Модульний блок живлення

В. ЄФРЕМОВ, Ю. ШНАПЦЕВ

Описувані нижче модулі призначені для живлення портативної переносний апаратури стабілізованою напругою 6,3 В від батареї елементів напругою 2,5 … 4,6 В. Якщо споживаний навантаженням струм дорівнює 100 … 150 мА, краще використовувати в якості первинних джерел 2-3 елемента 373, а при меншому струмі можна застосувати батарею 3336.

Технічні характеристики модульного блоку живлення з безперервним стабілізатором

Вихідна напруга, В

6,3

Максимальний струм навантаження, мА

150

Номінальний струм навантаження, мА

100

Напруга живлення, В

3,5 ±1

Середній ККД,%

40

Коефіцієнт стабілізації

500

Вихідний опір. Ом

0,1

Пульсації вихідної напруги (подвійна амплітуда), мВ, не більше

10

Частота перетворення, кГц, не менше

20

Вихідний струм короткого замикання, мА

5

Обсяг, см 2 (Габарити, см)

22.3 (4х3, 1х1, 6)

Схема модульного блоку літанія зображена на рис. 1 в тексті.

Блок складається з трансформаторного перетворювача, виконаного на транзисторах V1, V4 і стабілізатора вихідної напруги на транзисторах V6-V8. Перетворювач на відміну від широко розповсюджених перетворювачів зі зворотним зв'язком по напрузі (наприклад, описаний у статті А. Горбова "Перетворювач напруги" – "Радіо", 1980, № 2, с. 44) зібраний за схемою зі зворотним зв'язком по струму навантаження і володіє низкою особливостей. У його трансформаторі відсутні окремі базові обмотки і базові резистори, а це, якщо врахувати, що струм навантаження складається з базових струмів транзисторів, зменшує потерн в перетворювачі. Вихідна напруга перетворювача (на конденсаторі С2) дорівнює сумі напруг – випрямленої з обмотки II трансформатора Т1 і вхідного. Стійка робота і надійний запуск генератора при низькій напрузі живлення (0,8 … 1 В) розширюють можливості використання такого перетворювача.

Нарешті, позитивна зворотній зв'язок потоку навантаження сприяє зменшенню комутаційних втрат і збільшення ККД перетворювача, який може досягати 80 … 90%. До недоліків перетворювачів подібного типу слід віднести наявність гальванічної зв'язку між джерелом живлення і навантаженням.

Оскільки струм навантаження протікає через емітерний переходи транзисторів перетворювача, їх максимально допустимий струм бази повинен бути більше струму навантаження: Iбmax> Iн, що змушує застосовувати в блоці тільки потужні транзистори. Це звичайно не є перешкодою для застосування подібних перетворювачів для живлення малопотужної апаратури. Обмотка IIб трансформатора Т1 дозволяє зменшити напругу на базі закритого транзистора перетворювача до допустимого значення, рівного 3 В.

Напруга на конденсаторі С2 при вхідній напрузі 2,5 В одно приблизно 8 В. Ця напруга надходить на електронний стабілізатор. Він складається з регулюючого елементу на транзисторі V6, керуючого елемента на транзисторах V7, V8 і джерела зразкового напруги на стабілітрон V9 і резистори R7. Включення стабілітрон в ланцюг бази транзистора V8 дозволило в три рази збільшити коефіцієнт стабілізації в порівнянні з традиційним включенням стабілітрон в ланцюг емітера.

Ланцюг запуску стабілізатора складена з елементів СЗ. R1, V5, R4. У момент включення імпульс струму зарядки конденсатора СЗ відкриває транзистор V7 і виводить пристрій на режим стабілізації. Конденсатор С4 сприяє підвищенню стійкості роботи пристрою, а С5 зменшує проникнення високочастотних шумів стабілітрон в навантаження. Резистор R7 визначає струм стабілізації стабілітрон. Діод V10 захищає транзистор V8 від негативного імпульсу розрядки конденсатора С5.

Стабілізатор не боїться короткого замикання, так як при цьому відразу закриваються транзистори керуючого, а слідом за ними і регулює елементів, і вихідний струм зменшується до декількох міліампер.

Після усунення короткого замикання пристрій самостійно виходить на режим стабілізації, оскільки амплітуда пульсації на конденсаторі С2 достатня для запуску.

