Немного о сварочных аппаратах в быту обычного человека и зачем оно надо

Блок питания: суть и принцип работы

Существует крылатое выражение театр начинается с вешалки, авторство которого приписывают мэтру театрального искусства Константину Сергеевичу Станиславскому.

Смысл изречения в том, что представление рождается не на сцене, а гораздо раньше — с момента входа в храм искусства: гардероб — первое место, куда должен проследовать зритель, а гардеробщики — это встречающие его артисты, которые задают тон и настроение.

Роль источника питания в электронике

Никто из известных и уважаемых специалистов в мире электроники, конечно, не говорил, что электронное устройство берёт начало с источника питания, но всем инженерам-электроникам и просто радиолюбителям известно, что он придаёт эксплуатационные особенности прибору, который обеспечивает электропитанием.

От конструкции и схемотехники БП будет зависеть качество работы и удобство питаемого электроприбора в эксплуатации. А в наш век повальной миниатюризации и повышения эстетичности техники такие же требования предъявлены к источникам энергии: они обязаны сочетать, кажется, несовместимые параметры: миниатюрность, высокую мощность, надежность и безопасность.

Типы и конструктивные исполнения БП

Сегодня выпускают многообразие типов и конструктивных исполнений БП. Схемотехника их обширна и элементную базу нынешних моделей нельзя назвать скудной: от архаичных трансформаторов, суть которых за сотню лет не изменилась, до современных высокочастотных импульсников, показавшим нам, насколько БП бывают мощными и миниатюрными.

Какие узлы применяют в источниках питания?

Разберёмся, какие узлы применяют в многочисленных источниках питания (ИП), рассмотрим принцип их работы и дадим сравнительные характеристики. Это поможет начинающим радиоэлектронщикам, которые только постигают азы электроники.

Сварочные инверторы: современные возможности

Для такой сварочной работы используются специальные устройства, способные преобразовывать высокое сетевое напряжение питания в пониженное, применяемое для сварки, и, кроме того, обеспечивающие достаточно высокую силу тока для успешного течения этого процесса.

Современность инверторов

В последние приблизительно 20 лет (по памяти автора статьи, несмотря на то, что производятся они приблизительно с 80-х годов прошлого века) всё более широкое распространение получили так называемые сварочные инверторы, представляющие собой лёгкий и компактный аппарат (размером примерно как лист А4 и весом порядка 2,5-3,5 кг), выгодно отличающиеся от предыдущего поколения сварочных преобразователей, представленных трансформаторными аппаратами.

Многие, а особенно из старшего поколения, наверное, помнят огромные и тяжеленные сундуки размером чуть ли не до пояса и весом килограмм 40-60, которые ещё совсем недавно любители собирали самостоятельно ввиду отсутствия подобных систем в продаже. Они хранились в гаражах чуть ли не у каждого второго автолюбителя.

Плюсы современных инверторов

Горение питающей электропроводки и мигание света у всех соседей в округе в момент сварки были частыми спутниками подобных устройств. В противовес им современные инверторные аппараты могут легко и непринуждённо работать даже от домашней электросети (например, как у автора этой статьи), при этом никакого мигания света и горения электропроводки даже и близко не наблюдается.

Пример использования инвертора

Конечно, это сильно зависит ещё и от того, на какой силе тока осуществляется сварка. Например, я, когда мне нужно осуществлять сварочные дела, варю, используя электрод — так называемую двоечку сечением 2 мм. При этом выходная сила тока выставляется на 70A (т. е. из расчёта 35A на каждый миллиметр сечения).

Принцип работы инверторов

Принцип действия сварочных инверторов основан на том, что сетевое питающее напряжение, поступая в аппарат, сначала выпрямляется, и далее этот выпрямленный ток поступает на транзисторы, обладающие высокой скоростью переключений (вплоть до 100 кГц), где, благодаря этим переключениям разбивается на отрезки, то есть по сути начинает представлять собой прямоугольную форму, и далее этот прерывистый ток подаётся на трансформатор, после которого преобразуется в переменный импульсный ток также прямоугольной формы.

