Как сделать импульсный блок питания своими руками
Обновлено: 21.11.2024
Недавно я обедал с клиентом, с которым мы работаем с конца 1990-х годов. За это время мы увидели много изменений, и когда подали основное блюдо, мы начали говорить о том, как за эти годы продвинулись технологии источников питания. Это было наиболее заметно в областях эффективности и удельной мощности.
Первым устройством, которое он разработал с использованием XP Power, был блок питания 3 x 5 дюймов мощностью 40 Вт. В то время это могло считаться революционным, но если учесть, что в его последнем продукте использовался блок питания мощностью 350 Вт в том же пространстве, становится ясно, как далеко мы продвинулись.
Технический прогресс
Я провел небольшое исследование по этому вопросу после нашего рабочего обеда и, насколько я могу судить, самые первые импульсные блоки питания были разработаны в 1958 году компанией IBM. Они были основаны на технологии электронных ламп. Примерно в то же время корпорация General Motors подала несколько патентов на «транзисторные колебания».
С этим потоком технологических достижений дизайнеры внезапно получили возможность выбирать из множества компонентов и разных производителей, что дало им беспрецедентное количество вариантов и потенциально новаторских дизайнов.
В центре этого интенсивного периода разработки был традиционный линейный регулятор — самые яркие умы пытались понять, как они могли бы заменить устаревший трансформатор и резистивный метод изменения входного напряжения более эффективной конструкцией.
Идея, к которой они пришли, заключалась в использовании транзистора для увеличения входного напряжения со средним значением, меньшим, чем начальное входное напряжение (у нас на сайте есть фантастический магазин технических статей, если вы хотите получить более подробное описание SMPS). операция).
Благодаря более высокой эффективности и меньшему количеству требуемых магнитных материалов новая технология была меньше, легче и выделяла меньше тепла. Как и в случае с современными изобретениями с такими характеристиками, это решение 1950-х годов было чрезвычайно привлекательным для предприятий в различных секторах — от электроники до аэрокосмической отрасли, связи и вычислительной техники. Было множество первых пользователей, каждый из которых пытался максимально эффективно использовать этот новый источник питания. технология.
Расчет мощности
В течение следующих нескольких лет появилось множество патентов и разработок, многие из которых мы используем до сих пор. В 1972 году Hewlett Packard использовала импульсный источник питания в своем первом карманном калькуляторе. В 1976 году был подан первый патент, в котором использовался термин «импульсный источник питания» (SMPS).
Калькулятор HP на самом деле был компьютером, хотя и в несколько ином формате, чем мы знаем его сегодня. В то время оригинальный дизайн весил более 40 фунтов. SMPS был использован в конструкции для экономии места и веса, что стало первым шагом на пути к ультратонким и невероятно легким компьютерам, ноутбукам и планшетам, которые мы используем сегодня. Точно так же производители аэрокосмической техники, размышляя о том, как они могут сэкономить вес и место, также начали искать нестандартные импульсные блоки питания для создания гораздо более эффективных конструкций.
Охлаждение в 70-х и 80-х
1970-е годы были напряженным десятилетием, когда был сделан первоначальный прорыв и инновации развивались очень приличными темпами. Несколько компаний в Великобритании, США и Японии начали продавать стандартные блоки питания. На сегодняшний день существует около дюжины компаний, которые утверждают, что они первыми разработали и успешно продали импульсный источник питания, поэтому мы не будем вдаваться в подробности!
В журналах по электронике той эпохи публиковались статьи и реклама SMPS. Лидером в то время была Boschert Inc., американская корпорация, основанная в Калифорнии. Он заменил линейные источники питания для принтеров импульсными конструкциями. Эта компания выросла до более чем 1000 человек, предлагая широкий ассортимент открытых, корпусных и модульных блоков питания. В конце концов, в середине 80-х его приобрела компания Computer Products Inc.
Компания Apple Computers впервые представила импульсный источник питания в компьютере Apple II в 1970-х годах. Эта компактная высокоэффективная технология позволила Apple создать компактный и легкий компьютер без охлаждающего вентилятора.
