Сетевой источник питания с высокими удельными параметрами.

В предлагаемой вниманию читателей статье описан импульсный преобразователь для питания электронных устройств напряжением 5 В от сети переменного тока. Преобразователь не содержит дефицитных и дорогих элементов, прост в изготовлении и налаживании.

Источник питания снабжен защитой от бросков выходного напряжения и от перегрузки по току с автоматическим возвратом в рабочий режим после ее устранения.

Основные технические параметры:
Входное напряжение, В …..150…240
Частота входного напряжения, Гц……………….50…60
Частота преобразования, кГц…………………….100
Выходное напряжение, В ………5
Амплитуда пульсаций выходного напряжения, мВ, не более…………………50
Ток нагрузки, А…………….0…6
Температура окружающей среды, °С …………..-10…+50
Статическая нестабильность выходного напряжения при изменении входного напряжения, тока нагрузки и температуры окружающей среды в полном интервале,%, от номинального значения, не более………3
Габариты, мм ………….60x95x30

На рис. 1 показана схема устройства. Узел управления реализует широтно-импульсный принцип стабилизации выходного напряжения. На элементах DD1.1, DD1.2 выполнен задающий генератор, работающий на частоте около 100 кГц при скважности, близкой к двум. Импульсы длительностью около 5 мкс через конденсатор С11 поступают на вход элемента DD1.3, а далее усиливаются по току включенными параллельно элементами DD1.4—DD1.6. Чтобы стабилизировать выходное напряжение источника питания, длительность импульса во время регулирования уменьшается. «Укорачивает» импульсы транзистор VT1. Открываясь каждый период работы генератора, он принудительно устанавливает на входе элемента DD1.3 низкий уровень. Это состояние удерживается до конца очередного периода разряженным конденсатором С11.

На транзисторах VT2, VT3 выполнен мощный усилитель тока, обеспечивающий форсированное переключение коммутирующего транзистора VT4. Диаграммы напряжения на основных элементах источника питания во время его запуска показаны на рис. 2. Когда транзистор VT4 открыт, ток, протекающий через него и обмотку I трансформатора Т1, линейно нарастает (рис. 2,6). Импульсное напряжение с датчика тока R11 через резистор R7 подается на базу транзистора VT1. Чтобы исключить ложное открывание транзистора, выбросы тока сглаживает конденсатор С12. Первые после запуска несколько периодов мгновенное напряжение на базе транзистора VT1 остается меньше напряжения открывания U6э откр * 0,7 В (рис. 2, в). Как лишь мгновенное напряжение во время очередного периода достигнет порога 0,7 В, транзистор VT1 откроется, что, в свою очередь, приведет к закрыванию коммутирующего транзистора VT4. Таким образом, ток в обмотке I, а значит, и в нагрузке не может превышать некоторого значения, заранее определенного сопротивлением резистора R11. Этим обеспечивается защита источника питания от перегрузки по току.

Фазировка обмоток трансформатора Т1 установлена такой, что во время открытого состояния транзистора VT4 диоды VD7 и VD9 закрыты обратным напряжением. Когда коммутирующий транзистор закроется, напряжение на всех обмотках меняет знак и увеличивается до тех пор, пока эти диоды не откроются. Тогда энергия, накопленная во время импульса в магнитном поле трансформатора Т1, направляется на зарядку конденсаторов выходного фильтра С15—С17 и конденсатора С9. Заметим, что, поскольку фазировка обмоток II и III совпадает, напряжение на конденсаторе С9 в режиме стабилизации выходного напряжения также стабилизировано независимо от значения входного напряжения источника питания.

Регулирующий элемент источника питания — микросхема DA2 КР142ЕН19А. Когда напряжение на управляющем выводе 1 микросхемы достигнет 2,5 В, через нее и через излучающий диод оптрона начинает протекать ток, увеличивающийся с ростом выходного напряжения. Фототранзистор оптрона открывается, и ток, протекающий через резисторы R5, R7 и R11, создает на них падение напряжения, также увеличивающееся с ростом выходного напряжения. Мгновенное напряжение на базе транзистора VT1, равное сумме падения напряжения на резисторе R7 и датчике тока R11, не может превышать 0,7 В. Потому при увеличении тока фототранзистора оптрона увеличивается постоянное напряжение на резисторе R7 и уменьшается амплитуда импульсной составляющей на резисторе R11, что, в свою очередь, происходит лишь из-за уменьшения длительности открытого состояния коммутирующего транзистора VT4. Если же длительность импульса уменьшается, то сокращается и «порция» энергии, перекачиваемая каждый период трансформатором Т1 в нагрузку.

