Что такое блок питания

Что такое блок питания.

Блок питания – это устройство, которое используется для создания напряжения, необходимого для работы компьютера, из напряжения домашней электросети. В России блок питания (в дальнейшем просто БП) преобразует переменный электрический ток домашней электрической сети напряжением 220 В и частотой 50 Гц в заданный постоянный ток. В разных странах стандарты домашней электросети отличаются. В США, к примеру, в дома обычных жителей подаётся переменный ток напряжением 120 В и частотой 60 Гц.

Для расчёта сопротивления проводника вы можете воспользоваться калькулятором расчета сопротивления проводника.

Виды блоков питания и их различия.

Существуют два основных вида блоков питания: трансформаторные и импульсные. Ниже будут рассмотрены их устройства и различия, а также преимущества и недостатки.

Трансформаторный блок питания и его устройство.

Этот вид блока питания является классическим и, одновременно, простейшим. Ниже представлена его схема с двухполероудным выпрямителем:

Важнейшим элементом этого вида БП является понижающий трансформатор (вместо которого может быть использован автотрансформатор). Первичная обводка этого элемента как раз и рассчитана на входящее сетевое напряжение. Ещё одна важная деталь такого БП – это выпрямитель. Он выполняет функцию преобразования переменного напряжения в однонаправленное и пульсирующее постоянное. В подавляющем большинстве случаев используются однополупериодный выпрямитель или двухполупериодный. Первый состоит из одного диода, а последний из четырёх диодов, которые образуют диодный мост. В некоторых случаях могут использоваться и другие схемы этого элемента, например, в трёхфазных выпрямителях или выпрямителях с удвоенным напряжением. Последней важной деталью трансформаторного БП является фильтр, который сглаживает пульсации, создающиеся выпрямителем. Обычно эта деталь представлена конденсатором с большой ёмкостью.

Габариты трансформатора. Из базовых законов электротехники выводится следующая формула:

В этой формуле n – это число витков на 1 вольт, f – частота переменного тока, S – площадь сечения магнитопровода, B – индукция магнитного поля в магнитопроводе.

Формула описывает не мгновенное значение, а амплитуду B!

Практически величина индукции магнитного поля (B) ограничена гистерезисом в сердечнике. Это приводит к перегревам трансформатора и потерям на перемагничивании.

Если частота переменного тока(f) равна 50 Гц, то изменяемыми параметрами при конструировании трансформатора остаются только S и n. На практике используется такая эвристика: n (в значении от 55 до 70) / S в см^2

Увеличение площади сечения магнитопровода (S) приводит к повышению габаритов и веса трансформатора. Если же понижать значение S то этим повышается значение n, что в трансформаторах небольшого размера приводит к снижению сечения провода (в противном случае обмотка не поместится на сердечнике)

При увеличении значения n и уменьшения площади сечения происходит значительное увеличении активного сопротивления обмотки. В трансформаторах с малой мощностью на это можно не обращать внимания, поскольку ток, проходящий через обмотку, невелик. Однако, при повышении мощности ток, проходящий через обмотку, увеличивается, а это вместе с высоким сопротивлением обмотки приводит к рассеиванию значительной тепловой мощности.

Всё вышесказанное приводит к тому, что стандартной частоте 50 Гц трансформатор большой мощности (необходимой для питания компьютера) может быть сконструирован только как устройство, имеющее большой вес и габариты.

В современных БП идут по другому пути – увеличивания значения f, которое достигается использованием импульсных блоков питания. Такие БП намного легче и в значительной степени меньше по габаритам, чем трансформаторные. Также импульсные БП не столь требовательны к входному напряжению и частоте.

Преимущества трансформаторных БП

• Простота изделия;
• Надёжность конструкции;
• Доступность элементов;
• Отсутствие создаваемых радиопомех.

Недостатки трансформаторных БП

• Большой вес и габариты, которые увеличиваются вместе с мощностью;
• Металлоёмкость;
• Необходимость компромисса между снижением КПД и стабильностью выходного напряжения.

Импульсный БП и его устройство.

