Потужний блок живлення.

Для зменшення габаритів і маси мережевих джерел живлення в останні роки все ширше використовують перетворення напруги на частоті кілька десятків кілогерц. Таке джерело містить випрямляч мережевої напруги, фільтр пульсацій з подвоєною частотою мережі, перетворювач напруги, понижуючий трансформатор, випрямляч і фільтр пульсацій з подвоєною частотою перетворення. Перетворювач зазвичай виконують за схемою мостового або полумостового [Л] інвертора, в якому транзистори відкриваються і закриваються по черзі через полперіода комутації. Недолік подібного перетворювача – наявність наскрізного колекторного струму в моменти закривання транзисторів. Через це на них виділяється велика миттєва електрична потужність, допустиме значення якої і обмежує потужність подібних пристроїв. Допустима миттєва потужність звичайно застосовуються в перетворювачах напруги кремнієвих транзисторів, наприклад, серії КТ812, не перевищує кількох сотень ват. Зняти це обмеження у певній мірі дозволяє застосування мостового інвертора, навантаженого послідовним резонансним контуром. Транзистори такого пристрою закриваються при відсутності колекторних струмів, максимальна напруга на колекторі (по відношенню до емітером) і максимальний колекторний струм діють на транзистор в різний час, тому миттєва електрична потужність, що виділяється на ньому, виявляється невеликий. Можливості мостового інвертора з послідовним резонансним контуром ілюструє описуваний нижче мережевий блок живлення. Він призначений для використання в якості еквівалента 27-вольтової бортової мережі автомобіля при налагоджувальних випробуваннях встановленого на ньому медичного обладнання (активна або індуктивно-активне навантаження).

Основні технічні характеристики блоку:

Напруга мережі, В. ……………………………………… …………………………………… 200 … 240

Вихідна напруга без навантаження, У …………………………………….. ……………. 32

Вихідна напруга, В (ККД), на навантаженні опором, Ом:

1,5 ……………………………………….. …………………………………. 27,5 (0,8)

1 …………………………………………. …………………………………. 25,5 (0,77)

Напруга пульсацій на навантаженні з частотою 100 Гц, мВ, не більше ……….. 300

Поріг спрацьовування захисту від перевантаження, кВт ……………………………………. …. 1

Габарити, мм ……………………………………….. ……………………………………….. 350х230х90

Маса, кг ……………………………………….. ………………………………………….. …………… 7

Принципова схема пристрою зображена на рис. 1. Його основні вузли – фільтр C1L1C2, що запобігає проникнення в мережу перешкод від перетворювача частоти; випрямляч напруги на діодах VD1-VD4 з фільтром СЗ-C5L2C6-С8; мостовий інвертор на транзисторах VT1-VT4 з резонансним контуром L3C10C11, понижуючий трансформатор Т4, випрямляч напруги підвищеної частоти на діодах VD13-VD18 з фільтром L4C12-С17; вузол керування інвертором на мікросхемах DD1-DD4 і транзисторах VT5, VT6 і два його живлять джерела: нестабілізованим (VD19) і стабілізований (VD20, DA1). Світлодіод HL1 – Індикатор включення блоку в мережу. Вузол управління мостовим інвертором складається з генератора тактових імпульсів, виконаного на одновібраторах мікросхеми DD1, розподільника імпульсів на тригері DD2.2 і елементах мікросхеми DD4, двох підсилювачів (DD3.3; VT5 і DD3.4, VT6) і пристрою захисту блоку від перевантаження (ТЗ, VD21, DD2.1) з синхронізаторів (DD3.1, DD3.2). Світлодіод HL2 сигналізує про спрацьовуванні пристрої захисту. При включенні блоку в мережу тумблером Q1 подається напруга живлення на вузол керування та на інверсної вихід одновібратора DD1.2 з'являються позитивні імпульси тривалістю 17 мкс з постійною частотою повторення близько 40 кГц. Тригер DD2.2 сигналами логічної 1, що виникають на його прямому і інверсної виходах, по черзі «відкриває» елементи DD4.1, DD4.2, і імпульси надходять на вхід то одного підсилювача (DD3.3, VT5), то іншого (DD3.4, VT6). У результаті імпульси відкриває полярності подаються на емітгерний перехід то транзисторів VT1, VT4, то VT2, VT3. Через деякий час після появи імпульсів тактового генератора (затримка обумовлена досить великий постійної часу фільтра СЗ-C5L2C6-С8) на конденсаторі С9 виникає плавно наростаюче випрямлена напруга і инвертор перетворює його в змінну напругу частотою 20 кГц, прикладену до первинної обмотці трансформатора Т4. Напруга, знімається з його обмотки II, випрямляється діодами VD13-VD18 і через фільтр С12-C15L4C16C17 надходить на навантаження. Резистор R13 знижує вихідна напруга ненавантаженого випрямляча.

