Сетевой блок питания на tl494 схема. Импульсный блок питания своими руками. Конструкция микросхемы TL494CN
TL494 в полноценном блоке питания
http://www.radiokot.ru/circuit/power/supply/38/
Прошло больше года как я всерьез занялся темой блоков питания. Прочитал замечательные книги Марти Браун "Источники питания" и Семенов "Силовая электроника". В итоге заметил множество ошибок в схемах из интернета, а в последнее время и только и вижу жестокое издевательство над моей любимой микросхемой TL494.
Люблю я TL494 за универсальность, наверное нету такого блока питания, который невозможно было бы на ней реализовать. В данном случае я хочу рассмотреть реализацию наиболее интересной топологии "полумост". Управление транзисторами полумоста делается гальванически развязанным, это требует немало элементов, впринципе преобразователь внутри преобразователя. Несмотря на то, что существует множество полумостовых драйверов, использование в качестве драйвера трансформатора (GDT) списывать еще рано, этот способ наиболее надежный. Бутстрепные драйвера взрывались, а вот взрыва GDT я еще не наблюдал. Драйверный трансформатор представляет собой обычный импульсный трансформатор, рассчитывается по тем же формулами как и силовой учитывая схему раскачки. Часто я видел использование мощных транзисторов в раскачке GDT. Выходы микросхемы могут выдать 200 миллиампер тока и в случае грамотно построенного драйвера это очень даже много, лично я раскачивал на частоте в 100 килогерц IRF740 и даже IRFP460. Посмотрим на схему этого драйвера:
Данная схема включается на каждую выходную обмотку GDT. Дело в том, что в момент мертвого времени первичкая обмотка трансформатора оказывается разомкнутой, а вторичные не нагруженными, поэтому через саму обмотку разряд затворов будет идти крайне долго, введение подпирающего, разрядного резистора будет мешать быстро заряжаться затвору и кушать много энергии впустую. Схема на рисунке избавлена от этих недостатков. Фронты замеренные на реальном макете составили 160нс нарастающий и 120нс спадающий на затворе транзистора IRF740.
Аналогично построены дополняющие до моста транзисторы в раскачке GDT. Применение раскачки мостом обусловлено тем, что до срабатывания триггера питания tl494 по достижении 7 вольт, выходные транзисторы микросхемы будут открыты, в случае включения трансформатора как пуш-пул произойдет короткое замыкание. Мост работает стабильно.
Диодный мост VD6 выпрямляет напряжение с первичной обмотки и если оно превысит напряжение питания то вернет его обратно в конденсатор С2. Происходит это по причине появления напряжения обратного хода, всетаки индуктивность трансформатора не бесконечна.
Схему можно питать через гасящий конденсатор, сейчас работает 400 вольтовый к73-17 на 1.6мкф. диоды кд522 или значительно лучше 1n4148, возможна замена на более мощные 1n4007. Входной мост может быть построен на 1n4007 или использовать готовый кц407. На плате ошибочно применен кц407 в качестве VD6, его туда ни в коем слуdчае недопустимо ставить, этот мост должен быть выполнен на вч диодах. Транзистор VT4 может рассеивать до 2х ватт тепла, но играет он чисто защитную роль, можно применить кт814. Остальные транзисторы кт361, причем крайне нежелательна замена на низкочастотные кт814. Задающий генератор tl494 настроен здесь на частоту в 200 килогерц, это означает что в двухтактном режиме получим 100 килогерц. Мотаем GDT на ферритовом кольце 1-2 сантиметра диаметром. Провод 0.2-0.3мм. Витков должно быть в десяток раз больше чем рассчетное значение, это сильно улучшает форму выходного сигнала. Чем больше намотато - тем меньше нужно подгружать GDT резистором R2. Я намотал на кольце внешним диаметром 18мм 3 обмотки по 70 витков. Связано завышение числа витков и обязательная подгрузка с треугольной составляющей тока, она уменьшается с увеличеним витков, а подгрузка просто уменьшает его процентное влияние. Печатная плата прилагается, однако не совсем соответсвует схеме, но основные блоки на ней есть плюс добавлен обвес одного усилителя ошибки и последовательный стабилизатор для запитки от трансформатора. Плата выполнена под монтаж в разрез платы силовой части.
Стабилизированный полумостовой импульсный блок питания
1
Диоды на выходе с временем восстановления не более 100 нс. Этим требованиям отвечают диоды из семейства HER (High Efficiency Rectifier – высоко-эффективные выпрямительные). Не путать с диодами Шоттки. |
Импульсные блоки питания часто используются радиолюбителями в самодельных конструкциях. При сравнительно малых габаритах они могут обеспечить высокую выходную мощность. С применением импульсной схемы стало реально получить выходную мощность от нескольких сотен до нескольких тысяч Ватт. При этом размеры самого импульсного трансформатора не больше коробка из-под спичек.
Импульсные блоки питания - принцип работы и особенности
Основная особенность импульсных БП в повышенной рабочей частоте, которая в сотни раз больше сетевой частоты 50 Гц. При высоких частотах с минимальными количествами витков в обмотках, можно получить большое напряжение. К примеру, для получения 12 Вольт выходного напряжении при токе 1 Ампер (в случае сетевого трансформатора), нужно намотать 5 витков проводом сечением примерно 0,6–0,7 мм.
Если говорить об импульсном трансформаторе, задающая схема которого, работает на частоте 65 кГц, то для получения 12 Вольт с током 1А, достаточно намотать всего 3 витка проводом 0,25–0,3 мм. Именно поэтому многие производители электроники используют именно импульсный блок питания.
Однако, несмотря на то, что такие блоки гораздо дешевле, компактнее, обладают большой мощностью и малым весом, они имеют электронную начинку, следовательно - менее надежны, если сравнить с сетевым трансформатором. Доказать их ненадежность очень просто - возьмите любой импульсный блок питания без защиты и замкните выходные клеммы. В лучшем случае блок выйдет из строя, в худшем - взорвется и никакой предохранитель не спасет блок.
