Меню

Импульсный блок питания счетчик

Обзор импульсных блоков питания и электронных трансформаторов. Часть 1

В продолжение темы Электронные трансформаторы на сайте ПАЯЛЬНИК начинается серия статей, в которых будут тестироваться как Электронные Трансформаторы, так и Импульсные Блоки Питания, купленные администрацией сайта на площадке AliExpress специально для этих целей.

Под «Электронными Трансформаторами» подразумеваются устройства с переменным напряжением на входе и переменным напряжением на выходе, а под «Импульсными Блоками Питания» — с переменным напряжением на входе и постоянным стабилизированным напряжением (или током) на выходе.

Сначала все устройства кратковременно (10…30 минут) проверялись на максимальных заявленных токах, потом некоторым преобразователям нагрузка уменьшалась, так как они сильно нагревались, и затем проводились дальнейшие эксперименты.

Нагрузкой в основном были резисторы ПЭВ-15. ПЭВ-50, набранные до нужного сопротивления или галогенные лампы разной мощности. Ток контролировался по падению напряжения на резисторе 0,1 Ом. Графики снимались с помощью программы SpectraPLUS и звуковой карты с открытыми входами.

Первый импульсный блок питания — бескорпусный AC/DC 220/24, 3 Вт

Внешний вид показан на рисунке 1, а плата более подробно — на рисунке 2. Под трансформатором видна цифробуквенная маркировка «B02B» и «20180403». Возможно, что последнее – это дата изготовления печатной платы.

Принципиальная схема показана на рис.3 (ёмкость керамических конденсаторов неизвестна, но примерное их значение можно определить по другим подобным схемам). Микросхема преобразователь – OB2512NJP. Частота преобразования – около 35 кГц. Какие-либо элементы защиты и фильтрации в высоковольтной части отсутствуют – скорее всего, подразумевается установка модуля в плату, где они уже присутствуют.

Преобразователь был нагружен на нагрузку, обеспечивающую ток 0,12 А (2,88 Вт) и проработал с ней около 3-х часов. Трансформатор Tr1 нагрелся примерно до 40-45 градусов. При изменении напряжения питания в пределах от 180 В до 240 В выходное напряжение менялось в пределах +/- 35 мВ (рис.4). Уровень ВЧ пульсаций в выходном напряжении зависит от тока нагрузки и при 0,12 А превышает 250 мВ.

При нагрузке 3 Вт и напряжении питания 240 В в выходном напряжении появлялись пульсации 100 Гц – видимо, преобразователь начинал «уходить в защиту».

На наклейке написано 12 В и 5 A . Внешний вид показан на рисунке 5, вид на внутренности и обратная сторона печатной платы на рисунке 6. Плата имеет маркировку «NxPs60W-V02A».

Вид на детали более подробно на рисунках 7, 8 и 9.

При вынимании печатной платы из корпуса оказалось, что силовой транзистор KF5N60F приклеен к алюминиевой стенке корпуса на силиконовый герметик (тот, что с характерным уксусным запахом). Герметик нанесён неровно и таким толстым слоем (рис.10), что прижимная пластина не смогла обеспечить нормальный прижим транзистора к стенке корпуса.

Второй транзистор (CS5N60F, рис.11) «был посажен» на обычную белую термопасту и намного лучше прижат к алюминиевой стенке.

Схема этого блока питания показана на рисунке 12. Необычные маркировочные обозначения деталей (E, MOS, DO) оставлены «родные». Интересно включение полевого транзистора DO в качестве выпрямительного диода во вторичной цепи преобразователя.

При токе в нагрузке 5 А и при изменении сетевого напряжения от 180 В до 240 В выходное напряжение 12,3 В было очень стабильно, мультиметр ВР-11А изменений не видел, т.е. они не более нескольких милливольт (рис.13). На рисунке 14 показано, в каких пределах менялось выходное напряжение при изменении сопротивления подстроечного резистора VR – от 11,41 В до 13,14 В. Пульсации на выходе при токе в нагрузке 5 А не более 200 мВ, их частота следования около 63 кГц.

