Як влаштований блок живлення, частина 5

Як найпростішу схему я покажу варіант з одним діодом і конденсатором. Таку схему використовують у зворотноходових блоках живлення, які нині становлять переважну більшість.


У готовому блоці живлення вона має такий вигляд, як показано на цьому фото.
Такі блоки живлення найчастіше постачаються в комплекті з недорогою технікою.


Наступний крок — двопівперіодний випрямляч. Раніше я досить часто використовував цю схему, але останнім часом її витіснила інша, яку покажу пізніше.
Таку схемотехніку найчастіше можна зустріти в потужних блоках живлення. Особливо зручна вона в нерегульованих блоках на базі драйвера IR2151-2153, про які я розповідав у попередній частині.


Як я вже казав, вона добре підходить для побудови первинних джерел живлення, які не є стабілізованими, але мають високий ККД і можуть використовуватися для живлення інших пристроїв, наприклад, як цей блок живлення лабораторного джерела живлення.


Особлива перевага цієї схеми в тому, що її дуже легко переробити на двополярну й використовувати для живлення підсилювачів потужності. У такому варіанті додається лише пара діодів і конденсатор.


Коли потужності зворотноходової схемотехніки не вистачає, використовують її прямоходовий варіант. Тут під час одного такту енергія спочатку накопичується в дроселі, а потім через нижній діод надходить до навантаження. Ця схемотехніка дуже схожа на схему класичного знижувального перетворювача StepDown.


Визначити, що блок живлення зібраний за такою схемотехнікою, дуже просто: на платі буде великий дросель. Дроселі такого розміру в ролі фільтрувальних використовують украй рідко, тому помилитися складно.


Але є альтернативний варіант цієї схеми. Найчастіше його застосовують у комп'ютерних блоках живлення, і його витоки сягають перших БЖ формату AT.


Тут є накопичувальний дросель, а первинна обмотка силового трансформатора пов'язана з однією з обмоток трансформатора керування. Якщо вилучити дросель із цієї схеми, блок живлення вийде з ладу за навантаження, що перевищує певне значення.
Те саме стосується й попередньої схеми.


Відрізнити блоки живлення двох останніх типів дуже легко: ліворуч — БЖ, побудований за аналогією з блоком живлення формату AT, у нього одразу помітний трансформатор біля транзисторів; праворуч — однотактний прямоходовий, трансформатора тут немає.
Дроселі мають різні розміри, але це наслідок різної робочої частоти, а іноді й економії виробника. Менший дросель, найімовірніше, перегріватиметься під час роботи, та й схема може працювати ненадійно на максимальній потужності.


Найчастіше як вихідні діоди імпульсних блоків живлення використовують діоди Шотткі. Вони мають дві важливі переваги перед звичайними:
1. Падіння напруги на них у 1.5-2 рази менше
2. Вони швидші за звичайні діоди, тому мають менші втрати під час перемикання.

У блоках живлення, розрахованих на високу вихідну напругу, найчастіше застосовують звичайні діоди, оскільки пряме падіння напруги у високовольтних звичайних діодів і діодів Шотткі приблизно однакове. Але оскільки діоди Шотткі швидші, можна зменшити втрати на снаббері, тому я раджу застосовувати їх і тут.


Оскільки після випрямлення на конденсаторі будуть помітні пульсації, після нього встановлюють LC-фільтр, або, простими словами, дросель і конденсатор


Для прикладу — «народний» блок живлення, де добре видно і дросель, і два конденсатори.


Дросель не обов'язково буде великим — він цілком може бути зовсім мініатюрним. Щоправда, працюватиме він гірше, але це краще, ніж нічого.


Іноді дросель узагалі не встановлюють, хоча місце для нього є. Це банальна економія «на сірниках», тож я завжди рекомендую встановити дросель на це місце.


Для прикладу — рівень пульсацій без дроселя та з ним. Але варто враховувати, що після встановлення дроселя пульсації на першому конденсаторі зростуть, оскільки на нього припадатиме «ударний» струм. Зазвичай саме він виходить з ладу першим.