Инвертор для сварки: особенности и преимущества

После чего этот ток сглаживается с помощью дросселя, а высокая частота тока позволяет использовать трансформатор меньшего размера — например, для получения сварочного тока в 160 А инверторному аппарату требуется всего лишь трансформатор весом в 250 г, в то время как в обычных аппаратах для этого потребовался бы трансформатор весом в 18 кг, а если говорить в общем, то можно сказать, что в среднем на каждый 1А тока у инверторного аппарата приходится примерно от 0,022 кг веса (или же 3,52 кг на те же 160А, что весьма привлекательно).

Кстати, ещё о токе. Несмотря на преобладание инверторных аппаратов постоянного тока, существует ещё и подвид с переменным током, способный выдавать такой ток синусоидальной и прямоугольной формы.

Преимущества переменного тока

У таких аппаратов есть целый ряд преимуществ, одним из которых является более стабильная температура дуги, что в результате даёт более высокое качество сварного соединения. Также благодаря высокой частоте возникает эффект замедления движения заряженных частиц в дуге, они дольше находятся в разрядном промежутке, что в целом, благодаря инициации ими ионизации, ещё больше стабилизирует весь процесс.

Плюсы переменного тока

Кроме того, благодаря постоянной смене полярности происходит уменьшение размера расплавленных металлических капель, переносящихся на материал с электрода, как бы их своеобразное распыление, что в результате после застывания позволяет добиваться более высокого качества сварного шва из-за более равномерного размера зёрен металла.

Полярность в сварочных аппаратах

Ещё интересный момент о полярности: сварка может осуществляться как в прямой полярности, так и в обратной (это особенно касается бытовых инверторных сварочных аппаратов постоянной полярности).

Прямая и обратная полярность

Это означает, что при прямой полярности сварочный электрод подключён к минусу, а свариваемый металл к плюсу. Такой способ позволяет нагревать металл гораздо больше, чем электрод, и он остаётся более холодным. Такой способ даёт большую глубину плавления металла, а дуга гораздо более стабильна, что позволяет получать хороший шов. Минусом такого способа является повышенный риск проплавления тонких деталей.

В противовес описанному выше, при обратной полярности электрод подключается к плюсу, а металл к минусу. При таком подходе электрод плавится гораздо быстрее, а металл проплавляется меньше, сам шов получается более широким и менее глубоким, и дуга в целом менее стабильна.

Заключение

Ещё немаловажной особенностью инверторных аппаратов является то, что они по своим габаритам меньше аппаратов постоянного тока, так как в их устройстве исключается выходной выпрямитель, а в целом, можно сказать, что их производительность превышает аппараты постоянного тока.

Сварочные инверторы: преимущества и недостатки

Работа всей системы инверторов любого типа контролируется электронной схемой, которая в динамическом режиме корректирует показатели, если они отклоняются от заданных, причём корректировка осуществляется быстро, в течение миллисекунд, обеспечивая оперативное выполнение относительно сложных алгоритмов.

Например, практически в каждом инверторе есть функция горячего старта, когда подаётся максимальный ток; антизалипание — когда ток снижается до минимального, при касании электродом детали, чтобы избежать прилипания электрода; форсирование дуги — позволяет избежать залипания, когда электрод погружается в сварочную ванну (то есть расплавленный жидкий металл), при этом сила тока кратковременно увеличивается, чтобы не дать электроду прилипнуть и облегчить перенос металла с него — в уже расплавленную массу.

Для надёжного зажигания дуги в сварочных инверторных аппаратах могут прибегать к различным подходам, основная суть которых заключается в начальной ионизации разрядного промежутка. Для этого используют:

• повышение напряжения холостого хода;
• в начальный период, для инициации дуги — пробой разрядного промежутка высоковольтными импульсами от специального генератора;
• и даже инициацию с помощью слабого лазерного луча.

Регулировка тока

Регулировка тока осуществляется с помощью длительности и частоты следования импульсов (т. е. применяется ШИМ-управление).

Инверторы отличаются низкими пульсациями сварочного тока, так как эти высокочастотные пульсации легко отфильтровываются с применением дросселя и конденсатора, в противовес низкочастотным пульсациям стандартного трансформаторного сварочного аппарата.

Транзисторы IGBT

Последние поколения сварочных инверторов выполняются с применением IGBT-транзисторов, представляющих собой биполярный транзистор с изолированным затвором, который работает как мощное переключающее устройство, в котором полевой транзистор на входе управляет мощным биполярным транзистором, в свою очередь, управляющим нагрузкой.

С точки зрения схемотехники сварочные инверторы выполняются по трём основным схемам.

