З чого складається імпульсний блок живлення, частина 3

Що взагалі таке — інвертор.
Цей вузол призначений для перетворення постійного струму на змінний. У цьому випадку на вході маємо 310 Вольт постійного струму, які треба подати на трансформатор. Але оскільки трансформатори не хочуть працювати на постійному струмі, то й потрібен інвертор.


Інвертор складається з двох основних вузлів.
ШІМ-контролера.


А також вихідних високовольтних транзисторів. До речі, у кадр дуже доречно потрапив трансформатор керування цими транзисторами.


Втім, інвертор може виглядати значно простіше, наприклад, у відомому блоці живлення.


Мікросхема, жменька деталей — ось і весь ШІМ-контролер.


У цьому випадку схемотехніка блока живлення, а також його потужність помітно відрізняються від попереднього варіанта, тому транзистор лише один.


Ще один варіант: ліворуч конденсатори вхідного фільтра, праворуч трансформатор, між ними — інвертор.
Оскільки на силовому транзисторі розсіюється значна потужність, його найчастіше встановлюють на радіатор.


Але давайте трохи відволічемося на історію — з чого, власне, все починалося. Можливо, звісно, починалося не з цього, тому точніше буде сказати: з чого починав я.
Як ви розумієте, раніше не було ШІМ-контролерів, а іноді й звичайну «кренку» було проблематично купити. Але прогрес не стояв на місці, і радіоаматори намагалися замінити великі трансформатори імпульсними блоками живлення.
На схемі показано типовий автогенератор, але були й схеми з простою логікою як генератором імпульсів.


Тоді схеми подібних блоків живлення часто траплялися в журналі «Радіо» в контексті підсилювачів потужності. Але я познайомився з ними на прикладі блока живлення для «Сінклера». До речі, на фото один із них, який я залишив собі на згадку :)
Щоправда, у наведеній вище схемі потрібно було підбирати транзистори, а в моєму випадку вона сильно перегрівалася.


Схема з автогенератором вважається найпростішою. У цьому прикладі вона навіть не має стабілізації вихідної напруги.


Попри все сучасне розмаїття мікросхем, наведена вище схема знайшла застосування і в сучасному світі — як «електронний трансформатор» для галогенних ламп.


Щоправда, поступово такі лампи замінюють світлодіодами, але електронні трансформатори все одно досить популярні, переважно через свою простоту й дешевизну.


Через досить тривалий час подібні схеми отримали друге дихання. Відома фірма International Rectifier випустила дуже просту мікросхему для електронного баласта люмінесцентних ламп. Але з'ясувалося, що ця мікросхема чудово працює як задавальна для імпульсного блока живлення. До них належать мікросхеми IR2151, IR2153 та подібні.
Загалом деякі радіоаматори робили на базі цієї мікросхеми й стабілізовані блоки живлення, але це не завжди працює коректно.


По суті, для цієї мікросхеми потрібні лише кілька дрібних деталей і пара польових транзисторів — ось і вся схема інвертора. Саме з використанням цієї мікросхеми я зробив первинний блок живлення для свого лабораторного блока.
До речі, саме цю мікросхему я рекомендую для живлення підсилювачів потужності як невибагливу й досить надійну. Також хочу сказати, що нерегульовані блоки живлення краще поводяться з погляду шумів.


Так виглядає триканальний блок живлення потужністю 300 Ватт із ШІМ-регулюванням вентилятора. Докладніша інформація є в огляді лабораторного блока живлення.


Також досить часто можна зустріти й однотактні блоки живлення на основі автогенератора. Особливо часто вони траплялися в блоках ATX як чергове живлення.


Також вони можуть трапитися і в дуже бюджетних зарядних пристроях для телефонів. Автогенератор — найпростіший тип інвертора.


Хоча бувають і винятки: наприклад, блок живлення досить дорогого фірмового кондиціонера також мав у своєму складі автогенератор, щоправда, зроблений досить якісно й зі стабілізацією напруги.


Наступного разу імпульсні блоки живлення трапилися мені в тоді ще нових телевізорах. Після великих і важких трансформаторів це був прогрес.


Схемотехніка, щоправда, була жахлива, ремонтопридатність низька, та й габарити маленькими не назвеш. На фото блок живлення потужністю 80 Вт.
Спочатку їх також виготовляли за схемою з автогенератором, але згодом почали встановлювати мікросхему. Щоправда, особливо нічого це не змінило.


Ось ми й підійшли до теми сучасніших інверторів, адже на цьому етапі блоки живлення досягли того схемотехнічного рівня, який ми спостерігаємо в сучасних блоках.
Так, підвищували частоту, розширювали діапазон роботи й збільшували потужність, але суть залишилася такою самою, як і 30 років тому. Щоправда, оскільки тоді інтегральні ШІМ-контролери були недостатньо розвинені, їх виготовляли у вигляді збірок.


Втім, і в сучасних блоках живлення не соромляться застосовувати такі уніфіковані модулі — по-своєму це навіть зручно.


