Конструкция импульсного источника питания

Известно, что источники электропитания являются неотъемлемой частью радиотехнических устройств, к которым предъявляется целый ряд требований; они представляют собой комплекс элементов, приборов и аппаратов, вырабатывающих электрическую энергию и преобразующих ее к виду, необходимому для обеспечения требуемых условий работы радиоустройств.

Источники питания подразделяются на две группы: источники первичного и вторичного питания:

Первичные источники - это устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую (электромашинные генераторы, электрохимические источники тока, фотоэлектрические и термоэмиссионные преобразователи и др. ).

Вторичные устройства питания - это преобразователи одного вида электрической энергии в другой. К ним относятся: преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямитель); преобразователи величины переменного напряжения (трансформаторы); преобразователи постоянного напряжения в переменное (инверторы).

На долю источников электропитания в настоящее время приходится от 30 до 70% общей массы и объема аппаратуры РЭА.

Поэтому проблема создания миниатюрного, легкого и надежного устройства электропитания с хорошими технико-экономическими показателями является важной и актуальной.

Данная работа посвящена разработке вторичного источника электропитания (ИВЭ) с минимальными массогабаритными и высокими техническими характеристиками.

Обязательным условием проектирования источников вторичного электропитания является четкое знание предъявляемых к ним требований. Эти требования весьма разнообразны и определяются особенностями эксплуатации тех комплексов РЭА, которые питаются от заданного ИВЭ.

Основными требованиями являются: к конструкции – надежность, ремонтопригодность, габаритно-массовые ограничения, тепловые режимы; к технико-экономическим характеристикам – стоимость и технологичность изготовления.

Основные направления улучшения массогабаритных и технико-экономических показателей ИП: использование новейших электротехнических материалов; применение элементной базы с использованием интегрально-гибридной технологии; повышение частоты преобразования электрической энергии; поиски новых эффективных схемотехнических решений.

Для выбора схемы ИВЭ был произведен анализ эффективности использования импульсных источников питания (ИИП) по сравнению с силовыми ИП, выполненными по традиционной технологии.

Главные недостатки силовых ИП – это высокие массогабаритные характеристики, а также значительное влияние на другие устройства РЭА сильного магнитного поля силовых трансформаторов. Проблемой ИИП является создание ими высокочастотных помех, и, как следствие этого - электромагнитная несовместимость с некоторыми типами РЭА. Анализ показал, что наиболее полно предъявляемым требованиям отвечают ИИП, что подтверждается их широким использованием в РЭА.

В работе рассмотрен ИИП мощностью 800 Вт, который отличается от других ИИП применением в преобразователе полевых транзисторов и трансформатора с первичной обмоткой, имеющей средний вывод. Полевые транзисторы обеспечивают более высокий КПД и пониженный уровень высокочастотных помех, а трансформатор со средним выводом – вдвое меньший ток через ключевые транзисторы и исключает необходимость в развязывающем трансформаторе в цепях их затворов.

На базе выбранной принципиальной электрической схемы была разработана конструкция и был изготовлен опытный образец ИИП. Вся конструкция представлена в виде модуля, установленного в алюминиевый корпус. После первичных испытаний был выявлен ряд недостатков: ощутимый нагрев радиаторов ключевых транзисторов, сложность отвода тепла от мощных отечественных резисторов и большие габариты.

Конструкция была доработана: изменена конструкция платы управления с использованием компонентов поверхностного монтажа на двухсторонней плате, её перпендикулярная установка на основной плате; применение радиатора со встроенным вентилятором от компьютера; все теплонапряженные элементы схемы были специально расположены с одной стороны корпуса вдоль направления продувки основного вентилятора для наибольшего эффективного охлаждения. В результате доработки габариты ИПП уменьшились в три раза и выявленные в ходе первичных испытаний недостатки были исключены.

Доработанный образец имеет следующие характеристики: напряжение питания Uпит=~180-240В, частота fраб=90кГц, отдаваемая мощность Pп=800Вт, кпд=85%, масса =2,1 кг, габаритные размеры 145Х145Х80 мм.

Обоснование технического решения

Данная работа посвящена конструкции импульсного источника питания, предназначенного для питания усилителя мощности звуковой частоты, входящего в состав домашней звуковоспроизводящей системы высокой мощности.

Создание домашней звуковоспроизводящей системы было начато с выбора схемного решения УМЗЧ. Для этого был произведен анализ схемного решения звуковоспроизводящих устройств. Выбор был остановлен на схеме УМЗЧ высокой верности.

Данный усилитель имеет очень высокие характеристики, содержит в своем составе устройства защиты от перегрузки и коротких замыканий, устройства поддержания нулевого потенциала постоянного напряжения на выходе и устройство компенсации сопротивления проводов, соединяющих усилитель с акустикой. Несмотря на то, что схема УМЗЧ опубликована уже давно, радиолюбители и по сей день повторяют его конструкцию, ссылки на которую есть практически в любой литературе, касающейся сборки устройств для высококачественного воспроизведения музыки. На основе данной статьи было принято решение собрать четырехканальный УМЗЧ, суммарная потребляемая мощность которого составила 800 Вт. Поэтому следующим этапом сборки УМЗЧ стала разработка и сборка конструкции источника питания, обеспечивающего мощность на выходе не менее 800 Вт, малые габариты и массу надежность в работе и защиту от перегрузки и коротких замыканий.

Источники питания строятся в основном по двум схемам: традиционной классической и по схеме импульсных преобразователей напряжения.

Исследование источников вторичного электропитания

Источники электропитания подразделяются на две группы: источники первичного и вторичного электропитания.

Первичные источники - это устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую (электромашинные генераторы, электрохимические источники тока, фотоэлектрические и термоэмиссионные преобразователи и др. ).

Вторичные устройства питания - это преобразователи одного вида электрической энергии в другой. К ним относятся:

▪ преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители);

▪ преобразователи величины переменного напряжения (трансформаторы);

▪ преобразователи постоянного напряжения в переменное (инверторы).

Источники вторичного электропитания строятся в основном по двум схемам: традиционной классической и по схеме импульсных преобразователей напряжения.

Главный недостаток силовых ИП, выполненных по традиционной классической схеме, в их больших массогабаритных характеристиках, а также значительным влиянием на другие устройства РЭА сильного магнитного поля силовых трансформаторов. Проблемой ИИП является создание ими высокочастотных помех, и как следствие этого - электромагнитная несовместимость с некоторыми типами РЭА. Анализ показал, что наиболее полно предъявляемым требованиям отвечают ИИП, что подтверждается их широким использованием в РЭА.

Трансформаторы импульсных источников питания отличаются, от традиционных следующим: - питанием напряжением прямоугольной формы; усложненной формой обмоток (выводы средней точки) и работой на повышенных частотах (до нескольких десятков кГц). Кроме того, параметры трансформатора оказывают существенное влияние на режим работы полупроводниковых приборов и характеристики преобразователя. Так, индуктивность намагничивания трансформатора увеличивает время переключения транзисторов; индуктивность рассеяния (при быстро меняющемся токе) является причиной возникновения перенапряжений на транзисторах, что может привести к их пробою; ток холостого хода уменьшает к. п. д. преобразователя и ухудшает тепловой режим транзисторов. Отмеченные особенности учитываются при расчете и проектировании трансформаторов ИИП.

Обоснование схемного решения ИИП

В данной работе рассматривается импульсный блок питания мощностью 800Вт. От описанных ранее он отличается применением в преобразователе полевых транзисторов и трансформатора с первичной обмоткой со средним выводом. Первое обеспечивает более высокий КПД и пониженный уровень высокочастотных помех, а второе - вдвое меньший ток через ключевые транзисторы и исключает необходимость в развязывающем трансформаторе в цепях их затворов.

Недостаток такого схемного решения — высокое напряжение на половинах первичной обмотки, что требует применения транзисторов с соответствующим допустимым напряжением. Правда, в отличие от мостового преобразователя, в данном случае достаточно двух транзисторов вместо четырех, что упрощает конструкцию и повышает КПД устройства.

В импульсных блоках питания (ИБП) используют одно- и двухтактные высокочастотные преобразователи. КПД первых ниже, чем вторых, поэтому однотактные ИБП мощностью более 40. 60 Вт конструировать нецелесообразно. Двухтактные преобразователи позволяют получать значительно большую выходную мощность при высоком КПД. Они делятся на несколько групп, характеризующихся способом возбуждения выходных ключевых транзисторов и схемой включения их в цепь первичной обмотки трансформатора преобразователя. Если говорить о способе возбуждения, то можно выделить две группы: с самовозбуждением и внешним возбуждением.

Первые пользуются меньшей популярностью из-за трудностей в налаживании. При конструировании мощных (более 200 Вт) ИБП сложность их изготовления неоправданно возрастает, поэтому для таких источников питания они малопригодны. Преобразователи с внешним возбуждением хорошо подходят для создания ИБП повышенной мощности и порой почти не требуют налаживания. Что касается подключения ключевых транзисторов к трансформатору, то здесь различают три схемы: так называемую полумостовую , мостовую и с первичной обмоткой, имеющей отвод от середины На сегодняшний день наибольшее распространение получил полумостовой преобразователь.

Для него необходимы два транзистора с относительно невысоким значением напряжения Uкэmax , конденсаторы С1 и С2 образуют делитель напряжения, к которому подключена первичная (I) обмотка трансформатора Т2. При открывании ключевого транзистора амплитуда импульса напряжения на обмотке достигает значения Uпит/2 – Uкэ нac.

Мостовой преобразователь аналогичен полумостовому, но в нем конденсаторы заменены транзисторами VT3 и VT4 , которые открываются парами по диагонали. Этот преобразователь имеет несколько более высокий КПД за счет увеличения напряжения, подаваемого на первичную обмотку трансформатора, а следовательно, уменьшения тока, протекающего через транзисторы VT1—VT4. Амплитуда напряжения на первичной обмотке трансформатора в этом случае достигает значения Uпит - 2Uкэ нас.

Особо стоит отметить преобразователь по схеме , отличающийся наибольшим КПД. Достигается это за счет уменьшения тока первичной обмотки и, как следствие, уменьшения рассеиваемой мощности в ключевых транзисторах, что чрезвычайно важно для мощных ИБП. Амплитуда напряжения импульсов в половине первичной обмотки возрастает до значения Uпит – Uкэ нас.

Следует также отметить, что в отличие от остальных преобразователей для него не нужен входной развязывающий трансформатор.

В устройстве по схеме на необходимо использовать транзисторы с высоким значением Uкэ mах. Поскольку конец верхней (по схеме) половины первичной обмотки соединен с началом нижней, при протекании тока в первой из них (открыт VT1) во второй создается напряжение, равное (по модулю) амплитуде напряжения на первой, но противоположное по знаку относительно Uпит. Иными словами, напряжение на коллекторе закрытого транзистора VT2 достигает 2Uпит. поэтому его Uкэ mах должно быть больше 2Uпит.

В предлагаемом ИБП применен двухтактный преобразователь с трансформатором, первичная обмотка которого имеет средний вывод. Он имеет высокий КПД, низкий уровень пульсации и слабо излучает помехи в окружающее пространство.

Принцип действия ИИП

Принципиальная схема ИИП изображена на рис2. Как видно, это преобразователь с внешним возбуждением без стабилизации выходного напряжения. На входе устройства включен высокочастотный фильтр C1L1C2, предотвращающий попадание помех в сеть. Пройдя его, сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом VD1—VD4, пульсации сглаживаются конденсатором С3. Выпрямленное постоянное напряжение (около 310 В) используется для питания высокочастотного преобразователя.

Устройство управления преобразователем выполнено на микросхемах DD1—DD3. Питается оно от отдельного стабилизированного источника, состоящего из понижающего трансформатора Т1, выпрямителя VD5 и стабилизатора напряжения на транзисторах VT1, VT2 и стабилитроне VD6. На элементах DD1. 1, DD1. 2 собран задающий генератор, вырабатывающий импульсы с частотой следования около 360 кГц. Далее следует делитель частоты на 4, выполненный на триггерах микросхемы DD2.

С помощью элементов DD3. 1, DD3. 2 создаются дополнительные паузы между импульсами. Паузой является не что иное, как уровень логического 0 на выходах этих элементов, появляющийся при наличии уровня 1 на выходах элемента DD1. 2 и триггеров DD2. 1 иDD2. 2

Напряжение низкого уровня на выходе DD3. 1 (DD3. 2) блокирует DD1. 3 (DD1. 4) в "закрытом" состоянии (на выходе – уровень логической 1).

Длительность паузы равна 1/3 от длительности импульса ( эпюры напряжений на выводах 1 DD3. 1 и 13 DD3. 2), чего вполне достаточно для закрывания ключевого транзистора. С выходов элементов DD1. 3 и DD1. 4 окончательно сформированные импульсы поступают на транзисторные ключи (VT5, VT6), которые через резисторы R10, R11 управляют затворами мощных полевых транзисторов VT9, VT10.

Импульсы с прямого и инверсного выходов триггера DD2. 2 поступают на входы устройства, выполненного на транзисторах VT3, VT4, VT7, VT8. Открываясь поочередно, VT3 и VT7,VT4 и VT8 создают условия для быстрой разрядки входных емкостей ключевых транзисторов VT9, VT10, т. е. их быстрого закрывания. (эпюры напряжений на выводах 12 и 13 DD2. 2), VT7 и VT8 открываются сразу же после окончания импульса, поэтому при любой выходной мощности каждый из транзисторов VT9, VT10 всегда успевает надежно закрыться до открывания второго. Если бы это условие не выполнялось, через них, а следовательно, через первичную обмотку трансформатора Т2 протекал бы сквозной ток, который не только уменьшает надежность и КПД ИБП, но и создает всплески напряжения, амплитуда которых порой превышает напряжение питания преобразователя. В цепи затворов транзисторов VT9 и VT10 включены резисторы относительно большого сопротивления R10 и R11. Вместе с емкостью затворов они образуют фильтры нижних частот, уменьшающие уровень гармоник при открывании ключей. С этой же целью введены элементы VD9—VD12, R16, R17, С12. С13. В стоковые цепи транзисторов VT9, VT10 включена первичная обмотка трансформатора Т2. Выпрямители выходного напряжения выполнены по мостовой схеме на диодах VD13—VD20, что несколько уменьшает КПД устройства, но значительно (более чем в пять раз) снижает уровень пульсации на выходе ИБП.

Важно отметить, что форма колебаний, почти прямоугольная при максимальной нагрузке, плавно переходит в близкую к синусоидальной при уменьшении мощности до 10. 20 Вт. Выпрямленное напряжение обмотки IV трансформатора Т2 используют для питания вентиляторов.

Доработка схемы ИИП

Для повышения надежности источников электропитания в них применяют узлы защиты, предотвращающие выход из строя силовых элементов схемы при перегрузках и коротких замыканиях в цепи нагрузки.

Принцип действия схемы защиты от перегрузки и коротких замыканий.

