Основные параметры:
- Мощность, отдаваемая в нагрузку …………………………………………………..1 кВт
- Выходное напряжение ………………………………………………………………….50 В
- Максимальный ток в нагрузке………………………………………………………….10 А
- Выходное напряжение при максимальном токе (не менее) ……………………..48 В
- Ток срабатывания защиты………………………………………………………около 14 А
- Частота преобразования……………………………………………………………..50 кГц
Принципиальная схема импульсного блока питания (ИБП) показана на рис.1.
В основу схемы положена микросхема DA1 TL494CN семейства контроллеров с широтно-импульсной модуляцией. Эта микросхема применяется в ИБП компьютеров и очень хорошо себя зарекомендовала. Рассмотрим ее работу в схеме преобразователя более подробно.
TL494CN включает в себя усилитель ошибки, встроенный регулируемый генератор, компаратор регулировки «мертвого” времени, триггер управления, прецизионный источник опорного напряжения (ИОН) 5 В и схему управления выходным каскадом. Усилитель ошибки выдает синфазное напряжение в диапазоне 0,3…2 В. Компаратор регулировки «мертвого” времени имеет постоянное смещение, которое ограничивает минимальную длительность «мертвого” времени величиной порядка 5% от длительности выходного импульса. Независимые выходные формирователи на транзисторах обеспечивают возможность работы выходного каскада в схеме с общим эмиттером. Ток выходных транзисторов микросхемы – до 200 мА. TL494CN работоспособна при напряжении питания 7…40 В.
На рис.2 показаны схема включения микросхемы и структурная компоновка ее внутренних цепей.
При подаче питания запускается генератор пилообразного напряжения 2 и источник опорного напряжения 5. Пилообразное напряжение с выхода генератора 2 (рис.3,а) подается на инвертирующие входы компараторов 3 и 4. На неинвертирующий вход компаратора 4 поступает напряжение от усилителя ошибки 1. Поскольку выходные напряжения источника питания в этот момент еще отсутствуют, сигнал обратной связи с делителя R2R4 на неинвертирующий вход усилителя ошибки равен нулю. На инвертирующий вход этого усилителя подается положительное напряжение с делителя R5R7, к которому уже подключено опорное напряжение Uоп с выхода ИОН. Выходное напряжение усилителя ошибки 1 в первоначальный момент равно нулю, но в процессе увеличения напряжения в цепи обратной связи с делителя R2R4 оно нарастает.
Напряжение на выходе усилителя ошибки также увеличивается. Поэтому выходное напряжение компаратора 4 имеет вид последовательности нарастающих по ширине импульсов (рис.3,б).
Неинвертирующий вход компаратора 3, обеспечивающего паузу, соединен с выводом 4 микросхемы. На этот вывод подается напряжение с внешней RC-цепи C2R3, соединенной с шиной опорного напряжения Uоп. При появлении опорного напряжения оно прикладывается к этой цепи. По мере заряда конденсатора С2 ток через него и резистор R3 уменьшается: напряжение UR3 на резисторе R3 имеет форму спадающей экспоненты (рис.3,в).
Выходное напряжение компаратора 3 представляет собой последовательность импульсов, уменьшающихся по ширине (рис.3,г). Из диаграммы выходных напряжений компараторов 3 и 4 (рис.3,б, г) видно, что они взаимно противоположны.
Выходные напряжения компараторов 3 и 4 являются входными для логического элемента «2ИЛИ”. Поэтому ширина импульса на выходе логического элемента определяется наиболее широким входным импульсом. Выходное напряжение элемента «2ИЛИ” показано на рис.3,д, из которого следует, что в начальный момент времени ширина выходных импульсов компаратора 3 превышает ширину выходных импульсов компаратора 4, поэтому переключения компаратора 4 не влияют на ширину выходного импульса элемента «2ИЛИ”.