Практика показывает, что предохранитель в импульсном блоке питания сгорает в самую последнюю очередь, первым делом вылетают силовые ключи и задающий генератор, затем поочередно все части схемы.
Импульсные БП имеют ряд защит как на входе, так и на выходе, но и они спасают не всегда. Для того, чтобы ограничить бросок тока при запуске схемы - почти во всех ИИП с мощностью более 50 Ватт используют термистор, который стоит на входе схем.
Давайте сейчас рассмотрим ТОП-3 лучших схем импульсных блоков питания, которые можно собрать своими руками.
Простой импульсный блок питания своими руками
Рассмотрим, как сделать самый простой миниатюрный импульсный блок питания. Создать прибор по представленной схеме сможет любой начинающий радиолюбитель. Он не только компактный, но и работает в широком диапазоне питающих напряжений.
Самодельный импульсный блок питания обладает относительно небольшой мощностью, в пределах 2-х Ватт, зато он буквально неубиваемый, не боится даже долговремнных коротких замыканий.
Схема простого импульсного блока питания
Блок питания представляет собой маломощный импульсный источник питания автогенераторного типа, собранный всего на одном транзисторе. Автогенератор запитывается от сети через токоограничительный резистор R1 и однополупериодный выпрямитель в виде диода VD1.
Трансформатор простого импульсного блока питания
Импульсный трансформатор имеет три обмотки, коллекторная или первичная, базовая обмотка и вторичная.
Важным моментом является намотка трансформатора - и на печатной плате, и на схеме указаны начала обмоток, потому проблем возникнуть не должно. Количество витков обмоток мы позаимствовали от трансформатора для зарядки сотовых телефонов, так как схематика почти та же, количество обмоток то же.
Первой мотаем первичную обмотку, которая состоит из 200 витков, сечение провода от 0,08 до 0,1 мм. Затем ставим изоляцию и таким же проводом мотаем базовую обмотку, которая содержит от 5 до 10 витков.
Поверх мотаем выходную обмотку, количество ее витков зависит от того, какое напряжение нужно. В среднем получается около 1 Вольта на один виток.
Видео о тестировании данного блока питания:
Стабилизированный импульсный блок питания на SG3525 своими руками
Рассмотрим пошагово, как сделать стабилизированный блок питания на микросхеме SG3525. Сразу поговорим о достоинствах данной схемы. Первое, самое важное - это стабилизация выходного напряжения. Также тут есть софт старт, защита от короткого замыкания и самозапит.
Для начала давайте рассмотрим схему устройства.
Новички сразу же обратят внимание на 2 трансформатора. В схеме один из них силовой, а второй - для гальванической развязки.
Не стоит думать, что из-за этого схема усложнится. Наоборот все становится проще, безопаснее и дешевле. К примеру, если ставить на выходе микросхемы драйвер, то для нее нужна обвязка.
Смотрим дальше. В данной схеме реализован микростарт и самозапит.
Это очень продуктивное решение, оно позволяет избавиться от потребности в дежурном блоке питания. И действительно, делать блок питания для блока питания не очень хорошая идея, а такое решение просто идеально.
Работает всё следующим образом: от постоянки заряжается конденсатор и когда его напряжение превысит заданный уровень, открывается данный блок и разряжает конденсатор на схему.
Его энергии вполне достаточно для запуска микросхемы, а как только она запустилась, напряжение со вторичной обмотки начало питать саму микросхему. Также к микростарту необходимо добавить вот этот резистор по выходу, он служит нагрузкой.
Без этого резистора блок не запустится. Данный резистор для каждого напряжения свой и его необходимо рассчитать из таких соображений, что при номинальном выходном напряжении на нем рассеивался 1 Вт мощности.
Считаем сопротивление резистора:
R = U в квадрате/P
R = 24 в квадрате/1
R = 576/1 = 560 Ом.
Также на схеме есть софт старт. Реализован он с помощью вот этого конденсатора.
И защита по току, которая в случае короткого замыкания начнет сокращать ширину ШИМ.
Частота данного блока питания изменяется с помощью вот этого резистора и кондёра.
Теперь поговорим о самом важном - стабилизации выходного напряжения. За нее отвечают вот эти элементы:
Как видим здесь установлены 2 стабилитрона. С их помощью можно получить любое напряжение на выходе.
Расчет стабилизации напряжения:
U вых = 2 + U стаб1 + U стаб2
U вых = 2 + 11 + 11 = 24В
Возможна погрешность +- 0.5 В.
Чтобы стабилизация работала корректно нужен запас по напряжению в трансформаторе, иначе при уменьшении входного напряжения микросхема попросту не сможет выдать нужного напряжения. Поэтому при расчете трансформатора следует нажать на вот эту кнопку и программа автоматом добавит вам напряжения на вторичной обмотке для запаса.
Теперь можно перейти к рассмотрению печатной платы. Как видим, тут все довольно таки компактно. Также видим место под трансформатор, он тороидальный. Без особых проблем его можно заменить на Ш-образный.
Оптрон и стабилитроны расположены возле микросхемы, а не на выходе.
Ну некуда их было поставить на выход. Если не нравится, сделайте свою разводку печатной платы.
Вы можете спросить, почему бы не увеличить плату и не сделать все нормально? Ответ следующий: сделано это с тем расчетом, чтобы дешевле было заказать плату на производстве, так как платы размером больше 100 кв. мм стоят гораздо дороже.
Ну а теперь настало время собрать схему. Тут все стандартно. Запаиваем без особых проблем. Наматываем трансформатор и устанавливаем.
Проверяем напряжение на выходе. Если оно присутствует, то уже можно включать в сеть.
Для начала проверим выходное напряжение. Как видим блок рассчитан на напряжение 24В, но получилось чуть меньше из-за разброса стабилитронов.
Такая погрешность не критична.
Теперь давайте проверим самое главное - стабилизацию. Для этого возьмем лампу на 24В, мощностью 100Вт и подключим ее в нагрузку.
