Устройства импульсного электропитания для альтернативных энергоисточников

УСТРОЙСТВА 
ИМПУЛЬСНОГО 
ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ 
для альтернативных 
энергоисточников

Москва, 2017

Кашкаров А. П.

УДК 644:696.6
ББК 31.294.9
 
K31

Кашкаров А. П.
Устройства импульсного электропитания для альтернативных 
энергоисточников. – М.: ДМК Пресс, 2017. – 148 с.

ISBN 978-5-97060-452-6

В книге рассматриваются современные принципы разработки импульсных преобразователей напряжения и подключения их в системы автономного энергопитания потребителей.
Практическое пособие поможет мастеру-умельцу разобраться в схемотехнике отдельных узлов импульсных источников питания. А знание 
конструктивных особенностей преобразователей напряжения дает возможность монтировать системы энергопитания, состоящие из современных автономных и нетрадиционных источников питания, таких как ветрогенераторы и солнечные батареи, а также осуществлять качественный 
ремонт этих систем.
Книга содержит полезные сведения по импортозамещению популярных 
радиоэлементов, используемых в мощных импульсных преобразователях 
напряжения.
Издание предназаначено для широкого круга читателей.

УДК 644:696.6
ББК 31.294.9

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена 
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного 
разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку 
вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи 
с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с 
использованием книги.

                                                      © Кашкаров А. П., 2016
ISBN 978-5-97060-452-6               © Оформление, издание, ДМК Пресс, 2017

K31

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений ...................................................................5

Меры безопасности ...................................................................6

Предостережение о мерах личной безопасности ..........................8

Глава 1. Импульсные источники питания бытовой и специальной 
радиоаппаратуры.......................................................................9
1.1. Принципы схемотехники импульсных источников 
питания ..........................................................................10
1.1.1. Схемотехника цепей ИИП ..............................................................11
1.1.2. Варианты схемотехники вторичных цепей ИИП ...................12
1.1.3. Особенности двухполупериодных схем выпрямителей .......15
1.1.4. Выпрямитель и фильтр напряжения ...........................................18
1.2. Схемотехника защиты и формирования служебных 
сигналов ........................................................................20
1.2.1. Практические примеры схемотехники защиты ИИП ...........21
1.2.2. Формирование и контроль импульсов для схемы защиты ....25
1.2.3. Организация контроля длительности импульсов 
управления.......................................................................................................34
1.2.4. Работа устройства в режиме перегрузки ....................................35
1.2.5. Особенности схемотехники компаратора ..................................43
1.2.6. Схемы формирования сигнала POWERGOOD ......................50
1.3. Рекомендации по выявлению неисправностей ИИП ....57
1.3.1. Проверка каскада ШИМ-преобразователя ...............................57
1.3.2. Безопасная проверка функционирования силового каскада ...59
1.3.3. Завершающий этап проверки ИИП.............................................60
1.3.4. Анализ и способы локализации часто встречающихся 
неисправностей ИИП ..................................................................................62
1.3.5. Особенные неисправности ИИП ..................................................69

Глава 2. Современные возможности конструирования 
и схемотехники ИИП ...............................................................71
2.1. Автогенераторные каскады ВЧ-преобразователей ......74
2.2. Типовые схемы усилителей мощности в ИИП .............77
2.3. Схемотехника ИИП с несколькими выходными 
напряжениями для разной токовой нагрузки ....................79

Оглавление
4

2.4. Методы стабилизации напряжения в ИИП .................88
Пример оптронного стабилизатора для преобразователя 
напряжения .....................................................................................................92
2.5. Стабилизаторы напряжения для альтернативных 
источников электропитания.............................................93
2.5.1. Проверка устройства и подготовка к работе .............................95
2.5.2. Возможные неисправности .............................................................96
2.6. Соединение преобразователей и ИИП в параллельной 
электрической схеме ......................................................96
2.6.1. Особенности электрической цепи при параллельном 
соединении ....................................................................................................101
2.6.2. Технологическая схема подключения однофазного 
стабилизатора ...............................................................................................102
2.6.3. Схема подключения трехфазного стабилизатора .................103
2.6.4. Контрольно-измерительные приборы и защита  
от короткого замыкания ............................................................................103
2.6.5. Модели с расширенным диапазоном стабилизации ............104
2.7. Преобразователи напряжения для альтернативных 
источников питания ...................................................... 108

Глава 3. Особенности ИИП-преобразователей электроэнергии  
для нетрадиционных источников питания ................................ 113
3.1. ИИП-преобразователи, реализованные  
на повышенной частоте ................................................. 115
3.1.1. Принцип работы схем управления преобразователей 
напряжения ...................................................................................................117
3.1.2. Элементы против помех .................................................................128

Глава 4. Импортозамещение элементов для конструирования 
и ремонта ИИП ..................................................................... 131
4.1. Импортозамещение элементов в транзисторном  
секторе ........................................................................ 132
4.2. Параметры серийных биполярных транзисторов ...... 136
4.3. Мощные полевые транзисторы для ИИП ................. 139
4.4. Выбор оксидного конденсатора для ИП ................... 141

