы правильно собрать блок питания, нужно внимательно отнестись к установке полярных элементов, а также следует быть осторожным при работе с сетевым напряжением. После отключения блока от источника питания, в цепи не должно оставаться опасного напряжения. При правильной сборке, последующая наладка не проводится.

Проверить правильность работы блока питания можно следующим образом:

  1. Включаем в цепь, на выходе лампочка, к примеру,12 Вольт. При первом кратковременном пуске, лампочка должна гореть. Кроме этого, следует обратить внимание на то, что все элементы не должны нагреваться. Если что-то греется, значит, схема собрана неправильно.
  2. При втором пуске замеряем значение тока при помощи тестера. Даем проработать блоку достаточное количество времени для того, чтобы убедиться в отсутствии нагревающихся элементов.

Кроме этого, нелишним будет проверка всех элементов при помощи тестера на наличие высокого тока после выключения питания.

Рекомендации по сборке:

  1. Как ранее было отмечено, работа импульсного блока питания основана на обратной связи. Рассматриваемая схема не требует специальной организации обратной связи и различных фильтров по питанию.
  2. Особое внимание следует уделить выбору полевых транзисторов. В данном случае, рекомендуются полевые транзисторы IR, которые славятся устойчивостью к тепловому разрешению. Согласно данным производителя, они могут стабильно работать до 150 градусов Цельсия. Однако, в этой схеме они не сильно нагреваются, что можно назвать весьма важной особенностью.
  3. Если нагрев транзисторов происходит постоянно, следует устанавливать активное охлаждение. Как правило, оно представлено вентилятором.

Достоинства и недостатки

импульсный блок питания

Импульсный преобразователь имеет следующие достоинства:

  1. Высокий показатель коэффициента стабилизации позволяет обеспечить условия питания, которые не будут вредить чувствительной электронике.
  2. Рассматриваемые конструкции обладают высоким показателем КПД. Современные варианты исполнения имеют этот показатель на уровне 98%. Это связано с тем, что потери снижены до минимума, о чем говорит малый нагрев блока.
  3. Большой диапазон входного напряжения – одно из качеств, из-за которого распространилась подобная конструкция. При этом, КПД не зависит от входных показателей тока. Именно невосприимчивость к показателю напряжения тока позволяет продлить срок службы электроники, так как в отечественной сети электроснабжения прыжки показателя напряжения частое явление.
  4. Частота входящего тока оказывает влияние на работу только входных элементов конструкции.
  5. Малые габариты и вес, также обуславливают популярность из-за распространения портативного и переносного оборудования. Ведь при использовании линейного блока вес и габариты увеличиваются в несколько раз.
  6. Организация дистанционного управления.
  7. Меньшая стоимость.

Есть и недостатки:

  1. Наличие импульсных помех.
  2. Необходимость включения в цепь компенсаторов коэффициента мощности.
  3. Сложность самостоятельного регулирования.
  4. Меньшая надежность из-за усложнения цепи.
  5. Тяжелые последствия при выходе одного или нескольких элементов цепи.

Устройство и особенности работы

При рассмотрении особенностей работы импульсного блока, можно отметить следующие:

  1. Сначала происходит выпрямление входного напряжения.
  2. Выпрямленное напряжение в зависимости от предназначения и особенностей всей конструкции, перенаправляется в виде прямоугольного импульса высокой частоты и подается на установленный трансформатор или фильтр, работающий с низкими частотами.
  3. Трансформаторы имеют небольшие размеры и вес при использовании импульсного блока по причине того, что повышение частоты позволяет повысить эффективность их работы, а также уменьшить толщину сердечника. Кроме этого, при изготовлении сердечника может использоваться ферромагнитный материал. При низкой частоте, можно использовать только электротехническую сталь.
  4. Стабилизация напряжения происходит при помощи отрицательной обратной связи. Благодаря использованию данного метода, напряжение, подаваемое к потребителю, остается неизменным, несмотря на колебание входящего напряжения, и создаваемой нагрузки.