В интервале времени (t0; t1) (рис.3,а) определяющую роль играет выходное напряжение компаратора 3. На рис.3,е,ж показаны выходные импульсы на коллекторах транзисторов VT1, VT2. Ширина этих импульсов в интервале (t0; t1) плавно нарастает. В момент t1 выходной импульс компаратора 3 сравнивается с выходным импульсом компаратора 4. При этом управление логическим элементом «2ИЛИ” передается от компаратора 3 к компаратору 4, так как его выходные импульсы начинают превышать по ширине выходные импульсы компаратора 3. Таким образом, в промежутке времени (t0; t1) выходные импульсы на коллекторах транзисторов VT1, VT2 плавно нарастают и обеспечивают плавный запуск преобразователя напряжения.
Перед каждым включением ИБП конденсатор С2 (рис.2), обеспечивающий плавный запуск, должен быть разряжен. Пришло время обратиться к общей схеме рис.1 преобразователя напряжения. Функцию конденсатора плавного запуска в ней выполняет конденсатор С3. При снятии питания конденсатор быстро разряжается через резистор R1, переход база-коллектор транзистора VT1 и диод VD1. Транзисторы VT1, VT2 выполняют функцию триггерной защиты.
При подаче отпирающего напряжения на базу транзистора VT2 он открывается. Одновременно открывается транзистор VT1, шунтируя конденсатор С3 и блокируя таким образом работу преобразователя напряжения. Напряжение с коллектора транзистора VT1 через цепь R4VD2 удерживает в открытом состоянии транзистор VT2. Отключение триггерной защиты происходит только после снятия напряжения питания.
В качестве силовых ключей применены мощные полевые транзисторы с довольно большой емкостью затвор-исток.
Поэтому для управления этими транзисторами применены два блока ключей на транзисторах VT3, VT5, VT7 и VT4, VT6, VT8. Рассмотрим работу одного из них. Когда на выво(транзистор внутри микросхемы закрыт), открываются полевые транзисторы VT3 и VT7. Последний шунтирует емкость затвора транзистора VT9, мгновенно разряжая ее. Транзистор VT5 закрыт. Как только на выводе 8 микросхемы установится низкое напряжение, транзисторы VT3 и VT7 закроются, а VT5 откроется и на затвор транзистора VT9 поступит отпирающее напряжение. Резистор R18 предотвращает выход из строя транзисторов VT5, VT7, если один из них закрыт, а другой открыт не полностью.
Осциллограммы напряжений на затворах транзисторов VT9, VT10 показаны на рис.3,з, и.
В цепи затворов транзисторов VT9, VT10 включены резисторы R20, R21, которые вместе с емкостями затворов образуют фильтр нижних частот, уменьшающий уровень гармоник при открывании ключей. Цепи R22, R23, C8, C9, VD5–VD8 также служат для уменьшения гармоник при работе преобразователя.
Первичная обмотка трансформатора T1 включена в стоковые цепи транзисторов VT9, VT10. Напряжение обратной связи для стабилизации напряжения преобразователя снимается с обмотки III трансформатора. Через делитель на резисторах R7, R8 оно поступает на микросхему DA1. Резистором R10 можно в небольших пределах регулировать выходное напряжение ИБП.
Элементы R6, C4 определяют частоту работы внутреннего генератора пилообразного напряжения микросхемы DA1 (при указанных на схеме номиналах эта частота близка к 50 кГц). Меняя сопротивление резистора R6 и емкость конденсатора С4, можно при необходимости изменить частоту работы преобразователя напряжения.
Силовая часть схемы питается через сетевой фильтр С10, С11, L1, выпрямитель VD4 и конденсаторы С12, С13. Резистор R24 разряжает конденсатор фильтра в выключенном преобразователе. Микросхема DA1 и ключи на транзисторах VT3–VT8 питаются от стабилизированного источника питания на элементах Т2, VD3, C5–C7 и стабилизатора DA2.
