Сетевые импульсные блоки питания

Журнал "Радио",8 номер , 1999г.
Автор:А. Миронов, г. Люберцы Московской обл.

     Импульсные источники питания пока еще не получили широкого распространения в радиолюбительской практике. Объясняется это в основном их высокой сложностью и соответственно стоимостью. Однако в ряде случаев преимущества этих устройств в сравнении с традиционными трансформаторными блоками - большой КПД, малые габариты и масса - могут иметь решающее значение. В предлагаемой статье описаны несколько импульсных источников для различных нагрузок.

    Спор при выборе источника питания (ИП) для конкретного прибора чаще всего заканчивается в пользу традиционных трансформаторных блоков с непрерывным способом стабилизации выходного напряжения как наиболее простых в разработке и изготовлении. А то, что у них увеличены габариты и масса, небольшой КПД, значительный нагрев, практически во внимание обычно не принимают. Наиболее важный аргумент - стоимость. Кроме того, бытует мнение, что импульсные ИП, особенно сетевые, ненадежны, создают высокочастотные помехи, более сложны в изготовлении и регулировке, да и дороги.

    Эти рассуждения чаще всего традиционны в тех случаях, когда сначала проектируют прибор, а потом подбирают для него ИП из числа имеющихся в продаже. При этом нередко оказывается, что выбранный ИП не совсем подходит для прибора: то он тяжеловат, то сильно греется, да и аппаратура работает неустойчиво.

    Ничего подобного не происходит, если ИП проектируют под конкретный прибор, класс аппаратуры с учетом особенностей входного напряжения и нагрузки. В этом случае некоторые усложнения ИП, например, переход к импульсному способу стабилизации выходного напряжения, придают прибору в целом новые качества, существенно улучшают его характеристики, что увеличивает потребительскую цену всего прибора и окупает затраты на усложнение ИП.

    Ниже рассмотрены несколько вариантов сетевых импульсных ИП, спроектированных для конкретных приборов с учетом особенностей отечественной однофазной сети напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Результаты эксплуатации в течение 5...7 лет позволяют рекомендовать их для повторения радиолюбителям, которые знакомы с основными понятиями силовой электроники, принципами импульсного регулирования и особенностями элементной базы.

    Принципы работы, технология изготовления и элементная база ИП специально выбраны близкими, поэтому наиболее подробно будет рассмотрен базовый ИП, а у остальных указаны только их отличительные особенности.

    На рис. 1 приведена схема одноканального импульсного ИП, разработанного для телефонных аппаратов с автоматическим определителемномера (АОН). Он может быть пригоден и для питания других цифровых и аналоговых приборов постоянным напряжением 5...24 В и мощностью 3...5 Вт соответственно, ток потребления которых в процессе работы изменяется незначительно. ИП защищен от замыкания на выходе с автоматическим возвратом в рабочий режим после устранения перегрузки. Нестабильность выходного напряжения при изменении входного - от 150 до 240 В, тока нагрузки - в пределах 20...100 % от номинального и температуре окружающей среды 5...40╟С не превышает 5 % относительно номинального значения.

    Входное напряжение поступает на выпрямитель VD2-VD5 через противопомеховый фильтр L1L2C2 и резисторы R1, R2, ограничивающие пусковые токи при включении ИП. Собственно высокочастотный преобразователь питают постоянным напряжением 200...340 В, формируемым на конденсаторе С4.

    Основа преобразователя - управляемый импульсный генератор на элементах DD1.2-DD1.4, транзисторе VТ1 и стабилитроне VD6. Исходная частота повторения импульсов на выходе элемента DD1.4 - 25...30 кГц, причем длительности импульса и паузы (высокого и низкого уровня) примерно равны. При увеличении напряжения на конденсаторе С1 сверх значения UC1 = UБЭVT1 + UVD6 стабилитрон VD6 открывается, транзистор VT1 во время импульса приоткрывается и ускоренно разряжает конденсатор С3, уменьшая длительность импульса. Это позволяет стабилизировать выходное напряжение ИП.

    Выход генератора управляет высоковольтным переключателем на диоде VD9 и транзисторах VT2, VT3. В отличие от традиционных переключателей на одном биполярном транзисторе, в которых управляющий сигнал подается на его базу, здесь применено каскодное соединение из двух транзисторов - высоковольтного VT2 и низковольтного VТ3. Обычно высоковольтные биполярные транзисторы - низкочастотные, имеют малый коэффициент передачи тока базы h21Э и, следовательно, требуют большого тока управления. Здесь же управляющий сигнал подают на базу низковольтного транзистора, который выбирают высокочастотным с большим h21Э. При открытом транзисторе VТ3 в базу транзистора VТ2 через резистор R11 протекает ток, открывающий и насыщающий его. Когда транзистор VT3 закрывается, эмиттер транзистора VТ2 оказывается "оборванным" и весь его коллекторный ток протекает через базу, диод VD9 в конденсатор С1. При этом происходит быстрое рассасывание избыточного заряда в области базы транзистора VТ2 и он форсированно закрывается. Кроме увеличения быстродействия, такой способ управления транзистором VТ2 (так называемая эмиттерная коммутация) расширяет область его безопасной работы.