Глядя на транзисторы, видно, что такой способ их прижима неправилен из-за того, что алюминиевая стенка корпуса имеет толщину всего 1,2 мм и прогибается под головкой винта, что приводит к искривлению плоскости стенки. Решить эту проблему можно, подложив под головку винта большую толстую пластину (рис.15). Для дополнительного охлаждения транзисторов пластину можно заменить радиатором – «выпрямительный» транзистор CS5N60 при токе 5 А нагревается достаточно быстро (наклейку в этом случае следует убрать).

Далее — бескорпусный блок питания AC/DC 220/24, 1 A

Внешний вид – на рисунке 16. Маркировка печатной платы — «GMY-001F». Имеет заявленные выходные параметры 24 В и 1 А (24 Вт). Схема приведена на рисунке 17.

Читайте также:  Счетчики хвс гвс правила

При изменении входного напряжения, мультиметр изменений в выходном +24,13 В не заметил (рис.18).

Уровень пульсаций не превышает 100 мВ при токе в нагрузке 0,7 А (рис.19) и менее 50 мВ при токе 1 А. И при этом пульсации носят низкочастотный характер – анализатор спектра определил их как колоколообразные полосы с центральными частотами 750 Гц при токе 0,7 А и 600 Гц при 1 А.

Ещё один блок питания — AC/DC 220/24, 1,5 A

Внешне похож на предыдущий, но имеет другую схемотехнику и, соответственно, маркировку печатной платы — «XPJ-030» (рис.20, 21, 22). На АЛИ выставлена фотография с маркировкой «GMY-030». Заявленные параметры — 24 В и 1,5 А (36 Вт). Схема приведена на рисунке 23. Даташит на микросхему ШИМ контроллера (с нанесёнными надписями «63J04a» и «909») найти не удалось, но по выводам и схемотехническому включения она очень похожа на FAN6862.

При токе в нагрузке 1,5 А и изменении питающего напряжения от 180 В до 240 В, в выходном напряжении +24,3 В мультиметр никаких изменений не видит (рис.24). ВЧ пульсации не более 20 милливольт. После двух часов работы преобразователь сильно нагрелся.

Два электронных трансформатора «YAM» AC/AC 220/12

Первый — модель «YMET80C» (рис.25) с выходным переменным напряжением 12 В и заявленной на этикетке мощность 80 Вт (ток 6,7 А). Маркировка печатной платы «JM-792A». Схема на рисунке 26.

Второй преобразователь — модель «YLET60C» (рис.27). Те же 12 В «переменки» на выходе, но указана меньшая мощность — 60 Вт (ток 5 А). В пластиковом корпусе отсутствуют какие-либо отверстия для вентиляции и при кажущейся внешней аккуратности, на печатной плате были обнаружены брызги припоя и повреждённая изоляция вторичной обмотки трансформатора. На фотографии со стороны дорожек видны капля, замыкающая коллектор Т2 с правым выводом R2 и «длинная сопля» между его же эмиттером и тем же правым выводом R2. Маркировка печатной платы «JM-797». Схема – на рисунке 28.

Оба преобразователя при первых включениях не заработали. У «YMET80C» был сколот край корпуса динистора (возможно, что это я «зацепил» его пинцетом, когда выпаивал соседние резисторы, но изгибов выводов не было – стоял ровно и на некотором расстоянии от платы), а в «YLET60C», скорее всего, были установлены транзисторы без защитных диодов и они оба «ушли в обрыв». После замены транзисторов и установки диодов (как на рис.26), «YLET60C» запустился и проработав около получаса с током в нагрузке 5 А сильно нагрелся. Далее ток был уменьшен до 4,5 А и был снят график стабильности выходного переменного напряжения и просмотрена его форма (рис.29). Видно, что никакой стабильности нет, так как нет никаких цепей стабилизации, и видно, что выходное напряжение состоит из 100-герцовых пачек, заполненных импульсами частотой около 70 кГц (сигнал в звуковую карту брался через случайный делитель и для сдвига спектра пропущен через смеситель, поэтому шкала вольт не соответствует действительности и, возможно, что и разница в амплитудах полуволн с этим связана).

