Імпульсний блок живлення

1. Що ж це за ПІП таке ?!
2. Літературний лікнеп на тему ДБЖ
3. Почнемо, мабуть ...
4. Розрахунок частоти імпульсів блоку живлення
5. Синхронізація двох і більше ШІМ-контролерів
6. Підбір силових ключів для блоку живлення
7. Розрахунок і намотування імпульсного трансформатора
8. Проектування схеми електричної принципової ДБЖ
9. Поради по монтажу та виготовлення друкованої плати для ДБЖ
10. Епілог

Наши партнеры ArtmMisto

Що ж це за ПІП таке ?!

Імпульсні блоки живлення (англ. Switching Power Supply) знову і знову стають предметом дискусій, суперечок, а їх проектування і конструювання викликають деякі труднощі в радіоаматорських колах. Все частіше саме до імпульсних пристроїв харчування звертаються погляди домашніх радіомайстрів, оскільки вони мають цілу низку незаперечних переваг у порівнянні з традиційними трансформаторними блоками. Однак багато радіоаматори, зокрема початківці, хто не наважується збирати їх, незважаючи на їх повсюдне застосування в сучасному радіоелектронному виробництві.

Причин тому безліч. Від нерозуміння принципів дії до складності схемотехніки імпульсних блоків вторинного харчування. Деякі просто напросто не можуть знайти потрібну радіоелементную базу. А ось досвідчені радіоінженери давно вже відмовилися від важких габаритних трансформаторів електроживлення в побутової компактної електроніці.

Але якщо для будинку застосування трансформаторних джерел електроживлення ще як то виправдано, то, наприклад, в автомобілі, в дорозі, в польових умовах і т.п. трансформатор взагалі не потрібен.

Тут на виручку приходять імпульсні перетворювачі напруги. Вони здатні черпати електроенергію буквально від будь-якого акумулятора або батареї гальванічних елементів постійного струму і перетворювати її в потрібне напруження з максимальною потужністю від декількох ватів до декількох кіловат.

Погодьтеся, коли ви подорожуєте будь-яким видом транспорту, і поблизу немає розетки, щоб підключити до неї зарядний пристрій з метою підзарядити акумулятор, що сів цифрового фотоапарата, мобільного телефону, цифрової відеокамери, плеєра і мн. ін. це, щонайменше, доставляє масу незручностей. А скільки разів вже можна було зафіксувати цифровиком щось вподобане і тут же відправити за допомогою телефону рідним і друзям.

А всього лише і потрібно, що спаяти нескладну схему імпульсного перетворювача напруги на друкованій платі, здатної вміститися в долоні, і прихопити з собою пару пальчикових батарейок. Ось і все, що потрібно для щастя!

Літературний лікнеп на тему ДБЖ

Однак не будемо захоплюватися, а перейдемо безпосередньо до суті статті. Ми вже не раз розповідали про теоретичні і практичні аспекти конструювання в домашніх умовах імпульсних блоків живлення, наприклад, імпульсний перетворювач , Імпульсний джерело живлення , Автомобільний перетворювач напруги і ін ; викладали методики розрахунку трансформаторів, ділилися корисною літературою по силовій електроніці, рекомендованої для прочитання не тільки початківцям електронникам, наприклад, Імпульсні джерела живлення , Розрахунок силового трансформатора ; а в статті Схема перетворювача потужністю 1000 ВА розвернувся цілий, можна сказати, диспут по переробці схеми.

Ну а сьогодні відповімо на питання, поставлене одним із радіоаматорів:

а є щось на харчування +/- 25 - 30 вольт (двухполярной) на 4 трійки висновків для заживлення УМЗЧ - 4 x TDA7293 ? Потужністю ват на 550-600 ... для живлення від електромережі (~ 220В).

З цього приводу вирішили навіть окрему статтю опублікувати, щоб показати загальні теоретичні принципи розробки імпульсних блоків живлення.

Викладений матеріал із загостренням уваги на окремих питаннях проектування і схемотехніки імпульсних блоків вторинного електроживлення покликаний показати радіоаматорам весь алгоритм їх розрахунку. Всі технічні, конструкторські, схемні доповнення та рішення по мірі необхідності будуть викладатися нижче в коментарях. Всіх зацікавлених електронників і досвідчених радіоінженерів просимо взяти участь в обговоренні імпульсних блоків живлення.

