Стабилизированный блок питания Siemens Sitop

Принципиальная схема

Существует множество различных видов аккумуляторных систем резервного питания, и выбор типа системы в значительной степени зависит от того, что именно вы питаете. Для данного проекта я разработал простую схему, которую можно использовать для питания маломощной электроники, которая работает от 12 вольт или ниже.

Во-первых, нам нужен источник питания постоянного тока. Такие источники очень распространены и бывают различных напряжений и номинальных токов. Блок питания подключается к схеме через разъем питания постоянного тока. Затем он подключается к блокирующему диоду. Блокирующий диод предотвращает протекание тока из резервной аккумуляторной системы обратно в источник питания. Далее, через резистор и еще один диод подключается аккумуляторная батарея. Резистор позволяет батарее медленно заряжаться от источника питания, а диод обеспечивает низкое сопротивление пути протекания тока между батареей и конечной схемой, таким образом, аккумулятор может питать конечную схему, если выходное напряжение источника питания упадет слишком низко. Если схема, которую вы питаете, требует стабилизированный источник питания, то вы можете просто добавить в конце стабилизатор напряжения.

Принципиальная схема резервного аккумуляторного источника питания

Если вы питаете Arduino или аналогичный микроконтроллер, то вы должны учесть, что вывод V_in уже подключен к встроенному стабилизатору напряжения на плате. Таким образом, вы можете подать на вывод V_in любое напряжение в диапазоне от 7 до 12 вольт.

Схемотехника импульсных блоков питания

Природой предоставлено 14 базовых топологий реализации импульсных блоков питания. С присущими достоинствами, уникальными характеристиками. Некоторые подходят созданию маломощных блоков питания (ниже 200 Вт), другие лучшие качества проявляют при питании сетевым напряжением 230 вольт (50/60 Гц). И чтобы выбрать нужную топологию, сумейте представить свойства каждой. Исторически первыми называют три:

• Buck – бак, олень, доллар.
• Boost – ускорение.
• Polarity inverter – инвертор полярности.

Три топологии относятся к линейным регуляторам. Тип приборов считается предшественником импульсных блоков питания, не включая достоинств. Напряжение подается через трансформатор, спрямляется, нарезается на силовом ключе. Работой регулятора заведует обратная связь, в задачи которой входит формирование сигнала ошибки. Тип приборов составлял многомиллиардный оборот в 60-е годы, мог лишь понижать напряжение, а общий провод потребителя замыкался с сетью питания.

Схема Buck топологии

Buck топология

Так появились «олени». Первоначально предназначенные для постоянного напряжения нарезали входной сигнал импульсами, затем пачки спрямлялись, фильтровались с получением средней мощности

Обратная связь контролировала скважность, частоту (широтно-импульсная модуляция). Аналогичное делается сегодня компьютерными блоками питания

Практически сразу были достигнуты значения плотности мощности 1 — 4 Вт на кубический дюйм (впоследствии до 50 Вт на кубический дюйм). Прелестно, что стало можно получать множество выходных напряжений, развязанных со входом.

Недостатком сочтем потери в момент переключения транзистора, напряжение меняет полярность, остается ниже нуля до следующего импульса. Указанная часть сигнала, минуя диод, замыкается на землю, не доходя фильтра. Обнаружено существование оптимальных частот переключения, при которых издержки минимизируются. Диапазон 25 — 50 кГц.

Схема Boost топологии

Boost топология

Топология именуется кольцевым дросселем, ставится вперед ключа. Удается повысить входное напряжение до нужного номинала. Схема работает следующим образом:

1. В начальный момент времени транзистор открыт, дроссель запасается энергией источника напряжения через коллекторный, эмиттерный p-n-переходы, землю.
2. Затем ключ запирается, стартует процесс зарядки конденсатора. Дроссель отдает энергию.
3. В некоторый момент отрабатывает усилитель обратной связи, начинается питание нагрузки. Конденсатор неспособен отдать энергию в сторону силового ключа, мешает диод. Заряд забирает полезная нагрузка.
4. Падение напряжения вызовет повторное срабатывание цепи обратной связи, начнется накопление энергии дросселем.

Polarity Inverter топология

Топология полярного инвертора похожа на предыдущую схему, дроссель расположен за ключом. Работает следующим образом:

1. В начальный момент времени ключ открыт, положительной полуволной напряжения наполняет дроссель энергией. Далее энергия пройти бессильна — мешает диод.
2. Транзистор закрывается, в дросселе возникает ЭДС, называемая паразитной. Направлена противоположно начальной, свободно проходит диод, подзаряжая конденсатор.
3. Срабатывает схема обратной связи, широтно-импульсный модулятор вновь открывает транзистор. Начинается процесс разрядки конденсатора в нагрузку, дроссель вновь заполняется энергией.