Поліпшити ситуацію можна, встановивши керамічні конденсатори паралельно електролітичним. Цей захід може суттєво полегшити режим роботи електролітів. Але варто мати на увазі, що ефективно вони працюють лише за відносно невеликої потужності БЖ, а точніше — за відносно невеликого струму. Звісно, можна встановити багато таких конденсаторів, але це дорого й громіздко.


Під час доопрацювання конденсатори можна припаяти безпосередньо до виводів електролітичних конденсаторів.
Я використовую конденсатори ємністю 0.1-0.47мкФ.


Щоб ще трохи поліпшити роботу, варто уважніше поставитися до трасування друкованої плати. Якщо розвести плату приблизно так, як я показав на схемі, пульсації можуть ще трохи зменшитися, тим паче що це безкоштовно.


І останній крок — установлення синфазного дроселя на виході блока живлення. Таке найчастіше застосовують у фірмових блоках живлення, які мають проходити сертифікацію за рівнем радіоперешкод. У дешевих майже ніколи не трапляється.


Тепер про вихідні конденсатори.
Якщо ви користуєтеся дешевими блоками живлення, то, найімовірніше, на виході побачите або взагалі безіменні моделі.


Або підробки під фірмові. Наприклад, у народному блоці живлення використовують підробки під Sanyo або Nichicon. Перевірити дуже просто — за маркуванням. Найімовірніше, ви або взагалі не знайдете конденсаторів такої серії, або в цій серії не буде такого номіналу з такими габаритами, як у вас, або зовні вони відрізнятимуться кольором, як у цьому випадку.
Такі підробки насправді не найгірший варіант, але краще використовувати фірмові конденсатори.
До речі, у двотактних БЖ конденсатори зазвичай служать довше, а вимоги до їхньої якості нижчі, ніж у однотактних обратноходових.


Але все одно краще використовувати саме фірмові конденсатори, а не сурогати з їхнім ім'ям. На фото — блок живлення фірми MEAN WELL.


Щоб полегшити роботу конденсаторів, замість одного-двох конденсаторів великої ємності встановлюють багато конденсаторів меншої ємності. У такому варіанті навантаження розподіляється краще, і конденсатори служать довше.


Схема стабілізації.
Найпростіший варіант — стабілізувати напругу за зворотним зв'язком із допоміжної обмотки трансформатора. Щоправда, це рішення найгірше з погляду стабільності, оскільки впливають магнітний зв'язок між обмотками та їхній активний опір, зате дешево.


Наступний варіант складніший: тут як пороговий елемент використано стабілітрон. У такому варіанті вихідна напруга БЖ дорівнюватиме падінню напруги на стабілітроні плюс напрузі на світлодіоді оптопари. Характеристики схеми так собі, але цілком прийнятні для некритичних навантажень.


Наприклад, блок живлення з такою стабілізацією. Зверху біля оптопари нічого немає.


Знизу розташовані стабілітрон і кілька резисторів.


Але значно кращі характеристики має схема з регульованим стабілітроном TL431. Вона працює набагато краще й точніше підтримує параметри, зокрема краще зберігає їх за зміни температури.


На платі вона зазвичай має такий вигляд, як на фото.


Він має приблизно такий вигляд, як звичайний транзистор у корпусі TO-92; відрізняється лише маркуванням. Цей варіант трапляється найчастіше. Альтернативний варіант, який можна зустріти, — корпус SMD SOT-23.


Розташування виводів у різних варіантах корпусу.


Наприклад, у «народному» блоці живлення використано варіант у корпусі SMD. На фото видно резистори дільника зворотного зв'язку та допоміжні резистори, наприклад резистор «підтягування» до живлення, щоб сформувати мінімальний робочий струм для стабілітрона.


Ще пара фото: зверху на платі нічого немає, а стабілітрон TL431 розташований знизу.