Литература ........................................................................... 146
Справочный материал из каталогов .....................................................147

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АВИ – автогенераторный вспомогательный источник
БП – бестрансформаторный преобразователь
ВЧ – высокая частота, высокочастотный
ИБП – импульсный блок питания
ИИП – импульсный источник питания
ИОН – источник опорного напряжения
КЗ – короткое замыкание
КПД– коэффициент полезного действия
КС – каскад сопряжения
НЧ – низкая частота, низкочастотный
ПК – персональный компьютер
ПН – преобразователь напряжения
СИП – схема измерения перенапряжения
СК – согласующий каскад
УМ – усилитель мощности
ФПН – формирователь пилообразного напряжения
ЧИМ – частотно-импульсная модуляция
ШИМ – широтно-импульсная модуляция
ЭДС – электродвижущая сила

МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ

Выполняя работы по конструированию или ремонту электронной 
техники, вы должны всегда помнить несложные правила безопасности.
Знание основных правил позволяет организовать свою работу 
так, чтобы исключить либо свести к минимуму воздействие неблагоприятных факторов на себя и окружающих.
Работа с электричеством опасна тем, что оно не действует на органы чувств до момента соприкосновения с токоведущими проводниками и контактами. Это затрудняет дистанционное обнаружение 
опасности.
Прежде всего нужно соблюдать особую осторожность при работе с электричеством, горючими и легковоспламеняющимися жидкостями, кислотами и щелочами, иными токсичными веществами. 
Эти правила, по сути, знает любой школьник и, конечно же, специалист, обслуживающий импульсные источники электропитания. Но 
поскольку время от времени происходят трагедии из-за пренебрежения этими правилами, считаю нелишним напомнить основные 
требования техники безопасности.
Электрическое напряжение свыше 40 В опасно для жизни. Степень поражения зависит от пути прохождения электрического тока 
через тело человека и от силы тока, особенно той его части, которая 
проходит через сердце. Наиболее опасны пути тока «рука – нога» 
и «рука – рука». Поэтому при настройке радиоаппаратуры и поиске неисправностей старайтесь работать одной рукой во избежание прикосновения к токоведущим частям обеими руками. Особую 
осторожность необходимо соблюдать, когда электронное устройство 
преобразователя напряжения конструктивно собрано и эксплуатируется по бестрансформаторной схеме, с помощью импульсного преобразователя или через автотрансформатор. В этом случае выход 
даже низковольтного источника вторичного питания может оказаться под напряжением сети относительно «земли». Важно изолировать себя от «земли», чтобы исключить поражение электрическим 
током при случайном прикосновении к элементам устройства или 
его общей шине (общему проводу).
Монтажные работы следует производить вдали от заземляющих 
конструкций (водопроводных труб, радиаторов отопления) или при

Меры безопасности

нять необходимые меры, чтобы исключить случайное прикосновение к ним.
Заменять вышедшие из строя или «подозрительные» детали следует только после полного верифицируемого отключения устройства от сети.
Нельзя проверять исправность предохранителей в устройстве импульсного преобразователя напряжения, включенного в сеть, путем 
их замыкания.
Следует помнить, что переутомление, опьянение, повышенная потливость, сердечные и нервные заболевания при прочих равных условиях создают повышенную опасность тяжелого поражения электрическим током. Поэтому занимайтесь любимым делом, отдохнув, 
с воодушевлением (на то оно и любимое), и в хорошем настроении.
И все у вас получится.

ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ О МЕРАХ 
ЛИЧНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Перед выполнением регулировочных операций под напряжением 
необходимо принять следующие меры предосторожности:
1. Установить разделительный трансформатор в цепи питания 
переменного тока.
2. Убедиться, что сетевое напряжение в пределах ~230 В ±10%, 
50 Гц.
3. Перед подключением сетевой вилки убедиться, что кнопка 
включения устройства находится в положении «выключено».
Категорически запрещается во время проведения регулировочных 
и ремонтных работ непосредственно на печатных или монтажных 
платах «разрывать» или «замыкать» какие-либо элементы в электрической цепи при включенном в сеть источнике питания, а также 
работать в состоянии алкогольного или иного опьянения.
Всегда помните, что вы еще нужны вашим детям!

СТРАНИЦА
ГЛАВА

ИМПУЛЬСНЫЕ 
ИСТОЧНИКИ 
ПИТАНИЯ БЫТОВОЙ 
И СПЕЦИАЛЬНОЙ 
РАДИОАППАРАТУРЫ

1

2
Современные возможности 
конструирования и схемотехники ИИП
71

3
Особенности ИИП преобразователей 
электроэнергии для нетрадиционных 
источников питания
113