Обратная связь может быть организована следующим образом:

  1. При гальванической развязке, используется оптрон или выход обмотки трансформатора.
  2. Если не нужно создавать развязку, используется резисторный делитель напряжения.

Подобными способами выдерживается выходное напряжение с нужными параметрами.

Стандартные блоки импульсного питания, который может использоваться, к примеру, для регулирования выходного напряжения при питании светодиодной лампы, состоит из следующих элементов:

  1. Часть входная, высоковольтная. Она, как правило, представлена генератором импульсов. Ширина импульса – основной показатель, оказывающий влияние на выходной ток: чем шире показатель, тем больше напряжение, и наоборот. Импульсный трансформатор стоит на разделе входной и выходной части, проводит выделение импульса.
  2. На выходной части стоит PTC термистор. Он изготавливается из полупроводника, имеет положительный показатель коэффициента температуры. Данная особенность означает, что при повышении температуры элемента выше определенного значения, значительно поднимается показатель сопротивления. Используется в качестве защитного механизма ключа.
  3. Низковольтная часть. С низковольтной обмотки проводится снятие импульса, выпрямление происходит при помощи диода, а конденсатор выступает в качестве фильтрующего элемента. Диодная сборка может провести выпрямление тока до значения 10А. Следует учитывать, что конденсаторы могут быть рассчитаны на различную нагрузку. Конденсатор проводит снятие оставшихся пиков импульса.
  4. Драйвера проводят гашение возникающего сопротивления в цепи питания. Драйвера во время работы проводят поочередное открытие затворов установленных транзисторов. Работа происходит с определенной частотой
  5. Полевые транзисторы выбирают с учетом показателей сопротивления и максимального напряжения при открытом состоянии. При минимальном значении, сопротивления значительно повышается КПД и уменьшается нагрев во время работы.
  6. Трансформатор типовой для понижения.

С учетом выбранной схемы, можно приступать к созданию блока питания рассматриваемого типа.

Собираем импульсный блок питания своими руками: пошаговая инструкция и схемы

Фото 1

Нередко радиолюбителям для электроснабжения схем и устройств от сети приходится сооружать импульсный блок питания своими руками.

Пошаговая инструкция позволит понять, как работают импульсные БП, которые предпочтительны в использовании, компактны, но сложнее устроены, чем обычные трансформаторные.

Читать еще:  Карбюратор не реагирует на регулировку винта холостого хода

Устройство

Как и в обычном БП, в импульсном основными узлами являются трансформатор и выпрямитель.

Фото 2

Принцип работы блока питания

Функция устройства состоит в двух действиях:

  1. преобразование сетевого напряжения, обычно до 12 или 24 В;
  2. выпрямление переменного тока.

Особенности работы

Причина усложнения схемы состоит в следующем: чем выше частота переменного тока, тем меньший требуется трансформатора и тем ниже в нем потери. Вот почему импульсные БП намного меньше своих обычных собратьев.

Схема

Фото 3

Импульсный БП состоит из следующих функциональных блоков:

  • фильтр. Не пропускает помехи из сети и обратно (генерируются самим БП);
  • выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Обычный диодный мост, дает на выходе почти ровное (с низким коэффициентом пульсаций) постоянное напряжение, равное действующему значению переменного селевого напряжения — 311 В;
  • инвертор. Состоит из быстро переключающихся силовых ключевых транзисторов и управляющей ими микросхемы. На выходе дает прямоугольный переменный ток. Процесс преобразования в инверторе называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а микросхему — ШИМ-контроллером. В рабочем режиме реализована обратная связь, потому в зависимости от мощности подключенной к БП загрузки, контроллер регулирует продолжительность открытия транзисторов, то есть ширину импульсов. Также благодаря обратной связи, компенсируются скачки напряжения на входе и броски, обусловленные коммутацией мощных потребителей. Это обеспечивает высокое качество выходного напряжения;
  • импульсный высокочастотный трансформатор. Понижает напряжение до требуемых 12 или 24 В;
  • выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Преобразует высокочастотное переменное напряжение в постоянное.