Модульний блок змонтований на невеликій друкарській платі і ув'язнений у металеву коробку, що служить одночасно екраном. Екран значно знижує рівень перешкод, створюваних перетворювачем. Плата виготовлена з фольгованого склотекстоліти товщиною 2 мм. Креслення плати показано на рис. 3 січня-й з. обкладинки. Перед установкою деталей у плату необхідно запресувати чотири (два вхідних і два вихідних) штирьовим виведення

діаметром 0,5 мм. Трансформатор намотаний на кільцевому магнітопроводі К17Х X8, 2X5 з фериту 2000НМ проводом ПЕВ-2 0,2. Обмотки Іа і Іб містять по 12 витків; ІІа та IIв – по 31 витка; IIб – 10 витків. Вага обмотки розміщені приблизно на одній третині довжини кола магнітопровода. Трансформатор вклеєна в виріз плати епоксидним клеєм (ширина вирізу – 24 мм, глибина – 10 мм). У модулі застосовані конденсатори С1, С2 – К50-6, СЗ, С5 – K53-1, С6 – К53-4.

Налагодження блоку починають з перевірки стабілізатора напруги. Для цього необхідно подати на вхід стабілізатора напруга від зовнішнього регульованого джерела й, встановивши необхідне вихідна напруга підбіркою стабілітрон V9, перевірити роботу стабілізатора під навантаженням при зміні напруги джерела в інтервалі 8 … 12 В. За осцилограф перевіряють відсутність високочастотних коливань на виході стабілізатора (їх усувають підбіркою конденсатора С4) і перевіряє роботу системи захисту від короткого замикання. Якщо усунути коротке замикання, стабілізатор повинен почати працювати після короткочасного відключення напруги живлення.

Потім приступають до перевірки перетворювача. Для цього до входу блоку підключають джерело живлення напругою 2,5 … 4,5 В і перевіряють наявність коливань прямокутної форми з частотою 20 … 50 кГц на колекторі транзисторів V1 і V4, a також напруга на конденсаторі С2 мінімальне значення якого не повинно бути менш 8В.

Якщо генератор порушується на високій частоті (близько 1 МГц), необхідно перевірити правильність розпаювання висновків обмоток трансформатора. За осцилограф контролюють напругу на базі транзисторів V1 і V4 – воно не повинно перевищувати 3 В.

Необхідно пам'ятати, що без навантаження перетворювач не працює, тому, якщо він не навантажений стабілізатором, до нього потрібно підключити витримку навантаження резистор опором 3 … 5 кОм. На закінчення блок навантажують резистором опором 68 Ом потужністю 2 Вт і перевіряють на відповідність технічним характеристикам.

Реальна залежність ККД модульного блоки живлення від вхідної напруги показана на рис. 3 з обкладинки (крива 1). Знаючи, ККД і потужність навантаження, легко визначити струм, споживаний від первинного джерела, і відповідно до цього вибрати його елементи. При Uжив = 3,5 В, Iн = 100 мА, наприклад, струм, споживаний блоком живлення, дорівнює Iп = Iн * Uн / nUг = = 100 * 6,3 / 0,4 * 3,5 = 450 мА. Знизити споживаний струм можна тільки збільшенням ККД стабілізатора, тому що ККД перетворювачі досить високий і в широкому інтервалі зміни живлячої напруги змінюємося незначно.

Стабілізатори імпульсного типу в силу порівняно великої складності, труднощі налаштування і ряд інших недоліків не отримали широкого розповсюдження серед радіоаматорів. Але економічність і можливість виготовлення, у невеликому обсязі (оскільки не потрібно радіатор для регулюючого транзистора) роблять такі стабілізатори перспективними для застосування і переносний апаратурі.

Описуваний нижче імпульсний стабілізатор напруги зібраний за найпростішою схемою – він містить всього один потужний транзистор. Поступаючись по всіх електричним параметрам блоку з безперервним стабілізатором, він перевершує його тільки в одному – його середній ККД вище на 10%.

На перший погляд, це здається трохи, але якщо при Iн = 100 мА описаний вище блок споживає від первинного джерела 450 мА то блок з імпульсним стабілізатором – на 90 мА менше, що може помітно збільшити термін служби первинних джерел. Цей фактор у деяких випадках може бути вирішальним при виборі типу модуля харчування. Залежність ККД імпульсного модульного блоку (при Iн = 58 мА) зображена на третьому с. обкладинки на рис. 3. До достоїнств імпульсного блоку можна віднести також можливість регулювання вихідної напруги.

Технічні характеристики модульного блоку живлення з імпульсним стабілізатором

Вихідна напруга, В

6,3

Максимальний струм навантаження, мА.