Ниже представлена схема одноконтактного импульсного БП (эта схема является простейшей):

Фактически блоки питания импульсного вида являются инверторной системой. В этом БП входящая в него электроэнергия сначала выпрямляется (т. е. образуется постоянный электрический ток), а после этого преобразуется в прямоугольные импульсы определённой частоты и скважности. После этого эти прямоугольные импульсы на трансформатор (в случае если конструкция БП включает в себя гальваническую развязку) или же сразу на выходной ФНЧ (в случае если отсутствует гальваническая развязка). Из-за того, что в импульсных БП с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и в значительной степени снижается требование к сечению сердечника, в них могут применяться гораздо более малогабаритные трансформаторы чем в классических решениях.

В большинстве случаев сердечник трансформатора импульсного вида может быть выполнен из ферримагнитных материалов, в отличии от низкочастотных трансформаторах, в которых используется электротехническая сталь.

Стабилизация напряжения в импульсных блоках питания обеспечивается путём отрицательной обратной связи. Она позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне. Такая связь может быть сконструирована различными способами. В случае наличия в конструкции БП гальванической развязки чаще всего используют способ использования связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или же способ оптрона. Скважность на выходе ШИМ-контроллера зависит от сигнала обратной связи, который, в свою очередь, зависит от выходного напряжения. В том случае, если развязка в БП не предусмотрена, используется обычный резистивный делитель напряжения. Благодаря этому импульсные блоки питания могут поддерживать стабильное выходное напряжение.

Все своими руками

Приветствую. Для проверке блоков питания все время приходиться изобретать какую то нагрузку, то лампы, то нихромовая спираль, то еще какие то приборы подключаю. И что бы не тратить время решил собрать электронную нагрузку
Уже давно присматривал схему электронной нагрузки. Все как один похожи, компараторы, полевые транзисторы и ИОН. В итоге заинтересовала эта

Схема электронной нагрузки

— В этой схеме электронной нагрузки понравилась опция использовать нагрузку как резистор с постоянным сопротивлением.
— Так же в исходной схеме предусмотрена возможность автоматического отключения при падении напряжения до определенного порога. Эта функция будет полезна для разрядки аккумуляторов 12-24В
— Еще есть защита от перегрева, но я ее использовать не буду. Доработав схему под свои нужды получилось следующее

Схема электронной нагрузки своими руками

— В этой схеме предусмотрено переключение между режимами Резистор и Постоянный ток
— В режиме Постоянный ток есть выбор между автоматическим отключением и постоянно включенной нагрузкой.
— Защита от переполюсовки переделана и диод не влияет на напряжение на вольтметре
— Вольтметр Амперметр Ваттметр и Емкость метр(не знаю как еще назвать) в одном приборе, купленный за 500 рублей, если интересно подробности тут
— Теперь можно точно выставлять ток, за счет дополнительного резистора Точно

Для схемы была разработана печатная плата электронной нагрузки. Немного не компактно, но рабочий вариант и почти ничего не греется, кроме резисторов 5Вт и транзисторов ?

Печатная плата электронной нагрузки

Скачать печатную плату для электронной нагрузки можно тут

Как изготовить печатную плату своими руками, можно посмотреть в статье Как изготовить печатную плату.

— Диодный мост использовал на 2А, охлаждение для кренки не требуется, но на всякий случай радиатор предусмотрел.
— Защитный диод Шотки 100В
— Транзисторы можно ставить в разных корпусах

Собрал плату электронной нагрузки очень быстро, сложностей не возникало. Сначала собираются все цепи без микросхемы, проверяются все напряжения.
После КРЕНки 12В, на опорном с TL431 8.5В и 0.5В на максимум выкрученном переменном резисторе

Проверка опорных напряжений на электронной нагрузке
Если все напряжения в норме, можно собрать схему до конца и попробовать нагрузить схемку.
— Обязательно транзисторы установить на радиатор. Кстати транзисторы использую 23N50 и они способны рассеять около 315Вт, хотя мне по 150Вт хватит вполне.
— Подключить Ваттметр подав ему дополнительное напряжение с шины 12В, а провода с шунта подсоединить в разрыв минуса, на плате точка А.

Нагружать буду безопасно, на лабораторный блок питания. Блок питания на 2.5А, поэтому ток нагрузки около 2А напряжение.

Тестовая нагрузка на лабораторный блок питания 2А
Вроде все работает хорошо, можно настроить эквивалент резистора. Выставляю на блоке питания 1В и подкрутив подстроечный R23 добиваюсь тока 1А если хочу регулировку от 1Ома и 0,5А если хочу регулировку от 2Ом, а дальше по закону Ома ?