Фото 4

Дроссель переменного тока

Основной элемент сетевого фильтра — дроссель. Его сопротивление (индуктивное) возрастает с увеличением частоты тока, потому высокочастотные помехи нейтрализуются, а ток частотой 50 Гц проходит свободно. Дроссель работает тем эффективнее, чем больше размеры магнитопровода, толщина проволоки и больше витков. Дополнительно установленные конденсаторы улучшают фильтрацию, закорачивая высокочастотные помехи и отводя их на «землю».

Также емкостные сопротивления не позволяют в/ч помехам, генерируемым БП, поступать в сеть. Высокочастотный трансформатор отличается от обычного материалом магнитопровода: используются ферриты или альсифер. Выпрямитель после трансформатора собирается на диодах Шоттки, отличающихся высоким быстродействием.

Существует два способа генерации высокочастотного переменного тока:

  1. однотактная схема. Применяется в БП небольшой мощности — до 50 Вт (зарядки телефонов, планшетов и т.п.). Конструкция простая, но у нее велика амплитуда напряжения на первичной обмотке трансформатора (защищается резисторами и конденсаторами);
  2. двухтактная схема. Сложнее в устройстве, но выигрывает в экономичности (выше КПД). Двухтактная схема делится на три разновидности:
    1. двухполупериодная. Самый простой вариант;
    2. двухполярная. Отличается от предыдущей присутствием 2-х дополнительных диодов и сглаживающего конденсатора. Реализован обратноходовый принцип работы. Такие схемы широко применяются в усилителях мощности. Важная особенность: продлевается срок службы конденсаторов за счет того, что через них протекают меньшие токи;
    3. прямоходовая. Используется в БП большой мощности (В ПК и т.п. устройствах). Выделяется наличием габаритного дросселя, накапливающего энергию импульсов ШИМ (направляются на него через два диода, обеспечивающих одинаковую полярность).

    2-тактные БП отличаются схемой силового каскада, есть три модификации:

    1. полумостовая: чувствительна к перегрузкам, потому требуется сложная защита;
    2. мостовая: более экономична, но сложна в наладке;
    3. пушпульная. Наиболее экономична и потому весьма востребована, особенно в мощных БП. Отличается присутствием среднего вывода у первичной и вторичной обмоток трансформатора. В течение периода работает то одна, то другая полуобмотка, подключаемая соответствующим ключевым транзистором.

    Стабилизации выходного напряжения добиваются следующими способами:

    Фото 5

    • применением дополнительной обмотки на трансформаторе. Это самый простой способ, но и наименее действенный. Снимаемое с нее напряжение корректирует сигнал на первичной обмотке;
    • применением оптопары. Это более эффективный способ. Основные элементы оптопары — светодиод и фототранзистор. Схема устроена так, что протекающий через светодиод ток пропорционален выходному напряжению. Свечение диода управляет работой фототранзистора, подающего сигналы ШИМ-контроллеру.

    Таким образом, в данной методике контролируется непосредственно напряжение на вторичной обмотке, при этом отсутствует гальваническая связь с генератором ключевого каскада.

    Пошаговая инструкция

    Процесс изготовления импульсного БП выглядит так:

    Фото 6

    • выполняют расчет изделия в онлайн-калькуляторе (публикуются на многих сайтах) или специальной программе. В зависимости от желаемых характеристик БП, ПО подберет параметры всех элементов: конденсаторов, транзисторов, дросселей и пр.;
    • закупают все радиодетали;
    • в пластине текстолита в соответствии со схемой и размерами элементов высверливают отверстия. Далеко не всегда удается добиться желаемых характеристик с первого раза, ввиду чего схему приходится дополнять компенсаторами и прочими элементами. Необходимо оставить для них место на плате;
    • на схеме выбирают точки входа, помеченные символами «АС», припаивают предохранитель и далее один за другим все элементы согласно схеме;
    • выполняют проверку.