Схема Polarity Inverter топологии

В этом случае наблюдаем параллельность процессов запасания/расходования энергии. Все три рассмотренные схемы демонстрируют следующие недостатки:

1. Имеется связь по постоянному току между входом и выходом. Другими словами, отсутствует гальваническая развязка.
2. Невозможно получить несколько номиналов напряжений из одной схемы.

Минусы устраняются двухтактной тяни-толкай (push-pull), запаздывающей (latter) топологиями. Обе используют чоппер с технологией опережения (forward). В первом случае используется дифференциальная пара транзисторов. Становится возможным использовать один ключ на половину периода. Для управления нужна специальная формирующая схема, попеременно раскачивающая эти качели, улучшаются условия отвода тепла. Нарезанное напряжение двухполярное, питает первичную обмотку трансформатора, вторичных много – сообразно требованиям потребителей.

В запаздывающей топологии один транзистор заменен диодом. Схема часто эксплуатируется маломощными блоками питания (до 200 Вт) с постоянным напряжением на выходе 60 — 200 В.

Линейные и импульсные источники вторичного питания

Существует два принципиальных подхода к проектированию схем источников питания, в соответствии с которым их можно разделить на два основных класса: линейные (непрерывные) и импульсные.

В линейных ИП переменное напряжение питающей сети преобразуется трансформатором, выпрямляется, подвергается низкочастотной фильтрации и стабилизируется (рис.3). В нестабилизированных ИП нагрузка подключается непосредственно к выходу фильтра низкой частоты. В стабилизаторах линейных ИП осуществляется непрерывное регулирование: последовательно или параллельно с нагрузкой включается регулирующий элемент (транзистор), управляемый сигналом обратной связи, за счет чего выходное напряжение поддерживается на постоянном уровне.

Рис. 3. Упрощенная функциональная схема линейного стабилизированного источника питания

Отличительная особенность линейных стабилизаторов напряжения заключается в том, что их выходное напряжение всегда ниже нестабилизированного входного напряжения. Кроме этого выходное напряжение U_вых всегда имеет одинаковую полярность с входным напряжением U_вх, а сам стабилизатор непрерывно рассеивает мощность

P_расДI_вых (U_вх ?ДU_вых), где I_вых — выходной ток (ток нагрузки).

Импульсные ИП непосредственно выпрямляют и фильтруют напряжение питающей сети переменного тока без использования первичного силового трансформатора, который для частоты 50 Гц имеет значительные вес и габариты. Выпрямленный и отфильтрованный постоянный ток коммутируется мощным электронным ключом, затем преобразуется высокочастотным трансформатором, снова выпрямляется и фильтруется (рис.4).

Рис. 4. Упрощенная функциональная схема импульсного источника питания

где В — выпрямитель, ФНЧ — фильтр низкой частоты, КРЭ — ключевой регулирующий элемент, Т — трансформатор.

Электронный ключ управляется специальным сигналом, формируемым схемой управления. В устройстве может быть обратная связь по напряжению, благодаря которой стабилизируется выходное напряжение (управляющий сигнал формируется в зависимости от разности напряжений выходного и опорного). Из-за высокой частоты переключения (от 20 кГц и выше), трансформаторы и конденсаторы фильтров имеют намного меньшие размеры, чем их низкочастотные (50 Гц) эквиваленты. Достоинством импульсных ИП является высокий КПД — от 80% (КПД линейных ИП, как правило, не превышает 60%).

Для питания РЭА используются три типа импульсных электронных устройств, использующихся в качестве ИП: преобразователь ??переменный ток/постоянный ток (AС-DС конверторы), преобразователь — постоянный ток/постоянный ток (DC-DC конвертор) и преобразователь ??постоянный ток/переменный ток (DC-AC преобразователь или инвертор). Каждый тип устройств имеет собственные определенные области применения.

Импульсные стабилизаторы (DC-DC конверторы), в отличие от аналогичных линейных устройств могут:

1) обеспечивать выходное напряжение, превышающее по величине входное напряжение;

2) инвертировать входное напряжение (полярность выходного напряжения становится противоположной полярности входного напряжения).

