Импульсный блок и его назначение
На обоих концах трубки люминесцентной лампы имеются электроды, анод и катод. В результате подачи электропитания компоненты лампы разогреваются. После нагрева происходит выделение электронов, которые сталкиваются со ртутными молекулами. Следствием происходящего становится ультрафиолетовое излучение.
За счет наличия в трубке люминофора осуществляется конвертация люминофора в видимое свечение лампочки. Свет появляется не сразу, а спустя определенный промежуток времени после подключения к электросети. Чем более выработан светильник, тем длительнее интервал.
Работа импульсного блока питания основывается на следующих принципах:
- Преобразование переменного тока из электросети в постоянный. При этом напряжение не меняется (то есть остается 220 В).
- Трансформация постоянного напряжения в прямоугольные импульсы за счет работы широтного импульсного преобразователя. Частота импульсов составляет от 20 до 40 кГц.
- Подача напряжения на светильник посредством дросселя.
Далее представлена схема функционирования балласта люминесцентной лампочки.
Источник бесперебойного питания (ИБП) состоит из целого ряда компонентов, каждый из которых в схеме имеет свою маркировку:
- R0 — выполняет ограничивающую и предохраняющую роль в блоке питания. Устройство предотвращает и стабилизирует чрезмерный ток, идущий по диодам в момент подключения.
- VD1, VD2, VD3, VD4 — выступают в качестве мостов-выпрямителей.
- L0, C0 — являются фильтрами передачи электрического тока и защищают от перепадов напряжения.
- R1, C1, VD8 и VD2 — представляют собой цепь преобразователей, использующихся при запуске. В качестве зарядки конденсатора C1 используется первый резистор (R1). Как только конденсатор пробивает динистор (VD2), он и транзистор раскрываются, в результате чего начинается автоколебание в схеме. Далее прямоугольный импульс посылается на диодный катод (VD8). Возникает минусовой показатель, перекрывающий второй динистор.
- R2, C11, C8 — облегчают начало работы преобразователей.
- R7, R8 — оптимизируют закрытие транзисторов.
- R6, R5 — образуют границы для электротока на транзисторах.
- R4, R3 — используются в качестве предохранителей при скачках напряжения в транзисторах.
- VD7 VD6 — защищают транзисторы БП от возвратного тока.
- TV1 — является обратным коммуникативным трансформатором.
- L5 — балластный дроссель.
- C4, C6 — выступают как разделительные конденсаторы. Делят все напряжение на две части.
- TV2 — трансформатор импульсного типа.
- VD14, VD15 — импульсные диоды.
- C9, C10 — фильтры-конденсаторы.
Только продуманный подбор отдельных элементов и правильная их установка позволит создать эффективно и надежно работающий блок питания.
Отличия лампы от импульсного блока
Схема лампы-экономки во многом напоминает строение импульсного блока питания. Именно поэтому изготовить импульсный БП несложно. Чтобы переделать устройство, понадобятся перемычка и дополнительный трансформатор, который станет выдавать импульсы. Трансформатор должен иметь выпрямитель.
Чтобы сделать БП более легким, удаляется стеклянная люминесцентная лампочка. Параметр мощности ограничивается наибольшей пропускной способностью транзисторов и размерами охлаждающих элементов. Для повышения мощности необходимо намотать дополнительную обмотку на дроссель.
Изготовление импульсного микросхемного паяльника
Для изготовления паяльника, которым можно выпаивать и впаивать в печатные платы микросхемы и другие электронные компоненты, отличающиеся особой чувствительностью к перегреву, в конструкцию устройства добавляют специально переделанный резистор, играющий роль защитного устройства. Хорошо подойдет резистор типа МЛТ сопротивлением 8 ом и рассеиваемой мощностью 0,5-2 ватта
Паяльник для микросхем своими руками
Кроме того, потребуется:
- Полоска двухстороннего фольгированного текстолита 10Х30 миллиметров.
- Кусок стальной проволоки толщиной 0,8 мм.
- Медная проволока для жала.
- Корпус шариковой ручки.