КПД и другие характеристики

КПД инверторных аппаратов достигает 90% против 75-80% у обычного типа, а вес у них меньше в 4-6 раз, чем у стандартных (т. е. трансформаторных, с диодными выпрямителями).

Однако инверторные сварочные аппараты обладают и недостатками, где одним из главных является высокая сложность устройства, что, соответственно, приводит к снижению ремонтопригодности.

Кроме того, сварочные инверторы дороже трансформаторных сварочных аппаратов, а высокая частота работы приводит к возникновению специфического писка. Насчёт последнего следует отметить, что с этим успешно борются, повышая частоту и выводя её за пределы диапазона слышимости, то есть выше 20 кГц.

Основные схемы инверторов

Кстати говоря, с этим моментом приходилось сталкиваться лично при создании проекта радиоуправляемых машинок: ШИМ-питание тяговых двигателей издавало достаточно громкий писк, который сразу «ушёл» при повышении частоты выше 20 кГц.

Отвечу на главный вопрос, который, наверное, мучает читателей на протяжении всей статьи: а зачем, собственно говоря, в городской квартире сварочный аппарат, если ты не работаешь сварщиком?

Легко отвечу: в первую очередь, он хорош для людей, которые «дружат» с руками и любят что-то делать самостоятельно, то есть для самодельщиков.

Например, раньше, когда надо было что-то собрать, я поступал так же, как и многие: шёл в хозмаг, покупал какие-либо алюминиевые балки, трубки, пытался всё это добро прикручивать к друг другу болтами, предварительно высверливая отверстия с помощью дрели.

В ходе этого процесса обычно сильно нашумишься, намучаешься, и в итоге получишь конструкцию, которая довольно спорна: из-за естественной мягкости металла (алюминия) всё это, как правило, плохо держит физические нагрузки, естественным образом со временем разбалтывается, расшатывается.

И, совсем другое дело, когда используешь сварочный аппарат: металл для него дешевле, прочность и самого металла, и получаемого соединения даже несравнима с предыдущим вариантом. Достаточно «пару раз ткнуть» и получается «на века». Люблю такое:-)

Работы можно проводить даже дома. Например, если в ванной комнате есть кафельная плитка на полу, положить на него металлический тазик и делать всё прямо в нём, так как подавляющее большинство домашних работ как раз и требует применения сварки в очень небольших объёмах.

На фотографиях рядом с аппаратом поставил лист А4 для понимания размеров аппарата (кликабельно):

Но всё-таки вы спросите: а для чего его можно применить дома? Перечислю те случаи, с которыми мне приходилось сталкиваться:

Мама как-то давно купила тренажёр для пресса, где в качестве силовых элементов выступали небольшие резиновые ленты по бокам, которые надо было растягивать («рукалицо» просто — насчёт того, какое инженерное решение).

Ну, и естественно, через очень короткое время эти ленты порвались, и тренажёр простаивал. Я взял и на двух сторонах этого тренажёра приварил по болту с накрученными на них резьбовыми втулками, куда, в свою очередь, прикрепил штатные крепления газонаполненных амортизаторов от автомобиля, купленных в магазине автозапчастей (ну, знаете, такие чёрные газовые амортизирующие трубки, которые помогают открывать багажник).

Получилось весьма недурно: теперь нужно сжимать и разжимать эти амортизаторы, что даёт весьма существенную и приятную нагрузку для пресса. Долговечность у такой конструкции, конечно, тоже на голову превосходит несчастную резиновую ленту 🙂 К сожалению, фотографии нет, показать не могу. Отмечу только, что этой конструкции уже порядка лет семи, и она верой и правдой служит каждый день, и ломаться даже не думает (равно как и расшатываться):

Купил раковину в ванную, и надо было её повесить, а производитель до конца не додумал, и для подвешивания раковины приложил резьбовые шпильки, у которых отсутствует какое-либо приспособление для их вкручивания в стену — то есть с одной стороны есть шурупоподобная резьба, а с другой — резьба как у болта. Чем крутить — не предусмотрено :-)))

Я просто на эту болтовую резьбу накрутил гайку, пару раз «тыкнул» сваркой — получился вполне себе удобный болт, который далее без каких-либо проблем я смог закрутить в стену (с помощью соответствующего дюбеля и т. д.).

