Мережеве джерело живлення з високою питомою ПАРАМЕТРИ

А. МИРОНОВ, м. Люберці Московської обл.

У запропонованій увазі читачів статті описаний імпульсний перетворювач для живлення електронних пристроїв напругою 5 В від мережі змінного струму. Перетворювач не містить дефіцитних і дорогих елементів, простий у виготовленні і налагодженні.

Джерело живлення забезпечений захистом від кидків вихідної напруги і від перевантаження по струму з автоматичним поверненням в робочий режим після її усунення.

Основні технічні параметри

Вхідна напруга, В ….. 150 … 240

Частота вхідної напруги, Гц ………………. 50 … 60

Частота перетворення, кГц ……………………. 100

Вихідна напруга, В ……… 5

Амплітуда пульсацій вихідної напруги, мВ, не більше ………………… 50

Струм навантаження, А. …………… 0 … 6

Температура навколишнього середовища, ° С …………..- 10 … +50

Статична нестабільність вихідної напруги при зміні вхідної напруги, струму навантаження і температури навколишнього середовища в повному інтервалі,%, від номінального значення, не більше ……… 3

Габарити, мм …………. 60x95x30

На рис. 1 показана схема пристрою. Вузол управління реалізує широтно-імпульсний принцип стабілізації вихідної напруги. На елементах DD1.1, DD1.2 виконаний задає генератор, що працює на частоті близько 100 кГц при шпаруватості, близькою до двох. Імпульси тривалістю близько 5 мкс через конденсатор С11 надходять на вхід елемента DD1.3, а потім посилюються по струму включеними паралельно елементами DD1.4-DD1.6. Щоб стабілізувати вихідну напругу джерела живлення, тривалість імпульсу під час регулювання зменшується. "Укорочує" імпульси транзистор VT1. Відкриваючись кожний період роботи генератора, він примусово встановлює на вході елемента DD1.3 низький рівень. Цей стан утримується до кінця чергового періоду розрядженим конденсатором С11.

На транзисторах VT2, VT3 виконаний потужний підсилювач струму, що забезпечує форсоване перемикання комутуючого транзистора VT4. Діаграми напруги на основних елементах джерела живлення під час його запуску показані на рис. 2. Коли транзистор VT4 відкритий, струм, що проходить через нього і обмотку I трансформатора Т1, лінійно наростає (рис. 2,6). Імпульсна напруга з датчика струму через резистор R11 R7 подається на базу транзистора VT1. Щоб виключити помилкове відкривання транзистора, викиди струму згладжує конденсатор С12. Перші після запуску кілька періодів миттєве напруга на базі транзистора VT1 залишається менше напруги відкривання U6е відкр * 0,7 В (рис. 2, в). Як тільки миттєве напругу під час чергового періоду досягне порогу 0,7 В, транзистор VT1 відкриється, що, у свою чергу, призведе до закривання комутуючого транзистора VT4. Таким чином, струм в обмотці I, а отже, і в навантаженні не може перевищувати деякого значення, заздалегідь визначеного опором резистора R11. Цим забезпечується захист джерела живлення від перевантаження по струму.

Фазіровки обмоток трансформатора Т1 встановлена такою, що під час відкритого стану транзистора VT4 діоди VD7 і VD9 закриті зворотним напругою. Коли комутуючі транзистор закриється, напруга на всіх обмотках змінює знак і збільшується до тих пір, поки ці діоди не відкриються. Тоді енергія, накопичена під час імпульсу в магнітному полі трансформатора Т1, направляється на зарядку конденсаторів вихідного фільтра С15-С17 і конденсатора С9. Зауважимо, що, оскільки фазіровки обмоток II і III збігається, напруга на конденсаторі С9 в режимі стабілізації вихідної напруги також стабілізовано незалежно від значення вхідної напруги джерела живлення.

Регулюючий елемент джерела живлення – мікросхема DA2 КР142ЕН19А. Коли напруга на керуючому виведення 1 мікросхеми досягне 2,5 В, через неї і через випромінюючий діод Оптрон починає протікати струм, що збільшується зі зростанням вихідної напруги. Фототранзистор Оптрон відкривається, і струм, що протікає через резистори R5, R7 і R11, створює на них падіння напруги, також збільшується з зростанням вихідного напруги. Миттєве напруга на базі транзистора VT1, рівне сумі падіння напруги на резисторі R7 і датчику струму R11, не може перевищувати 0,7 В. Тому при збільшенні струму фототранзистор Оптрон збільшується постійна напруга на резисторі R7 і зменшується амплітуда імпульсної складової на резистори R11, що, у свою чергу, відбувається тільки через зменшення тривалості відкритого стану комутуючого транзистора VT4. Якщо ж тривалість імпульсу зменшується, то скорочується і "порція" енергії, перекачується кожний період трансформатором Т1 в навантаження.