    Элементы С5, R9, VD8 ограничивают "всплеск" напряжения на коллекторе транзистора VТ2.

    Трансформатор Т1 выполняет функции накопителя энергии во время импульса и элемента гальванической развязки между входным и выходным напряжением. Во время открытого состояния транзистора VТ2 обмотка I подключена к источнику энергии - конденсатору С4, и ток в ней линейно нарастает. Полярность напряжения на обмотках II и III при этом такова, что диоды VD10 и VD11 закрыты. Когда транзистор VТ2 закрывается, полярность напряжения на всех обмотках трансформатора изменяется на противоположную и энергия, запасенная в его магнитном поле, переходит в выходной сглаживающий фильтр С6L3С7 через диод VD11 и в конденсатор С1 через диод VD10. Трансформатор Т1 необходимо изготовить так, чтобы магнитная связь между обмотками II и III была максимально возможной. В этом случае напряжение на всех обмотках имеет одинаковую форму и мгновенные значения пропорциональны числу витков соответствующей обмотки. Если по каким-либо причинам напряжение на выходе ИП понижено, оно уменьшается на конденсаторе С1, что приводит к увеличению длительности открытого состояния транзистора VТ2 и, следовательно, к увеличению порции энергии, передаваемой каждый период в нагрузку - выходное напряжение возвращается к своему первоначальному значению. При увеличении выходного напряжения ИП происходит обратный процесс. Таким образом осуществляется стабилизация напряжения на выходе.

    На элементе DD1.1 выполнен узел управления включением преобразователя. При подаче входного напряжения конденсатор С1 заряжается через резистор R5. Стабилитрон VD1 сначала закрыт, и на нижнем (по схеме) входе (выводе 2) элемента DD1.1 напряжение выше порога его переключения, а на выходе DD1.1 - низкий уровень. Этот сигнал блокирует работу всех узлов преобразователя; транзистор VT3 закрыт. При некотором значении напряжения UC1 стабилитрон VD1 открывается и напряжение на выводе 2 стабилизируется. Напряжение питания микросхемы продолжает увеличиваться, и при UC1 = Uвкл напряжение на выводе 2 триггера Шмитта становится ниже порога переключения. На выходе элемента DD1.1 скачкообразно устанавливается напряжение высокого уровня, что разрешает работу всех узлов преобразователя. Выключение же ИП происходит при UC1 = Uвыкл < Uвкл, поскольку триггер Шмитта имеет гистерезис на входе. Эта особенность работы используется для построения узла защиты от замыканий на выходе ИП. При чрезмерном увеличении тока нагрузки увеличивается длительность импульса, что вызывает возрастание падения напряжения на резисторе R12. Когда оно достигает значения UR12 = UVD7 + UБЭ VT1 C 1,2 В, транзистор VТ1 открывается, а транзистор VТ3 закрывается. Длительность импульса уменьшается и, следовательно, уменьшается энергия, передаваемая на выход. Так происходит каждый период. Выходное напряжение уменьшается, что приводит и к уменьшению напряжения на конденсаторе С1. Призначении UC1 = Uвыкл элемент DD1.1 переключается и выключает ИП. Потребление энергии от конденсатора С1 устройством управления преобразователя практически прекращается и начинается его зарядка через резистор R5, приводящая при UC1 = Uвкл к автоматическому включению ИП. Далее эти процессы повторяются с периодом 2...4с до тех пор, пока замыкание не устранено. Поскольку время работы преобразователя при перегрузке около 30...50 мс, такой режим работы не опасен и может продолжаться сколь угодно долго.

