Отличие импульсного блока питания от трансформаторного

Принцип работы ИБП

Основной функцией любого ИП, в том числе и импульсного БП является стабилизация напряжения в электросетях. ИБП — это прибор для выпрямления сетевого напряжения с последующим формированием электрического высокочастотного импульса.

Обратите внимание!

Аналоговый БП трансформаторного типа, для изменения напряжения в сети использует трансформатор, который питается от электросетей в 220В. ТБП предназначен для понижения напряжения в сети.

ТБП сейчас практически не используются в электро-устройствах ввиду непрактичности и больших габаритов.

Отличия импульсного БП от аналогового представлены в таблице сравнительной характеристики:

Из таблицы видно, что преимущества импульсного блока питания перед трансформаторным очевидны.

Отличия импульсного блока питания от обычного

Отличия импульсного блока питания от обычного между трансформаторным и импульсными, а также их достоинства и недостатки. Например трансформаторный блок питания, в составе которого имеется трансформатор выполняющий функцию понижения сетевого напряжения до заданного, такая конструкция называется понижающим трансформатором.

Блоки питания работающие в импульсном режиме являются импульсным преобразователем или инвертором. В импульсных источниках питания переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а затем происходит формирование импульсов необходимой частоты. У такого ИП в отличии от обыкновенного силового трансформатора при одинаковой мощности намного меньше потерь и незначительные габаритные размеры полученные в следствии высокочастотного преобразования.

Структуры и схемы блоков питания

Выделяют два типа ИБП: без трансформаторов; БП с трансформатором. В бестрансформаторных БП импульсный ток напрямую идет на выпрямитель напряжения. Его схема проста и состоит из минимального набора элементов: специальная интегральная микросхема и широт-импульсный генератор. Бестрансформаторные БП имеют небольшую мощность. Так как в их схеме отсутствует гальваническая связь с сетью питания, то есть вероятность поражения электричеством.

Обратите внимание!

БП с трансформатором более безопасны и надежны. Кроме того, они при малых размерах за счет количества витков обмотки способны увеличивать мощность блока питания.

Каждый виток обмотки имеет свой выпрямитель напряжения, таким образом обеспечивая его стабильность на выходе. В большинстве настольных ПК используются БП с силовыми трансформаторами.

Типичная схема БП с трансформатором состоит из:

• сетевого фильтра с подавителем помех;
• выпрямителя;
• фильтр для сглаживания;
• широт-импульсного преобразователя;
• транзисторов-ключей;
• высокочастотного трансформатора на выходе;
• выходных и индивидуальных групповых фильтров;
• выпрямителя.

Принцип работы импульсного блока питания

Напряжение 220 В выпрямляется мостом с диодами D26-D29. Входные конденсаторы C18 и C19 заряжаются до общего напряжения 320 В, а поскольку инвертор работает в полумостовой системе, они делят их на половину, что дает 160 В на конденсатор. Это напряжение дополнительно уравновешивается резисторами R16 и R17. Благодаря этому разделению можно подключить трансформатор Т1 к одному каналу. Тогда потенциал между конденсаторами обрабатывается как масса, один конец первичной обмотки подключен к +160 В, другой к -160 В. Напряжение переключения первичной обмотки трансформатора Т1 осуществляется с помощью переменного транзистора N-MOSFET Q8 и Q9.

Конденсатор C10 и первичная обмотка трансформатора тока T3 расположены последовательно с первичной обмоткой. Конденсатор связи не нужен для функционирования схемы, но он играет очень важную роль — защищает от несбалансированного потребления энергии от входных конденсаторов и, следовательно, перед зарядкой одного из них до более чем 200 В. Трансформатор тока Т3, также расположенный последовательно с первичной обмоткой, действует как защита от короткого замыкания. Трансформатор тока обеспечивает гальваническую развязку и позволяет измерять величину тока, уменьшенную до точности ее передачи. Его задача — информировать контроллер о величине тока, протекающего через первичную обмотку T1.