Как видим, напряжение не просело и блок выдержал без проблем. Можно нагрузить еще сильнее.
Видео о данном импульсном блоке питания:
Мы рассмотрели ТОП-3 лучших схем импульсных блоков питания. На их основе можно собрать простой БП, приборы на TL494 и SG3525. Пошаговые фото и видео помогут вам разобраться во всех вопросах по монтажу.
ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ НА TL494 И IR2110
В основу большинства автомобильных и сетевых преобразователей
напряжения положен специализированный контроллер TL494 и поскольку
он главный, было бы не справедливо вкратце не рассказать о
принципе его работы.
Контрллер TL494 представляет из себя пластиковый
корпус DIP16 (есть варианты и в планарном корпусе, но в данных
конструкциях он не используется). Функциональная схема контроллера
приведена на рис.1.
Рисунок 1 - Структурная схема микросхемы TL494.
Как видно из рисунка у микросхемы TL494 очень развиты цепи управления, что позволяет на ее базе
строить преобразователи практически под любые требования, но вначале несколько слов о функциональных узлах
контроллера.
Цепи ИОНа и защиты от недонапряжения питания.
Схема включается
при достижении питанием порога 5.5..7.0 В (типовое значение 6.4В). До этого момента внутренние шины контроля
запрещают работу генератора и логической части схемы. Ток холостого хода при напряжении питания +15В (выходные
транзисторы отключены) не более 10 мА. ИОН +5В (+4.75..+5.25 В, стабилизация по выходу не хуже +/- 25мВ)
обеспечивает вытекающий ток до 10 мА. Умощнять ИОН можно только используя npn-эмиттерный повторитель (см
TI стр. 19-20), но на выходе такого "стабилизатора" напряжение будет сильно зависеть от тока
нагрузки.
Генератор
вырабатывает на времязадающем конденсаторе Сt
(вывод 5) пилообразное напряжение 0..+3.0В (амплитуда задана ИОНом) для TL494 Texas Instruments и 0...+2.8В
для TL494 Motorola (чего же ждать от других?), соответственно для TI F=1.0/(RtCt), для Моторолы F=1.1/(RtCt).
Допустимы рабочие частоты
от 1 до 300 кГц, при этом рекомендованный
диапазон Rt = 1...500кОм, Ct=470пФ...10мкФ. При этом типовой температурный дрейф частоты составляет (естественно
без учета дрейфа навесных компонентов) +/-3%, а уход частоты в зависимости от напряжения питания - в пределах
0.1% во всем допустимом диапазоне.
Для дистанционного выключения
генератора можно внешним
ключом замкнуть вход Rt (6) на выход ИОНа, или - замкнуть Ct на землю. Разумеется, сопротивление утечки
разомкнутого ключа должно учитываться при выборе Rt, Ct.
Вход контроля фазы покоя
(скважности) через компаратор
фазы покоя задает необходимую минимальную паузу между импульсами в плечах схемы. Это необходимо как для
недопущения сквозного тока в силовых каскадах за пределами ИС, так и для стабильной работы триггера -
время переключения цифровой части TL494 составляет 200 нс. Выходной сигнал разрешен тогда, когда пила
на Cт превышает напряжение на управляющем входе 4 (DT). На тактовых частотах до 150 кГц при нулевом управляющем
напряжении фаза покоя = 3% периода (эквивалентное смещение управляющего сигнала 100..120 мВ), на больших
частотах встроенная коррекция расширяет фазу покоя до 200..300 нс.
Используя цепь входа DT, можно задавать фиксированную фазу покоя (R-R делитель), режим мягкого
старта (R-C), дистанционное выключение (ключ), а также использовать DT как линейный управляющий вход.
Входная цепь собрана на pnp-транзисторах, поэтому входной ток (до 1.0 мкА) вытекает из ИС а не втекает
в нее. Ток достаточно большой, поэтому следует избегать высокоомных резисторов (не более 100 кОм). На
TI, стр. 23 приведен пример защиты от перенапряжения с использованием 3-выводного стабилитрона TL430 (431).
Усилители ошибки
- фактически, операционные усилители
с Ку=70..95дБ по постоянному напряжению (60 дБ для ранних серий), Ку=1 на 350 кГц. Входные цепи собраны
на pnp-транзисторах, поэтому входной ток (до 1.0 мкА) вытекает из ИС а не втекает в нее. Ток достаточно
большой для ОУ, напряжение смещения тоже (до 10мВ) поэтому следует избегать высокоомных резисторов в управляющих
цепях (не более 100 кОм). Зато благодаря использованию pnp-входов диапазон входных напряжений - от -0.3В
до Vпитания-2В
При использовании RC частотнозависимой ОС следует помнить,
что выход усилителей - фактически однотактный (последовательный диод!), так что заряжать емкость (вверх)
он зарядит, а вниз - разряжать будет долго. Напряжение на этом выходе находится в пределах 0..+3.5В (чуть
больше размаха генератора), далее коэффициент напряжения резко падает и примерно при 4.5В на выходе усилители
насыщаются. Аналогично, следует избегать низкоомных резисторов в цепи выхода усилителей (петли ОС).
Усилители не предназначены для работы в пределах одного
такта рабочей частоты. При задержке распространения сигнала внутри усилителя в 400 нс они для этого слишком
медленные, да и логика управления триггером не позволяет (возникали бы побочные импульсы на выходе). В
реальных схемах ПН частота среза цепи ОС выбирается порядка 200-10000 Гц.
Триггер и логика управления выходами
- При напряжении питания не менее 7В, если напряжение пилы на генераторе больше чем на управляющем входе
DT, и если напряжение пилы больше чем на любом из усилителей ошибки (с учетом встроенных порогов и смещений)
- разрешается выход схемы. При сбросе генератора из максимума в ноль - выходы отключаются. Триггер с парафазным
выходом делит частоту надвое. При логическом 0 на входе 13 (режим выхода) фазы триггера объединяются по
ИЛИ и подаются одновременно на оба выхода, при логической 1 - подаются парафазно на каждый выход порознь.