Таким образом, если выходное напряжение источника питания меньше номинального значения, например, во время его запуска, длительность импульса и энергия, передаваемая на выход, максимальны. Когда выходное напряжение достигнет номинального уровня, появится сигнал обратной связи, вследствие чего длительность импульса уменьшится до значения, при котором выходное напряжение стабилизируется. Если по каким-либо причинам выходное напряжение увеличивается, например, при резком уменьшении тока нагрузки, сигнал обратной связи также увеличивается, а длительность импульса уменьшается вплоть до нулевой и выходное напряжение источника питания возвращается к номинальному значению.

На микросхеме DA1 выполнен узел запуска преобразователя. Его назначение — блокировать работу узла управления, если напряжение питания меньше 7,3 В. Это обстоятельство связано с тем, что коммутатор — полевой транзистор IRFBE20 — не полностью открывается при напряжении на затворе менее 7 В.

Узел запуска работает следующим образом. При включении источника питания конденсатор С9 начинает заряжаться через резистор R8. Пока напряжение на конденсаторе составляет единицы вольт, на выходе (вывод 3) микросхемы DA1 удерживается низкий уровень и работа узла управления заблокирована. В этот момент микросхема DA1 по выводу 1 потребляет ток 0,2 мА и падение напряжения на резисторе R1 составляет около 3 В. Примерно через 0,15…0,25 с напряжение на конденсаторе достигнет 10 В, при котором напряжение на выводе 1 микросхемы DA1 равно пороговому значению (7,3 В). На ее выходе появляется высокий уровень, разрешающий работу задающего генератора и узла управления. Начинается запуск преобразователя. В это время узел управления питается энергией, запасенной в конденсаторе С9. Напряжение на выходе преобразователя начнет увеличиваться, а значит, оно будет увеличиваться и на обмотке II во время паузы. Когда оно станет больше напряжения на конденсаторе С9, диод VD7 откроется и конденсатор в дальнейшем будет каждый период подзаряжаться от вспомогательной обмотки II.

Здесь, однако, следует обратить внимание на важную особенность источника питания. Ток зарядки конденсатора через резистор R8, в зависимости от входного напряжения источника питания, составляет 1…1.5 мА, а потребление узла управления во время работы — 10… 12 мА. Это означает, что во время запуска конденсатор С9 разряжается. Если его напряжение уменьшится до порогового уровня микросхемы DA1, узел управления выключится, а поскольку в выключенном состоянии он потребляет не более 0,3 мА, напряжение на конденсаторе С9 будет увеличиваться до повторного включения. Такое происходит либо при перегрузке, либо при большой емкостной нагрузке, когда напряжение на выходе не успевает за пусковое время 20…30 мс увеличиться до номинального значения. В этом случае необходимо увеличить емкость конденсатора С9. Между прочим, указанная особенность работы узла управления позволяет источнику питания находиться в режиме перегрузки неограниченно долго, поскольку он в этом случае работает в пульсирующем режиме, причем время работы (запуск) в 8… 10 раз меньше времени нерабочего состояния. Коммутирующие элементы при этом даже не нагреваются!

Ещё одна особенность источника питания — защита нагрузки от превышения напряжения, которое происходит, например, при отказе какого-либо элемента в цепи обратной связи. В рабочем режиме напряжение на конденсаторе С9 — примерно 10 В и стабилитрон VO1 закрыт. В случае обрыва в цепи обратной связи выходное напряжение увеличивается сверх номинального значения. Но вместе с ним увеличивается напряжение на конденсаторе С9 и при значении около 13 В стабилитрон VD1 открывается. Процесс длится 50…500 мс, в течение которых ток через стабилитрон плавно нарастает, многократно превышая его максимальное значение. При этом кристалл элемента нагревается и расплавляется — стабилитрон практически превращается в перемычку с сопротивлением от единиц до нескольких десятков ом. Напряжение на конденсаторе С9 уменьшается до значений, недостаточных для включения узла управления. Выходное же напряжение, получив в зависимости от тока нагрузки приращение в 1,3…1,8 раза, уменьшается до нуля.

