Блок живлення потужністю 1 кВт для УНЧ

Наши партнеры ArtmMisto

У радіоаматорських журналах схеми імпульсних джерел живлення потужністю понад 500 Вт зустрічаються нечасто. Тому і був розроблений імпульсний стабілізований джерело живлення з наступними параметрами:
Потужність, що віддається в навантаження 1 кВт
Вихідна напруга ± 50 В
Максимальний струм в навантаженні 10 А
Вихідна напруга при максимальному струмі (не менше) +48 В
Струм спрацьовування захисту близько 14 А
Частота перетворення 50 кГц

Принципова схема імпульсного блоку живлення (ІБП):

В основу схеми покладено мікросхема DAI TL494CN сімейства контролерів з широтно-імпульсною модуляцією. Ця мікросхема застосовується в ДБЖ комп'ютерів і дуже добре себе зарекомендувала. Розглянемо її роботу в схемі перетворювача більш докладно. TL494CN включає в себе підсилювач помилки, вбудований регульований генератор, компаратор регулювання «мертвого» часу, тригер управління, прецизійний джерело опорної напруги (ДОН) 5 В і схему управління вихідним каскадом. Підсилювач помилки видає синфазное напруга в діапазоні 0,3 ... 2 В. Компаратор регулювання «мертвого» часу має постійний зсув, яке обмежує мінімальну тривалість «мертвого» часу величиною близько 5% від тривалості вихідного імпульсу. Незалежні вихідні формувачі на транзисторах забезпечують можливість роботи вихідного каскаду в схемі з загальним емітером. Струм вихідних транзисторів мікросхеми - до 200 мА. TL494CN працездатна при напрузі живлення 7 ... 40 В.

Схема включення мікросхеми та структурна компоновка її внутрішніх ланцюгів:

При подачі живлення запускається генератор пилкоподібної напруги 2 і джерело опорного напруги 5. Пилкоподібна напруга з виходу генератора 2 подається на інвертують входи компараторів 3 і 4. На неінвертуючий вхід компаратора 4 надходить напруга від підсилювача помилки 1. Оскільки вихідні напруги джерела живлення в цей момент ще відсутні, сигнал зворотного зв'язку з дільника R2R4 на неінвертуючий вхід підсилювача помилки дорівнює нулю. На інвертується вхід цього підсилювача подається позитивна напруга з дільника R5R7, до якого вже підключено опорна напруга Uoп з виходу ІОН. Вихідна напруга підсилювача помилки 1 в початковий момент дорівнює нулю, але в процесі збільшення напруги в колі зворотного зв'язку з дільника R2R4 воно наростає. Напруга на виході підсилювача помилки також збільшується. Тому вихідна напруга компаратора 4 має вигляд послідовності наростаючих по ширині імпульсів. Неінвертуючий вхід компаратора 3, що забезпечує паузу, з'єднаний з висновком 4 мікросхеми. На цей висновок подається напруга з зовнішньої RC-ланцюга C2R3, з'єднаної з шиною опорного напруги Uorr При появі опорного напруги воно прикладається до цього ланцюга. У міру заряду конденсатора С2 струм через нього і резистор R3 зменшується: напруга Uoп на резисторі R3 має форму спадаючої експоненти Вихідна напруга компаратора 3 являє собою послідовність імпульсів, що зменшуються по ширині (рис.3, г) З діаграми вихідних напруг компараторов 3 і 4 видно , що вони взаємно протилежні. Вихідні напруги компараторів 3 і 4 є вхідними для логічного елемента «2ИЛИ». Тому ширина імпульсу на виході логічного елемента визначається найбільш широким вхідним імпульсом. Вихідна напруга елемента «2ИЛИ» показано на рис.3, д, з якого випливає, що в початковий момент часу ширина вихідних імпульсів компаратора 3 перевищує ширину вихідних імпульсів компаратора 4, тому перемикання компаратора 4 не впливають на ширину вихідного імпульсу елемента «2ИЛИ». В інтервалі часу (t0; t1) визначальну роль грає вихідна напруга компаратора 3. На рис.3, е, ж показані вихідні імпульси на колекторах транзисторів VT1, VT2. Ширина цих імпульсів в інтервалі (t0; t1) плавно наростає. У момент t1 вихідний імпульс компаратора 3 порівнюється з вихідним імпульсом компаратора 4. При цьому управління логічним елементом «2ИЛИ» передається від компаратора 3 до компаратору 4, так як його вихідні імпульси починають перевищувати за шириною вихідні імпульси компаратора 3. Таким чином, в проміжку часу (t0; t1) вихідні імпульси на колекторах транзисторів VT1, VT2 плавно наростають і забезпечують плавний запуск перетворювача напруги.