Этот тип конструкции с конвекционным охлаждением был уникальным для того времени. Эта технология зажила собственной жизнью и использовалась в десятках потребительских приложений. Блоки питания IBM PC также перешли в режим переключения, хотя и с охлаждающими вентиляторами, аналогичными тем, которые используются сегодня в блоках питания типа ATX.
В конце 1980-х и начале 1990-х мы были ошеломлены, когда стали доступны стандартные блоки питания 3 x 5 дюймов с входом с автоматическим выбором диапазона, который определял, подключен ли он к 120 В переменного тока или 230 В переменного тока, и регулировал его соответствующим образом. Эти продукты имели мощность от 25 до 40 Вт, или от 1,66 до 2,66 Вт/дюйм2.
Встряска ЕС
По мере того, как все больше и больше компаний выходили на рынок, вокруг стандартных размеров, таких как 3x5 дюймов, появились некоторые свободные отраслевые стандарты. Плотность мощности начала улучшаться по мере развития магнетизма, переключающих транзисторов и интегральных схем контроллеров.Эти изменения позволили повысить эффективность и сделать возможной более высокую удельную мощность.
К началу 90-х соотношение W/In2, доступное из нескольких источников, увеличилось более чем вдвое.
ЕС вмешался с новым законодательством и общесоюзными директивами, которые означали, что больше внимания уделялось электромагнитным излучениям и коэффициенту мощности источников питания. По сути, по мере того, как все больше и больше продуктов использовали эту технологию, возрастала потребность в контроле электрических помех. Свою роль также сыграли проблемы с сечением проводников, необходимых для подачи электроэнергии туда, где она нужна в сети.
Законодательство ЕС было особенно разрушительным для рынка импульсных источников питания, поскольку технология переключения намного более шумная, чем линейные источники питания. Также требовались дополнительные схемы для преобразования входного тока в синусоидальную форму — это позволяло им соответствовать требованиям по коэффициенту мощности и предотвращать избыточные гармоники, вызывающие проблемы с электросетью.
Меню «Сегодня»
Итак, где мы находимся сегодня с точки зрения удельной мощности? Итак, клиент, с которым я обедал, только что одобрил наш новейший блок питания 3x5” мощностью 350 Вт с удельной мощностью 23 Вт/дюйм2. Это более чем в 10 раз превышает мощность первого блока питания, который он купил у меня.
Интересно, что благодаря коммерциализации технологии, увеличению объемов производства и низкозатратному азиатскому производству этот продукт доступен по цене, очень близкой к более ранним устройствам мощностью 40 Вт.
Понравилась эта статья? Поделись!
Гэри Бокок
Гэри является квалифицированным инженером-электронщиком и членом Инженерно-технологического института (МИЭТ). Он проработал в отрасли электроснабжения 30 лет, занимаясь проектированием, разработкой, применением и управлением. Он проработал в XP 22 года и занимал различные инженерные и управленческие должности, кульминацией чего стала его нынешняя должность технического директора.
Вам также может понравиться
Маркировка UKCA и ее влияние на продукты XP Power
31 декабря 2020 года Великобритания покинет Таможенный союз ЕС.
Гибкий источник переменного/постоянного тока мощностью 500 Вт с пиковой мощностью идеально подходит для промышленных и медицинских устройств
Новая серия блоков питания переменного/постоянного тока с высокой пиковой мощностью CMP250 была разработана для поддержки широкого спектра медицинских услуг.
Стандартные высоковольтные модули экономят время, место и деньги
Компонентные преобразователи постоянного тока с высоким выходным напряжением изменили способ, которым многие производители внедряют и используют высокое напряжение.
Электропитание важнейших систем мира
Товары
- Источники питания переменного/постоянного тока
- Преобразователи постоянного тока
- Высоковольтные блоки питания постоянного и переменного тока
- Преобразователи постоянного тока высокого напряжения
- ВЧ мощность
- 3-фазные источники питания
- ЭМС-фильтры
Приложения
Ресурсы
- Пресс-релизы
- Блог
- Литература
- Технические статьи
- Видео
- Примечания по применению
- Веб-семинары
- Проверка запасов у дистрибьютора
XP Power стремится быть ведущим поставщиком решений для электропитания, включая блоки питания переменного и постоянного тока и преобразователи постоянного тока, высоковольтные источники питания и источники питания RF.