Напряжение питания, снимаемое с диодного моста VD5 поступает на обмотку реле К1 и анод тиристора VS1, находящегося в закрытом состоянии. Ток через обмотку реле К1 не протекает и через его контакты (К1. и К1. 2) подается напряжение питания на транзисторы VT1 и VT2 и на стабилизатор Ст, и далее на схему управления ключевыми транзисторами СУ. На ключевые транзисторы VT9 и VT10 подается положительное напряжение питания от 250 до 310В, которое зависит от тока нагрузки подаваемого на ИИП напряжения питания.

Мощность ИИП равна 800 Вт, из чего можно сделать вывод, что через ключевые транзисторы протекает средний ток З,2А, соответствующий максимальной нагрузке. В этот момент на резисторе R3 сопротивлением 0,33 Ом выделяется напряжение падения равное U=I∙R=0, 33∙3,2=1В это напряжение открывает тиристор VS1, который в свою очередь включает реле К1. Контакт реле К1. 1 отключает напряжение питания стабилизатора. Контакт реле К1. 2 отключает напряжение питания схемы управления, вследствие чего закрываются ключевые транзисторы VT9 и VT10, напряжение питания на выходе ИИП становится равным нулю. Контакт К1. 2 совместно с резистором Rр необходимы для быстрой разрядки оксидных конденсаторов в цепях стабилизатора. В противном случае, при отключении ИИП от сети, в стоковых цепях ключевых транзисторов произойдет импульс тока, который может привести к пробою ключевых транзисторов. Во вторичных обмотках импульсного трансформатора TP2 произойдет импульс тока, который может привести к выходу из строя элементов, питающихся напряжением, снимаемым с ИИП. Импульс тока возникает из-за очень большой емкости конденсатора СЗ, который после отключения напряжения питания ИИП разряжается очень медленно, и если подать в этот момент остаточное напряжение от электролитических конденсаторов C5 и C7 на схему управления, произойдет открывание ключевых транзисторов и резкий разряд конденсатора С3, сопровождающийся большим отдаваемым током. Данная схема защиты от КЗ введена в опытный образец ИИП и показала высокую надежность и практичность в работе.

Конструкторско-расчетная часть

ИИП в составе УМЗЧ

Конструкция импульсного источника питания

В устройстве применены конденсаторы К73-17 (С1, С2, С4), К50-17 (СЗ), МБМ (С12, С13), К73-16 (С14-С21, С24, С25), К50-35 (С5-С7), КМ (остальные). Вместо указанных на схеме допустимо применение микросхем серий К176, К564. Диоды Д246 (VD1—VD4) заменимы на любые другие, рассчитанные на прямой ток не менее 5 А и обратное напряжение не менее 350 В (КД202К, КД202М, КД202Р, КД206Б, Д247Б), или диодный выпрямительный мост с такими же параметрами, диоды КД2997А (VD13-VD20) - на КД2997Б, КД2999Б, стабилитрон Д810 (VD6) - на Д814В. В качестве VT1 можно использовать любые транзисторы серий КТ817, КТ819, в качестве VT2—VT4 и VT5, VT6 - соответственно любые из серий КТ315, КТ503, КТ3102 и КТ361, КТ502, КТ3107, на месте VT9, VT10 - КП707В1, КП707Е1. Транзисторы КТ3102Ж (VT7, VT8) заменять не рекомендуется.

Трансформатор Т1 -ТС-10-1 или любой другой с напряжением вторичной обмотки 11. 13 В при токе нагрузки не менее 150 мА. Катушку L1 сетевого фильтра наматывают на ферритовом (М2000НМ1) кольце типоразмера К31Х18,5х7 проводом ПЭВ-1 1,0 (2х25 витков), трансформатор Т2 - на трех склеенных вместе кольцах из феррита той же марки, но типоразмера К45х28х12. Обмотка I содержит 2х42 витка провода ПЭВ-2 1,0 (наматывают в два провода), обмотки II и III - по 7 витков (в пять проводов ПЭВ-2 0,8), обмотка IV - 2 витка ПЭВ-2 0,8. Между обмотками прокладывают три слоя изоляции из фторопластовой ленты.

Магнитопроводы дросселей L2, L3 — ферритовые (1500НМЗ) стержни диаметром 6 и длиной 25 мм (подстроечники от броневых сердечников Б48). Обмотки содержат по 12 витков провода ПЭВ-1 1,5.

Транзисторы VT9, VT10 устанавливают на теплоотводах с вентиляторами, применяемыми для охлаждения микропроцессоров Pentium (подойдут аналогичные узлы и от процессоров 486). Диоды VD13—VD20 закрепляют на теплоотводах с площадью поверхности около 200 см2. Для охлаждения транзисторов выходного каскада УМЗЧ на задней стенке устанавливают вентилятор от компьютерного блока питания или любой другой с напряжением питания 12В.

Анализ недостатков конструкции ИИП и ее доработка

Для изготовления опытного образца импульсного источника питания была подобрана современная электронная база радиокомпонентов, обеспечивающая минимальные массогабаритные и экономические характеристики. Для изготовления печатной платы ИИП был выбран гетинакс, ввиду его низкой стоимости и хороших технологических характеристик, так как конструкция находилась в стадии разработки и подвергалась многократному изменению и доработке.

Первоначально все радиоэлементы ИИП размещались на одной печатной плате, над которой был размещен большой радиатор с ключевыми транзисторами и диодный мост. После размещения данной конструкции в корпус из под импульсного источника питания компьютера я столкнулся с проблемой нехватки свободного места. Так трансформатор ИИП и выпрямительные диоды Шотки, размещенные на радиаторах пришлось временно разместить снаружи. При дальнейшей эксплуатации был выявлен еще ряд недостатков: плата управления, расположенная снизу покрылась пылью так как в корпусе предусмотрена сквозная продувка вентилятором расположенным сбоку корпуса.

Применение отечественных резисторов марки С5-35 мощностью 10Вт вызвало проблему не только их размещения (вертикальное расположение), но и отвода тепла. При испытании источника питания на максимальную мощность оказалось что радиатор, применяемый для охлаждения ключевых транзисторов почти не нагрелся, что свидетельствовало о его высокой охлаждающей эффективности, но вызывало проблему габаритов.

На основе выявленных недостатков конструкция импульсного источника питания была доработана. Было принято решение схему управления расположить вертикально по отношению к основной плате. Схема управления была выполнена на двухсторонней печатной плате с применением радиоэлементов поверхностного монтажа. Изменения коснулись также основной платы

Высокие массогабаритные параметры были достигнуты при замене отечественных резисторов С5-35-10 Вт на импортные SQP-10, а также применением для охлаждения ключевых транзисторов радиатора со встроенным вентилятором, предназначенного для охлаждения процессора персонального компьютера. В высвободившееся место были установлены импульсный трансформатор и диоды Шотки, расположенные на алюминиевых радиаторах.

Все теплонагруженные элементы схемы: радиатор ключевых транзисторов, мощные резисторы, диоды Шотки, схема управления специально расположены с одно стороны, вдоль направления продувки основным вентилятором, для наиболее эффективного охлаждения.

На основе рассчитанной рабочей площади можно в широких пределах выбирать габаритные размеры корпуса ИИП. Учитывая максимальную высоту (70 мм) элементов ИИП, размещенных на основной плате, можно сделать вывод, что корпус с размерами 145×145×80 мм от ИИП компьютера является оптимальным решением для размещения основной платы, так как его площадь составляет Sкорп=145∙145=21025 мм².

Данный корпус имеет встроенный вентилятор для принудительного охлаждения элементов схемы ИП, а также имеет необходимые разъемы питания. Sраб=10808∙2=21616 мм²

Таким образом, разработанный ИИП имеет высокий КПД, низкий уровень пульсаций и помех, имеет малые габариты и массу, прост в сборке и наладке. Он может быть рекомендован для применения в усилителе мощности для высококачественного воспроизведения музыки и для других современных устройств радиоэлектронной аппаратуры.