«Импульсный блок питания своими руками»

                       «Импульсный блок питания своими руками»

Содержание.

1.Введение

1.1.Актуальность выбранной темы

1.2.(а)Цель (б)задачи (в)методы исследования

2 Основная часть

2.1 История развития источников питания в радиоэлектронике

2.2 Эксперимент

3. Заключение

3.1 Вывод

3.2 Возможность использования

4.Список  используемой литературы

5. Приложение

1.Введение

Актуальность темы

Физика- это удивительная наука! Это наука из наук! Ещё незапамятных времён она держалась и всегда будет держаться на трёх китах: гипотеза, закон, эксперимент. Изучение явлений электричества и его многочисленных приложений составляет значительную часть современной физики. Эксперимент с электричеством, что может быть инетереснее? А создать самому, сконструировать импульсный источник питания. В настоящее время импульсные источники вторичного электричества получили широкое распространение. Они занимают около 90% мирового рынка. Очень бурно развиваются отрасли: телекоммуникаций, компьютерной техники, силовой электроники, разного промышленного оборудования и аппаратуры военного назначения. Постоянно улучшаются различные показатели назначения импульсных ИВЗ: растёт выходная мощность, КПД, надёжность, массовая габаритность, электромагнитная совместимось.

Цель работы:

1)Создать и изготовить высокоэффективный преобразователь постоянного напряжения с последовательным резонансным контуром .

2)Продемонстрировать, какие электрические и физические процессы происходят при работе данного устройства.

Задачи исследования:

1)Изготовить и исследовать основные режимы работы преобразователя постоянного напряжения с последовательным резонансным контуром

2)Показать работу преобразователя на примере генератора импульсов с регулировкой частоты и длительности высоковольтного выходного сигнала и практической реализации этих режимов.

Методы и приёмы исследования:

1)Поиск информации из различных источников

2)Эксперимент

2.Основная часть

1)История развития источников питания в радиоэлектронике

Первым изобретателем источников питания стал Александро Вольта в 1800 году. Он состоял из сосуда с солёной водой и опущенных в него пластин из разных металлов, в которых создавался постоянный ток. А 30 ноября 1876 года считается датой ролждения первого трансформатора. В этот день Яблочков Павел Николаевич получит патент… В 1899 году германский учёный Карл Фердинанд Браун запатентовал выпрямитель на кристалле, впоследствии, получившем название диод. Никола Тесла в 1880 году запатентовал генератор переменного тока. Его системой переменного тока мы пользуемся и сейчас. А в 1905 году член Лондонского королевского общества сэр Джон Амброз Флеминг запатентовал первую электронную лампу. Тем самым ьоткрыв век электроники. С этого момента электроника и источники питания неразлучны. Первые изобретатели радио( Сэр Оливер Джозеф Лодж, Попов Александр Степанович, Гульемо Маркони) использовали для питания своих изобретений источники тока в виде химических элементов. Но, с распространением сети переменного тока, увеличением электронных компонентов и большей сложностью электронных схем, возникла необходимость в блоках питания.

Таким стал трансформаторный блок питания. Он должен преобразовать напряжение сети(110-220V и частотой 50-60Гц) в напряжения постоянного тока, необходимые для работы электронных приборов. Классическая схема такого источника состоит из трёх блоков: трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр. В более сложных блоках питания, вместо сглаживающего фильтра устанавливается стабилизатор напряжения. До 1950-х годов стабилизаторы строились на электронных лампах. А с изобретением  в 1947 году Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттейном транзистора, и позже с его совместным распространением, стабилизаторы делались на них. Трансформаторный блок питания становился компактным. В 1962-1965 годах произошёл прорыв в изготовлении интегральных микросхем. И трансформаторный блок питания становится ещё более компактным и надёжным. Но при увеличении мощности блока питания увеличиваются габариты и вес трансформатора. Позже, трансформаторные блоки питания заменили импульсными, которые имеют меньшие габариты при большей1 мощности.

