Двухтактный импульсный источник питания
Двухтактный импульсный источник питания.
В настоящее время при мощности менее 300 Вт наибольшее распространение получили импульсные источники питания (ИИП), выполненные по схеме однотактного обратноходового преобразователя (ООП). Объясняется это, видимо, их технологичностью для серийного производства — минимальным числом намоточных элементов, силовых компонентов и разнообразием микросхем для управления такими источниками. Но за внешней простотой схемы стоит относительно высокая стоимость высоковольтных ключевых элементов, а также сложность в расчете, в первую очередь трансформатора, а также демпфирующих элементов. Эти недостатки могут стать существенным препятствием при разработке источника в единичном экземпляре.
Но импульсный источник может быть выполнен и по другой схеме, например, по схеме полумостового преобразователя. Такой источник имеет большее число элементов, в том числе и намоточных, что делает его менее технологичным в производстве, но у него есть и свои преимущества.
Во-первых, транзисторы должны быть рассчитаны на амплитудное напряжение сети, а не на удвоенное напряжение для схемы с ООП. Номенклатура таких транзисторов шире и стоить они могут даже меньше, чем один на удвоенное напряжение.
Во-вторых, основной индуктивный элемент - трансформатор - работает в режиме перекачки и не накапливает магнитную энергию; работа его происходит в симметричном режиме при небольших токах намагничивания. Поэтому по сравнению со схемой ООП такой трансформатор имеет меньшие габариты при одинаковых мощностях, и расчет его проще. Малый ток намагничивания означает малую накапливаемую энергию в индуктивности рассеяния, поэтому для ее гашения не требуются сложные демпфирующие цепи, и процессы переключения в преобразователе значительно “спокойнее”.
Проблемы, которые существовали ранее при построении ИИП по схеме полумостового преобразователя — проблемы сквозного тока, начального запуска и регулирования выходного напряжения— успешно разрешаются с развитием интегральной схемотехники.
Предлагается схема импульсного источника питания с полумостовым преобразователем с регулируемым выходным напряжением без стабилизации. Автор использует данное устройство в качестве паяльной станции. Расчет элементов источника питания, построение и наладка не вызывают затруднений, что является главным его достоинством.
Узел управления выполнен на микросхеме КР1156ЕУ2, которая представляет из себя высокочастотный ШИМ-контроллер, оптимизированный для построения двухтактных высокочастотных импульсных источников питания.
Схема устройства приведена на рис. 1. Напряжение сети поступает через фильтр C1L1C2, выпрямляется диодным мостом VD1 и через токоограничительный резистор R6 заряжает конденсаторы С11 и С12, образующие одно плечо моста. Другое плечо образовано транзисторами VT1, VT2. В диагональ моста включена первичная обмотка трансформатора Т2. Полевые транзисторы VT1, VT2 поочередно открываются импульсами с выхода микросхемы DA1; VT2 управляется непосредственно от микросхемы, a VT1 — через трансформатор Т1, служащий для гальванической развязки. В цепи затворов включены резисторы R8 и R9, которые совместно с емкостями затворов образуют НЧ фильтры, снижающие помехи при переключении.
Для дальнейшего описания кратко рассмотрим работу микросхемы КР1156ЕУ2, которая представлена в [1] (рис. 2).
Микросхема ШИМ-контроллера КР1156ЕУ2 имеет два выходных каскада (выводы 11, 14), рассчитанные на значительный выходной ток (как втекающий, так и вытекающий): постоянный — 0,5А, импульсный — до 2 А.
Управляется микросхема внутренним генератором, частота которого задается подключением резистора к выводу 5 и конденсатора к выводу 6 (R5C7 на рис. 1).
Частота преобразователя выбрана равной 50 кГц. Для широтно-импульсной модуляции выходных сигналов служит устройство, состоящее из триггеров и усилителя сигнала ошибки.
С помощью усилителя сигнала ошибки можно осуществить стабилизацию выходного напряжения за счет сравнения части выходного напряжения с опорным, подключив соответствующим образом отрицательную обратную связь на вход усилителя.
В данной конструкции эта возможность не используется, поэтому соединения сделаны следующим образом. На не инвертирующий вход (вывод 2) подано напряжение +5,1В с источника опорного напряжения (вывод 16). На вывод 7 подано пилообразное напряжение с вывода 6. Инвертирующий вход усилителя (вывод 1) соединен с общим приводом через резистор R4.
При таком включении усилитель сигнала ошибки установлен на максимальную длительность выходных импульсов. Для управления длительностью импульсов использована другая возможность контроллера - узел “мягкого запуска” с выводом 8. Если на этот вывод подать изменяющееся приблизительно от 2,25 до 4,5В напряжение, то длительность выходных импульсов будет регулироваться в пределах 0...100 % от максимальной. Максимальная длительность импульсов составляет соответственно 80 % от длительности полупериода. Ток по выводу 8 очень мал (порядка 10 мкА); подключением конденсатора к этому выводу можно осуществить так называемый “мягкий запуск”, когда работа преобразователя начинается с минимальной длительности импульсов, и постепенно, за счет заряда конденсатора, увеличивается до стационарного значения.
В данном устройстве длительность импульсов, а значит и выходное напряжение, регулируется переменным резистором R2. Резистор включен в цепочку делителя R1—R3, подключенную к опорному напряжению +5,1 В.
Назначение вывода 9 — защита по току. Если ток через транзистор VT2 превысит 1А, то напряжение на выводе 9 будет более 1 В и выходы микросхемы переключатся в состояние "выключено" до окончания текущего цикла.
Напряжение питания микросхемы поступает на вывод 15. Отдельные выводы силового питания Ucc (вывод 13) и общего привода PGND (вывод 12) позволяют, при необходимости, развязать по питанию мощный выходной каскад, являющийся источником помех, от остальной части преобразователя.
Напряжение питания поступает с выпрямителя на диодах VD12, VD13 и конденсаторе СЮ. При включении устройства в сеть это напряжение отсутствует, поэтому необходимо решить проблему первоначального пуска. Для этого используется следующая особенность микросхемы. Если напряжение питания микросхем меньше 9В, контроллер находится в выключенном состоянии, сигналы на выходах А и В отсутствуют, микросхема потребляет ток порядка 1 мА и не шунтирует конденсатор С6, который заряжается через резистор R7.
При достижении напряжения приблизительно 9, 8В микросхема включается. Преобразователь запускается, на обмотке III трансформатора появляется напряжение, которое выпрямляется и обеспечивает питание микросхемы во время работы (около 15В в данном устройстве). Вывод 15 микросхемы имеет гистерезис 0,8В, поэтому выключится микросхема только при снижении напряжения питания ниже 9,0 В, в результате кратковременное снижение напряжения на выводе 15 при запуске микросхемы не приводит к ее выключению.
Как уже говорилось, форма сигнала на выходах А и В представляет собой попеременно появляющиеся импульсы с максимальной длительностью 80 % от полупериода, поэтому между закрыванием одного транзистора и открыванием другого есть достаточно большой интервал. В результате момент, когда оба транзистора открыты, исключен, и сквозные токи отсутствуют.
Выходное напряжение с обмотки II выпрямляется диодами VD14—VD17 и через дроссель L2 поступает на конденсатор С13 и далее на выход преобразователя. Назначение дросселя L2 — выделение из выпрямленной последовательности прямоугольных импульсов постоянной составляющей. Напряжение на выходе выпрямителя U = Uog , где Uо— амплитуда напряжения на выходе диодного моста, g — коэффициент заполнения.
В паузах между импульсами выпрямленного напряжения все диоды выпрямителя оказываются открытыми, и через них энергия, накопленная в дросселе, поступает в нагрузку.
Для обеспечения режима непрерывного тока в дросселе и плавности регулирования выходного напряжения его индуктивность должна рассчитываться по формуле: L > R ( 1 - g )/2f. (2)
Для нагрузки 40 Ом, f = 50 кГц и g min = 0,3 L > 0,3 мГн. При U = 50В и изменении g = 0,3...0,7 Uвыx = 15...35B.
В блоке применены детали импортного и отечественного производства.
VD1 — диодный мост W06M с Uобр = 600В; Iпр. max =1,5А. С11, С12 — по два параллельно соединенных конденсатора 47 мкФ, 160 В фирмы Jamicon.
VD14—VD17 — импортные SF22 с параметрами: Uобр = 100В, Iпр. max - 2 А; время восстановления 35 не. Следует отметить, что от быстродействия этих диодов сильно зависит КПД и уровень помех устройства.
Трансформатор Т1 намотан на кольце К10x6x4,5 из феррита М2000НМ1, число витков обмоток I — 50, II — 40, диаметр провода 0,15 мм, Т2 — на кольце К31х18,5x7 из феррита М1000НМ1, обмотка I содержит 160 витков провода ПЭВ-1 диаметром 0,3 мм, II — 40 витков такого же провода диаметром 0,6мм, III — 2x15 витков провода диаметром 0,15 мм. Расчет трансформатора производился по формулам, приведенным в [3].
Дроссель L2 намотан на кольце К20х10х5 из феррита М2000НМ1 с зазором 1,5 мм; число витков — 110, провод диаметром 0,5 мм. Зазор выполнен алмазным полотном, в зазор для прочности вклеена прокладка из текстолита [4].
Транзисторы VT1, VT2 — IRF720 с параметрами: Iсmax = 400 В, Iсmax = 3,3 А, сопротивление открытого канала 1,8 Ом. Транзисторы установлены на небольшие радиаторы. VD7, VD8 — по два последовательно соединенных стабилитрона на суммарное напряжение стабилизации 18В. Остальные детали — типовые для импульсных источников.
При налаживании устройства к выводам 15 и 10 микросхемы DA1 подключаем внешний источник питания + 12В и проверяем ее работу: наличие сигналов на выходах А и В, их форму и изменение длительности импульсов при регулировании резистором R2. При необходимости подбираем резисторы R1 и R3 на необходимый диапазон регулирования.
Далее подключаем вместо 220В напряжение порядка 30...40В, не отключая источника + 12В.
Проверяем сигнал в точке соединения транзисторов, а также формирование напряжений на выходе устройства и на конденсаторе С10. Напряжения должны быть пропорционально уменьшенными по сравнению со стационарным режимом. После этого убираем источник +12В и устройство можно включить в сеть 220 В.
В последнюю очередь уточняем число витков обмоток I и III трансформатора Т2: III — для обеспечения питания +15В, II — на необходимое максимальное напряжение источника.
С. Горшенин
Литература:
1. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Справочник, издание 2-е. — М.: Додека, 2000.
2. Э. М. Ромаш. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Радио и связь,1981.
3. В. Жучков. Расчет трансформатора импульсного блока питания. — Радио, 1987, № 11, с. 43.
4. С. Бирюков. Дроссели для импульсных источников питания на ферритовых кольцах. — Схемотехника, 2002, № 6, с. 4—7.
Материал подготовил C. Струганов (UA9XCN