Типова структурна схема поширених моделей інверторів складається з п’яти вузлів.
1. Вузол контролю напруги живлення, захист від роботи за зниженої та підвищеної напруги.
2. Допоміжне живлення або коло запуску.
3. Силовий елемент і датчик струму. Цей вузол може помітно відрізнятися залежно від топології блока живлення.
4. Власне ШІМ-контролер — мозок блока живлення.
5. Вузол основного живлення ШІМ-контролера.


Розгляньмо, як запускається більшість блоків живлення. Ця інформація може допомогти під час пошуку несправностей.
Після подавання високої напруги вона через резистор потрапляє в коло живлення ШІМ-контролера.


Щойно напруга досягне порога ввімкнення, ШІМ-контролер запускається, живлячись у цей час від конденсатора в колі живлення.
Якщо ваш блок живлення не подає ознак життя, перевірте, чи є живлення на вході ШІМ-контролера: іноді ці резистори обриваються.


Потім ШІМ-контролер перевіряє, чи все гаразд із напругою живлення. Таке коло є далеко не в усіх інверторах, тож якщо його немає, можна відразу перейти до наступного кроку.


Якщо з живленням усе гаразд, контролер починає подавати керувальні імпульси на силовий транзистор. Водночас контролюється струм у колі цього транзистора, і якщо він перевищує допустиме значення, ШІМ-контролер переходить у режим захисту.


Якщо все гаразд, то буквально за кілька тактів на виході кола основного живлення з’являється робоча напруга, яка й живить контролер. До речі, це один із вузлів, де може статися відмова: якщо живлення немає, блок живлення працюватиме в режимі старт-стоп.


Якщо всі етапи запуску пройшли правильно, далі в роботу вступає ШІМ-стабілізація. У цьому випадку я завжди порівнюю її з бочкою, у яку ми порціями подаємо воду й зливаємо її через інший кран із різним напором. Завдання контролера — завжди підтримувати в бочці однаковий рівень води, хоча впускний кран може бути лише у двох станах: відкритий і закритий.
До речі, багато хто бачив на виході блоків живлення резистор, підключений паралельно до живлення. Він потрібен, щоб забезпечити певне мінімальне навантаження, адже блоку живлення важко працювати за дуже малої ширини імпульсу.

Для прикладу — ширина імпульсів за невеликого навантаження.


Якщо збільшити навантаження, ШІМ-контролер збільшить подавання енергії в трансформатор, а через нього — у навантаження.


Навіть якщо, наприклад, навантажити блок живлення на повну, ширина імпульсів не буде максимальною.


Запас потрібен для компенсації зниження вхідної напруги.


Якщо ще більше знизити вхідну напругу, ШІМ-контролер просто встановить максимальну ширину імпульсу. До речі, ШІМ-контролери блоків живлення не формують заповнення 100%, оскільки для захисту вихідних транзисторів завжди потрібен «мертвий» час. У цей час вихідні транзистори закриті.
Для однотактних обратноходових блоків живлення, а саме їх використовують як блоки живлення невеликої потужності, максимальне заповнення становить 50%.


Першим ШІМ-контролером, з яким я познайомився, була легендарна TL494. Мікросхема дуже стара, але так склалося, що розробник має дешевий і дуже універсальний контролер, і навіть через багато років, попри появу сучасних рішень, його й досі досить широко застосовують у блоках живлення.
Її випускають багато виробників, іноді під різними назвами. Наприклад, аналог від Samsung називається KA7500.


На перший погляд її внутрішня будова може здатися досить складною, але насправді це не так.


Якщо трохи спростити схему, вийде приблизно так:
1 і 2 — стабілізатор живлення та джерело опорної напруги.
3. Генератор імпульсів, задає частоту роботи контролера.
4. Два компаратори: один зазвичай використовують для стабілізації струму, другий — напруги.
5. Задавач мертвого часу, тобто мінімальної паузи між відкритими станами виходів.
6. Вузол підсумовування всіх сигналів.
7. Тригер, який керує вихідними ключами та задає логіку роботи — двотактний або однотактний режим. У деяких аналогах цей тригер давав збої на частотах нижче 100 Гц, завдаючи чимало клопоту розробникам підвищувальних інверторів на 220 Вольт.


Мікросхему виконано в корпусі з 16 виводами. Сама по собі вона надійна, але іноді в блоках живлення ATX, де живлення надходить від джерела чергової напруги, виходить з ладу після того, як воно йде в рознос через висихання вихідного конденсатора на 5 Вольт. Пробиває стабілізатор опорної напруги, і на виході БЖ цілком може з'явитися висока напруга. Тому під час перевірки насамперед слід перевірити наявність 5 Вольт на виводі 14.


У блоках живлення AT, а згодом і в поширених китайських БЖ у кожусі, вона живиться від власного силового трансформатора. Запуск відбувається завдяки резисторам у базових колах силових ключів. Під час увімкнення вони спочатку переходять в автогенераторний режим, на виході трансформатора з'являється невелика напруга, мікросхема починає працювати й перебирає керування на себе. Тому, якщо БЖ не запускається, насамперед перевіряємо резистори, виділені на схемі.