XP предлагает абсолютное качество, от собственного дизайна в Азии, Европе и Северной Америке до производственных мощностей по всему миру.
Оставайтесь на связи
Узнавайте первыми анонсы новых продуктов, наши последние записи в блогах и многое другое.
Чтобы понять, почему эволюция электроники привела к гораздо более сложному способу создания регулируемых блоков питания, нам нужно вернуться немного назад и посмотреть на линейные источники питания.
Линейные блоки питания — это простые, надежные и малошумные блоки питания с хорошим регулированием и низким уровнем пульсаций. Так зачем менять? Есть две основные причины, и обе связаны со стоимостью. Во-первых, линейные источники питания требуют больших и дорогих трансформаторов. Во-вторых, регулирующий транзистор выделяет много тепла, что требует больших и дорогих радиаторов. Например, регулируемый блок питания 50 В, настроенный на выходное напряжение 5 В при силе тока 2 А, может рассеивать (50–5 В) * 2 А = 90 Вт тепла.
Импульсный источник питания (SMPS) почти устраняет обе эти проблемы, но схема становится более сложной.
Как работает импульсный блок питания
На приведенной выше блок-схеме сеть подается непосредственно в первый блок без использования трансформатора. Конечно, диоды и конденсаторы, используемые здесь, должны справляться со своей задачей. Обратите внимание, что постоянный ток также может подаваться сюда, например, в преобразователе постоянного тока с 12 В на 5 В. Входящий сетевой ток переменного тока теперь представляет собой выпрямленный постоянный ток высокого напряжения.
Следующий блок — это высокочастотный преобразователь, схема прерывателя, которая включает и выключает силовое устройство, такое как полевой МОП-транзистор, с частотой несколько кГц. Это высокочастотный преобразователь, который преобразует входящий постоянный ток в прямоугольную волну.
Следующий этап еще раз исправляет это и отфильтровывает рябь и шум. В последнем блоке, цепи управления, происходит волшебство. Это цепь обратной связи, управляющая прерывателем MOSFET.
Схема управления имеет делитель/умножитель напряжения, измеряющий выходное напряжение. Поскольку мы будем подавать это обратно в цепь прерывателя, работающую на сотни вольт, ее необходимо изолировать, обычно с помощью оптопары. Имеется опорный сигнал, генерируемый фиксированным опорным диодом или подстроечным потенциометром. Усилитель ошибки сравнивает эти два напряжения и регулирует ШИМ-генератор (широтно-импульсная модуляция), который управляет полевым МОП-транзистором.
Собираем все вместе
Приведенная выше функциональная блок-схема дает лучшее и более подробное представление о задействованных частях.
Практический пример
Ниже показан простой, но работающий импульсный источник питания. Сердцем этой схемы является импульсный стабилизатор TNY267. Эта микросхема выполняет функции генератора ШИМ, прерывателя МОП-транзистора, усилителя ошибки и схемы управления.
Конечным выходом этой схемы является 12 В, и она может выдавать 1 А:
Примечания к цепи
- Vin — это сетевой разъем переменного тока на 100–300 В.
- MOV – это варистор на основе оксида металла, используемый для защиты цепи от скачков высокого напряжения.
- D3 представляет собой двухполупериодный мостовой выпрямитель, а выход постоянного тока появляется через конденсатор C2. При входном напряжении 220 В переменного тока это будет около 220 В * 1,4 = 308 В постоянного тока, так что будьте осторожны!
- D2 – это диод для подавления переходных процессов на 180 В, предназначенный для обработки всплесков обратной ЭДС.
- TNY267 работает на частоте около 132 кГц. D1 (Шоттки) на вторичной обмотке выпрямляет переменный ток 132 кГц, а конденсатор С1 сглаживает пульсации. C3 — обязательный шунтирующий конденсатор. R1, R2 и диод D5 обеспечивают цепь обратной связи с TNY267 через оптоизолятор, чтобы обеспечить электрическую изоляцию от сети во всех точках.
- Первичная обмотка транзистора T1 — 157t, а вторичная — 14t. Сердечник представляет собой ферритовый трансформатор типа E19 с центральным сердечником размером около 4,5×4,5 мм.
