В статье описан импульсный блок питания, управляемый специализированной микросхемой. В устройстве применен стандартный импульсный трансформатор от телевизионных блоков.

Казалось бы, источники питания (ИП), являющиеся неотъемлемыми элементами абсолютно всех радиоэлектронных устройств, должны быть менее всего подвержены быстротекущим изменениям - ведь они существуют уже более чем полстолетия. Но развитие современных схемотехнических решений не обходит стороной и эту самую обширную область радиоэлектроники.

Вначале традиционные батарейные ИП сменились сетевыми ламповыми с LС-фильтрами, а затем транзисторными и интегральными стабилизаторами линейного регулирования.

Борьба за экономичность и совершенствование массогабаритных показателей способствовала разработке и внедрению импульсных ИП (ИИП). Наряду с полу- и полномостовыми ИИП широкое распространение получили обратноходовые источники, поскольку без принятия специальных мер опасность возникновения сквозного тока в мостовых ИИП (вследствие подачи в одно из плеч открывающего напряжения, когда из-за своих инерционных свойств другое плечо еще полностью не закрылось) всегда приводила к работе коммутирующих элементов в режиме замыкания и выходу из строя дорогостоящих мощных высоковольтных транзисторов. Эти специальные меры значительно усложняли мостовые ИИП, и поэтому в бытовой технике более широкое распространение получили обратноходовые ИИП, в которых коммутирующий транзистор в первый такт обеспечивает аккумуляцию электромагнитной энергии в обмотках и магнитопроводе накопительного трансформатора, а во второй - ее передачу в нагрузку. Чтобы убедиться в относительной сложности таких ИИП, достаточно взглянуть на схемы модуля питания МП-403 телевизоров ЗУСЦТ, 4УСЦТ или кассеты разверток и питания КРП-501 телевизоров 5УСЦТ.

И только последние разработки специалистов фирмы Siemens и отечественных производителей, создавших микросхему для управления обратноходовыми ИИП ТDA4605 (отечественный аналог КР1033ЕУ5 - так называемый ШИМ-контроллер), значительно упростили радиолюбителям задачу разработки высоконадежных и экономичных ИИП. Хотя справочник [1], содержащий сведения по ШИМ-контроллерам, и не свободен от некоторых погрешностей, следует отметить его большую ценность для конструктораразработчика ИИП. В пособии [2] описана работа ИИП в телевизорах 6-го поколения, использующих отечественную микросхему КР1033ЕУ5, но отсутствует справочная информация (значения напряжения, осциллограммы сигналов), характеризующая ее работу. К сожалению, ни в одном из упомянутых источников не приведены намоточные параметры накопительного трансформатора. Тем не менее, используя имеющиеся справочные характеристики, в радиолюбительских целях всегда можно приспособить уже существующие импульсные трансформаторы для создания необходимого современного ИИП. Решить эту проблему помогут материалы публикуемой статьи, они также могут оказаться полезными для радиолюбителей, занимающихся модернизацией и ремонтом отечественной и импортной видеотехники.

Сервисные функции, выполняемые микросхемой, весьма обширны:

  • "мягкий" запуск ИИП при плавном увеличении длительности пусковых импульсов;
  • стабилизация выходного напряжения в рабочем режиме управлением длительности коммутирующих импульсов;
  • "привязка" начала коммутирующих импульсов к моменту завершения передачи запасенной энергии в нагрузку;
  • защита ИИП в режимах холостого хода и замыкания в нагрузке;
  • отключение ИИП при колебаниях напряжения сети свыше установленных пределов;
  • подавление паразитных колебательных процессов, инициируемых накопительным трансформатором;
  • тепловая защита (отключение микросхемы при температуре корпуса свыше +125 °С).

Функциональное назначение выводов микросхемы приведено в табл. 1.

Таблица 1

Номер вывода Функциональное назначение 1 Вход управляющего усилителя 2 Вход сигнала, имитирующего изменение тока в накопительной обмотке трансформатора 3 Вход делителя сетевого напряжения для отключения коммутирующих импульсов при его отклонении от допустимого значения 4 Общий вывод 5 Выход коммутирующих импульсов 6 Напряжение питания микросхемы 7 Вход для подключения интегрирующего конденсатора, управляющего длительностью импульсов при "мягком" запуске ИИП 8 Вход сигнала для определения перехода через ноль импульса во вторичной обмотке

Основные характеристики

Напряжение питания, В 7,5...13 Частота переключения коммутирующих импульсов, кГц, не более 165 Мощность ИИП (определяется типом магнитопровода и параметрами коммутирующего транзистора), Вт, не более 250 Входное напряжение управляющего усилителя, В 0,37...0,43 Пределы изменения коммутирующего напряжения для перезарядки емкости затвор-исток коммутирующего МОП-транзистора, В -0,3...+6 Пределы изменения коммутирующего тока, А -1,5...+1,5

Управляющий усилитель - основной элемент микросхемы. Получая сигнал от дополнительной обмотки трансформатора и сравнивая его с внутренним образцовым напряжением, он формирует коммутирующие импульсы различной длительности, которая определяется значениями тока в нагрузке и выпрямленного сетевого напряжения. Длительность импульсов изменяется таким образом, чтобы поддерживать неизменное напряжение на выходе ИИП.

Основной элемент ИИП - накопительный импульсный трансформатор, который, в принципе, может быть любым. Широкий диапазон регулирования выходного напряжения, обеспечиваемый микросхемой, а также большой набор выходных обмоток трансформатора облегчают задачу по созданию ИП с необходимыми параметрами. Целесообразно, например, рассмотреть использование импульсного трансформатора ТПИ-8-1, описанного ранее на страницах журнала "Радио" [3].

Схема ИИП, созданная по материалам [1,2] и адаптированная к применению указанного трансформатора, изображена на рис. 1 (неиспользуемые обмотки трансформатора не показаны, выводы 4 и 10 отсутствовали изначально).

Обратноходовой импульсный источник питания

Устройство содержит помехоподавляющий фильтр, препятствующий проникновению в питающую сеть высокочастотных помех (L1, C1-C3); токоограничительный резистор, ограничивающий бросок тока при включении ИИП (R1); мостовой выпрямитель сетевого напряжения (VD1); делитель напряжения в цепи обратной связи управляющего усилителя микросхемы, формирующий уровень стабилизации выходного напряжения ИИП (R2, R6, R7, VD2); фильтр в цепи питания ИИП, снижающий уровень пульсаций входного напряжения (С4); делитель напряжения для контроля изменения сетевого напряжения и отключения ИИП при недопустимых его колебаниях (R3, R4); формирователь пилообразного напряжения для имитации изменения тока в накопительных обмотках импульсного трансформатора (R5, C5); формирователь импульсов в цепи сигнала обратной связи (VD3, C6); интегрирующий конденсатор в цепи управления "мягким" запуском ИИП (С7); фильтрующий конденсатор в цепи питания микросхемы (С8); токоограничительный резистор в режиме запуска микросхемы до ее выхода на рабочий режим (R8); выпрямитель напряжения, питающего микросхему от обмотки связи (II) трансформатора в рабочем режиме (VD4); цепь подачи импульсов для управления коммутирующим транзистором (R9-R11, VD5); цепь ограничения пиковых выбросов напряжения на стоке транзистора (VD6, R12, C10); демпфирующую цепь для устранения паразитных колебаний (C11, R13); помехоподавляющий фильтр в цепи определения начала такта формирования коммутирующего импульса (перехода импульса выходного напряжения через ноль) и цепи обратной связи управляющего усилителя (R14, C9, R15, C12); выпрямитель и фильтр выходного напряжения (VD7, C13); токоограничительный резистор в цепи выходного напряжения (R16).

Результаты испытания устройства с разными выходными обмотками и номиналами используемых элементов, приведенными на схеме, для получения выходного напряжения 12 В при токе нагрузки 1,25 А приведены в табл. 2.

Таблица 2

Обмотка III Напряжение, В 7-11 12,5 16-20 8 3-5 2,2 8-12 10 6-12 55

Для выбора выходной обмотки следует воспользоваться табл. 3, содержащей параметры медных обмоточных проводов, которые наиболее часто применяют в импульсных трансформаторах. Обмотка III, рассчитанная на напряжение 24 В при "штатном" использовании, содержит 16 витков из трех параллельно соединенных проводников ПЭВТЛ-0,35. Их общее сечение - около 0,3 мм2и эквивалентно проводнику диаметром 0,62 мм. Для плотности тока 4,25 А/мм2, соответствующей повышению температуры трансформатора на 30 °С, допустимый ток в обмотке составляет 1,28 А, что вполне удовлетворяет предъявленным требованиям (воспользовавшись калькулятором, номенклатуру проводников легко продолжить в сторону увеличения и уменьшения диаметра). Если использовать обмотки V и VI (выводы 14, 18 и 16, 20 соответственно [3]), соединив их параллельно, на выходе ИИП можно получить ток до 3,5 А.

Таблица 2

Диаметр провода с изоляцией, мм Диаметр по меди, мм Допустимый ток, А 0,41 0,35 0,41 0,44 0,38 0,48 0,47 0,41 0,56 0,5 0,44 0,65 0,53 0,47 0,74 0,55 0,49 0,8 0,58 0,51 0,87 0,6 0,53 0,94 0,62 0,55 1,01 0,64 0,57 1,08 0,66 0,59 1,16 0,69 0,62 1,28 0,72 0,64 1,37 0,75 0,67 1,5 0,77 0,69 1,59 0,8 0,72 1,73

Как и в модуле питания МП-403, накопительная обмотка - это обмотка I (выводы 1, 19). Особое внимание следует обратить на правильное подключение (фазировку) выводов (обычно на схемах начало обмотки всегда обозначают точкой). Номера выводов дополнительной обмотки связи и питания микросхемы указаны на рис 1.

Следует иметь в виду, что рабочий ток в обмотке связи зависит от суммарной мощности нагрузки и не обязательно достигает максимального значения 1,5 А. При оценке рабочего напряжения обмоток необходимо помнить: пропорциональная зависимость между числом витков и напряжением соблюдается только для вторичных обмоток и не касается первичной обмотки, поскольку они работают в различные полупериоды (такты) импульсного напряжения, и соотношение между их рабочими напряжениями будет зависеть от скважности коммутирующих импульсов.

Эквивалент нагрузки при налаживании - три параллельно соединенных резистора ПЭВТ-25 сопротивлением 30 Ом каждый. Перед подачей напряжения сети необходимо включить в разрыв цепи между точками А и Б (рис.1) амперметр на 0,5 А. Его используют здесь не только как измерительный прибор, показывающий реакцию устройства на изменение номиналов элементов (увеличение потребляемого тока будет свидетельствовать о повышении тока нагрузки или напряжения на вторичных обмотках), но и как надежный индикатор включенного состояния бесшумно работающего ИИП. Это предотвратит случайное поражение током при налаживании.

Полезно также проверить исправность коммутирующего транзистора, собрав простейшую измерительную цепь по схеме рис. 2 (там же показана цоколевка полевых транзисторов КП707В2, КП812Б1 и их зарубежных аналогов IRFBC30, IRFBC40, BUZ90A, 2SK1221 и др.). Увеличивая с шагом 0,1 В напряжение на затворе транзистора, убеждаются, что начиная от порогового напряжения (1...5 В в зависимости от типа и параметров транзистора), ток в цепи стока плавно увеличивается и достигает 500 мкА примерно через 0,5 В после открывания. Лучше применить источники питания с защитой по току, предварительно установленной на уровне 1 мА. Это исключит повреждение транзисторов даже при ошибках подключения из-за неизвестной их цоколевки.

Обратноходовой импульсный источник питания

После проведения указанных подготовительных мероприятий подстроечный резистор R7 следует установить в среднее положение и включить в сеть ИИП. Во время налаживания устройство лучше располагать на рабочем столе элементами вниз: тогда печатная плата защитит от травм во время возможного взрыва оксидных конденсаторов в результате превышения напряжения из-за неправильного подключения обмоток.

При недостаточном во вторичных обмотках напряжении для выхода ИИП на рабочий режим будут слышны характерные пощелкивания трансформатора вместе с высоким тоном ("цыканье"), обусловленные периодическим включением пускового режима по мере увеличения до порогового значения напряжения на конденсаторе С8. В процессе налаживания ИИП в первую очередь необходимо проверить влияние положения подвижного контакта подстроечного резистора R7 на параметры выходных импульсов.

Очень аккуратно следует подходить к выбору параметров элементов цепи формирования пилообразного напряжения (R5, С5), определяющей максимальную длительность открытого состояния переключательного транзистора. Напряжение на конденсаторе С5 в микросхеме сравнивается с напряжением на входе управляющего усилителя, и коммутирующий импульс прекращается при их совпадении. Если эти элементы выбраны неправильно, в момент отключения ИИП от сети уменьшение напряжения на выходе фильтра сетевого питания будет скомпенсировано увеличением длительности коммутирующих импульсов и превышением допустимого значения стокового тока транзистора, что приведет к его повреждению.

В процессе налаживания для подключения ИИП к сети следует использовать надежные коммутационные элементы (тумблеры, выключатели, а не сетевые вилки и розетки), так как возникающий дребезг контакта может быть причиной выхода из строя коммутирующего транзистора.

После завершения налаживания устройство должно уверенно выходить на рабочий режим, о чем будут свидетельствовать бесшумная работа ИИП и показания контрольного амперметра в пределах 100...350 мА в зависимости от нагрузки. Если этого не происходит, значит, в устройстве есть неисправные детали или допущены ошибки в монтаже.

Через первые несколько десятков секунд работы ИИП следует отключить от сети и проконтролировать тепловой режим транзистора, трансформатора, диодов, затем повторить то же через несколько десятков минут работы. При отсутствии перегрева необходимо отрегулировать выходное напряжение и проконтролировать форму сигналов в соответствии с рис.3.

Обратноходовой импульсный источник питания

Анализ работы устройства показал, что при использовании уже готового импульсного трансформатора накопительную обмотку лучше оставить неизменной, а обмотку связи выбрать на напряжение 8...9 В при "штатном" использовании, т. е. для трансформатора ТПИ-8-1 необходима обмотка связи, содержащая шесть витков (обмотка с номерами выводов 14 - 18).

Может оказаться, что выбранный трансформатор не обеспечивает требуемых параметров ИИП, вследствие чего потребуется замена вторичных обмоток. Жесткая технология изготовления импульсных трансформаторов (распределение обмоток в строго заданном порядке, соблюдение зазоров между краем обмотки и наружной стороной каркаса, выбор диаметра проводов в зависимости от рабочего тока, распределение неполного слоя "вразрядку" по всей ширине обмотки с целью создания однородного магнитного поля внутри рабочего объема трансформатора) требует при изготовлении особой тщательности и аккуратности в сборке. Но разборка трансформатора, склеенного эпоксидным клеем, практически невозможна без использования фрезеровального оборудования (после разрезания фрезой трансформатора потребуется восстановить рабочий зазор на центральном стержне его уменьшением на толщину разреза). Поэтому единственный выход в создавшейся ситуации - распайка электростатического (помехозащитного) экрана из медной фольги, удаление ненужных обмоток и намотка на их месте "челночным" способом требуемой обмотки, причем вместо провода большого диаметра более предпочтительно использование нескольких параллельных проводников меньшего диаметра с эквивалентным общим сечением.

В устройстве применены недефицитные детали. Конденсаторы С1 К73-17, С2, C3, С10, СП - К73-9, все на номинальное напряжение 630 В, С4 - К50-32. Если нагрузка ИИП превышает 50 Вт, параллельно конденсатору С4 необходимо подсоединить еще один такой же или использовать К50-35Б емкостью 220 мкф (или 330 мкф) на напряжение 350 В. Конденсатор С6 - К53-30 или другой. Оксидные конденсаторы С8, С13 К50-35. Остальные - любые керамические на номинальное напряжение 63... 100 В. Все постоянные резисторы - МЛТ, за исключением R16 С5-16МВ. Подстроечный резистор R7 - СПЗ-386. Диодный мост заменим КЦ405Б, КЦ405В или отдельными диодами с допустимым обратным напряжением не менее 400 В и рабочим током 1 А. Диоды VD6 и VD7 - импульсные с номинальной частотой не ниже 35 кГц, причем первый из них на номинальное напряжение не менее 600В и ток 1 А, второй - 100В и 5 А (для низковольтных ИП). Вместо промышленного дросселя сетевого фильтра L1 применим самодельный: используют ферритовое кольцо 1500НМ-2000НМ наружным диаметром около 20 мм с намотанными на нем обмотками в несколько десятков витков из двух проводников МГТФ-0,35.

Все элементы ИИП смонтированы на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 4). В отверстия А и Б платы запаивают перемычку после завершения налаживания устройства. Конденсатор С4 закрепляют параллельно плате с помощью проволочного хомута, установленного на углублении в торцевой части корпуса; концы хомута запаивают в соответствующие отверстия. Минусовый вывод конденсатора для обеспечения надежности электрического контакта подсоединяют к плате через шайбу с лепестком и гайку на резьбовой части корпуса. Конденсатор СИ и резистор R13 соединяют навесным монтажом, второй вывод конденсатора с подпаянным монтажным лепестком подсоединяют непосредственно к металлической пластине корпуса транзистора, устанавливаемой на теплоотвод. Это позволит значительно снизить уровень излучаемых помех. С этой же целью ИИП размещают в металлическом корпусе с вентиляционными отверстиями для охлаждения.

Обратноходовой импульсный источник питания

К сети устройство подключают гибким монтажным проводом: в разрыв одного проводника подпаивают выключатель и предохранитель с током срабатывания, в два раза превышающим рабочий, измеренный амперметром во время налаживания (как отмечено ранее, он будет зависеть от нагрузки). Вторичную обмотку подключают гибкими изолированными проводниками в зависимости от требуемого значения напряжения на выходе ИИП. Транзистор VT1 смещен к границе платы с тем, чтобы его можно было через слюдяную пластину крепить непосредственно к металлическому корпусу устройства или к теплоотводу с эффективной охлаждающей площадью 100...200 см2.

Следует помнить, что ИИП гальванически связан с сетью: при неосторожном обращении это может быть причиной поражения электрическим током. По правилам техники электробезопасности на время налаживания ИИП необходимо подключать к сети через разделительный трансформатор мощностью не менее 300 Вт.

Литература

  • Микросхемы для импульсных источников питания и их применение: Справочник. - М.: ДОДЭКА, 1997.
  • Лукин Н. В., Корякин-Черняк С. Л.Узлы и модули современных телевизоров (выпуск третий). - Киев-М.: Наука и техника & Солон, 1995.
  • Потапов А., Кубрак С., Гармаш А.Модуль питания МП-403. - Радио, 1991, № 6, с. 44-46.
  • Авторы: В.Косенко, С.Косенко, В.Федоров, г.Воронеж

    Добавить комментарий

    Защитный код
    Обновить

    Навигация

    Инструкции по эксплуатации

    Copyright © 2019 Электрические принципиальные схемы.