Схема импульсного однотактного блока питания: Обзор импульсных блоков питания и электронных трансформаторов. Часть 1

Содержание

Из чего состоит импульсный блок питания часть 3

Что вообще такое - инвертор.
Данный узел предназначен для преобразования постоянного тока в переменный. В данном случае мы имеем на входе 310 Вольт постоянного тока, которые надо подать на трансформатор. Но так как трансформаторы не хотят работать на постоянном токе, то и нужен инвертор.

Инвертор состоит из двух основных узлов.
ШИМ контроллера.

А также выходных высоковольтных транзисторов. Попутно весьма кстати попал в кадр трансформатор управления этими транзисторами.

Впрочем инвертор может выглядеть заметно проще, например у известного блока питания.

Микросхема, жменька деталей, вот и весь ШИМ контроллер.

В данном случае схемотехника блока питания, а также его мощность заметно отличаются от предыдущего варианта, потому транзистор всего один.

Еще один вариант, слева конденсаторы входного фильтра, справа трансформатор, между ними инвертор.
Так как на силовом транзисторе выделяется значительная мощность, то чаще всего он устанавливается на радиатор.

Но давайте немного отвлечемся на историю, с чего собственно все начиналось. Возможно конечно начиналось не с этого, потому точнее будет сказать, с чего начинал я.
Как вы понимаете, раньше не было ШИМ контроллеров, а иногда и обычную "кренку" купить была проблема, но прогресс не стоял на месте и радиолюбители пытались заменить большие трансформаторы на импульсные блоки питания.
На схеме показан типичный автогенератор, но были схемы и с простой логикой в качестве генератора импульсов.

Тогда схемы подобных блоков питания часто встречались в журнале Радио в контексте усилителей мощности. Но мое знакомство было на примере блока питания для Синклера. Кстати на фото один из них, который я оставил себе на память 🙂
Правда вышеприведенная схема требовала подбора транзисторов и в моем случае сильно перегревалась.

Схема с автогенератором считается самой простой, в данном примере она даже не имеет стабилизации выходного напряжения.

При всем современном разнообразии микросхем показанная выше схема также нашла себя в современном мире, в качестве "электронного трансформатора" для галогенных ламп.

Правда постепенно такие лампы заменяют на светодиоды, но все равно электронные трансформаторы довольно популярны, в основном из-за свой простоты и дешевизны.

Уже через довольно большое время подобные схемы получили второе дыхание. Известная фирма International Rectifier выпустила весьма простую микросхему для электронного балласта люминесцентных ламп. Но выяснилось, что данная микросхема отлично работает в качестве задающей для импульсного БП. К ним относятся микросхемы IR2151, IR2153 и подобные.
Вообще некоторые радиолюбители делали и стабилизированные блоки питания на базе этой микросхемы, но работает это не всегда корректно.

По сути для этой микросхемы надо только несколько мелких деталей и пара полевиков, вот и вся схема инвертора. Именно с применением этой микросхемы я делал первичный блок питания для своего лабораторного.
Кстати, именно эту микросхему я рекомендую для питания усилителей мощности, как неприхотливую и довольно надежную. А также хочу сказать, что нерегулируемые БП лучше себя ведут в плане шумов.

Так выглядит трехканальный блок питания с мощностью в 300 Ватт и ШИМ регулировкой вентилятора. Более полная информация есть в обзоре лабораторника.

Также довольно часто можно встретить и однотактные блоки питания на основе автогенератора. Особенно часто они попадались в АТХ боках в качестве дежурки.

Также они могут попасться и в очень бюджетных зарядных для телефонов. Автогенератор является самым простым типом инвертора.

Хотя бывают и исключения, например блок питания довольно дорогого фирменного кондиционера также имел в своем составе автогенератор, правда сделан довольно качественно и имеет стабилизацию напряжения.

В следующий раз мне попались импульсные блоки питания в новых тогда телевизорах. После больших и тяжелых трансформаторов это был прогресс.

Схемотехника правда была жуткая, ремонтопригодность слабая, да и габарит я не назвал маленьким. На фото блок питания мощностью 80 Ватт.
Сначала они также делались по схеме с автогенератором, но потом начали ставить микросхему, правда особо ничего это не изменило.

Вот и подошли мы к теме более современных инверторов, так как на этом этапе блоки питания вышли на тот схемотехнический уровень, который мы сейчас наблюдаем в современных блоках.
Да, поднимали частоту, расширяли диапазон работы, мощность, но суть осталась той же что и была 30 лет назад. Правда так как тогда интегральные ШИМ контроллеры были слабо развиты, то делали их в виде сборок.

Впрочем и в современных блоках питания не стесняются применять такие вот унифицированные модули, по своему это даже удобно.

Типовая блок схема распространенных моделей инверторов состоит из пяти узлов.
1. Узел контроля напряжения питания, защита от работы при пониженном и повышенном напряжении.
2. Вспомогательное питания или цепь запуска.
3. Силовой элемент и датчик тока. Этот узел может заметно отличаться в зависимости от топологии блока питания.
4. Собственно ШИМ контроллер, мозги блока питания.
5. Узел основного питания ШИМ контроллера.

Рассмотрим как происходит запуск большинства блоков питания, эта информация может помочь в поиске неисправностей.
После того как подали высокое напряжение, оно через резистор попадает в цепь питания ШИМ контроллера.

Как только напряжение достигнет порога включения ШИМ контроллер запускается, питаясь в это время от конденсатора в цепи питания.

Если ваш блок питания не подает признаков жизни, проверьте, есть ли питание на входе ШИМ контроллера, иногда эти резисторы уходят в обрыв.

Затем ШИМ контроллер проверяет, в порядке ли питающее напряжение. Эта цепь есть далеко не у всех инверторов, потому если ее нет, то можно сразу перейти к следующему шагу.

Если с питанием все отлично, то контроллер начинает выдавать управляющие импульсы силовому транзистору. попутно при этом контролируется ток в цепи этого транзистора и если он превышен, то ШИМ контроллер переходит в режим защиты.

Если все нормально, то буквально после нескольких тактов на выходе цепи основного питания появляется рабочее напряжение, которое и питает контроллер. Кстати это один из узлов отказа, если питания нет, то блок питания будет работать в старт-стоп режиме.

Если все этапы запуска прошли корректно, то дальше вступает в дело ШИМ стабилизация. В данном случае я всегда сравниваю ее с бочкой, в которую мы порциями подаем воду и сливая ее через другой кран с разным напором. Задача контроллера поддерживать всегда один и тот же уровень воды в бочке при том, что вводной кран может быть только в двух состояниях, открыто и закрыто.
Кстати, многие видели на выходе блоков питания резистор, подключенный параллельно питанию, он нужен чтобы обеспечить некую минимальную нагрузку, так как блоку питания тяжело работать при очень малой ширине импульса.

Для примера ширина импульсов при небольшой нагрузке.

Если увеличить нагрузку, то ШИМ контроллер увеличит подачу энергии в трансформатор, а через него в нагрузку.

Даже если к примеру нагрузить блок питания на полную, то ширина импульсов не будет полной.

Запас необходим для компенсации снижения входного напряжения.

Если снизить входное напряжение еще больше, то ШИМ контроллер просто выставит максимальную ширину импульса. Кстати, ШИМ контроллеры блоков питания не формируют 100% заполнение, так как всегда необходимо "мертвое" время для защиты выходных транзисторов. В это время выходные транзисторы закрыты.
Для обратноходовых однотактных блоков питания, а именно они используются в качестве блоков питания небольшой мощности, максимальное заполнение составляет 50%.

Самым первым ШИМ контроллером, с которым я познакомился, была легендарная TL494. Микросхема очень старая, но так получилось, что у разработчика дешевый и очень универсальный контроллер и даже спустя много лет и при наличии современных решений он еще весьма широко применяется в блоках питания.

Выпускается она многими фирмами и иногда под разными названиями, например аналог от Самсунга называется КА7500.

На первый взгляд его внутреннее устройство может показаться довольно сложным, но на самом деле таковым не является.

Если немного упростить картинку, то будет примерно так:
1 и 2, стабилизатор питания и источник опорного напряжения.
3. Генератор импульсов, задает частоту работы контроллера.
4. Два компаратора, один обычно используется для стабилизации тока, второй - напряжения.
5. Задатчик мертвого времени, т.е. минимальной паузы между открытым состоянием выходов.
6. Узел сложения всех сигналов.
7. Триггер, который управляет выходными ключами и задает логику работы, двухтактный или однотактный режим. В некоторых аналогах этот триггер сбоил на частотах ниже 100 Гц, чем доставлял немало сюрпризов строителям повышающих инверторов в 220 Вольт.

Микросхема выполнена в корпусе с 16 выводами. Сама по себе надежна, но иногда в блоках питания АТХ, где ее питание идет от источника дежурного напряжения, выходит из строя после его ухода в разнос, когда высыхал конденсатор по выходу 5 Вольт. Пробивало стабилизатор опорного напряжения и на выходе БП запросто могло появиться высокое напряжение. Потому при проверке прежде всего смотреть наличие 5 Вольт на выводе 14.

В блоках питания АТ, а потом в распространенных китайских БП в кожухе она питается от своего же силового трансформатора. Запуск происходит за счет резисторов в базовых цепях силовых ключей. При включении они сначала входят в автогенераторный режим, на выходе трансформатора появляется небольшое напряжение, микросхема начинает работать и перехватывает управление на себя. Потому если БП не запускается, то в первую очередь проверяем резисторы выделенные на схеме резисторы.

Вторым, не менее легендарным ШИМ контроллером является семейство однотактных UC384х.
Думаю что вы могли из встречать раньше в блоках питания и преобразователях напряжения.

Внутреннее устройство весьма похоже на TL494, но немного отличается. Для начала у микросхемы только один выход, а не два.
Кроме того компараторы привязаны к определенному напряжению, заданному внутри микросхемы, а не универсальные.
Ну и конечно ключевая особенность, микротоковый старт. пока микросхема не начнет работать, он потребляет очень маленький ток, потому запустить ее можно прямо от входного напряжения через резистор, TL494 так не умеет.
Чтобы запуск проходил корректно, у микросхемы есть пороговая схема определяющая напряжение включения и выключения микросхемы. Существует два варианта, около 9 и 15 Вольт.
Кроме того микросхема может иметь 50 и 100% рабочий цикл, первая идет в блоки питания, вторая в преобразователи напряжения.
Так получается четыре варианта исполнения этого контроллера.

Микросхема выпускается в разных корпусах, но наиболее распространен корпус с восемью выводами.

Типовая схема блока питания с этой микросхемой выглядит примерно так.

Сейчас на рынке есть много блоков питания с другими микросхемами, но если посмотреть на их схему, то вы увидите очень много общего, все те же узлы и элементы. Отличия если и есть, то они минимальны.

Инверторы блоков питания могут иметь разную топологию, и об этом я обязательно расскажу отдельно, но большинство выполнено по схемотехнике флайбек или полумост, две верхние схемы на чертеже. Собственно все описанные сегодня блоки питания работают именно так.

Но вернемся к ШИМ контроллерам. Перед этим я описывал варианты, когда ШИМ контроллер отдельно, а силовой узел отдельно. но также получили распространение и полностью интегрированные контроллеры, например серии TOP от Power integrations где практически все собрано в одном корпусе.
Не так давно мне даже попалась подделка, причем что интересно, она слева, с лазерной маркировкой, справа оригинал.

Распространение они получили благодаря простейшей схемотехнике, где в простом варианте блок питания состоит буквально из нескольких деталей.

Потом появились более продвинутые контроллеры, где можно задавать напряжение включения и отключения, а также ограничение выходной мощности. Но при желании их можно перевести в трехвыводный режим, соединив выводы как было на фото раньше.
Но в любом случае данные контроллеры гораздо умнее и имеют комплекс защит от разных проблем, например они выдерживали напряжение более 300 Вольт по входу просто блокируя свою работу.

Но секрет их популярности был также и в удобной программе расчета, которую предоставлял производитель. Она позволяла рассчитать все, вплоть до укладки обмоток трансформатора. А при обнаружении проблем в расчетах, выдавала подсказки.

Производитель предоставлял варианты применения своих микросхем в виде примеров. Был даже вариант компьютерного блока питания, но как-то не пошло.

Зато в небольших блоках питания, например мониторов, он встречаются весьма часто.

Кроме того я и сам их очень активно использую уже наверное лет 15.

Китайские производители также не отстают, выпуская свои варианты подобных микросхем.

Которые довольно успешно применяют в небольших блоках питания

Кстати, при желании можно использовать ШИМ контроллеры и без обратной связи от выходного напряжения, используя обмотку питания самого контроллера. Схема упрощается, но стабильность конечно будет немного ниже чем при правильной обратной связи.

В общих чертах на этом все. Вообще мне иногда кажется, что чем больше я рассказываю, тем больше остается за кадром, что еще хотелось бы рассказать более подробно, но не успеваешь. Потому скорее всего будут еще выпуски по отдельным узлам и принципам работы.
Видео получилось слишком длинным, даже сам не ожидал, и это при том, что еще почти ничего не сказал за ключевые транзисторы и часть даже вырезал, наверное болтаю слишком много 🙁

Несколько ссылок, на полезные обзоры, которые упоминались в видео.
Неплохой модуль DC-DC ZXY6005S или лабораторный блок питания своими руками
12 Вольт 6-8 Ампер блок питания, который приятно удивил
12 Вольт 5 Ампер блок питания или как это могло быть сделано
DC-DC преобразователь, как это иногда бывает
S-180-12 180W 12V / 15A блок питания в непривычном формфакторе
36 Вольт 10 Ампер 360 Ватт или продолжаем изучать как устроены блоки питания + небольшой бонус
48 Вольт, 5 Ампер и 240 Ватт или блок питания который смог удивить
Блоки питания, маленькие и очень маленькие

Импульсный блок питания мощностью 200 Вт для УМЗЧ

РадиоКот >Схемы >Питание >Блоки питания >

Импульсный блок питания мощностью 200 Вт для УМЗЧ

Здравствуй уважаемый Кот! С днем рождения тебя и всех благ, так сказать! А в качестве подарка прими такую очень полезную вещь, как источник питания для усилка.

ВНИМАНИЕ!

Часть элементов данного устройства находится под опасным для жизни напряжением сети! Некоторые элементы сохраняют опасный электрический заряд после отключения устройства от сети! Поэтому при монтаже, наладке и работе с устройством необходимо соблюдать требования электробезопасности. Повторяя устройство, вы действуете на свой страх и риск. Я, автор, НЕ несу никакой ответственности за любой моральный и материальный ущерб, вред имуществу, здоровью и жизни, причиненный в результате повторения, использования или невозможности использования данной конструкции.

Итак, начнем.

Споры о том, благо ли или зло импульсный источник питания для УМЗЧ (далее ИИП), выходят за рамки данной статьи. Лично я считаю, что правильно спроектированный, спаянный и налаженный ИИП ничуть не хуже (а по некоторым показателям даже лучше), чем классический БП с сетевым трансформатором.

В моем случае применение ИИП было необходимо потому, что я хотел засунуть свой усилок в плоский корпус.

Прежде чем разрабатывать данный ИИП, мной было изучено много готовых схем, имеющихся в сети и в литературе. Так, среди радиолюбителей очень популярны разные варианты схемы нестабилизированного ИИП на микросхеме IR2153. Преимущество этих схем только одно – простота. Что же касается надежности, то она никакая – сама ИМС не имеет функции защиты от перегрузки и мягкого старта для зарядки выходных электролитов, а добавление этих функций лишает ИИП его преимущества – простоты. Кроме того, реализация мягкого старта на данной ИМС крайне сомнительна – ширину импульсов она менять не позволяет, а методы, основанные на изменении частоты работы ИМС малоэффективны в «обычном» полумостовом ИИП и применимы в резонансных преобразователях. Долбать же электролиты и ключи огромными токами при включении блока мне как-то не очень хотелось.

Также рассматривалась возможность использования всем известной ИМС TL494. Однако при более глубоком ее изучении выяснилось, что для надежной работы вокруг этой ИМС придется повесить кучу всяких транзисторов, резисторов, конденсаторов и диодов. А это уже «не наш метод» 🙂

В результате выбор пал на более современную и быструю микросхему под названием UC3825 (русский аналог К1156ЕУ2). Подробное описание данной ИМС можно найти в ее русском даташите [1] и в журнале «Радио» [2].

Для тех, кто поленился прочитать эти источники, скажу, что это быстродействующий ШИМ-контроллер, обладающий следующими возможностями:

  • Управление  мощными  МОП-транзисторами.
  • Работа  в  устройствах  с  обратной связью по напряжению и току.
  • Функционирование  на  частотах  до 1МГц.
  • Задержка прохождения сигнала через схему 50нс.
  • Полумостовые выходы на ток до 1.5А.
  • Широкополосный усилитель ошибки.
  • Наличие ШИМ-защелки.
  • Ограничение тока в каждом периоде.
  • Плавный  запуск.  Ограничение  величины  максимальной  длительности выходного импульса.
  • Защита  от  пониженного  напряжения питания с гистерезисом.
  • Выключение  схемы  по  внешнему сигналу.
  • Точный источник опорного напряжения (5.1В +/- 1%).
  • Корпус “DIP-16”

Ну прям то что надо! Рассмотрим теперь сам ИИП.

Входное напряжение, В..................................................... 176…265;

Номинальная суммарная мощность нагрузки, Вт................... 217,5;

Уровень сигнала управления, при котором БП включен......... Лог. 1 КМОП;

Уровень сигнала, при котором БП выключен........................ <0,6 В или NC;

КПД при максимальной нагрузке, %.................................... 80;

Габариты (ДхШхВ), мм........................................................212х97х45

Выходные напряжения

Выходное напряжение, В

Минимальный ток нагрузки, А

Максимальный ток нагрузки, А

± 25

0,24

4

± 15

0

0,5

+ 5 (дежурное)

0

0,5


Принципиальная схема

Принципиальная схема ИИП показана на рисунке.