Перед кожним включенням ДБЖ конденсатор С2 забезпечує плавний запуск, повинен бути розряджений. Прийшов час звернутися до загальної схеми перетворювача напруги. Функцію конденсатора плавного запуску в ній виконує конденсатор СЗ. При знятті харчування конденсатор швидко розряджається через резистор R1, перехід база-колектор транзистора VT1 і діод VD1. Транзистори VT1, VT2 виконують функцію критичної захисту. При подачі відмикає напруги на базу транзистора VT2 він відкривається. Одночасно відкривається транзистор VT1, шунтуючи конденсатор СЗ і блокуючи, таким чином, роботу перетворювача напруги. Напруга з колектора транзистора VT1 через ланцюг R4VD2 утримує в відкритому стані транзистор VT2. Відключення триггерной захисту відбувається тільки після зняття напруги живлення. В якості силових ключів застосовані потужні польові транзистори з досить великою ємністю затвор-витік. Тому для управління цими транзисторами застосовані два блоку ключів на транзисторах VT3, VT5, VT7 і VT4, VT6, VT8. Розглянемо роботу одного з них. Коли на виведенні 8 мікросхеми DAI присутня висока напруга (транзистор всередині мікросхеми закритий), відкриваються польові транзистори VT3 і VT7. Останній шунтирует ємність затвора транзистора VT9, миттєво розряджаючи її. Транзистор VT5 закритий. Як тільки на виводі 8 мікросхеми встановиться низька напруга, транзистори VT3 і VT7 закриються, а VT5 відкриється і на затвор транзистора VT9 надійде відмикає напруга. Резистор R18 запобігає виходу з ладу транзисторів VT5, VT7, якщо один з них закритий, а другий відкритий не повністю. Осцилограми напруг на затворах транзисторів VT9, VT10. У ланцюзі затворів транзисторів VT9, VT10 включені резистори R20, R21, які разом з ємностями затворів утворюють фільтр нижніх частот, що зменшує рівень гармонік при відкриванні ключів. Ланцюги R22, R23, С8, С9, VD5-VD8 також служать для зменшення гармонік при роботі перетворювача. Первинна обмотка трансформатора Т1 включена в стокові ланцюга транзисторів VT9, VT10. Напруга зворотного зв'язку для стабілізації напруги перетворювача знімається з обмотки III трансформатора. Через дільник на резисторах R7, R8 воно надходить на мікросхему DA1. Резистором R10 можна в невеликих межах регулювати вихідну напругу ДБЖ. Елементи R6, С4 визначають частоту роботи внутрішнього генератора пилкоподібної напруги мікросхеми DA1 (при вказаних на схемі номіналах ця частота близька до 50 кГц). Змінюючи опір резистора R6 і ємність конденсатора С4, можна при необхідності змінити частоту роботи перетворювача напруги. Силова частина схеми харчується через мережевий фільтр С10, Cl1, L1, випрямітельVD4 і конденсатори С12, С13. Резистор R24 розряджає конденсатор фільтра в вимкненому перетворювачі. Мікросхема DA1 і ключі на транзисторах VT3-VT8 живляться від стабілізованого джерела живлення на елементах Т2, VD3, С5-С7 і стабілізатора DA2. Резистор R25 служить для зменшення кидка струму через конденсатори фільтра в момент включення ДБЖ в мережу. Випрямляч вихідної напруги перетворювача виконаний по мостовій схемі на діодах VD12-VD15. Плавний запуск перетворювача напруги дозволяє використовувати у вторинних ланцюгах конденсатори фільтрів досить великої ємності, що необхідно при харчуванні підсилювача потужності. Дроселі L2, L3 разом з конденсаторами фільтра згладжують пульсації вихідної напруги ДБЖ. Захист перетворювача напруги потоку виконана на транзисторах VT11, VT12. При збільшенні струму через резистори R27-R30 транзистори VT11, VT12 відкриваються і спалахують світлодіоди в оптопарах Ul.l, U1.2. Транзистори оптопар відкриваються і подають на базу транзистора VT2 відмикають напруга, що призводить до спрацьовування триггерной захисту. Конденсатор С1 запобігає спрацьовування захисту від випадкових імпульсних перешкод.