Почнемо, мабуть ...

Отже, для початку в загальних рисах позначимо, які основні модулі є в будь-якому імпульсному блоці електроживлення. У типовому варіанті імпульсний блок живлення умовно можна розділити на три функціональні частини. це:

1. ШІМ (PWM) контролер, на базі якого збирається задає генератор зазвичай з частотою близько 30 ... 60 кГц;

2. каскад силових ключів, роль яких можуть виконувати потужні біполярні, польові або IGBT (біполярні з ізольованим затвором) транзистори; цей силовий каскад може включати в себе додаткову схему управління цими самими ключами на інтегральних драйвери або малопотужних транзисторах; також важлива схема включення силових ключів: бруківка (фул-бридж), півмостова (халф-бридж) або з середньою точкою (пуш-пул);

3. імпульсний трансформатор з первинною (ими) і вторинної (ими) обмоткою (ами) і, відповідно, випрямними діодами, фільтрами, стабілізаторами та ін. на виході; в якості сердечника зазвичай вибирається феррит або альсифера; в загальному, такі магнітні матеріали, які здатні працювати на високих частотах (в деяких випадках понад 100 кГц).

Ось, власне, і все, що потрібно для збірки імпульсного блоку живлення. вище на фото основні частини ДБЖ виділені. Для наочності виділимо ці модулі і на електричній принциповій схемі будь-якого імпульсного блоку живлення. Для прикладу:

До слова, тут силовий каскад включений за схемою з середньою точкою.

Тепер помодульно будемо розробляти схемотехнічне рішення майбутнього устрою.

Для початку визначимося з генератором, що задає. Якщо бути точніше, то з ШІМ-контролером. В даний час, як ви розумієте, їх існує величезна кількість. Тут, мабуть, основними критеріями вибору є доступність і ціна питання. Нам потрібен не будь-який генератор, а саме з широтно-імпульсною модуляцією. Принцип роботи, якщо в двох словах, то «є / немає сигналу». На виході контролера або одиниця (високий рівень) або нуль (низький рівень).

Відповідно до цього вихідні транзистори відкриті або закриті, подають напругу на котушку імпульсного трансформатора або немає. Причому відбувається таке перемикання з високою періодичністю (як вказувалося раніше, зазвичай частота 30 ... 60 кГц).

Налаштовується частота в залежності від потреб проектувальника зовнішньої ланцюгом обв'язки ШІМ-контролера, що складається, як правило, з резисторів і конденсаторів. Ось недавно навіть натрапив на ідею використання в якості джерела ШІМ COM порт комп'ютера. Ну да ладно ... Для нашого майбутнього блоку живлення візьмемо ШІМ-контролер К1156ЕУ2. Але це не принципово. Можна взяти практично будь-який двотактний контролер. Наприклад, один з найбільш поширених TL494. Схема задає генератора на його базі показана вище . Взагалі, типову схему включення будь-якої іншої мікросхеми можна знайти в технічній документації на неї (datasheet).

Розрахунок частоти імпульсів блоку живлення

Контролер К1156ЕУ2 призначений для використання в якості схеми управління імпульсними джерелами вторинного електроживлення, які працюють на частоті до 1 МГц. Завдяки високій швидкодії мікросхема знайшла широке застосування і добре себе зарекомендувала. У разі відсутності вітчизняного варіанта контролера його можна замінити на аналоги типу UC1825, UC2825, UC3825. Полумостового вихідні каскади контролера спроектовані для роботи на велику ємнісне навантаження, наприклад, затвори потужних МОП-транзисторів, і комутують як впадає, так і витікаючий струм. Опис висновків К1156ЕУ2 наступне:

Варто відзначити також, що частота імпульсів залежить він номіналів резистора і конденсатора на 5 і 6 висновках мікросхеми. Причому за паузу (так зване, мертве час) між імпульсами відповідає ємність конденсатора. А це прямо позначається на забезпеченні одночасного закриття вихідних ключів, щоб уникнути наскрізних струмів. Питання особливо актуальне при великих потужностях. Опір резистора вибирається з діапазону 3 ... 100 кОм, ємність конденсатора - 0,47 ... 100 нФ. Номограми для підбору цих радіодеталей нижче на малюнку:

Таїмо чином, для забезпечення мертвого часу в? 1,5 мкс (щоб знизити ймовірність появи наскрізних струмів через MOSFET в силовому каскаді) знадобиться конденсатор ємністю 15 нФ (0,015мкФ або 15000 пФ). Тепер дивимося на лівий графік. Про частоті додатково буде сказано нижче . На даному етапі в якості номінальної приймемо 60 кГц. Значить резистор для нашого задає потрібний номіналом? 3 кОм. Поставимо підлаштування на 4,7 кОм. Їм можна буде злегка підвищувати частоту, тим самим підвищуючи потужність блоку живлення в цілому.

Синхронізація двох і більше ШІМ-контролерів

Важливою функцією К1156ЕУ2 є їх спільне використання. Тобто один генератор буде ведучим, а інший веденим. Для цього існує функціональний 4 висновок синхронізації. У підсумку можна отримати два синхронно працюючих генератора ШІМ. Застосувань такого способу можна знайти безліч. Оскільки генератори будуть працювати синхронно, то кожен з них можна навантажити окремим вихідним каскадом з силовими ключами і імпульсним трансформатором. При цьому можна застосувати трансформатори меншою габаритної потужності. Так, якщо нам потрібна загальна потужність імпульсного блоку живлення не менше 600 Вт на 4 УМЗЧ, то можна використовувати два трансформатора по 300 Вт з підключеними до них по два УМЗЧ. Відповідно, ми зможемо зняти частину навантаження з транзисторів силового каскаду, обмотувального дроту, також нам знадобитися сердечник меншого розміру. У зв'язку з цим можна навіть заощадити на покупці радіодеталей для майбутнього ДБЖ. Схема синхронізації двох ШІМ-контролерів (провідного і веденого) виглядає так:

Однак в загальноосвітніх цілях обмежимося включенням К1156ЕУ2 в одиничному (типовому) варіанті, тому що перед нами стоїть мета дати вам загальні навички розробки. А вже раціональність використання тієї чи іншої схеми, технічного рішення буде залежати від мети використання імпульсного блоку живлення.

З першим функціональним модулем майбутнього блоку вторинного електроживлення розібралися. Остаточно приймаємо схемотехнічний варіант генератора на К1156ЕУ2, як показано на малюнку вище під цифрою 1. У разі необхідності на кінцевій стадії проектування номінали деталей можна буде підкоригувати, що, власне, чи не позначиться на функціональній схемі генератора.

Підбір силових ключів для блоку живлення

Тепер про те, чим буде керувати ШІМ-контролер К1156ЕУ2 або TL494 або будь-яка інша ІМС. В якості силових ключів будемо використовувати MOSFET транзистори, як найбільш ефективні. Що стосується біполярних, то їх істотними недоліками є підвищений залишкову напругу на колекторі в режимі насичення, велика потужність управління по базовій ланцюга і великий час розсмоктування. Все це призводить до значного зниження ККД ключів. А IGBT або біполярні транзистори з ізольованим затвором занадто дорогі і не особливо поширені. Значить вибір падає на MOSFET.

Давайте визначимо межі підбору МОП-транзисторів. За умовою нам потрібен імпульсний блок живлення потужністю 600 ват від електромережі 220 вольт. Це означає, що після випрямних діодів і фільтруючого конденсатора 220 вольт змінного струму перетворюються в 300 ... 310 вольт постійного. Це при номінальній напрузі 220 В. Але в електромережі може бути і 175 і 250 вольт. Сила струму в ланцюзі номінально буде дорівнює I = P / U або I = 600 Вт / 300 (310) В = 1,94 ... 2 ампера.