По архитектуре данный БП напоминает ИИП компьютеров формата ATX. Напряжение сети через предохранители FU1 и FU2 подается на сетевой фильтр и трансформатор дежурного питания. Использование двух предохранителей необходимо по соображениям безопасности – с одним общим предохранителем в случае КЗ в обмотке Т1 ток в ее цепи будет недостаточен для пережигания этого предохранителя, а мощность, выделяющаяся на вышедшем из строя трансформаторе достаточна для его возгорания.

Сетевой фильтр содержит двухобмоточный дроссель L1, X-конденсаторы С1, С2 и Y-конденсаторы С3, С4 и особенностей не имеет. Варистор RV1 защищает ИИП  от высоковольтных выбросов в сети и при превышении напряжением сети максимально допустимого значения.

NTC-терморезистор RK1 ограничивает ток зарядки конденсатора С5 при включении ИИП в сеть.

Напряжение, выпрямленное мостом VD1 и сглаженное конденсатором С5, поступает на полумостовой инвертор, образованный МОП-транзисторами VT1, VT2 и конденсаторами емкостного делителя С6, С7. Раздельное построение входного фильтра и емкостного делителя позволяет облегчить режим работы оксидного конденсатора фильтра, имеющего сравнительно большое значение ЭПС. Резисторы R5, R6 выравнивают напряжение на конденсаторах делителя.

В диагональ полумоста включен силовой импульсный трансформатор Т4.

Выходные цепи ИИП содержат выпрямители на диодах VD5 – VD8, VD9 – VD12, дроссель групповой стабилизации (ДГС) L3 и П-образные фильтры С11 – C16, L4, L5 и C17 – С22, L6, L7. Керамические конденсаторы С13, С14, С17, С18 облегчают режим работы соответствующих электролитов. Резисторы R11 – R14 создают начальную нагрузку, необходимую для нормальной работы ИИП на холостом ходу.

Цепочки C8, R7; C9, R9; C10, R10 – демпфирующие. Они ограничивают выбросы ЭДС самоиндукции индуктивности рассеяния и снижают создаваемые ИИП помехи.

Схема управления на основной плате не помещалась, поэтому собрана в виде модуля А1 на дополнительной плате.

Как вы наверно уже догадались, ее основой является микросхема DA2 UC3825AN. Питается она от интегрального стабилизатора на КРЕНке DA1. Конденсаторы С1 и С7 – фильтр питания. Они, как гласит ДШ, должны быть расположены максимально близко к соответствующим выводам DA2. Конденсатор С5 и резистор R8 – частотозадающие. При указанных на схеме номиналах частота преобразования БП примерно равна 56 кГц (частота работы ИМС при этом в 2 раза выше – у нас ведь двухтактный ИИП). Конденсатор С4 задает длительность плавного старта, в данном случае – 78 мс. Конденсатор С2 фильтрует помехи на выходе источника опорного напряжения. Элементы С6, R9, R10 – цепь компенсации усилителя ошибки, а R4, R6 – делитель выходного напряжения БП, с которого снимается сигнал обратной связи.

Защита от перегрузки по току реализована на трансформаторе тока Т3. Сигнал с его вторичной обмотки выпрямляется выпрямителем на диодах VD3, VD4 (основной платы). Резистор R8 (на основной плате) является нагрузкой трансформатора тока. Сигнал с R8 через фильтрующую цепочку R7, C3 (в модуле А1) подается на вход ограничения тока DA2. В этом БП реализовано потактовое ограничение тока, т. е. микросхема не дает току через ключи нарасти до опасных значений. При достижении напряжения 1 В на выводе 9 микросхема ограничивает ширину импульсов. Если же в нагрузке произошло КЗ и ток ключей увеличился быстрее, чем DA2 успела среагировать на это, напряжение на выводе 9 превысит 1,4 В. Микросхема разряжает С4 и вырубается. Ток в цепи первичной обмотки пропадает и микросхема перезапускается. Таким образом, при КЗ в нагрузке ИИП переходит в «икающий» режим.

Управление затворами полевых транзисторов реализовано с помощью трансформатора Т2. В настоящее время получило распространение использование всяких бутстрепных высоковольтных драйверов типа IR2110 и т. п. Однако недостатком таких микросхем является то, что при выходе из строя какого-либо элемента выгорает ВСЯ высоковольтная часть БП и гальванически связанные с ней узлы (с чем мне и пришлось столкнуться в процессе экспериментов с данными микросхемами). Кроме того, данные ИМС не обеспечивают гальванической развязки схемы управления от высоковольтной части, что при выбранной архитектуре недопустимо. Про особенности управления затворами можно прочитать в [3], а в [4] можно скачать программу для расчета трансформатора управления.

Диоды Шотки VD1 – VD4 в модуле А1 защищают выходы драйвера микросхемы управления. Этому также способствует резистор R11.

На элементах VT1, VT2, R1 – R5 собрана схема выключения ИИП. Смысл всего этого – коротить С4, переводя тем самым микросхему управления в ждущий режим. Такие навороты нужны для гарантированного выключения ИИП даже если вход выключения вдруг повис в воздухе (сгорел проц в блоке управления, оборвался провод) или же вышел из строя источник дежурного питания. Иными словами, работа DA2 будет заблокирована до тех пор, пока на нее подано питание и при этом на вход управления ИИП не подан уровень лог. 1.

В ИИП имеется дежурный источник питания, который может использоваться для питания блока управления усилителем с функцией дистанционного включения.

Основа дежурного источника питания – трансформатор Т1. Применение «обычного», 50-герцового трансформатора повышает надежность устройства по сравнению с получившими широкое распространение в компьютерных БП импульсными обратноходовыми преобразователями, которые очень часто дохнут, создавая различные пиротехнические эффекты. Все-таки дежурка предполагает круглосуточную работу. Выпрямленное мостом VD2 и сглаженное конденсатором С23 напряжение (около 15 В) поступает модуль А1 и на Step-Down (понижающий) импульсный преобразователь на всем известной МС34063 (русский аналог К1156ЕУ5АР). Про эту микруху можно почитать в ДШ [5]. Кто-то скажет, а зачем такие сложности? Чем не угодила КРЕНка? Дело в том, что для нормальной работы UC3825 нужно минимум 12 В во всем допустимом диапазоне напряжений сети.  При максимальном же напряжении в сети (мы ведь должны учесть всё) на выходе моста VD2 может быть аж 18-20 В. При этом если ваш микропроцессорный блок потребляет больше 50 мА, КРЕНка превратится в большую печку.

Супрессор VD14 защищает нагрузку дежурки (ваш мегасложный и супернавороченный микроконтроллерный блок управления) в случае выхода из строя источника дежурного питания (например, при пробое ключа МС34063 на ее выходе могут оказаться все 15 В).

 

Поскольку я не люблю «соплей», а данное устройство любит правильную разводку, ИИП собран на односторонней печатной плате, рисунок которой приведен ниже:



На основной плате установлены две перемычки из провода МГТФ - J1 со стороны деталей и J2 - со стороны дорожек.

Как уже отмечалось выше, схема управления не поместилась на основной плате и поэтому собрана на вспомогательной плате:
                     

Применение SMD-элементов здесь вызвано не столько желанием сделать ультрамаленький модуль и усложнить задачу покупки элементов радиолюбителям из отдаленных от г. Москва регионов, сколько требованиями по разводке высокочастотных цепей вокруг UC3825. Благодаря использованию SMD-элементов удалось сделать все печатные проводники минимальной длины. Кто хочет, может попробовать красиво нарисовать платку под обычные детальки – у меня не получилось =))

Замечу также, что сильно отклоняться от приведенной разводки платы я настоятельно не рекомендую, т. к. БП может либо начать «гадить» в эфир, либо вообще не будет работать.

Теперь о деталях. Многие из них можно вытащить из неисправных или устаревших компьютерных БП. Основная плата рассчитана на установку резисторов С2-23 (МЛТ, ОМЛТ и т. п.), резисторы R10, R13 и R14 импортные (они тоньше МЛТ). Керамические конденсаторы – К10-17Б или аналогичные импортные, С25 должен быть обязательно из диэлектрика NPO или аналогичного, С6, С7 – пленочные К73-17.

Помехоподавляющие конденсаторы С1, С2 должны быть категории Х2, а С3 и С4 – Y2. К последним это требование обязательно, т. к. от них зависит электробезопасность ИИП. Конденсаторы С8 – С10 – керамические дисковые высоковольтные импортные. Можно поставить К15-5, но они больше, придется подправить плату.

Все оксидные конденсаторы должны быть с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (Low ESR). Подойдут конденсаторы Jamicon серии WL. В качестве С5 подойдет Jamicon HS.

Дроссель L1 – от компового БП, выдранный из аналогичного места. На моем было написано “YX EE-25-02”. Дроссели L2, L4, L5 – стандартные на гантельках диаметром 9 мм, например, серии RLB0914. Дроссель L2 должен быть рассчитан на ток не менее 0,8А, L4, L5 – не менее 0,5 А. Дроссели L6 и L7 намотаны на кольцах T72 (К18,3х7,11х6,60) из распыленного железа марки -26 (желто-белого цвета). Я использовал уже готовые, поэтому сколько там витков не знаю, но при желании число витков можно рассчитать в программе «DrosselRing» [6]. Измеренная индуктивность моих дросселей 287 мкГн.

Транзисторы VT1, VT2 – n-канальные MOSFET с напряжением сток-исток не менее 500 В и током стока не менее 8 А. Следует выбирать транзисторы с минимальным сопротивлением открытого канала (Rds_on) и минимальным зарядом затвора.

Мост VD1 – любой на 800-1000 В, 6А, VD2 – любой >50В, 1А. В качестве VD3, VD4 подойдут КД522. Диоды VD5 – VD8 – Шоттки на напряжение не менее 80 В и ток не менее 1 А, VD9 – VD12 – быстродействующие (ultrafast) на напряжение не менее 200 В, ток 10…15 А и временем обратного восстановления не более 35 нс (в крайнем случае 75…50 нс). Будет совсем шикарно, если найдете Шоттки на такое напряжение. Диод VD13 – любой Шоттки 40 В, 1А.

В модуле А1 применены SMD-резисторы и конденсаторы типоразмера 0805. На позиции J1 устанавливается перемычка 0805. С5 должен быть обязательно из диэлектрика NPO или аналогичного, С6 – не хуже X7R. С1 – танталовый типа С или D – площадки на плате рассчитаны на любой из них. Транзисторы VT1, VT2 – любые n-p-n в корпусе SOT23. Диоды  VD1 – VD4 – любые Шоттки на ток 3А в корпусе SMC. DA1 можно заменить на 7812.

XP3 – разъем с ATX-материнки.

Трансформатор Т1 типа ТП121-8, ТП131-8 . Подойдет любой с выходным напряжением под нагрузкой 15 В и мощностью 4,5 ВА. Намоточные данные других индуктивных элементов приведены ниже.

Обмотка

№ контакта (Н-К)

Число витков

Провод

I

4-2

16

МГТФ-0,08

II

10-9

16

МГТФ-0,08

III

6-7

16

МГТФ-0,08

Магнитопровод

Ферритовое кольцо Т90 (К22,9х14,0х9,53) зеленого цвета, u=4600

Каждая из обмоток занимает 1 слой и равномерно распределена по кольцу. Сначала мотают обмотку I и покрывают ее слоем изоляции, например, фторопластовой ленты или лакоткани. Изоляция на этой обмотке определяет безопасность ИИП. Далее мотают обмотки II и III. Кольцо вертикально приклеивают к пластмассовой панельке с контактами, которую потом впаивают в плату. Следует отметить, что для нормальной работы этот трансформатор должен иметь минимальную индуктивность рассеяния, поэтому сердечник для него должен быть тороидальный и с максимальной магнитной проницаемостью. Я пробовал мотать этот транс на сердечнике Е20/10/6  из N67 – импульсы на затворах имели выбросы, которые приоткрывали второй транзистор полумоста:

Голубой график – импульсы на затворе VT2, желтый – напряжение на стоке VT2.

С тороидальным трансформатором, намотанным как написано выше, осциллограмма имеет такой вид:

При монтаже трансформатора управления необходимо соблюдать фазировку обмоток! При неправильной фазировке при включении сгорят транзисторы полумоста!

Обмотка

№ контакта (Н-К)

Число витков

Провод

I

-

1

МГТФ-0,35

II

1-2-3

2х75

ПЭВ-2 0,23

Магнитопровод

2 кольца К12х8х6 из феррита М3000НМ

Обмотку II мотают в 2 провода, после намотки конец одной полуобмотки соединяют с началом другой и контактом 2. Обмотка I представляет собой отрезок провода, пропущенный через кольцо в виде буквы «П». Для повышения электрической и механической прочности изоляции на провод надета фторопластовая трубка.

Обмотка

№ контакта (Н-К)

Число витков

Провод

I

4 – 2

18+18

3хПЭВ-2 0,41

II

9 – 7 – 8

6+6

ПЭВ-2 0,41

III

10 – 11 – 12

9+9

5хПЭВ-2 0,41

Магнитопровод

EI 33,0/24,0/12,7/9,7 из феррита PC40 TDK

 Трансформатор рассчитан в программе ExcellentIT(5000) [7]. Сердечник извлечен из компового БП. Сначала мотается первая половина обмотки I. Поверх нее укладывается слой изоляции (я использую лавсановую пленку от фоторезиста) и экран – незамкнутый виток медной ленты, обернутой скотчем. Экран соединен с выводом 2 трансформатора. Далее кладется несколько слоев пленки или лакоткани и мотается обмотка III жгутом из 10 проводов. Мотать надо виток к витку сжав жгут пальцами так, чтобы все 10 проводов расположились в один ряд – иначе не влезет. Конец одной полуобмотки (5 проводов) соединяется с началом другой и выводом 11 каркаса. Обмотка III покрывается одним слоем лавсановой пленки, поверх которой укладывается обмотка II аналогично III. После этого укладывается еще несколько слоев пленки или лакоткани, незамкнутый виток изолированной медной фольги, соединенный с выводом 2, слой пленки, и мотается вторая половина первичной обмотки.

Такая намотка трансформатора позволяет уменьшить индуктивность рассеяния в четыре раза.

На все выводы первичной обмотки надевают фторопластовые трубки.

Обмотка

Число витков

Провод

L3.1

24

ПЭВ-2 0,457

L3.2

24

ПЭВ-2 0,457

L3.3

40

ПЭВ-2 0,8

L3.4

40

ПЭВ-2 0,8

Магнитопровод

Кольцо T106 (К26,9х14,5х11,1) из распыленного железа -26 (желто-белое)

ДГС рассчитан в программе «CalcGRI» [8].

Сначала мотаются обмотки L3.3 и L3.4 одновременно в 2 провода. Они займут 2 слоя. Поверх них аналогично мотаются обмотки L3.1 и L3.2 в один слой. При монтаже ДГС на плату необходимо соблюдать фазировку обмоток!

Все моточные изделия рекомендуется пропитать лаком PLASTIK-71.


Транзисторы VT1, VT2 установлены на алюминиевом ребристом радиаторе размерами 60х15х40 мм и площадью поверхности 124 см2. Диоды VD9 – VD12 установлены на аналогичном радиаторе размерами 83х15х40 мм и площадью 191 см2. С указанной площадью теплоотводов блок питания способен работать длительное время под постоянной нагрузкой не более 100 Вт! Если ИИП предполагается использовать не для усилителя, а для питания нагрузки с постоянной потребляемой мощностью до  200 Вт, площадь радиаторов необходимо увеличить или применить принудительное охлаждение!

Выглядит собранный ИИП так:



Сначала на плату устанавливают все элементы, кроме VD1, VT1, VT2, T4, R7, C8, FU1. Включают ИИП в сеть и проверяют наличие напряжения +5 В на контакте 11 разъема XP3. После этого соединяют 1 и 11 контакты разъема XP3 и подключают двухлучевой осциллограф параллельно резисторам R3 и R4 (землю осцила на нижние концы резисторов, сигнальные щупы – на верхние. С установленными транзисторами и поданным силовым питанием так делать нельзя!!!). Осциллограмма должна иметь такой вид:


Если вдруг импульсы оказались у вас синфазными, значит вы накосячили при распайке обмоток  трансформатора Т2. Поменяйте местами начало и конец нижней или верхней обмотки. Если этого не сделать, то при включении ИИП с ключами будет большой и красочный салют 🙂

Если у вас нет двухлучевого осциллографа, можно по очереди проверить форму и наличие импульсов однолучевым, но при этом остается полагаться только на собственную внимательность при распайке трансформатора Т4.

Если у вас до сих пор ничего не взорвалось, не нагрелось, импульсы есть и правильно сфазированы, можно впаять все недостающие элементы и произвести первое включение. На всякий случай рекомендую это сделать через лампочку Ильича ватт на 150 (если сможете купить :D). По-хорошему, чтобы ничего не сжечь, ее конечно надо включать в разрыв цепи между плюсом С5 и полумостом. Но так как у нас печатная плата, это сделать затруднительно. При включении в разрыв сетевого провода от нее толку мало, но все-таки как-то спокойнее)). Включаем ИИП на холостом ходу и замеряем выходные напряжения. Они должны быть приблизительно равны номинальным.

Подключаем между выходами «+25 В» и «-25 В» нагрузку 100 Вт. Для этих целей удобно использовать обычный чайник 220 В 2,2 кВт, предварительно наполнив его водой. Один чайник нагружает ИИП примерно на 90 – 100 Вт. Снова замеряем выходные напряжения. Если они значительно отличаются от номинальных, вгоняем их в допустимые пределы подборкой резисторов R4 и R6 в модуле А1.

