Каталог радиолюбительских схем

Д.Безик

Основное предназначение описываемого здесь устройства - питание персонального компьютера. Но не только. Оно пригодно для питания многих других радиолюбительских разработок повышенной мощности, например УМЗЧ.

Принцип действия предлагаемого блока питания (рис. 1) такой же, как и у блоков питания цветных телевизоров третьего поколения. Он также работает в режиме, близком к режиму прерывистых токов [1] и, следовательно, является автоколебательным устройством. Но есть и принципиальное отличие: в нем применена "эмиттерная коммутация" мощного переключательного транзистора, что позволяет пользоваться им в более широком частотном диапазоне и, кроме того, снижается вероятность выхода из строя высоковольтного транзистора [1,2]. Проведенные эксперименты подтвердили, что транзистор КТ839А с переключательным транзистором КТ972А в его эмиттерной цепи хорошо работает даже на частоте 120 кГц. Другое достоинство блока питания - возможность применения его в широком диапазоне выходного тока.

Основные технические характеристики

Номинальная выходная мощность, Вт		50
Максимальная выходная мощность, Вт		95
Частота преобразования, кГц:
	при номинальной выходной мощности	30
	на холостом ходу	70
Входное напряжение, В		170...250
Выходное напряжение, В:
	канала +12В	11.8...12.2
	канала -12В	-11.8...-12.2
	канала +5В	4,8...6,0
Выходной ток, А:
	канала +12В	0...2
	канала -12В	0...0,4
	канала +5В (без резистора R15)	0,5...3,5
Выходное сопротивление, Ом, при I+5=3,5 А, I+12=2А, I-12=0 А:
	канала +5В	0,15
	канала +12В	0,02
Размах пульсаций, мВ, при I+5=3,5 А, I+12=2А, I-12=0 А:
	канала +5В на f=30 кГц и f=100 Гц	30
	канала +12В на f=30 кГц и f=100 Гц соответственно	20 и 30
Относительный коэффициент нестабильности по входному напряжению (входное напряжение 170...250 В) (DUвыхUвх/(DUвхUвых):
	канала +12В	0,01
	канала +5В	0,05

Устройство представляет собой однотактный преобразователь напряжения с обратным включением выпрямительного диода [2]. Выходное напряжение каналов блока стабилизируется изменением длительности открытого состояния транзисторов электронного коммутатора.

Основные узлы блока источника питания: выпрямитель сетевого напряжения с фильтром, однотактный преобразователь с выходными фильтрами, широтно-импульсный регулятор, усилитель рассогласования и вспомогательный импульсный стабилизатор.

Сетевое напряжение проходит через помехоподавляющий фильтр, образованный дросселями L1, L2 и конденсаторами С1, С2, выпрямляется диодным мостом VD1-VD4 и через резистор R1 выпрямленное напряжение поступает на сглаживающий конденсатор С7. Конденсаторы С3-С6 ослабляют проникновение в сеть помех, а резистор R1 ограничивает бросок входного тока в момент включения блока питания. Преобразователь запускается примерно спустя 0,1 с после подключения блока к сети, что несколько облегчает работу выпрямителя.

Основные компоненты преобразователя - импульсный трансформатор Т1, мощный высоковольтный коммутатор на транзисторах КТ839А (VT1) и КТ972А (VT2), выпрямители и выходные фильтры. Транзистор КТ839А (с большим максимально допустимым напряжением коллектор"эмиттер) открывается и закрывается замыканием и размыканием его эмиттерной цепи быстродействующим транзистором КТ972А, что предотвращает возникновение вторичного пробоя и уменьшает длительность переключения эмиттерного транзистора. Именно это и позволяет изменять выходное напряжение в широком интервале без переделки импульсного трансформатора.

Резисторы R11 и R12, общее сопротивление которых 0,5 Ом, служат датчиком тока преобразователя. Когда транзистор VT1 закрывается, ток его коллектора через диод VD6, стабилитрон VD5 и конденсатор С8 замыкается на минусовый вывод выпрямительного моста VD1-VD4.

Диоды VD13-VD15 - выпрямители импульсного напряжения вторичных обмоток III, IV и V трансформатора Т1. Пульсации выходных напряжений выпрямителей сглаживают конденсаторы С13-С18 и LC-фильтры L5C21, L6C22. Резистор R15, подключенный к выходу канала +5 В, предотвращает чрезмерное повышение напряжения на нем при загрузке канала +12 В. Благодаря этому резистору напряжение на выходе канала +5 В без нагрузки не превышает 6 В, безопасного для микросхем компьютера, при токе нагрузки канала +12 В до 2,5 А. Напряжение канала -12 В стабилизируется микросхемным стабилизатором DA2.

Усилитель рассогласования подключен к выходу канала +12 В. Источником образцового напряжения служит выход стабилизатора DA2. Транзистор VT4 усиливает сигнал ошибки. Нагрузкой транзистора служит светодиод оптрона U1, а диод VD17 защищает его эмиттерный переход. При напряжении на выходе канала +12 В более 12 В светодиод оптрона включается и тем самым увеличивает ток, текущий через фототранзистор оптрона.

