Импульсный БП на силовых ПТ мощностью 250 Вт

DL2YEO, DL2YEO@qrp4u.de

Внимание: опасно для жизни! Схема находится под сетевым напряжением переменного тока 230 В. Выпрямленное напряжение составляет более  322 В. Необходимо выполнять все работы при выключенном блоке питания. Помните, что конденсаторы, подключенные к первичной цепи БП могут быть заряжены ещё в течении нескольких секунд после выключения питания.

 Эксперименты с блоками питания от компьютеров воодушевили меня на создание “серьёзного” импульсного источника питания. Новый БП является также ”прямым” преобразователем с полумостовой конфигурацией.

Отличительными чертами модифицированного БП являются:

- вместо силовых ключевых биполярных транзисторов применены полевые,

- синхронный выпрямитель вместо силовых диодов применён во вторичной цепи БП, - отсутствует драйверный (предоконечный) каскад (пропорциональное токовое управление), - применена более простая система защиты от чрезмерных токов и перенапряжений.  

  С трансформаторами и дросселями “выдранными” из компьютерного БП, новый БП обеспечивает выходную мощность  250 Вт при кпд до 90%. Блок допускает перегрузку до 20% на короткий период времени.

Электромагнитные компоненты от БП ПК

Рис. 1. Трансформаторы от блока питания персонального компьютера.

Электромагнитные компоненты блоков питания от АТ компьютеров не отличаются большим разнообразием. Они обычно рассчитаны на частоты 25…40 кГц и выходную мощность 200…240 Вт. На плате импульсного источника питания можно найти трансформаторы того или иного размера. Я не могу с уверенностью сказать, что больший размер трансформатора означает и большую мощность, может быть это просто-напросто более старая разработка БП. Что касается новых БП, я, всё-таки, предпочитаю большие размеры трансформаторов, поскольку, при этом, на их сердечниках (всех трёх трансформаторов) имеется больше места под дополнительные витки обмоток. Маленькие трансформаторы не имеют на сердечниках свободного места, так как полностью забиты медью и межобмоточной изоляцией и могут быть применены только в готовом виде (без переделки).

Сетевой выпрямитель и фильтр

 Эта часть схемы несложна. За компенсационным токовым дросселем DR1 (сетевой фильтр) следует терморезистор  для ограничения входного тока. Его сопротивление в холодном состоянии составляет 5 Ом и через несколько минут это сопротивление составляет уже менее 1 Ом. Выпрямитель сетевого напряжения 230 В обычно рассчитывается на ток 4 А и не нуждается в принудительном охлаждении. Критерием выбора ёмкости конденсаторов С3 и С4 является допустимое напряжение пульсаций Ubr. При Ubr = 25 В достаточную ёмкость образуют два конденсатора 470 мкФ, включенные последовательно. Эта величина рассчитана на минимальное напряжение в сети Umin = 230 В – 15%.

Рис. 2. Фильтр, выпрямитель и ключевые транзисторы.

Ключевые транзисторы

 Полевые транзисторы (ПТ) применены в качестве ключевых в силу свойственного им быстрого времени нарастания и спада импульсов и простой схемой предоконечного устройства, экономящей детали. Если достаточным является время переключения 100 нсек, то для ключевания ПТ можно применить схему, содержащую трансформатор и два резистора в цепях затворов. Вторичная обмотка должна быть рассчитана на определённую амплитуду импульсов. Обмотки, состоящие из одного витка и 2 х 8 витков, должны быть удалены с сердечника Tr4. На их место следует намотать 2 х 16 витков (двойным проводом). При соотношении витков обмоток трансформатора 16 : 26 и управляющем сигнале напряжением 20 В от микросхемы IC1 напряжение на затворах ПТ составляет 10 В. При этом напряжении достигается открытое состояние ПТ с сопротивлением канала (Ron) равным 0, 75 Ом, а, значит, малыми потерями на  рассеяние. Динамические (“переключательные”) потери при частоте переключения равной 50 кГц и обозначенном выше времени переключения незначительны и ими можно пренебречь. Управляющая микросхема обеспечивает достаточный ток для переключения ПТ. Повышение частоты переключения с 33 до 50 кГц позволяет “пропихнуть” через трансформатор больше энергии. Но таковую нельзя увеличивать беспредельно, так как сердечники трансформаторов рассчитаны для работы только в определённом диапазоне частот. Опытным путём установлено, что трансформаторы можно использовать с отклонением от номинала до 1,5 раз (нагрев).

Управляющая схема

Рис. 3. Схема управления и контроля.

Функции защиты (контроля)

 В “новый” БП включены две схемы защиты. Трансформатор Tr2 используется как токовый датчик и  создаёт на  резисторе  R16 напряжение пропорциональное току, текущему через силовые ключи (ключевые транзисторы). Если на выводе 10 микросхемы напряжение превысит порог, выставляемый с помощью потенциометра Р1, то микросхема тот час же отключится и включится вновь через короткий промежуток времени. Причиной этого является, как  правило, слишком большой ток во вторичной обмотке трансформатора, вызванный коротким замыканием или перегрузкой выхода. БП. Нагрузка и сама схема, таким же образом, защищены  и от перенапряжения на выходе Vo. SG3525 выключается при Vo > 15 В. Обе защитные схемы находятся в выключенном состоянии, если движок потенциометра Р1 соединён с общим проводом (находится в крайнем положении).

Синхронный выпрямитель

 Кое-кто из Вас, возможно, имел дело с рассеянием мощности до 17 Вт при выходном токе 18 А, работая с диодами с “быстрым восстановлением” ( полупроводника). С диодами Шоттки 30 А / 45 В потери составляют всё же 12 Вт. Это снижает кпд, составляя большую часть потерь в БП. Потери в сетевом выпрямителе (в первичной цепи БП), ключевых транзисторах, трансформаторах и выходных дросселях, вместе взятые,  не “дотягивают” до выше упомянутого значения.

 Значительного снижения потерь здесь помогает добиться полу - синхронный выпрямитель с двумя полевыми транзисторами, имеющими малую величину импеданса. ПТ с малым сопротивлением канала, находящимся в открытом состоянии (примерно, 15 мОм) и обеспечивают, во время активной фазы при токе 18 А, падение напряжения всего 0,3 В. Лучшие диоды Шоттки обеспечивают падение напряжения в 0,6 В. Тем не менее, в литературе часто встречаются двухтактные схемы выпрямителей, построенные с использованием, именно, диодов Шоттки. В оправдание указывается, что ток дросселя течёт в противоположном направлении (обратное включение) через внутренние диоды ПТ в то время, когда они находятся в выключенном (закрытом) состоянии. Большие потери на переключение наблюдаются из-за заряда внутренних диодов  ПТ, который нужно удалять в начале перехода к нормальной эксплуатации. Эти потери сводят на “нет” достоинства схемы в активной (“проводящей”) фазе. (Речь, видимо, идёт о зарядовой связи внутренней структуры ПТ, работающей при больших импедансах и создающей проблемы с неконтролируемым приотрыванием транзисторов - UA9LAQ).

 Нижеследующая схема позволяет избежать этого недостатка, так как внутренние диоды ПТ не работают в обратном включении. Навесной диод D3 перехватывает ток дросселя, поскольку тот имеет значительно более низкое прямое напряжение включения Uf, сравнимое с напряжением на внутреннем диоде ПТ. Диод D3 - диод Шоттки и установлен он перед дросселем Dr2. Диод не имеет заряда и поэтому переключается моментально при малых потерях. Для эксперимента диод был удалён, температура радиатора, на котором закреплены ПТ увеличилась на +10º C, несмотря на то, что внутренний диод,  используемых  ПТ типа IRFZ44 имеет очень малое время обратного восстановления в 47 нсек.

 При типичном рабочем цикле в 57% (открыты такой процент времени) потери двух ПТ составили 3,6 Вт. Дополнительный паразитный диод D3 открыт всё остающееся время и “пожирает” 4,6 Вт. Всего получается 8,2 Вт потерь, можно и этот диод также заменить ПТ. Поскольку переключение такого ПТ осуществить сложнее, чем от VT3 и VT4, я такой возможностью не пользовался. Второй причиной отказа от ПТ вместо D3 является возможное снижение напряжения в питающей сети и увеличение тока нагрузки, приводящее к увеличению времени открытого состояния ПТ, а не времени открытого состояния D3.

Рис. 4. Синхронный выпрямитель.

Конструкция и налаживание

 Для сборки БП потребуется монтажная плата из фольгированного стеклотекстолита размерами 82 х 122 мм. Не следует применять другой материал. Материал должен выдерживать довольно тяжёлые детали (не деформироваться) и иметь возможность нести широкие печатные дорожки для пропускания значительных по величине токов. Детали стабилизатора и схем защиты расположены на отдельной полоске материала. Прошу прощения, но мне было неохота разрабатывать печатную плату под эти узлы.

Рис. 5. Печатная плата (1 : 1) и расположение деталей.

Для распайки деталей для схемы стабилизатора и схем защиты используется небольшая платка размерами 40 х 45 мм. Медные дорожки (розового цвета) удаляются в обозначенных местах. Сверло по дереву или металлу диаметром 3…4 мм подходит для этой операции. Соединения кабелей обозначены условно разорванными - они крепятся к плате. Это же относится к выводу общего провода, который расположен на верхней поверхности платы, с помощью которого подводится потенциал “земли” к вертикальным медным дорожкам.

Рис. 6. Вид на сторону паек платки стабилизатора и защитных устройств (2 : 1).

Рис. 7. Вид на сторону расположения деталей (2 : 1).

Трансформаторы

 На следующем рисунке показаны трансформаторы от импульсного БП ПК. Данные по ним были опредены при возможных измерениях, счётом количества витков и вычислениями.

 Перед использованием трансформаторов следует убедиться, что их размер, количество обмоток, диаметр провода, количество витков и их фазировка соответствуют приведённым на рисунках и фотографиях. Если есть сомнения в соответствии, трансформаторы лучше не применять.

Ansicht von unten (нем.) – вид снизу; prim. – первичная (обмотка); sec.- вторичная; isolierter Schaltdraht (нем.) - изолированный монтажный провод; neue Windungszahl (нем.) – новое число витков.

Радиаторы

  Радиаторы не имеют особенностей. Они изготовлены из листового алюминия толщиной 1 мм. Транзисторы VT1 и VT2 закреплены на первом радиаторе с использованием изоляции (например,  через слюдяные прокладки). ПТ могут не иметь контакта друг с другом и радиатором. При профессиональной сборке касание транзисторами радиаторов допустимо и не представляет опасности. (Не знаю, что здесь имел в виду автор, возможно, транзисторы с “язычком” крепления к радиатору транзистора, выполненным из изоляционного материала, возможно, монтажную схему, когда радиатор изолирован от общего провода, а стоки ПТ могут иметь контакт друг с другом - UA9LAQ). На вторичной стороне – всё немного проще: VT3, VT4 и D3 не несут опасных напряжений и не требуют дополнительной изоляции. Поскольку корпуса ПТ и корпуса диодов Шоттки несут один и тот  же потенциал, то нет никаких препятствий  к монтажу всех трёх компонентов непосредственно на втором радиаторе. Тем более, что нет электрического контакта между самим радиатором и корпусом  или другими компонентами БП.

Рис. 9. Чертежи радиаторов. Kǖhlblech (нем.) – радиатор

Список деталей 1

Резисторы, конденсаторы и полупроводники

Список деталей 2

Трансформаторы, дроссели и прочее

Отмеченные (*) ячейки в таблицах показывают детали, которые можно “выдрать” из БП компьютера. Электрические параметры деталей перед применением необходимо сверить с табличными данными и предпринять необходимые переделки.

Проверка БП

 Я настоятельно советую, прежде чем подключать БП к питающей сети 230 В, тщательно его проверить. Проверку БП следует провести в несколько этапов в целях безопасности и в целях сохранности компонентов БП. В случае ошибки в схеме, высокое напряжение моментально выведет детали из строя.

Внимание! Температуру компонентов БП проверять только после отключения БП от сети!

 Фаза проверки 1. В первую очередь проверка касается микросхемы ШИМ-модулятора и управления включением питания. Для проверки нужно лабораторный источник питания с напряжением 24 В постоянного тока подключить между общим проводом БП (Gnd) и положительной обкладкой конденсатора С7 (Vx). После включения микросхема генерирует на выводах 11 и 14 импульсы с максимальной длительностью с крутыми фронтами и спадами . На экране осциллографа сигналы на затворах транзисторов VT1 и VT2 должны выглядеть так, как показано на Рис. 9. Очень важно, чтобы сигналы имели показанную на Рис.9 форму, напряжение и частоту. Сигналы на затворах ПТ должны быть также строго в противофазе. В противном случае, оба транзистора будут проводить одновременно и создадут ситуацию, свойственную короткому замыканию при включении БП в сеть 230 В.

Рис. 9. Форма входного сигнала на затворах VT1/VT2. (5 В на деление, 2 мксек на деление).

 Фаза проверки 2. Теперь присоедините три автомобильные лампочки 12 В/21 Вт к выходным зажимам БП 13,8 В. 48-вольтовый / 1 А сетевой трансформатор питает импульсный БЛ сейчас через выводы L1 и N, переменным напряжением, гальванически развязанным от сети. 24-вольтовый лабораторный источник питания постоянного тока всё ещё подключен к БП (не отключается пока). 60 В постоянного тока на конденсаторах С3/С4 считается в Европе неопасным напряжением. При этом напряжении ключевые транзисторы могут начать работать и это напряжение неопасно для жизни, можно проводить при нём предварительную проверку БП. Для измерений с использованием двухканального осциллографа, вывод Gnd (“земля”) от второй (вторичной) части может быть соединён с контрольной точкой Y первой (первичной) части с помощью проволочной перемычки. Лампы светятся при напряжении на них Vout = 4,3 В, если всё выполнено в БП правильно. Выпрямление происходит только за счёт внутренних диодов ПТ, поскольку напряжения затвор-исток ПТ VT3/VT4 недостаточны для открывания (переключения) транзисторов. ШИМ-контроллер пытается получить на выходе БП 13,8 В, используя при этом максимальную длительность импульсов, но последнее осуществить при входном напряжении 60 В постоянного тока и при имеющемся соотношении витков обмоток трансформатора.

Рис. 10. Сигналы в точке X по отношению к Y  и на катоде D3 по отношению к общему проводу Gnd.

 Фаза проверки 3. Если всё до сих пор в норме, то можно отважиться и на проверку БП при сетевом напряжении 230 В. Лабораторный источник питания 24 В, трансформатор 48 В, измерительные приборы, дополнительные соединения и перемычки, соединительные кабеля от приборов и т.п. должны быть отсоединены от БП. Три автомобильные лампы ещё понадобятся для использования в качестве нагрузки и при проверке на функционирование. Если при присоединении сетевого напряжения 230 В лампы, включенные в качестве нагрузки, ярко вспыхивают, выходное напряжение равно 13,8 В и не слышно заметного фона и отсутствуют запахи горелого, то первый раунд в борьбе за БП Вы выиграли. Если незамеченной осталась какая-либо ошибочка, которая прошла через предыдущие фазы проверки, то можно сказать “прощай” как ключевым транзисторам, так и соединительным печатным дорожкам на монтажной плате, которые испаряются с лёгким хлопком. При 5,7 А рабочий цикл D = tp/T = 5 мксек/10 мксек ≈ 50%.

 Фаза проверки 4. Для следующей проверки необходим эквивалент нагрузки, который может выдерживать мощность до 300 Вт. Поскольку резисторы такой мощности не валяются и стоят слишком дорого, я взял бухту трёхфазного кабеля 50 метров сечением 3 х 1,5 кв. мм. Сопротивление одной жилы кабеля составляет 0,6 Ом и может рассеивать вышеупомянутую мощность без проблем. В зависимости от взаимного соединения трёх жил кабеля можно получить сопротивления нагрузки 0,6, 1,2 и 1,8 Ом. (Точнее, комбинаций может быть больше, так как можно соединять жилы и параллельно и последовательно-параллельно – UA9LAQ). Амперметр имеет свой импеданс, который, будучи включенным последовательно с нагрузкой, увеличивает её сопротивление, примерно, на 0,1 Ом. При напряжении Vo = 13,8 В в нижеследующей таблице приведены значения выходной мощности БП и тока Io как функции нагрузки.

Дополнительные меры для подавления радиопомех

   Эксперименты с модифицированными блоками питания ПК показали, что фильтрация напряжения на печатной плате такого БП является недостаточной для применения в радиолюбительской практике. Дополнительный сетевой фильтр перед БП (со стороны сети) и самодельный П-фильтр на его выходе  улучшают подавление фона. Чтобы улучшить стабильность в петле управления (стабилизатора) падение напряжения на П-фильтре не устраняется. Выходное напряжение изменяется на несколько десятков милливольт на нагрузке при токе достаточном для эксплуатации 100 Вт трансивера. Дополнительный фильтр устанавливается в металлическом корпусе БП непосредственно у входа и выхода кабеля.

Рис. 11. Внешние компоненты для подавления РЧ-помех.

Опыт эксплуатации

  До 10 А тока при непрерывной эксплуатации или при 50%  рабочем цикле и импульсном характере тока нагрузки до 18 А можно обойтись без вентилятора при достаточном притоке свежего воздуха и постоянная температура БП не поднимается выше 30º С. Небольшой вентилятор от процессора ПК (“кулер”) 40 х 40 мм можно применить при постоянном токе нагрузки превышающем 10 А. Поверхность радиаторов транзисторов недостаточна, чтобы не дать транзисторам перегреться (поддерживать их температуру ниже +100º С). При применении вентилятора температура остаётся ниже 28º С. В нижеследующей таблице приведены значения измеренного и рассчитанного рассеяния мощности Pv основных компонентов БП при 250 Вт выходной мощности.

Свободный перевод с английского:  Виктор Беседин (UA9LAQ)  ua9laq@mail.ru

г. Тюмень                октябрь, 2003 г