Если ИИП работает неустойчиво – выходное напряжение колеблется с некоторой частотой, необходимо подобрать элементы компенсации обратной связи C6, R9, R10. Увеличение емкости С10 увеличивает инерционность ИИП и повышает стабильность, однако чрезмерное увеличение его емкости приведет к замедлению ОС и возрастанию пульсаций выходного напряжения. Теперь можно проверить ИИП на максимальной нагрузке. Если ИИП под нагрузкой запускается неустойчиво, либо переходит в «икающий» режим, можно попробовать увеличить емкость конденсатора С3, однако слишком увлекаться этим не рекомендую – это приведет к снижению быстродействия защиты по току и возрастанию ударных перегрузок элементов ИИП при КЗ. Также можно попробовать уменьшить номинал R8. При указанном на схеме значении защита срабатывает при амплитуде тока первичной обмотки Т4 около 5 А. К слову скажу, что максимально допустимый ток стока примененных транзисторов – 8 А.

Если и теперь ничего не взорвалось, все транзисторы и конденсаторы остались на своих местах,  блок питания удовлетворяет приведенным в начале статьи характеристикам, а чайник согрелся, подключаем к БП усилок и наслаждаемся музыкой, попивая свежеприготовленный чаек 🙂

PS: Я испытал свой ИИП совместно с усилителем на LM3886. Никакого фона в колонках я не заметил (что не скажешь о комповых колонках с «классическим» трансформатором). Звук очень понравился.

Удачной сборки!

  1. Схемы ШИМ-контроллеров К1156ЕУ2, К1156ЕУ3 https://www.sitsemi.ru/kat/1156eu23.pdf
  2. Широтно-импульсные контроллеры серий КР1156ЕУ2 и КР1156ЕУ3. – Радио, 2003, №6, с. 47 – 50.
  3. Разработка и применение высокоскоростных схем управления силовыми полевыми транзисторами https://valvolodin.narod.ru/articles/FETsCntr.pdf
  4. Расчет и применение GDT https://bsvi.ru/raschet-i-primenenie-gdt/
  5. DC-DC конвертер К1156ЕУ5 https://www.sitsemi.ru/kat/1156eu5c.pdf
  6. Программа «DrosselRing»  https://radiokot.ru/forum/download/file.php?id=106660
  7. Программа «ExcellentIT(5000)» https://radiokot.ru/forum/download/file.php?id=106659
  8. Программа «CalcGRI» https://radiokot.ru/forum/download/file.php?id=106664

Файлы:
Фотография
Плата в формате Sprint Layout 5.0


Все вопросы в Форум.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Как работает импульсный блок питания ⋆ diodov.net

Подробно рассмотрим, как работает импульсный блок питания (ИБП) любого типа. Сегодня такие компоненты являются основными источниками электрической энергии любой электронной аппаратуры. Аудио аппаратуру мы в счет не берем. Там по-прежнему доминируют линейные или трансформаторные блоки питания.

Концепция ИБП известна давно. Однако реализация ее стала возможной относительно недавно. Этому способствовало появление управляемых полупроводниковых ключей с требуемыми характеристиками. В первую очередь речь идет о полевых транзисторах MOSFET. Сегодня MOSFET вытеснили практически все другие управляемые полупроводниковые приборы в области преобразователей электрической энергии малой и средней мощности. В преобразователях большой мощности лидирующие позиции занимают IGBT транзисторы, а также некоторые виды тиристоров.

Главное и неоспоримое преимущество импульсных блоков питания по сравнению с линейными (трансформаторными) БП – это значительно меньший вес и габариты при равных мощностях. Для сравнения можно взять импульсный блок питания компьютера мощностью 500 Вт и только один трансформатор мощностью 500 ВА. Разница, особенно по массе, будет ощутима.

Импульсный блок питания

Существует много схем ИБП. Однако все они сводятся к тому, чтобы снизить в первую очередь массу и габариты трансформатора. Почему именно трансформатора? Потому что он является самым громоздким, тяжелым и дорогим элемент блока питания.

Чтобы хорошо представлять, как работает импульсный блок питания, сначала рассмотрим классическую схему линейного БП.

Схема линейного блока питания

Основные задачи любого промышленного БП заключаются в снижении переменного напряжения 220 В (230 В) до требуемой величины, затем его выпрямление, сглаживание и стабилизация.

Поэтому любая схема линейного бока питания обязательно содержат как минимум следующие элементы: трансформатор, выпрямитель, фильтр, узел стабилизации. Назначение каждого элемента было более полно рассказано здесь.

Схема линейного блока питания

Теперь, глядя на составляющие функциональной схемы линейного БП, давайте рассуждать, какие элементы приводят к росту его массы и веса. В качестве выпрямителя чаще служит диодный мост. Снизить его размеров не даст особого эффекта. Да и реализовать этот будет затруднительно.

Узел стабилизации может быть реализован по-разному. Поэтому на нем мы тоже сэкономить мало что сможем. Остаются только два элемента: фильтр и трансформатор. Фильтр представляет собой электролитический конденсатор большой емкости. Но изменение его параметров, как мы увидим далее, не позволит получить сколь-нибудь ощутимый выигрыш. Остается исследовать возможности способы минимизации трансформатора.

Основная задача его заключается в передаче мощности со стороны источника высокого на сторону низкого напряжения. При этом необходимо обеспечить гальваническую развязку высоковольтных с низковольтными цепями. Гальваническая развязка необходима для преимущественного большинства устройств по условиям безопасности, как персонала, так и низковольтного оборудования. А трансформатор, как никакой другой элемент выполняет эти и другие условия. При этом он имеет максимальный коэффициент полезного действия, достигающий 99 %. По этой причине ему до сих пор не могут найти альтернативу, за что приходится расплачиваться повышенной массой и размерами в целом БП.

Безтранформаторные источники питания

Конечно, всегда возникал вопрос: а можно ли вообще обойтись без трансформатора? Здесь ответ неоднозначный. И можно и нельзя. Более того, существуют безтрансформаторные источники питания. Для снижения напряжения применяют конденсатор. Конденсатор характеризуется реактивным сопротивлением при работе в цепях переменного тока. Именно это свойство благополучно используется. Однако реактивное сопротивление конденсатора зависит обратно пропорционально от его емкости. Поэтому с увеличением нагрузки необходимо применять конденсатор большей емкости, что очень сказывается на его размерах. Кроме того возрастает его цена, поскольку он должен быть рассчитан на 400…450 В. Помимо всего прочего, использование реактивного сопротивления негативно влияет на качестве электроэнергии питающей сети. Снижается коэффициент мощности cosφ. Но самый главный недостаток заключается в отсутствии гальванической развязки. Это исключает применение подобных схем в преимущественном большинстве радиоэлектронной аппаратуре.

Как снизить массу и габариты трансформатора

Так вот, мощность любого узла ИБП определяется всего двумя параметрами: напряжением и током.

P = U∙I.

Полная мощность трансформатора (Т) также определяется произведением тока на напряжение. Поэтому давайте рассмотрим, как зависят габариты Т от величины приложенного U и протекающего I. Возможно, здесь у нас получится на что-то повлиять.

Напряжение или, точнее говоря, ЭДС данного электромагнитного устройства определяется частотой приложенного напряжения f, количеством витков w и магнитным потоком Φ.

E = 4,44∙f∙w∙Φ

Коэффициент 4,44 уберем для упрочения, поскольку он соответствует синусоидальной форме тока. В импульсных блоках питания, где форма сигнала имеет вид прямоугольника, это коэффициент имеет другое значение.

E ~ f∙w∙Φ

Магнитный поток представляет собой произведение магнитной индукции B на площадь поперечного сечения сердечника магнитопровода Sс.

E ~ f∙w∙B∙Sс

Давайте поразмыслим над этой формулой с интересующей нас позиции. Размеры Т определяются размерами его сердечника и обмотками. Упрощенно говоря, мы можем вполне обосновано сказать, что габариты сердечника зависят от площади поперечного сечения сердечника (магнитопровода) Sс. А габариты обмотки зависят от числа витков w.

Теперь становится очевидно, что для сохранения прежней величины электродвижущей силы E при снижении числа витков w и площади поперечного сечения Sс, а соответственно и габаритов трансформатора, необходимо повышать или частоту или индукцию или эти два параметра одновременно.

Преимущественное большинство сердечников промышленных трансформаторов выполняются из электротехнической стали. Такая сталь имеет индукцию насыщения порядка 1,7 Тл. Это довольно большое значение индукции. Выше только у чистого железа, обладающего максимально возможной индукцией из всех магнитных материалов, и составляет чуть более 2 Тл. К сожалению, чистое железо не пригодно к использованию в электромагнитных устройствах вследствие сильных потерь энергии при перемагничивании.

Альтернативные магнитные материалы

Также в ряде стран применяется пермаллой. Пермаллой имеет несколько меньшую индукцию, чем электротехническая стать, но обладает большим электрическим сопротивлением. Благодаря чему снижаются потери на вихревые токи, а соответственно и потери холостого хода.

Относительно недавно на рынке в доступной цене появились аморфные и нанокристаллические сплавы. Они обладают высоким электрическим сопротивлением, при этом индукция их приближается к электротехническим сплавам. Кроме того они обладают рядом положительных свойств, превосходящих другие магнитные материалы. Но на этом мы здесь останавливаться не будем.

Однако индукция известных на сегодняшний день магнитных материалов и сплавов не достигает величины, значительно превосходящей индукцию электротехнической стали, то есть более 1,7 Тл. Поэтому сейчас невозможно существенно снизить габариты электромагнитного устройства за счет применения новых магнитных материалов. Поэтому остается единственный способ, который даст ощутимое снижение массы и размеров – это повышение частоты f переменного тока.

Как работает импульсный блок питания электронных устройств

Мы знаем, что в сети 220 В или 230 В f равна 50 Гц, отсюда возникает вопрос: как ее повысить? А делается это следующим образом. Сначала переменное напряжение 220 В, 50 Гц выпрямляется с помощью обычного диодного моста. Затем оно сглаживается электролитическим конденсатором большей емкости. Далее сглаженное напряжение снова преобразуется в переменное, но уже значительно большей частоты. В современных импульсных блоках питания она составляет порядка единиц мегагерц. И уже это высокочастотное напряжение подается на обмотку трансформатора. Это позволяет значительно снизить его размеры при сохранении прежнего значения электродвижущей силы. Затем сниженное напряжение со вторичной обмотки снова выпрямляется, сглаживается, и стабилизируется.

Постоянное напряжение преобразуется в переменное с помощью инвертора. Транзисторы инвертора работают в ключевом режиме, что приводит к появлению значительных импульсов тока. Поэтому на входе первого выпрямителя обязательно устанавливают дроссель для снижения уровня пульсаций тока, вызванных работой инвертора. Кроме того, для борьбы и электромагнитными импульсами, ИБП полностью экранируют.

Схема импульсного блока питания

Именно по причине этих пульсаций ИБП не применяются в аудиотехнике. В первую очередь это относиться к усилителям звука. Они вместе с полезным аудиосигналом могут усилить и помехи или пульсации, создаваемые полупроводниковыми приборами, работающими в ключевом режиме. В конечном итоге это негативно отобразится на качестве звука.

Сечение провода тр-ра по-прежнему рассчитывается на аналогичный ток. Однако в качестве магнитопровода электротехническая сталь не применяется, поскольку на высоких частотах возникают сильных потери энергии, вызванные действием вихревых токов. Поэтому применяют магнитные материалы с максимально высоким электрическим сопротивлением. К ним относятся ферриты и различного рода магнитодиэлектрики.

ШИМ-контроллер

Работой полупроводниковых приборов инвертора управляет ШИМ-контроллер. ШИМ-контроллер может выполняться в виде отдельной микросхемы или в едином корпусе с полупроводниковыми ключами. Для поддержания заданного уровня напряжения на нагрузке в не зависимости от изменения ее параметров и других воздействующих факторов, необходимо изменять параметры широтно-импульсной модуляции. За это отвечает ШИМ-контроллер, который получает сигнал по обратной связи. В качестве элемента, образующего обратную связь применяется оптопара. Может применяться и другой радиоэлектронный элемент, как правило, способный осуществить гальваническую развязку.

Теперь должно быть понятно, как работает импульсный блок питания. Его схема состоит из входного фильтра, входного выпрямителя, сглаживающего входного фильтра, инвертора, импульсного трансформатора, выходного выпрямителя и выходного фильтра.

Как работает импульсный блок питания

В качестве входного фильтра применяется дроссель. Сглаживающими фильтрами служат электролитические конденсаторы большей емкости.

Мощный импульсный блок питания?

Значительно повысить f удается только в относительно маломощных ИБП с точки зрения силовой электроники. В преобразователях электрической энергии большой мощности – десятки, сотни и тысячи киловатт, сколь существенно увеличить частоту не получится. Это вызвано отсутствием транзисторов или тиристоров, способных быстро переключать большую нагрузку, сохраняя при этом приемлемый уровень потерь энергии. Максимум удается повысить f до тысячи герц, 400 Гц, а то и вовсе ниже. К тому же возникают трудности с охлаждением таких преобразовательных установок.

Потери в полупроводниковых ключах зависят от приложенного к ним напряжения, протекающего I и частоты переключения. С ростом f потери энергии в полупроводниковых ключах сильно возрастают. Поэтому существенно снижается коэффициент полезного действия всей преобразовательной установки. Отсюда данный способ пока что не находит применения для мощных преобразователей и является малоэффективным.

Но и здесь был найден выход. Все усилия были направлены в сторону уменьшения размеров и веса обмоток. В преобразователях она может достигать нескольких тонн. Если получится существенно уменьшить ее размеры, тогда можно домотать некоторое количество витков и за счет этого снизить габариты магнитопровода при сохранении прежнего значения электродвижущей силы.

Масса меди обмоток mо зависит от суммарной длины одного витка lв, их числа w, площади поперечного сечения Sв и удельного веса меди γм.

mо = lвwSвγм.

Длина витка lв определяется его диаметром dв, поэтому можем переписать предыдущее выражение следующим образом:

mо = πdвwSвγм.

В свою очередь диаметр dв определяет индуктивность Т. Поэтому его мы уменьшить не можем, поскольку это в конечном итоге повлечет за собой уменьшение ЭДС, а это не допустимо.

Также нельзя снизить удельный вес меди. Остается снижать площадь поперечно сечения витка.

Она в свою очередь зависит от величины протекающего I и допустимой плотности тока j.

Sв = Ij.

Величину тока мы также снизить не можем, поскольку она определяет мощность трансформатора при заданном значении электродвижущей силы. Остается только один способ – увеличить допустимую плотность j.

Сверхпроводники

Эта величина для меди в среднем находится в пределах от 8 до 10 А/мм2. Для обмоток электрических машин она будет иметь меньшее, а для монтажных проводов или линий электропередач – большее значение.

Величина j показывает, какой максимальный ток можно пропустить через заданное сечение проводника. Для простоты примем допустимое значение j = 10 А/мм2. Это значит, что через медный провод сечением 1 мм2 можно пропустить I величиной 1 А. Если превысить эту величину, то он будет перегреваться, что недопустимо. Главная причина заключается в перегреве изоляции, которая для электрических машин обходится дороже стоимости самого провода. С ростом температуры эксплуатационный срок изоляции резко снижается. Отсюда преждевременная постановка на ремонт и затратная перемотка изоляции.

Если проводник принудительно охлаждать, то через ту же Sв можно пропустить больший I. Именно таким способом удается существенно уменьшить сечение Sв. Применяют так называемые сверхпроводящие обмотки. Они находятся в специальной герметичной емкости, заполненной жидким азотом. Точка кипения азота чуть более -195 °С. Жидкий азот хорош тем, что он не взрывоопасен и не ядовит.

Благодаря применению жидкого азота снижается сопротивление проводника. Это позволяет повысить j почти в 30 раз, не перегревая его. А соответственно снизить площадь поперечного сечения обмоточного провода, что в свою очередь приводит к снижению веса электромагнитного устройства.

Подытожим сказанное выше. Для снижения массы и габаритов ИБП малой и средней мощности повышают частоту подводимого напряжения к обмоткам трансформатора за счет специальных схемных решений. В силовых преобразователях такой способ пока что трудно реализуем по причине отсутствия полупроводниковых ключей с приемлемыми коммутационными характеристиками. Единственный рациональный способ заключается в использовании сверхпроводящих обмоток.

Теперь, я надеюсь, Вам стало понятно, как работает импульсный блок питания и почему он имеет такую структуру.

Еще статьи по данной теме

Принцип работы импульсного блока питания

Как работают импульсные блоки питания

Блоки питания — это электротехнические устройства, которые изменяют характеристики промышленной электроэнергии до уровня параметров, необходимых для работы конечных механизмов.

Они подразделяются на трансформаторные и импульсные изделия.

Сетевой фильтр пропускает через себя промышленную синусоиду. Одновременно он отделяет из нее все посторонние помехи.

Очищенная от помех синусоида поступает на выпрямитель со сглаживающим фильтром. Он превращает полученную гармонику в сигнал напряжения строго постоянной формы действующей величины.

Следующим этапом начинается работа инвертора. Он из постоянного стабилизированного сигнала формирует высокочастотные колебания уже не синусоидальной, а практически строго прямоугольной формы.

Преобразованная в подобный вид электрическая энергия поступает на силовой высокочастотный трансформатор, который, как и обычный аналоговый, видоизменяет ее на пониженное напряжение с увеличенным током.

После силового трансформатора наступает очередь работы выходного выпрямителя.

Заключительным звеном работает сглаживающий выходной фильтр. После него на блок управления бытового прибора поступает стабилизированное напряжение постоянной величины.