Резистор R25 служит для уменьшения броска тока через конденсаторы фильтра в момент включения ИБП в сеть.
Выпрямитель выходного напряжения преобразователя выполнен по мостовой схеме на диодах VD12–VD15. Плавный запуск преобразователя напряжения позволяет использовать во вторичных цепях конденсаторы фильтров довольно большой емкости, что необходимо при питании усилителя мощности. Дроссели L2, L3 вместе с конденсаторами фильтра сглаживают пульсации выходного напряжения ИБП.
Защита преобразователя напряжения по току выполнена на транзисторах VT11, VT12. При увеличении тока через резисторы R27–R30 транзисторы VT11, VT12 открываются и загораются светодиоды в оптопарах U1.1, U1.2. Транзисторы оптопар открываются и подают на базу транзистора VT2 отпирающее напряжение, что приводит к срабатыванию триггерной защиты. Конденсатор С1 предотвращает срабатывание защиты от случайных импульсных помех.
Конструкция и детали.
Конструктивно ИБП выполнен на односторонней печатной плате (рис.4а, б). На плате расположены все элементы схемы, кроме SA1, FU1 и T2.
Также на отдельную маленькую плату вынесены резисторы R22, R23 и конденсаторы С8, С9. Они подсоединяются проводами к основной плате в точках, указанных буквами а, б, в. Резисторы R22, R23 сильно греются во время работы, поэтому плату с ними следует располагать так, чтобы резисторы не нагревали остальные элементы схемы. Диоды VD12–VD15 крепят на отдельном игольчатом радиаторе 10х12 см и соединяют с основной платой проводом диаметром не менее 1 мм.
С одной стороны печатной платы располагается радиатор (рис.4,б) длиной 170 см и высотой 10 см. Желательно использовать игольчатый радиатор, но в крайнем случае подойдет и любой другой. К этому радиатору через изолирующие прокладки крепят элементы платы DA2, VD4, VT9, VT10. С противоположной стороны радиатора устанавливают вентилятор с таким расчетом, чтобы поток воздуха от него хорошо обдувал радиатор. Можно использовать вентилятор от компьютерного блока питания. Питание на него подают через резистор сопротивлением 320 Ом и мощностью 7,5 Вт с выхода +50 В преобразователя. Можно использовать резистор типа ПЭВ и закрепить его в любом месте корпуса. Допустимо также для питания вентилятора намотать дополнительную обмотку в трансформаторе Т1 (рис.1). Для этого потребуется намотать два витка провода диаметром 0,4 мм и подключить вентилятор согласно рис.5.
Трансформатор Т1 преобразователя наматывают на четырех сложенных вместе кольцах из феррита 2000НМ размерами К45х28х12. Моточные данные трансформатора приведены в таблице.
Обмотки I и II трансформатора отделяют от остальных обмоток двумя-тремя слоями лакоткани.
Трансформатор Т2 используют готовый с переменным напряжением на вторичной обмотке около 16 В. Катушка L1 состоит из 2х20 витков, намотанных на ферритовом кольце из феррита 2000НМ размерами К31х18х7 в два провода диаметром 1 мм. Катушки L2, L3 наматывают на кусочках феррита диаметром 8…10 мм и длиной около 25 мм проводом диаметром 1,2 мм в один слой по всей длине феррита.
В схеме преобразователя желательно использовать импортные электролитические конденсаторы с меткой 105°. В крайнем случае допустимо применение других конденсаторов, подходящих по размерам. Конденсатор С12 набран из трех конденсаторов емкостью 220 мкФх400 В. Неэлектролитические конденсаторы любого типа, например К73-17.
В качестве резистора R25 применяют три включенных параллельно резистора типа SCK105 или подобных, используемых в компьютерных блоках питания. Резисторы R22, R23 типа С5-5-10Вт, R27–R30 – С5-16В-5Вт. Остальные резисторы любого типа, например МЛТ. Подстроечный резистор R9 типа СП3C19АВ или другой малогабаритный.
Высокочастотные диоды желательно использовать такие, как указано на схеме (КД212 и КД2999), так как импортные
диоды, широко сейчас распространенные, не всегда хорошо работают на высоких частотах, особенно свыше 50 кГц. Диодные мосты можно применить любые подходящие по размеру: VD3 – с выпрямленным током не менее 500 мА; VD4 – с выпрямленным током не менее 8 А и напряжением не менее 400 В.
Транзисторы BSS88 можно заменить другими подобными полевыми транзисторами с изолированным затвором и n-каналом (напряжение стокCисток более 50 В, ток стока 0,15…0,5 А). Это могут быть транзисторы типов BSS123, BS108, 2SK1336 и т.п. Вместо мощных полевых транзисторов 2SK956 подойдут транзисторы типов 2SK787, IRFPE50.
К сожалению отечественные аналоги вышеуказанных транзисторов автору неизвестны.
Микросхему TL494CN можно заменить микросхемой TL494LN, что позволит использовать преобразователь напряжения при температурах окружающей среды до -25°С, так как TL494CN работоспособна только при температуре выше 0°С. Также вместо нее можно применить аналог КА7500В. Оптопару АОТ101БС можно заменить АОТ101АС, PS2501C2. В качестве микросхемы DA2 можно применить КР142ЕН8Е или 7815. В случае использования микросхемы 7815 в изолированном корпусе при установке ее на радиатор изолирующая прокладка не потребуется.
Транзисторы КТ502Е, КТ503Е допустимо заменить КТ502Г, КТ503Г, а диоды КД510А – практически любыми импульсными диодами, например, КД503, КД522 и т.п.
Настройка.
Перед первым включением преобразователя в сеть следует снять сетевое напряжение с силовых цепей и подать питание только на трансформатор Т2. В первую очередь убеждаются в напряжении питания +15 В с выхода DA2. Затем с помощью осциллографа убеждаются в наличии импульсов на затворах полевых транзисторов VT9, VT10 и соответствии их осциллограммам рис.3.з,и. При замыкании накоротко конденсатора С3 импульсы должны исчезать, а на затворах VT9, VT10 устанавливаться нулевое напряжение.
Далее, установив движок резистора R9 в среднее положение, подают напряжение питания на остальную часть схемы. С помощью вольтметра контролируют напряжение на выводе 1 DA1, устанавливая величину 2,5 В подбором сопротивления резистора R7. Подстроечным резистором R9 можно в небольшой степени изменять выходное напряжение преобразователя, однако необходимо контролировать импульсы на затворах полевых транзисторов VT9, VT10, чтобы их длительность не приближалась к крайним пределам (слишком короткие или слишком длинные), а находилась в среднем положении. В противном случае, при возрастании нагрузки или изменении напряжения питающей сети, стабилизация выходного напряжения ухудшится.
Для того чтобы не перегружать преобразователь напряжения и не сжечь мощные полевые транзисторы, настройку защиты по току лучше выполнить следующим образом.
Временно впаивают вместо резисторов R27–R30 резисторы сопротивлением 1 Ом и мощностью 2 Вт. К выходу преобразователя подключают нагрузку и амперметр. Устанавливают ток нагрузки 1,3…1,4 А и подбором сопротивлений резисторов R32, R33 добиваются срабатывания токовой защиты. Затем впаивают на место резисторы R27–R30.
На этом настройку преобразователя напряжения можно считать законченной.
Если для питания усилителя или какой-либо другой нагрузки требуется иное напряжение, то выходное напряжение преобразователя можно изменить, изменив количество витков обмоток IV и V трансформатора Т1. При этом следует иметь в виду, что на один виток вторичной обмотки приходится около 7 В.
Литература:
Радиiаматор 2005_11 Автор:И.А. Коротков, Киевская обл.
Загрузка...