Приобрёл 3D-принтер, вся электроника которого располагалась прямо под нагревательным столом и перегревалась с соответствующим вылетом по перегреву. Пришлось её переносить наверх принтера, для чего я быстро изготовил соответствующую крепёжную конструкцию из стальной трубы прямоугольного сечения. Всё это было проделано ещё в 2017 году, и, как можно подозревать, ничего нигде не расшаталось, не разболталось, не развалилась за столько лет (хотя я постоянно перетаскиваю принтер с места хранения на балкон, где он у меня и печатает). То есть я один раз потратил время и забыл навсегда об этом вопросе:

Примечание, несколько отступая от темы: если кому интересно, за счёт чего у меня держится вентилятор, обдувающий матплату 3D-принтера на фото выше — просто на стопку О-образных неодимовых магнитов его прилепил и всё. Получилось хорошо и минимальными усилиями.

Как-то, у меня сломалась стальная пластина прямо под компьютерным креслом (ну да, я люблю покачаться в кресле, мой грех). Пара касаний сварки — и кресло стало таким, как будто вчера выпущено с завода 🙂

На самом деле, таких случаев было достаточно много, я назвал только некоторые из них. Варить я научился достаточно быстро, а с приходом опыта научился варить даже тонкие листы металла и стальные трубки — а то раньше прожигал их насквозь, слишком долго удерживая дугу на одном месте (тогда, когда я варил эти вещи, я ещё не знал про возможность смены полярности, век живи – век учись).

Для удобства сварки ещё потребуется маска, например, я взял себе так называемую «маску-хамелеон», где защитное стекло является постоянно прозрачным и моментально темнеет при появлении яркого света (можно регулировать скорость срабатывания затемнения).

Питается такое стекло от двух источников: встроенного аккумулятора, который постоянно подзаряжается от фотоэлемента (хотел написать «солнечной батареи», но почему-то засомневался, так как здесь это будет странновато звучать), находящегося прямо на лицевой части маски — довольно оригинальное техническое решение, когда фотоэлемент заряжает аккумулятор от света горячей дуги.

Теперь, после многих лет обладания сварочным аппаратом, я могу однозначно сказать — это мастхев, даже если ты не сварщик. Мы же не удивляемся присутствию паяльника в городской квартире, а это, по сути, тот же самый паяльник просто «на максималках» 🙂

Хотя есть и лайфхак — использовать не огромный, в рост человека баллон с CO2, а компактный, — от углекислотного огнетушителя, так что есть варианты, если подумать.

Если кто-то более подробно хотел бы изучить особенности схемотехники и конструкционных элементов, то рекомендую для этого ознакомиться с книгой: В. Я. Володин — «Как отремонтировать сварочные аппараты своими руками».

P. S. На картинке в шапке статьи изображена сварка полуавтоматом, я знаю. Просто фото красивое — не мог пройти мимо 😉

Нюансы схемотехники разных БП

Здесь мы опишем базовые узлы: от входных цепей с постепенным продвижением к выходным.

Входной фильтр

Итак, что же это такое. Назначение фильтра — защита от перенапряжения, ВЧ-помех и тому подобных опасных воздействий. Их схемотехника многогранна: от скромных разновидностей, применяемых в бытовой аппаратуре, до сложнейших и дорогих, эксплуатируемых в составе ИП ответственной техники: модулей числового программного управления производственных станков. Не будем углубляться в дебри электротехники, а разберём тему на примерах широко распространённых трансформаторных и импульсных БП: например, компьютерных.

Богатый внутренний мир БП для ПК

Входной фильтр выделен

Напряжение питающей сети через F1-плавкий предохранитель, защищающий от превышения допустимого электротока, поступает на VDR1-варистор. Это ПП-резистор, сопротивление которого нелинейно меняется в зависимости от приложенного потенциала (смотри статью «Что такое полупроводник?»). Оно очень велико и достигает десятков мегаом. Но при достижении определённого значения между выводами (на схеме обозначен варистор на 470 вольт) оно скачкообразно падает до незначительных величин (единицы ом), тем самым пропуская высоковольтные всплески через себя, защищая БП от их негативного воздействия.

Далее на пути встречается радиоэлемент N1 — полупроводниковый терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, или по-другому NTC-термистор.