Майбутній імпульсний перетворювач буде двотактного типу, тому що однотактний добре зарекомендували себе на потужностях до 100 ват. Схему включення силового каскаду двотактного імпульсного блоку живлення вибираємо з трьох існуючих. Це, як було сказано, бруківка (full-bridge), півмостова (half-bridge) або з середньою точкою (push-pull). Остання схема найбільш ефективна з напругою на вході до 100 вольт і потужністю до 500 ват. В принципі можна використовувати і пуш-пульного схему включення, але не будемо повторюватися, тому що вона як раз і є темою диспуту в статті "Схема перетворювача потужністю 1000 ВА". Півмостова і бруківка схеми ефективно використовуються при більш високій напрузі на вході (а у нас 310 В) і з потужностями до 1 кВт в першому і вище 1 кВт в другому випадку. Нам підходить полу мостова схема включення силового каскаду.

Частоту перемикання силових транзисторів візьмемо близько 60 кГц. Через можливий дрейфу частоти вона може підвищитися до 65 кГц. Можна, звичайно, збільшити частоту до 100 кГц, а то і більше. Однак багато магнітні матеріали, що застосовуються в якості сердечників імпульсних трансформаторів, не здатні працювати на таких частотах. До того ж при підвищенні частоти нам знадобляться високочастотні випрямні потужні діоди. А вони не дешеві і для багатьох важкодоступні. До того ж, після двухполуперіодного випрямляча частота підвищується в два рази. Так що обмежимося частотою в 60 кГц, як найбільш оптимальної.

Тепер визначимо амплітуду номінальної напруги на первинній обмотці імпульсного трансформатора з урахуванням падіння напруги на переході транзисторів. U = 310/2 - u, де u - падіння напруги на переході MOSFET. Оскільки транзистори ми ще не вибрали, то візьмемо в середньому u = 0,7 В. Звідси U = (310/2) -0,7 = 154,3 В. Мінімальна амплітуда при падінні напруги в мережі до 175 вольт складе не більше 123 В, а максимальна при підвищенні до 250 В - не менше 176 В. Для вибору МДП транзисторів виходимо з максимально допустимою сили струму (600/123 = 4,8 а) і напруги (176 В). За розрахунками нам потрібен MOSFET з напругою стік-витік від 200 вольт і максимально допустимої силою струму через перехід не нижче 6 ампер. Даним умовам відповідають, наприклад, IRF630, 2SK1117, 2SK1917, IRF740, IRFP460, IRF830 тощо. Тут знову ж виходимо з доступності та вартості. Для нашого прикладу візьмемо IRFP460. Силові ключі підібрали.

Діоди випрямного моста на вході імпульсного блоку живлення підбираємо з урахуванням зворотної напруги від 400 вольт і силу струму від 2 ампер (600 / (175 В * 2 шт.) = 1,71 А) при мостовій схемі. Беремо діодний міст типу KBU810. Схема мережевого випрямляча буде виглядати наступним чином:

Резистори R1 і R2 є баластними і використані для розряду високовольтних конденсаторів з метою безпеки.

Розрахунок і намотування імпульсного трансформатора

Тепер зробимо розрахунок імпульсного трансформатора.

Розрахунок трансформатора є найбільш складною, важливою і «тонкої» частиною всього розрахунку імпульсного блоку живлення. Для цього найефективніше скористатися комп'ютерними програмами, найпопулярніші з яких можна завантажити на нашому радіоаматорському сайті . Посилання на програми для розрахунку трансформатора і їх докладний опис знаходяться також в вищеназваних статтях.

Отже, ми маємо в якості вихідних даних розмах напруг живлення 247 ... 355 В (при девіації напруги мережі 175 ... 250 В), потужність не менше 600 ват, ефективна індукція муздрамтеатру від 0,1 до 0,2 Тл, ефективна магнітна проникність муздрамтеатру при використанні в якості сердечника ферритові кільце марки М2500НМС1 К65х40х9 становить 1800 ... 2000. Вище наведено дійсне напруга електромережі для розрахунку імпульсного трансформатора в програмі Design tools pulse transformers 4.0.0.0 і їй подібних (див. Статті). Однак, як я радив, програми краще застосовувати відразу все комплексно. Відповідно, в деяких потрібно вказувати напругу безпосередньо на первинній обмотці імпульсного трансформатора. трохи вище ми приводили схему мережевого випрямляча для живлення імпульсного блоку. Як бачите, там мережеве напруга за допомогою дільника перетворюється в двуполярное +/- 154,3 В. Зазначено номінальну напругу при мережевому в 220 В. Відповідно, при девіації напруги мережі 175 ... 250 В на первинній обмотці воно буде коливатися, у межах 247 ... 355 вольт (таке після випрямних діодів і конденсаторів, що фільтрують), а 247 / 2-0,7 ... 355 / 2-0,7, тобто 122,8 ... 176,8 вольт. Будьте уважні!