Силовые МОП-транзисторы не могут управляться напрямую от контроллера из-за изменения потенциала верхнего транзисторного источника. Транзисторы управляются с помощью специального трансформатора Т2. Это обычный импульсный трансформатор, работающий в двухтактном режиме, открывающий силовые транзисторы. Управляющий трансформатор Т2 имеет на входе набор элементов управления напряжением на обмотках, которые помимо генерирования напряжения, продиктованного контроллером, защищают от возникновения размагничивающего напряжения сердечника. Неконтролируемое напряжение размагничивания удерживало бы транзистор открытым. Элементами, непосредственно ответственными за устранение напряжения размагничивания, являются диоды D7 и D9, а также транзисторы Q3 и Q5. Во время простоя, когда оба МОП-транзистора закрыты, ток протекает через D7 и Q5 (или D9 и Q3) и поддерживает напряжение размагничивания около 1,4 В. Это напряжение безопасно и не может открыть силовой транзистор.

Осциллограмма напряжения на входах MOSFET:

На осциллограмме можно четко видеть момент, когда сердечник ​​перестает размагничиваться диодами D7 и D8 (D6 и D9) и начинает намагничиваться в противоположном направлении транзисторами Q3 и Q4 (Q2 и Q5). В фазе размагничивания сердечника напряжение на затворе Т2 достигает 18 В, а на фазе намагничивания оно падает примерно до 14 В. Почему не использован один из драйверов типа IR? Прежде всего управляющий трансформатор более надежный, более предсказуемый. IR-драйверы очень капризны и подвержены ошибкам.

На вторичной обмотке основного трансформатора Т1 генерируется переменное напряжение, поэтому необходимо его выпрямить. Роль выпрямителя играют выпрямительные фаст диоды, генерирующие симметричное напряжение. Выходные дроссели расположены за диодами — их присутствие влияет на эффективность инвертора, подавляя всплески заряжающие выходные конденсаторы при включении одного из силовых транзисторов. Далее выходные конденсаторы с резисторами предварительной нагрузки, которые препятствуют подъёма напряжения до слишком высоких значений.

Блок питания с силовым трансформатором

Силовые трансформаторы для ИБП бывают двух типов: с косой и без косы. Оба типа могут использоваться для установки в импульсные блоки питания.

Трансформатор с косой состоит из трех обмоток, первичная цепь — 1 обмотка, состоящая из двух полуобмоток по 20-ть витков и вторичная цепь — состоит тоже из 2-х полуобмоток, которые соединяются в косе. Каждая полуобмотка состоит из семи витков, последовательно соединенных между собой по электросхеме, каждый виток равен 1 Вольт. Последовательное соединение между собой обмоток увеличивает мощность.

Применение силовых трансформаторов для блока питания импульсного типа обусловлено рядом преимуществ:

• последовательное соединение обмоток трансформатора обеспечивает стабильность напряжения в блоке;
• простота сборки и доступность элементов;
• возможность повысить мощность силы тока за счет количества обмоток;
• малое энергопотребление.

У силовых трансформаторов есть такие недостатки:

• при ненадежной изоляции соединений на косе возможно короткое замыкание;
• индукция электромагнитного поля может создавать помехи.

Другие варианты импульсных блоков питания

Какие ещё есть варианты питания 12-вольтового шуруповёрта? Первое, что приходит на ум, — БП от ноутбука. Прелесть решения заключается в том, что, в отличие от предложенных драйверов и электронных трансформаторов, подобные блоки питания могут быть и на 15, и на 19 В. То есть подобрав соответствующий БП, можно питать им инструмент на 14 и 18 В.

К сожалению, такой вариант работать не будет, поскольку блоки питания от ноутбука не смогут обеспечить необходимым током даже самый простой и маломощный шуруповёрт. Максимум, что можно от них получить, — 4–5 А. Десятиамперных БП этого типа просто не существует.

Этот достаточно мощный БП для 19-вольтового ноутбука выдаст ток не более 4,75 А

Использование универсальных БП

Какие у нас ещё есть варианты? Можно использовать для питания шуруповёрта так называемые универсальные блоки питания. На фото, приведённом ниже, БП выдает сразу несколько напряжений и подходит для питания как 12-вольтового, так и 18-вольтового инструмента мощностью до 120 Ватт.

Мощный универсальный импульсный блок питания

Но тут опять всё упирается в цену. Стоимость такого БП окажется выше цены на сам инструмент, а вдобавок мы получаем за эти деньги кучу переходников, которые будут валяться без дела.