Импульсный источник питания выполняет работу такую же, как и трансформаторный, но отличается от последнего тем, что он работает на частоте значительно превышающей частоты электросети. Упоминания о первых импульсных источниках питания относятся к 1940-м годам. С изобретением и развитием полупроводниковых элементов он становился всё легче и компактнее, что приводит к массовости производства. В период 1970-1980 годов появились транзисторы повышенной мощности. Это позволило увеличить мощность импульсного источника питания до 400ватт. В 1976 году фирмой Silicon General была изобретена интегральная микросхема специально для средств электропитания. После чего стала бурно развиваться микроэлектроника именно для источников питания. Современные источники питания имеют широчайшие диапазоны управления параметрами. Микропроцессоры и цифровые технологии обеспечивают минимальную инерционность и высокую точность задаваемых режимов. Более того. В состав блока питания входят управляемые схемы защит, которые оберегают не только источник питания, но и ценную аппаратура.    

2.Эксперимент

С появлением мощных высокочастотных полупроводниковых приборов основной задачей  становится правильный выбор схемотехнических решений , позволяющих наиболее полно использовать частотные свойства элементной базы, обеспечить высокий КПД, надежность и электромагнитную совместимость. В связи с этим возникает вопрос защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений и пробоя, снижения потерь мощности, уменьшения помех, создаваемых при работе преобразователя. В противном случае будет невозможно реализовать высокочастотный преобразователь напряжения . И как раз принцип резонанса помогает воплотить на практике и решить эти проблемы.

Есть две категории импульсных преобразователей напряжения. С трансформатором и накопительным дросселем. Преобразователь любой из этих категорий может быть как понижающим, так и повышающим напряжения. В моём случае это резонансный по вторичной обмотке повышающий трансформаторный преобразователь напряжения с 12 до 500В с генератором прямоугольных импульсов частотой от 10 до 100Грц и регулировкой длительности выходного высоковольтного импульса от 0.5  до 3.5млс.

Схема моей установки (См.Приложение 1)очень проста и надёжна в использовании

Почему я выбрал сборку преобразователя с трансформатором?

 У преобразователей с накопительным дросселем есть одно свойство, на выходе такого преобразователя мы можем получить или постоянное или пульсирующее напряжение. Переменного напряжения на их выходе не получить. А так как мой преобразователь изначально задумывался как устройство, на выходе которого будет 220в переменного напряжения, то вариант с накопительным дросселем сразу же отпал. Да я не оговорился, просто в итоге возник вопрос визуализации  работы  преобразователя  и было принято решение напряжение на выходе устройства сделать постоянным и удвоить его.

Общая схема повышающего импульсного преобразователя с накопительным дросселем:

Что  прежде всего необходимо для построения моего устройства?

Одной из главных  составляющих  моего устройства является генератор импульсов. В моём случае это генератор прямоугольных импульсов.-

прямоугольный

 Почему я взял именно эту форму?

Во первых потому что генератор или точнее задающий генератор преобразователя собран на микросхеме IR2153 , это специализированная микросхема как раз разработанная для управления импульсными блоками питания , а ее выходной каскад реализован как раз прямоугольным импульсом.

Во вторых из-за того, что это самая распространённа и простая в регулировке форма импульса. Длительность импульсов и паузы между ними легко регулируются. Также такому импульсу легко придать форму меандра . Он получается, когда длительность импульса равна длительности паузы  между ними.

меандр

Существует целый ряд  импульсов другой формы .Самые распространенные это: синусоидальная ,пилообразная ,треугольная ,меандр ,прямоугольная  формы и целый ряд их разновидностей  Наблюдать формы импульсов возможно на осциллографе. Отмечу что импульсы бывают одиночными, периодическими и не периодическими. Но в резонансном преобразователе напряжения будет использоваться только две: прямоугольная и синусоидальная.

Приведу пример форм и характеристик некоторых  сигналов  применяемых в электронике.

                                       Треугольный

Пилообразный

                                       Синусоидальный

Вернемся к нашему задающему генератору собранному на IR2153.