- Импульсный блок питания 12-15 вольт 1 ампер.
Последовательность изготовления следующая:
- Снять лакокрасочное покрытие с резистора, нагрев его в муфельной печи или газовой горелкой.
- надфилем или лобзиком отпилить один из выводов .
- просверлить в этом месте отверстие диаметром 1,1 мм, достигнув внутренней полости. Второй вывод следует подключить к источнику питания, он же будет крепить устройство к ручке.
- Расширить отверстие в корпусе сопротивления на конус так, чтобы исключить контакт жала и внутренних стенок резистора, к этому месту надо будет припаять второй провод к блоку питания.
- Стальную проволоку надо согнуть пополам, выгнуть в месте сгиба кольцо по диаметру резистора (должно садиться очень плотно) и загнуть его под прямым углом.
- Кольцо залудить, надеть на резистор и припаять так, чтобы концы стальной проволоки были направлены в одну сторону с оставшимся выводом.
- Из полоски текстолита вырезать плату таким образом, чтобы на широкой части с разных сторон было две контактные площадки для припаивания концов проволоки и второго вывода резистора соответственно, средняя должна плотно входить в корпус ручки, а узкая — иметь контактные площадки для подпайки проводов от блока питания.
- Припаять концы проволоки и вывод сопротивления к плате, с дугой стороны припаять провода от блока питания
- В отверстие резистора плотно вставить кусочек термостойкого изолятора (той же керамики, например), чтобы исключит контакт жала со вторым выводом.
- Вставить медное жало в отверстие. Жалу можно придать любую удобную для пайки форму, изогнуть, сплющить, заточить и т.д.
- Пропустить провода через корпус ручки, вставить в него плату и подсоединить провода к блоку питания.
Устройство паяльника для микросхем
Работа таким импульсным микросхемным паяльником, сделанным своими руками, безопасна для микросхем и не утомляет руку.
Схемы инверторов
Получившееся выпрямленное напряжение поступает на преобразователь (инвертор). Его выполняют на биполярных или полевых транзисторах, а также на IGBT-элементах, сочетающих свойства полевых и биполярных. В последние годы получили распространение мощные и недорогие полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). На таких элементах удобно строить ключевые схемы инверторов. В схемах импульсных блоков питания используются различные варианты включения MOSFET, но в основном применяются двухтактные схемы из-за простоты и возможности наращивания мощности без существенных переделок.
Пуш-пульная схема
Схема пуш-пульного преобразователя.
Пуш-пульный инвертор (push – толкать, pull – тянуть) — пример двухтактного преобразователя. Транзисторные ключи работают на первичную обмотку трансформатора, состоящую из двух полуобмоток I и II. Транзисторы поочередно открываются на заданный промежуток времени. Когда открыт верхний по схеме транзистор, ток течет через полуобмотку I (красная стрелка), когда второй – через полуобмотку II (зеленая). Чтобы избежать ситуации, когда оба ключа открыты (из-за конечной скорости работы транзисторов), схема управления формирует паузу, называемую Dead time.
Управление транзисторами с учетом Dead time.
Такая схема хорошо работает при низком напряжении питания (до +12 вольт). Минусом является наличие выбросов амплитудой, равной удвоенному напряжению питания. Это влечет за собой применение транзисторов, рассчитанных на вдвое большее напряжение.
Мостовая схема
От главного недостатка предыдущей схемы свободна двухтактная мостовая.
Двухтактная мостовая схема инвертора.
Здесь одновременно открывается пара транзисторов T1 и T4, потом Т2 и Т3 (сигнал управления ключами формируется с учетом Dead time). При этом первичная обмотка подключается к источнику питания то одной стороной, то другой. Амплитуда импульсов равна полному напряжению питания, и выбросы напряжения отсутствуют. К минусам относят применение четырех транзисторов вместо двух. Помимо увеличения габаритов БП это ведет к удвоенным потерям напряжения.
Полумостовая схема
На практике часто применяют полумостовую схему инвертора – в определенной мере компромисс между предыдущими двумя схемами.
Полумостовая схема.