Настройка эквивалента резистора на электронной нагрузке
Установка напряжения автоматического отключения осуществляется резистором R14. Для настройки к нагрузке подаю 10,8В, устанавливаю небольшой ток допустим 100мА и резистором R14 добиваюсь отключения нагрузки от БП.

Все настройки окончены и можно серьезно испытать. Добавлю хорошую турбинку для охлаждения радиатора и нагружу на более мощный блок питания 12В .
Ток нагрузки на полностью выкрученном резисторе Точно ток до 0,75А и полностью выкрученных резисторах Точно и Грубо ток до 15,5А
Испытания электронной нагрузки на максимальном токе

Погонял значит нагрузку и вроде большего желать нечего, кроме корпуса .
— Для корпуса взял старый корпус от сварочного инвертора.
Вырезал новые отверстия, покрасил и вроде нормально вышло.
— Установил вентилятор 12В
— Убрал с Ваттметра корпус, что бы поместился нормально. Так шунт лучше будет охлаждаться
Сборка электронной нагрузки в корпус

Что сказать в заключение. Хороший прибор получился, думаю послужит на славу.
На данный момент проверенные характеристики 12В 15А- это 180Вт. Со средней нагрузкой 180Вт вентилятор нормально справлялся с отводом тепла от радиатора, дальше страшно. Но думаю можно нагрузить до 450Вт, при должной доработке.Что бы разогнаться до 450Вт надо установить вентилятор на 24В, естественно заменить трансформатор на 24В. И все же добавить термоконтроль, на всякий случай.
Так же думаю добавить переключатель между токами 15А с напряжением 15-30В и 30А для напряжений 0-15В, это расширит функционал нагрузки

Пока что все. Рекомендую схему к повторению или, если хотите готовую плату, можете мне написать в личные сообщения в группе ВК. Кнопки с группами в социальных сетях находятся вверху страницы, подпишитесь и будьте всегда в курсе последних обновлений.

Уважаемые читатели. Дело в том, что ведение блога и сборка моих проектов занимает очень много времени и средств. Я не простительно много удерживаю средств из семейного бюджета и больше этого делать не буду. Если вам нравиться то, чем я тут занимаюсь и хотите продолжения, то прошу поддержки с вашей стороны. Будет поддержка, будет много нового(чертежи и схемы уже лежат).Поддержать можно тут

Ликбез КО. Лекция №4 Сглаживающие фильтры питания.

Сглаживающие фильтры питания.
Сглаживающие фильтры питания предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Принцип работы простой – во время действия полуволны напряжения происходит заряд реактивных элементов (конденсатора, дросселя) от источника – диодного выпрямителя, и их разряд на нагрузку во время отсутствия, либо малого по амплитуде напряжения.
Основные схемы сглаживающих фильтров питания.

Простейшим методом сглаживания пульсаций является применение фильтра в виде конденсатора достаточно большой ёмкости, шунтирующего нагрузку (сопротивление нагрузки). Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:
1 / (ωС) << Rн
Во время действия синусоидального сигнала, когда напряжение на диоде выпрямителя прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к максимальному. Когда напряжение на выходе диодного выпрямителя оказывается меньше напряжения заряда конденсатора, конденсатор разряжается через нагрузку Rн и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается по мере разряда конденсатора через нагрузку. В каждый следующий полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.

Чем больше емкость С и сопротивление нагрузки Rн, тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе среднее значение выходного напряжения Uср к максимальному значению синусоиды Umax. Если нагрузку вообще отключить, то в режиме холостого хода на конденсаторе получится постоянное напряжение равное Umax, без всяких пульсаций.

Работа простейшего сглаживающего фильтра на конденсаторе в цепи однополупериодного выпрямителя поясняется рисунком и эпюрами:

Красным цветом показано напряжение на выходе выпрямителя без сглаживающего конденсатора, а синим – при его наличии.

Если пульсации должны быть малыми, или сопротивление нагрузки Rн мало, то необходима чрезмерно большая емкость конденсатора, т.е. сглаживание пульсаций одним конденсатором практически осуществить нельзя. Приходится использовать более сложный сглаживающий фильтр.