IR2153 представляет из себя высоковольтный драйвер с внутренним генератором. Такой набор узлов позволяет на базе этой микросхемы организовать импульсные блоки питания мощностью до 1.5 кВт с минимальной обвязкой. Не буду особо заострять внимание на структуре самой микросхемы. Коснусь  лишь двух модулей : DEAD-TIME формирует импульсы которые необходимы для исключения сквозного тока силового каскада и выходного каскада микросхемы.DEAD-TIME-это модуль  внутри микросхемы который формирует паузы между импульсами управляющими силовыми транзисторами. Как он работает и что такое сквозные токи.

Объясню на примере нашей схемы:

На R2 и R3 подаются управляющие  импульсы .И если по какой то причине транзистор VT3 откроется раньше чем полностью успеет закрыться VT2 ,то возникнет сквозной ток, что приведет к бесполезному выделению тепла на силовых транзисторах это минимум .А максимум они выдут из строя.

Решение этой проблемы создание задержки между основными импульсами .Такое время задержки и называется дедтайм и графически это можно посмотреть на осциллограмме. Отмечу сразу что мертвое время в IR2153 фиксированное и составляет 1.2 млсекунды.

Реальные осцилограммы снятые с преобразователя напряжения. И по ним отлично видно что DEAD-TIME реально на IR2153 составляет 1,2 млсекунды.

(см.приложение 2)

Было бы не справедливо не отметить , что у микросхемы IR2153 есть аналоги, то есть микросхемы с аналогичным функциональным назначением .Это IR2151 и IR2155.

          Посмотрим таблицу основных параметров этих микросхем(см.приложение 3)

Из нее мы видим , что разница у этих микросхем заключается лишь в максимальном токе оконечного каскада, от которого зависит какими силовыми транзисторами и на какой частоте микросхемы могут управлять. А так же в цене IR2153 самая дешевая и ее цена составляет 100 рублей , а IR2155 самая дорогая и ее цена составляет 190 рублей.

 Отсюда напрашивается вывод:

Так как максимальный ток IR2153 составляет – 210 млА , а у IR2155-420 млА .

1.Они обе не смогут управлять моими силовыми транзисторами.

2.Не стоит переплачивать в таком случае.

3.Появляется новая проблема –эффект Миллера.

Решение конечно же есть, но для начала объясню что такое эффект Миллера.

Когда не достаточно тока оконечного каскада микросхемы для управления силовыми транзисторами ,то даже при наличии DEAD-TIME возникает сквозной ток, это происходит на очень короткий промежуток времени .Что в нашем случае недопустимо. Так как через наши силовые транзисторы будет протекать ток до 100 А. Это и есть эффект Милера.

Реальная фотография потребления первичной обмоткой преобразователя ток в 80 А. Что подтверждает мои слова .

(См.приложение)

                                                        Решение эффекта Миллера:

Применение мощных драйверов транзисторов, способных не только отдавать , но и принимать большие токи. Я воспользовался драйвером IR4427. Выходной ток драйвера составляет 1,5 А ,чего вполне достаточно для управлении силовыми транзисторами.

                                                                Что такое драйвер?

Драйвер по своей сути это специальный усилитель. И он используется в том случае , если емкость затворов силовых транзисторов слишком велика, что бы ей управляла  наша микросхема.

                                                           Силовые транзисторы.

( см.приложение)

Транзисторы в преобразователе  работают в ключевом режиме .Простыми словами это  как выключатель, (вкл/выкл) только с большой частотой. Основной  параметр  которым я пользовался при выборе силовых транзисторов  это энергия затвора. Проще говоря его емкость. И ток стока, по простому его мощность. И конечно же их стоимостью.

Вывод из этого прост: чем меньше емкость затвора и больше мощность - тем лучше(Дописать)

Трансформатор(см.приложение)

Трансформатор – это особая гордость моего преобразователя. Он намотан на  тороидальном ( круглом) ферритовом сердечнике, в нём нет ничего необычного, кроме его первичной обмотки. Такая намотка позволяет создать более плотное и равномерное магнитное поле, что в свою очередь повышает КПД трансформатора

Стабильное питание микросхемы и драйвера.12-ти вольтовый аккумулятор постоянного тока не сможет обеспечить нашу микросхему стабильным питанием, потому, что в первичной обмотке нашего трансформатора будет протекать большой ток, что приведёт к просадке напряжения на аккумуляторе, для этого я вставил вольтодобавку.