Думаємо, що за допомогою програм не складе особливих труднощів визначити основні характеристики необхідного імпульсного трансформатора. Для взятого нами кільця К65х40х9 ми маємо наступне. ККД близько 98%; число витків в первинній обмотці близько 55 діаметром 1,2 мм; число витків кожної вторинної обмотки для напруги +/- 30 В становить 10 + 10 з відведенням від середини дроту діаметром 1,5 мм. Всі дані для намотування трансформатора нам відомі. В результаті самостійного виготовлення повинно вийти щось подібне, а може і краще (обмотки краще розміщувати більш рівномірно по кільцю):

Переходимо безпосередньо до схемотехнической частини розробки.

Проектування схеми електричної принципової ДБЖ

Ми вже визначили, що імпульсний блок живлення у нас буде двотактний з полумостовим включенням силового кінцевого каскаду, що складається з двох потужних MOSFET IRFP460. Як ШІМ-контролера вибрали мікросхему К1156ЕУ2Р. Тепер перед нами стоїть завдання по об'єднанню всіх трьох функціональних модулів, кожен з яких має свою електричну ланцюг. Замість того, щоб винаходити велосипед, можна доопрацювати наявну типову електричну схему вже спроектованого ДБЖ на обраному нами контролері. В кінцевому рахунку, ми отримали ось такий варіант схеми імпульсного блоку живлення:

Як можна бачити, в неї входять всі три модулі, розглянуті нами вище.

Додатково с помощью реле и обмежує резистора R1 (типу С5-16MB або С5-5В) на вході реалізованій плавний пуск, что дозволяє избежать різкіх стрібків Струму. Реле можна застосуваті на напругу як 12, так и 24 вольта з підбором резистора R19. Варистор RU1 захіщає вхідній ланцюг від імпульсів надмірної амплітуді. Конденсатори С1-С4 і двохобмотувальний дросель L1 утворюють мережевий помехоподавляющий фільтр, що запобігає проникненню високочастотних пульсацій, створюваних перетворювачем, в мережу живлення. L1 намотується до заповнення вікна проводом діаметра 0,5 мм на муздрамтеатрі Ш7х7 з альсифера ТЧ60, ТЧК55 або фериту типу 2000НМ. Обмотки дроселя містять рівне число витків. Можна застосувати магнітопровід типу К24х14х7. Тоді мотають 50 витків в 2 дроти.

Підлаштування резистор R16 і конденсатор С12 визначають частоту перетворення. Для зменшення ЕРС самоіндукції трансформатора Т2 паралельно каналам транзисторів включені демпферні діоди VD7 і VD8. Діоди Шотткі VD2 і VD3 захищають комутуючі транзистори і виходи мікросхеми DA2 від імпульсів зворотної напруги.

Токовий трансформатор Т1 намотаний на феритових кільцях К10 × 6x3 марки 4000НМ або на К12 × 8x3 марки 2000НМ. Первинна обмотка містить 1 виток дроту діаметром 0,5 мм або монтажного проводу в полівінілхлоридної ізоляції. Вторинна обмотка - 100 витків з відведенням від середини дроту ПЕЛШО діаметром 0,06 ... 0,12 мм. Обмотки слід ізолювати, наприклад, лакотканиною. Струм протікає через первинну обмотку трансформатора Т1. Напруга вторинної обмотки через резистор R12 надходить на вхід компаратора струму 9 висновок мікросхеми DA2. У момент, коли напруга на цьому вході перевищить поріг спрацьовування компаратора (1 вольт), генерація імпульсів збудження буде припинена. Струм спрацьовування захисту залежить від числа витків вторинної обмотки трансформатора Т1, ємності конденсатора С8 і опору резисторів R8, R9 (підлаштування), R12.

