У пропонованій 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 має захист від кидків вихідної напруги 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 більш.....................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 у повному інтервалі, % від номінального значення, не більше.........3
- Габарити, мм .............60x95x30
На рис. 1 показана схема пристрою. Вузол керування реалізує широтно-імпульсний принцип стабілізації вихідної напруги. На елементах DD1.1, DD1.2 виконаний задаючий 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. "Вкорочує" імпульси транзистор VT1. Відкриваючись кожен період роботи генератора, він примусово встановлює на вході елемента DD1.3 низький рівень. Це 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 показано на рис. 2. Коли транзистор VT4 відкритий, струм, що протікає через нього і обмотку I трансформатора Т1, лінійно наростає (рис. 2,6). Імпульсна напруга з датчика струму R11 через резистор 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 U6э об * 0,7 В (рис. 2, в). Як тільки миттєве напруга під час чергового періоду досягне порогу 0,7 В, транзистор VT1 відкриється, що, в свою чергу, призведе до закривання комутуючого транзистора VT4. Таким чином, струм в обмотці I, а значить, і в навантаженні не може перевищувати деякого значення, заздалегідь певного опором резистора R11. Цим забезпечується захист джерела живлення від перевантаження по струму.
Фазування обмоток трансформатора Т1 встановлена такий, що під час відкритого стану транзистора VT4 діоди VD7 і VD9 закриті зворотним напругою. Коли комутуючих 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 та конденсатора С9. Зауважимо, що, оскільки фазування 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 вивід 1 мікросхеми досягне 2,5 В, через неї і через випромінюючий діод оптрона починає протікати струм, який збільшується з ростом вихідної напруги. Фототранзистор оптрона відкривається, і струм, що протікає через резистори R5, R7 і R11, створює на них падіння напруги, також збільшується з ростом вихідної 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 фототранзистора оптрона збільшується постійна напруга на резисторі R7 і зменшується амплітуда імпульсного складової на резисторі R11, що, в свою чергу, відбувається тільки через зменшення тривалості відкритого стану комутуючого транзистора VT4. Якщо ж тривалість імпульсу зменшується, то зменшується і "порція" енергії, що перекачується кожен період трансформатором Т1 в навантаження.
Таким чином, якщо вихідна напруга джерела живлення менше номінального значення, наприклад, під час його запуску, тривалість імпульсу і 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 якихось причин вихідна напруга зростає, 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 керування, якщо напруга живлення менше 7,3 Ст. Це обставина пов'язана з тим, що комутатор - польовий транзистор IRFBE20 - не повністю відкривається при напрузі на затворі менше 7 Ст.
Вузол запуску працює наступним чином. При включенні джерела живлення конденсатор С9 починає заряджатися через резистор R8. Поки напруга на конденсаторі складає одиниці вольт, на виході (вивід 3) мікросхеми DA1 утримується низький рівень та робота вузла управління заблокована. У цей момент мікросхема DA1 по висновку 1 споживає струм 0,2 мА і падіння напруги на резисторі R1 становить близько 3 Ст. Приблизно через 0,15...0,25 с напруга на конденсаторі досягне 10 В, при якому напруга на виводі 1 мікросхеми DA1 дорівнює пороговому значенню (7,3). На її виході з'являється високий рівень, що дозволяє роботу задаючого генератора і вузла керування. Починається запуск перетворювача. В цей час вузол керування живиться енергією, накопиченої 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 заряджатися 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 розряджається. Якщо його напруга зменшиться до порогового рівня мікросхеми DA1, вузол керування 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, що відбувається, наприклад, при відмові якого-небудь елемента в ланцюзі зворотного зв'язку. У робочому режимі напруга на конденсаторі С9 - приблизно 10 і стабілітрон VO1 закритий. У разі обриву в колі зворотного зв'язку вихідна напруга збільшується понад номінального значення. Але разом з ним збільшується напруга на конденсаторі С9 і при значенні близько 13 В стабілітрон VD1 відкривається. Процес триває 50...500 мс, протягом яких струм через стабілітрон плавно наростає, багато разів перевищуючи його максимальне значення. При цьому кристал елемента нагрівається і розплавляється - стабілітрон практично перетворюється в 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 збільшення у 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 у холодному стані, що обмежує пусковий струм перетворювача при включенні і захищає діоди випрямляча. Під час роботи терморезистор нагрівається, опір його зменшується в декілька разів і на ККД джерела живлення практично не впливає.