Выходные транзисторы
- npn Дарлингтоны со встроенной тепловой
защитой (но без защиты по току). Таким образом, минимальное падение напряжение между коллектором (как
правило замкнутым на плюсовую шину) и эмитттером (на нагрузке) - 1.5В (типовое при 200 мА), а в схеме
с общим эмиттером - чуть лучше, 1.1 В типовое. Предельный выходной ток (при одном открытом транзисторе)
ограничен 500 мА, предельная мощность на весь кристалл - 1Вт.
Импульсные блоки питания постепенно вытесняют
своих традиционных сородичей и в звукотехнике, поскольку и
экономически и габаритно выглядят заметно привлекательней.
Тот же фактор, что импульсные блоки питания вносят свою не
малую лепку искажения усилителя, а именно появления дополнительных
призвуковуже теряет свою актуальность в основном по двух причинам
- современная элементная база позволяет конструировать преобразователи
с частотой преобразования значительно выше 40 кГц, следовательно
вносимые источником питания модуляции питания будут находиться
уже в ультразвуке. Кроме этого более высокую частоту по питанию
гораздо легче отфильтровать и использование двух Г-образных
LC фильтров по цепям питания уже достаточно сглаживают пульсации
на этих частотах.
Конечно же есть и ложка дегтя в этой бочке меда
- разница в цене между типовым источником питания для усилителя
мощности и импульсным становиться более заметной при увеличении
мощности этого блока, т.е. чем мощней блок питания, тем больше
он выгодней по отношению к своему типовому аналогу.
И это еще не все. Используя импульсные источники
питания необходимо придерживаться правил монтажа высокочастотных
устройств, а именно использование дополнительных экранов,
подачи на теплоотводы силовой части общего провода, а так
же правильной разводке земли и подключения экранирующих оплеток
и проводников.
После небольшого лирического отступления об
особеностях импульсных блоков питания для усилителей мощности
собсвенно принципиальная схема источника питания на 400Вт:
Рисунок 1. Принципиальная схема импульсного блока питания
для усилителей мощности до 400 Вт
УВЕЛИЧИТЬ В ХОРОШЕМ КАЧЕСТВЕ
Управляющим контроллером в данном блоке питания
служит TL494. Разумеется, что есть и более современные микросхемы
для выполнения этой задачи, однако мы используем именно этот
контроллер по двум причинам - его ОЧЕНЬ легко приобрести.
Довольно продолжительное время в изготавливаемых блоках питания использовались TL494 фирмы Texas Instruments
проблем по качеству обнаружено не было. Усилитель ошибки охвачен ООС,
позволяющей добиться довольно большого коф. стабилизации (отношение
резисторов R4 и R6).
После контроллера TL494 стоит полумостовой драйвер
IR2110, который собственно и управляет затворами силовых транзисторов.
Исполльзование драйвера позволило отказаться от согласующего
трансформатора, широко используемого в комьютерных блоках
питания. Драйвер IR2110 нагружен на затворы через ускоряющие
закрытие полевиков цепочки R24-VD4 и R25-VD5.
Силовые ключи VT2 и VT3 работают на первичную
обмотки силового трансформатора. Средняя точка, необходимая
для получения переменного напряжения в первичной обмотке трансформатора
формируется элементами R30-C26 и R31-C27.
Несколько слов об алгоритме работы импульсного блока питания на TL494:
В момент подачи сетевого напряжения 220 В емкости
фильтров первичного питания С15 и С16 заражаются через резисторы
R8 и R11, что не позволяет перегрузиться диолному мосту VD
током короткого замыканияполностью разряженных С15 и С16.
Одновременно происходит зарядка конденсаторов С1, С3, С6,
С19 через линейку резисторов R16, R18, R20 и R22, стабилизатор
7815 и резистор R21.
Как только величина напряжения на конденсаторе
С6 достигнет 12 В стабилитрон VD1 "пробивается"
и через него начинает течть ток заряжая конденсатор C18 и
как только на плюсовом выводе этого конденсатора будет достигнута
величина достаточная для открытия тиристора VS2 он откроется.
Это повлечет включение реле К1, которое своими кнтактами зашунтирует
токоограничивающие резисторы R8 и R11.Кроме этого открывшийся
тиристор VS2 откроет транзистор VT1 и на контроллер TL494
и полумостовой драйвер IR2110. Контроллер начнет режим мягкого
старта, длительность которого зависит от номиналов R7 и C13.
Во время мягкого старта длительность импульсов,
открывающих силовые транзисторы увеличиваются постепенно,
тем самым постепенно заряжая конденсаторы вторичного питания
и ограничивая ток через выпрямительные диоды. Длительность
увеличивается до тех пор, пока величина вторичного питания
не станет достаточной для открытия светодиода оптрона IC1.
Как только яркость светодиода оптрона станет достаточной для
открытия транзистора длительность импульсов перестанет увеличиваться
(рисунок 2).
Рисунок 2. Режим мягкого старта.
Тут следует отметить, что длительность мягкого
старта ограничена, поскольку проходящего через резисторы R16,
R18, R20, R22 тока не достаточно для питания контроллера TL494, драйвера IR2110 и включившейся обмотки рел - напряжение питания этих микросхем начнет
уменьшаться и вскоре уменьшиться до величины, при которой
TL494 перестанет вырабатывать импульсы управления. И именно
до этого момента режим мягкого старта должен быть окончен
и преобразователь должен выйти на нормальный режим работы,
поскольку основное питание контроллер TL494 и дрейвер IR2110
получают от силового трансформатора (VD9, VD10 - выпрямитель
со средней точкой, R23-C1-C3 - RC фильтр, IC3 - стабилизатор
на 15 В) и именно поэтому конденсаторы C1, C3, C6, C19 имеют
такие большие номиналы - они должны удерживать величину питания
контроллера до выхода его на обычный режим работы.