Самодельный блок питания для шуруповёрта

Если мы имеем знания по электронике, то сможем собрать импульсный блок питания для шуруповёрта своими руками — соответствующих схем много. В качестве примера рассмотрим относительно простую конструкцию.

Как она работает? Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом, собранным на диодах VD1–VD4, сглаживается конденсатором С1 и поступает на мощный двухтактный автогенератор, собранный на полевых транзисторах VT2, VT3 и трансформаторе Т1, обеспечивающим вместе с обмоткой 2 трансформатора Т2 автогенератору положительную обратную связь.

Цепь, собранная на транзисторе VT1, обеспечивает начальный запуск генератора и после этого в процессе не участвует — её блокирует диод VD8. Нагрузкой автогенератора служит понижающий трансформатор Т2. Пониженное напряжение с его обмотки 3 выпрямляется мостом VD7, сглаживается конденсатором С5 и подаётся на инструмент. Ёмкость конденсатора выбрана достаточно большая для обеспечения высокого пускового тока шуруповёрта.

Т1 намотан на ферритовом кольце типоразмера 12х8х3. Все обмотки одинаковы и имеют по 20 витков провода ПЭВ 0.33. Т2 намотан на кольце 40х25х11. Обмотка 1 имеет 100 витков провода ПЭВ 0.54. Обмотка 2 — 9 витков провода ПЭВ 0.33, обмотка 3 — 13 витков провода ПЭВ 0.96. Феррит бывает марки 1000НМ, 2000НМ или 3000НМ. Диодный мост VD4 можно собрать на четырёх быстродействующих диодах, выдерживающих ток 10 А. Транзисторы VT2 и VT3 необходимо установить на радиаторы.

Полезно! Предлагаемый блок питания рассчитан на выходное напряжение 18 В. Если необходимо получить другое напряжение, достаточно изменить количество витков обмотки 3 трансформатора Т2.

Алгоритм работы ИБП

Принцип действия ИБП прост: напряжение на входе выпрямляется и преобразуется в электронные высокочастотные импульсы. На выходе электроцепь формирует сигнал ООС, которым осуществляется регулировка импульсов.

Преимущества использования импульсного БП очевидны:

• небольшие размеры и вес;
• малое энергопотребление;
• простота в сборке;
• низкие энергопотери;
• высокий КПД;
• наличие защиты;
• низкая цена на комплектующие.

К минусам применения ИБП относят наличие электромагнитных помех ввиду их работы на импульсах высокой частоты.

В персональных стационарных компьютерах, как правило, применяют ИБП с силовым трансформатором. Для работы силовой прибор использует свойства и принципы электромагнитной индукции. Это дает возможность передавать ток без существенных потерь на большие расстояния.

Принцип работы ЗУ

Чтобы разобрать достоинства и недостатки двух принципиально разных типов ЗУ, следует рассмотреть, чем отличается импульсное зарядное устройство от обычного. Хотя в данном контексте не совсем корректно называть трансформаторные приборы обычными, потому что таковыми актуально называть именно импульсные аналоги.

Трансформаторное зарядное устройство

Такие приборы представляют собой простейший блок питания с фиксированным выходным напряжением. Возможна регулировка по принципу ЛАТР.

В основе схемы лежит понижающий трансформатор, выдающий на выходе порядка 12V переменного тока. Далее сигнал требуется выпрямить, для чего используется диодный мост. После моста мы получаем постоянный ток в форме полупериодов. В принципе, этого уже достаточно для заряда автомобильного аккумулятора. Более правильно, конечно, полученный сигнал отфильтровать при помощи конденсатора, чтобы получить гладкую прямую.

Как видите, схема очень проста и каждый может ее собрать из компонентов старой бытовой техники и электроники.

Импульсное зарядное устройство

Импульсные блоки питания являются куда более современными устройствами, нежели трансформаторные аналоги. Здесь тоже происходит выпрямление электрического сигнала переменного тока, однако процесс значительно отличается за счет совершенно иного подхода.

Переменный ток выпрямляется и фильтруется, однако вместо явного понижения здесь происходит преобразование сигнала в импульсы высокой частоты. Это и оправдывает название таких источников питания. Далее может следовать гальваническая развязка в виде импульсного трансформатора. Напряжение на выходе будет зависеть от скважности импульсов (скважность — длительность каждого импульса).