Таким чином, якщо вихідна напруга джерела живлення менше номінального значення, наприклад, під час його запуску, тривалість імпульсу та енергія, що передається на вихід, максимальні. Коли вихідна напруга досягне номінального рівня, з'явиться сигнал зворотного зв'язку, внаслідок чого тривалість імпульсу зменшиться до значення, при якому вихідна напруга стабілізується. Якщо з яких-небудь причин вихідна напруга збільшується, наприклад, при різкому зменшенні струму навантаження, сигнал зворотного зв'язку також збільшується, а тривалість імпульсу зменшується аж до нульової і вихідна напруга джерела живлення повертається до номінального значення.

На мікросхемі DA1 виконаний вузол запуску перетворювача. Його призначення – блокувати роботу вузла управління, якщо напруга живлення менше 7,3 В. Це обставина пов'язана з тим, що комутатор – польовий транзистор IRFBE20 – не повністю відкривається при напрузі на затворі менше 7 В.

Вузол запуску працює таким чином. При включенні джерела харчування конденсатор С9 починає заряджатися через резистор R8. Поки напруга на конденсаторі складає одиниці вольт, на виході (вивід 3) мікросхеми DA1 утримується низький рівень і робота вузла управління заблокована. У цей момент мікросхема DA1 з виведення один споживає струм 0,2 мА і падіння напруги на резисторі R1 становить близько 3 В. Приблизно через 0,15 … 0,25 з напругу на конденсаторі досягне 10 В, при якому напруга на виведенні 1 мікросхеми DA1 одно порогове значення (7,3 В). На її виході з'являється високий рівень, дозволяє роботу задаючого генератора і вузла управління. Починається запуск перетворювача. У цей час вузол керування живиться енергією, запасеної в конденсаторі С9. Напруга на виході перетворювача почне збільшуватися, а значить, воно буде збільшуватися і на обмотці II під час паузи. Коли воно стане більше напруги на конденсаторі С9, діод VD7 відкриється і конденсатор надалі буде кожен період підзаряджатися від допоміжної обмотки II.

Тут, однак, слід звернути увагу на важливу особливість джерела живлення. Струм зарядки конденсатора через резистор R8, в залежності від вхідної напруги джерела живлення, становить 1 … 1.5 мА, а споживання вузла керування під час роботи – 10 … 12 мА. Це означає, що під час запуску конденсатор С9 розрядиться. Якщо його напруження зменшиться до порогового рівня мікросхеми DA1, вузол управління вимкнеться, а оскільки у вимкненому стані він споживає не більше 0,3 мА, напруга на конденсаторі С9 буде збільшуватися до повторного включення. Таке відбувається або при перевантаженні, або при великій ємнісний навантаженні, коли напруга на виході не встигає за пусковий час 20 … 30 мс збільшитися до номінального значення. У цьому випадку необхідно збільшити ємність конденсатора С9. Між іншим, зазначена особливість роботи вузла керування дозволяє джерела живлення перебувати в режимі перевантаження необмежено довго, оскільки він у цьому випадку працює в пульсуючому режимі, причому час роботи (запуск) в 8 … 10 разів менше часу неробочого стану. Комутуючі елементи при цьому навіть не нагріваються!

Ще одна особливість джерела живлення – захист навантаження від перевищення напруги, яке відбувається, наприклад, при відмові будь-якого елемента в колі зворотного зв'язку. У робочому режимі напруга на конденсаторі С9 – приблизно 10 В і стабілітрон VO1 закритий. У випадку обриву в ланцюзі зворотного зв'язку вихідна напруга збільшується понад номінального значення. Але разом з ним збільшується напруга на конденсаторі С9 і при значенні близько 13 У стабілітрон VD1 відкривається. Процес триває 50 … 500 мс, протягом яких струм через стабілітрон плавно наростає, багаторазово перевищуючи його максимальне значення. При цьому кристал елемента нагрівається і розплавляється – стабілітрон практично перетворюється на перемичку з опором від одиниць до декількох десятків ом. Напруга на конденсаторі С9 зменшується до значень, недостатніх для включення вузла керування. Вихідна ж напруга, отримавши в залежності від струму навантаження приріст в 1,3 … 1,8 рази, зменшується до нуля.