При закриванні транзистора VT4 на обмотку I трансформатора Т1 виникає імпульс напруги (на рис. 2,м він показаний пунктиром на перших трьох періодах напруги UcVT4). амплітуда якого визначається індуктивністю розсіювання. Щоб її зменшити, перетворювачі встановлена ланцюг VD8R9C14. Вона усуває небезпека пробою комутуючого транзистора і знижує вимоги по максимальній напрузі 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 К10х6х4,5 з пермаллоя МП 140. Магнітопроводи спочатку ізолюють одним шаром лакотканини. Кожну намотують обмотку проводом ПЭТВ 0,35 виток до витка в 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 сама відповідальна деталь джерела живлення. Від якості його виготовлення залежить надійність і стійкість роботи перетворювача, його динамічні характеристики і робота в режимі холостого ходу і перевантаження. Трансформатор виконаний на кільці К17х10х6,5 з пермаллоя МП140. Перед намотуванням магнітопровід ізолюють двома шарами лакотканини. Дріт укладають щільно, але без натягу. Кожен шар обмотки промазують клеєм БФ-2, а потім обмотують лакотканью.
Першою намотують обмотку I. Вона містить 228 витків проводи ПЭТВ 0,2...0,25, намотаних виток до витка в два шари, між якими прокладено один шар лакотканини. Обмотку ізолюють двома шарами лакотканини. Наступного намотують обмотку III. Вона містить сім витків проводи ПЭТВ 0,5 в шість провідників, рівномірно розподілених по периметру кільця. Поверх неї укладають один шар лакотканини. І нарешті, останньою намотують обмотку II, містить 13 витків проводи ПЭТВ 0,15...0,2 в два провідника, 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 допустимим напруженням на стоці не менш 800 і максимальним струмом 3...5 А, наприклад, BUZ80A, КП786А, а на місці діода VD8 - будь-швидкодіючий діод з допустимим зворотним напругою не менше 800 В і струмом 1...3 А, наприклад, FR106.
Джерело живлення виконаний на платі розмірами 95x50 мм і товщиною 1,5 мм В кутах плати і в серединах довгих сторін розташовані шість отворів, через які плату пригвинчують до тепловідводу. З однієї 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 оптрона, встановлені вертикально, щоб їх максимальна висота над платою не перевищувала 20 мм.
Тепловідвід з'єднують з загальною точкою конденсаторів С1 і С2. В цьому разі джерело живлення краще підключати до трехконтактной розетки з заземленням. Зазначені заходи дозволяють значно зменшити випромінювані перетворювачем перешкоди.
Тепловідвід перетворювача - П-подібна скоба довжиною 95, шириною 60 і висотою 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 теплопровідними 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 впливу.
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 справними, правильно виготовлені та з'єднані у відповідності зі схемою, в налагодженні він не складний. Паралельно резистору R10 підключають осцилограф. До конденсатора С9 у відповідній полярності підключають лабораторний джерело живлення, наприклад, Б5-45, з встановленим максимальним струмом не більше 15... 17 мА і починають повільно збільшувати напругу, починаючи з нуля. При напрузі 9,5...10,5 на виході мікросхеми DA1 встановлюється напруга логічної одиниці, задаючий генератор включається 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 може відкритися стабілітрон VD1. Струм, споживаний вузлом управління, не повинен перевищувати встановленого максимуму. Якщо тепер зменшувати напругу живлення, при 7,2...7,6 В генерація зникне. Це означає, що вузол керування 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 перевіряють вольтметром напругу на виході перетворювача. При вхідній напрузі 150...170 В напруга на виході досягає 5 і стабілізується. Після цього джерело живлення вузла управління відключають і продовжують працювати на одному вхідному. Подальше підвищення вхідного 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 цього зробити не вдається, збільшують опір резистора R11. В результаті регулювання його номінал повинен бути встановлений таким, щоб при струмі навантаження 6,5...7 А і мінімально допустимому вхідній напрузі вихідна напруга перетворювача починає зменшуватися. На цьому регулювання джерела живлення закінчується.
При поганій якості намотування трансформатора Т1 збільшуються "викиди" напруги на транзисторі \Л"4, що може стати причиною нестійкої роботи джерела живлення і навіть пробою комутуючого транзистора.
Якщо необхідний джерело з іншим вихідним напругою, необхідно зробити наступне: змінити опір резисторів R13, R14, враховуючи, що порогове напруга мікросхеми DA2 дорівнює 2,5; змінити прямо пропорційно число витків і обернено пропорційно переріз провідників обмотки III; підібрати діод VD9 і конденсатори С15-С17, С19 на відповідну напругу; встановити резистор R16 з опором (у омах), розрахованими за формулою R16=100(UBblx-4).
Під час налагодження та роботи з перетворювачем пам'ятайте, що його елементи знаходяться під високою напругою, небезпечним для життя. Будьте уважні і обережні!
Автор: А. Миронов, р. Люберці Московської обл.; Публікація: www.cxem.net