Стабилизацию выходного напряжения TL494 осуществляет
путем изменения длительности импульсов управления силовыми
транзисторами при неизменной частоте - Ш
иротно И
мпульсная М
одуляция
- ШИМ
. Это возможно лишь при условии,
когда величина вторичного напряжения силового трансформатора
выше требуемой на выходе стабилизатора минимум на 30%, но
не более 60%.
Рисунок 3. Принцип работы ШИМ стабилизатора.
При увеличении нагрузки выходное напряжение
начинает уменьшаться, светодиод оптрона IС1 начинает светиться
меньше, транзистор оптрона закрывается, уменьшая напряжение на усилителе ошибки и тем самым увеличивая
длительность импульсов управления до тех пор, пока действующее
напряжение не достигнет величины стабилизации (рисунок 3).
При уменьшении нагрузки напряжение начнет увеличиваться, светодиод
оптрона IC1 начнет светиться ярче, тем самым открывая транзистор
и уменьшая длительность управляющих импульсов до тех пор, пока
величина действующего значения выходного напряжения не уменьшиться
до стабилизируемой величины. Величину стабилизируемого напряжения
регулируют подстроечным резистором R26.
Следует отметить, что контроллером TL494 регулируется
не длительность каждого импульса в зависимости от выходного
напряжения, а лишь среднее значение, т.е. измерительная часть
имеет некотрую инерционость. Однако даже при установленных
конденсаторах во вторичном питании емкостью 2200 мкФ провалы
питания при пиковых кратковременных нагрузках не превышают
5 %, что вполне приемлемо для аппаратуры HI-FI класса. Мы
же обычно ставим конденсаторы во вторичном питании 4700 мкФ,
что дает уверенный запас на пиковые значения, а использование
дросселя групповой стабилизации позволяет контролировать все
4 выходных силовых напряжения.
Данный импульсный блок питания оснащен защитой
от перегрузки, измерительным элементом которой служит трансформатор
тока TV1. Как только ток достигнет критической величины открывается
тиристор VS1 и зашунитрует питание оконечного каскада контроллера.
Импульсы управления исчезают и блок питания переходит в дежурный
режим, в котором может находиться довольно долго, поскольку
тиристор VS2 продолжает оставаться открытым - тока протекающего
через резисторы R16, R18, R20 и R22 хватает для удержание
его в открытом состоянии. Как расчитать транформатор тока .
Для вывода блока питания из дежурного режима
необходимо нажать кнопку SA3, которая своим контактами зашунтирует
тиристор VS2, ток через него перестанет течь и он закроется.
Как только контакты SA3 разомкнуться транзистор VT1 закроется
тме самы снимая питания с контроллера и драйвера. Таким образом
схема управления перейдет в режим минимального потребления
- тиристор VS2 закрыт, следовательно реле К1 выключено, транзистор
VT1 закрыт, следовательно контроллер и драйвер обесточены.
Конденсаторы С1, С3, С6 и С19 начинают заряжаться и как только
напряжение достигнет 12 В откроется тиристор VS2 и произойдет
запуск импульсного блока питания.
При необходимости перевести блок питания в дежурный
режим можно воспользоваться кнопкой SA2, при нажатии на которую
будут соеденены база и эмиттер транзистора VT1. Транзистор
закроется и обесточит контроллер и драйвер. Импульсы управления
исчезнут, исчезнут и вторичные напряжения. Однако питание
не будет снято с реле К1 и повторного запука преобразователя
не произойдет.
Данная схемотехника позволяет собрать источники питания от 300-400 Вт до 2000Вт, разумеется, что некоторые элементы схемы придется заменить, поскольку по своим параметрам они просто не выдержат больших нагрузок.
При сборке более мощных вариантов следует обратить внимание на конденсаторы слаживающих фильтров первичного питания С15 и С16. Суммарная емкость этих конденсатоов должна быть пропорционалаьная мощности блока питания и соответствовать пропорции 1 Вт выходной мощности преобразователя напряжения соответствует 1 мкФ емкости конденсатора фильтра первичного питания. Другими словами, если мощность блока питания составляет 400 Вт, то должно использоваться 2 конденсатора по 220 мкФ, если мощность 1000 Вт, то необходимо устанавливать 2 конденсатора по 470 мкФ или два по 680 мкФ.
Данное требование имеет две цели. Во первых снижаются пульсации первичного напряжение питания, что облегчает стабилицацию выходного напряжения. Во вторых использование двух конденсаторов вместо одного облегчает работу самого конденсатора, поскольку электролитические конденсаторы серии ТК гораздо легче достать, а они не совсем предназначены для использования в высокочастотных блоках питания - слишком велико внутренне сопроивление и на больших частотах эти конденсаторы будут греться. Используя два штуки снижается внутреннее сопротивление, а возникающий нагрев делится уже между двумя конденсаторами.
При использовании в качестве силовых транзисторов IRF740, IRF840, STP10NK60 и им аналогичных (подробнее о наиболее часто используемых в сетевых преобразователях транзисторах смотри таблицу внизу страницы) от диодов VD4 и VD5 можно отказаться вообще, а номиналы резисторов R24 и R25 уменьшить до 22 Ом - мощности драйвера IR2110 вполне хватит для управления этими транзисторами. Если же собирается более мощный импульсный блок питания, то потребуются и более мощные транзисторы. Внимание следует обращать и на максимальный ток транзистора и на его мощность рассеивания - импульсные стабилизированные блоки питания весьма чувствительны к правильности поставлееного снабера и без него силовые транзисторы греются сильнее поскольку через установленные в транзисторах диоды начинают протекать токи образовавшиеся из за самоиндукции. Подробнее о выборе снабера .
Так же не малую лепту в нагрев вносит увеличивающееся без снабера время закрытия - транзистор дольше находится в линейном режиме.
Довольно часто забывают еще об одной особенности полевых транзисторов - с увеличением температуры их максимальный ток снижается, причем довольно сильно. Исходя из этого при выборе силовых транзисторов для импульсных блоков питания следует иметь минимум двухкратный запас по максимальному току для блоков питания усилителей мощности и трехкратный для устройств работающих на большую не меняющуюся нагрузку, например индукционную плавильню или декоративное освещение, запитку низковольтного электроинструмента.
Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет дросселя групповой стабилизации L1 (ДГС). Следует обратить внимание на направление обмоток данного дросселя. Количество витков должно быть пропорционально выходным напряжениям. Разумеется, что есть формулы для расчета данного моточного узла, однако опыт показал, что габаритная мощность сердечника для ДГС должна составлять 20-25% от габаритной мощности силового трансформатора. Мотать можно до заполнения окна примерно на 2/3, не забывая, что если выходные напряжения разные, то обмотка с более высоким напряжением должна быть пропорциоанально больше, например нужно два двуполярных напряжения, одно на ±35 В, а второе для питания сабвуфера с напряжением ±50 В.
Мотаем ДГС сразу в четыре провода до заполнения 2/3 окна считая витки. Диаметр расчитывается исходя из напряженности тока 3-4 А/мм2
. Допустим у нас получилось 22 витка, составляем пропорцию:
22 витка / 35 В = Х витков / 50 В.
Х витков = 22 × 50 / 35 = 31,4 ≈ 31 виток
Далее обрезам два провода для ±35 В и доматываем еще 9 витков для напряжения ±50.
ВНИМАНИЕ!
Помните, что качество стабилизации напрямую зависит от того как быстро будет изменяться напряжение к кторому подключен диод оптрона. Для улучшения коф стаилизации имеет смысл подключить дополнительную нагрузку к каждому напряжению в виде резисторов на 2 Вт и споротивлением 3,3 кОм. Нагрузочный резистор подключенный к напряжению, контролируемому оптроном должен быть меньше в 1,7...2,2 раза.
Моточные данные данные для сетевых импульсных
источников питания на ферритовых кольцах проницаемостью 2000НМ
сведены в таблицу 1.
МОТОЧНЫЕ ДАННЫЕ
ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Однако марку феррита узнать получается далеко не всегда, особенно если это феррит от строчных трансформаторов телевизоров. Выйти из ситуации можно выяснив количество витков опытным путем. Более подробно об этов в видео:
Используя приведенную выше схемотехнику импульсного блока питания были разработаны и опробованы несколько подмодификаций, предназначенные для решени той или иной задачи на различные мощности. Чертежи печатных платах этих блоков питания приведены ниже.
Печатная плата для импульсного стабилизированного
блока питания мощностью до 1200...1500 Вт. Размер платы 269х130
mm. По сути это более усовершенствованный вариант предыдущей
печатной платы. Отличается наличием дросселя групповой стабилизации
позволяющим контролировать величену всех силовых напряжений,
а так же дополнительным LC фильтром. Имеет управление вентилятором
и защиту от перегрузки. Выходные напряжения состоят из двух
двуполярных силовых источника и одного двуполярного слаботочного,
предназначенного для питания предварительных каскадов.
Внешний вид печатной платы блока питания до 1500 Вт. СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ LAY
Стабилизированный импульсный сетевой блок питания мощностью до 1500...1800 Вт может быть выполне на печатной плате размером 272х100 mm. Блок питания расчитан под силовой трансформатор выполненный на кольцах К45 и расположенный горизонтально. Имеет два силовых двуполярных источника, которые могут объединиться в один источник для питания усилителя с двухуровневым питанием и один двуполярный слаботочный, для предварительных каскадов.
Печатная плата импульсного блока питания до 1800 Вт. СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ
LAY
Этот блок питания может использоваться для питания от сети автомобильной аппаратуры большой мощности, например мощных автомобильных усилителей, автомобильных кондиционеров. Размеры платы 188х123. Используемые выпрямительные диоды Шотки паралеляться перемычками и выходной ток может достигать 120 А при напряжениии 14 В. Кроме этого блок питания может выдавать двуполярное напряжение с нагрузочной способностью до 1 А (больше не позволяют установленные интегральные стабилизаторы напряжения). Силовой трансформатор выполнен на кольца К45, фильтрующий дроссель силового напряжения на да двух кольцах К40х25х11. Встроена защита от перегрузки.
Внешний вид печатной платы блока питания для автомобильной
аппаратуры СКАЧАТЬ
В ФОРМАТЕ LAY
Блок питания до 2000 Вт вы полнены на двух платах размером 275х99, расположенных друг над другом. Напряжение контролируется по одному напряжению. Имеет защиту от перегрузки. В файле имеются насколько вариантов "второго этажа" для двух двуполярных напряжений, для двух однополярных напряжений, для напряжений необходимых для двух и трех уровневых напряжений. Силовой трансформатор расположен горизонтально и выполнен на кольцах К45.
Внешний вид "двухэтажного" блока питания СКАЧАТЬ
В ФОРМАТЕ LAY
Блок питания с двумя двуполярными напряжениями или одним для двухуровневого усилителя выполнен на плате размером 277х154. Имет дроссель групповой стабилизации, защиту от перегрузки. Силовой трансформатора на кольцах К45 и расположен горизонтально. Мощность до 2000 Вт.
Внешний вид печатной платы СКАЧАТЬ
В ФОРМАТЕ LAY
Практически такой же блок питания, что и выше, но имеет одно двуполярное выходное напряжение.
Внешний вид печатной платы СКАЧАТЬ
В ФОРМАТЕ LAY
Импульсный блок питания имеет два силовых двуполярных стабилизированных напряжения и одно двуполярное слаботочное. Оснащен управлением вентилятора и зашитой от перегрузки. Имеет дроссель групповой стабилизации и дополнительные LC фильтры. Мощность до 2000...2400 Вт. Плата имеет размеры 278х146 mm
Внешний вид печатной платы СКАЧАТЬ
В ФОРМАТЕ LAY
Печатная плата импульсного блока питания для усилителя мощности с двухуровневыми питанием размером 284х184 mm имеет дроссель групповой стабилизации и дополнительные LC фиьтры, защиту от перегрузки и управление вентилятором. Отличительной чертой является использование дискретных транзисторов для ускорения закрытия силовых транзисторов. Мощность до 2500...2800 Вт.