Части приведенной выше схемы содержат очень высокие напряжения переменного и постоянного тока. Убедитесь, что используемые вами компоненты рассчитаны на такое напряжение. И никогда не работайте с высоковольтными устройствами, если вы не обучены и не компетентны в этом.
Теперь мы знаем, насколько эффективнее может быть импульсный источник питания, но при этом он более сложный и для его надежности требуются качественные компоненты.
Спасибо за чтение и не забудьте оставить комментарий ниже, если у вас есть вопросы о чем-либо!
● Получите более полное представление о преимуществах и недостатках линейных источников питания.
● Узнайте больше о различиях между линейными блоками питания и импульсными блоками питания.
Источник питания постоянного тока также является линейным источником питания.
Мы определяем «линейный» как продолжение или расположение вдоль прямой или почти прямой линии. Мы также определяем его как переход от этапа к этапу в одной серии. Однако линейность также представляет собой математическое соотношение, которое мы графически представляем в виде прямой линии.
Кроме того, мы тесно связываем это свойство с пропорциональностью. Вы можете наблюдать примеры такого типа отношений в области физики. Одним из таких примеров является линейная зависимость между током и напряжением в источнике питания или электрическом проводнике.
Линейный блок питания
Линейный источник питания используется в различных приложениях. Его широкое использование напрямую связано с общей выгодной производительностью, которую он обеспечивает. Неудивительно, что в области электроники большинство дизайнеров и инженеров предпочитают использовать компоненты, зарекомендовавшие себя как успешные и долговечные. Это также относится к линейному источнику питания, поскольку это признанная и проверенная технология.
Хотя линейный источник питания, как правило, не так эффективен, как импульсный источник питания (SMPS), он обеспечивает более высокую производительность. Если вы внимательно изучите рынок электроники, вы увидите широкое использование линейных источников питания в приложениях, требующих строгого подавления шума.
Одной из таких областей, где мы видим линейные источники питания, является область аудио и видео, включая усилители. Поскольку линейный источник питания не создает шума и импульсов переключения, характерных для импульсных источников питания, он идеально подходит для таких чувствительных приложений.
Преимущества и недостатки линейного источника питания
Линейный блок питания имеет множество преимуществ, включая общую относительно низкую стоимость и более простую конструкцию. Однако, как и почти все существующие вещи, с преимуществами приходят недостатки. В случае линейного блока питания эти недостатки заключаются в более низком КПД и избыточном нагреве, что приравнивается к потерям.
Линейные источники питания надежны, просты, производят минимальный шум и экономичны в производстве. Линейные источники питания также называют линейными регуляторами (LR). Потребность в меньшем количестве компонентов для создания линейного источника питания позволяет упростить конструкцию и снизить производственные затраты. Это также означает, что дизайнеры и инженеры предпочитают их по одним и тем же причинам.
В соответствии с правилами механики и электроники устройство (линейный источник питания), в котором используется меньше компонентов, по своей природе будет вызывать меньше проблем. Эта повышенная надежность является еще одним преимуществом использования линейного источника питания.
Преимущества и недостатки линейного источника питания (продолжение)
Линейный блок питания идеально подходит для приложений с низким энергопотреблением, что делает его столь же непригодным для приложений с высоким энергопотреблением. Таким образом, недостатками линейных источников питания являются более высокие потери тепла, больший размер и меньшая эффективность по сравнению с SMPS.
Основной проблемой, связанной с неадекватностью линейного источника питания для приложений с высокой мощностью, является его размер и вес. Это связано с потребностью в больших трансформаторах и других крупных компонентах конструкции. Помимо недостатков размеров, существуют проблемы с большими потерями тепла при регулировании мощных нагрузок. Благодаря своей конструкции через силовой транзистор проходят большие выходные токи, и тепловая нагрузка требует радиаторов для рассеивания этой энергии.
Наконец, вопрос эффективности является одной из существенных проблем линейного источника питания при оценке проекта. Низкий КПД означает, что существует существенная разница между входным и выходным напряжением, что является решающим фактором при рассмотрении вопроса об использовании линейных источников питания в вашей конструкции. Существуют и другие факторы, такие как напряжение нагрузки и падение напряжения, при оценке линейного источника питания для вашей конструкции. Как правило, при оценке источников питания для конкретного приложения необходимо учитывать все факторы, а не только стоимость, эффективность и размер.
