Для улучшения характеристик импульсных блоков питания, собранных на основе мостовых и полумостовых преобразователей, в частности, уменьшения вероятности возникновения сквозного тока и увеличения КПД, авторы предлагают переводить подобные источники в квазирезонансный режим работы. В описываемой статье приведен практический пример такого блока питания.
Часто для уменьшения габаритов и массы источники питания (ИП) с сетевым трансформатором заменяют импульсными преобразователями напряжения. Выигрыш от этого очевиден: меньшие масса и габариты, существенно меньший расход меди для моточных изделий, высокий КПД ИП. Однако у импульсных ИП есть и недостатки: плохая электромагнитная совместимость, возможность появления сквозного тока через транзисторы в двухтактных преобразователях, необходимость введения цепей защиты от перегрузки по току, сложность запуска на емкостную нагрузку без принятия специальных мер по ограничению зарядного тока.
Рассмотрим на примере двухтактного полумостового автогенераторного преобразователя напряжения [1], как в определенной мере можно исключить или уменьшить эти недостатки, изменив режим его работы. Переведем преобразователь в квазирезонансный режим работы, введя резонансный контур [2]. Форма тока через первичную обмотку импульсного трансформатора в этом случае показана на рис. 1.
На рис. 2 приведены формы напряжения и тока для одного из коммутирующих транзисторов. Из рисунков видно, что преобразователь работает в квазирезонансном режиме - сквозной ток в этом случае отсутствует.
Напряжение на базе коммутирующего транзистора уменьшается и к окончанию импульса становится равным нулю. Таким образом, переход на квазирезонансный режим работы полностью устраняет динамические потери в коммутирующих транзисторах и проблемы, связанные с электромагнитной совместимостью чувствительных приборов с импульсным ИП, поскольку спектр генерируемых колебаний резко сужается.
Полумостовой преобразователь отличается от двухтактного мостового меньшим числом используемых транзисторов; от двухтактного со средним выводом - вдвое меньшим напряжением на транзисторах. Автогенераторный преобразователь отличается от преобразователей с задающим генератором, прежде всего, минимальным числом элементов, максимально возможным КПД, а применение насыщающегося вспомогательного трансформатора гарантированно исключает возможность появления сквозного тока.
Схема полумостового квазирезонансного ИП, лишенного перечисленных недостатков, показана на рис. 3.
(нажмите для увеличения)
Основные технические характеристики
- Интервал изменения напряжения питающей сети, В....198...264
- Максимальный КПД, %......92
- Выходное напряжение, В, при сопротивлении нагрузки 36 Ом......36
- Рабочий интервал частоты преобразования, кГц......12...57
- Максимальная выходная мощность, Вт......70
- Максимальная амплитуда пульсаций выходного напряжения с рабочей частотой, В......2,2
ИП содержит следующие узлы: помехоподавляющий фильтр С1C2L1, который предотвращает проникновение в питающую сеть высокочастотных пульсаций, создаваемых преобразователем; сетевой выпрямитель VD1 с фильтрующим конденсатором C3; цепи защиты от перегрузки и замыканий в нагрузке R1R2VD2K1U1VD3VD4R6R7C7. Цепь защиты потребляет незначительный ток, поэтому мало влияет на общий КПД источника, но при необходимости КПД можно несколько увеличить, заменив стабилитрон VD2 более высоковольтным. Резисторы R6 и R7 образуют делитель напряжения, необходимый для включения излучающего диода тиристорного оптрона. Если эти постоянные резисторы заменить одним переменным, можно в весьма широких пределах регулировать порог срабатывания защиты. Если предполагается питать нагрузку с большой емкостью (более 5000 мкФ), для исключения ложных срабатываний защиты следует увеличить емкость конденсатора С7, однако время ожидания до включения источника в этом случае возрастет.
Элементы R3, R4, С4, С5 образуют делитель напряжения. Резисторы R3, R4 необходимы для разрядки конденсаторов фильтра C3 и делителя С4С5 после выключения блока питания. Конденсатор С6 и дроссель L2 - резонансная цепь. Запускающая цепь точно такая же, как и в устройстве, описанном в статье [1]. Она состоит из транзистора VT3, резисторов R10-R12 и конденсатора С10. Транзистор VT3 работает в лавинном режиме. Запускающий импульс открывает транзистор VT2, обеспечивая первоначальную асимметрию.
Диоды VD5-VD8 - выходной выпрямитель с фильтрующими конденсаторами C8, C9. Светодиод HL1 индицирует наличие напряжения на выходе ИП. Автогенерация колебаний происходит в результате действия положительной обратной связи с обмотки III трансформатора Т1 на обмотку III трансформатора Т2 через токоограничивающий резистор R9. При уменьшении его сопротивления частота преобразования снижается, что ведет к смещению максимума КПД источника в сторону большей мощности нагрузки.
В устройстве применены конденсаторы К73-17 (C1, C2, C6, C9, С10), К73-11 (C4, C5), К50-32 (C3), К50-24 (C7, C8). Все резисторы - C2-23. Вместо указанных конденсаторов и резисторов возможно применение других компонентов, однако конденсаторы следует выбирать с минимальным тангенсом угла диэлектрических потерь в рабочем интервале частоты преобразования ИП.