Конструкція і деталі

Конструктивно ДБЖ виконаний на односторонній друкованій платі.

Друкована плата з боку деталей:

Друкована плата з боку доріжок:

На платі розташовані всі елементи схеми, крім SA1, FU1 іТ2. Також на окрему невелику плату винесені резистори R22, R23 і конденсатори С8, С9. Вони приєднуються проводами до основної плати в точках, зазначених літерами а, б, в. Резистори R22, R23 сильно гріються під час роботи, тому плату з ними слід розташовувати так, щоб резистори не нагрівається інші елементи схеми. Діоди VD12-VD15 кріплять на окремому игольчатом радіаторі 10 × 12 см і з'єднують з основною платою проводом діаметром не менше 1 мм. З одного боку друкованої плати розташовується радіатор довжиною 170 см і висотою 10 см. Бажано використовувати голчастий радіатор, але в крайньому випадку підійде і будь-який інший. До цього радіатора через ізолюючі прокладки кріплять елементи плати DA2, VD4, VT9, VT10. З протилежного боку радіатора встановлюють вентилятор з таким розрахунком, щоб потік повітря від нього добре обдував радіатор. Можна використовувати вентилятор від комп'ютерного блоку живлення. Харчування на нього подають через резистор опором 320 Ом і потужністю 7,5 Вт з виходу +50 В перетворювача. Можна використовувати резистор типу ПЕВ і закріпити його в будь-якому місці корпусу. Припустимо також для живлення вентилятора намотати додаткову обмотку в трансформаторі Т1. Для цього буде потрібно намотати два витки дроту діаметром 0,4 мм і підключити вентилятор.

Трансформатор Т1 перетворювача намотують на чотирьох складених разом кільцях з фериту 2000НМ розмірами К45х28х12. Моточні дані трансформатора наведені в таблиці.

Обмотки Кількість витків Діаметр дроти, мм I і II 32 1,2 III 2 0,4 IV і V 7 2,4 (два дроти 1,2 мм)

Обмотки I і II трансформатора відокремлюють від решти обмоток двома-трьома шарами лакоткани. Трансформатор Т2 використовують готовий зі змінним напругою 16 В. Котушка L1 складається з 2 × 20 витків, намотаних на феритових кільцях з фериту 2000НМ розмірами КЗ1х18 × 7 в два дроти діаметром 1 мм. Котушки L2, L3 намотують на шматочках фериту діаметром 8 ... 10 мм і довжиною близько 25 мм проводом діаметром 1,2 мм в один шар по всій довжині фериту.

