В предлагаемой вниманию читателей статье приводятся описание принципа действия и практическая схема ИИП на основе обратноходового каскадированного преобразователя напряжения. Отсутствие выбросов напряжения на стоке полевого переключательного транзистора дает возможность снизить требования к его максимально допустимому напряжению.
Сетевой импульсный источник питания, схема которого показана на рис. 1, относится к так называемым обратноходовым преобразователям, но схема его выходного каскада существенно отличается от "классической" обратноходовой. Можно заметить, что в стоковой цепи транзистора VT1 нет демпфирующей диодно-резистивно-конденсаторной цепи, для питания контроллера не требуется отдельной обмотки импульсного трансформатора, а взамен него применены два отдельных накопителя энергии - дроссель L2 и разделительный трансформатор Т1.
В выходном каскаде, упрощенная схема которого показана на рис. 2, процесс передачи энергии можно условно разделить на два этапа. На первом - энергия накапливается в магнитном поле дросселя L1 во время прямого хода и передается через открытый диод VD1 на конденсатор С1 в течение обратного хода. К окончанию обратного хода конденсатор С1 будет заряжен так. что его верхняя по схеме обкладка приобретет минусовый относительно нижней потенциал. На втором этапе во время следующего прямого хода заряженный конденсатор С1 через открытый транзистор VT1 и диод VD2 будет подключен к первичной обмотке трансформатора Т1 и станет разряжаться. В это время происходит накопление энергии в магнитном поле трансформатора Т1 и, наконец, во время следующего обратного хода энергия передается на выход через выпрямитель на диоде VD3 и c сглаживающем конденсаторе С2.
Теперь проанализируем работу ИИП (см. рис. 1) более детально. На диодах VD1-VD4 собран мостовой выпрямитель, конденсаторы С4, С5 сглаживают пульсации выпрямленного напряжения. Поскольку процессы накопления энергии, совмещены, через открытый транзистор VT1 протекает суммарный ток дросселя L2 и первичной обмотки трансформатора T1. Ток в L2 увеличивается линейно под действием выпрямленного напряжения, и скорость его нарастания определяется этим напряжением и индуктивностью дросселя. Линейно нарастает ток и в первичной обмотке Т1, а емкость конденсатора С9 выбрана такой, что за время прямого хода напряжение на нем изменяется незначительно. Эта составляющая тока транзистора имеет то же направление, что и ток дросселя, поскольку к верхнему по схеме выводу обмотки первичной обмотки трансформатора Т1 приложено напряжение минусовой полярности.
Когда ток через транзистор VT1 достигнет определенного значения, напряжение на резисторе R9, который выполняет функцию датчика тока, вызовет переключение управляющего контроллера DA1 и полевой транзистор закроется. Отметим как недостаток тот факт, что при одном уровне мощности с "классическим" обратноходовым преобразователем ток транзистора здесь больше. Достоинства устройства проявляются на этапе обратного хода - по мере закрывания полевого транзистора VT1 ток дросселя L2 за счет ЭДС самоиндукции заряжает конденсатор С9. Поскольку напряжение на этом конденсаторе не может измениться мгновенно, переходный процесс на стоке транзистора протекает плавно, выброс напряжения отсутствует, поэтому отпадает необходимость в применении демпфирующей диодно-резистивно-конденсаторной цепи, существенно снижающей КПД источника питания при малых значениях выходной мощности.
С началом обратного хода прекращается процесс накопления энергии в трансформаторе Т1, и напряжение на его первичной обмотке, которое во время прямого хода было минусовым, за счет самоиндукции станет плюсовым - откроются диод VD6, обеспечивая питающим напряжением контроллер DA1. и диод VD9. питая нагрузку. При подключении к сети напряжение питания контроллера первоначально поступает через цепь R6C8 и ограничивается стабилитроном VD5 на уровне 15 В. Резистор R10 ограничивает ток этого стабилитрона в установившемся режиме, а дроссель L1 дополнительно защищает цепи питания контроллера от выбросов напряжения. Частота преобразования задана элементами R4, С3 и составляет около 62 кГц. Выходное напряжение контролируется с помощью оптопары U1 и регулируется за счет изменения скважности управляющих импульсов, поступающих на затвор транзистора VT1.