Другим, не менш легендарним ШІМ-контролером є сімейство однотактних UC384х.
Думаю, ви могли зустрічати їх раніше в блоках живлення та перетворювачах напруги.


Внутрішня будова дуже схожа на TL494, але має деякі відмінності. Для початку, у мікросхеми лише один вихід, а не два.
Крім того, компаратори прив'язані до певної напруги, заданої всередині мікросхеми, а не є універсальними.
І, звісно, ключова особливість — запуск із мікрострумом. Поки мікросхема не почне працювати, вона споживає дуже малий струм, тому її можна запустити безпосередньо від вхідної напруги через резистор. TL494 так не вміє.
Для коректного запуску мікросхема має порогову схему, яка визначає напругу її ввімкнення та вимкнення. Є два варіанти — приблизно 9 і 15 Вольт.
Крім того, мікросхема може мати робочий цикл 50 і 100%: перший варіант використовують у блоках живлення, другий — у перетворювачах напруги.
Так маємо чотири варіанти виконання цього контролера.


Мікросхему випускають у різних корпусах, але найпоширеніший — корпус із вісьмома виводами.


Типова схема блока живлення з цією мікросхемою має приблизно такий вигляд.


Зараз на ринку є багато блоків живлення з іншими мікросхемами, але якщо подивитися на їхні схеми, то побачите багато спільного — ті самі вузли й елементи. Якщо відмінності й є, то вони мінімальні.


Інвертори блоків живлення можуть мати різну топологію, і про це я обов'язково розповім окремо, але більшість виконано за схемами флайбек або напівмоста — це дві верхні схеми на кресленні. Власне, усі описані сьогодні блоки живлення працюють саме так.


Але повернімося до ШІМ-контролерів. Раніше я описував варіанти, коли ШІМ-контролер окремий, а силовий вузол — окремо. Але поширення набули й повністю інтегровані контролери, наприклад серії TOP від Power Integrations, де практично все зібрано в одному корпусі.
Не так давно мені навіть трапилася підробка. Цікаво, що вона ліворуч, із лазерним маркуванням, а праворуч — оригінал.


Вони набули поширення завдяки найпростішій схемотехніці: у простому варіанті блок живлення складається буквально з кількох деталей.


Згодом з'явилися досконаліші контролери, у яких можна задавати напругу ввімкнення та вимкнення, а також обмеження вихідної потужності. Але за бажання їх можна перевести в режим із трьома виводами, з’єднавши виводи, як було на попередньому фото.
Але в будь-якому разі ці контролери набагато розумніші й мають комплексний захист від різних проблем. Наприклад, вони витримували напругу понад 300 Вольт на вході, просто блокуючи свою роботу.


Але секрет їхньої популярності полягав також у зручній програмі розрахунку, яку надавав виробник. Вона давала змогу розрахувати все, аж до укладання обмоток трансформатора. А якщо в розрахунках виявлялися проблеми, програма видавала підказки.


Виробник надавав приклади застосування своїх мікросхем. Був навіть варіант комп’ютерного блока живлення, але якось не прижився.


Зате в невеликих блоках живлення, наприклад моніторів, вони трапляються досить часто.


Крім того, я й сам дуже активно використовую їх уже, мабуть, років 15.



Китайські виробники теж не відстають і випускають власні варіанти подібних мікросхем.


Їх досить успішно застосовують у невеликих блоках живлення


До речі, за бажання можна використовувати ШІМ-контролери й без зворотного зв’язку за вихідною напругою, використовуючи обмотку живлення самого контролера. Схема спрощується, але стабільність, звісно, буде трохи нижчою, ніж за правильного зворотного зв’язку.



Загалом це все. Іноді мені здається, що що більше я розповідаю, то більше залишається за кадром — ще стільки всього хотілося б розповісти докладніше, але не встигаєш. Тож, найімовірніше, будуть ще випуски про окремі вузли та принципи роботи.
Відео вийшло надто довгим, навіть сам не очікував, хоча ще майже нічого не розповів про ключові транзистори, а дещо навіть вирізав. Мабуть, забагато базікаю :(


Кілька посилань на корисні огляди, які згадувалися у відео.
Непоганий модуль DC-DC ZXY6005S або лабораторний блок живлення своїми руками
Блок живлення 12 Вольт, 6-8 Ампер, який приємно здивував
Блок живлення 12 Вольт, 5 Ампер, або як це могло бути зроблено
Перетворювач DC-DC: як це іноді буває
S-180-12 180W 12V / 15A — блок живлення у незвичному формфакторі
36 Вольт, 10 Ампер, 360 Ватт, або продовжуємо вивчати будову блоків живлення + невеликий бонус
48 Вольт, 5 Ампер і 240 Ватт, або блок живлення, який зміг здивувати
Блоки живлення — маленькі й дуже маленькі