NTC-термистор 5D-15 (5 — сопротивление в Омах при температуре 25°C, 25 — диаметр, опосредованно отражающий максимальную допустимую рассеиваемую мощность: она растёт по мере его увеличения)

Термистор уменьшает сопротивление при нагревании. Это происходит прямым способом, то есть не при внешнем нагреве источником тепла, а при прохождении через него электротока. При включении БП в сеть, NTC-термистор, будучи холодным, оказывает сопротивление прохождению тока, а по мере нагрева от токовой нагрузки оно падает. Это позволяет снизить пусковой ток, который без него может доходить до десятков ампер (хоть и крайне малое время), и предотвратить срабатывание защиты как в блоке (к примеру, перегорание предохранителя) так и расположенной в электроснабжающих электрических щитах.

Проходя через термистор, электричество поступает на конденсатор X1. Это компонент специализированного назначения — так называемый X-конденсатор.

X-конденсатор 0.22 мкФ * 250 вольт AC

В зарубежной литературе такой тип радиокомпонентов называют across the line — дословно «(идущий) через линию» или, если техническим языком, то межфазный. Он предназначен для гашения дифференциальных помех в питающей сети. X-конденсаторы работают в тяжелых условиях и подвержены всем факторам, имеющимся у сетей с низкокачественной электрической энергией. Они конструируются так, чтобы при возникновении серьёзной высоковольтной помехи произошло короткое замыкание внутри, которое вслед за этим приведёт к перегоранию плавкого предохранителя. Таким образом, повреждение двух дешёвых компонентов входного фильтра обезопасит чувствительную и наиболее ценную основную часть БП.

Примечание: ввиду сложнейших условий работы применение обычных вместо X-конденсаторов, даже если ёмкость и потенциал у них аналогичны, недопустимо.

Параллельно ему установлен R1-резистор, предназначение которого — быстрая разрядка X1-конденсатора, для того чтобы накопленный им заряд электричества не приводил к поражению человека, коснувшегося контактов выключенной из розетки штепсельной вилки.

Далее параллельно ему включён необычный радиокомпонент, схематическое изображение которого напоминает обозначение трансформатора. Но на самом деле L1 — двухобмоточный синфазный дроссель.

Выглядит он так

Имея симметричную и одинаковую конструкцию обмоток, такой дроссель почти без сопротивления пропускает противофазное дифференциальное напряжение: например, отрицательную и положительную полуволны переменного сетевого потенциала. Но синфазная помеха, которая равным образом влияет на оба питающих проводника, вызовет увеличение индуктивного сопротивление дросселя и будет подавлена.

Завершает конструкцию входного фильтра группа конденсаторов Y1, Y2 и Y3. Это так называемые Y-конденсаторы.

Y-конденсатор 4.7 нФ * 400 вольт AC

В зарубежной технической литературе их ещё называют «line to ground», то есть «линия (идущая) к земле». На схематичном изображении видно, что каждый из них подключен к заземляющему проводнику: Y1 от фазного, Y2 от нейтрального, Y3 от корпуса устройства. Предназначены они для подавления синфазных электромагнитных помех, проникающих из питающей сети. Y-конденсаторы, как и X-конденсаторы, работают в непростых условиях, но в отличие от последних, проектируются так, чтобы при выходе из строя разрывать цепь, избегая попадания входного потенциала на корпус и минимизируя вероятность поражения током.

Примечание: ввиду эксплуатации в сложных условиях и особых требований к отработке нештатных ситуаций, монтаж обычных конденсаторов взамен Y-конденсаторов, даже с аналогичными параметрами электрической ёмкости и рабочего напряжения, недопустим.

Трансформатор

Ш-образная пластина собственной персоной

В собранном виде он выглядит получше:

Типичный сетевой понижающий трансформатор

Состоит он из двух обмоток, намотанных тонким медным эмалированным проводом, и железного сердечника-магнитопровода, выполненного из штампованных Ш- и I-образных пластин (стержневой сердечник). Либо из стальной ленты, которая наматывалась вокруг обмоток (броневой сердечник) или в виде кольца, если быть точным, тора (тороидальный трансформатор). Условное графическое изображение детали отражает её конструкцию: обмотки, не имеющие электрического контакта друг с другом и сердечник между ними.