Іноді в коло зворотного зв'язку встановлюють підлаштувальний резистор. Але спочатку скажу кілька слів про те, як розраховується подільник.
Якщо застосовується стандартний подільник із двох резисторів, їхні номінали підбирають так, щоб за потрібної вихідної напруги в точці з’єднання було 2.5 Вольта — саме на цю напругу розрахована TL431. Але слід враховувати, що є й низьковольтніший варіант цієї мікросхеми — на 1.25 Вольта, хоча він трапляється значно рідше.
Тепер про підлаштувальний резистор. Для більшої зручності на платі може бути підлаштувальний резистор, який дає змогу змінювати вихідну напругу в невеликих межах, найчастіше +/- 10-20%. Більший діапазон не рекомендується, оскільки блок живлення може працювати нестабільно.
Підлаштувальний резистор завжди має бути послідовно з нижнім резистором подільника. Тоді в разі його виходу з ладу на виході блока живлення буде мінімальна напруга, а не максимальна, як було б, якби підлаштувальний резистор стояв угорі.
Крім того, підлаштувальні резистори часто мають низьку надійність, тож якщо ця функція вам не потрібна, краще замінити його на постійний, попередньо підібравши номінал.


На платі весь цей вузол має такий вигляд.


Кілька слів про вихідний навантажувальний резистор.
Імпульсний блок живлення погано працює без навантаження, тому паралельно до виходу зазвичай ставлять навантажувальний резистор, який забезпечує мінімально необхідне навантаження, за якого блок живлення працює стабільно.
У цього рішення є й мінус: резистор зазвичай нагрівається, іноді досить помітно. Крім того, він може нагрівати конденсатори, якщо вони стоять поруч, як на цьому фото.


Іноді вони нагріваються так, що на платі стають помітними сліди перегрівання. Але це нагрівання може також негативно позначитися на стабільності блока живлення, якщо він підігріває резистори подільника зворотного зв’язку, а ті звичайні, а не точні й термостабільні.
Резистори нагріваються, їхні параметри починають змінюватися, а разом із ними змінюється й вихідна напруга блока живлення. Тому рекомендується розташовувати резистори подільника так, щоб вони не нагрівалися. Крім того, краще використовувати точні резистори, на які нагрівання впливає значно менше.


Іноді виробники неправильно вибирають номінал навантажувального резистора, і він починає нагріватися сильніше, ніж допустимо. Наприклад, у 24 Вольта версії «народного» блока живлення була саме така ситуація — згодом довелося замінити його на резистор із удвічі більшим номіналом.


Щоб ваші блоки живлення працювали надійно, слід уважно поставитися до підбору компонентів.
Діоди вибирають із двократним запасом для двотактної схеми й трикратним — для однотактної. Наприклад, якщо блок живлення розрахований на 5-7 Ампер, ставимо діод на 15-20.
Допустима напруга має бути щонайменше вчетверо більшою за вихідну напругу блока живлення: якщо блок живлення на 12 Вольт, то діод на 60, якщо на 24 — то на 100.
Усі ці параметри є в даташиті на діоди


Їх також зазначено на самих діодах.


Конденсатори слід вибирати низькоімпедансні, або LowESR. Це також зазвичай зазначено в даташиті на компонент.
Ємність вибираємо з розрахунку 0.5-1 тисяч мкФ на 1 Ампер вихідного струму. Напруга — для двотактної схеми в 1.5-2 рази вища за вихідну, для однотактної зворотноходової — щонайменше в 2 рази вища за вихідну.


Щодо виробників — дивимося, щоб це були відомі бренди. Про це я писав і в статті про вхідний фільтр, тут рекомендації аналогічні.






З вихідним дроселем усе набагато простіше: номінальний струм дроселя має бути не меншим за максимальний вихідний струм блока живлення. Краще взяти дросель на більший струм — тоді він нагріватиметься значно менше. Індуктивність — 4.7-22мкГн, залежно від вихідного струму, адже дросель на великий струм і з великою індуктивністю буде чималим.


Зазвичай дроселі виконують або у вигляді «гантельки», або в «броньованому» корпусі. Другі частіше призначені для поверхневого монтажу.



Загалом, на цьому все, а ще, звісно, є відеоверсія цієї статті. Як завжди, буду радий запитанням і побажанням.