Качество работы импульсного блока поддерживается за счет создания в рабочем состоянии обратной связи, реализованной в блоке управления инвертора. Она компенсирует все посадки и броски напряжения, вызываемые колебаниями входной величины или коммутациями нагрузок.

Сетевой выпрямитель имеет в своем составе предохранитель на основе плавкой вставки, диодный мост, электромеханический фильтр, набор дросселей, конденсаторы развязки со статикой.

Накопительная емкость сглаживает пульсации.

Генератор инвертора на основе силового ключевого транзистора в комплекте с импульсным трансформатором выдает напряжение на выходной выпрямитель с диодами, конденсаторами и дросселями.

Оптопара в узле обратной связи обеспечивает оптическую развязку электрических сигналов.

Принцип работы импульсного блока питания

В основе работы инвертора лежит выпрямление первичного напряжения и дальнейшее его преобразование в последовательность импульсов высокой частоты.

Этим он отличается от обычного трансформатора.

Выходное напряжение блока служит для формирования сигнала отрицательной обратной связи, что позволяет регулировать параметры импульсов.

Управляя шириной импульсов, легко организовать стабилизацию и регулировку выходных параметров, напряжения или тока.

То есть это может быть как стабилизатор напряжения, так и стабилизатор тока.

Количество и полярность выходных значений может быть самым различным в зависимости от того, как работает импульсный блок питания.

Использование импульсных блоков питания

В сети напряжение имеет синусоидальную форму.

Для некоторых устройств это то что нужно, другим надо постоянное или импульсное напряжение.

Вот этим и занимаются источники питания — преобразуют синусоидальную форму в нужную и, чаще всего, это постоянное напряжение.

Независимо от формы выходного напряжения блок питания называют импульсным, потому что одна из стадий преобразования — формирование импульсов, которые затем выпрямляются.

Примеры импульсных блоков питания:

  • Зарядное устройство для телефона или смартфона;
  • Внешний блок питания ноутбука;
  • Блок питания компьютера;
  • Блок питания для светодиодной ленты.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Импульсные источники питания, теория и простые схемы

Импульсный источник питания - это инверторная система, в которой входное переменное напряжение выпрямляется, а потом полученное постоянное напряжение преобразуется в импульсы высокой частоты и установленой скважности, которые как правило, подаются на импульсный трансформатор.

Импульсные трансформаторы изготавливаются по такому же принципу, как и низкочастотные трансформаторы, только в качестве сердечника используется не сталь (стальные пластины), а феромагнитные материалы - ферритовые сердечники.

Как работает импульсный источник питания

Рис. Как работает импульсный источник питания.

Выходное напряжение импульсного источника питания стабилизировано, это осуществляется посредством отрицательной обратной связи, что позволяет удерживать выходное напряжение на одном уровне даже при изменении входного напряжения и нагрузочной мощности на выходе блока.

Обратная отрицательная связь может быть реализована при помощи одной из дополнительных обмоток в импульсном трансформаторе, или же при помощи оптрона, который подключается к выходным цепям источника питания. Использование оптрона или же одной из обмоток трансформатора позволяет реализовать гальваническую развязку от сети переменного напряжения.

Основные плюсы импульсных источников питания (ИИП):

  • малый вес конструкции;
  • небольшие размеры;
  • большая мощность;
  • высокий КПД;
  • низкая себестоимость;
  • высокая стабильность работы;
  • широкий диапазон питающих напряжений;
  • множество готовых компонентных решений.

К недостаткам ИИП можно отнести то что такие блоки питания являются источниками помех, это связано с принципом работы схемы преобразователя. Для частичного устранения этого недостатка используют экранировку схемы. Также из-за этого недостатка в некоторых устройствах применение данного типа источников питания является невозможным.

Импульсные источники питания стали фактически непре­менным атрибутом любой современной бытовой техники, потреб­ляющей от сети мощность свыше 100 Вт. В эту категорию попадают компьютеры, телевизоры, мониторы.

Для создания импульсных источников питания, примеры конкретного воплощения которых будут приведены ниже, приме­няются специальные схемные решения.

Так, для исключения сквозных токов через выходные тран­зисторы некоторых импульсных источников питания используют специальную форму импульсов, а именно, биполярные импульсы прямоугольной формы, имеющие между собой промежуток во времени.

Продолжительность этого промежутка должна быть больше времени рассасывания неосновных носителей в базе вы­ходных транзисторов, иначе эти транзисторы будут повреждены. Ширина управляющих импульсов с целью стабилизации выходно­го напряжения может изменяться с помощью обратной связи.

Обычно для обеспечения надежности в импульсных ис­точниках питания используют вьюоковольтные транзисторы, ко­торые в силу технологических особенностей не отличаются в лучшую сторону (имеют низкие частоты переключения, малые коэффициенты передачи по току, значительные токи утечки, большие падения напряжения на коллекторном переходе в от­крытом состоянии).

Особенно это касается устаревших ныне мо­делей отечественных транзисторов типа КТ809, КТ812, КТ826, КТ828 и многих других. Стоит сказать, что в последние годы поя­вилась достойная замена биполярным транзисторам, традицион­но используемых в выходных каскадах импульсных источников питания.

Это специальные высоковольтные полевые транзисто­ры отечественного, и, главным образом, зарубежного производ­ства. Кроме того, существуют многочисленные микросхемы для импульсных источников питания.

Схема генератора импульсов регулируемой ширины

Биполярные симметричные импульсы регулируемой ши­рины позволяет получить генератор импульсов по схеме на рис.1. Устройство может быть использовано в схемах авторегулирования выходной мощности импульсных источников питания. На микросхеме DD1 (К561ЛЕ5/К561 ЛАТ) собран гене­ратор прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2.

Симметрии генерируемых импульсов добиваются регулировкой резистора R1. Рабочую частоту генератора (44 кГц) при необхо­димости можно изменить подбором емкости конденсатора С1.

Схема формирователя импульсов

Рис. 1. Схема формирователя биполярных симметричных импульсов регулируемой длительности.

На элементах DA1.1, DA1.3 (К561КТЗ) собраны компарато­ры напряжения; на DA1.2, DA1.4 — выходные ключи. На входы компараторов-ключей DA1.1, DA1.3 в противофазе через форми­рующие RC-диодные цепочки (R3, С2, VD2 и R6, СЗ, VD5) пода­ются прямоугольные импульсы.

Заряд конденсаторов С2, СЗ происходит по экспоненциальному закону через R3 и R5, соответ­ственно; разряд — практически мгновенно через диоды VD2 и VD5. Когда напряжение на конденсаторе С2 или СЗ достигнет по­рога срабатывания компараторов-ключей DA1.1 или DA1.3, соот­ветственно, происходит их включение, и резисторы R9 и R10, а также управляющие входы ключей DA1.2 и DA1.4 подключаются к положительному полюсу источника питания.

Поскольку включение ключей производится в противофазе, такое переключение происходит строго поочередно, с паузой меж­ду импульсами, что исключает возможность протекания сквозного тока через ключи DA1.2 и DA1.4 и управляемые ими транзисторы преобразователя, если генератор двухполярных импульсов ис­пользуется в схеме импульсного источника питания.

Плавное ре­гулирование ширины импульсов осуществляется одновременной подачей стартового (начального) напряжения на входы компарато­ров (конденсаторы С2, СЗ) с потенциометра R5 через диодно-ре-зистивные цепочки VD3, R7 и VD4, R8. Предельный уровень управляющего напряжения (максимальную ширину выходных им­пульсов) устанавливают подбором резистора R4.

Сопротивление нагрузки можно подключить по мостовой схеме — между точкой соединения элементов DA1.2, DA1.4 и кон­денсаторами Са, Сb. Импульсы с генератора можно подать и на транзисторный усилитель мощности.

При использовании генератора двухполярных импульсов в схеме импульсного источника питания в состав резистивного де­лителя R4, R5 следует включить регулирующий элемент — поле­вой транзистор, фотодиод оптрона и т.д., позволяющий при уменьшении/увеличении тока нагрузки автоматически регулиро­вать ширину генерируемого импульса, управляя тем самым вы­ходной мощностью преобразователя.

В качестве примера практической реализации импульсных источников питания приведем описания и схемы некоторых из них.

Схема испульсного источника питания

Импульсный источник питания (рис. 2) состоит из выпря­мителей сетевого напряжения, задающего генератора, формиро­вателя прямоугольных импульсов регулируемой длительности, двухкаскадного усилителя мощности, выходных выпрямителей и схемы стабилизации выходного напряжения.

Задающий генератор выполнен на микросхеме типа К555ЛАЗ (элементы DDI .1, DDI .2) и вырабатывает прямоугольные импульсы частотой 150 кГц. На элементах DD1.3, DD1.4 собран RS-триггер, на выходе которого частота вдвое меньше — 75 кГц. Узел управления длительностью коммутирующих импульсов реализован на микро­схеме типа К555ЛИ1 (элементы DD2.1, DD2.2), а регулировка дли­тельности осуществляется с помощью оптрона U1.

Выходной каскад формирователя коммутирующих импуль­сов собран на элементах DD2.3, DD2.4. Максимальная мощность на выходе формирователя импульсов достигает 40 мВт. Предва­рительный усилитель мощности выполнен на транзисторах VT1, VT2 типа КТ645А, а оконечный — на транзисторах VT3, VT4 типа КТ828 или более современных. Выходная мощность каскадов — 2 и 60…65 Вт, соответственно.

На транзисторах VT5, VT6 и оптроне U1 собрана схема стабилизации выходного напряжения. Если напряжение на выхо­де источника питания ниже нормы (12 В), стабилитроны VD19, VD20 {КС182+КС139) закрыты, транзистор VT5 закрыт, транзи­стор VT6 открыт, через светодиод (U1.2) оптрона протекает ток, ограниченный сопротивлением R14; сопротивление фотодиода (U1.1) оптрона минимально.

Сигнал, снимаемый с выхода элемен­та DD2.1 и поступающий на входы схемы совпадения DD2.2 на­прямую и через регулируемый элемент задержки (R3 — R5, С4, VD2, U1.1), в силу его малой постоянной времени поступает практически одновременно на входы схемы совпадения (элемент DD2.2).

На выходе этого элемента формируются широкие управ­ляющие импульсы. На первичной обмотке трансформатора Т1 (выходах элементов DD2.3, DD2.4) формируются двухполярные импульсы регулируемой длительности.

Схема импульсного источника питания

Рис. 2. Схема импульсного источника питания.

Если по какой-либо причине напряжение на выходе источни­ка питания будет увеличиваться сверх нормы, через стабилитроны VD19, VD20 начнет протекать ток, транзистор VT5 приоткроется, VT6 — закроется, уменьшая ток через светодиод оптрона U1.2.

При этом возрастает сопротивление фотодиода оптрона U1.1. Длительность управляющих импульсов уменьшается, и происхо­дит уменьшение выходного напряжения (мощности). При коротком замыкании нагрузки светодиод оптрона гаснет, сопротивление фотодиода оптрона максимально, а длительность управляющих импульсов — минимальна. Кнопка SB1 предназначена для запус­ка схемы.

При максимальной длительности положительные и отрица­тельные управляющие импульсы не перекрываются во времени, поскольку между ними существует временная просечка, обу­словленная наличием резистора R3 в формирующей цепи.

Тем самым снижается вероятность протекания сквозных токов через выходные относительно низкочастотные транзисторы оконечного каскада усиления мощности, которые имеют большое время рас­сасывания избыточных носителей на базовом переходе. Выход­ные транзисторы установлены на ребристые теплоотводящие радиаторы с площадью не менее 200 см^2. В базовые цепи этих транзисторов желательно установить сопротивления величиной 10…51 Ом.

Каскады усиления мощности и схема формирования двух­полярных импульсов получают питание от выпрямителей, выпол­ненных на диодах VD5 — VD12 и элементах R9 — R11, С6 — С9, С12, VD3, VD4.

Трансформаторы Т1, Т2 выполнены на ферритовых коль­цах К10x6x4,5 ЗОООНМ; ТЗ — К28х16х9 ЗОООНМ. Первичная об­мотка трансформатора Т1 содержит 165 витков провода ПЭЛШО 0,12, вторичные — 2×65 витков ПЭЛ-2 0,45 (намотка в два прово­да).

Первичная обмотка трансформатора Т2 содержит 165 вит­ков провода ПЭВ-2 0,15 мм, вторичные — 2×40 витков того же провода. Первичная обмотка трансформатора ТЗ содержит 31 виток провода МГШВ, продетого в кембрик и имеющего сечение 0,35 мм^2, вторичная обмотка имеет 3×6 витков провода ПЭВ-2 1,28 мм (параллельное включение). При подключении обмоток трансформаторов необходимо правильно их фазировать. Начала обмоток показаны на рисунке звездочками.

Источник питания работоспособен в диапазоне измене­ния сетевого напряжения 130…250 В. Максимальная выходная мощность при симметричной нагрузке достигает 60…65 Вт (ста­билизированное напряжение положительной и отрицательной по­лярности 12 S и стабилизированное напряжение переменного тока частотой 75 кГц, снимаемые,со вторичной обмотки транс­форматора Т3). Напряжение пульсаций на выходе источника пи­тания не превышает 0,6 В.

При налаживании источника питания сетевое напряжение на него подают через разделительный трансформатор или фер-рорезонансный стабилизатор с изолированным от сети выходом. Все перепайки в источнике допустимо производить только при полном отключении устройства от сети.

Последовательно с вы­ходным каскадом на время налаживания устройства рекоменду­ется включить лампу накаливания 60 Вт на 220 В. Эта лампа защитит выходные транзисторы в случае ошибок в монтаже. Оптрон U1 должен иметь напряжение пробоя изоляции не менее 400 В. Работа устройства без нагрузки не допускается.

Сетевой импульсный источник питания

Сетевой импульсный источник питания (рис. 3) разрабо­тан для телефонных аппаратов с автоматическим определителем номера или для других устройств с потребляемой мощностью 3…5Вт, питаемых напряжением 5…24В.

Источник питания защищен от короткого замыкания на вы­ходе. Нестабильность выходного напряжения не превышает 5% при изменении напряжения питания от 150 до 240 В и тока нагруз­ки в пределах 20… 100% от номинального значения.

Управляемый генератор импульсов обеспечивает на базе транзистора VT3 сигнал частотой 25…30 кГц.

Дроссели L1, L2 и L3 намотаны на магнитопроводах типа К10x6x3 из пресспермаллоя МП140. Обмотки дросселя L1, L2 со­держат по 20 витков провода ПЭТВ 0,35 мм и расположены каж­дая на своей половине кольца с зазором между обмотками не менее 1 мм.

Дроссель L3 наматывают проводом ПЭТВ 0,63 мм виток к витку в один слой по внутреннему периметру кольца. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Б22 из феррита М2000НМ1.

Принципиальная схема сетевого импульсного источника питания

Рис. 3. Схема сетевого импульсного источника питания.

Его обмотки наматывают на разборном каркасе ви­ток к витку проводом ПЭТВ и пропитывают клеем. Первой нама­тывают в несколько слоев обмотку I, содержащую 260 витков провода 0,12 мм. Таким же проводом наматывают экранирующую обмотку с одним выводом (на рис. 3 показана пунктирной лини­ей), затем наносят клей БФ-2 и обматывают одним слоем лакот-кани.

Обмотку III наматывают проводом 0,56 мм. Для выходного напряжения 5В она содержит 13 витков. Последней наматывают обмотку II. Она содержит 22 витка провода 0,15…0,18 мм. Между чашками обеспечивают немагнитный зазор.

Высоковольтный источник постоянного напряжения

Для создания высокого напряжения (30…35 кВ при токе на­грузки до 1 мА) для питания электроэффлювиальной люстры (люстры А. Л. Чижевского) предназначен источник питания посто­янного тока на основе специализированной микросхемы типа К1182ГГЗ.

Источник питания состоит из выпрямителя сетевого напря­жения на диодном мосте VD1, конденсатора фильтра С1 и высоковольтного полумостового автогенератора на микросхеме DA1 типа К1182ГГЗ. Микросхема DA1 совместно с трансформатором Т1 преобразует постоянное выпрямленное сетевое напряжение в высокочастотное (30…50 кГц) импульсное.

Выпрямленное сетевое напряжение поступает на микросхе­му DA1, а стартовая цепочка R2, С2 запускает автогенератор микросхемы. Цепочки R3, СЗ и R4, С4 задают частоту генерато­ра. Резисторы R3 и R4 стабилизируют длительность полуперио­дов генерируемых импульсов. Выходное напряжение повышается обмоткой L4 трансформатора и подается на умножитель напря­жения на диодах VD2 — VD7 и конденсаторах С7 — С12. Выпрям­ленное напряжение подается на нагрузку через ограничительный резистор R5.

Конденсатор сетевого фильтра С1 рассчитан на рабочее на­пряжение 450 В (К50-29), С2 — любого типа на напряжение 30 В. Конденсаторы С5, С6 выбирают в пределах 0,022…0,22 мкФ на напряжение не менее 250 В (К71-7, К73-17). Конденсаторы умно­жителя С7 — С12 типа КВИ-3 на напряжение 10 кВ. Возможна за­мена на конденсаторы типов К15-4, К73-4, ПОВ и другие на рабочее напряжение 10кB или выше.

Принципиальная схема высоковольтного импульсного источника питания

Рис. 4. Схема высоковольтного источника питания постоянного тока.

Высоковольтные диоды VD2 — VD7 типа КЦ106Г (КЦ105Д). Ограничительный резистор R5 типа КЭВ-1. Его можно заменить тремя резисторами типа МЛТ-2 по 10 МОм.

В качестве трансфор­матора используется телевизионный строчный трансформатор, например, ТВС-110ЛА. ВЬюоковольтную обмотку оставляют, ос­тальные удаляют и на их месте размещают новые обмотки. Об­мотки L1, L3 содержат по 7 витков провода ПЭЛ 0,2 мм, а обмотка L2 — 90 витков такого же провода.

Цепочку резисторов R5, ограничивающих ток короткого замыкания, рекомендуется включить в «минусовой» провод, кото­рый подводится к люстре. Этот провод должен иметь вьюоко-вольтную изоляцию.

Корректор коэффициента мощ­ности

Устройство, именуемое корректором коэффициента мощ­ности (рис. 5), собрано на основе специализированной микро­схемы TOP202YA3 (фирма Power Integration) и обеспечивает коэффициент мощности не менее 0,95 при мощности нагрузки 65 Вт. Корректор приближает форму тока, потребляемую нагруз­кой, к синусоидальной.

Схема корректора мощности

Рис. 5. Схема корректора коэффициента мощности на микро­схеме TOP202YA3.

Максимальное напряжение на входе — 265 В. Средняя час­тота преобразователя — 100 кГц. КПД корректора — 0,95.

Импульсный источник питания с микросхемой

Схема источника питания с микросхемой той же фирмы Po­wer Integration показана на рис. 6. В устройстве применен полупроводниковый ограничитель напряжения — 1,5КЕ250А.

Пре­образователь обеспечивает гальваническую развязку выходного напряжения от напряжения сети. При указанных на схеме номина­лах и элементах устройство позволяет подключать нагрузку, по­требляющую 20 Вт при напряжении 24 В. КПД преобразователя приближается к 90%. Частота преобразования — 100 Гц. Устрой­ство защищено от коротких замыканий в нагрузке.

Импульсный блок питания на микросхеме фирмы Power Integration

Рис. 6. Схема импульсного источника питания 24В на микросхеме фирмы Power Integration.

Выходная мощность преобразователя определяется типом используемой микросхемы, основные характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики микросхем серии TOP221Y — TOP227Y.

Тип микросхемы Рmax, Вт Ток срабатывания защиты, А Сопротивление открытого тран­зистора, Ом
TOP221Y 7 0,25 31,2
T0P222Y 15 0,5 15,6
T0P223Y 30 1 7,8
T0P224Y 45 1,5 5,2
T0P225Y 60 2 3,9
T0P226Y 75 2,5 3,1
T0P227Y 90 3 2,6

Простой и высокоэффек­тивный преобразователь напряжения

На основе одной из микросхем ТОР200/204/214 фирмы Power Integration может быть собран простой и высокоэффек­тивный преобразователь напряжения (рис. 7) с выходной мощ­ностью до 100 Вт.

Схема простого высокоеффективного преобразователя напряжения

Рис. 7. Схема импульсного Buck-Boost преобразователя на микросхеме ТОР200/204/214.

Преобразователь содержит сетевой фильтр (С1, L1, L2), мостовой выпрямитель (VD1 — VD4), собственно сам преобразо­ватель U1, схему стабилизации выходного напряжения, выпрями­тели и выходной LC-фильтр.

Входной фильтр L1, L2 намотан в два провода на феррито-вом кольце М2000 (2×8 витков). Индуктивность полученной катуш­ки — 18…40 мГн. Трансформатор Т1 выполнен на ферритовом сердечнике со стандартным каркасом ETD34 фирмы Siemens или Matsushita, хотя можно использовать и иные импортные сердечни­ки типа ЕР, ЕС, EF или отечественные Ш-образные ферритовые сердечники М2000.

Обмотка I имеет 4×90 витков ПЭВ-2 0,15 мм; II — 3×6 того же провода; III — 2×21 витков ПЭВ-2 0,35 мм. Все об­мотки наматывают виток к витку. Между слоями должна быть обеспечена надежная изоляция.

Источник: Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения (2002).

Исправления: в схеме на рисунке 3 для катушки L2 изменена точка, указывающая начало намотки.

Как устроен блок питания, часть 5

В качестве самой просто схемы я покажу вариант с одним диодом и конденсатором. Такая схема используется в обратноходовых блоках питания, которые составляют сейчас подавляющее большинство.

В готовом блоке питания она выглядит так, как показано на этом фото.
Такие блоки питания чаще всего идут в комплекте с недорогой техникой.

Следующим шагом идет двухполупериодный выпрямитель. Эта схема использовал раньше весьма часто, но в последнее время вытеснена другой, которую я покажу позже.
Такая схемотехника чаще всего встречается в мощных блоках питания, особенно она удобна в нерегулируемых блоках на базе драйвера IR2151-2153, о которых я рассказывал в прошлой части.

Как я тогда сказал, она хорошо подходит для построения первичных источников питания, которые не являются стабилизированными, но которые имеют хороший КПД и могут использовать для питания других устройств, например как этот блок питания лабораторного источника питания.

Особое преимущество данной схемы в том, что ее очень легко переделать в двухполярную и использовать для питания усилителей мощности. В таком варианте добавляется всего пара диодов и конденсатор.

Когда мощности обратноходовой схемотехники не хватает, то используют ее прямоходовый вариант. Здесь энергия при одном такте сначала накапливается в дросселе, а потом через нижний диод поступает в нагрузку. Данная схемотехника очень похожа на схему классического StepDown преобразователя.

Заметить что блок питания собран по такой схемотехнике очень просто, на плате будет большой дроссель. В качестве фильтрующих дроссели с таким габаритом используют крайне редко, потому ошибиться сложно.

Но есть альтернативный вариант этой схемы. Он применяется чаще всего в компьютерных блоках питания и ведет свои истоки от первых БП формата АТ.

Здесь присутствует накопительный дроссель, а первичная обмотка силового трансформатора связана с одной из обмоток трансформатора управления. Если изъять дроссель из этой схемы, то блок питания при нагрузке выше определенной выйдет из строя.
То же самое касается и предыдущей схемы.

Отличить блоки питания последних двух типов очень легко, слева БП построенный по аналогии блока питания АТ формата, у него сразу заметен трансформатор около транзисторов, справа однотактный прямоходовый, трансформатора здесь нет.
Дроссели имеют разные размеры, но это следствие разной рабочей частоты и иногда экономии производителя. Меньший дроссель в работе скорее всего будет перегреваться, да и схема можно работать не очень надежно при максимальной мощности.

Чаще всего в качестве выходных диодов импульсных блоков питания используются диоды Шоттки. Они имеют два важных преимущества перед обычными:
1. Падение напряжения на них в 1.5-2 раза меньше
2. Они быстрее, чем обычные диоды, потому имеют меньше потер при переключении.

В блоках питания рассчитанных на высокое выходное напряжение применяют чаще всего обычные диоды, так как прямое падение у высоковольтных обычных и Шоттки примерно одинаково. Но из-за того что Шоттки быстрее, можно получить уменьшенные потери на снаббере, потому я советую применять их и здесь.

Так как после выпрямления на конденсаторе будут присутствовать заметные пульсации, то после него ставят LC фильтр или говоря простым языком - дроссель и конденсатор

Для примера &amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot;народный&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot; блок питания где явно виден как дроссель, так и два конденсатора.

Дроссель необязательно будет большим, а вполне может быть совсем миниатюрным. Работать правда он будет хуже, но это лучше чем ничего.

Иногда дроссель вообще не ставят, хотя место под него есть. Это банальная экономия &amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot;на спичках&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot;, я всегда рекомендую установить на это место дроссель.

Для примера уровень пульсаций без дросселя и с дросселем. Но стоит учитывать, что после установки дросселя пульсации на первом конденсаторе вырастут, так как на него будет приходится &amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot;ударный&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot; ток. Обычно именно он выходит из строя первым.

Улучшить ситуацию можно установив параллельно электролитическим конденсаторам керамические. Данная мера можно существенно облегчить режим работы электролитов. Но стоит иметь в виду, что эффективно они работают только при относительно небольших мощностях БП, а точнее при относительно небольших токах. Можно конечно поставить много таких конденсаторов, но это дорого и габаритно.

При доработке конденсаторы можно напаивать прямо на выводы электролитических конденсаторов.
Я применяю конденсаторы с емкостью 0.1-0.47мкФ.

Чтобы еще немного улучшить качество работы, следует внимательнее отнестись к разводке печатной платы. Если страссировать плату по типу того как я показал на схеме, то пульсации могут еще немного уменьшиться, тем более что это бесплатно.

Ну и последний шаг, установка синфазного дросселя на выходе блока питания. Такое применяется чаще всего в фирменных блоках питания, которым требуется проходить сертификацию на уровень помех излучаемых в эфир. В дешевых практически никогда не встречается.

Теперь об выходных конденсаторах.
Если вы пользуетесь дешевыми блоками питания, то скорее всего на выходе увидите либо вообще безымянные модели.

Либо подделку под фирменные. Например в народном блоке питания применяют подделки под Sanyo или Nichicon, проверить очень просто, по маркировке. Скорее всего вы либо вообще не найдете конденсаторов такой серии, либо в этой серии не будет такого номинала с таким габаритом как у вас, либо внешне они будут отличаться цветом, как в данном случае.
Такие подделки на самом деле не самый худший вариант, но лучше применять фирменные.
Кстати в двухтактных БП конденсаторы обычно живут дольше и требования к их качеству меньше чем у обратноходовых однотактных.

Но все равно, лучше применять именно фирменные конденсаторы, а не суррогаты с их именем. На фото блок питания фирмы Менвелл.

Для облегчения работы конденсаторов есть способ, когда вместо одного двух емких устанавливают много менее емких конденсаторов. В таком варианте нагрузка лучше распределяется и конденсаторы живут дольше.

Схема стабилизации.
Самый простой вариант - стабилизировать напряжение по обратной связи со вспомогательной обмотки трансформатора, правда такое решение и самое плохое в плане стабильности, так как влияет магнитная связь между обмотками и их активное сопротивление, зато дешево.

Следующий вариант сложнее, здесь в качестве порогового элемента применен стабилитрон. В таком варианте выходное напряжение Бп будет равно падению на стабилитроне + напряжению на светодиоде оптрона. Характеристики схемы так себе, но вполне приемлемы для некритичных нагрузок.

Например блок питания с такой стабилизацией. Сверху около оптрона ничего нет.

Снизу расположен стабилитрон и несколько резисторов

Но куда лучшие характеристики показывает схема с регулируемым стабилитроном TL431. Она имеет куда выше качество работы и точность поддержания в том числе лучше держит параметры при изменении температуры.

На плате она обычно выглядит так, как показано на фото.

Выглядит он примерно как обычный транзистор в корпусе ТО-92, отличие только в маркировке. Данный вариант встречается чаще всего. Альтернативный вариант, который вы можете встретить, SMD корпус SOT-23.

Расположение выводов в разных вариантах корпуса.

Например в &amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot;народном&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot; блоке питания применен SMD вариант корпуса. На фото видны резисторы делителя обратной связи и вспомогательные, например &amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot;подтяжки&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot; к питанию чтобы сформировать минимальный рабочий ток для стабилитрона.

Еще пара фото, сверху платы ничего нет, а стабилитрон TL431 находится снизу.

Иногда в цепи обратной связи ставят подстроечный резистор. Но сначала я скажу пару слов о том, как рассчитывается делитель.
Если применяется стандартный делитель из двух резисторов, то его номиналы подбираются таким образом чтобы при требуемом выходном напряжении в точке соединения было 2.5 Вольта, именно на это напряжение и рассчитана TL431, но стоит учитывать, что есть и более низковольтный вариант этой микросхемы, на 1.25 Вольта, хотя встречается он гораздо реже.
Теперь к подстроечному резистору. Для большего удобства на плате может располагаться подстроечный резистор, позволяющий менять выходное напряжение в небольших пределах, чаще всего +/- 10-20%, больший диапазон не рекомендуется, так как Бп может вести себя нестабильно.
Подстроечный резистор всегда должен стоять последовательно с нижним резистором делителя, тогда в случае выхода его из строя вы получите на выходе Бп минимальное напряжение, а не максимальное, как если бы подстроечный резистор стоял сверху.
Кроме того подстроечные резисторы часто имеют низкую надежность, и если вам не нужна эта функция, то лучше заменить его на постоянный, предварительно подобрав его номинал.

Полностью на плате весь этот узел выглядит следующим образом.

Пару слов о выходном нагрузочном резисторе.
Импульсный блок питания плохо работает без нагрузки, потому параллельно выходу обычно ставят нагрузочный резистор, обеспечивающий минимально необходимую нагрузку при которой БП работает стабильно.
Есть и минус у данного решения, резистор обычно греется, причем иногда заметно. Кроме того этот резистор может греть конденсаторы если они стоят рядом, как на этом фото.

Иногда они греются так, что на плате становятся видны следы перегрева. Но кроме того этот нагрев может плохо сказываться на стабильности БП если он подогревает резисторы делителя обратной связи и они при этом применены обычного типа, а не точные/термостабильные.
Резисторы греются, параметры начинают меняться и меняется выходное напряжение БП, потому рекомендуется располагать резисторы делителя так, чтобы они не были подвержены нагреву, а кроме того лучше применять точные резисторы, на которые нагрев влияет существенно меньше.

Иногда производители неправильно выбирают номинал нагрузочного резистора и он начинает греться сильнее чем допустимо. Например в 24 Вольте версии &amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot;народного&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot; блока питания как раз была такая ситуация, пришлось поменять его потом на резистор в два раза большего номинала.

Чтобы ваши блоки питания работали надежно, следует внимательно отнесись к подбору компонентов.
Диоды выбираются из расчета двухкратного запаса для двухтактной схемы и трехкратного для однотактной, например БП 5-7 Ампер, значит диод ставим на 15-20.
Напряжение должно быть не менее чем в четыре раза больше чем выходное у блока питания, если БП на 12 Вольт, то диод на 60, если на 24, то на 100.
Все эти параметры есть в даташите на диоды

Также они указаны на самих диодах.

Конденсаторы следует выбирать низкоимпедансные или LowESR, это также обычно отражено в даташите на компонент.
Емкость выбираем из расчета 0.5-1 тысяч мкФ на 1 Ампер выходного тока. Напряжение - для двухтактной схемы 1.5-2 раза выше чем выходное, для обратноходовой однотактной - не менее чем 2х от выходного.

По фирмам смотрим чтобы были известные бренды, но это я писал и в статье про входной фильтр, здесь рекомендации аналогичны.




С выходным дросселем все гораздо проще, номинальный ток дросселя не менее чем максимальный выходной ток блока питания. Лучше применить дроссель на больший ток, тогда его нагрев будет существенно меньше. Индуктивность 4.7-22мкГн, зависит от выходного тока, так как дроссель на большой ток и индуктивность будет весьма большим.

Обычно дроссели выполняются либо в виде &amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot;гантельки&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot;, либо в &amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot;броневом&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;quot; исполнении, вторые чаще предназначены для поверхностного монтажа.

В общих чертах на этом все, и конечно видеоверсия данной статьи. Как всегда буду рад вопросам и пожеланиям.

РадиоКот :: Импульсный блок питания (60Вт).

РадиоКот >Схемы >Питание >Блоки питания >

Импульсный блок питания (60Вт).

Схема представляет собой классический обратноходовый БП на базе ШИМ UC3842. Поскольку схема базовая, выходные параметры БП могут быть легко пересчитаны на необходимые. В качестве примера для рассмотрения выбран БП для ноутбука с питанием 20В 3А. При необходимости можно получить несколько напряжений, независимых или связанных.

Выходная мощность на открытом воздухе 60Вт (длительно). Зависит главным образом от параметров силового трансформатора. При их изменении можно получить выходную мощность до 100Вт в данном типоразмере сердечника. Рабочая частота блока выбрана 29кГц и может быть перестроена конденсатором С1. Блок питания рассчитан на неизменяющуюся или мало меняющуюся нагрузку, отсюда отсутствие стабилизации выходного напряжения, хотя оно стабильно при колебаниях сети 190...240вольт. БП работает без нагрузки, есть настраиваемая защита от к/з. КПД блока - 87%. Внешнего управления нет, но можно ввести с помощью оптопары или реле.

Силовой трансформатор (каркас с сердечником), выходной дроссель и дроссель по сети заимствованы с компьютерного БП. Первичная обмотка силового трансформатора содержит 60витков, обмотка на питание микросхемы - 10витков. Обе обмотки наматываются виток к витку проводом 0,5мм с одинарной межслойной изоляцией из фторопластовой ленты. Первичная и вторичная обмотки разделяются несколькими слоями изоляции. Вторичная обмотка пересчитывается из расчета 1,5вольта на виток. К примеру, 15вольтовая обмотка будет 10витков, 30вольтовая - 20 и т.д. Поскольку напряжение одного витка достаточно велико, при малых выходных напряжениях потребуется точная подстройка резистором R3 в пределах 15...30кОм.

Настройка
При необходимости получить несколько напряжений можно воспользоваться схемами (1), (2) или (3). Числа витков считаются отдельно для каждой обмотки в (1), (3), а (2) - иначе. Поскольку вторая обмотка является продолжением первой, то число витков второй обмотки определяется как W2=(U2-U1)/1.5, где 1.5 - напряжение одного витка. Резистор R7 определяет порог ограничения выходного тока БП, а также максимальный ток стока силового транзистора. Рекомендуется выбирать максимальный ток стока не более 1/3 паспортного на данный транзистор. Ток можно высчитать по формуле I(Ампер)=1/R7(Ом).

Сборка
Силовой транзистор и выпрямительный диод во вторичной цепи устанавливаются на радиаторы. Их площадь не приводится, т.к. для каждого варианта исполнения (в корпусе, без корпуса, высокое выходное напряжение, низкое, и.т.д.) площадь будет отличаться. Необходимую площадь радиатора можно установить экспериментально, по температуре радиатора во время работы. Фланцы деталей не должны нагреваться выше 70градусов. Силовой транзистор устанавливается через изолирующую прокладку, диод - без неё.

ВНИМАНИЕ!!!
!!! Соблюдайте указанные значения напряжений конденсаторов и мощностей резисторов, а также фазировку обмоток трансформатора. При неверной фазировке блок питания заведется, но мощности не отдаст.
!!! Не касайтесь стока (фланца) силового транзистора при работающем БП!!! На стоке присутствует выброс напряжения до 500вольт.

Замена элементов.
Вместо 3N80 можно применить BUZ90, IRFBC40 и другие. Диод D3 - КД636, КД213, BYV28 на напряжение не менее 3Uвых и на соответствующий ток.

Запуск
Блок заводится через 2-3 секунды после подачи сетевого напряжения. Для защиты от выгорания элементов при неверном монтаже первый запуск БП производится через мощный резистор 100 Ом 50Вт, включенный перед сетевым выпрямителем. Также желательно перед первым запуском заменить сглаживающий конденсатор после моста на меньшую емкость (около 10...22мкФ 400В). Блок включают на несколько секунд, потом выключают и оценивают нагрев силовых элементов. Далее время работы постепенно увеличивают, и в случае удачных запусков блок включается напрямую без резистора со штатным конденсатором.

Ну и последнее.
Описываемый БП собран в корпусе МастерКит BOX G-010. В нем держит нагрузку 40Вт, на большей мощности необходимо позаботиться о дополнительном охлаждении. В случае выхода БП из строя вылетает Q1, R7, 3842, R6, могут погореть C3 и R5.

Вопросы как обычно складываем тут.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?


Эти статьи вам тоже могут пригодиться:

Твердотельный одноканальный усилитель мощности

A

В этом простом проекте усилителя Эд Саймон описывает конструкцию усилителя класса A, которая в основном предназначена для воспроизведения музыки с усиленным эмоциональным выражением. Это то, что вы обычно получаете с качественным дизайном, но для его достижения автор разделяет полную концепцию, требования к питанию, топологию схемы, конструкцию и тестирование этого несимметричного усилителя ... в твердотельном исполнении. Эта статья была первоначально опубликована в audioXpress, апрель 2006 г.

Уильям из Оккама (родился в Оккаме, Суррей, Англия, ок. 1285, умер в Мюнхене, Германия, 1349), часто считают философом инженера. То, что часто называют бритвой Оккама, - это средневековый принцип экономики, который можно перевести как «множественность не следует воспринимать без необходимости» 1. Это часто сводится к «простейшему объяснению, которое лучше» или «оставайся простым, глупым».

Цель дизайна
Когда я проектирую, используя эту философию, я должен сначала решить, какова цель, а затем использовать самый простой из возможных методов для ее достижения.Моей самой простой целью было бы воспроизвести музыку.

Затем я рассматриваю музыку как эмоциональное выражение, передаваемое в трех измерениях посредством модуляции давления в воздухе. Он приходит ко мне закодированным как изменяющееся во времени напряжение одного или нескольких каналов. Я хочу вернуть это к эмоциональному выражению, но у меня нет всей оригинальной информации; по самой природе процесса записи информация теряется. Поэтому я не чувствую вины из-за того, что драматизирую то, с чем мне приходится работать, чтобы увеличить эмоциональное наполнение в соответствии с моей интерпретацией оригинального представления.

Техническая интерпретация этой цели при создании усилителя включает, во-первых, простые вещи; то есть полоса пропускания, начиная с высокочастотного отклика. В прошлом, используя цифровой синтезированный сигнал для получения сигналов с одинаковой пиковой амплитудой, но разными временными задержками между тонами, я установил цель проектирования для моего порога прослушивания, составляющего менее 5 ° сдвига фазы при 20 кГц.

Мне нравится хороший низкочастотный отклик. Несмотря на то, что очень немногие комнаты могут позволить хорошему динамику полностью выразить себя, просто и недорого убедиться, что усилитель не ограничивает остальную часть системы.Я не определил практическое правило относительно точных проектных значений нижнего уровня, и мои текущие правила могут быть изменены по мере появления лучших ораторов.

Мощность усилителя немного сложнее. Из предыдущих разработок я заметил, что у каждого усилителя есть приятное место для уровня, на котором он работает лучше всего, и нагрузок, которые он любит видеть. Некоторые усилители очень шумные, а другие нет. У меня широкий ассортимент динамиков. Некоторые из них очень неэффективны, другие могут сделать немного с 1W.Эта конкретная конструкция усилителя предназначена для масштабирования. Лучший звучащий усилитель, который я когда-либо создавал, имел мощность всего лишь одну четверть ватта. К сожалению, похоже, что нет громкоговорителя, который бы использовал это для создания практического уровня прослушивания.

Рисунок 1: Схема усилителя.
Еще один интересный момент, который следует учитывать, заключается в том, что усилители подавляют напряжение, но большинство громкоговорителей используют ток. Самая маленькая версия этого усилителя может выдавать среднеквадратичное значение около 15 В и может безопасно управлять очень низким сопротивлением.Однако токовый выход не является симметричным. Он может протолкнуть несколько усилителей в громкоговоритель, но может отодвинуть лишь часть этого. Это не то, что многие сочли бы хорошим дизайном, если, конечно, они действительно не слушают его.

Предположение о том, что для громкоговорителя требуются симметричные источники тока, является «множеством», которое «не следует предполагать без необходимости». Когда вы подаете положительный ток на громкоговоритель, его конус должен двигаться внутрь, увеличивая давление в корпусе. Когда вы отпустите ток, конус выйдет сам по себе.Это, конечно, грубое упрощение происходящего - просто вините в проблемах дизайнера колонок.

Искажение - другая проблема дизайна усилителя. Как вы можете заметить из предыдущего параграфа, меня не особо беспокоит гармоническое искажение на высоких уровнях. Усилитель должен обеспечивать низкое искажение компонентов музыки, которые важны для передачи эмоций. Для меня это означает, что искажения, присущие всем усилителям, не мешают, а не преследовать одно измерение искажения только потому, что это возможно.

Выбор топологии схемы - вот где проявляются мои предубеждения. Мне нравятся усилители класса А В мире аудио также существует суеверие, что усилители, использующие одно устройство вывода, звучат лучше, чем те, которые используют много. Лучший усилитель, который я когда-либо создавал, следовал этому принципу, но не был практичным. Таким образом, основной первый конструктивный вариант - увеличить этот усилитель.

Таблица 1: Список деталей для небольших усилителей.
Требования к питанию
Сначала посмотрите на выходной транзистор.Какую мощность может дать одно устройство? Мощность транзисторов рассчитана на 200 Вт и более. Однако мелкий шрифт говорит о 200 Вт при 25 ° C.

Когда вы фактически подаете питание через транзистор, он нагревается. Согласно паспорту, вы снижаете его до 1,14 Вт на каждый градус повышения температуры. Без радиатора этот транзистор мощностью 200 Вт на самом деле хорош примерно для 5 Вт. На этом экспериментальном этапе я не буду использовать самый большой транзистор, но начну с дешевых, чтобы ошибки не причиняли больше вреда.

Комплект TO-220 - самый популярный корпус для транзисторов средней мощности, с широким выбором устройств за доллар. Типичный транзистор в этом корпусе рассчитан на 65 Вт, снижает мощность до 0,52 Вт на градус и имеет тепловое сопротивление 1,67 ° на ватт. Очень оптимистичным допущением было бы дополнительное тепловое сопротивление 0,5 Вт на градус для каждого радиатора и метода монтажа.

Использование немного алгебры показывает, что транзистор может безопасно работать при 27 Вт без какого-либо запаса прочности.Интересно, что силовые трансформаторы рассчитаны на вход 115 В, а линия переменного тока может работать до 132 В. Таким образом, вы должны учесть немного большее напряжение, увеличивающее рассеиваемую мощность.

Было бы неплохо предположить, что усилитель будет работать при 25 ° C. Если поместить его в шкаф, ожидать температуру 60 ° C. Поэтому 27 Вт слишком высока. Я буду использовать 15 Вт в качестве первой попытки дизайна.
Усилитель мощностью 15 Вт будет иметь среднеквадратичное значение 11 В при нагрузке 8 Ом. Для этого потребуется напряжение питания 15,5 В и ток питания 1.94А. Если по какой-либо причине на усилитель будет наложено наихудшее напряжение, транзистор должен рассеивать около 30 Вт. Фактическая нагрузка, помещенная на выходной транзистор, не может быть рассчитана, поскольку точная нагрузка представляет собой неизвестную комбинацию сопротивления, индуктивности, емкости и обратной ЭДС. Нагрузка также имеет привычку меняться.

В небольших силовых трансформаторах три наиболее распространенных напряжения: 12, 18 и 24 В. Я буду использовать 18 В трансформатор, который должен дать пиковое напряжение:

18 х 1.414 х 130/115 х 1,2 = 34,5 В.

Это минимальное напряжение, на которое должны быть рассчитаны конденсаторы фильтра. Действительно ожидаемое напряжение зависит от трансформатора. Я использую один на 18V 2A.

Я узнал, что когда вы используете громкоговоритель на высокой мощности, его звуковая катушка нагревается и потребляет меньше тока. Чтобы получить больше напряжения от теплового ограничения 15 Вт, я позволю больше напряжения и меньше тока. Текущая ничья для моей первой цели будет в среднем только около ½A.

Ток будет потребляться только тогда, когда пиковое напряжение переменного тока больше, чем напряжение постоянного тока, сохраненное на конденсаторах фильтра.Если учесть пульсацию 5% при 18 В переменного тока (пик 25,45), ток будет потребляться только тогда, когда пиковое напряжение переменного тока превышает 24,18 В. Обратный косинус 24,18 / 25,45 составляет 18,19 °. Таким образом, есть только 18 ° из 180 в течение положительного полупериода для зарядки конденсатора фильтра. Мой ½A через выходные транзисторы теперь является нагрузкой 5A на трансформаторе.

В паспорте на трансформатор указывается, что без нагрузки он вырабатывает 20,6 В и 18 В при нагрузке 2 А. (Вот почему в уравнении максимального напряжения 1,2). Это будет смоделировано 1.3Ω внутреннее сопротивление. На 5А он должен потерять 6,5 В. Так что ожидайте:

20,6 x 1,414 - 6,5 - .8 = 21,8 В.

.8 происходит от падения диода. Это больше, чем .7 большинство людей предполагают из-за более высокого тока. Так что для моего ½A мощность от трансформатора должна быть 11 Вт. Это не.

Есть и другие плохие новости для трансформатора. Усилитель не имеет симметричных выходов, поэтому нагрузка на трансформатор не будет симметричной. Это означает, что, когда я играю громкую музыку, смещение постоянного тока намагничивает сердечник трансформатора и снижает его мощность.Я мог бы использовать больший трансформатор, но сейчас я буду придерживаться своего блока 18 В 2 А, используя гораздо больший для увеличенной версии усилителя.

Этот источник питания оставляет около 22 В для выходного транзистора. В усилителе класса A ток всегда протекает через транзистор. Если ток установлен на 600 мА, транзистор будет рассеивать около 13 Вт, что достаточно близко, чтобы учесть изменения компонентов и температуры.

Я уже упоминал об основных фильтрах-конденсаторах, но на первый взгляд определить их размер просто, используя теорию электрического поля, а не теорию цепи, как это было до сих пор.Теория поля редко используется для проектирования систем, потому что она слишком громоздкая, хотя и более точная.

Определение емкости: C = Q / V. (Q - заряд, или число электронов.) С помощью алгебры вы переставляете это так, чтобы оно было CV = Q. Затем вы используете исчисление для получения первой производной:

C dV / dT + V dC / dT = dQ / dT.

Ток (I) определяется как dQ / dT. Большинство людей предполагают, что dC / dT равно нулю. Отбросьте термин и в итоге получите:

C dV / dT = I.

Это плохое предположение для использования конденсаторов в аудио.Постоянный ток (или изменение значения емкости) может происходить из-за изменения напряжения на конденсаторе, изменения давления, окружающего конденсатор, или даже из-за движения конденсатора. Это значение не указывается в паспортах производителей. Имейте это в виду, когда конденсатор видит большой скачок напряжения.

Перестановка простой формы дает мне:
C = I x dT / dV.
Для первой попытки выбора значения конденсатора фильтра я позволю пульсации 10%, потому что теперь есть большее потребление тока:
С =.6 х (1/60) /2,2 = 5000 мкФ.

4700 мкФ является ближайшим стандартным значением, и я могу использовать 35 или 50 В. Быстрая проверка данных показывает, что конденсатор такого размера может выдерживать пульсацию тока до 1,9А. Конденсатор на 50 В позволит мне попробовать трансформатор с более высоким напряжением, и в запасах конденсаторов некоторых поставщиков я могу получить его только до 3300 мкФ.

Топология схемы
Пришло время выяснить фактический усилитель (рис. 1). Начиная с вывода, я могу использовать биполярный или MOSFET для недорогих устройств вывода.(Если вы ожидали вакуумную трубку, таких конструкций много.)

Существует три возможных способа подключения транзисторов. Общая база (или затвор) дает усиление напряжения, но не дает усиления тока. Общий коллектор (сток) дает усиление по току без усиления по напряжению. Существует усиление тока и напряжения от общего эмиттера (источника), что является хорошей отправной точкой. Усилитель с общим эмиттером с фиксированным источником тока является наиболее популярной ступенью усиления в твердотельных усилителях. Он достаточно хорошо понят и имеет ряд забавных особенностей, таких как колебания, внутренние изменения параметров в зависимости от приложенной мощности и так далее.Всегда старый друг.

Для использования полевого МОП-транзистора в качестве устройства вывода необходимо подключить его к источнику напряжения, который может подавать ток, достаточный для поддержания проектной полосы пропускания. Типичный полевой МОП-транзистор (IRF610) имеет входную емкость в диапазоне 200 пФ, а также имеет место эффект эффекта Миллера, о котором следует беспокоиться. Для разгона до 100 кГц требуется ток менее нескольких сотен микроампер. Выход будет иметь потерю менее 0,5 В и соответствовать целям питания. Это довольно хорошие цифры.

Недостатком является то, что мой выбор МОП-транзисторов весьма ограничен.Они предназначены для промышленной обработки электроэнергии, а устройства, предназначенные для аудио, встречаются редко и их сложнее достать (да, они существуют).

Биполярному транзистору потребуется ток возбуждения 30 мА или около того. Он будет иметь выходную потерю менее 0,4 В, и у меня есть широкий выбор. Если я хочу увеличить усилитель по размеру, есть четкий путь к легко доступным биполярным транзисторам большего размера, некоторые из которых имеют приятные линейные характеристики усиления. Я могу добавить резистор эмиттера, чтобы получить местную обратную связь.Проблема в получении достаточного тока привода.

Использование биполярного транзистора для управления выходным каскадом биполярного транзистора потребует входной ток почти миллиампер. Это дало бы мне низкий входной импеданс и потерю низких частот, если нет более двух ступеней. МОП-транзистор имеет более высокий входной импеданс и представляет собой устройство с напряжением по току, поэтому обеспечение привода не является проблемой.

Если я использую дифференциальный входной каскад с согласованными МОП-транзисторами, мое устройство с более высоким искажением будет в цепи с ограниченным усилением, что минимизирует проблему.Совпадение между двумя устройствами также позволит мне уменьшить искажения. Это также позволяет легко применять глобальную обратную связь.

В двух этапах одно устройство должно иметь конструкцию N, а другое - P. Плохая новость - устройства, построенные P, не работают, а N - для аудиоприложений. Разница хуже с МОП-транзисторами, чем с биполярными. Чтобы минимизировать ущерб, имеет смысл использовать N-канальный MOSFET в качестве входа и PNP-биполярный в качестве выхода.

Несимметричный усилитель класса A нуждается в некоторых источниках тока.Легко сделать простой источник тока, такой как источник высокого напряжения и просто резистор, или немного усложнить его и использовать трансформатор и источник высокого напряжения (сделано это - другая история), или использовать твердотельный регулятор тока , Хотя регулятор имеет больше частей, он стоит меньше всего. Поэтому иногда «во множественности есть необходимость».

Обычная конструкция - это транзистор, питающийся от источника постоянного напряжения, сбрасываемый в резистор. Я выбрал для этого биполярные транзисторы, потому что их базовое напряжение более равномерное, чем у полевых МОП-транзисторов.Я провел небольшой эксперимент по тестированию светодиода, силового диода и сигнального диода, чтобы увидеть, насколько равномерным было их прямое падение напряжения с изменениями тока. Сигнальный диод имел самый ровный наклон, и его сладкое пятно составляло от 15 до 30 мА. Точное напряжение на диоде зависит от температуры.

При использовании диодного источника напряжения для источника выходного тока помните, что при нагреве выходного транзистора его падение базового напряжения (Vbe) снижается и пропускает больший ток. Поэтому я приму 0.9 В на резисторе эмиттера, а не 0,6 или 0,7 В в источнике выходного тока.

Соображения
Регуляторы напряжения, образованные последовательно соединенными диодами, также обойдены конденсатором, чтобы уменьшить любой шум и пульсации источника питания. Любой шум в источнике напряжения усиливается источником выходного тока.

Теперь у меня большая часть базовой топологии схемы. Это довольно стандартная вещь - использовать скромное количество глобальных отзывов в AC и полную обратную связь в DC.Я решил не использовать дополнительные части, пока не послушаю усилитель и не увижу, что добавят каждое изменение или новая часть.

Другая действительно важная цель - уметь реально построить усилитель. В своем простейшем виде этот усилитель может стать проектом для начинающих. Я построил этот усилитель, используя только дрель (с битами), паяльник, несколько отверток, плоскогубцы, небольшой диагональный резак, кусачки, пистолет с горячим воздухом и вольтметр. Я не выложил кусок с квадратом и писцом; вместо этого я использовал свой пуансон с ЧПУ, который немного дороже, так что вы можете придерживаться квадрата.

Если вы допустили ошибку при создании этого базового усилителя, возможно, это потому, что я забыл рассказать вам некоторые важные детали или вы прочитали слова, которые я написал, а не те, которые я имел в виду. Давным-давно я однажды спросил наставника о константе Больцмана. Он сказал мне, что это было «основным». Примерно через две недели я извинился за то, что не получил его, и попросил у него дополнительную информацию. Он начал со слов: «Я сказал, что это просто, а не просто».

Это «базовый» усилитель. Если вы собрали несколько комплектов и решили попробовать сборку с нуля, это может быть для вас.Это, безусловно, помогает, если у вас есть друг, который может помочь вам с трудностями.

Я перечислил все детали вместе с номером детали Mouser Electronics. Обратите внимание, что они не продают некоторые части, такие как резисторы по отдельности. Вы также можете купить несколько дополнительных полевых МОП-транзисторов, чтобы вы могли подбирать пары для этапа ввода. Я ожидаю, что кто-нибудь может выискивать некоторые части, даже если это только шнур питания от еженедельного мусора. Если вы можете отыскать алюминий, шнур питания и немного лома провода, вы сможете собрать два усилителя по цене около 100 долларов.

Вы можете собрать весь основной усилитель на одном алюминиевом элементе размером 12 x 12 дюймов. Я использовал сплав 5052 толщиной 1/8 дюйма с температурой h42. Толщина важна для того, чтобы тепло могло распространяться; если нужно, вы можете использовать две более тонкие детали.

Если вы покупаете алюминий, другой выбор - 6062 практически с любым характером, кроме T0. Вы должны быть в состоянии найти кусок лома в любом месте от свалки до металлического магазина, и, конечно, вы всегда можете купить кусок в Интернете. Есть также много других сплавов алюминий, который все будет работать, только не покупайте уже анодированный алюминий.

Я использовал клеммные колодки, привинченные к пластине для крепления всех компонентов. Таким образом, вы можете легко вносить изменения. Например, я использовал TIP42C, который не является хорошим звуковым транзистором, но он дешев.

Вы можете играть с другими. Попробуйте MJL4302A. Вы можете отрегулировать привлекательное место усилителя, увеличив значение R9. Вы также можете попробовать более высокий трансформатор напряжения. (Не забудьте также увеличить R9.) Вы можете добавить этапы усиления, попробовать все MOSFET или биполярные. Я не использовал транзисторные розетки, но я перечислю их в таблице 1 для тех, кто заинтересован.Они не предназначены для розеток, но будут работать нормально.

Рисунок 2: Направляющая сверла малого усилителя.
Строительство
Для начала выложите кусок металла. Вы должны использовать регулируемый квадрат 12 ". Установите линейку на одно из размеров, показанных на чертеже (рис. 2), плотно прижмите край квадрата к металлу чуть выше того места, где вы хотите получить законченную маркировку. Затем поместите скрайбер (который во многих моделях хранится в рукоятке) в выемке в конце линейки и потяните инструмент к себе, удерживая писец в выемке.Это позволит вам разместить линию в пределах 0,005 "с небольшой практикой. Когда вы расширяете линейку более чем на 6", начинайте с противоположного края, за исключением случаев, когда вы делаете соответствующее отверстие (например, вы должны измерить два отверстия которые монтируют трансформатор с одного края).

Писайте все свои линии, прежде чем использовать удар, чтобы оставить начальную ямку для вашей тренировки. Если вы осторожны и имеете резкий удар, вы можете почувствовать пересечение размеченных линий и точно пробить отступ именно там, где вы хотите.Машинисты на самом деле имеют три острых инструмента. Писец, который используется только для царапин, имеет очень тонкий наконечник, который может быть поврежден при ударе. Удар уколом почти такой же, как у центрального удара, за исключением того, что наконечник находится под более острым углом. Это используется с легким ударом, чтобы сделать небольшой отступ. Затем используется центральный штамп, чтобы сделать углубление достаточно большим, чтобы буровое долото не выскользнуло.

Когда это будет сделано, ваша дыра будет именно там, где вы хотите. Конечно, для нормальных людей ногти работают хорошо, но вам придется часто менять их, поскольку они становятся тупыми.Для простоты я считаю, что сторона с нарисованными линиями - это лицо, а другая сторона - это спина. Трансформатор крепится снизу.

Наденьте пару перчаток и защитные очки, затем просверлите все отверстия сверлом B \ cx ". Если у вас возникли проблемы с обработкой центральных ударов, используйте меньший бит. Если вы используете слишком маленький бит, алюминий будет склеивать и разбивать его. Хорошей идеей будет окунуть сверло в масло или даже мыльную воду перед тем, как просверлить каждое отверстие.

После сверления всех отверстий можно просто вернуться с большим долотом чтобы увеличить отверстия.Когда вы сделаете это, постепенно увеличивайте размер до конечного размера, проверяя его на предмет соответствия. Вы можете перейти от B \ cx "к ¼" к C \, "к ½". Проверьте отверстия для выключателя, держателя предохранителя, клемм и входного гнезда во время сверления. Чем больше, тем меньше, тем меньше. Возможно, вам придется покачивать сверло в отверстии, чтобы точно подогнать некоторые детали.

После того, как все отверстия имеют окончательный размер, отшлифуйте алюминий, прежде чем его покрасить. Я использую наждачную бумагу с зернистостью 120 штук в маленьком электрическом шлифовальном устройстве. Вы можете сделать это вручную; это не займет много времени.Идея состоит в том, чтобы удалить большую часть слоя оксида, который образовался на алюминии, чтобы краска прилипла к нему. После того, как вы удалили матово-серый алюминий, чтобы выявить в основном яркий алюминий, вы можете протереть его сухим бумажным полотенцем или слегка смоченным растворителем. Не используйте воду.

Быстро замаскируйте все монтажные отверстия с обеих сторон пластин. Я использую клейкую ленту, нарезанную на квадраты 3/8 ". На лицевой стороне (как это выглядит на рис. 2) используйте ¾", чтобы замаскировать пять монтажных отверстий транзистора.С обеих сторон замаскируйте ¼ "отверстие для входного разъема. Нет необходимости маскировать отверстия для клемм, держателя предохранителя или переключателя.

Процесс отшлифования металла до покраски должен занимать менее 15 минут. Я предпочитаю самую дешевую черную аэрозольную краску, которая обычно тонкая и быстро сохнет. Я распыляю одно очень легкое покрытие со всех четырех краев на задней стороне, подожду две минуты, переворачиваю его на три небольших блока и рисую другой ( лицевая сторона) Мне требуется три раза вокруг всех четырех сторон с действительно очень легким пальто, чтобы получить алюминий равномерно черный.Я не хочу толстую шерсть на лице.

На этом этапе на лицевой стороне есть отделочный слой, а на задней - защитный. После того, как лицо почти высохнет (краска, которую я использую, занимает 10 минут), удалите клейкую ленту. Когда лицо высохнет (около 1 часа), переверните его на блоки и нанесите достаточно краски на спину, чтобы убедиться, что оно равномерно черное. Через несколько минут удалите остатки маскирующей ленты. Сняв ленту, пока краска не высохла полностью, край краски перемещается в замаскированную область очень слабо и оставляет плавный переход.Затем дайте панели высохнуть в течение ночи. Для моего «кейса» я использовал только 12-дюймовый кусок 2 x 4 с вырезом 1/8 »в центре. Тарелка просто лежит в основании и стоит вертикально (фото 6).

Фото 1: источник переменного тока. Фото 2: полный усилитель.
Сборка
После того, как панель полностью, полностью и действительно высохнет, вы можете начать сборку. Начните с монтажа трансформатора на лицевой стороне с помощью куска тонкого картона под ним, используя крепежные винты из нейлона 6-32.Установите двухконтактную полосу на правый винт. Убедитесь, что предохранитель не находится в держателе предохранителя, и установите его так, чтобы клеммы находились на лицевой стороне. Только гайка должна быть на лицевой стороне; резиновая шайба должна быть снизу.

Плотно затяните гайку. Если вы перетянете его, вы сломаете держатель предохранителя. Если он слишком ослаблен, держатель предохранителя будет вращаться при попытке замены предохранителя. Если вы хотите обмануть, используйте каплю супер клея. Затем установите переключатель, снова с клеммами на лицевой стороне.Если вы используете две гайки на переключателе, затяните его с лицевой стороны, чтобы получить аккуратный вид сзади. Шнур питания должен быть надежно закреплен на месте.

Я оставляю около 4 "из трех проводников открытыми от внешней оболочки шнура питания. Зеленый провод подключен к заземленной клемме, прикрепленной к силовому трансформатору. Здесь не требуется термоусадочная трубка. Это делает безопасное заземление без внесения дополнительного шума в плоскость заземления радиатора аудио. Вы можете использовать другой изолированный терминал для хранения белого центрального отводного провода от трансформатора.

Поместите кусок термоусадочной трубки на черный (или коричневый) и белый (или синий) провода шнура питания. Затем держите трубку подальше от концов, припаяя провода к клеммам переключателя, ближайшим к краю переключателя, по одному проводу с каждой стороны. Черный или коричневый - в зависимости от имеющегося у вас сетевого шнура - подходит ближе всего к трансформатору. От центральной клеммы выключателя на стороне, к которой подключен черный провод, подсоедините провод, который также идет к задней клемме держателя предохранителя.Не забудьте термоусадочную трубку!

Теперь два черных трансформаторных провода готовы к соединению, опять же с трубкой на проводах - один идет к разомкнутой клемме на переключателе, а другой - к клемме держателя предохранителя, ближайшей к панели. Убедитесь, что ваши паяные соединения блестящие и прочно расплавлены как на проволоке, так и на ее клемме, прежде чем надевать термоусадочную трубку на обнаженный металл. Вы можете использовать пистолет с горячим воздухом, фен, спичку или зажигалку, чтобы нагреть трубку, пока она не усадится на месте.Теперь обмотайте все изолентой, чтобы убедиться, что металла не видно. Это единственное место, где у вас достаточно напряжения, чтобы причинить вам боль (фото 1).

Теперь вы можете вставить предохранитель. Это хорошее время, чтобы проверить свою работу.

Фото 3: Раздел ввода. Фото 4: Выходной раздел.
Тестирование
Если у вас есть детали, вы можете создать испытательный стенд переменного тока, который представляет собой просто сетевой шнур переменного тока, розетку и лампочку на 60 Вт.Подключите заземление и нейтраль (зеленый и белый) от шнура к розетке. Горячий (черный) шнур идет на лампочку, а другой провод лампочки - на розетку. Обязательно соберите это устройство, используя стандартные электрические коробки и устройства для снятия натяжения. Чтобы проверить это устройство, подключите к нему лампу, а устройство - к стене. Когда вы включаете лампу, она должна загореться так же, как и лампочка 60 Вт для вашего испытательного прибора.

Если вы смелы, вы можете просто подключить свой усилитель прямо; В любом случае вы должны измерить около 21 В переменного тока на двух красных проводах.Если вы этого не сделаете, попробуйте включить выключатель питания. Теперь обязательно отключите его, прежде чем продолжить.

Следующим шагом является установка клеммной колодки над трансформатором, который содержит конденсаторы источника питания. Теперь вы узнаете, правильно ли вы разместили отверстия. Вставьте стальные крепежные винты снизу. Они плотно прилегают через монтажные ножки клеммной колодки. Используйте стопорную шайбу и гайку на лицевой стороне. Эти винты должны быть достаточно туго.

Я устанавливаю конденсаторы в отверстие в полосе, где он приклепан к изолятору.Это не обычный метод, но он хорошо мне подходит и держит конденсатор близко к плоскости заземления. Подсоедините левый конденсатор так, чтобы его полоса с отрицательным проводом была подключена к заземленной клемме. Конденсатор справа имеет заземленный положительный провод.

Подключите диоды, используя одну из центральных клемм для обоих, а другой конец каждого идет к конденсаторам. Обе диодные полосы должны быть на левой стороне. Подсоедините провода трансформатора и перемычку между двумя заземленными клеммами.Я не хочу доверять механическому соединению с заземлением. После того, как вы это подключите, вы должны проверить свою работу.

Подключите усилитель обратно. Если вы используете тестовую коробку, вы можете заметить небольшой свет, когда конденсаторы заряжаются. Я не сделал. Теперь быстро отключите усилитель. Поскольку конденсаторы не имеют нагрузки, они будут некоторое время удерживать заряд.

Теперь у вас есть хороший шанс быть уверенным, что вы ничего не сделали назад, не рискуя взорваться. (Конденсаторы с обратной связью могут взорваться!) На каждом конденсаторе должно быть около 28 В.Будьте уверены, что положительное на самом деле положительно на обоих. Если вы достигли этой точки, вы должны были сделать хотя бы одну ошибку к настоящему времени и найти способ скрыть или исправить это!

Следующим шагом является возможность создать временную схему для сортировки MOSFET. Я подключил один из резисторов 1K0 1W к клеммной колодке источника питания и подключил его к тройному разъему с разнесением в 0,1 дюйма. Контакты 1 и 2 были подключены к резистору, который я затем подключил к положительному источнику питания. Контакт 3 заземлился. Затем я измерил напряжение между 1 и 3.

Без полевого МОП-транзистора в розетке было около 28В. Вставка MOSFET снизила его до 2,78 В для четырех из них и до 2,79 В для пяти из них. Один из десяти, которые я купил, измерял 2.77V. Это дало мне четыре подходящих набора и заверило меня, что MOSFET были хорошо сделаны.

Фото 5: Блок питания с тестовой розеткой.
Далее соберите выходной каскад. Установите две клеммные колодки с зазором между ними, используя два винта, как и раньше. Обе полосы монтируются в одинаковые отверстия.Я довольно сильно согнул выводы транзисторов TIP41C и TIP42C, чтобы они соединились с заклепками в их клеммной колодке. Если вы попытаетесь согнуть провода слишком быстро или слишком сильно, вы можете их разорвать. Я использую старомодный метод монтажа транзисторов (Фото 5).

Я нанёс небольшое количество смазки для радиатора с обеих сторон слюдяной шайбы, а затем поместил ее между транзистором и радиатором. Я вставил крепежный винт из нейлона 6-32 через узел и затянул гайку сзади.Некоторые люди предпочитают стальной винт и изолированную втулку; другие используют термопрокладку, которая не требует смазки. Винт должен быть затянут сейчас и затянут позже, когда усилитель нагрелся. Сначала установите все детали на клеммные колодки, а затем, если вы уверены, что все правильно, припаяйте их. Используйте кусочки провода для соединения всех клемм заземления.

Вставьте выходные клеммы на этом этапе и присоедините выходной фильтр (C11 и R12) сейчас. Я использовал старые зеленые посты, которые у меня были, и просто покрасил их в красный и черный цвета.Когда вы монтируете свои посты, убедитесь, что отверстие для провода направлено в сторону, в противном случае вам будет сложно подключить ваши колонки позже.

После установки R7, R8, R9, R12, C4, C8, C10, C11, D3, D4, D9 и D10 вы можете снова запустить усилитель. Выходное напряжение должно быть около -26В. Затем выключите усилитель и временно подключите резистор (1K 1W) между базой Q4 и землей. Включите усилитель снова.

Выходное напряжение теперь должно быть более положительным. Это может быть где-то от -10 до + 15В.Если вы используете лампочку, лампочка должна светиться. Выходные транзисторы начнут прогреваться. Измерение от основания Q5 до отрицательного источника должно быть между 1,3 и 1,4 В. Там должно быть около 0,7 В по R9.

Если все работает, выключите его и выньте дополнительный резистор. Если это не сработало, начните с проверки, чтобы убедиться, что ваши транзисторы подключены правильно, а полосы на диодах правильные. Если у вас есть С4 в обратном направлении, это не будет иметь большого значения, потому что напряжение на нем очень низкое.Тем не менее, это в конечном итоге потерпит неудачу. Если резистор курит, Q4 или Q5 могут быть замкнуты.

Как только выходной каскад заработает, запустите источник тока для входа. Установите обе клеммные колодки и установите Q3. Установите R5, R6, C2, C6, C7, D1 и D2. Как только эти части подключены, временно подключите резистор 100 Ом ΩW от положительного источника к коллектору Q3. Ожидайте измерения от 5 до 10 В на этом резисторе. Будь счастлив! Текущий источник работает. Кроме того, полезно проверить от отрицательного предложения до основания Q3; чтение должно быть между 1.3 и 1,9 В.

Затем установите входной разъем и все пассивные компоненты, которые вы можете, не затрудняя монтаж Q1 и Q2 (MOSFET). Я сам никогда не взрывал ничего из этого, но мне сказали, что если вы попытаетесь собрать этот усилитель зимой на шерстяном ковре, сидя в мягком кресле, покрытом шерстью, надевая шелковые трусы, вы, безусловно, это сделаете. Держите МОП-транзисторы как можно меньше, а затем держите их за большой металлический выступ (слив), а не за ворота. Входные МОП-транзисторы не требуют радиатора, но делают это, чтобы убедиться, что они имеют одинаковую температуру.Это важно для минимизации смещения постоянного тока на выходе.

При сборке входа важно установить R2, R3, R10 и R11 рядом с их транзисторами. Если вы этого не сделаете, могут возникнуть колебания. Как только вы все собрали, сделайте перерыв.

Когда вы вернетесь, перепроверьте свою проводку, убедившись, что вы спаяли все клеммы (я никогда не делаю эту попытку). Подключите усилитель без нагрузки. Измерьте выходное напряжение. Если оно меньше 0,080 В, это здорово.Измерьте положительное и отрицательное напряжение, которое должно быть 21 В, дайте или возьмите вольт или два.