В этом случае одна сторона обмотки коммутируется поочередно открывающимися транзисторами Т1 и Т2, а другая подключается к средней точке емкостного делителя С1, С2. Достоинства схемы:
- в отличие от пушпульной отсутствуют выбросы напряжения;
- в отличие от мостовой используются только два транзистора.
Однотактные схемы
В схемотехнике преобразователей применяются и однотактные схемы – прямоходовые и обратноходовые. Их принципиальное отличие от двухтактных – трансформатор (точнее, его первичная обмотка) служит одновременно накопительной индуктивностью. В обратноходовых схемах энергия накапливается в первичной обмотке во время открытого состояния транзистора, а отдается в нагрузку через вторичную обмотку во время закрытого. В прямоходовых накопление энергии и отдача потребителю происходит одновременно.
Две фазы работы обратногоходового однотактного инвертора.
Ремонт при перегоревшей нити
Ремонтные работы с нитью влекут за собой работу балласта во внештатном режиме. Это означает, что при возникновении серьезной перегрузки пускорегулирующий аппарат выйдет из строя. При отсутствии перегрузок лампа обычно продолжает бесперебойное функционирование в течение 9–18 месяцев. Продолжительность срока службы зависит от использованных в схеме деталей, а также их качества.
В случае перегорания только одной нити шунтируем ее сопротивлением. Как это сделать, показано на рисунке.
Для создания шунтирующего сопротивления (RШ) рекомендуется ставить резистор, сопротивление которого равно второй (неповрежденной) нити накала. Однако такой подход не является полностью достоверным, так как мы измеряли сопротивление «холодной» нити. Если установить равнозначный резистор, то есть риск, что он вскоре сгорит. Поэтому лучше установить резистор с номинальным сопротивлением 22 Ом и мощностью от 1 Вт.
Переделка блока
Перед тем как приступить к переделке блока питания, следует определиться с тем, какую мощность тока необходимо иметь на выходе, от этого будет зависеть глубина модернизации. Так, если требуется мощность 20-30 Вт, то переделка будет минимальной и не потребует большого вмешательства в существующую схему. Если необходимо получить мощность 50 и более ватт, то модернизация потребуется более основательная.
Следует иметь в виду, что на выходе блока питания будет постоянное напряжение, а не переменное. Получить от такого блока питания переменное напряжение частотой 50 Гц невозможно.
Определяем мощность
Мощность можно вычислить по формуле:
Р – мощность, Вт;
I – сила тока, А;
U – напряжение, В.
Например, возьмем блок питания со следующими параметрами: напряжение – 12 В, сила тока – 2 А, тогда мощность будет:
С учетом перегрузки можно принять 24-26 Вт, так что для изготовления такого блока потребуется минимальное вмешательство в схему энергосберегающей лампы мощностью 25 Вт.
Новые детали
Добавление новых деталей в схему
Добавляемые детали выделены красным цветом, это:
- диодный мост VD14-VD17;
- два конденсатора С 9 , С 10 ;
- дополнительная обмотка, размещенная на балластном дросселе L5, количество витков подбирается опытным путем.
Добавляемая обмотка на дроссель играет еще одну немаловажную роль разделительного трансформатора, предохраняя от попадания сетевого напряжения на выход блока питания.
Чтобы определить необходимое количество витков в добавляемой обмотке, следует проделать следующие действия:
- на дроссель наматывают временную обмотку, примерно 10 витков любого провода;
- соединяют с нагрузочным сопротивлением, мощностью не менее 30 Вт и сопротивлением примерно 5-6 Ом;
- включают в сеть, замеряют напряжение на нагрузочном сопротивлении;
- полученное значение делят на количество витков, узнают, сколько вольт приходится на 1 виток;
- вычисляют необходимое число витков для постоянной обмотки.
Более детальный расчет приведен ниже.
Испытательное включение переделанного блока питания
После этого легко вычислить необходимое число витков. Для этого напряжение, которое планируется получить от этого блока, делят на напряжение одного витка, получается количество витков, к полученному результату добавляют про запас примерно 5-10%.