На елементах L2C19 виконаний додатковий фільтр, що зменшує амплітуду пульсацій вихідної напруги.

Щоб зменшити проникнення високочастотних перешкод в мережу, на вході встановлений фільтр С1-C3L1C4-С7, який до того ж згладжує споживаний під час роботи імпульсний струм з частотою 100 Гц.

Терморезистор RK1 (ТР-10) має відносно високий опір в холодному стані, що обмежує пусковий струм перетворювача при включенні і захищає діоди випрямляча. Під час роботи терморезистор нагрівається, опір його зменшується у кілька разів і на ККД джерела живлення практично не впливає.

При закриванні транзистора VT4 на обмотці I трансформатора Т1 виникає імпульс напруги (на мал. 2, г він показаний пунктиром на перших трьох періодах напруги UcVT4). амплітуда якого визначається індуктивністю розсіювання. Щоб її зменшити, в перетворювачі встановлена ланцюг VD8R9C14. Вона усуває небезпеку пробою комутуючого транзистора і знижує вимоги по максимальному навантаженню на його стоці, що підвищує надійність перетворювача в цілому.

Джерело живлення виконаний в основному на стандартних вітчизняних та імпортних елементах, за винятком моткових виробів. Дроселі L1 і L2 намотані на кільцях К10x6x4, 5 з пермаллоя МП 140. Магнітопроводи спочатку ізолюють одним шаром Лакотканини. Кожну обмотку намотують проводом ПЕТВ 0,35 виток до витка у два шари на своїй половині кільця, причому між обмотками дроселя L1 повинен залишатися зазор не менше 1 мм. Обмотки дроселя L1 містять по 26 витків, а дроселя L2 – по сім витків, але у вісім провідників кожна. Намотані дроселі просочують клеєм БФ-2 і сушать при температурі близько 60 ° С.

Трансформатор – головна і найвідповідальніша деталь джерела живлення. Від якості його виготовлення залежить надійність і стійкість роботи перетворювача, його динамічні характеристики і робота в режимі холостого ходу та перевантаження. Трансформатор виконаний на кільці К17x10x6, 5 з пермаллоя МП140. Перед намотуванням магнітопровода ізолюють двома шарами Лакотканини. Провід укладають щільно, але без натягу. Кожен шар обмотки промащують клеєм БФ-2, а потім обмотують Лакотканини.

Першою намотують обмотку I. Вона містить 228 витків дроту ПЕТВ 0,2 … 0,25, намотаних виток до витка у два шари, між якими прокладений один шар Лакотканини. Обмотку ізолюють двома шарами Лакотканини. Наступною намотують обмотку III. Вона містить сім витків дроту ПЕТВ 0,5 в шість провідників, розподілених рівномірно по периметру кільця. Поверх неї укладають один шар Лакотканини. І нарешті, останньою намотують обмотку II, яка містить 13 витків дроту ПЕТВ 0,15 … 0,2 в двох провідників, яку рівномірно укладають по периметру кільця з деяким натягом для щільного прилягання до обмотці III. Після цього готовий трансформатор обмотують двома шарами Лакотканини, промащують зовні клеєм БФ-2 і просушують при температурі 60 ° С.

На місці транзистора VT4 можна застосувати інший з допустимою напругою на стоці не менше 800 В і максимальним струмом 3 … 5 А, наприклад, BUZ80A, КП786А, а на місці діода VD8 – будь-який швидкодіючий діод з допустимим зворотним напругою не менше 800 В і струмом 1 … 3 А, наприклад, FR106.

Джерело живлення виконаний на платі розмірами 95×50 мм і товщиною 1,5 мм. У кутах плати і в серединах довгих сторін розташовано шість отворів, через які плату пригвинчують до Теплоотвод. З одного сторони плати припаяні транзистор VT4 і діод VD9 фланцями назовні, а з іншого – встановлені інші деталі. Для зменшення розмірів плати всі елементи, крім конденсаторів С8, С9, мікросхеми DD1, резистора R9, трансформатора і Оптрон, встановлені вертикально, щоб їх максимальна висота над платою не перевищувала 20 мм.