    Типы и номиналы элементов указаны на схеме. Конденсатор С2 - К73-17, С5 - К10-62б (прежнее обозначение КД-2б). Дроссели L1, L2 и L3 наматывают на кольцевых магнитопроводах К10(6(3 из пресс-пермаллоя МП140. Обмотки дросселя L1, L2 содержат по 20 витков провода ПЭТВ диаметром 0,35 мм и расположены каждая на своей половине кольца с зазором между обмотками не менее 1 мм. Дроссель L3 наматывают проводом ПЭТВ диаметром 0,63 мм виток к витку в один слой (по внутреннему периметру кольца). Трансформатор Т1 - самая ответственная часть ИП. От качества его намотки зависят "всплеск" напряжения на коллекторе транзистора VТ2, стабильность выходного напряжения, КПД ИП и уровень помех, поэтому остановимся на технологии его изготовления подробнее. Он выполнен на магнитопроводе Б22 из феррита М2000НМ1. Все обмотки наматывают на стандартном или самодельном разборном каркасе виток к витку проводом ПЭТВ и пропитывают клеем БФ-2. Обмотку I, содержащую 260 витков, наматывают первой проводом диаметром 0,12 мм в несколько слоев. Ее выводы необходимо изолировать друг от друга и остальных обмоток лакотканью толщиной 0,05...0,08 мм во избежание пробоев. На верхний слой обмотки наносят клей БФ-2 и изолируют одним слоем лакоткани шириной, немного превышающей ширину намотки, чтобы витки верхних обмоток не соприкасались с витками нижней. Далее тем же проводом наматывают экранирующую обмотку с одним выводом 7, наносят клей БФ-2 и обматывают одним слоем той же лакоткани. Обмотку IIIнаматывают проводом диаметром 0,56 мм. Для выходного напряжения 5 В она содержит 13 витков. Витки этой обмотки укладывают плотно, с небольшим натягом, по возможности в один слой, промазывают клеем и изолируют одним слоем лакоткани. Последней наматывают обмотку II. Она содержит 22 витка провода диаметром 0,15...0,18 мм, уложенных равномерно по всей поверхности катушки возможно плотнее к обмотке III. Намотанную катушку промазывают сверху клеем БФ-2, обматывают двумя слоями лакоткани и сушат 6 часов при температуре 60╟С. Высушенную катушку вставляют в чашки, торцы которых также промазывают клеем, и соединяют их через бумажную прокладку кольцевой формы толщиной 0,05 мм. Чашки сжимают, например, деревянными прищепками с двух сторон за края и еще раз сушат в том же режиме. Таким образом, между чашками образуется немагнитный зазор. Выводы катушки тщательно изолируют от магнитопровода.

    При монтаже необходимо помнить, что цепи, по которым проходят импульсные токи, должны быть возможно короче. Устанавливать транзистор VТ2 на теплоотвод не обязательно, если его нагрев в реальных условиях работы в приборе не превышает 60╟С. В противном случае указанный транзистор лучше будет установить на теплоотводе площадью 5...10 см 2 .

    Если все элементы исправны, регулировка ИП не представляет сложности. К выходу подключают резистор сопротивлением 8...10 Ом мощностью 5 Вт, замыкают резистор R5, подключают к конденсатору С1 в соответствии с его полярностью регулируемый источник напряжения, предварительно установив его Uвых = 0. Подключают к коллектору транзистора VТ2 осциллограф с делителем 1:10 на входе. Включают источник и, увеличивая его напряжение, фиксируют значение, при котором произошло включение ИП. На экране осциллографа должен появиться сигнал частотой 25...30 кГц, форма которого показана на рис. 2. Подборкой стабилитрона VD1 и резистора R3 устанавливают напряжение включения устройства управления ИП в пределах 7,3...7,7 В. На нагрузке при этом должно быть постоянное напряжение 0,4...0,6 В. Отключают регулируемый источник напряжения, снимают перемычку с резистора R5 и подают на вход ИП сетевое напряжение. После задержки в 2...5 с ИП включается, после чего измеряют выходное напряжение и подборкой резистора R6 устанавливают его значение 5 В. Далее ИП включают с номинальной нагрузкой и убеждаются, что в реальных условиях эксплуатации транзистор VТ2 и диод VD11 не нагреваются более 60╟С. На этом регулировку можно считать законченной.

    Конструкция ИП может быть различной в зависимости от требований, предъявляемых питаемым прибором. Автором разработана конструкция минимальных размеров и массы специально для применения в телефонном аппарате с АОН. В блоке питания использованы оксидные конденсаторы "Weston" и "Rubicon" . Все элементы, кроме конденсатора С4, установлены перпендикулярно плате. Размеры ИП (50(42,5(15 мм) таковы, что его можно вставить в батарейный отсек телефонного аппарата "Техника" при небольшой доработке последнего. Чертеж печатной платы ИП показан на рис. 3.

    ИП был изготовлен автором специально для замены традиционного блока питания Б3-38, с которым постоянно наблюдались сбои. После замены они прекратились, и телефон работает без выключения почти шесть лет.

    Испытания показали, что выходное напряжение ИП начинает уменьшаться при входном около 100 В. Кроме того, противопомеховый дроссель L1, L2 в варианте применения с АОН оказался не нужен.