У роботі інвертора можна виділити чотири фази. У першій, тривалістю 17 мкс, відкриваються транзистори VT1, VT4 і конденсатори С10, С11 заряджаються через них, первинну обмотку трансформатора Т4 та дросель L3. Струм в цьому ланцюзі спочатку зростає від нуля до максимального значення, а потім, у міру зарядки конденсаторів, зменшується до нуля. Форма струму нагадує напівперіод синусоїди. У другій фазі, що триває 8 мкс, на бази транзисторів VT1, VT4 подається напруга закриває полярності і вони закриваються. У третій фазі (як і першої, тривалістю 17 мкс) відкриваються транзистори VT2, VT3, а до кожного з закритих транзисторів VT1, VT4 прикладається практично всі випрямлена діодами VD1-VD4 напруга (при навантаженні опором 1 Ом – близько 260 В). Струм перезарядки конденсаторів СЮ, СП до максимального напруги протилежної полярності так само, як і в першій фазі, тече через послідовний контур, утворений конденсаторами, дроселем L3 та первинної обмоткою трансформатора Т4. Напруга, до якого вони перезаряджаються, залежить від опору навантаження: чим воно менше, тим більше це напруга (при навантаженні опором 1 Ом – приблизно 200 В). У момент, коли колекторний струм транзисторів VT2, VT3 зменшується до нуля, починається четверта фаза роботи інвертора, що триває, як і друга, 8 мкс: на бази транзисторів з обмоток трансформаторів Т2 і Т5 подається закриває напруга. Транзистори VT1, VT4 весь цей час продовжують залишатися закритими. Пауза необхідна для того, щоб транзистори VT2, VT3 повністю закрилися і при відкриванні транзисторів VT1, VT4 не виник імпульс наскрізного струму через транзистори сусідніх плечей. Завдяки тому, що комутуючих напруга поступає на емітерний переходи в моменти, коли колекторного струму немає, миттєва електрична потужність на колекторному перехід в самому гіршому випадку не перевищує декількох ватів.

Вузол захисту блоку від перевантаження працює таким чином. Після подачі напруги живлення тригер DD2.1 встановлюється в одиничне стан (на інверсної виході – напруга логічного 0), і на виході елемента DD3.2 (висновок 11) з'являється напруга логічної 1, що створює умови для проходження імпульсів тактового генератора через елементи DD4.1 і DD4.2. У цьому стані тригер залишається весь час поки потужність, що віддається в навантаження, менше 1 кВт. При досягненні граничної потужності амплітуда першого ж імпульсу, що надійшов на рахунковий вхід тригера DD2.1 з вторинної обмотки трансформатора струму ТЗ через міст VD21, виявляється достатньою, щоб перевести тригер в нульове стан (на інверсної виході – напруга логічно 1). Зміна низького логічного рівня високим на верхньому (за схемі) вході елемента DD3.2 призводить до того, що з приходом чергового тактового імпульсу на його виході встановлюється напруга логічного 0, і проходження імпульсів через елементи DD4.1, DD4.2 припиняється. Завдяки RS-тригера на елементах DD3.1, DD3.2 сигнал заборони з'являється тільки в момент початку паузи між імпульсами, що запобігає виходу транзисторів інвертора з ладу (закривання за наявності колекторного струму призвело б до виходу їх з ладу через надмірне збільшення миттєвої електричної потужності). Вузол захищає транзистори інвертора і при короткому замиканні навантаження. Для повернення блоку харчування в початковий стан після спрацювання захисту його потрібно вимкнути і знову включити тумблером Q1. При виключенні блоку конденсатори фільтру СЗ-С8 розряджаються через резистори R1 і R2. Це необхідно для того, щоб під час наростання амплітуди імпульсів базового струму транзисторів VT1-VT4 після повторного включення, коли вони відкриваються неповністю (тобто не входять у режим насичення), на їх колекторах не виявилося відразу великої напруги, здатної призвести до виходу з ладу.

У резонансному контурі перетворювача застосовані конденсатори (С10, С11) К71-4 на номінальну напругу 250 В. Конденсатори фільтра С12-С15-К73-16 на номінальну напругу 63 В. Резистор R13-ПЕВ-10. Решта резистори і конденсатори – будь-якого типу. Вимикач Q1 – ТВ1-2. У джерелі живлення вузла керування застосований уніфікований трансформатор ТН13 127/220-50. Всі інші трансформатори та дроселі пристрою – саморобні. Намотувальні дані наведені в таблиці. Дросель L3 і обидві обмотки трансформатора Т4 намотані звиті у палять проводами. Для зменшення індуктивності розсіювання цього трансформатора обмотка II намотана двома складеними разом палю-, тами. Відведення отриманий з'єднанням виведення початку однієї з полуобмоток з виведенням кінця другий. Магнітопроводи всіх дроселів зібрані з немагнітних зазором 0,5 мм.