Диоды. Самые известные- стабилитроны, светодиоды, фотодиоды. Нас интересуют полупроводниковые диоды. Они состоят из полупроводника р-типа и n-типа, между которыми находится р-n переход, обладающий способностью проводить ток в одном направлении. Обладает односторонней проводимостью.

Чем хороша обмотка моего трансформатора? Она удобна тем, что не нужно использовать толстый провод, которым очень тяжёло обматывать и повышает КПД трансформатора.

Как работает трансформатор? Он обладает свойством преобразовывать переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения. Как это происходит? Трансформатор намотан на ферритовом кольце -это наш магнитопровод, по которому течёт магнитный поток .Этот поток создаётся переменным напряжением, данным первичной обмотке. Почему напряжение переменное, ведь источник питания аккумулятор с постоянным напряжением. Всё из-за первичной обмотки, у нас их две, и они имеют общую точку и при работе генератора наши силовые транзисторы открываются поочерёдно, тем самым меняя направление движения тока и соответственно магнитного поля, создаваемого этими обмотками. Так в первичной обмотке и получается переменное напряжение. Вторичная обмотка ловит магнитное поле, созданное первичной и преобразовывает его в переменное напряжение  с такой же частотой. Откуда на вторичной обмотке будет 220в, если на первичную падали 12в?Это зависит от количества витков первичной и вторичной обмотки, т.е приложив некоторое напряжение к первичной обмотке можно получить любое напряжение на вторичной, нужно только взять подходящее отношение между витками.

Как сделать из 220 переменного 500 постоянного?

Чтобы сделать напряжение постоянным нужно просто собрать 4 диода определённым образом. Также я воспользовался удвоителем напряжения. Я пошёл по схему Шенкеля-Виларда. Она состоит из двух диодов и двух конденсаторов , что уменьшает габариты самой установки, не забивая её лишними деталями.

Резонанс .Для определения резонансной частоты можно воспользоваться специализированным калькулятором, для которого нужно знать лишь индуктивность вторичной обмотки и ёмкость резонансного конденсатора. Главное не забыть. что нам не нужен эффект нулевого реактивного сопротивления( потому, что ток не будет ограничиваться и транзисторы взорвутся)Для этого частоту калькулятора необходимо разделить на 1.4.Таким образом мы получим рабочую частоту нашего генератора импульсов и добьёмся эффекта плавного запуска преобразователя.

Дополнительный блок питания для генератора выходных импульсов. По сути это наш преобразователь напряжения только в миниатюре. Он собран на той же микросхеме IR215.Он имеет трансформатор, только меньших размеров и с меньшим кол-вом витков первичной и вторичной обмотки, ведь на выходе нам нужно получить всего лишь 25в переменного напряжения вместо 220в.С помощью диодов преобразовать переменное в постоянное.

Зачем я сделал тоже самое только в миниатюре? Всё потому, что между обмотками нет прямой связи, только гальваническое поле, это позволяет разделить минус наших 500 вольт и минус 12 вольт.

3.Заключение

Импульсные блоки питания вновь и вновь становятся предметом дискуссий, споров, а их проектирование и конструирование вызывает некоторые затруднения в радиолюбительских кругах. Всё чаще именно к импульсным устройствам питания обращаются взоры домашних радиомастеров, поскольку они обладают целым рядом преимуществ по сравнению с трансформаторами. Например в автомобиле трансформатор бесполезен, а импульсный блок питания способен черпать энергию от любого аккумулятора или батареи гальванических элементов постоянного тока напряжения максимальной мощностью от нескольких Ватт до КВт

Я свою установку могу использовать

1)Автономное питание маяка

2)Рыбное хозяйство

3)Автономное габаритное питание

4)Сварка плавящихся и неплавящихся электродов

Список используемой литературы:

Сайт: www.soundbarrel.ru

  Физика- справочник школьника и студента проф. Рудольфа Гёбеля

  Сайт: m.ruselectronic.com

  Сайт:    www.radiokot.ru

  Сайт:  ru.m.wikipedia.org

«Физика 11 класс» Г.Я.Мякишев Б.Б. Буховцев и другие