Открытое состояние транзистора VT1 коммутатора определяется длительностью зарядки конденсатора С11 (примерно от -4 до +1 В) током фототранзистора оптрона. Чем больше значение этого тока, тем быстрее заряжается конденсатор С11 и тем меньше времени транзистор VT1 находится в открытом состоянии.

После подключения блока питания к сети начинает заряжаться и конденсатор С8 (через резистор R2 и диод VD6). Когда напряжение на нем достигает 4,5 В, ток, протекающий через резистор R6, стабилитрон VD12, эмиттерный переход транзистора VT2, резисторы R11, R12, а также через резисторы R6, R5, эмиттерный переход транзистора VT1, транзистор VT2 и резисторы R11, R12, переводит коммутирующие транзисторы в активный режим работы. Сигнал положительной обратной связи между обмотками I и II трансформатора Т1 через диод VD7, конденсатор С10 и резисторы R5, R7 быстро открывает коммутирующие транзисторы. Начинается накопление энергии магнитного поля в магнитопроводе трансформатора Т1. Через некоторый промежуток времени транзистор VT3 открывается и закрывает транзистор VT2, а следовательно, и транзистор VT1. При этом транзистор VT3 суммирует напряжения, поступающие на его базу с датчика тока R11R12 и конденсатора С11. В момент запуска или в случае перегрузки преобразователя, когда падение напряжения на резисторах R11, R12 превышает 1 В, транзистор VT3 открывается током, протекающим через резистор R10 и диод VD11, благодаря чему устройство выдерживает кратковременные перегрузки. При замыкании любого из его каналов на общий проводник блок питания автоматически переходит в режим ограничения мощности, не выходя из строя. В нормальном режиме функционирования преобразователя момент закрывания коммутирующих транзисторов определяется длительностью зарядки конденсатора С11.

После закрывания мощных транзисторов полярность напряжения на обмотках импульсного трансформатора сменяется на противоположную, при этом диоды VD13-VD15 оказываются включенными в прямом направлении и выпрямленным током заряжают конденсаторы LCфильтров. Когда значение этого тока окажется близким к нулю, в колебательном контуре, образованном обмоткой I трансформатора Т1, его паразитной емкостью и конденсатором С9, возникают электрические колебания. Первое же из них открывает мощные транзисторы коммутатора - и описанный процесс повторяется.

Пока транзисторы VT1 и VT2 закрыты, напряжение на нижнем (по схеме) выводе обмотки II трансформатора относительно минусового вывода конденсатора С7 отрицательно и через резистор R8 и диод VD8 надежно удерживает транзистор VT2 в закрытом состоянии. Минимальное напряжение на базе этого транзистора определяется напряжением стабилизации стабилитрона VD12 и напряжением на диоде VD10. Через цепь R8VD9 заряжается и конденсатор С11. А так как катоды диодов VD8 и VD9 объединены, то и напряжение на конденсаторе С12 не может быть меньше, чем на базе транзистора VT2 (т. е. около -4 В).

Напряжение на выходе канала +12 В стабилизируется методом широтно-импульсного регулирования. Это одновременно стабилизирует и напряжение канала +5 В. Однако, так как импульсный трансформатор, диоды и некоторые другие элементы устройства отнюдь неидеальны, стабильность напряжения на выходе этого канала невысока. Поэтому и применен вспомогательный импульсный стабилизатор, который выполняет две функции: обеспечивает каналу +5 В часть тока нагрузки для повышения стабильности напряжения на нем и нагружает канал +12 В, если он не нагружен. Так, при I₊₅=3A, а I₊₁₂=0 A это вспомогательное устройство обеспечивает лишь 30% от всего тока нагрузки канала +5 В, а при I₊₅=3 A и I₊₁₂=2 A он вообще не участвует в работе блока питания.

В состав вспомогательного стабилизатора входят микросхемный стабилизатор DA1, дроссели L3, L4, конденсатор С19, диод VD16, резистор R14. В нем микросхема DA1 служит электронным переключателем, источником образцового напряжения и усилителем сигнала рассогласования. Дроссель L4 и диод VD16 - необходимые атрибуты импульсного стабилизатора. Возбуждение микросхемы DA1 обеспечивают дроссель L3 и конденсатор С19, а резистор R14, снижающий добротность контура L3C19, предотвращает возникновение высокочастотных колебаний.

Все элементы блока питания смонтированы на печатной плате размерами 205x105 мм (рис. 2) из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Основные параметры резисторов и конденсаторов обозначены на принципиальной схеме устройства. Транзистор КТ839А (VT1) можно заменить на КТ838А, КТ872А, КТ846А, КТ8114В, а КТ972А - на КТ972Б. Вместо транзисторов КТ645Б (VT3) и КТ342БМ (VT4) могут работать аналогичные им транзисторы с коэффициентом передачи тока базы не менее 50. Оптрон АОТ101АС (U1) заменим на АОТ101БС, АОТ127А или АОТ128А.

Диоды КД212А (VD6,VD7) можно заменить на КД226 или КД411 с любым буквенным индексом, а КД2999В (VD13, VD14) - на другие, с близкими характеристиками, например, серий КД2995, КД2997, КД2999, КД213. Вместо диодов VD1-VD4 выпрямительного моста подойдут КД226Г или в крайнем случае - серии КД243 на обратное напряжение не менее 400 В.

Через стабилитрон Д814А (VD5) течет значительный ток, что следует учитывать при его замене - допустимый для него ток должен быть не менее 40 мА. Значительные токи текут и через конденсаторы С16-С18, поэтому желательно, чтобы они были серий К50-29, К50-24. Номинальное напряжение конденсаторов С1-С6 (КД-2, К78-2, К73-16 и т. д.) должно быть не менее 400 В, они должны допускать работу с переменной составляющей не менее 350 В на частоте 50 Гц. Конденсатор С9 - К78-2 на номинальное напряжение 1600 В. Остальные детали не критичны к замене.

Транзистор VT1 устанавливают на теплоотвод с площадью поверхности около 200 см² , диоды VD13 и VD14 - на теплоотводы площадью 45 и 35 см² соответственно, а стабилизатор DA2 - на теплоотвод площадью 70 см² .

Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Ш12x15 из феррита 2000НМ, с немагнитным зазором 0,5 мм. Обмотка I содержит 160 витков провода ПЭВ-2 0,47, сложенного вдвое. Обмотка II - 4 витка такого же провода, но сложенного втрое. Для улучшения магнитной связи обмотки III и IV выполнены медной лентой толщиной 0,2, шириной 27 мм и содержат по 3 витка. Медную ленту можно заменить проводом ПЭВ-1 0,8, сложенным втрое. Обмотка V содержит 8 витков провода ПЭВ-1 0,4, сложенного вчетверо.

Дроссели L1 и L2 намотаны на общем магнитопроводе типоразмера К20x10x5 из феррита 2000НМ и содержат по 35 витков провода ПЭВ-1 0,4 каждый. Магнитопроводами дросселей L5 и L6 служат отрезки стержня из феррита М400НН диаметром 8 и длиной 20 мм; каждый из них содержит по 15 витков. Дроссель L4, выполненный в броневом магнитопроводе Б30 из феррита 2000НМ (с немагнитным зазором 0,5 мм), содержит 35 витков провода ПЭВ-1 0,8.

Безошибочно смонтированный блок питания, как правило, начинает работать без предварительного налаживания. Но, в порядке страховки, первое подключение к сети желательно произвести через лампу накаливания мощностью 15...25 Вт, рассчитанную на напряжение 220 В. Как только преобразователь запустится, переменным резистором R18 надо установить на выходе канала +12 В соответствующее ему напряжение.

Если требования к питающему напряжению канала +5 В более жесткие (или необходим больший выходной ток), усилитель рассогласования следует подключить к выходу канала +5 В. Для этого верхние (по схеме) выводы резисторов R16 и R17 надо подключить к выходному проводнику канала +5 В, например, к плюсовому выводу конденсатора С17, а также уменьшить сопротивление резистора R16 до 300 Ом, а резистора R17 - до 1,5 кОм. Cтабилизатор DA1, дроссели L3 и L4, резистор R14, конденсатор С19 и диод VD16 при этом исключаются. Однако после такой переделки напряжение на выходе канала +12 В с увеличением тока канала +5 В будет также увеличиваться, поэтому напряжение этого канала придется дополнительно стабилизировать (например, используя микросхему КР142ЕН8Б).

Нежелательное повышение напряжения на выходе канала +5 В можно предотвратить, подключив параллельно конденсатору С17 второй светодиод оптрона U1 через стабилитрон КС156А и резистор сопротивлением 180...200 Ом. При этом выводы 6 и 7, а также выводы 5 и 8 оптрона должны быть объединены. Это не только защитит блок питания от превышения выходного напряжения, но и повысит надежность его работы, так как в этом случае цепь обратной связи окажется дублированной.

Описанное устройство применимо для питания многих других радиолюбительских конструкций, например, усилителей мощности ЗЧ. Надо лишь, учитывая особенности конкретного радиотехнического устройства, перестроить вторичную часть блока питания. А изменение в 1,5 раза выходного напряжения достигается регулированием уровня сигнала обратной связи обмотки II трансформатора Т1.

Конкретный пример. Для питания усилителя мощности на базе микросхемы К174УН19 необходим источник двуполярного напряжения +/-15 В. В таком случае вторичную часть описанного блока питания можно собрать по схеме, приведенной на рис. 3. Обмотки III и IV трансформатора Т1 содержат по 7 витков медной ленты толщиной 0,1 и шириной 27 мм или провода ПЭВ-1 0,8, сложенного втрое. Намотку обеих обмоток выполняют одновременно. Выводы 6 и 7, а также 5 и 8 оптрона U1 должны быть объединены.

Радио №11, 1998г.

Литература

1. Поликарпов А. Г., Сергиенко Е. Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1989.

2. Сергеев Б. С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания. - М: Радио и связь, 1992