Работа сглаживающего Г-образного фильтра на конденсаторе и дросселе в цепи двухполупериодного мостового выпрямителя поясняется рисунком и эпюрами:

Как и в примере с однополупериодным выпрямителем, красным цветом показано напряжение на выходе выпрямителя без сглаживающих элементов (конденсатора и дросселя), а синим – при их наличии.

Логично следует, что чем больше ёмкости и индуктивности фильтров, и чем больше в нём реактивных элементов (сложнее фильтр), тем меньше коэффициент пульсаций такого выпрямителя.

В качестве сглаживающих конденсаторов используются электролитические конденсаторы. Чем больше ёмкость, тем лучше. Кроме того, для надёжности, конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение в полтора-два раза превышающее выходное напряжение диодного моста.
Определение выходного напряжения выпрямителя и выбор сглаживающего фильтра для блока вторичного питания
К описанному в статье, следует добавить важную информацию, используемую для конструирования источников (блоков) питания постоянного тока:

1. Любой p-n переход, любого полупроводникового прибора, в том числе диода имеет характеристику – падение напряжения на переходе. Это напряжение обычно указывают в справочниках. Для германиевых диодов оно может быть от 0,3 вольт до 0,5 вольт, а для кремниевых диодов – от 0,6 вольт до 1,5 вольт.

Это значит, что если мы возьмём трансформатор с выходным напряжением 6,3 вольта, выпрямим его однофазным двухполярным мостовым выпрямителем (диодным мостом) у которого на каждом диоде по справочнику падает по 1 вольту (Uпр.= 1 В), то на выходе выпрямителя мы получим всего лишь 4,3 вольта. Напряжение в 2 вольта «потеряется» на 2-х диодах по пути прохождения тока. Начинающие радиолюбители обычно этого не учитывают, потому и недоумевают, почему на выходе маленькое напряжение.

2. Переменный электрический ток измеряется приборами, которые, как правило, показывают его среднее значение, а не максимальное. Максимальное значение переменного напряжения это – значение электрического напряжения соответствующее его максимальному значению синусоиды.

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = Umax / π = 0,318 * Umax

Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = 2 Umax / π = 0,636 * Umax

Значение среднего напряжения — 0,636 за счёт особенностей конструкции измерительных приборов округляется и принимается равной 0,7.

3. Исходя из изложенного выше, можно сделать вывод, который справедлив в том случае, когда нагрузка на блок питания маленькая. Обратите внимание на рисунки ниже.
Выходное напряжение выпрямителей с фильтром питания:
а) с большой нагрузкой :
б) с маленькой нагрузкой :
Эти рисунки поясняют, что при малой нагрузке выходное напряжение выпрямителя с фильтром питания равно максимальной амплитуде синусоиды поступающей на выпрямитель, за вычетом падения напряжения на диодах.
Пример определения выходного напряжения, и подбора сглаживающего конденсатора для источника вторичного питания
Рассмотрим случай со средним переменным напряжением на выходе трансформатора, измеренным мультиметром равным 6,3 вольта, и нагрузкой (сопротивлением нагрузки) равной 200 Ом.

Выходное напряжение c мостового выпрямителя будет определено следующим образом:

— максимальное напряжение на выходе трансформатора:

Umax = Uизм / 0,7 = 6,3в / 0,7 = 9 вольт

— максимальное выходное напряжение на выходе выпрямителя:

Uвых. = Umax – UVD1 – UVD2 = 9 – 1 – 1 = 7 вольт

— емкость сглаживающего конденсатора выбираем из условия:

1 / (2*π*f*С) << Rн , откуда 1 / (2*π*f *Rн) << С

1/(2*3,14*50*200) = 1,59*10-5 (Фарад) = 15,9 мкФ

— учитывая условие, при котором емкость конденсатора должна быть намного больше полученному по приведенному условию, выбираем конденсатор ёмкостью более чем в пять раз больше расчётного значения — 100 мкФ*16 вольт.
Схема, состоящая из трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра является источником нестабилизированного питания. От таких источников можно питать любые устройства, потребляющие слабый ток, не критичные к наличию пульсаций и нестабильности питающего напряжения. Для максимального подавления пульсаций и стабилизации питающего напряжения применяют Стабилизаторы напряжения.