У схемі перетворювача бажано використовувати імпортні електролітичні конденсатори кмітливістю 105 °. В крайньому випадку допустимо застосування інших конденсаторів, що підходять за розмірами. Конденсатор С12 набраний з трьох конденсаторів ємністю 220 мкФх400 В. неелектролітіческіх конденсатори будь-якого типу, наприклад К73-17. Як резистора R25 застосовують три включених паралельно резистора типу SCK105 або подібних, використовуваних в комп'ютерних блоках харчування. Резистори R22, R23 типу С5-5-10Вт, R27-R30 - С5-16В-5Вт. Решта резистори будь-якого типу, наприклад МЛТ. Підлаштування резистор R9 типу СПЗ-19АВ або інший малогабаритний. Високочастотні діоди бажано використовувати такі, як зазначено на схемі (КД212 і КД2999), так як імпортні діоди, широко зараз поширені, не завжди добре працюють на високих частотах, особливо понад 50 кГц. Діодні мости можна застосувати будь-які підходять за розміром: VD3 - з випрямленою струмом не менше 500 мА; VD4 - з випрямленою струмом не менше 8 А і напругою не менше 400 В.
Транзистори BSS88 можна замінити іншими подібними польовими транзисторами з ізольованим затвором і n-каналом (напруга стік-витік більше 50 В, струм стоку 0,15 ... 0,5 А). Це можуть бути транзистори типів BSS123, BS108, 2SK1336 і т.п. Замість потужних польових транзисторів 2SK956 підійдуть транзистори типів 2SK787, IRFPE50.

Мікросхему TL494CN можна замінити мікросхемою TL494LN, що дозволить використовувати перетворювач напруги при температурах навколишнього середовища до -25 ° С, так як TL494CN працездатна тільки при температурі вище 0 ° С. Також замість неї можна застосувати аналог КА7500В. Оптопару АОТ101БС можна замінити АОТ101АС, PS2501-2. Як мікросхеми DA2 можна застосувати КР142ЕН8 або 7815. У разі використання мікросхеми 7815 в ізольованому корпусі при установці її на радіатор ізолююча прокладка не буде потрібно. Транзистори КТ502Е, КТ503Е допустимо замінити КТ502Г, КТ503Г, а діоди КД510А- практично будь-якими імпульсними діодами, наприклад, КД503, КД522 і т.п.

Налаштування. Перш ніж почати користуватися перетворювача в мережу слід зняти мережеве напруга з силових ланцюгів і подати харчування тільки на трансформатор Т2. В першу чергу переконуються в напрузі харчування +15 В з виходу DA2. Потім за допомогою осцилографа переконуються в наявності імпульсів на затворах польових транзисторів VT9, VT10 і відповідно їх осцилограмами. При замиканні накоротко конденсатора СЗ імпульси повинні зникати, а на затворах VT9, VT10 встановлюватися нульове напруга. Далі, встановивши движок резистора R9 в середнє положення, подають напруга живлення на іншу частину схеми. За допомогою вольтметра контролюють напругу на виводі 1 DA1, встановлюючи величину 2,5 В підбором опору резистора R7. Підлаштування резистором R9 можна в невеликому ступені змінювати вихідна напруга перетворювача, проте необхідно контролювати імпульси на затворах польових транзисторів VT9, VT10, щоб їх тривалість не наближалася до крайніх меж (занадто короткі або занадто довгі), а перебувала в середньому положенні. В іншому випадку, при зростанні навантаження або зміні напруги мережі, стабілізація вихідної напруги погіршиться. Для того щоб не перевантажувати перетворювач напруги і не спалити потужні польові транзистори, настройку захисту по струму краще виконати наступним чином. Тимчасово впаивают замість резисторів R27-R30 резистори опором 1 Ом і потужністю 2 Вт. До виходу перетворювача підключають навантаження і амперметр. Встановлюють струм навантаження 1,3 ... 1,4 А і підбором опорів резисторів R32, R33 добиваються спрацьовування струмового захисту. Потім впаивают на місце резистори R27-R30. На цьому настройку перетворювача напруги можна вважати закінченою. Якщо для живлення підсилювача або будь-якої іншої навантаження потрібно інше напруга, то вихідна напруга перетворювача можна змінити, змінивши кількість витків обмоток IV і V трансформатора Т1. При цьому слід мати на увазі, що на один виток вторинної обмотки припадає близько 7 В.

Фото зібраного БП:

Джерело: журнал Радіоаматор