4
Импортозамещение элементов для конструирования и ремонта ИИП
131

Глава 1. Импульсные источники питания бытовой и спецрадиоаппаратуры
10

1.1. Принципы схемотехники импульсных 
источников питания

Каждое электронное устройство оснащено источником электропитания. Специфика исполнения источника и его технические параметры определяются общесистемными требованиями к устройству 
в целом и условиями его эксплуатации. В общем случае источники 
вторичного электропитания – это преобразователи первичной энергии в энергию, пригодную для работы устройства, наделенного определенными пользовательскими функциями. Дополнительной, часто, 
безусловно, необходимой функцией источника электропитания может быть обеспечение гальванической развязки между источником 
первичного напряжения и нагрузочными цепями.
Тип приборов под общим названием «источники питания» объединяет множество устройств. К их числу относятся как простые, 
на первый взгляд, электрохимические элементы с заданными характеристиками для переносных приборов, так и достаточно сложные, 
стационарные преобразователи энергии. Последние выполнены на 
основе узлов, способных осуществлять различные виды подстроек 
и регулировок для защиты от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов.
Качество работы и временная стабильность параметров источника питания зачастую являются определяющими факторами работоспособности прибора в целом; в данной книге этому важному вопросу посвящен специальный раздел. Именно поэтому при проверке 
технических характеристик того или иного устройства источнику 
питания следует уделять особое внимание.
В XXI веке уже произошла замена традиционных источников питания стационарного оборудования на основе силовых трансформаторов, функционирующих на частоте питающей сети, импульсных 
источников питания, или так называемых бестрансформаторных 
преобразователей первичного сетевого напряжения. Принцип их 
действия основан на преобразовании исходного первичного напряжения низкой частоты (десятки герц) питающей промышленной 
сети в более высокочастотные колебания (несколько десятков килогерц) с последующей трансформацией. Сегодня преобразователи 
подобного типа составляют большинство источников вторичного 
электропитания устройств как бытового, так и промышленного назначения.

1.1. Принципы схемотехники импульсных источников питания 

1.1.1. Схемотехника цепей ИИП

Переход на использование преимущественно импульсных источников питания обусловлен рядом технических и экономических факторов, наиболее важными из которых являются следующие:
• источники бестрансформаторного питания мощностью до 
1000 Вт имеют существенно более высокие массогабаритные 
характеристики по сравнению с аналогами, изготовленными на 
основе сетевых трансформаторов;
• обмотки трансформаторов ВЧ-колебаний ИБП имеют более 
высокую плотность тока, при их изготовлении используется 
гораздо меньше цветного металла, что приводит к снижению 
затрат на производство и на исходные материалы;
• высокая индукция насыщения и малые удельные потери материалов сердечников ВЧ-трансформаторов позволяют создавать ИБП с общим КПД, превышающим 80%, что в обычных 
источниках почти недостижимо;
• широкие возможности по автоматической регулировке номиналов выходных вторичных напряжений посредством воздействия на первичные цепи ВЧ-преобразователя.
Рассмотрим несколько примеров структурных схем построения 
ИИП в сети 220 В, 50 Гц.
Блок-схема электронных узлов импульсного источника питания с несколькими выходными напряжениями представлена на 
рис. 1.1.
Выпрямленное, отфильтрованное и стабилизированное напряжение подается в нагрузку с выхода вторичных цепей источника 
питания. В импульсных источниках для бытовой радиоаппаратуры во вторичной цепи формируются четыре номинала постоянных 
напряжений и особый служебный сигнал «питание в норме». Мы 
рассмотрим его в следующих разделах. Оригинальное наименование 
этого сигнала – POWERGOOD, или сокращенно PG.
Значения вторичных напряжений и допустимые уровни их возможных отклонений от номиналов приведены выше. Вторичные 
каналы обладают различной токовой нагрузочной способностью. 
Самая большая нагрузка падает на вторичный канал напряжения 
+5 В. При этом максимально возможный ток по каналу зависит от 
общей мощности источника питания.

Глава 1. Импульсные источники питания бытовой и спецрадиоаппаратуры
12

Рис. 1.1. Блок-схема электронных узлов ИИП

1.1.2. Варианты схемотехники вторичных 
цепей ИИП

В предельных режимах эксплуатации источника питания токовая 
нагрузка по каналу «+5 В» имеет значение, когда ток измеряется в 
десятках ампер. На выпрямительных элементах в этом случае происходит выделение значительной тепловой мощности.
Для повышения общего КПД источника и улучшения работы его 
теплового режима в импульсных преобразователях применяются 
матрицы на основе диодов Шоттки.
Эти диоды обладают улучшенными импульсными рабочими характеристиками, что способствует снижению временного интервала 
нахождения обоих выпрямительных диодов в проводящем состо
Селектор 
входного 
напряжения
(S1)

Сетевой 
фильтр
(С1, Т1)

Выпрямитель 
(D5–D8)

Промежуточный 
импульсный 
усилитель 
(Q3, Q4, T2)

Импульсный 
трансформатор
(Т4)

Полумостовой 
усилитель 
мощности, 
схема 
автозапуска
(D6, D7)

Блок 
выпрямителей
(SBD1, SBD2, 
D19–D22)

Блок 
фильтров
(L1–L4, 
C23–C30)

Узел 
управления
(IC1)

Узел защиты 
и блокировки
(T3, R13, 
R14, Q1)

Вентилятор 
(FAN 1)

Формирователь 
сигнала 
"питание в норме"
(Q7)

~220/115 В

+5 В

+12 В

–12 В

–5 В

ВЧ преобразователь

PG