Теплоотвод з'єднують із загальною точкою конденсаторів С1 і С2. У цьому випадку джерело живлення краще підключати до трьохконтактні розетки із заземленням. Зазначені заходи дозволяють значно зменшити випромінюються перетворювачем перешкоди.

Теплоотвод перетворювача – П-образна скоба довжиною 95, шириною 60 і заввишки 30 мм, зігнута з листового алюмінію товщиною не менше 2 мм. Перетворювач встановлюють на "дно" цього "корита" металевими фланцями елементів VT4 і VD9 вниз і притягують гвинтами МОЗ через отвори в платі. Фланці попередньо ізолюють теплопровідні прокладками, наприклад, фірм "Нома-кон", "Бергквіст", або в крайньому випадку слюдою товщиною 0,05 мм. Таким чином, конструктивно перетворювач виявляється як би в металевому кожусі, що захищає його від механічного діяння.

Для підвищення надійності плату перетворювача бажано покрити 2-3 шарами лаку для виключення вірогідності пробою при підвищеній вологості навколишнього середовища.

Якщо всі елементи джерела живлення справні, правильно виготовлені і з'єднані відповідно до схеми, у налагодженні він не складний. Паралельно резистори R10 підключають осцилограф. До конденсатора С9 у відповідній полярності підключають лабораторний джерело живлення, наприклад, Б5-45, зі встановленим максимальним струмом не більше 15 … 17 мА і починають повільно збільшувати напругу, починаючи з нуля. При напрузі 9,5 … 10,5 В на виході мікросхеми DA1 встановлюється напруга логічної одиниці, що задає генератор вмикається і на екрані осцилографа повинні з'явитися прямокутні імпульси з частотою приблизно 100 кГц і шпаруватістю близько 2 (рис. 2, а). Далі напруга підвищувати не слід, оскільки при значенні близько 13 В може відкритися стабілітрон VD1. Струм, споживаний вузлом управління, не повинен перевищувати встановленого максимуму. Якщо тепер зменшувати напругу живлення, при 7,2 … 7,6 У генерація зникне. Це означає, що вузол управління перетворювача працює правильно.

Далі до виходу перетворювача підключають навантаження опором 4 … 5 Ом і потужністю 10 … 15 Вт, а на вхід подають напругу від другого лабораторного джерела живлення Б5-49 і при працюючому сайті управління починають збільшувати вхідна напруга. Спочатку встановлюють його на рівні 7 … 10 В і осцилографом перевіряють правильність підключення обмоток трансформатора Т1. Крім того, контролюють форму напруги на стоці транзистора VT4 (рис. 2, г), а вольтметром перевіряють напругу на виході перетворювача. При вхідній напрузі 150 … 170 В напруга на виході досягає 5 В і стабілізується. Після цього джерело харчування вузла керування відключають і продовжують працювати на одному вхідному. Подальше підвищення вхідної напруги повинно привести до зменшення ширини керуючого імпульсу (рис. 2, а), який також слід контролювати на резисторі R10. Далі при вхідній напрузі 200 В збільшують струм навантаження (але не більше 7 А) і фіксують його значення, при якому вихідна напруга перетворювача починає зменшуватися. Якщо при струмі до 7 А цього зробити не вдається, збільшують опір резистора R11. У результаті регулювання його номінал повинен бути встановлений таким, щоб при струмі навантаження 6,5 … 7 А і мінімально припустимому вхідній напрузі вихідна напруга перетворювача починає зменшуватися. На цьому регулювання джерела живлення закінчується.

При поганому намотування трансформатора Т1 збільшуються "викиди" напруги на транзисторі \ Л "4, що може стати причиною нестійкої роботи джерела живлення і навіть пробою комутуючого транзистора.

Якщо необхідне джерело з іншим вихідним напругою, необхідно зробити наступне: змінити опір резисторів R13, R14, враховуючи, що граничне напруження мікросхеми DA2 одно 2,5 В; змінити прямо пропорційно число витків і назад пропорційно перетин провідників обмотки III; підібрати діод VD9 і конденсатори С15-С17, С19 на відповідну напругу; встановити резистор R16 з опором (У Омах), розрахованим за формулою R16 = 100 (UBblx-4).

Під час налагодження та роботи з перетворювачем пам'ятаєте, що його елементи перебувають під високою напругою, небезпечним для життя. Будьте уважні і обережні!