Блок питания с переменным током

При построении сильноточных стабилизаторов напряжения радиолюбители обычно используют специализированные микросхемы серии 142 и аналогичные, «усиленные» одним или несколькими, включенными параллельно, биполярными транзисторами. Если для этих целей применить мощный переключательный полевой транзистор, то удастся собрать более простой сильноточный стабилизатор.

Схема одного из вариантов такого стабилизатора приведена на рис.1. В нем в качестве силового применен мощный полевой транзистор IRLR2905. Хотя он и предназначен для работы в ключевом (переключательном) режиме, в данном стабилизаторе он используется в линейном режиме. Транзистор имеет в открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,027 Ом), обеспечиваетток до 30 А при температуре корпуса до 100 °С, обладает высокой крутизной и требует для управления напряжения на затворе всего 2,5. 3 В [1]. Мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 110 Вт.

Полевым транзистором управляет микросхема параллельного стабилизатора напряжения КР142ЕН19 (TL431). Ее назначение, устройство и параметры подробно описаны в статье [2]. Работает стабилизатор (рис. 1) следующим образом. При подключении сетевого трансформатора Т1 к сети на его вторичной обмотке появляется переменное напряжение около 13 В (эффективное значение). Оно выпрямляется диодным мостом VD1, и на сглаживающем конденсаторе большой емкости (обычно несколько десятков тысяч микрофарад) выделяется постоянное напряжение около 16 В.

Лабораторный БП на К143ЕНЗ

Лабораторный БП на К143ЕНЗ

Мой рабочий «лабораторный» блок питания служит уже более 20 лет. Неоднократно ремонтируя его после экстремальных нагрузок, я пришел к выводу, что необходима регулируемая токовая защита. Лет 5 назад я разработал схему блока питания на микросхеме К142ЕНЗА, и с тех пор забыл о его ремонте. Предлагаемая схема блока питания (БП) может служить как лабораторным источником напряжения с пределами регулировки напряжения 3. 30 В, так и зарядным устройством с регулировкой тока заряда аккумуляторной батареи (АБ).

Рис.1. Принципиальная схема БП

Стабилизатор на К142ЕН5 — с регулируемым выходным напряжением

Стабилизатор на К142ЕН5 — с регулируемым выходным напряжением

В заметке С. Савина «Вариант включения стабилизатора К142ЕН5», опубликованной в «Радио» 1989, № 12, с, 66, речь шла о том, что если вывод 8 этой микросхемы подключить к общему проводу через стабилитрон, то напряжение на выходе стабилизатора увеличится на напряжение стабилизации включенного стабилитрона. Подобный совет повторил А. Гвоздак в статье «Доработка радиоконструктора «Юниор-1», помещенной в «Радио» № 6, с. 81—83 за 1991 г. Опыт показывает, что подборкой соответствующего стабилитрона можно в необходимой мере повысить выходное напряжение стабилизатора, но оно, как и при традиционном включении стабилизатора К142ВН5, фиксированное. Вместе с тем читатели нашего журнала сообщают, что аналогичный способ включения микросхемных стабилизаторов К142ЕН5 позволяет получить на выходе стабилизатора повышенное регулируемое напряжение. Об этом, в частности, рассказывают в своих письмах радиолюбители А. Чумаков из г. Йошкар-Ола и А. Черкасов из Караганды.

СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

А. ПОГОРЕЛЬСКИЙ, пос. Пойковский Тюменской обл.

Описываемый блок питания собран из доступных элементов. Он почти не требует налаживания, работает в широком интервале подводимого переменного напряжения, снабжен защитой от перегрузки по току.

Предлагаемый блок питания позволяет получать выходное стабилизированное напряжение от 1 В почти до значения выпрямленного напряжения с вторичной обмотки трансформатора (см. схему). На транзисторе VT1 собран узел сравнения: с движка переменного резистора R3 на базу подается часть образцового напряжения (задается источником образцового напряжения VD5VD6HL1 R1), а на эмиттер — выходное напряжение с делителя R14R15. Сигнал рассогласования поступает на усилитель тока, выполненный на транзисторе VT2, который управляет регулирующим транзистором VT4.

При замыкании на выходе блока питания или чрезмерном токе нагрузки увеличивается падение напряжения на резисторе R8. Транзистор VT3 открывается и шунтирует базовую цепь транзистора VT2, ограничивая тем самым ток нагрузки. Светодиод HL2 сигнализирует о включении защиты от перегрузки потоку.