З моменту включення в мережу до порушення інвертора мікросхема К1156ЕУ2Р отримує харчування від параметричного стабілізатора напруги на резисторі R2 (опір якого, можливо, потрібно буде знизити) і стабілітроні VD4 через діод VD5. В цьому режимі мікросхема споживає струм не більше 2 мА. Після порушення інвертора ШІМ-контролер живить допоміжний випрямляч VD13-VD16, напруга з якого стабілізовано мікросхемою КР142ЕН8В (або будь-який інший на напругу стабілізації 15 вольт). Діоди VD5 і VD18 виключають взаємний вплив двох джерел живлення мікросхеми К1156ЕУ2Р.

Оптрон U1 забезпечує гальванічну розв'язку ланцюга зворотного зв'язку. Ланцюг ОС потрібна для стабілізації вихідної напруги імпульсного блоку живлення. Якщо воно перевищить номінальне, то різко зросте струм через стабілітрон VD17 і випромінюючий діод оптрона. В результаті цього відкривається фототранзистор оптрона. Напруга на вході компаратора зворотного зв'язку по напрузі збільшується (1 ніжка мікросхеми). Зменшується тривалість імпульсів на виході генератора. Це призводить до зниження вихідної напруги до номінального рівня.

Принцип дії схеми імпульсного блоку живлення повинен бути зрозумілий. Тепер перейдемо до порад з проектування компонування друкованої плати і монтажу радіодеталей.

Поради по монтажу та виготовлення друкованої плати для ДБЖ

Для забезпечення роботи потужного імпульсного джерела живлення необхідно приділити особливу увагу розташуванню елементів на друкованій платі і їх монтажних з'єднань. Довгі провідники можуть стати причиною паразитного індуктивності і виникнення непотрібної ЕРС, що, в кінцевому рахунку, призведе до генерації. Звідси випливає різке підвищення споживаної потужності і збій в роботі генератора, який обов'язково позначиться на роботі вихідних силових ключів у вигляді їх пробою наскрізними струмами. Тому довжини всіх провідників повинні бути мінімальними, висновки конденсаторів - короткими (особливо блокувальних, що згладжують ВЧ пульсації). З боку монтажу на друкованій платі під радіодеталями задає і ШІМ-контролером має бути залишено багато місця для екрану. Конденсатор C21 повинен мати низьку власну індуктивність. Його необхідно розташувати не далі 6 мм від виведення 15 мікросхеми DA2 для придушення високочастотних перешкод. Потужнострумові ланцюга необхідно виконувати мінімальної довжини. Ширина доріжок сільноточних ланцюгів вибирається розміром 5 мм і більше. Для слабкострумових ланцюгів досить ширини доріжки в 0,8 ... 1,5 мм. При цьому слід виходити із залежності 0,5 ампер струму на ширину доріжки 0,5 мм. З урахуванням витравлювання міді - мінімальна ширина 0,8 мм. У тому місці, де неможливо прокласти доріжку великої ширини, при лудінні на неї напоюють шар припою або по всій довжині напоюють луджений дріт, тим самим збільшуючи товщину.

На закінчення варто пару слів приділити такому поганому явищу, як скін-ефект. В результаті нього змінний струм високої частоти при протіканні по провіднику розподіляється не рівномірно по перетину, а переважно в поверхневому шарі. Це може мати сумні наслідки для нашого імпульсного трансформатора при великих потужностях. Тому рекомендується мотати силові обмотки трансформатора не поодиноким проводом великого перерізу, тому що користі від нього ніякої не буде, а «кіскою», сплетеної з декількох проводів меншого діаметру. Виходить свого роду літцендрата. Тим самим ми покращимо добротність обмоток, підвищимо ККД і якість імпульсного трансформатора. Зверніть увагу, як намотана первинна обмотка:

На фото 8 кісок по 15 проводів в кожній. Виглядає солідно, чи не так?

Епілог

В даній, як виявилося, далеко некороткий, статті розглянуті найважливіші моменти конструювання імпульсних боків харчування, з якими обов'язково зіткнеться кожен зважився на створення ПІП радіоаматор. Ми постаралися максимально чітко розписати весь алгоритм дій. Більш детально розглянули моменти, на яких варто акцентувати увагу. Всі додаткові поради та рекомендації викладайте в коментарях.

Радіоаматорів цікавлять електричної схеми:

лабораторний БП
Мережевий БП для Сі-Бі