После перестановки рабочего динистора в «YMET80C», тот тоже заработал. Частота преобразования около 55 кГц, выходное напряжение зависит от тока нагрузки и находится в пределах 11,5 В…12,5 В и имеет такой же вид, как и у «YLET60C». Этот преобразователь тоже сильно греется. Даже не верится, что в корпусах без охлаждения они долго проработают при указанных на них мощностях. Возможно, что в данных случаях указана или кратковременная мощность, или максимально возможная потребляемая от сети 220 В.

Источник



Что такое импульсный блок питания и чем он отличается от обычного аналогового

Во многих электрических приборах уже давно применяется принцип реализации вторичной мощности за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции обеспечения электроэнергией схем, нуждающихся в питании от отдельных типов напряжений, частоты, тока…

Для этого создаются дополнительные элементы: блоки питания, преобразующие напряжение одного вида в другой. Они могут быть:

встроены внутрь корпуса потребителя, как на многих микропроцессорных приборах;

или изготовлены отдельными модулями с соединительными проводами по образцу обычного зарядного устройства у мобильного телефона.

Читайте также:  Счетчик однофазный однотарифный ce101 s6 145 m6

В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования энергии для электрических потребителей, основанные на:

1. использовании аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную схему;

2. импульсных блоках питания.

Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции, работают по разным технологиям.

Трансформаторные блоки питания

Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.

После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.

За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.

Импульсные блоки питания (ИБП)

Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:

доступностью комплектования распространенной элементной базой;

надежностью в исполнении;

возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.

Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.

В состав основных деталей источников питания входят:

сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;

накопительная фильтрующая емкость;

ключевой силовой транзистор;

схема обратной связи, выполненная на транзисторах;

импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;

выпрямительные диоды выходной схемы;

цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;

силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;

Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.

Как работает импульсный блок питания

Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.

Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.

Входной диодный мост выпрямляет проходящие через него синусоиды, которые затем преобразуются транзисторной схемой в импульсы высокой частоты и прямоугольной формы с определенной скважностью. Они могут преобразовываться:

1. с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей;

2. без выполнения подобной развязки.

Импульсный блок питания с гальванической развязкой

В этом случае высокочастотные сигналы направляются на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку цепей. За счет повышенной частоты увеличивается эффективность использования трансформатора, снижаются габариты его магнитопровода и вес. Чаще всего для материала подобного сердечника применяют ферромагнетики, а электротехнические стали в этих устройствах практически не используются. Это также позволяет минимизировать общую конструкцию.

Один из вариантов исполнения схемы импульсного блока питания с трансформаторной развязкой цепей показан на картинке.

В таких устройствах работают три взаимосвязанных цепочки:

2. каскад из силовых ключей;

3. импульсный трансформатор.

Как работает ШИМ-контроллер

Контроллером называют устройство, которое управляет каким-либо технологическим процессом. В рассматриваемых нами блоке питания им выступает процесс преобразования широтно-импульсной модуляции. В его основу заложен принцип выработки импульсов одинаковой частоты, но с разной длительностью включения.

Подача импульса соответствует обозначению логической единицы, а отсутствие — нуля. При этом они все равны по величине амплитуды и частоте (имеют одинаковый период колебаний Т). Продолжительность включенного состояния единицы и его отношение к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.

Типовые изменения ШИП-последовательностей показаны на графике.

Контроллеры обычно создают подобные импульсы с частотой 30÷60 кГц.

В качестве примера можно привести контроллер, выполненный на микросхеме TL494. Для настройки частоты выработки его импульсов используется схема, состоящая из резисторов с конденсаторами.

Работа каскада из силовых ключей

Он состоит из мощных транзисторов, которые подбираются из биполярных, полевых или IGBT-моделей. Для них может быть создана индивидуальная система управления на других маломощных транзисторах либо интегральных драйверах.