Линейный источник питания и импульсный источник питания
ИИП отличается от линейного источника питания тем, как он преобразует первичное переменное напряжение в выходное постоянное напряжение. SMPS использует силовой транзистор для создания высокочастотного напряжения, которое проходит через небольшой трансформатор, а затем фильтрует его для удаления шума переменного тока. Однако линейный источник питания выдает постоянный ток, распределяя основное напряжение переменного тока через трансформатор, а затем фильтруя его для устранения помех переменного тока.
ИИП обеспечивают более высокую эффективность, меньший вес, меньшие размеры, повышенную надежность и более широкий диапазон входного напряжения. Однако линейный источник питания, как правило, более экономичен, имеет меньшие возможности, больше по размеру, больше весит и менее эффективен.
В процентном отношении линейный источник питания обычно работает с КПД около 60 %, тогда как КПД SMPS составляет около 80 % или выше.
Линейный источник питания имеет более длительный исторический опыт по сравнению с SMPS. Однако линейный блок питания не лишен недостатков. В целом, требования к приложению обычно определяют, какой блок питания лучше всего соответствует вашим индивидуальным потребностям.
После того, как вы выберете тип источника питания, который лучше всего подходит для вашей конкретной схемы, вы можете смоделировать все аспекты поведения схемы с помощью интерфейсных функций проектирования от Cadence и мощного симулятора PSpice. После того, как вы спроектировали свои схемы, вы можете использовать приложение для моделирования PSpice и инструменты симулятора, чтобы изучить эффективность и другие параметры вашего линейного источника питания или SMPS.
Если вы хотите узнать больше о том, как у Cadence есть решение для вас, поговорите с нами и нашей командой экспертов. Вы также можете посетить наш канал YouTube, чтобы посмотреть видеоролики о моделировании и системном анализе, а также узнать, что нового в нашем наборе инструментов для проектирования и анализа.
Об авторе
Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.
Следуйте на Linkedin Посетите веб-сайт Больше контента от Cadence PCB SolutionsПредыдущая статья
В этой статье рассказывается о важности сетевого управления для маршрутизации питания на печатной плате и .
Следующая статья
Когда речь идет о микропроцессоре и интегральной схеме, существует много важных различий и конструкций.
Давайте будем честными: покупка блока питания — не самое веселое занятие.
Это довольно дорого (и я должен признать, что я бы предпочел добавить к моему педалборду еще один пушок, который мне не нужен, красивую педаль, чем блок питания! 😁) и различия между несколько моделей на рынке не очень очевидны.
Поэтому я задался вопросом: можно ли сделать блок питания своими руками?
В этом сообщении в блоге я объясню, как работает блок питания, каковы критерии его выбора с точки зрения электроники и стоит ли делать его самостоятельно. Поехали!
Как работает блок питания?
У блока питания простая функция: преобразовывать напряжение 220 В от розетки во множество выходов постоянного тока 9 В для педалей.
Легко? Не совсем! Давайте углубимся в тему, заглянув внутрь моего блока питания Carl Martin Pro Power:
Как видите, внутри довольно тесно!
Основным элементом является трансформатор.
Не этот, конечно 😁 (badum tss!)
А скорее большой квадратный синий компонент в середине блока питания.
Как видно из названия, он может преобразовывать переменный ток 220 В от розетки в меньшее напряжение. Это трансформатор R10, который обеспечивает выходное напряжение 15 В.
Но наши педали нуждаются в постоянном токе (DC)! Для перехода от переменного тока к постоянному обычно используется диодный мост. Оставшийся ток стабилизируется конденсаторами, которые генерируют постоянный ток, имеющий много остаточных пульсаций.
Возможно, вы уже использовали регуляторы в гитарных эффектах. Если да, то вы должны были кое-что заметить: они огромны!