На элементах L2C19 выполнен дополнительный фильтр, уменьшающий амплитуду пульсаций выходного напряжения.

Чтобы уменьшить проникновение высокочастотных помех в сеть, на входе установлен фильтр С1—C3L1C4—С7, который к тому же сглаживает потребляемый во время работы импульсный ток с частотой 100 Гц.

Терморезистор RK1 (ТР-10) имеет относительно высокое сопротивление в холодном состоянии, что ограничивает пусковой ток преобразователя при включении и защищает диоды выпрямителя. Во время работы терморезистор нагревается, сопротивление его уменьшается в несколько раз и на КПД источника питания практически не влияет.

При закрывании транзистора VT4 на обмотке I трансформатора Т1 возникает импульс напряжения (на рис. 2,г он показан пунктиром на первых 3-х периодах напряжения UcVT4). амплитуда которого определяется индуктивностью рассеяния. Чтобы ее уменьшить, в преобразователе установлена цепь VD8R9C14. Она устраняет опасность пробоя коммутирующего транзистора и снижает требования по максимальному напряжению на его стоке, что повышает надежность преобразователя в целом.

Источник питания выполнен в основном на стандартных отечественных и импортных элементах, за исключением моточных изделий. Дроссели L1 и L2 намотаны на кольцах К10x6x4,5 из пермаллоя МП 140. Магнитопроводы сначала изолируют одним слоем лакоткани. Каждую обмотку наматывают проводом ПЭТВ 0,35 виток к витку в два слоя на своей половине кольца, причем между обмотками дросселя L1 должен оставаться зазор не менее 1 мм. Обмотки дросселя L1 содержат по 26 витков, а дросселя L2 — по семь витков, но в восемь проводников каждая. Намотанные дроссели пропитывают клеем БФ-2 и сушат при температуре около 60°С.

Трансформатор — главная и самая ответственная деталь источника питания. От качества его изготовления зависит надежность и устойчивость работы преобразователя, его динамические характеристики и работа в режиме холостого хода и перегрузки. Трансформатор выполнен на кольце К17x10x6,5 из пермаллоя МП140. Перед намоткой магнитопровод изолируют двумя слоями лакоткани. Провод укладывают плотно, но без натяга. Каждый слой обмотки промазывают клеем БФ-2, а потом обматывают лакотканью.

Первой наматывают обмотку I. Она содержит 228 витков провода ПЭТВ 0,2…0,25, намотанных виток к витку в два слоя, между которыми проложен один слой лакоткани. Обмотку изолируют двумя слоями лакоткани. Следующей наматывают обмотку III. Она содержит семь витков провода ПЭТВ 0,5 в шесть проводников, распределенных равномерно по периметру кольца. Поверх нее укладывают один слой лакоткани. И наконец, последней наматывают обмотку II, содержащую 13 витков провода ПЭТВ 0,15…0,2 в два проводника, которую равномерно укладывают по периметру кольца с некоторым натягом для плотного прилегания к обмотке III. После этого готовый трансформатор обматывают двумя слоями лакоткани, промазывают снаружи клеем БФ-2 и просушивают при температуре 60°С.

На месте транзистора VT4 можно применить другой с допустимым напряжением на стоке не менее 800 В и максимальным током 3…5 А, например, BUZ80A, КП786А, а на месте диода VD8 — любой быстродействующий диод с допустимым обратным напряжением не менее 800 В и током 1…3 А, например, FR106.

Источник питания выполнен на плате размерами 95×50 мм и толщиной 1,5 мм. В углах платы и в серединах длинных сторон расположены шесть отверстий, через которые плату привинчивают к теплоотводу. С одной стороны платы припаяны транзистор VT4 и диод VD9 фланцами наружу, а с другой — установлены остальные детали. Для уменьшения размеров платы все элементы, кроме конденсаторов С8, С9, микросхемы DD1, резистора R9, трансформатора и оптрона, установлены вертикально, чтобы их максимальная высота над платой не превышала 20 мм.

Теплоотвод соединяют с общей точкой конденсаторов С1 и С2. В этом случае источник питания лучше подключать к 3-хконтактной розетке с заземлением. Указанные меры позволяют значительно уменьшить излучаемые преобразователем помехи.

Теплоотвод преобразователя — П-образная скоба длиной 95, шириной 60 и высотой 30 мм, согнутая из листового алюминия толщиной не менее 2 мм. Преобразователь устанавливают на «дно» этого «корыта» металлическими фланцами элементов VT4 и VD9 вниз и притягивают винтами МЗ через отверстия в плате. Фланцы предварительно изолируют теплопроводящими прокладками, например, фирм «Нома-кон», «Бергквист», или в крайнем случае слюдой толщиной 0,05 мм. Таким образом, конструктивно преобразователь оказывается как бы в металлическом кожухе, защищающем его от механического воздействия.

Для повышения надежности плату преобразователя желательно покрыть 2—3 слоями лака для исключения вероятности пробоя при повышенной влажности окружающей среды.

Если все элементы источника питания исправны, правильно изготовлены и соединены в соответствии со схемой, в налаживании он не сложен. Параллельно резистору R10 подключают осциллограф. К конденсатору С9 в соответствующей полярности подключают лабораторный источник питания, например, Б5-45, с установленным максимальным током не более 15… 17 мА и начинают медленно увеличивать напряжение, начиная с нуля. При напряжении 9,5…10,5 В на выходе микросхемы DA1 устанавливается напряжение логической единицы, задающий генератор включается и на экране осциллографа должны появиться прямоугольные импульсы с частотой примерно 100 кГц и скважностью около 2 (рис. 2,а). Дальше напряжение повышать не следует, поскольку при значении около 13 В может открыться стабилитрон VD1. Ток, потребляемый узлом управления, не должен превышать установленного максимума. Если теперь уменьшать напряжение питания, при 7,2…7,6 В генерация исчезнет. Это означает, что узел управления преобразователя работает правильно.

Далее к выходу преобразователя подключают нагрузку сопротивлением 4…5 Ом и мощностью 10…15 Вт, а на вход подают напряжение от второго лабораторного источника питания Б5-49 и при работающем узле управления начинают увеличивать входное напряжение. Сначала устанавливают его на уровне 7… 10 В и осциллографом проверяют правильность подключения обмоток трансформатора Т1. Кроме того, контролируют форму напряжения на стоке транзистора VT4 (рис. 2,г), а вольтметром проверяют напряжение на выходе преобразователя. При входном напряжении 150…170 В напряжение на выходе достигает 5 В и стабилизируется. После этого источник питания узла управления отключают и продолжают работать на одном входном. Дальнейшее повышение входного напряжения должно привести к уменьшению ширины управляющего импульса (рис. 2,а), который также следует контролировать на резисторе R10. Далее при входном напряжении 200 В увеличивают ток нагрузки (но не более 7 А) и фиксируют его значение, при котором выходное напряжение преобразователя начинает уменьшаться. Если при токе до 7 А этого сделать не удается, увеличивают сопротивление резистора R11. В результате регулировки его номинал должен быть установлен таким, чтобы при токе нагрузки 6,5…7 А и минимально допустимом входном напряжении выходное напряжение преобразователя начинает уменьшаться. На этом регулировка источника питания заканчивается.

При плохом качестве намотки трансформатора Т1 увеличиваются «выбросы» напряжения на транзисторе Л»4, что может стать причиной неустойчивой работы источника питания и даже пробоя коммутирующего транзистора.

Если необходим источник с другим выходным напряжением, необходимо сделать следующее: изменить сопротивление резисторов R13, R14, учитывая, что пороговое напряжение микросхемы DA2 равно 2,5 В; изменить прямо пропорционально число витков и обратно пропорционально сечение проводников обмотки III; подобрать диод VD9 и конденсаторы С15-С17, С19 на соответствующее напряжение; установить резистор R16 с сопротивлением (в омах), рассчитанным по формуле R16=100(UBblx-4).

Во время налаживания и работы с преобразователем помните, что его элементы находятся под высоким напряжением, опасным для жизни. Будьте внимательны и осторожны!