Компактный блок питания на полумостовом автогенераторе

В общем. На самом деле, этот преобразователь в силу схемотехнической простоты и малого количества деталей может быть выполнен даже навесным монтажом с использованием в качестве основания радиатора охлаждения транзисторов, а в качестве монтажных лепестков - жестких выводов силовых транзисторов, диодов и силового трансформатора. Даже в этом случае повторяемость преобразователя достаточно высока и определяется в основном качеством деталей и, собственно, монтажа. Автор и сам не раз монтировал подобные конструкции именно таким образом. Конструктив при навесном монтаже за счет использования объема получается компактным и достаточно жестким. Однако, конструкция, выполненная навесным монтажем имеет низкую ремонтопригодность (довольно сложно, согласитесь, в большинстве случаев при объемном монтаже добраться жалом паяльника до выводов детали, которую предстоит заменить). Печатная плата имеет в этом плане неоспоримое преимущество. А если плата достаточно универсальна, то может послужить и полигоном для импровизаций, позволяющих изменить или дополнить схему уже готового устройства. В данном случае как раз и была произведена попытка создания универсальной (в некотором роде) печатной платы, на которой можно было бы собрать два вида преобразователей - классический полумостовой автогенераторный или квазирезонансный; с использованием мощных биполярных или КМОП-транзисторов. Плата в большей степени задумывалась как проверочная, для испытания практически всех компонентов, применяемых в этом преобразователе, но и могла бы использоваться в качестве платы готового малогабаритного блока питания.

Рис 1. Принципиальная схема блока питания

О схеме (рис 1). Блок питания (далее - БП) рассчитан на работу от осветительной электросети с переменным напряжением ~220В с перепадами напряжения +/-15%. На входе БП установлен предохранитель FU1 и токоограничительный резистор R1, предотвращающий короткое замыкание питающей сети при заряде конденсатора С5. Перед выпрямительным мостом D3 включен симметричный LC-фильтр (Dr1, C1, C2) предотвращающий проникновение в осветительную сеть "продуктов" работы преобразователя - нежелательных гармоник, создающих помехи в осветительной сети и способных повлиять на работу прочих приборов, к этой сети подключенных. Цепь запуска преобразователя выполнена на компонентах R5, D6, C8, VD1 и представляет собой релаксационный R-C генератор, где конденсатор С8, заряженный (через резистор R5) до уровня порога срабатывания динистора, разряжается через динистор в обмотку II трансформатора Tr2 коротким и достаточно мощным импульсом, создавая условие для отпирания одного из транзисторов преобразователя, после чего (в обмотках 2 Tr2 наводятся разнополярные импульсы) преобразователь переходит в режим автогенерации. Условия генерации (частота, девиация) преобразователя определяются параметрами положительной обратной связи по напряжению. Напряжение со вторичной обмотки III силового трансформатора (далее - СТ) Tr1 через резисторы (конденсаторы, устанавливаемые вместо одного из резисторов) R7, R9 подается на обмотку I коммутирующего трансформатора (далее - КТ) Tr2. Создаваемый при этом ток в обмотке I Tr2, насыщает его сердечник, и это важно, т.к. на время насыщения сердечника оба транзистора гарантированно запираются перед переключением. То же самое происходит и при смене полярности импульса на выходных обмотках трансформатора Tr1, благодаря чему между сменой полярности выходных импульсов образуется ступенька-пауза, исключающая возможность протекания сквозного тока через транзисторы, который мог бы стать источником возможных дополнительных потерь и дополнительным аварийным фактором. После появления "рабочих" импульсов на вторичных обмотках преобразователя через диод D2 и резистор R2 начинает заряжаться конденсатор C3. Как только напряжение на его обкладках достигнет значения, достаточного для создания необходимого тока через управляющий переход симистора VS1, последний откроется и зашунтирует токоограничительный резистор R1. Такая схема двухступенчатого запуска служит для облегчения старта преобразователя при большой емкостной нагрузке. Поэтому в большинстве случаев можно обойтись и без этого узла, рассчитывая на то, что дроссель Dr3 (при достаточной индуктивности) облегчит запуск преобразователя при больших емкостях конденсаторов С13, С11. В таком случае, обмотка IV трансформатора Tr1 становится избыточной. Вместо резистора R1 в этом случае следует установить NTC-термистор сопротивлением 5-10Ом, с током от 3А. 

Немного о квазирезонансном режиме. Работа преобразователя в квазирезонансном режиме предполагает "мягкую" коммутацию силовых ключей, когда их запирание происходит при минимальном токе коллектора (стока). Это обстоятельство позволяет значительно снизить энергетические потери на самом ключе (как следствие и - тепловыделение), повысить КПД блока питания в целом. Уменьшение излучаемых помех так же является полезным свойством квазирезонансного (резонансного) преобразователя.  В статье не предусмотрено описание работы преобразователя в квазирезонансном режиме и испытания БП в этом режиме не производились, однако возможность построения в приведенной принципиальной схеме - имеется, и заложена в конструктиве печатной платы (далее - ПП).

Немного о коммутирующем трансформаторе. Те, кто хотел бы применить КТ собственной конструкции, - под имеющиеся магнитопроводы, должны знать, что сердечник КТ не должен иметь магнитных зазоров и должен быть ферритовым, - это условие насыщения сердечника. Чем меньше индуктивность обмотки I и площадь сечения магнитопровода, тем выше частота коммутации. Магнитопроводы можно выбирать любых геометрических размеров (с наружным диаметром 10-22мм по крайней мере работали без проблем), с магнитной проницаемостью 600-3000НН. Для расчета витков и их соотношений нужно иметь ввиду следующие факторы. Напряжение на вторичных обмотка КТ (Tr2) всегда должно быть несколько выше максимального напряжения входа управляемого прибора. Т.е., если это биполярный транзистор с падением напряжения на эмиттерном переходе = 0,6В, то расчетное напряжение на вторичной обмотке должно быть примерно в пару раз выше. Для МОСФЕТ (КМОП)-транзисторов следует выбирать не менее чем полуторное значение запаса по напряжению вторичных обмоток КТ относительно напряжения затвор-исток, указанного в datasheet для минимального сопротивления канала. В этом случае преобразователь надежно будет функционировать при заниженных значениях входного напряжения, а силовые ключи преобразователя гарантированно не войдут в область линейного режима, при котором могут быть разрушены в течении пары секунд. Избыточное напряжение (мощность - для биполярных транзисторов) будет рассеиваться на сопротивлениях резисторов R6-R9. Таким образом, при расчете КТ можно отталкиваться от геометрических размеров магнитопровода, имея ввиду предполагаемое максимальное количество витков; напряжением вторичных обмоток СТ, с которых будет производиться съем напряжения для ОС; отношением количества витков обмотки I к количеству витков обмотки II КТ. Так, если рассчитывается КТ для биполярных транзисторов, имеется ферритовый кольцевой сердечник с геометрическими размерами 10Х6Х4, а напряжение вторичной обмотки, желаемую для съема ОС, составляет 12В, наматываем на сердечник первичную обмотку любым проводом в изоляции, имеющим совокупный диаметр 0,25-0,4мм. Число витков берем произвольное, например – 20. При этом в окне магнитопровода КТ должно остаться место для пары вторичных обмоток. Разделив напряжение, подаваемое с в торичной обмотки СТ на количество витков первичной обмотки КТ, получаем значение вольт на виток = 0,6В. Учитывая то, что для нормальной работы биполярных ключей необходимо вдвое большее значение, понимаем, что витков должно быть не менее, чем 2. Можно и 3, если ток базы транзистора (определяется суммой сопротивлений резисторов R6-R9 соответствующей мощности) не превышает допустимого значения для выбранного транзистора.

О компонентах. Практически все компоненты могут быть использованы от старых компьютерных блоков питания (далее - БПК). Так, например, плата приспособлена для размещения СТ от БПК АТ-АТХ с выходной мощностью 200-400Вт, схема которых имела двухтактное полумостовое построение. ПП разрабатывалась под размеры основания каркаса СТ 29,5Х28мм с расстоянием между рядами выводов 22,5мм. Транзисторы так же могут быть использованы от старых БПК, как биполярные (далее - БТ), так и полевые (далее - ПТ); как от корректоров мощности, так и от преобразовательных каскадов; как от прямоходовых однотактных преобразователей, так и от полумостовых. Первичное условие: транзисторы должны иметь рабочее напряжение от 300В, а ток не менее 5А. Вторичное условие: транзисторы должны быть однотипными. Т.е., если будут использоваться ПТ, то напряжение затвора, соответствующее полному отпиранию канала должно быть одинаково для обоих транзисторов. Для БТ немаловажно близкое значение коэффициента усиления, напряжение насыщения К-Э транзисторов. Симметричный динистор для схемы запуска можно извлечь из платы преобразователя электронного балласта практически любой энергосберегающей люминесцентной лампы или электронного трансформатора для галогенных ламп. В качестве КТ можно использовать развязывающий трансформатор от БПК (без доработки, как для работы с БТ, так и для работы с ПТ) или КТ, извлеченные из электронных трансформаторов или балластов (с последующей доработкой). Данные по использованию КТ в различных вариантах приведены в таблице на рис 3.

О сборке. ПП (рис 2, рис 2а, рис 2б, рис 2в) при наличии готовых моточных компонентов собирается в течении получаса без каких-либо затруднений. Дроссель Dr1 используется без каких либо доработок от БПК. В качестве Tr1 использован СТ от БПК без доработки. Если в качестве КТ  будет использоваться развязывающий тр-р от БПК, то к выводам самого тр-ра необходимо будет припаять удлиняющие проволочные выводы и сформовать их под расположение отверстий позиции трансформатора Tr2. Сделать это совершенно не сложно, т.к. последовательность выводов тр-ра БПК "правильная" для большинства из них. Рекомендую сразу же впаять поверенную комбинацию элементов ОС для КТ, имеющих моточные данные из таблицы: конденсатор 62нФ (вместо резистора R9) и резистор R7 номиналом 56 Ом (1-3Вт). Резисторы R6 и R8 или прочие компоненты их заменяющие на плате в этом случае не нужны. И не рекомендую до процесса наладки устанавливать на плату выходные диоды D13-D19. Далее необходимо выводы обмотки III Tr1 впаять в отверстия платы с обозначением Pad3, Pad4 или, если эта обмотка отсутствует, перемычками от этих отверстий - до концов выбранных по таблице на рис 2 вторичных обмоток (II Tr2). В случае использования классической схемы преобразователя следует вместо дросселя Dr2 установить перемычку. Восстановить на плате пару конденсаторов с указанными значениями номиналов. Вот и - классический полумостовой автогенератор. Обмотка III Tr1 так же может оказаться не обязательной к использованию, т.к. для съема напряжения для ОС можно использовать напряжения выходных силовых обмоток II Tr2. В случае использования квазирезонансного построения схемы, следует отказаться от использования конденсатора С6, а вместо конденсатора С7 использовать конденсатор расчетной емкости для соответствующей частоты преобразования. индуктивность дросселя Dr2 так же следует изначально рассчитать. В снабберной цепочке R10/C9 при работе преобразователя в указанном режиме так же нет особой нужды.

О подключении и мерах безопасности. Следующий этап - подключение БП к сети. В процессе наладки это лучше делать через развязывающий трансформатор ~220/~220В и подключенной в разрыв между одним из входных питающих проводов между БП и развязывающим тр-ром балластного сопротивления (токового ограничителя) в виде лампы накаливания, рассчитанной на напряжение осветительной сети (~220В) и мощностью 100-150Вт. Применение развязывающего тр-ра защитит при случайном касании от попадания под потенциал осветительной сети, а лампа в случае неправильного монтажа или действий предохранит электронные компоненты от повреждения. Для удобства установка выключателя в разрыв одного из питающих проводов не помешала бы. К вторичной полуобмотке II Tr1, соответствующей одному из выходных напряжений (+12В или -12В) следует припаять контрольную лампу небольшой мощности в качестве индикатора. Я использовал галогенную лампу 12В/20Вт. Контроль осциллографом следует осуществлять по любой из вторичных обмоток (так безопаснее для самого осциллографа).

О наладке. Предположим, что собран вариант БП с ПТ и использованием в качестве КТ - кольцевого ферритового магнитопровода размера 10Х6Х5 с намотанными на нем обмотками 2Х10+20 витков эмалированного провода диаметром 0,25-0,35мм (по таблице). КТ распаивается на месте, обозначенном Tr2 с точкой, обозначающей вывод 1. Отсчет прочих выводов - по часовой стрелке. Отверстие 1 - начало обмотки I; отверстие 2 начало обмотки II; 3 - конец обмотки II; 4 - начало второй обмотки II; 5 - конец второй обмотки II; 6 - конец обмотки I. При правильной фазировке обмоток II КТ относительно управляющих входов силовых ключей (затвор-исток) и обмотки I относительно выбранной обмотки II (или доп. обмотки III) СТ, а так же при указанных компонентах цепи ОС, запуск БП гарантирован при любых нагрузках в пределах заявленной мощности БП (правда, для начала, при последовательно подключенной балластной лампе следует ограничиться мощностью нагрузки 40-60Вт). При подаче питания на БП - короткая вспышка на балластной лампе, индицирующая заряд конденсатора С5 с дальнейшим ярким свечением индикаторной лампы, - так все и должно быть в идеале. Если этого не произошло, необходимо сменить фазировку обмотки I коммутирующего тр-ра относительно обмотки II (III) СТ. Если и в этом случае не произошло запуска, необходимо проверить наличие импульсов запуска. Эти импульсы можно увидеть на медленной развертке (1-5мс) осциллографом на пределе 0,5В/дел. Очень короткие по длительности импульсы с частотой следования от единиц до нескольких десятков Герц амплитудой до 1В (на самом деле они имеют большую амплитуду, но моим осциллографом я вижу только основание импульсов). При использовании рекомендованного развязывающего тр-ра, импульсы можно посмотреть в точке соединения R5-C8. При наличии импульсов запуска и при уверенности в правильности монтажа и целостности деталей, а, так же, в правильности намотки тр-ра, следует подобрать сопротивление резистора R7 с изменением фазировки обмотки I Tr2 при очередном неудачном запуске после изменения номинала резистора R7. Если все получилось и БП запускается без проблем, следует оставить его включенным на некоторое время без нагрузки (при одной лишь индикаторной лампе) и определить частоту преобразования. Оптимальной следует считать частотный диапазон от 27 до 100кГц. Именно в этом диапазоне хорошо (без ощутимых потерь) работают и ПТ и трансформаторы от БПК. Частоту для работы с БТ следует выбирать в диапазоне 25-55кГц. Через 2-5 минут БП следует отключить и проверить силовые компоненты на нагрев. Его не должно быть в принципе. И ключи и трансформаторы должны быть холодными, как будто их и не включали (для ПТ). Нить балластной лампы не должна светиться в процессе работы БП на индикаторную лампу. Если все так, то можно продолжить процесс наладки с помощью более мощных нагрузок. Пока еще не удаляя защитную лампу из схемы, подключаем нагрузку мощностью 50Вт. БП должен запуститься без проблем. При работе с ПТ в качестве ключей, частота генерации имеет значительно меньшие изменения нагруженного БП относительно его холостого хода; при использовании БТ изменение частоты гораздо существеннее (отображено в таблице). После проверки БП с нагрузками без участия выходных выпрямителей, следует распаять на ПП диоды выпрямителей (D12-D19 - расположены с обеих сторон ПП с одинаковой нумерацией - впараллель).

О тестировании. Биполярные транзисторы, используемые при тестировании БП: КТ854А, КТ872, КТ8110А, 2SC2625, MJE13007, 2SC4106, BU508. МОСФЕТы: IRFP460, IRF840, IRF740, PQPF20N60, RHJ3047. Самые хорошие результаты по таким критериям, как термостабильность, малый уход частоты, был получен с применением практически любых ПТ из списка тестируемых (включая IGBT RHJ3047). Все без исключения ПТ до мощности нагрузки 150Вт способны были работать без радиаторов с температурой корпуса не более 40С. Самые плохие результаты были продемонстрированы при использовании отечественных БТ. Сильный разогрев, вызываемый не столько мощностью нагрузки, сколько током, протекающим через переход Б-Э (отсюда необходим тщательный подбор компонентов ОС). Сильный уход частоты во времени даже без нагрузки, невозможность работы без хорошего охлаждения. Тем не менее транзисторы КТ854А и КТ8110А неплохо работали в качестве замены в 150 ваттных электронных трансформаторах Ташибра (Tashibra), где в их базовых цепях были установлены низкоомные резисторы. Импортные биполярные транзисторы (из списка) работали неплохо в целом, беспричинный разогрев не наблюдался, частота во времени держалась стабильно при различных нагрузках и холостом ходе. Все же 2SC2625 по всем параметрам - №1 среди биполярных транзисторов.

Рис 2 - ПП (вид со стороны расположения элементов)

Рис 2б (ПП - вид со стороны пайки)

Рис 2в (вид изготовленной ПП - расположение элементов)

Рис 2в (вид изготовленной ПП со стороны пайки)

Рис 3 таблица данных КТ и элементов ОС

Рис 4 (Плата блока питания в сборе на полевых транзисторах с КТ от БПК)

Рис 4а (ПП в сборе на БТ)

Рис 4а (ПП в сборе на ПТ)

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Блок питания
• DipTrace