75

Номінальний струм навантаження, мА

50

Напруга живлення B

3…4,5

Середній ККД. %

50

Коефіцієнт стабілізації

30

Вихідний опір, 0м

1…2

Пульсації вихідної напруги (подвійна амплітуда), мВ, не більше

50

Вихідний струм короткого замикання, мА

500

Обсяг, см 3 (Габарити, см)

17.4 (5Х3Х1, 2)

Схема блоку зі стабілізатором імпульсного типу зображена на рис. 2 в тексті.

Стабілізатор складається з блокінг-генератора (робоча частота 50 кГц) на транзисторі V2 і керуючого підсилювача на транзисторах V4, V6, V7. Коли транзистор V2 відкритий, його утримує в стані насичення струм бази, що протікає під дією ЕРС з обмотки 1 трансформатора Т1. При цьому времязадающій конденсатор С2 заряджається через резистор R2 і емітерний перехід транзистора V2. Зарядка триває до тих пір, поки струм бази достатній для насичення транзистора. У деякий момент транзистор виходить зі стану насичення і лавиноподібно закривається. У цей момент ЕРС в обмотці I трансформатора змінює знак, до бази транзісторв V2 прикладається від'ємне зміщення і відбувається перезарядка конденсатора С2 струмом, що протікає через транзистор V4. У міру перезарядки конденсатора від'ємне зміщення зменшується і через деякий час транзистор V2 лавиноподібно відкривається.

Складовою транзистор V4V6, включений в ланцюг перезарядки конденсатора С2, працює в лінійному режимі. На нижній межі живлячої напруги транзистор V4 знаходиться на кордоні насичення, шпаруватості імпульсів мінімальна. Період імпульсів визначається ємністю конденсатора С2 і опором діода V1 і транзистора V4. При більшому живильної напрузі цей транзистор вже не буде насичений. Його опір буде змінюватися відповідно з вихідним напругою. При цьому буде змінюватися шпаруватості імпульсів, забезпечуючи стабілізацію вихідної напруги. На верхній межі живлячої напруги транзистор V4 закрито, тому стабілізації не відбувається; у цьому випадку період коливань визначається ємністю конденсатора С2 і опором резистора R1. Для більш ефективної стабілізації транзистор V4 повинен мати можливо менший опір насичення, а діод V1 потрібно використовувати тільки германієвого з мінімальним прямим опором. Резистор R1 забезпечує запуск стабілізатора;

У стабілізаторі немає пристрої захисту від короткого замикання ланцюга навантаження. При короткому замиканні генерація зривається і від джерела живлення споживається струм близько 500 мА. Це не призводить до пошкодження блоку, але тривала робота його в такому режимі неприпустима.

Конструктивно блок виконаний аналогічно описаному вище. Креслення друкованої плати імпульсного блоку показано на рис. 5 Березня-й з. обкладинки. Плату з деталями також поміщають у металеву коробку.

Трансформатор Т1 намотаний на кільцевому магнітопроводі К17х8, 2х5 з фериту 2000НМ проводом ПЕВ-2 0,2. Обмотка I містить 45 витків. ІІа – 35; IIб – 60. Підлаштування резистор R5 – СП5-3. Конденсатор С1 – К53-1; С4 – К53-4.

Налагодження блоку полягає в перевірці його працездатності та встановлення номінального вихідної напруги. Підключивши осцилограф до колектора транзистора V2, від нуля збільшують напругу живлення. При напрузі близько 1,5 В блокінг-генератор починає виробляти прямокутні імпульси з частотою, близькою до 50 кГц, і шпаруватістю 2. При збільшенні напруги до 3 У амплітуда імпульсів збільшується, а частота не змінюється.

Коли напруга на виході стабілізатора досягне 6,3 В, починає працювати система управління блокінг-генератором і з цього моменту шпаруватості імпульсів збільшується. Основне завдання при налагодженні – Домогтися номінальної напруги на виході стабілізатора при Uжив = 3 В. Необхідно мати на увазі, що робота блокінг-генератора сильно залежить від параметрів трансформатора (опору обмоток, матеріалу магнітопровода та ін) і транзистора V2, тому при налагодженні стабілізатора в деяких випадках може знадобитися перемотування трансформатора і підбірка ключового транзистора. Підлаштування резистором R5 встановлюють рівень початку стабілізації при вихідному напрузі 6,3 ± 0,3 В і напрузі живлення 3 В. На параметри стабілізатора сильно впливають резистори R1 і R2. При зменшенні опору R1 поліпшується запуск, але погіршуються стабілізуючі властивості. Зі зменшенням опору резистора R2 збільшується потужність, що віддається в навантаження, але погіршується ККД блоку.

м. Москва