DC-DC конверторы используют принцип действия импульсных ИП, но применяются для того, чтобы преобразовывать одно постоянное напряжение в другое, обычно хорошо стабилизированное. Такие преобразователи используются, большей частью, там, где РЭА должна питаться от химического источника тока или другого автономного источника постоянного тока.

Интегральные DC-DC конверторы широко используются для преобразования и распределения постоянного напряжения питания, поступающего в систему от сетевого ИП или батареи.

Другое распространенное применение для DC-DC конверторов, это преобразование напряжения батареи (1.5, 3.0, 4.5, 9, 12, 24 В) в напряжение другого номинала. При этом выходное напряжение может оставаться достаточно стабильным при значительных колебаниях напряжения батареи.

ЛАБОРАТОРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

Лабораторный блок питания ни что иное как высококачественный универсальный источник питания с нормированными и термостабильными характеристиками. Эти устройства имеются на любом предприятии, которое занимается разработкой, изготовлением или ремонтом и/или ремонтом радиоэлектронной аппаратуры.

Используют их во время проверки и/или калибровки различных приборов. Кроме того они необходимы в тех случаях, когда нужно с высокой точностью подать питающее напряжение и ток на радиотехническое устройство. Как правило, лабораторные блоки питания оснащаются всевозможными устройствами защиты (перегрузка, защита от короткого замыкания и пр.) и органами регулировки выходных параметров (напряжение и ток).

Лабораторные блоки оснащают также специальными входами для подачи модулирующих сигналов, что позволяет пользователю формировать выходное напряжение и ток произвольной формы.

Серийно выпускаемые лабораторные источники питания могут быть как линейными, так и импульсными.

Линейные.

Линейные лабораторные БП строятся на базе больших низкочастотных трансформаторов, которые понижают сетевое напряжение ~220 В частотой 50 Гц до определенного значения. Частота переменного тока при этом остается без изменений. Затем синусоидальное напряжение выпрямляется, сглаживается емкостными фильтрами и доводится до заданного значения линейным полупроводниковым стабилизатором.

Приборы, работающие по такому принципу обеспечивают требуемое значение выходного напряжения с высокой точностью. Оно отличается стабильностью и отсутствием пульсаций. Однако они имеют ряд недостатков:

• большие габаритные размеры и вес, который может быть больше 20 кг. Из-за этого мощность на нагрузке у таких БП редко превышает 200 Вт.;
• низкий КПД (не более 60%), что обусловлено принципом работы линейного стабилизатора, где все избыточное напряжение преобразуется в тепло;
• наличие высокочастотных помех, проникающих из сети ~220 в, 50 Гц., для устранения которых необходим сетевой фильтр;
• относительно небольшое время наработки на отказ, вызванное старением электролитических конденсаторов.

Импульсные.

В основу работы импульсных лабораторных блоков питания положен принцип заряда сглаживающих конденсаторов импульсным током. Он образуется в момент подключения/отключения индуктивного элемента. Переключение происходит под действием специально оптимизированных транзисторов, а выходное напряжение регулируется путем изменения глубины широтно импульсной модуляции (ШИМ).

Основные преимущества импульсных лабораторных источников обеспечиваются за счет:

• плавного изменения глубины ШИМ, что в свою очередь, позволяет закачивать в сглаживающие конденсаторы такое количество энергии, которое соизмеримо с энергопотреблением нагрузки БП. При этом КПД блока питания может достигать 90 и более процентов;
• высокочастотной составляющей, которая дает возможность использования сглаживающих конденсаторов значительно небольшой емкости.

За счет этого габаритные размеры корпуса невелики. Кроме того, за счет более высокого КПД значительно уменьшается выделение тепла и улучшается температурный режим работы источника питания.

Существенным недостатком импульсных лабораторных блоков, несколько ограничивающих их применение являются:

• высокочастотные пульсации на выходе, которые достаточно тяжело отфильтровать;
• радиочастотные наводки и их гармоники, вызванные периодическими токовыми импульсами.

При работе с радиочастотными схемами импульсные блоки питания необходимо располагать на максимальном расстоянии от них или использовать трансформаторные схемотехнические решения.

Основным техническим параметром лабораторных источников электро энергии является мощность. Здесь существует такое подразделение:

• стандартные, мощностью до 700 Вт. Их максимальный вес не превышает 15 кг.;
• большой мощности.

Стандартные исполнения могут быть как трансформаторными, так и импульсными. Предназначены они для работы с напряжениями в диапазоне от 15 до 150 В. При этом максимальный ток ограничивается величиной порядка 25 А. Как правило, они имеют от одного до трех каналов, из которых два являются регулируемыми.