Условное обозначение трансформатора на электрических принципиальных схемах

Работает он просто. AC-ток первичной цепи, протекающий по одной из обмоток, создаёт переменное магнитное поле, которое генерирует электродвижущую силу (ЭДС) на другой. При её подключении во вторичную цепь по ней тоже начнёт протекать электроток (смотри статью «Гальваническая развязка цифрового осциллографа»).

Напряжение на вторичной обмотке прямопропорционально количеству витков. Их соотношение между первичной и вторичной, то есть коэффициент трансформации K описан формулой:

где K — коэффициент трансформации, U1 и U2 — напряжения на первичной и вторичной обмотках, N1 и N2 — число витков на них.

Он применяется для снижения потенциала, чтобы дать возможность запитать низковольтные потребители от относительно высоковольтной сети. Подбирая значения K, добиваются нужных выходных параметров на трансформаторе, которые далее поступают на выпрямитель, но об этом позже. Кроме этого, он организует гальваническую изоляцию вторичных цепей и устройства от электрической сети, придавая ему высокую электробезопасность и многократно снижая риск поражения электротоком опасного для жизни уровня (Подробнее об этом написано в статье про гальваноразвязку, ссылку на которую мы дали выше).

Трансформаторный БП имеет высокий КПД, а сам трансформатор не вносит искажений и помех в форму трансформируемого напряжения.

Импульсный преобразователь (AC-DC)

При всех плюсах, классический трансформаторный ИП имеет один недостаток, а именно — плохие массогабаритные показатели. В моделях, созданных для работы с переменным током низкой частоты сети (50 Гц) конструкционно в роли сердечника применено только специальное трансформаторное железо, либо сталь, имеющие высокую плотность и, следовательно, массу. А рост мощности приводит к неизбежному увеличению размера сердечника, веса и материалоёмкости всего устройства. Ещё какое-то время назад это был преградой для создания действительно недорогой и портативной техники.

Но изобретение импульсника позволило уменьшить габариты, массу и стоимость ИП. Схемотехнически он сложнее трансформаторного, но фактически мало чем от него отличается. Рассмотрим типовой экземпляр:

Многие узлы будут рассматриваться далее, и на порядке их работы внимание заострять не станем. Рассмотрим лишь общие черты.

Сетевая электроэнергия через предохранитель FU1 поступает на фильтр из двух Y-конденсаторов C1 и C2, а затем непосредственно на выпрямитель, образованный диодами VD1-VD4, которые выпрямляют AC-ток в DC, но если быть точным, то в пульсирующий. После сглаживания пульсаций с помощью С3-конденсатора постоянный ток запитывает генератор высокой частоты на VT1-транзисторе, нагрузкой которого выступает первичная обмотка T1-трансформатора. Он в корне не похож на «железный» компонент. Так как он работает на частотах от десятков кГц до десятков МГц, то и трансформатор нужен необычный — импульсный.

Импульсные трансформаторы блока питания для компьютера

Так как трансформация высокочастотная, то возможно снижение материалоёмкости (следовательно, габаритов и массы) без потери передаваемой мощности. Напряжение со вторичной обмотки поступает на выпрямитель VD8-VD11, сглаживающий фильтр на конденсаторе C7 и стабилизатор D1. Об этих узлах будет рассмотрено далее.

Импульсный ВЧ-трансформатор, так же как и низкочастотный, гальванически изолирует вторичные цепи с питающей сетью, но первичный выпрямитель, фильтр и генератор находятся под потенциалом электросети и требуют особых мер по соблюдению электробезопасности.

В импульсниках, как правило, устанавливается микросхема-драйвер, управляющая мощными транзисторами, нагруженными на импульсный трансформатор. Применение специализированной микросхемы позволяет заметно повысить КПД, понизить уровень создаваемых электромагнитных помех и обеспечить высокую стабильность параметров на выходе. Номенклатура драйверов обширна, то стандартом де-факто стала TL494 и множество её клонов, которые уже несколько десятилетий выступают «сердцем» большинства ИБП.

Импульсные блоки питания (ИБП), применяемые как зарядные устройства мобильной техники, выполняются по более примитивной схемотехнике, именуемой обратноходовой преобразователь, где многообмоточный накопительный дроссель заменяет трансформатор. Они обладают невысокой мощностью, ограниченной возможностями дросселя (на практике не более 200 ватт) и высоким уровнем электромагнитных помех. Но простота конструкции позволяет ставить их в недорогую технику (адаптеры-зарядники, энергосберегающие и светодиодные лампы и т.п.)