ИИП обеспечивает выходное напряжение 12,6 В при токе до 0,5 А.
Нестабильность выходного напряжения не превышает ± 2,5%, а его пульсации на частоте преобразования не превышают 100 мВ КПД при выходной мощности 6 Вт составляет не менее 0,72. При отключении нагрузки ИИП работает в режиме перезапуска, при этом выходное напряжение не повышается. Минимальной нагрузкой, при которой он входит в режим стабилизации, может служить светодиод индикации. Потребляемый от сети ток в таком режиме снижается до единиц миллиампер.
Устройство было собрано на двух макетных печатных платах. На одной из них - контроллер DA1 с относящимися к нему элементами, на второй - остальное.
Платы соединены между собой проводами минимально возможной длины. На плате контроллера использованы резисторы и конденсаторы для поверхностного монтажа типоразмера 1206.
Конденсаторы С5, С9 - К73-17, С4, С11 - подходящие по размерам и рабочему напряжению оксидные конденсаторы. Дроссель L1 - ЕС24, резистор R9 составлен из двух соединенных параллельно, а R5 - двух соединенных последовательно. Транзистор IRF830 заменим на другой полевой переключательный с допустимым напряжением сток-исток 500 В, током 4,5 А и сопротивлением канала в открытом состоянии не более 1,5 Ом. Теплоотвода для транзистора не требуется. В устройстве применена микросхема UCC38C44D фирмы Texas Instruments. С небольшими изменениями в схеме можно использовать аналогичные контроллеры из других семейств, в том числе и UC3844A. Важно, чтобы максимальный коэффициент заполнения выходных импульсов был равен 50%.
Для изготовления дросселя L2 и трансформатора Т1 применен малогабаритный Ш-образный магнитопровод EFD15 фирмы Epcos, материал № 87, в комплекте со стандартным каркасом. индуктивность одного витка составляет 100 нГн. Дроссель L2 содержит 130 витков провода ПЭВ-2 0,2, уложенных в четыре слоя и имеет индуктивность 1,7 мГн. Можно также применить готовый дроссель с током насыщения 0,3...0,4 А, например, SDR1006-152KL фирмы Bourns. Трансформатор Т1 содержит две обмотки по 36 витков провода ПЭВ-2 0,35, изолированные друг от друга двумя слоями полиэстерной ленты. индуктивность каждой из обмоток - 0,12 мГн. Применение указанных магнитопроводов позволяет получить высоту смонтированного устройства около 10 мм.
Для трансформатора допустимо также применить кольцевой магнитопровод из материала МП-140 с внешним диаметром 18 мм, КПД уменьшится на 2...2,5%. В этом случае число витков следует увеличить до 50, а обмотки удобнее намотать вдвое сложенным проводом с высококачественной изоляцией, например, МС16-14 или МП37-12.
Изготовленный таким образом трансформатор имеет меньшую индуктивность рассеяния, а устройство работает с ним более стабильно.
Поскольку большинство элементов устройства находятся под напряжением сети, для налаживания и проверки желательно применить подходящий по мощности развязывающий трансформатор, подключив к выходу налаживаемого ИИП эквивалент нагрузки. Предварительно следует убедиться в исправности контроллера и его цепей, для чего, не подключая устройство к сети, временно подают между выводами питания контроллера постоянное напряжение 13...14 В. На затворе транзистора VT1 должны присутствовать импульсы - меандр с частотой преобразования.
Подбора элементов и налаживания устройство не требует. изменить выходное напряжение в небольших пределах можно подборкой резистора R11 (1,2 кОм). Подключив к выходу номинальную нагрузку, проверяют выходное напряжение и, не выключая ИИП, закорачивают его выход. Средний ток, потребляемый от сети, при этом должен снизиться, что свидетельствует о нормальной работе цепей защиты.
Автор: В. Сокол, д. Чашниково Солнечногорского р-на Московской обл.