    Если значение выходного напряжения ИП должно быть, например, больше (при условии сохранения выходной мощности), число витков обмотки III необходимо пропорционально увеличить, а сечение ее провода и емкость конденсаторов С6, С7 уменьшить. Номинальное напряжение этих конденсаторов должно быть на 30...50 % больше выходного.

    Теплоотвод транзистора VT2 (если он нужен) в случае монтажа ИП на указанную печатную плату представляет собой жестяную пластину размерами 48(10(0,5 мм. Ее устанавливают вдоль длинной стороны печатной платы вплотную к транзистору VT2 через слюдяную прокладку и припаивают к специально предусмотренным для этого контактным площадкам так, чтобы она имела с транзистором хороший тепловой контакт. При этом необходимо также использовать теплопроводную пасту КПТ-8. Следует помнить, что теплоотвод оказывается под высоким напряжением.

    На рис. 4 представлена часть схемы ИП мощностью 10...15 Вт с выходным напряжением 5...24 В. Работа и параметры ИП мало чем отличаются от рассмотренного ранее. Регулировка и способ изменения выходного напряжения также аналогичны. Из отличий отметим следующие. В этом варианте устройства применены транзисторы VT2 - КТ859А, VT3 - КТ972А; диод VD11 - КД2994А, конденсаторы С2 - 0,015 мкФ ( 630 В, С4 - 10 мкФ ( ( 350 В, С5 - К15-5; на месте С6 установлены два конденсатора 1000 мкФ ( 16 В; резисторы R1, R2 - 33 Ом 1 Вт, R6 - 200 Ом, R10 - 1 кОм, R11 - 200 Ом 0,25 Вт, R12 - 3,9 Ом 0,25 Вт. Все остальные элементы такие же, как и на рис. 1. Дроссель L3, содержащий 20 витков, наматывают проводом ПЭТВ диаметром 0,63 мм. Трансформатор Т1 собран на магнитопроводе КВ-8 из феррита М2500НМС1. Каркас для намотки - стандартный. После высыхания катушку устанавливают в магнитопровод, который так же, как и в предыдущем случае, склеивают через картонную прокладку толщиной 0,2 мм. Обмотки тщательно наматывают в той же последовательности. Для варианта 12 В 1 А обмотка I содержит 240 витков провода диаметром 0,2 мм, обмотка II - 22 витка провода диаметром 0,15 мм, обмотка III - 28 витков провода диаметром 0,56 мм. Экранирующую обмотку с одним выводом 7 наматывают виток к витку в один слой проводом диаметром 0,15 мм. Для варианта 5 В 2 А диод VD11 должен быть КД238ВС или 6ТQ045 (International Rectifier), а обмотка III - 13 витков в два провода диаметром 0,56 мм.

    При монтаже транзистор VT2 и диод VD11 должны быть установлены на теплоотводы площадью не менее 50 см 2 каждый, а транзистор VТ1 и диод VD6 следует расположить на расстоянии не менее 20 мм от нагревающегося во время работы трансформатора Т1. Остальные требования - как и для предыдущего ИП. Автором разработана конструкция ИП минимальных размеров, чтобы его можно было установить в корпус "блок-вилка". Чертеж печатной платы этого варианта показан на рис. 5. Элементы, как и в предыдущем случае, установлены перпендикулярно плате, а транзистор VT2 и диод VD11 расположены на плате со стороны печатных проводников фланцами наружу.

    После сборки и регулировки источник питания устанавливают через изолирующие слюдяные прокладки на теплоотвод П-образной формы из алюминия толщиной 2 мм. Между платой и теплоотводом на винты одевают цилиндрические втулки высотой 5 мм. Оксидные конденсаторы выбраны "Weston" и "Rubicon", что позволило уменьшить габариты.

    При эксплуатации полезно соединить теплоотвод транзистора VT2 (или общий теплоотвод) через конденсаторы К15-5 3300 пФ ( 1600 В с каждым из входных выводов. Эта мера способствует уменьшению излучаемых ИП помех. Однако учтите, что теплоотвод находится под высоким напряжением.

    Регулировка ИП проводится так же, как и в предыдущем случае, но при номинальной нагрузке ИП нельзя включать надолго. Дело в том, что транзистор VТ2 и диод VD11 быстро нагреваются, если работают без теплоотвода. ИП с выходным напряжением 12 В был применен для питания электронных настенных часов, а с выходным напряжением 5 В - для питания бытового компьютера "Синклер". Сбоев в работе устройств при изменении входного напряжения в интервале 120...240 В отмечено не было. Правда, впечатляли размеры и масса ИП по сравнению с их аналогами традиционного исполнения.

    (Окончание следует)







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2018 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.