2012-2019 г. Все права защищены.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Известно автоматическое устройство для катодной защиты металлических сооружений от коррозии (авт. св. СССР 411174, G 23 f 13/00, 1974, БИ 2), содержащее неполяризующийся электрод сравнения, интегратор, состоящий из сопротивления и конденсатора. Выход интегратора подключен к цепи, включающей в себя задающее сопротивление, последовательно соединенное через диод с нагрузочным сопротивлением. Задающее сопротивление подключено к датчику опорных калиброванных импульсов, в качестве которого используется преобразователь. Нагрузочное сопротивление включено на вход усилителя переменного тока. Усилитель через выпрямительный мост подключен ко входу фазовращающего устройства, в качестве которого используется, например, магнитный усилитель. Выход фазовращающего устройства, которое получает питание от обмотки, подключен к тиристорам. Силовая часть устройства питается от трансформатора, подключенного к тиристорам, и питает нагрузку.

Недостатками этого устройства являются: низкая точность поддержания защитного потенциала на защищаемом металлическом сооружении по отношению к заданному защитному потенциалу, отсутствует защита от коротких замыканий и перегрузок, т. е. нет режима токоограничения и стабилизации выходного тока, нет быстродействующей схемы отключения устройства от питающей сети при коротких замыканиях и недопустимых перегрузках, а также нет защиты от перенапряжений, высокий уровень радиопомех и большой коэффициент пульсаций выходного напряжения.

Примененный в устройстве интегратор, состоящий из конденсатора и резистора, имеет определенную постоянную времени, что не позволяет получить одинаковый уровень пульсации сигнала обратной связи во всем диапазоне регулирования выходного напряжения. При режимах работы устройства, близких к номинальному, пульсации у сигнала обратной связи, снимаемого с интегратора, относительно маленькие, а при малом выходном напряжении устройства пульсации резко возрастают, так как коэффициент сглаживания интегратора сравнительно мал. Применение в интеграторе конденсаторов большой емкости приводит к возникновению автоколебаний при больших углах регулирования, так как начинает сказываться собственная индуктивность конденсаторов. Поэтому точность измерения защитного потенциала защищаемого металлического сооружения по отношению к заданному защитному потенциалу невозможно получить менее 4-5% при диапазоне регулирования выходного напряжения устройства от нуля до 100%.

В устройстве отсутствует защита от коротких замыканий и перегрузок и быстродействующая схема отключения от питающей сети, что может привести к выходу из строя устройства.

Известен источник постоянного напряжения (авт. св. СССР 412661, H 02 m 7/04, G 05 f 1/16, С 23 f 13/00, 1974, БИ 3), содержащий стабилизатор опорного напряжения, блоки сравнения и управления, регулятор, согласующий трансформатор, выпрямитель, датчики токового ограничения и коррекции фазового сдвига, входы которых подключены к выходам регулятора, а выходы — ко входам схемы управления.

Простое зарядное устройство своими руками

Отправляясь в туристический поход – пеший, на лошадях или на плотах, мы сознательно и даже с удовольствием отрываемся от таких благ цивилизации, как электроплита, телевизор, холодильник. То есть мы покидаем зону действия электричества.

Но с тех пор, как появилась мобильная телефонная связь, мы так привыкли к мобильникам, что без них не представляем себе даже туристический поход. Но ведь не положишь в рюкзак электрогенератор или запас аккумуляторов! Надо изыскать какой-то простейший источник питания, способный подзарядить мобильник. Источник, который можно было бы изготовить прямо на месте, причем без больших затрат.

И такой источник есть: это гальванический элемент (вспомните школьную физику). Принцип его работы основан на том, что некоторые пары металлов при соприкосновении в электролитической среде (раствор или расплав кислот, солей или оснований) вырабатывают электрический ток. Их называют гальваническими парами.

Например, медь и алюминий составляют гальваническую пару и потому медный провод нельзя напрямую соединять с алюминиевым. В месте их контакта возникает электрический ток (так как воздух является электролитом), из-за этого образуется закись меди, что приводит к нарушению контакта.

Мы сможем получить простой источник питания, если куски железной и медной проволоки (это будут электроды, образующие гальваническую пару) воткнем во влажный грунт (электролит) в полиэтиленовом мешочке. Этот элемент даст едва заметный ток. Усилим его, заменив куски проволоки пластинами – чем бóльших размеров, тем лучше. Еще больше усилим, пропитав грунт солевым раствором.