Силовые ключи могут быть включены по различным схемам:

Читайте также:  Оплата за подключение счетчика

со средней точкой.

Импульсный трансформатор

Первичная и вторичная обмотки, смонтированные вокруг г магнитопровода из феррита или альсифера, способны надежно передавать высокочастотные импульсы с частотой вплоть до 100 кГц.

Их работу дополняют цепочки из фильтров, стабилизаторов, диодов и других компонентов.

Импульсные блоки питания без гальванической развязки

В импульсных блоках питания, разработанных по алгоритмам, исключающим гальваническое разделение, высокочастотный разделительный трансформатор не используется, а сигнал поступает сразу на фильтр нижних частот. Подобный принцип работы схемы показан ниже.

Особенности стабилизации выходного напряжения

Все импульсные блоки питания имеют в своем составе элементы, осуществляющие отрицательную обратную связь с выходными параметрами. За счет этого они обладают хорошей стабилизацией выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и колебаниях питающей сети.

Способы реализации обратной связи зависят от применяемой схемы для работы блока питания. Она может осуществляться у блоков, работающих с гальванической развязкой за счет:

1. промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток высокочастотного импульсного трансформатора;

2. применения оптрона.

В обоих случаях эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера.

При использовании схемы без гальванической развязки обратная связь обычно создается за счет подключения резистивного делителя напряжения.

Преимущества импульсных блоков питания над обычными аналоговыми

При сравнении конструкций блоков с равными показателями выходных мощностей импульсные блоки питания обладают следующими достоинствами:

1. уменьшенный вес;

2. повышенный КПД;

3. меньшая стоимость;

4. расширенный диапазон питающих напряжений;

5. наличие встроенных защит.

1. Пониженный вес и габариты импульсных блоков питания объясняются переходом от преобразований низкочастотной энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на больших радиаторах охлаждения и работающими в постоянном линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования и регулирования.

За счет повышения частоты обрабатываемого сигнала сокращается емкость конденсаторов у фильтров напряжения и, соответственно, их габариты. Также упрощается их схема выпрямления вплоть до перехода к самой простой — однополупериодной.

2. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований.

В импульсных блоках наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.

3. Цена на импульсные блоки питания постепенно снижается за счет постоянно проводимой унификации элементной базы, которая производится широким ассортиментом на полностью механизированных предприятиях со станками-роботами. К тому же режим работы силовых элементов на основе управляемых ключей позволяет использовать менее мощные полупроводниковые детали.

4. Импульсные технологии позволяют запитывать блоки питания от источников напряжения с разной частотой и амплитудой. Это расширяет область их применения в условиях эксплуатации с различными стандартами электрической энергии.

5. Благодаря использованию малогабаритных полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается надежно встраивать защиты, контролирующие возникновение токов коротких замыканий, отключения нагрузок на выходе прибора и другие аварийные режимы.

У обычных трансформаторных блоков питания такие защиты создавались на старой электромеханической, релейной, полупроводниковой базе. Применять сейчас для них цифровые технологии в большинстве схем не имеет смысла. Исключение составляют случаи питания:

маломощных цепей управления сложной бытовой техники;

слаботочных устройств управления высокой точности, например, используемых в измерительной технике или метрологических целях (цифровые счетчики электроэнергии, вольтметры).

Недостатки импульсных блоков питания

В/ч помехи

Поскольку импульсные блоки питания работают по принципу преобразования высокочастотных импульсов, то они в любом исполнении вырабатывают помехи, транслируемые в окружающую среду. Это создает необходимость их подавления различными способами.

В отдельных случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает использование импульсных блоков питания для отдельных типов точной цифровой аппаратуры.

Ограничения по мощности

Импульсные блоки питания имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и пониженных нагрузках. Если в выходной цепи произойдет резкое снижение тока за предел минимального критического значения, то схема запуска может отказать или блок станет выдавать напряжение с искаженными техническими характеристиками, не укладывающимися в рабочий диапазон.

Источник