Диодный мост VD1 - любой с допустимым прямым током более 1 А и допустимым обратным напряжением не менее 400 В, например BR310. Не исключено и применение дискретных диодов, например КД202Р, соединенных по мостовой схеме. В устройстве лучше всего использовать транзистор КТ315Г (VT3) - с ним запускающая цепь будет работать сразу же, транзистор КТ315Б придется подбирать, а транзисторы КТ315А, КТ315В лучше не применять. Транзисторы КТ826В (VT1, VT2) заменимы любыми из серий КТ826 или КТ812А, КТ812Б. Вследствие малых потерь транзисторы можно не устанавливать на теплоотводы. Диоды выходного выпрямителя КД213А (VD5-VD8) допустимо заменить на КД213Б, КД213В или серий КД2997, КД2999. Их следует установить на теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности не менее 10 см2.
В ИП применено электромагнитное реле постоянного тока GBR10.1-11.24 с рабочим напряжением 24 В, способное коммутировать переменный ток 8 А в цепях с напряжением до 250 В. Его можно заменить любым другим с допустимым коммутируемым переменным током не менее 1 А в цепях с напряжением 250 В. Однако желательно применить реле с минимальным током включения для повышения КПД блока питания, поскольку чем меньше ток срабатывания, тем большее сопротивление должны иметь резисторы R1, R2 и меньшая мощность будет рассеиваться на них.
Дроссели L1, L2 и трансформатор Т1 использованы готовые - от старой вычислительной машины ЕС1060: L1 - И5, L2 - 4777026 или 009-01, Т1 - 052-02. Их можно изготовить и самостоятельно. Дроссель L1 наматывают (одновременно две обмотки) на кольцевом магнитопроводе К28х16х9 из феррита (например, марок М2000НМ-А или М2000НМ1-17) или альсифера. Его обмотки содержат по 315 витков провода ПЭВ-2 0,3.
Резонансный дроссель L2 наматывают на кольцевом магнитопроводе К20х10х5 из феррита М2000НМ-А. Его обмотка содержит 13 витков провода ПЭВ-2 0,6.
Трансформатор T1 наматывают на кольцевом магнитопроводе К45х28х8 из феррита М2000НМ1-17. Обмотка I содержит 200 витков провода ПЭВ-2 0,6, обмотка II - 35 витков провода ПЭВ-2 1, обмотка III - 5 витков провода ПЭВ-2 0,6. Порядок намотки обмоток на магнитопровод произвольный. Между обмотками необходимо проложить слой изоляции, например, фторопластовой ленты. Кроме того, трансформатор следует пропитать, например, парафином от свечей или церезином. Это не только повысит электрическую прочность изоляции, но и уменьшит гул, создаваемый источником на холостом ходу.
Трансформатор T2 наматывают на кольцевом магнитопроводе К20х10х5 из феррита М2000НМ-А. Обмотки I и II содержат по семь витков провода ПЭВ-2 0,3 (их наматывают одновременно в два провода), а обмотка III - девять витков провода ПЭВ-2 0,3.
Конструкция ИП может быть произвольная, взаимное расположение элементов на плате не критично. Важно лишь обеспечить хороший приток воздуха к полупроводниковым приборам естественной конвекцией или установить ИП внутри питаемого устройства вблизи вентилятора.
В налаживании описанный ИП практически не нуждается, хотя стоит удостовериться, что преобразователь работает в квазирезонансном режиме. Для этого к выходу блока питания подключают эквивалент нагрузки - резистор мощностью 100 Вт и сопротивлением 36 Ом. Последовательно с конденсатором С6 включают дополнительный резистор сопротивлением 0,1... 1 Ом и мощностью 1...2 Вт. К дополнительному резистору подключают щупы осциллографа: общий - к средней точке делителя напряжения R3R4C4C5, сигнальный - к конденсатору С6. Необходимо убедиться, что осциллограф гальванически не связан с сетью. Если связан, к сети его следует подключить через разделительный трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1. В любом случае необходимо соблюдать правила техники безопасности. Подав питание на ИП, убеждаются в наличии колоколообразных импульсов тока с паузой на нуле. Если форма импульсов отличается от показанной на рис. 1, необходимо подобрать число витков дросселя L2 до получения резонанса.
На дополнительном резисторе сопротивлением 0,1 Ом амплитуда импульсов должна быть около 0,1 В. Теперь следует сравнить форму тока и напряжения на коммутирующем транзисторе VT2 с приведенными на рис. 2 графиками. Если они близки по форме, ИП работает в квазирезонансном режиме.
Порог срабатывания защиты можно изменить. Для этого подбирают сопротивление резистора R7 так, чтобы защита срабатывала при требуемом токе нагрузки. Если необходимо, чтобы ИП отключался при мощности в нагрузке меньше 70 Вт, сопротивление резистора R7 следует уменьшить.
Для ограничения тока зарядки конденсатора C3 в момент включения рекомендуем в разрыв любого сетевого провода подключить резистор сопротивлением 5,6... 10 Ом мощностью 2Вт.
Литература
Авторы: Е.Гайно, Е.Маскатов, г.Таганрог Ростовской обл.