с двухуровневым
питанием СКАЧАТЬ
В ФОРМАТЕ LAY
Несколько измененный вариант предыдущей печатной платы с двумя двуполярными напряжениями. Размер 285х172. Мощность до 3000 Вт.
Внешний вид печатной платы блока питания для усилителя СКАЧАТЬ
В ФОРМАТЕ LAY
Мостовой сетевой импульсный блок питания мощностью до 4000...4500 Вт выполнен на печатной плате размером 269х198 mm Имеет два двуполярных силовых напряжения, управление вентилятором и защиту от перегрузки. Использует дроссель групповой стабилизации. Желательно использование выносных дополнительных Lфильтров вторичного питания.
Внешний вид печатной платы блока питания для усилителя СКАЧАТЬ
В ФОРМАТЕ LAY
Места под ферриты на платах гораздо больше, чем могло бы быть. Дело в том, что далеко не всегда быват необходитьмость уходить за пределы звукового диапазона. Поэтому и предусмотрены дополнительные площади на платах. На всякий случай небольшая подборка справочных данных по силовым транзисторам и ссылки, где бы их стал покупать я. Кстати сказать уже не единожды заказывал и TL494 и IR2110, и конечно же силовые транзисторы. Брал правда далеко не весь ассортимент, однако брака пока не попадалось.
ПОПУЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ |
|||||||
НАИМЕН-НИЕ |
НАПРЯЖЕНИЕ |
МОЩНОСТЬ |
ЕМКОСТЬ |
Qg |
|||
Этот проект является одним из самых долгих, который делал. Заказал блок питания один человек для усилителя мощности.
Ранее никогда не довелось делать такие мощные импульсники стабилизированного типа, хотя опыт в сборке ИИП
довольно большой. Проблем во время сборки было много. Изначально хочу сказать, что схема часто встречается в сети, а если точнее, то на сайте интервалка, но.... схема изначально не идеальна, с ошибками и скорее всего ничего не заработает, если собрать точно по схеме с сайта.
В частности изменил схему подключения генератора, взял схему с даташита. Переделал узел питания управляющей цепи, вместо параллельно соединенных 2-х ваттных резисторов, задействовал отдельный ИИП 15 Вольт 2 Ампер, что дало возможность избавиться от многих хлопот.
Заменил некоторые компоненты под свои удобства и все запустил по частям, настроив каждый узел отдельно.
Несколько слов о конструкции блока питания. Это мощный импульсный сетевой блок питания по мостовой топологии, имеет стабилизацию выходного напряжения, защиту от кз и перегруза, все эти функции подлежат регулировке.
Мощность в моем случае 2000 ватт, но схема без проблем позволит снять до 4000 ватт, если заменить ключи, мост и напичкать электролитов на 4000 мкФ. На счет электролитов - емкость подбирается исходя из расчета 1 ватт - 1мкФ.
Диодный мост - 30 Ампер 1000 Вольт - готовая сборка, имеет свой отдельный обдув (кулер)
Сетевой предохранитель 25-30 Ампер.
Транзисторы - IRFP460
, старайтесь подобрать транзисторы с напряжением 450-700 Вольт, с наименьшей емкостью затвора и с наименьшим сопротивлением открытого канала ключа. В моем случае эти ключи были единственным вариантом, хотя в мостовой схеме обеспечить заданную мощность они могут. Устанавливаются на общий теплоотвод, обязательно нужно изолировать их друг от друга, теплоотвод нуждается в интенсивном охлаждении.
Реле режима плавного пуска - 30 Ампер с катушкой 12 Вольт. Изначально, когда блок подключается в сеть 220 Вольт пусковой ток на столь велик, что может спалить мост и еще много чего, поэтому режим плавного пуска для блоков питания такого ранга необходим. При подключении в сеть через ограничительный резистор (цепочка последовательно соединенных резисторов 3х22Ом 5 Ватт в моем случае) заряжаются электролиты. Когда напряжение на них достаточно велико, срабатывает блок питания управляющей цепи (15 Вольт 2 Ампер), который и замыкает реле и через последний подается основное (силовое) питание на схему.
Трансформатор - в моем случае на 4-х кольцах 45х28х8 2000НМ, сердечник не критичен и все, что с ним связано придется рассчитать по специализированным программам, тоже самое с выходными дросселями групповой стабилизации.
Мой блок имеет 3 обмотки, все они обеспечивают двухполярное напряжение. Первая (основная, силовая) обмотка на +/-45 Вольт с током 20 Ампер - для запитки основных выходных каскадов (усилителя по току) УМЗЧ, вторая +/-55 вольт 1,5Ампер - для запитки дифф каскадов усилителя, третья +/-15 для запитки блока фильтров.
Генератор построен на TL494
, настроен на частоту 80 кГц, дальше драйвера IR2110
для управления ключей.
Трансформатор тока намотан на кольце 2000НМ 20х12х6 - вторичная обмотка намотана проводом МГТФ 0,3мм и состоит из 2х45витковв.
В выходной части все стандартно, в качестве выпрямителя для основной силовой обмотки задействован мост из диодов KD2997 - с током 30 ампер. Мостом для обмотки 55 вольт стоят диоды UF5408, а для маломощной обмотки 15 Вольт - UF4007. Использовать только быстрые или ультрабыстрые диоды, хотя и можно обычные импульсные диоды с обратным напряжением не менее 150-200 Вольт (напряжение и ток диодов зависит от параметров обмотки).
Конденсаторы после выпрямителя стоят на 100 Вольт (с запасом), емкость 1000мкФ, но разумеется на самой плате усилителей будут еще.
Устранение неполадок начальной схемы.
Приводить свою схему не буду, поскольку она мало чем отличается от указанной. Скажу только, что в схеме 15 вывод ТЛ отцепляем от 16 и припаиваем к 13/14 выводам. Дальше убираем резисторы R16/19/20/22 2 ватт, и питаем узел управления отдельным блоком питания 16-18 Вольт 1-2 ампер.