Позначення no схемою Обмотка Число витків Провід Магнітопроводи
Li I, П 10 МГШВ 1,5 мм 2 М2000НМ-9 Ш12х16
L2   200 ПЕВ-1 1,0 ШЛ16х40
L3   25 ПЕВ-2 12X0, 3 М2000НМ-9 Ш12х16
L4   11 ПЕВ-2 2,5 Те ж
Т2, Т5 I 60 ПЕВ-2 0,5 »
  II, III 14 ПЕВ-2 0,8  
тз I 1 МГШВ 1,5 мм 2 М2000НМ-9, Ш7Х7
  II 150 ПЕВ-1 0,1  
Т4 I 48 ПЕВ-2 16х0, 3 М2000НМ-9, Ш1 6X40
  II 2X5 ПЕВ-2 16х0, 69 (Два складених разом магнітопровода Ш16х20)

Вузол керування інвертором і джерело його живлення змонтовані на друкованій платі з фольгованого склотекстоліти товщиною 2 мм. Більшість решти деталей блоку змонтовані навісним способом на трьох платах розмірами 220х85 мм з текстоліту товщиною 3 мм: на одній з них закріплені діоди VD1-VD4 і деталі фільтрів С1L1C2 і СЗ-C5L2C6-С9, на іншій – трансформатори Т2, ТЗ, Т5 і деталі інвертора, на третій – дросель L3 і деталі фільтра С12-C15L4C16C17. Транзистори VT1-VT4 встановлені на дюралюмінієвих тепловідведення у вигляді пластин розмірами 70х60х8 мм (сторонами 60х8 мм вони прикріплені до монтажної платі), діоди VD1-VD4 – на П-подібних тепловідводу, зігнутих з алюмінієвих пластин розмірами 100х25х1, 5 мм, діоди VD13-VD18 і трансформатор Т4 – на ребристому дюралюмінієва тепловідведення з площею охолоджуючої поверхні близько 1000 см 2 , Закріпленому в задній частині корпусу блоку.

Зовнішній вигляд блоку живлення показаний в заставки до статті, вид на його монтаж – на рис. 2. Налагодження пристрою починають без запобіжника FU1. Включивши харчування вузла керування, за допомогою осцилографа переконуються в наявності на емітерний переходах транзисторів VT1-VT4 імпульсів позитивної полярності тривалістю 17 мкс з частотою повторення близько 20 кГц (період коливань – приблизно 50 мкс). При з'єднанні будь-якого виведення вторинної обмотки трансформатора струму ТЗ з плюсовим виводом джерела живлення мікросхем вузла управління, ці імпульси повинні зникати. Потім відключають висновок Дроселі L3 від первинної обмотки трансформатора Т4, встановлюють на місце запобіжник FU1, а замість контактів 7 і 8 мережевого вимикача Q1 включають міліамперметр. Струм, споживаний інвертором без навантаження, повинен бути не більше 15 мА. Переконавшись у цьому, з'єднують висновки дроселя L3 та первинної обмотки трансформатора Т4 додатковим резистором опором приблизно 0,5 Ом, відпоюють мережеві висновки випрямні мосту VD1-VD4 від дроселя L1 і подають на них від регульованого автотрансформатора (наприклад ЛАТР) змінну напругу 20 … 30 В. До виходу блоку підключають еквівалент навантаження – резистор опором 1 Ом з потужністю розсіювання 700 … 800 Вт. Контролюючи осцилографом форму напруги на додатковому резистори, підбирають немагнітних зазор в магнітопроводі дроселя L3 таким, щоб імпульси (як позитивною, так і негативної полярності) на екрані стали як можна більш схожими на напівхвилі синусоїди. Далі, спостерігаючи за формою імпульсів, підвищують напругу на вході мосту VD1-VD4 до 220 В. Вихідна потужність на еквіваленті навантаження зростає при цьому до 650 … 700 Вт, проте форма імпульсів повинна залишитися практично незмінною. Якщо ж за такої потужності вони загострюються, то це свідчить про насичення магнітопровода дроселя L3 або трансформатора Т4 і його необхідно замінити більш масивним (з великим перерізом). Нарешті, виключивши з ланцюга додатковий резистор, підбирають резистор R18 таким чином, щоб вузол захисту від перевантаження спрацьовував при вихідній потужності 1 кВт (її отримують зменшенням опору еквівалента навантаження). Під час налагодження слід дотримуватися правил техніки безпеки, так як багато хто ланцюга блоку харчування, зокрема, що підлягають контролю осцилографом, перебувають під високою напругою. Навантаження потужністю до 700 Вт можна з'єднувати безпосередньо з виходом блоку і комутувати харчування тумблером Q1. При більшій потужності бажано передбачити додатковий вимикач в ланцюзі навантаження і спочатку підключати блок до мережі, а потім навантаження до його виходу.

С. Цвєтаєв, м. Митищі, Московської обл.

ЛІТЕРАТУРА:

Жучків В., Зубов О., Радутний І. Блок живлення УМЗЧ .- Радіо, 1987, № 1, с. 35-37.

РАДІО № 9,1990 г

Джерело матеріалу