W=U вых /U вит, где
W – количество витков;
U вых – требуемое выходное напряжение блока питания;
U вит – напряжение на один виток.
Намотка дополнительной обмотки на штатный дроссель
Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При намотке поверх нее дополнительной обмотки необходимо предусмотреть межобмоточную изоляцию, особенно если наматывается провод типа ПЭЛ, в эмалевой изоляции. Для межобмоточной изоляции можно применить ленту из политетрафторэтилена для уплотнения резьбовых соединений, которой пользуются сантехники, ее толщина всего 0,2 мм.
Мощность в таком блоке ограничена габаритной мощностью используемого трансформатора и допустимым током транзисторов.
Неисправности элементов пускорегулирующего блока
Проверка состояния деталей платы предусматривает тщательный осмотр каждого элемента схемы с обеих сторон. Обгоревшие радиокомпоненты видно сразу. Бывает так, что возле сгоревшего резистора портится небольшой участок дорожки. Это происходит из-за короткого замыкания в момент выхода элемента из строя.
Колба
Сначала мультиметром измеряется сопротивление нитей накаливания. Расчетное их сопротивление равно 10-15 Ом. Этот показатель должен быть примерно близким у всех нитей. Значительная разница в величине параметра говорит о том, что одна из нитей выгорела. Для исправления ситуации рекомендуется параллельно сгоревшему компоненту впаять в схему резистор с сопротивлением, равным сопротивлению второй спирали.
Восстановление лампочки таким способом – скорее полумера, а не полноценный ремонт, потому что не возвращает изначальную работоспособность светильника. После встраивания резистора работать будет лишь одна нить накаливания, так что изначальной яркости уже не получить. Если же обе нити работоспособны, придется искать неисправность в электронной схеме.
Проверка компонентов балласта
- предохранитель. Этот компонент расположен непосредственно на плате. Если же на там его нет, значит он заменён резистором, который находится находится между платой и центральным контактом цоколя. Сверху такой резистор покрыт изолирующим материалом (термоусадкой). Предохранитель проверяем мультиметром в режиме прозвонки или измерения сопротивления. Сопротивление рабочего предохранителя должно быть близким к 0 Ом. Если же вместо предохранителя используется резистор, то для его проверки один щуп мультиметра ставится на центральный контакт цоколя, а другой — к выводу на плате, к которому провод с резистором припаивается. В норме прибор должен показать сопротивление в единицы Ом. Для ремонта неисправный предохранитель или резистор заменяются на новые.
- диодный мост для выпрямления напряжения. Состоит, как правило, из 4 диодов, которые лучше выпаиваять для проверки. Проверка также осуществляется мультиметром в режиме проверки диодов.
- сглаживающий конденсатор фильтра. Этот элемент часто выходит из строя в энергосберегающих лампах дешевого китайского производства. Причем у лампы перед отключением проявляются «симптомы» в виде гула, нестабильного функционирования, легкое мигание в отключенном режиме. Неисправность конденсатора легко определяется визуально – он темнеет, вздувается и подтекает.
- высоковольтный конденсатор, поддерживающий заряд в колбе. Очень часто энергосберегающие лампы выходят из строя по причине пробоя этого радиокомпонента. При этом сам светильник перестает гореть, но возле электродов наблюдается легкое свечение. Чтобы починить лампу, нужно встроить в схему аналогичный по параметрам радиоэлемент.
- транзисторы перед проверкой в обязательном порядке выпаиваются, потому что их шунтирует одна из трансформаторных обмоток. Если один из этих элементов оказывается нерабочим, он просто заменяется аналогичным по параметрам. При соответствующих рабочих характеристиках нужно лишь подумать о том, позволят ли габариты его успешно вмонтировать.
При правильной диагностике, покупке и установке сменных радиокомпонентов ремонт энергосберегающей лампы своими руками недорог. Элементы пускорегулирующего аппарата продаются в магазинах радиодеталей по 5-10 рублей за штуку.