Бестрансформаторное питание

В рассмотренных узлах применяется трансформатор: либо низкочастотный «железный», либо высокочастотный импульсный. Но его применение необязательно. Существуют и бестрансформаторные модификации, в которых потенциал снижается с помощью гасящих резисторов, конденсаторов, или более изощрённым путём.

Примечание: они не имеют гальванической развязки с питающей сетью, поэтому при работе с ними важно соблюдать меры электробезопасности.

На заре электроники они применялись в массово выпускаемых радиоприёмниках. Например, в «Москвич-Б». Трансформатор был очень дорогим и материалоёмким изделием, и для послевоенных стран масштабное изготовление такого дорогого узла было невозможным. Вводное напряжение здесь непосредственно поступало на выпрямитель и далее шло для питания анодных цепей, а радиолампы соединялись, как ёлочная гирлянда, последовательно, и через гасящий резистор или лампу накаливания также напрямую включались в сеть.

Схема 3: радиоприёмник Москвич-Б

В относительно сложной технике, такой как радиоприёмник, применение бестрансформаторного питания было послевоенным компромиссом между сниженной электробезопасностью и возможностью массового выпуска. Но вот для запитывания части устройств они применяются до сих пор.

Схема 4. Гасящий резистор

Здесь представлен несложный зарядник для никель-кадмиевых и никель-марганцевых аккумуляторов с номиналом 1.2 вольта. Состоит из двух гасящих резисторов R1, R2 и пары выпрямительных диодов D1 и D2. Он не содержит ни трансформатора, ни преобразователя-конвертера, но устройство вполне работоспособно, несмотря на примитивность.

Резисторы чаще всего заменяются гасящим конденсатором. Он гасит излишек энергии своим реактивным сопротивлением переменному току и, следовательно, не нагревается, в противоположность им, которые его избыток конвертируют в тепло и требуют детального подбора по максимальной рассеиваемой мощности (смотри статью «Как проверить резистор мультиметром?»).

Схема 5. Гасящий конденсатор 0,33x275V

Схема 6 типовая для датчиков освещенности, которые используются для автоматического включения уличного освещения при наступлении темноты. В ней компонент ёмкостью 0.33 мкФ гасит излишек, выдавая после выпрямителя стабильные 24 вольта, необходимые для работы электромагнитного реле. Резистор сопротивлением 150 ом, включенный последовательно, нужен для ограничения тока при подключении к сети. Еще один, сопротивлением 1 мОм, включенный параллельно ему, для того же, что и элемент R1 на схеме 1.

Так же среди бестрансформаторных разновидностей есть довольно специфические.

Это бестрансформаторный каскадный БП, в котором выпрямление осуществляется диодами D1-D4, и поступает на первый параметрический стабилизатор, собранный на Q1-транзисторе, R1-резисторе и D1-стабилитроне. Остальные собраны аналогично. Лишь с той разницей, что первый обеспечивает стабилизацию на уровне 150В, второй 70В, третий 12В. Напряжения стабилизации заданы стабилитронами, изготовленными для того, чтобы стабилизировать именно эти уровни. После третьего стабилизатора оно сглаживается фильтрующим C1-конденсатором и идёт в нагрузку. КПД здесь невысок и реально может применяться только с небольшими токами в нагрузке. Плюс заключается в компактности и стабильности выходных характеристик.

Выпрямитель

Как следует из названия, он нужен для выпрямления в формате AC-DC. Но, если быть точным, то после выпрямителя он становится пульсирующим:

График чёрного цвета — AC; — пульсирующий ток после выпрямителя; — выпрямленный и сглаженный DC.

Сейчас в выпрямителях встречаются только кремниевые полупроводниковые диоды (подробнее о них читайте в статье «Что такое полупроводник?»). Ранее для этих целей служили сборки на радиолампах — кенотроны, а также старинная разновидность ПП-диодов на основе селена.

Выпрямители, выпрямляющие обе полуволны переменного тока, называются двухполупериодными. Один из часто встречающихся изображён на схеме 6. Диоды D1-D4 включены так называемым «мосту».

Двухполупериодному двухдиодному выпрямителю работы требуется отвод от середины вторичной обмотки. Это часто применялось в ламповой технике.