Если к электродам подключим вольтметр, он покажет наличие напряжения. Конечно,  очень небольшого – максимум 1 вольт. И ток будет невелик – 20-50 мА.

Но у нас есть еще несколько пластин и куча полиэтиленовых мешочков (впрочем, вместо мешочка годится любой более дорогой сосуд). Из них мы сделаем еще несколько гальванических элементов и соединим их последовательно. Получим батарею гальванических элементов. Так мы достигнем напряжения, достаточного для подзарядки  аккумуляторов сотового телефона или других устройств.

Да, такой простой источник питания примитивен и имеет невысокий коэффициент полезного действия. Зато он

– крайне дешевый и делается из материалов, которые буквально валяются под ногами (пластинки металла, обрезки труб, проволока, полиэтиленовые мешочки);

– не имеет никаких подвижных частей и не требует обслуживания (разве что время от времени придется поливать грунт для поддержания влажности): один раз изготовил, и пользуйся, сколько хочешь;

– работает независимо от погодных условий (не требует солнца или ветра);

–  прост в изготовлении: его легко сделает любой школьник младших классов;

– очень мобильный, что важно для туристов: разбили стоянку, достали из рюкзака электроды, воткнули их в землю, вылили пару котелков воды и – гуляй. За ночь будут заряжены аккумуляторы мобильных телефонов, фонариков, фотоаппаратов, раций и навигаторов

Гальваническими элементами как источниками тока пользовались еще с конца 18-го века, когда итальянский физиолог и физик Луиджи Гальвани обнаружил появление разности потенциалов при соприкосновении разных металлов в электролите. Тогда батареи гальванических элементов были очень дорогими и дефицитными. Сегодня, даже  при изобилии экономичных низковольтных источников питания массового пользования, архаичный гальванический элемент все еще может принести пользу как простейший источник питания.

Советуем вам ознакомиться с не менее интересными статьями:

В заключение, изменим нашу традицию и сегодня посмотрим вот это замечательное видео:
«Что можно сделать с девушкой на бильярдном столе»

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ

Универсальный БП — это надежный источник электропитания, обладающий стабильными выходными параметрами и имеющий двойной запас по мощности. На его передней панели в общем случае должны размещаться:

1. Стрелочные и цифровые измерительные приборы (вольтметр, амперметр). При этом:
стрелочный даст возможность оценить динамические изменения контролируемых параметров;
цифровой позволит с высокой точностью контролировать выходные характеристики БП.

2. Органы управления, с помощью которых регулируют выходные параметры в режимах «грубо» и «точно», индикатор режима работы, тумблер или клавишный выключатель питающей электросети.

Теоретически возможно, но практически нецелесообразно разработать и изготовить универсальный блок питания, который подойдет, как говорят, «на все случаи жизни». Такое устройство будет иметь огромные размеры и вес, а его стоимость превысит все допустимые пределы.

Поэтому современные универсальные источники вторичного напряжения классифицируются по мощности, по номинальному значению выходного напряжения и по количеству выходов питающего напряжения. Исходя из этих градаций и осуществляют выбор необходимого прибора.

По номинальному значению выходного напряжения универсальные блоки питания бывают:

• низковольтные до 100 В;
• средневольтные до 1000 В;
• высоковольтные свыше 1000 В.

По выходной мощности они делятся на:

• микромощные, выходная мощность которых не превышает 1 Вт;
• малой мощности от 1 до 10 Вт;
• средней мощности 10…100 Вт;
• повышенной (от 100 до 1000 Вт) и высокой (свыше 1000 Вт) мощности.

При этом универсальные источники электропитания могут быть одно или многоканальными, то есть обеспечивающие подачу одного или нескольких питающих напряжений.

Блок питания с регулировкой.

Одним из самых простых универсальных источников электропитания является регулируемый. Например, для начинающих радиолюбителей таким устройством может быть блок питания с током нагрузки в несколько ампер и позволяющий регулировать выходное напряжение в пределах от 1 до 36 В. К нему можно подключить не только радиотехническое устройство или электродвигатель, но и автомобильный аккумулятор для зарядки.

В основе электрической схемы такого блока питания лежит мощный силовой трансформатор, а на выходе устанавливается мощный транзистор, установленный на теплоотводящий радиатор. Управляет транзистором специальная микросхема. Имеющиеся низкочастотные пульсации и высокочастотные шумы сглаживаются электролитическими конденсаторами большой емкости.