Действительно, они обеспечивают высокий ток 1,5 А каждый! Это LM317, и они используются для обеспечения достаточного тока для всех выходов источника питания. Carl Martin Pro Power имеет два выхода по 500 мА и шесть выходов по 100 мА, что составляет всего 1600 мА, что ниже максимального значения 3 А, которое они могут обеспечить. .
Вы можете видеть, что у них огромные радиаторы, которые касаются корпуса, когда он закрыт. Они очень важны, потому что регуляторы рассеивают МНОГО тепла! Рассеиваемая мощность 1,5 Вт может генерировать тепло до 100°C. Таким образом, важно иметь хорошую систему отвода тепла, чтобы избежать возгорания!
Вы также можете увидеть много электролитических конденсаторов:
Все эти конденсаторы служат одной цели: фильтровать источник питания! Они устранят последние пульсации переменного тока, которые все еще могут быть, чтобы избежать шума 50 Гц в ваших педалях. Вы можете видеть, что на каждый выход приходится по крайней мере один.
Слишком долго, не читал: это происходит в блоке питания: переменный ток 220 В от вашей розетки трансформируется в 15 В переменного тока с помощью трансформатора, а затем в постоянный с помощью мостового выпрямителя. Оставшийся постоянный ток стабилизируется регуляторами. Затем 9 В постоянного тока фильтруется множеством электролитических конденсаторов.
Оооооо. Что такое ХОРОШИЙ блок питания?
Конечно, есть хорошие и плохие блоки питания.
Конечно, важно обратить внимание на количество выходов и их силу тока, но с точки зрения электроники необходимо учитывать два основных момента.
1. Качество фильтрации
Электролитические конденсаторы, которые используются для фильтрации, и тип схемы фильтрации, в которой они используются, будут определять общий выходной шум источника питания.
Фильтрация неодинакова в каждом источнике питания и может привести к различиям в уровне шума. Однако производители не всегда учитывают выходной шум, и без сложных инструментов его довольно сложно измерить.
Как всегда, было бы здорово, если бы мы могли добиться большей прозрачности от производителей!
2. Тип трансформатора
Трансформаторы могут излучать электромагнитные волны. Ваши кабели подобны антеннам, которые захватывают его, создавая шум. В зависимости от типа трансформатора будет больше или меньше шума.
Обычно в источниках питания для гитарных педалей используется трансформатор с R-образным сердечником, который имеет низкий уровень электромагнитного излучения по сравнению с другими трансформаторами, такими как тороидальные трансформаторы. Например, Carl Martin Pro Power имеет трансформатор с R-образным сердечником.
Лаборатория Voodoo использует "специальный тороидальный трансформатор", который уменьшает шум, но, на мой взгляд, не оптимален.
Strymon пошла другим путем, используя импульсный источник питания в своих источниках питания Ojaj и Zuma, который создает гораздо меньше электромагнитных излучений.
И это работает! Посмотрите это видео:
Самостоятельный блок питания: осуществимо?
Короче говоря, ответ таков: да, но не следует.
Создать функциональный блок питания довольно просто. Сделать эффективный, безопасный и бесшумный блок питания гораздо сложнее!
Действительно; Вы ДОЛЖНЫ быть очень осторожны с перегревом. Регуляторы выделяют много тепла и могут легко вызвать пожар в вашей системе или, что еще хуже, в вашем жилье!
Существует также риск электробезопасности. Вы должны включить все элементы безопасности, которые обеспечивают вашу безопасность при использовании источника питания: предохранители, заземление, автоматический выключатель.
Поэтому все блоки питания сертифицированы CE, что гарантирует электрическую и пожарную безопасность:
Еще одна проблема — корпус. К сожалению, это нестандартные корпуса.
Наконец, существует большая вероятность того, что производительность вашего блока питания будет довольно низкой по сравнению с коммерческими.
Поэтому я бы посоветовал вам просто купить сертифицированный CE блок питания с изолированными выходами.
Я думаю, что мой Carl Martin Pro Power действительно хорош и не слишком дорог. Если вам нужны первоклассные блоки питания, Strymon Zuma или Strymon Ojaj просто лучшие в своем классе.
Если вам понравилась эта статья, поблагодарите меня лайком на странице Coda Effects в Facebook! Вы также можете подписаться на Coda Effects в Instagram.
Читайте также: