Импульсный ИП в спичечной коробке

Е. МОСКАТОВ, г. Таганрог Ростовской обл.

Предложенный легкий малогабаритный импульсный источник питания отличается хорошей повторяемостью, устойчивостью к замыканиям в нагрузке и токовым перегрузкам, большой удельной мощностью, отсутствием дорогих и дефицитных деталей.

Устройства, потребляющие мощность не больше нескольких ватт от батареи гальванических или аккумуляторных элементов, обычно бывают легкими и малогабаритными. Таким же должен быть и сетевой источник питания, используемый вместо батареи. Почти всегда необходима гальваническая развязка питаемого устройства от сети, которую обеспечивает сетевой трансформатор. Однако габариты и масса низкочастотного трансформатора слишком велики. Хорошие результаты обеспечивают бестрансформаторный сетевой блок питания с балластным элементом и автогенераторный преобразователь напряжения с импульсным трансформатором, работающим на ультразвуковой частоте. Именно такую структуру имеет самый первый малогабаритный сетевой блок питания, предназначенный для использования вместо батареи "Крона", описание которого опубликовано еще в 1974 г. [1].

На основе анализа преобразователей напряжения в источниках питания аналогичного назначения [2—5] и рекомендаций теории [6] сделан вывод, что для выходной мощности 0,1...10 Вт наиболее оптимален обратноходовый преобразователь напряжения. Он содержит минимум элементов и всего один коммутирующий транзистор, что позволяет создать миниатюрный, легкий и дешевый источник.

Предлагаемый источник предназначен для питания радиоприемников, калькуляторов, часов, измерительных приборов, а также различных устройств управления, например, задающих генераторов мощных ИИП. Его габариты настолько малы, что он помещается в спичечную коробку. Он отличается большей выходной мощностью по сравнению с устройствами, описанными в [1, 2], и значительно меньшим числом деталей по сравнению с [3—5].

Основные технические характеристики

Напряжение питающей сети, В

187...242

Номинальное выходное напряжение, В

9

Максимальный ток нагрузки, мА

70

Максимальная амплитуда пульсаций выходного напряжения, В

0,065

Частота преобразования, кГц

52...56

Масса, г

22

Удельная мощность, Вт/дм3

19

Нагрузочная характеристика источника показана на рис. 1. Ток нагрузки может превышать максимальный, но при этом уменьшается выходное напряжение. Источник может продолжительное время выдерживать перегрузки вплоть до короткого замыкания. По мере возрастания тока нагрузки снижается частота преобразования. В режиме замыкания выхода она равна 11 кГц.

Cxema
Рис. 1

Схема ИИП показана на рис. 2. Балластный конденсатор С1, выпрямительный мост VD1, стабилитрон VD2 и сглаживающий конденсатор С2 образуют внутренний бестрансформаторный сетевой блок питания с выходным напряжением 47 В. Резистор R2 ограничивает пусковой ток до безопасного уровня при включении в сеть, а резистор R1 разряжает балластный конденсатор С1 после отключения источника. Сетевой фильтр не установлен, поскольку мощность ИИП мала. Светодиод HL1 — индикатор напряжения сети. Резистор R3 задает ток через светодиод около 3 мА. На транзисторе VT1 и трансформаторе Т1 собран автогенератор. Трансформатор Т1 имеет три обмотки: сетевую I, обратной связи II и выходную III. R4C3VD3 — демпфирующая цепь, уменьшающая выброс ЭДС самоиндукции трансформатора Т1. Диод VD5 выпрямляет напряжение выходной обмотки трансформатора. Конденсатор С5 сглаживает низкочастотные пульсации выходного напряжения, а С6 — высокочастотные. Стабилитрон VD6 существенно снижает пульсации выходного напряжения и улучшает форму нагрузочной характеристики при малом токе.

Cxema
Рис. 2

Период коммутации транзистора VT1 [6, с. 112—121] складывается из двух этапов: Т = tH + tn, где tH — время накопления энергии в магнитопроводе трансформатора; tn — время передачи накопленной энергии в нагрузку. При включении напряжения питания в базовой цепи транзистора течет ток смещения Iб:

Iб=(Uс-Uбэ)/R6,
где Uc — напряжение стабилизации VD2; Uбэ — напряжение база—эмиттер открытого транзистора VT1.

Этот ток определяется только сопротивлением резистора R6 и не зависит от нагрузки и емкости конденсаторов С5, С6, поскольку они отключены закрытым диодом VD5. Диод VD4 в базовой цепи исключает ответвление тока смещения в цепь обмотки II трансформатора Т1, а шунтирующий VD4 конденсатор С4 увеличивает коэффициент положительной обратной связи через базовую обмотку на этапе формирования фронтов напряжения и, соответственно, уменьшает необходимый ток смещения. Ключевой транзистор VT1 открывается, развивается регенеративный процесс, в результате которого напряжение питания преобразователя прикладывается к обмотке I трансформатора Т1 и начинается этап tH накопления энергии в магнитопроводе. Потребление мощности от трансформатора Т1 на этапе 1„ происходит только входной цепью транзистора через обмотку II трансформатора.

При достижении коллекторным током значения 1кт = h2i3 le транзистор VT1 выходит из насыщения. Развивается обратный регенеративный процесс, в результате которого транзистор закрывается и начинается передача накопленной энергии в нагрузку. В это время к базе транзистора прикладывается импульс отрицательной полярности. Одновременно начинается перезарядка конденсатора С4 через резистор R6, и напряжение на базе возрастает по экспоненциальному закону до тех пор, пока не откроется транзистор VT1. Ток его базы I6 снова будет равен указанному выше значению, а ток коллектора !к будет в п2,э раз больше. Но несмотря на открытое состояние транзистора, накопление энергии начнется лишь тогда, когда ток обмотки III уменьшится до IK W|/w,|. Здесь wh w,i и w, — числа витков обмоток I, II и III соответственно.

Конструкция и детали. Источник собран на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1...2мм (рис.3).

Cxema
Рис. 3

При изготовлении платы можно использовать следующий технологический прием. Чертеж печатной платы накладывают на фольгированную сторону стеклотекстолитовой пластины и приклеивают полосой широкой прозрачной липкой ленты, края которой загибают и приклеивают к другой стороне платы. Сквозь скотч и чертеж сверлят отверстия. Этот способ обеспечивает более высокую точность расположения отверстий, чем разметка на заготовке платы карандашом и линейкой. Печатные проводники изготовляют либо травлением в растворе хлорного железа, предварительно нанеся кислотоупорным составом рисунок дорожек на фольгу, либо удалением лишней фольги резаком (автор пользовался последним методом).

Балластный конденсатор С1 лучше всего составить из двух параллельно соединенных конденсаторов серии К73-16 или К73-17 емкостью 0,47 мкФ и номинальным напряжением 630 В. В этом случае он выдержит даже аварийное повышение напряжения сети до 380 В. С несколько меньшей надежностью можно применить один конденсатор из этих серий емкостью 1 мкФ и номинальным напряжением 400 В. Если ток нагрузки не превышает 35 мА, лучше применить один конденсатор 0,47 мкФ на напряжение 630 В.

В общем случае балластный конденсатор С1 выбирают в соответствии с [7], а его емкость рассчитывают по формуле [8]

C1=Iп/4f(Ua-Uc),

где Ua и f — амплитуда и частота переменного напряжения сети; Iп — ток, потребляемый преобразователем.

Оксидные конденсаторы С2 и С5 — К50-35 или малогабаритные зарубежные. Емкость конденсатора С2 может быть в несколько раз увеличена, особенно если необязательно размещать ИИП в объеме спичечной коробки. Конденсаторы СЗ, С4 и С6 — пленочные или керамические, номинальное напряжение конденсатора СЗ должно быть не менее 250 В, а С6 — не менее выходного напряжения источника.

Диодный мост КЦ407А (VD1) заменим на КД906А или дискретные диоды КД102А. Стабилитрон КС547В (VD2) заменим на КС531В или другой с напряжением стабилизации от 31 до 47 В. Светодиод HL1 может быть любым из серии КИПМО или АЛ307. Демпферный диод КД102А (VD3) заменим любым из серии КД104. Диод КД522Б (VD4) заменим на КД522А или КД520А. Диод КД510А (V05) можно заменить зарубежным диодом Шотки 1N5819. Стабилитрон Д814Б (VD6) можно заменить любым из серии Д818.

Транзистор КТ602БМ (VT1) заменим на КТ602АМ, КТ605А, КТ605Б. Важно, чтобы максимально допустимое напряжение коллектор—эмиттер транзистора было не менее 120 В. Ввиду того что на транзисторе VT1 выделяется мало тепла, его можно не устанавливать на теплоотвод.

Трансформатор Т1 намотан на кольце типоразмера К16х10х4,5 из феррита М2000НМ-1А. Все обмотки трансформатора могут быть намотаны проводом ПЭЛ, ПЭВ-2 или ПЭЛШО. Обмотка I содержит 100 витков провода диаметром 0,14 мм, обмотка обратной связи II — 8 витков того же провода, выходная обмотка III содержит 25 витков провода диаметром 0,35 мм. Между обмотками I и II трансформатора Т1 проложен слой изоляции, а обмотка III отделена двумя слоями. В качестве изоляции можно применить фторопластовую пленку или изоляционную ленту шириной 5...7 мм. Если использован провод ПЭЛШО, то между обмотками I и II изоляцию можно не прокладывать. Для повышения электропрочности и уменьшения гигроскопичности обмотки трансформатора желательно пропитать парафином от свечей.

Трансформатор Т1 работает в режиме с подмагничиванием магнитопровода пульсирующим током. Поскольку преобразователь маломощный, можно применить магнитопровод без воздушного зазора. Если необходимо повысить выходную мощность источника или увеличить напряжение питания преобразователя, необходимо ввести воздушный зазор, расколов и склеив кольцо магнитопровода. При этом число витков всех обмоток следует увеличить на 15...20%.

Трансформатор Т1 смонтирован перпендикулярно плате и прикреплен к плате проволочной скобой, продетой через отверстие магнитопровода. Концы скобы вставлены в свободные отверстия платы и припаяны к контактным площадкам с ее обратной стороны. На скобу должна быть надета трубка из фторопласта или ПВХ, которая защищает изоляцию трансформатора во время пайки скобы.

Для изменения выходного напряжения UBUX необходимо применить стабилитрон VD6 с необходимым напряжением стабилизации и изменить число витков обмотки III, вычислив его по формуле 8,33-VUBblx. Максимальная мощность источника не изменится.

Налаживание. Собранный из исправных деталей источник работает без налаживания, но для гарантии нормальной работы его необходимо проверить.

Если после включения в сеть горит светодиод HL1, но выходное напряжение отсутствует, следует проверить фазировку обмоток I и II трансформатора Т1. Если выходное напряжение без стабилитрона VD6 значительно (в два раза) превышает номинальное, необходимо поменять местами выводы обмотки III. Нужно также проверить, что токи через стабилитроны VD2 и VD6 не превышают максимально допустимые (10 и 36 мА соответственно). Если это не так, необходимо применить стабилитрон VD6 с другим напряжением стабилизации и, возможно, изменить сопротивление резистора R6.

Не рекомендуется надолго оставлять источник включенным в сеть без нагрузки. За время эксплуатации источника (больше года) сбоев и отказов в его работе не было.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фурманский Е. Сетевая "Крона". — Радио, 1974, № 11,0.31.
2. Солонин В. Сетевой в габаритах "Кроны". — Радио, 1999, № 2, с. 37, 44.
3. Миронов А. Сетевые импульсные блоки питания. — Радио, 1999, №8, с. 51—53; № 9, с. 38, 39.
4. Сидорович О. Сетевой "гальванический элемент 373". — Радио, 2000, № 9, с. 35, 36.
5. Хабаров А. Миниатюрный блок питания. — Радио, 2001, № 9, с. 43.
6. Бас А. А., Миловзоров В. П., Мусо-лин А. К. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. — М.: Радио и связь, 1987.
7. Трифонов А. Выбор балластного конденсатора. — Радио, 1999, № 4, с. 44.
8. Бирюков С. Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором. — Радио, 1997, №5, с. 48—50.

Радио 6-2005