Обратная сборка
Прежде чем собирать энергосберегающую лампу после ремонта, необходимо проверить, исправно ли она работает. Достаточно соединить провода, не защелкивая корпус ЭПРА, и вкрутить цоколь в патрон. Если есть свет, ремонт проделан верно. Далее уже можно ставить микросхему на её место и складывать корпус. Разумеется, при проверке необходимо соблюдать правила безопасности. Если сомневаетесь — полностью соберите лампу перед проверкой.
Как правильно подключить импульсный блок питания к сети?
Для наладки импульсных блоков питания обычно используют вот такую схему включения. Здесь лампа накаливания используется в качестве балласта с нелинейной характеристикой и защищает ИБП от выхода из строя при нештатных ситуациях. Мощность лампы обычно выбирают близкой к мощности испытываемого импульсного БП.
При работе импульсного БП на холостом ходу или при небольшой нагрузке, сопротивление нити какала лампы невелико и оно не влияет на работу блока. Когда же, по каким-либо причинам, ток ключевых транзисторов возрастает, спираль лампы накаливается и её сопротивление увеличивается, что приводит к ограничению тока до безопасной величины.
На этом чертеже изображена схема стенда для тестирования и наладки импульсных БП, отвечающая нормам электробезопасности. Отличие этой схемы от предыдущей в том, что она снабжена разделительным трансформатором, который обеспечивает гальваническую развязку между исследуемым ИБП и осветительной сети. Выключатель SA2 позволяет блокировать лампу, когда блок питания отдаёт большую мощность.
А это уже изображение реального стенда для ремонта и наладки импульсных БП, который я изготовил много лет назад по схеме, расположенной выше.
Важной операцией при тестировании БП является испытание на эквиваленте нагрузки. В качестве нагрузки удобно использовать мощные резисторы типа ПЭВ, ППБ, ПСБ и т.д. Эти «стекло-керамические» резисторы легко найти на радиорынке по зелёной раскраске
Красные цифры – рассеиваемая мощность
Эти «стекло-керамические» резисторы легко найти на радиорынке по зелёной раскраске. Красные цифры – рассеиваемая мощность.
Из опыта известно, что мощности эквивалента нагрузки почему-то всегда не хватает. Перечисленные же выше резисторы могут ограниченное время рассеивать мощность в два-три раза превышающую номинальную. Когда БП включается на длительное время для проверки теплового режима, а мощность эквивалента нагрузки недостаточна, то резисторы можно просто опустить в воду.
Будьте осторожны, берегитесь ожога!
Нагрузочные резисторы этого типа могут нагреться до температуры в несколько сотен градусов без каких-либо внешних проявлений!
То есть, ни дыма, ни изменения окраски Вы не заметите и можете попытаться тронуть резистор пальцами.
Принципы работы и устройства
Люминесцентные лампы представляют собой стеклянную полую колбу, которая наполнена ртутными парами. В момент включения в них создается электрический дуговой разряд между двумя электродами, устроенный пусковым конденсатором. Он приводит к возникновению ультрафиолетового излучения, невидимого для человеческого глаза. Для его преобразования в видимый свет на стенки колбы наносится люминофор (чаще всего используют соединения галофосфат кальция или ортофосфат кальция-цинка). При прохождении ультрафиолета через люминофор образуется яркий свет. Его светоотдача значительно превосходит свечение вольфрама в лампах накаливания при аналогичном энергопотреблении. Цвет зависит от состава люминофора.
В отличие от обычной лампы, энергосберегающие люминесцентные модели нельзя подсоединить напрямую к источнику тока 220 В. В выключенном состоянии пары ртути внутри колбы имеют очень большое сопротивление, поэтому для образования разряда необходимо подать импульс высокого напряжения. Кроме того, в момент запуска, сразу после возникновения разряда, лампа имеет большое отрицательное сопротивление, которое без защитных элементов в схеме может привести к короткому замыканию. Для трубчатых вариантов используется электромагнитный балласт, который устанавливается в сам светильник.
Схема переделки ЭПРА в ИБП
Для переделки ЭПРА в блок питания необходимо решить три задачи:
- Обеспечить электробезопасность, создав гальваническую развязку.
- Понизить выходное напряжение преобразователя, поскольку на его выходе оно довольно высокое – прядка 100–150 В.