Резистор R29 заменяем на 6,8-10кОм. Исключаем из схемы кнопки SA3/SA4 (ни в коем случае не замкнуть их! будет бум!). R8/R9 заменяем - при первом же подключении они выгорят, поэтому заменяем на резистор 5 ватт 47-68Ом, можно использовать несколько последовательно соединенных резисторов с указанной мощностью.
R42 - заменяем на стабилитрон с нужным напряжением стабилизации. Все переменные резисторы в схеме очень советую использовать многооборотного типа, для наиболее точной настройки.
Минимальная грань стабилизации напряжения 18-25 Вольт, дальше уже пойдет срыв генерации.
Этот стабилизатор обладает неплохими характеристиками, имеет плавную регулировку тока и напряжения, хорошую стабилизацию, без проблем терпит короткие замыкания, относительно простой и не требует больших финансовых затрат. Он обладает высоким кпд за счет импульсного принципа работы, выходной ток может доходить до 15 ампер, что позволит построить мощное зарядное устройство и блок питания с регулировкой тока и напряжения. При желании можно увеличить выходной ток до 20-и и более ампер.
В интернете подобных устройств, каждое имеет свои достоинства и недостатки, но принцип работы у них одинаковый. Предлагаемый вариант - это попытка создания простого и достаточно мощного стабилизатора.
За счет применения полевых ключей удалось значительно увеличить нагрузочную способность источника и снизить нагрев на силовых ключах. При выходном токе до 4-х ампер транзисторы и силовой диод можно не устанавливать на радиаторы.
Номиналы некоторых компонентов на схеме могут отличаться от номиналов на плате, т.к. плату разрабатывал для своих нужд.
Диапазон регулировки выходного напряжения от 2-х до 28 вольт, в моем случае максимальное напряжение 22 вольта, т.к. я использовал низковольтные ключи и поднять напряжение выше этого значения было рискованно, а так при входном напряжении около 30 Вольт, на выходе спокойно можно получить до 28-и Вольт. Диапазон регулировки выходного тока от 60mA до 15A Ампер, зависит от сопротивления датчика тока и силовых элементов схемы.
Устройство не боится коротких замыканий, просто сработает ограничение тока.
Собран источник на базе ШИМ контроллера TL494 , выход микросхемы дополнен драйвером для управления силовыми ключами.
Хочу обратить ваше внимание на батарею конденсаторов установленных на выходе. Следует использовать конденсаторы с низким внутренним сопротивлением на 40-50 вольт, с суммарной емкостью от 3000 до 5000мкФ.
Нагрузочный резистор на выходе применен для быстрого разряда выходных конденсаторов, без него измерительный вольтметр на выходе будет работать с запаздыванием, т.к. при уменьшении выходного напряжения конденсаторам нужно время, для разрядки, а этот резистор быстро их разрядит. Сопротивление этого резистора нужно пересчитать, если на вход схемы подается напряжение больше 24-х вольт. Резистор двух ваттный, рассчитан с запасом по мощности, в ходе работы может греться, это нормально.
Как это работает:
ШИМ контроллер формирует управляющие импульсы для силовых ключей. При наличии управляющего импульса транзистор, и питание по открытому каналу транзистора через дроссель поступает на накопительный конденсатор. Не забываем, что дроссель является индуктивной нагрузкой, которым свойственно накапливание энергии и отдача за счет самоиндукции. Когда транзистор закрывается накопленный в дросселе заряд через диод шоттки продолжит подпитывать нагрузку. Диод в данном случае откроется, т.к. напряжение с дросселя имеет обратную полярность. Этот процесс будет повторяться десятки тысяч раз в секунду, в зависимости от рабочей частоты микросхемы ШИМ. По факту ШИМ контроллер всегда отслеживает напряжение на выходном конденсаторе.
Стабилизация выходного напряжения происходит следующим образом. На неинвертирующий вход первого усилителя ошибки микросхемы (вывод 1) поступает выходное напряжение стабилизатора, где оно сравнивается с опорным напряжением, которое присутствует на инверсном входе усилителя ошибки. При снижении выходного напряжения будет снижаться и напряжение на выводе 1, и если оно будет меньше опорного напряжения, ШИМ контроллер будет увеличивать длительности импульсов, следовательно транзисторы больше времени будут находиться в открытом состоянии и больше тока будет накачиваться в дроссель, если же выходное напряжение больше опорного, произойдет обратное - микросхема уменьшит длительность управляющих импульсов. Указанным делителем можно принудительно менять напряжение на неинвертирующщем входе усилителя ошибки, этим увеличивая или уменьшая выходное напряжение стабилизатора в целом. Для наиболее точной регулировки напряжения применён подстроечный многооборотный резистор, хотя можно использовать обычный.
Минимальное выходное напряжение составляет порядка 2 вольт, задается указанным делителем, при желании можно поиграться с сопротивлением резисторов для получения приемлемых для вас значений, не советуется снижать минимальное напряжение ниже 1 вольта.
Для отслеживания потребляемого нагрузкой тока установлен шунт. Для организации функции ограничения тока задействован второй усилитель ошибки в составе ШИМ контроллера тл494. Падение напряжения на шунте поступает на неинвертирующий вход второго усилителя ошибки, опять сравнивается с опорным, а дальше происходит точно тоже самое, что и в случае стабилизации напряжения. Указанным резистором можно регулировать выходной ток.
Токовый шунт изготовлен из двух параллельно соединённых низкоомных резисторов с сопротивлением 0,05Ом.
Накопительный дроссель намотан на желто белом кольце от фильтра групповой стабилизации компьютерного блока питания.
Так как схема планировалась на довольно большой входной ток, целесообразно использовать два сложенных вместе кольца. Обмотка дросселя содержит 20 витков намотанных двумя жилами провода диаметром 1,25мм в лаковой изоляции, индуктивность около 80-90 микрогенри.