    ИБП на микросхеме

    Выпускается множество микросхем с функцией ШИМ-контроллера. Далее рассматривается несколько схем с использованием самых популярных из них.

    TL494

    Поскольку встроенные ключи данной микросхемы не обладают мощностью, достаточной для непосредственного управления силовыми транзисторами инвертора (T3 и T4), вводится промежуточное звено из трансформатора TR1 (управляющего) и транзисторов T1, T2.

    Фото 7

    Схема на микросхеме TL494

    Если в наличии есть старый БП от компьютера, управляющий трансформатор можно взять оттуда. Состав обмоток оставляют без изменений. В качестве силовых рекомендуется использовать биполярные транзисторы MJT13009 — схема окажется более надежной. При использовании транзисторов MJE13007, рассчитанных на меньший ток, схема будет рабочей, но слишком чувствительной к перегрузкам.

    Дроссели L5, L6 также извлекаются из поломанного компьютерного БП. Первый перематывают, поскольку в оригинальном исполнении он рассчитан на несколько уровней напряжения. На желтый магнитопровод (другие не подойдут) в виде кольца наматывают около 50 витков медного провода диаметром 1,5 мм. Силовые транзисторы T3, T4 и диод D15 в процессе работы сильно греются, потому устанавливаются на радиаторы.

    IR2153

    Из всех микросхем эта стоит дешевле всего, потому многие предпочитают собирать БП на ней. Здесь драйвер подключен не к шине +310 В, а через резистор к сети. При таком подключении снижена выделяемая на резисторе мощность.

    Фото 8

    Схема на микросхеме IR2153

    В схеме предусмотрены:

    1. ограничение пускового тока (мягкий старт или софт-старт). Компонент запитан от сети через гасящий конденсатор С2;
    2. защита от короткого замыкания и перегрузки. Сопротивление R11 используется как датчик тока. Ток срабатывания защиты регулируется подстроечным сопротивлением R10.

    О срабатывании защиты сообщает светодиод HL1. Напряжение на выходе — до 70 В, с двоякой полярностью. Число витков на первичной обмотке импульсного трансформатора — 50, на каждой из 4-х вторичных — 23. Выбор сечения проводов в обмотках и типа сердечника зависит от желаемой мощности.

    UC3842

    Еще одна недорогая микросхема, при этом весьма надежная и потому очень популярная. При включении ток, заряжающий конденсатор С2, ограничивается терморезистором R1.

    Схема на микросхеме UC3842

    Сопротивление последнего в этот момент составляет 4,7 Ом, затем по мере разогрева оно снижается на порядок, после чего данный элемент из схемы как бы «выключается». Стабилизация выходного напряжения — за счет обратной связи (петля «вторичная обмотка трансформатора Т1 – диод VD6 – конденсатор С8 – резистор R6 – диод VD5»).

    Напряжение петли задается резистивным делителем R2 – R3. Цепочка «R4 – C5» — таймер для внутреннего генератора импульсов UC3842. ШИМ-контроллер и прочие микросхемы устанавливаются на пластинчатые радиаторы с площадью не менее 5 кв. см.

    Проверка

    • подсоединяют выводы от микросхемы к лампе мощностью 40 Вт;
    • подключают устройство к сети. Лампа при этом слабо мигнет;
    • проверяют мультиметром соответствие выходного напряжения желаемому;
    • проверяют мультиметром импульс на затворах ключей;
    • замеряют напряжение постоянного тока на сглаживающих конденсаторах. В норме оно в 1,5 – 2 раза превышает переменное напряжение на диодном мосту.

    При верном значении всех величин включают БП с полной нагрузкой.

    Видео по теме

    Как сделать простой импульсный блок питания своими руками:

    Существует множество вариантов импульсных блоков питания. Представленные схемы достаточно надежны, выдают стабильное напряжение и одновременно доступны для изготовления любителем. Важно помнить об опасности работ с электричеством и не стесняться консультироваться со специалистами в сомнительных случаях.

    голоса
    Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector