Импулсни захранващи устройства

    Едва ли някой се съмнява вече в предимствата на импулсните захранвания, особено когато става въпрос за ограничени габарити на устройството. Или когато става въпрос за изключително досадното "упражнение" по навиването и сглобяването на класически мрежов трансформатор – за който много често нямаме на разположение необходимия набор пластини. Да не говорим пък за навиване на тороидален трансформатор, което си е чиста проба средновековно мъчение ... Е, без да отричам предимствата на "класиката" в захранването, разбира се.

    Още повече, че на пазара вече има всичко необходимо, за да си направим сами - и то такова, което подхожда най-добре на нуждите ни. И не че не можем да си купим, но предлаганите на пазара при всичките си преимущества много рядко могат да покрият конкретните изисквания относно токове и напрежения.

    Експериментирах дълго време с всякакви схеми - по-прости, по-сложни, някои просто прехвалени. Резултат: една шепа изгорени (някои - направо взривени) чипове и транзистори, двадесетина навити по всякаква технология импулсни трансформатори, плюс един стопен.

    В крайна сметка се спрях на няколко схеми, наистина работещи, и (което не е маловажно) с възможно минимален брой детайли.


    Схема 1:

    Схемата представлява автогенератор с първоначално принудително възбуждане (лавинен генератор, изпълнен на транзистора Q3).

    Предимства на схемата: пълна нечувствителност към късо съединение. При наличие на такова положителната обратна връзка през W2 се прекратява и генерацията се срива - режим, който може да продължи произволно дълго време без последствия. При отстраняване на късото съединение генерацията (и работата на схемата) се възстановява.

    Има възможност за управление (пуск-стоп) чрез слаботокова верига - при окъсяване на намотката W3 на Т2 схемата преминава в "дежурен" режим, в който може да остане неограничено време.

    Освен това трансформаторът Т1 не е толкова критичен към индуктивността на намотките - дори и при отклонение ± 40% схемата продължава да работи, но с намален КПД. При това за мощности до 40 W транзисторите Q1 и Q2 не се нуждаят от радиатори.

    Недостатък: честотата на генерация се регулира трудно. Също така и пипкавата работа при навиване на тороидите. Изходното напрежение не е стабилизирано и се променя в зависимост от товара. Честотата на генерация се променя в малки граници.

    При изходно напрежение схемата осигурява ток 3А при пулсации на изхода (при максимален товар) под 50 mV. Без товар изходното напрежение е 13,8V, а при товар 3А - 12.6V.

    Схемата работи устойчиво (разбира се, променя се изходното напрежение) при входно напрежение 190-240 V; може да работи и при входно напрежение 100V (проверено), но в този случай стойността на R3 трябва да е около 1,2-1,5 МΩ.

    Трансформаторът Т1 е навит на тороид R20/10/7.5, материал К2006 (Kaschke) (допустима мощност - 45 W).

    W1: 103 навивки, проводник Ф 0,28;
    W2: 3 навивки, проводник Ф 0,315;
    W3: 11 навивки, проводник Ф 0,56х2;

    При навиването на W1 проводникът се разпределя равномерно по окръжността, и се оставя промеждутък около 4-5 мм, в който се навива W2.

    Разбира се, трябва да се предвиди подходяща изолация между намотките.

    Данните за Т2 са дадени на схемата.

    Мрежовият филтър може да е произволен, но е задължителен.

    При спазване на фазировката схемата заработва веднага. Трябва само да се има предвид, че не всички транзистори работят успешно в режим на лавинен пробив и ако схемата не заработи дори при правилна фазировка и изправни детайли, необходимо е да се смени транзистора Q3. Настройката се състои в проверка на честотата на собствена генерация и при необходимост да се регулира чрез промяна на стойността на R6, броя на навивките на W2 (Т2) или чрез промяна на магнитопровода на Т2 - от скоростта на насищане на този магнитопровод зависи честотата на генерация. В конкретния случай (Т2 с µ =100) честотата е около 70 kHz.

    Друг вариант е да се измери честотата при 50 % товар и да се преизчисли (съответно пренавие) трансформатора Т1, за да се постигне максимален КПД.

    Индуктивностите L1, L2 служат за намаляване стръмността на импулса към гейта на Q1 иQ2 (съответно на тока на дрейна), което намалява в значително степен хармониците.

    Допълнително с тази цел може да се демпфира първичната намотка на Т1 чрез последователно свързани резистор 100 Ω / 2 W и кондензатор 470 pF / 1 kV.

    ***

    Схема 2:

    Схемата осигурява ток 4,5 А при напрежение 24 V (26 V на празен ход и 21,4 V при максимален товар) и е реализирана с широко разпространения контролер IR2153 при честота 70 kHz, входно напрежение 200-250V. Пулсациите на изхода при максимален товар са около 70 mV. При необходимост може значително да се намалят до около 20 mV чрез включване на изхода на дросел 20 µН / 5 А и допълнителен електролит 1000 µF / 50 V, а стойността на С8 трябва да се увеличи до 2200 µF/50 V.

    Тук честотата е фиксирана (може да се регулира с изменение на R4 и C2 - виж графиката от каталога).

    За по-надеждна работа на IR2153 е желателно между извод 1 и минуса на първичното захранване да се включи стабилитрон 13V (12-15V), така и чипът грее по-малко вследствие изключването на вградения стабилитрон на 15,6V.

    Кондензаторът С8 може да бъде със стойност 0,47-2,2 µF. Желателно да не е електролитен.

    Индуктивностите (не са задължителни) към гейта на Q1 и Q2 създават допълнително закъснение от порядъка на 200 ns на включването на транзистора (IR2153 осигурява такова от 1,2 µs), за да се осигури пълното запушване на единия транзистор, преди другия да се отпуши - т.е. за предотвратяване протичането на вътрешен ток при едновременно отпушени Q1 и Q2.

    Кондензаторите С3 и С4 може да бъдат със стойност 0,22-1,0µF. Възможно е използването на електролитни кондензатори 1,0 µF/400 V, при това габаритите намаляват.

    За допълнително намаляване на пулсациите с честота 100 Hz на изхода, е желателно стойността на филтровия кондензатор 68 µF да се увеличи на 100 µF (в моя случай просто нямаше достатъчно място за такъв).

    Трансформаторът Т1 е навит на тороид R25/15/10, материал N97 (Epcos) (допустима мощност - 176 W при честота 70 kHz ).

    W1: 72 навивки, проводник Ф 0,5;
    W2, W3: по 14 навивки, проводник Ф 0,7х2;

    Трите намотки трябва да се разпределят равномерно по окръжността, както и да се предвиди подходяща изолация между първичната и вторичната намотка.

    Трансформаторът може да се опрости, като се използва еднополупериодно изправяне и съответно една вторична намотка. При това диаметърът на проводника трябва да се увеличи до Ф0,8 (х2).

    При проектирането на печатната платка трябва да се предвидят възможно най-къси проводници от изводи 5 и 7 на IR2153 до гейта на Q1 и Q2, в противен случай е възможно схемата да се възбуди допълнително на честота, кратна на основната. В резултат двата полеви транзистора просто си "заминават", заедно с IR2153.

    Изходната мощност може лесно да се увеличи до 150 W чрез използване на по-мощни транзистори (например IRF740 или P4NK60Z със съответните радиатори) и да се пренавие Т1 както следва:

    W1 - 71 навивки, проводник ?0.4х2;
    W2, W3 - по 15 навивки, проводник ?0.71х3;

    Също така трябва да се "усилят" изправителните диоди - например НER603, по два в паралел, и да се увеличи капацитета на филтровия кондензатор на мрежовия изправител до 150µF.

    ***

    Схема 3:

    Тази схема е "едно ниво нагоре" - обратноходов преобразувател с използването на контролер (по-скоро - ключ) от серията VIPer позволява създаването на надежден и малогабаритен захранващ източник, но вече с автоматично регулиране на изходното напрежение.

    Това регулиране може да бъде както "първично" (както е на схемата), така и "вторично" с използване на оптрон (най-често - от серията 817). Експериментите показаха, че в случая с първичното регулиране изходното напрежение е достатъчно стабилно за предвидената цел, и затова с цел намаляване броя на детайлите беше избран този подход.

    Схемата осигурява напрежения: +14,4 V (ток до 4,5 А); +5 V (ток до 0,5 А); ± 11 V (ток до 0,03 А); при максимален ток изходното напрежение на извода + 14,4 V спада до 14,1 V.

    С цел намаляване на разсейваната от чипа мощност е избрана сравнително ниска тактова честота - 70 kHz, при това радиатор с площ около 30 см2 осигурява достатъчно надеждно охлаждане - при изходен ток 4А температурата на VIPer-а не превишава 65оС (на контакт), макар че с по-голям радиатор е по-добре.
   
    Трансформаторът Т1 е изпълнен с магнитопровод ЕЕ25/13/7, материал К2006 (Kaschke).

    W1: 68 навивки, проводник Ф 0,5;
    W2: 9 навивки, проводник Ф 0,1;
    W3,4: по 8 навивки, проводник Ф 0,1;
    W5: 5 навивки, проводник Ф 0,3;
    W6: 10 навивки, проводник Ф 0,8 х 3 (или 8 х 0,45).

    При навиването първо се намотава половината от първичната намотка, след това останалите (по реда по-горе), и накрая се намотава втората половина от първичната намотка.

    При сглобяването на магнитопровода трябва да се осигури въздушна междина 0,4 мм на централното ядро, или по 0,2 мм на страничните и да се стегне.
   
    При възможност е добре да се провери индуктивността на първичната намотка (при сглобен трансформатор): тя трябва да е 0,54 mH, В противен случай (особено при по-големи отклонения) КПД на преобразователя рязко пада, дори е възможно VIPer-ът да изгори от претоварване по ток, въпреки вградената токова защита.

    Тази схема със същия магнитопровод е в състояние да осигури изходна мощност до 100-120 W, естествено: с други данни за елементите около VIPer-а, навивките на трансформатора  и с радиатор за VIPer-а, способен да разсее около 10 W.

    ***

    Схема 4:

    Отново обратноходов преобразувател, този път - с VIPer53. Разчетена е за напрежение 13,8V (при ток до 2,4 А), ± 15 V (при ток до 50 mA) и 5V (при ток до 0,5 А).

    Регулиране на напрежението: първично; нестабилност на основното изходно напрежение: 13,9V без товар и 13,5V при товар 2,4 А; пулсации на изхода 13.8V при товар 2,4 А - 30 mV, входно напрежение - 185-250 V.

    С цел намаляване на габаритите на трансформатора е избрана сравнително висока тактова честота - 100 kHz, при това радиатор за VIPer53 не е нужен - фолиото под изводи 3, 4 и 5 осигурява достатъчно надеждно охлаждане - при изходен ток 2,4 А температурата на VIPer-а не превишава 45оС (на контакт).

    Трансформаторът Т1 е изпълнен с магнитопровод ЕЕ20/10/6, материал К2006 (Kaschke).

    W1: 88 навивки, проводник Ф 0,3;
    W2: 15 навивки, проводник Ф 0,1;
    W3, 4: по 15 навивки, проводник Ф 0,1;
    W5: 7 навивки, проводник Ф 0,45;
    W6: 14 навивки, проводник Ф 0,5 х 3

    При навиването първо се намотава половината от първичната намотка, след това останалите (по реда по-горе) и накрая се намотава втората половина от първичната намотка.

    При сглобяването на магнитопровода трябва да се осигури въздушна междина 0,5 мм на централното ядро или по 0,25 мм на страничните и да се стегне.

    При възможност е добре да се провери индуктивността на първичната намотка (при сглобен трансформатор) - тя трябва да е 0.62mH - в противен случай, особено при по-големи отклонения, КПД на преобразователя рязко пада, дори е възможно VIPer-ът да изгори.

    Тази схема със същия магнитопровод е в състояние да осигури изходна мощност до 60W - естествено, с други данни за елементите около VIPer-а, и навивките на трансформатора.

    ***

    Схема 5:

    И още един обратноходов преобразувател, този път - с VIPer22A.

    Разчетена е за напрежение 11 V (при ток до 1,4 А). Регулиране на напрежението - първично; нестабилност на основното изходно напрежение: 11,2 V без товар и 10,9 V при товар 1,4 А; пулсации на изхода при товар 1,4 А < 10 mV, входно напрежение: 190-250 V.

    Схемата е предвидена за работа в радиоприемно устройство предвид слабото външно излъчване и ниските пулсации на изхода.

    Честотата при VIPer22A е вътрешно фиксирана на 60kHz и не може да се регулира.

    Трансформаторът Т1 е изпълнен с магнитопровод ЕЕ20/10/5, материал N87 (Epcos).

    W1: 200 навивки, проводник Ф 0,18;
    W2: 26 навивки, проводник Ф 0,1;
    W3: 16 навивки, проводник Ф 0,8

    При навиването първо се намотава половината от първичната намотка, след това останалите (по реда по-горе) и накрая се намотава втората половина от първичната намотка.

    При сглобяването на магнитопровода трябва да се осигури въздушна междина 0,2 мм на централното ядро или по 0,1 мм на страничните и да се стегне.

    При възможност е добре да се провери индуктивността на първичната намотка (при сглобен трансформатор). Тя трябва да е 4,86 mH.

    За да се осигури охлаждане на VIPer22A, производителят препоръчва площадка около 5-6 см2 от фолио под крачета 5÷8.

    За съжаление това не винаги е възможно, затова съм използвал сгъната месингова пластина 30х10х0.6мм, запоена в прорез непосредствено до крачета 5÷8. С такъв "радиатор" при максимален товар VIPer-ът се нагрява до 42оС (на контакт); без този "радиатор" и без площадка от фолио температурата достига до 70?С.

    Симетричният дросел на изхода е използван готов - на тороид Ф 10х5х4, зелен (нямам представа с каква магнитна проницаемост е, но едва ли е повече от 25) и има 2х8 навивки с проводник Ф0,7.

    В заключение мога да кажа, че това са изпитани схеми, които при спазване на изискванията за елементите тръгват веднага, и (поне при VIPer-ите) някаква допълнителна настройка не е необходима.

    За изчисление на трансформаторите от първите две схеми е използвана програмата ExcellentIT v8.0, а за изчисление на цялостната схема с VIPer - Viper Design Software v2.24.

    Желаещите да повторят тези схеми трябва да имат предвид няколко прости правила, които могат да спестят много време и разочарования.

    1. Когато не изрично необходимо, не трябва да гоним много висока честота на преобразуване. При по-висока честота габаритите на трансформатора се получават по-малки, но за сметка на това загубите в магнитопровода и превключващите транзистори стават неоправдано големи; освен това изправителните диоди - дори и тези от серията HER (High Efficiency Rectifier) при честоти 100 kHz и нагоре започват да греят силно дори и при 25-30 % от максималния си ток; рязко се увеличава външното излъчване на преобразувателя, което пък води до необходимост от допълнително екраниране и съответно - до значително по-големи габарити.

    2. При обратноходовите преобразуватели ключов елемент е трансформаторът и трябва да се спазват реда и фазировката на намотките, както и действителната индуктивност. Защото не винаги необходимият (или специфициран) магнитопровод е под ръка и понякога намотките се правят с догадки и на фантазия, пък каквото излезе - а това много често води до неприятния звук от изгубения завинаги чип. Желателно е също и след окончателната настройка (проверка) трансформаторът да се пропие с лак, както и да се лакира цялата платка (и от двете страни), за да се избегне влиянието на влагата.

    Задължително трябва да се спазва реда на навиването - първо се намотава половината от първичната намотка, след това намотката за обратна връзка, вторичните намотки, и накрая се намотава втората половина от първичната намотка. Теоретичното обяснение за това е малко мъгляво - за да се подобри индуктивната връзка между намотките. Дали наистина е така - вероятно да, защото при единична (цяла) първична намотка нито един от трите варианта не пожела да заработи и трябваше да повторя не особено приятната работа по пренавиването на трансформаторите.

    3. Обратноходовите преобразуватели в никакъв случай не трябва да се включват без товар! Затова е задължително (на схемите не е показано) на изхода да се постави резистор, осигуряващ товарен ток от порядъка на поне 3-5 mA.

    4. Полевите транзистори (от Схема 1 и Схема 2) е желателно да се избират по критерий съпротивление на канала в "отпушено" състояние - в случая 0,54 Ω за 2SK3569 - това осигурява по-малко нагряване, съответно - по-малък радиатор. Също така са за предпочитане транзистори с вграден диод между дрейна и сорса (повечето високоволтови са такива), както и с вграден ценер между сорса и гейта.

    5. За трансформаторите (от Схема 1 и Схема 2) освен тороид може да се използват и магнитопроводи ЕЕ, ЕI, ER, ETD, но трябва да се има предвид, че при сглобяването на магнитопровода не трябва да се оставя въздушна междина. Аз лично предпочитам тороидите, защото при приблизително еднакви габарити тороидът е в състояние да осигури по-голяма мощност, а и практически няма външно излъчване.
   
    6. По въпроса за входния филтър - тук всеки решава сам за себе си, но такъв трябва да има задължително. Аз използвам прост вариант - заимстван от електронен баласт за луминисцентни лампи (40 W) - феритен пръстен Ф14/8/6, с магнитна проницаемост около 1000, бифилярна намотка от монтажен проводник Ф 0,5,6 навивки(с изключение на Схема 5, където е използван фабричен дросел). Измервания не съм правил, но при работа на блокчетата и от петте схеми външни смущения практически няма - дори върху работата (на дълги вълни) на близкостоящото радио. Естествено, може да се използва и мрежовият филтър от произволен компютърен захранващ блок - резултатът определено ще е по-добър.

    7. За да се намалят пулсациите с честота 50 Hz на изхода, е желателно капацитетът на филтровия електролит в µF да е колкото изходната мощност във W или повече. При обратноходовите преобразователи се допуска и по-малък капацитет, но това обикновено рефлектира негативно върху разсейваната от чипа мощност и намотките на трансформатора.

    8. Не се заблуждавайте, че използването на готов импулсен трансформатор ще даде по-добър резултат. Причината е проста – много рядко ще намерите необходимите данни за него и най-вече индуктивност на първичната намотка и работна честота, а това често е предпоставка за купуване на нов комплект транзистори (чипове). Нещо повече – шансът готовият трансформатор да е предвиден за необходимите ви напрежения (респективно – токове) е практически нулев.

    9. Както е написано по-горе, единствено захранващият блок от Схема 1 не се нуждае от защита от късо съединение или превишаване на максималния ток. В останалите схеми е възможно да се въведе такава чрез използване на пада на напрежение върху нискоомен резистор, включен последователно във веригата (-)300V или чрез оптрон, управляван от някое вторично напрежение, или от токов трансформатор, свързан последователно с първичната намотка на импулсния трансформатор. Във всеки един от случаите полученият сигнал въздейства върху маломощен тиристор, който окъсява времезадаващия кондензатор на IR2153 или на VIPer-а.

    Пробвах такива защити, но настройката е пипкава работа. Нещо повече, при по-сериозни изходни токове изисква използването на допълнителни елементи за осигуряване на "Soft Start" – защото при използване в изхода на филтърни кондензатори с голям капацитет защитата сработва още в момента на първоначалното им зареждане (това важи и за кондензаторите в мрежовия изправител). Затова се задоволих с използването на обикновен бързодействащ стопяем предпазител. Е, не е "върхът", но върши работа.

    За маломощния блок от Схема 5 съм използвал оная китайска "измишльотина" – комбинация "две в едно" от предпазител и резистор – малко странно решение, но върши работа.
 

    1. Сборник программ Владимира Денисенко для расчета трансформаторов и дросселей.
    2. Комплект программ для расчётов.

    3. Программы для радиолюбителей.

Юли Генадиев

8 май 2015 година