Если все проверено и у вас есть доступ к испытательному оборудованию, посмотрите на выход с помощью осциллографа или компьютерного эквивалента. Вывод должен быть плавной линией без всплесков звонка. Разверните усилитель синусоидальной волной; Вы можете увидеть некоторые искажения в синусоиде выше 50 кГц. Если вы видите разрыв звонка, убедитесь, что C11 и R12 подключены (Фото 3).

Если это не так, вы можете ткнуть пальцем, пока не увидите, что и что изменится.В любой точке питания дополнительный конденсатор заземлен. Я ожидаю, что, если вы видите звон, наиболее вероятной проблемой является неправильное соединение или короткое замыкание.

Если у вас нет испытательного оборудования и ваш счетчик показывает малое значение постоянного тока и напряжение менее 50 мВ, установите плавкий предохранитель на 1 А последовательно со старым громкоговорителем и подключите его на секунду или около того. Если все тихо, дайте усилителю вход и снова подключите динамик. Вы должны услышать музыку. Если это звучит хорошо, это будет звучать очень хорошо на данный момент.Если он не воспроизводит музыку, отсоедините динамик, проверьте все напряжения и сравните их с теми, что указаны на схеме, чтобы увидеть, можете ли вы найти ошибку.

Усилитель станет горячим на ощупь, но это нормально. Если вы положите палец прямо на выходные транзисторы и не будете сильно кричать, все в порядке. Силовой трансформатор также станет теплым. Разогрев конденсатора - плохой знак.

Когда вы слушаете свой усилитель, вы можете не заметить, почему люди сначала предпочитают звучание несимметричных усилителей класса A.После прослушивания в течение нескольких часов снова попробуйте старый усилитель. Вдруг вы найдете это звучит смешно! В одном из этих прекрасных психологических эффектов вы можете не замечать, когда что-то лучше, но вы гораздо быстрее замечаете, когда что-то хуже.

Теперь у вас есть усилитель, который вы можете слушать и играть. Если вам пришло в голову, что этот усилитель может быть построен с помощью карты ПК или увеличен в размере и с лучшими деталями, вы правы. Но тогда это другой усилитель.AX

Фото 6: Покрашенное шасси.
Ссылка
1. Дейв Беккет, Кентский университет в Кентербери, Великобритания.

Об авторе
Эд Саймон получил степень бакалавра. в университете Карнеги-Меллона. Он установил более 500 звуковых систем в таких местах, как Jacob's Field, Cleveland, Ohio; MCI Center, Вашингтон, округ Колумбия; Музей современного искусства ресторанов, Нью-Йорк; Колизей, Нэшвилл, Тенн .; Форум, Лос-Анджелес; Стадион Fisher Cats, Манчестер, Нью-Гемпшир.

Эта статья была первоначально опубликована в audioXpress, апрель 2006 г.

.
однолинейная схема системы электроснабжения - объяснение и преимущества присоединения генерирующих станций

Электрическая энергия вырабатывается на генерирующих станциях, а через сеть передачи она передается потребителям. Между генерирующими станциями и распределительными станциями используются три различных уровня напряжения (уровень передачи, дополнительная передача и уровень распределения).

Высокое напряжение требуется для передачи на большие расстояния, а низкое напряжение - для коммунальных нужд.Уровень напряжения снижается от системы передачи к распределительной системе. Электрическая энергия генерируется трехфазным синхронным генератором (генераторами переменного тока), как показано на рисунке ниже. Напряжение генерации обычно составляет 11 кВ и 33 кВ.

power-supply-system Это напряжение слишком низкое для передачи на большие расстояния. Следовательно, он повышается до 132, 220, 400 кВ или более с помощью повышающих трансформаторов. При этом напряжении электрическая энергия передается на основную подстанцию, где энергия подается от нескольких подстанций.

Напряжение на этих подстанциях снижается до 66 кВ и подается в систему субпередачи для последующей передачи на распределительные подстанции. Эти подстанции расположены в районе центров нагрузки.

Напряжение снижается до 33 кВ и 11 кВ. Крупные промышленные потребители снабжаются на уровне первичного распределения 33 кВ, в то время как мелкие промышленные потребители поставляются на 11 кВ.

Напряжение снижается дополнительно с помощью распределительного трансформатора, расположенного в жилом и коммерческом районе, где оно подается этим потребителям на уровне вторичного распределения 400 В, трехфазного и 230 В, однофазного.

Преимущество объединения генерирующих станций

Энергетическая система состоит из двух или более генерирующих станций, которые соединены связующими линиями. Объединение генерирующих станций имеет следующие важные преимущества.

  1. Это позволяет экономически взаимно передавать энергию из избыточной зоны в зону дефицита.
  2. Меньшая общая установленная мощность для удовлетворения пикового спроса.
  3. Требуются малые резервные резервные генерирующие мощности.
  4. Это позволяет генерировать энергию на самой эффективной и дешевой станции в любое время.
  5. Это снижает капитальные затраты, эксплуатационные расходы и стоимость произведенной энергии.
  6. Если произошла серьезная поломка генерирующего системного блока во взаимосвязанной системе, то перебои в подаче электроэнергии не происходят.

Взаимосвязь обеспечивает наилучшее использование энергоресурсов и большую надежность поставок. Это обеспечивает общую экономическую выработку за счет оптимального использования мощной экономичной генераторной установки.Соединение между сетями осуществляется либо по линиям HVAC (переменного тока высокого напряжения), либо по линиям HVDC (постоянного тока высокого напряжения).

,Требования к цепям электропитания и безопасности (аварийные) ПЛК

Введение

Источник питания для ПЛК, как правило, однофазный и 120 или 240 В переменного тока . Если контроллер установлен в корпусе, два силовых провода (горячий L1 и общий L2) обычно входят в корпус через верхнюю часть шкафа, чтобы минимизировать помехи от других линий управления.

PLC power supply and safety (emergency) circuits requirements PLC требования к электроснабжению и цепи безопасности (аварийные) (фоторепортаж: boikon.ком)

Линия электропередачи должна быть максимально чистой , чтобы избежать проблем из-за помех линии в контроллере и системе ввода / вывода.

  1. Требования к питанию
    1. Общий источник переменного тока
    2. Изолирующие трансформаторы
  2. Предохранительные (аварийные) цепи
    1. Аварийные остановки
    2. Реле управления или безопасности (MSC / SCR)
    3. Аварийное отключение питания

Требования к питанию

Общий источник переменного тока

Блок питания системы и устройства ввода / вывода должны иметь общий источник переменного тока (см. Рисунок 1). Это сводит к минимуму помехи в линии и предотвращает поступление ошибочных входных сигналов от стабильного источника переменного тока к источнику питания и процессору, но к нестабильному источнику переменного тока для устройств ввода-вывода.

Поддерживая источник питания и устройства ввода-вывода на одном источнике питания , пользователь может в полной мере использовать функцию контроля линии источника питания.

System power supply and I/O devices with a common AC source System power supply and I/O devices with a common AC source Рисунок 1 - Системный источник питания и устройства ввода / вывода с общим источником переменного тока

Если условия линии упадут ниже минимального рабочего уровня, источник питания обнаружит ненормальное состояние и подаст сигнал процессору, который прекратит чтение входных данных и отключит все выходы.

Вернитесь к требованиям к цепи питания / безопасности ПЛК ↑


б. Разделительные трансформаторы

Еще одна хорошая практика - - использовать изолирующий трансформатор на линии питания переменного тока, идущей к контроллеру.

Изолирующий трансформатор особенно желателен , когда тяжелое оборудование может создавать помехи в линии переменного тока . Изолирующий трансформатор также может служить понижающим трансформатором для снижения напряжения на входящей линии до желаемого уровня.

Трансформатор должен иметь достаточную номинальную мощность (в единицах вольт-ампер) для питания нагрузки, поэтому пользователи должны проконсультироваться с производителем для получения рекомендуемой номинальной мощности трансформатора для своего конкретного применения.

Small 120 to 120 VAC Isolation transformer in the upper left hand corner (gold box) Small 120 to 120 VAC Isolation transformer in the upper left hand corner (gold box) Маленький 120 - 120 В переменного тока Изолирующий трансформатор в верхнем левом углу (золотой ящик). Это также используется для максимальной защиты чувствительного оборудования ПЛК. (фото любезно предоставлено lewistecheng.com)

Вернитесь к требованиям к цепи питания / безопасности ПЛК ↑


Предохранительные (аварийные) цепи

Система ПЛК должна содержать достаточное количество аварийных цепей , чтобы либо частично, либо полностью остановить работу контроллера или контролируемой машины или процесса (см. Рисунок 2).

ВАЖНО! Эти цепи должны быть направлены за пределы контроллера, чтобы пользователь мог вручную и быстро отключить систему в случае полного отказа контроллера. Защитные устройства, такие как аварийные тросовые выключатели и концевые выключатели в конце хода, должны обходить контроллер для непосредственного управления пускателями двигателей, соленоидами и другими устройствами.

Эти аварийные цепи должны использовать простую логику с минимальным количеством высоконадежных, предпочтительно электромеханических, компонентов.

Emergency circuits hardwired to the PLC system Emergency circuits hardwired to the PLC system Рисунок 2 - Аварийные цепи, подключенные к системе ПЛК

Вернитесь к требованиям к цепи питания / безопасности ПЛК ↑


Аварийные остановки

Система должна иметь цепей аварийного останова для каждой машины, непосредственно управляемой ПЛК . Для обеспечения максимальной безопасности эти цепи не должны быть подключены к контроллеру, а должны быть оставлены проводными.

Эти аварийные выключатели должны быть размещены в местах, к которым оператор может легко получить доступ к .

Выключатели аварийного останова обычно подключаются к цепям главного управляющего реле или реле защитного управления, которые в аварийной ситуации отключают питание от системы ввода-вывода.

Вернитесь к требованиям к цепи питания / безопасности ПЛК ↑


б. Реле управления или безопасности

Реле главного управления (MCR) Цепи и безопасного управления (SCR) обеспечивают простой способ отключения питания системы ввода-вывода во время аварийной ситуации (см. Рисунок 8).

Master start control for a PLC with MCRs enabling input and output power Master start control for a PLC with MCRs enabling input and output power Рисунок 3 - Главное управление запуском для ПЛК с MCR, обеспечивающими входную и выходную мощность

Эти цепи реле управления могут быть обесточены нажатием любого аварийного выключателя, подключенного к цепи. Обесточивание катушки реле управления отключает питание устройств ввода и вывода. Однако ЦП продолжает получать питание и работать, даже если все его входы и выходы отключены.

Цепь MCR может быть расширена путем последовательного включения реле неисправности ПЛК (замкнутого во время нормальной работы ПЛК) с любым другим условием аварийного останова.

Это усовершенствование приведет к тому, что схема MCR отключит питание ввода-вывода в случае сбоя ПЛК (ошибка памяти, ошибка связи ввода-вывода и т. Д.). На рисунке 4 показана типичная схема цепи главного управляющего реле.

Вернитесь к требованиям к цепи питания / безопасности ПЛК ↑


г. Аварийное отключение питания

Цепь питания, питающая источник питания, должна использовать аварийное отключение с соответствующим номиналом, что обеспечивает возможность отключения питания от всей системы программируемого контроллера (см. Рисунок 4).Иногда конденсатор (0,47 мкФ для 120 В перем. Тока, 0,22 мкФ для 220 В перем. Тока) помещается через разъединитель, чтобы защитить его от попадания напряжения.

Выключение происходит, когда отключение питания отключает выходные триаки, заставляет энергию, накопленную в индуктивных нагрузках, искать ближайший путь к заземлению , что часто происходит через триаки.

Circuit that enables/disables I/O power through MCRs and PLC fault contact detection Circuit that enables/disables I/O power through MCRs and PLC fault contact detection Рисунок 4 - Схема, которая включает / отключает питание входов / выходов через MCR и обнаружение контактов ПЛК

Вернитесь к требованиям к цепи питания / безопасности ПЛК ↑

Ссылка // Запуск и обслуживание ПЛК компанией Industrial Text & Video

,
Схема отсутствующего импульсного детектора с использованием 555 таймера IC

Когда сигнал проходит внезапное изменение от базового значения к более высокому значению и через некоторое время снова возвращается к базовому значению от более высокого значения. Это называется Импульсный сигнал .

Pulse Signal for Missing Pulse Detector

На изображении выше, первый сигнал показывает одиночный импульс , где сигнал изменяется от 0 до 5 В (от низкого до высокого) и от 5 В до 0 (от высокого до низкого) в течение короткого периода времени. Второй сигнал показывает поток 5-вольтных импульсов в сигнальной линии.Теперь, когда некоторые из импульсов в этой цепочке импульсов не возникают, которые имеют предварительно определенный интервал времени, для обнаружения этих пропущенных импульсов требуется схема отсутствующего детектора импульсов. Цепь детектора способна обеспечить уведомление о пропущенном импульсе. Последний сигнал, показанный на изображении, является отсутствующим импульсным сигналом.

Здесь мы построим простую схему детектора пропавших импульсов с несколькими компонентами.

Необходимые компоненты

1.Макет

2. 555 таймер IC

3. 2 шт 10k резисторов

4. BC337 NPN Биполярный транзистор

5. Одножильные провода для соединения в макете.

6. Керамический дисковый конденсатор 0,01 мкФ

7. Керамический дисковый конденсатор 0,1 мкФ

8. Источник напряжения 12 В / 500 мА (можно использовать адаптер)

Нам нужно немного других, чтобы проверить Отсутствует схема детектора импульсов :

1.Любая кнопка (В этом проекте тактильный переключатель используется для прерывания входных импульсов.)

2. Источник, который обеспечивает непрерывные и стабильные импульсы.
Это может быть генератор функций или любой тип прямоугольной или треугольной волны.

3. Осциллограф для измерения выхода.

555 Таймер IC

555 Таймер IC - это классическая ИС таймера, которая может использоваться во многих видах приложений, связанных с синхронизацией, проверьте всю схему 555 Таймер здесь.Это 8-контактная микросхема. Схема контактов микросхемы таймера 555 показана на рисунке ниже.

IC 555 Pinout

BC337 NPN Транзистор

Транзистор

BC337 представляет собой NPN-транзистор с биполярным переходом. Здесь нет необходимости специально использовать этот транзистор, можно использовать любой NPN-транзистор. Транзистор BC337 состоит из 3 контактов, базы, эмиттера и коллектора, как показано на рисунке ниже:

BC337 NPN Transistor

принципиальная схема

Схема

для Схема отсутствующего импульсного детектора показана ниже:

Missing Pulse Detector Circuit Diagram

Здесь вход подключен к базе транзистора BC337 через резистор 10 кОм.Соединения IC таймера 555 также показаны на схеме. Конденсатор С1 подключен параллельно транзистору Т1. Переключатель SW1 используется для целей тестирования и для подачи пропущенного импульса.

Схема

построена на макете, как показано на рисунке ниже:

Работа отсутствующей цепи детектора импульсов

Таймер 555 iC сконфигурирован как генератор моностабильных импульсов. 555 IC требует генератора RC для генерации импульсов, который формируется с использованием резистора R2 и конденсатора C1.Значения R2 и C1 определяют период времени в моностабильном режиме. Транзистор BC337 подключен через конденсатор С1. Входной сигнал напрямую подключается к пусковому штырю таймера IC 555, а также подключается к транзистору с помощью одного базового резистора 10 кОм.

Когда входной сигнал не дает пропущенного импульса, таймер IC 555 выдает прямоугольную волну на выходе.

Теперь поступает пропущенный импульс, транзистор T1 включается, и, когда конденсатор C1 подключается к транзистору, он разряжается BC337.В течение этого времени разряда RC-генератор не может обеспечить идеальный временной интервал для IC 555. Следовательно, выход остается высоким.

Значения резистора R2 и конденсатора С1 обеспечивают синхронизацию схемы.

Проверка отсутствующей цепи детектора импульсов

Для проверки схемы требуется источник сигнала, который обеспечивает непрерывные импульсы. Здесь точка калибровки осциллографа используется для цели источника входного сигнала.

Working of Missing Pulse Detector Circuit

На изображении выше показана точка калибровки осциллографа, которая выдает прямоугольную волну 1 кГц с амплитудой в пять вольт.

Testing of Missing Pulse Detector Circuit

Для прерывания или пропуска входных импульсов используется тактильный переключатель , который подключен к базе транзистора BC337 и к земле.

При каждом нажатии тактильного переключателя база транзистора BC337 замыкается на землю.За счет этого транзистор отключается и конденсаторы С1 заряжаются.

Missing Pulse Detector Circuit Waveform

На изображении выше осциллограф выдает два сигнала: красный - входной, а желтый - выходной. При нажатии переключателя импульсы пропускаются, и схема выдает прямоугольную волну с продолжительностью пропущенного импульса.

Вы можете дополнительно проверить видео ниже, чтобы увидеть форму входного и выходного сигнала в осциллографе:

Полная работа схемы отсутствующего импульсного детектора показана в видео, приведенном в конце.

Приложения

Отсутствующая схема генератора импульсов - превосходное применение классической ИС таймера 555. Он может вызвать тревогу или уведомить пользователя, если в каком-то процессе произойдет остановка или прерывание.

1. Многие электронные вентиляторы выдают непрерывные импульсы во время работы. Эта схема может легко определить и запустить сигнализацию, если вентилятор был остановлен или работает не так, как должно быть.

2.В области медицины схема отсутствующего импульсного детектора используется с устройствами контроля сердцебиения. Это может вызвать тревогу у врачей за нарушения сердечного ритма.

3. Эта схема также очень полезна для обнаружения потерь в источнике переменного тока.

4. Он также может использоваться для обнаружения полуволны или полной волны в различных операциях, связанных с измерением источника сигнала.

5. В промышленной сфере, где требуется быстрое обнаружение, можно использовать отсутствующий импульсный детектор.

,

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о