- Выпрямить выходное напряжение.
Если необходим блок питания небольшой мощности – до 15 Вт, то никакой особой переделки ЭПРА не потребуется. Достаточно десятка сантиметров обмоточного провода, четыре диода и пары конденсаторов. Ну и, конечно, понадобится электронный балласт от лампы мощностью 40 Вт. Взглянем на доработанную схему:
Простой импульсный блок питания на 12 В из ЭПРА люминесцентной лампы
Здесь дроссель исполняет роль развязывающего и одновременно понижающего трансформатора блока питания, а выпрямитель (диоды VD8-VD11) делают из импульсного напряжения постоянное. Конденсаторы С8 и С9 – сглаживающие. В остальном работа блока питания ничем не отличается от схемы ЭПРА.
Переделку ЭПРА в блок питания будем производить в следующей последовательности:
- Удаляем люминесцентную трубку и конденсатор С8.
- Соединяем выводы конденсаторов С6, С7 и дросселя Т2, которые ранее шли на лампу, между собой. Проще всего это сделать, просто замкнув все выводы лампы.
Теперь наш дроссель является нагрузкой преобразователя. Осталось лишь домотать на него вторичную обмотку. Так как частота преобразования довольно высока, понадобится всего несколько витков обмоточного провода диаметром 0.5-0.8 мм. Зазор между сердечником и обмоткой дросселя невелик, но его вполне достаточно для нескольких витков, число которых подбирается экспериментально.
Мнение экспертаАлексей БартошСпециалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.Задать вопрос экспертуВажно! Для большей надежности блока питания лучше использовать не обычный обмоточный провод в эмалевой изоляции, а монтажный во фторопластовой. Это исключит пробой между обмотками при неаккуратной намотке и появлении опасного напряжения во вторичной цепи
Методика намотки следующая. Наматываем в качестве вторичной около 10 витков, подключаем к ней диодный мост со сглаживающими конденсаторами и нагружаем будущий блок питания резистором мощностью около 30 Вт и сопротивлением 5-6 Ом. Замеряем напряжение на резисторе вольтметром постоянного тока. Затем делим полученное напряжение на количество витков, и выходит напряжение, получаемое с одного витка. Теперь делим необходимое нам напряжение (12-13 В) на последнее значение и получаем необходимое количество витков вторичной обмотки.
Предположим, намотав 10 витков, мы получили напряжение 8 В. 8/10=0.8. Значит, один виток выдает 0.8 вольт. Нам нужно 12. Делим 12 на 0.8, получаем 15. Итак, нам необходимо намотать 15 витков.
Штатный и доработанный дроссель блока питания из ЭПРА
В диодном мосте можно использовать любые выпрямительные диоды на обратное напряжение не ниже 25 В и ток 1А. Лучше для этих целей использовать диоды Шоттки – они имеют меньшее прямое падение напряжения и лучше работают в импульсном режиме, увеличивая КПД блока питания. На месте С8 может работать керамический конденсатор емкостью 0.1 мкФ, С9 – электролитический емкостью 10-50 мкФ и рабочее напряжение не ниже 25 В.
Всем хороша схема такого блока питания, но напряжение на его выходе не стабилизировано. То есть оно будет колебаться вместе с изменением сетевого. Выйти из положения довольно просто, установив в схему блока питания 12-вольтовый стабилизатор. Идеальным для этой цели будет интегральный стабилизатор КР142ЕН8Б или зарубежный аналог L1812. В этом случае выходной фрагмент схемы будет выглядеть так:
Схема блока питания со стабилизированным выходным напряжением
Конденсаторы С10 и С11 нужно взять тех же номиналов, что и С8, С9.
Мнение экспертаАлексей БартошСпециалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.Задать вопрос экспертуВажно! Если в схеме блока питания будет использоваться стабилизатор, то количество витков необходимо увеличить до получения напряжения на нагрузочном резисторе (см. методику расчета выше) 15-16 В
Именно такое напряжение является нормальным входным для линейного 12-вольтового стабилизатора.