Схема 7. Двухполупериодный выпрямитель на двух диодах

Однополупериодные выпрямители на одном диоде выпрямляют только одну полуволну AC и применяются для выпрямления токов невысокого уровня напряжения и силы. Например, как детектор сигналов радиочастоты или в маломощных ЗУ.

Схема 8. Однополупериодный выпрямитель

Сглаживающий фильтр

Он нужен для уменьшения пульсаций тока после выпрямления. Базовый элемент здесь — электролитический конденсатор, а также разные по схемотехнике RC- и LC-фильтры. На схеме 9 простейший сглаживающий фильтр на электролите C1.

На схеме 10 фильтр со сглаживающим дросселем. Её часто выбирают, чтобы питать микроконтроллеры и другие виды цифровых микросхем.

Стабилизатор

Нестабильность входной электросети, девиация параметров радиокомпонентов по мере прогрева, различная нагрузка приводят к отсутствию стабильности на выходе. Для борьбы с этим применяют разные по схемотехнике линейные стабилизаторы. Ранее ставились специализированные лампы — бареттеры, а также газонаполненные стабилитроны. Изобретение ПП-стабилитрона помогло создать эффективный надёжный стабилизатор.

Здесь предыдущий вариант дополнен параметрическим стабилизатором на транзисторе Q1, являющимся исполнительным «механизмом», а управляющим — специальный полупроводниковый диод. Он называется стабилитроном (как он работает, узнавайте из статьи «Что такое полупроводник?»).

По факту чаще применяют линейные интегральные стабилизаторы, выполненные в форм-факторе микросхемы:

Схема 12. Стабилизация выполняется интегральным стабилизатором серии L78XX

Регулятор напряжения

Помимо задачи фильтрации и стабилизации, зачастую нужна ручная регулировка выходного напряжения. Например, в лабораторных блоках питания (ЛБП). Простейшим образом её реализуют вторичной обмоткой с несколькими отводами: подключая ползунок переключателя к нужному отводу, добиваются ступенчатой регулировки. Такой способ встречается в дешёвых сетевых адаптерах:

Блок питания с переключателем

Более удобным способом регулировки является плавная, с помощью переменного резистора:

Она очень похожа на решение с параметрическим стабилизатором (схема 11), только вместо стабилитрона функцию регулятора выполняет ручка подстроечного резистора.

Интегральный стабилизатор L7805 и регулятор LM317 в корпусе TO-220

На практике чаще применяют интегральные регуляторы, вернее даже сказать регулируемые микросхемные стабилизаторы, как популярная LM317:

Вторичный преобразователь (DC-DC)

Популярные DC-DC преобразователи в компактном модульном конструктиве

С популярнейшим устройством на одной их таких микросхем ознакомьтесь в статье «Обзор и тестирование регулируемого понижающего DC-DC конвертера на LM2596S».

Защита от выхода перегрузки

Для защиты от перегрузки, короткого замыкания на выходе или в снабжаемом устройстве, ИП оборудован защитными обвязками. В простейшем случае это может быть обыкновенный плавкий предохранитель с номиналом, равным максимальному выходному току. В более сложных вариациях на выходе стоит резистор низкого (доли ома) сопротивления, являющийся токовым измерительным шунтом: отслеживает падение потенциала пропорционально силе тока в цепи, в которую он включён. Напряжения падения поступает в цепи обратной связи, регулирующие выходной ток и потенциал и прекращающие работу БП при превышении разрешённого тока или КЗ.

Вместо токового шунта в более сложных устройствах применяют специализированные токоизмерительные микросхемы. Например, MAX471, которая уже содержит внутри прецизионный измерительный шунт очень малого сопротивления (0.0035 ом), или ACS712, использующую эффект Холла для определения силы проходящего тока и имеющую полную гальваническую развязку с измеряемой цепью.

Популярные микросхемы-измерители в виде отдельных готовых модулей

Блоки питания прошли долгий путь развития: от примитивных батарей, до передовых сверхвысокочастотных импульсных конвертеров с эффективностью, уже близко подобравшейся к 100%. Это ещё не предел, и схемотехника преподнесёт нам немало сюрпризов. А сейчас мы имеем то, что есть. Все востребованные решения мы изучили, как и узлы в разнотипных БП, узнали, как они действуют, и сравнили характеристики. Уверены, читателям понятна важность грамотного конструирования ИП, с которых начинается любое электротехническое устройство.