Е. МОСКАТОВ, г. Таганрог Ростовской обл. Радио №1-2010
В статье вниманию читателей предлагается описание импульсного источника питания, обладающего способностью к почти двукратной кратковременной перегрузке по току без срабатывания защиты. Номинальная мощность источника двуполярного напряжения 2х 50 В равна 200 Вт, что вполне достаточно для питания стереоусилителей мощностью до 70...80 Вт в каждом из каналов.
Д ля энергообеспечения усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) широкое распространение получили импульсные источники питания (ИИП). Такие ИИП должны иметь высокий КПД, обеспечивать постоянство выходных напряжений во всем интервале токов нагрузки, содержать эффективную защиту от замыканий и перегрузок на выходе, иметь малые пульсации выходного напряжения и обладать малыми массой и габаритами. Кроме того, такие ИИП обычно должны работать на частоте преобразования не только выше диапазона звуковых частот, чтобы пользователь не слышал посторонние звуки, но и выше полосы частот УМЗЧ для предотвращения интермодуляции в усилителе на ультразвуковой частоте. При включении некоторые виды нагрузки способны кратковременно потреблять больший ток, превышающий номинальную потребляемую мощность вдвое, поэтому ИИП должен выдерживать это без срабатывания системы защиты от перегрузки по току.
Принципиальная схема ИИП показана на рис. 1, а фото изготовленного устройства представлено на рис. 2.
Основные технические характеристики
Напряжение питающей сети переменного тока, В ....................................220 (+15...-20 %)
Число фаз питающей сети переменного тока.....................................................................1
Частота питающего напряжения, Гц .......................................................................40...400
Частота преобразования, кГц..........................................................................................70
Постоянное стабилизированное выходное напряжение, В...........................................2x50
Номинальная мощность нагрузки источника питания, Вт .................................................200
Максимальная кратковременная мощность нагрузки, Вт .................................................400
Максимальный ток одного выхода, А, не более .................................................................4
Минимальный ток одного выхода, А, не менее ................................................................0,3
Амплитуда пульсаций выходного напряжения, мВ, не более.............................................10
Максимальный КПД при номинальной мощности нагрузки, %.............................................88
Диапазон температуры воздуха при работе источника питания, °С.........................+10...+40
Максимальная влажность воздуха, %...............................................................................85
Синтез схем, расчет компонентов и рисунок печатной платы этого источника питания приведены в [1].
Нагрузка каждого выхода ИИП должна потреблять ток не менее 0,3 А для обеспечения нормального функционирования дросселя групповой стабилизации L1. Многие современные усилители мощности звуковой частоты потребляют в режиме отсутствия входного сигнала примерно такой ток. Отсутствие нагрузки на одном из выходов ИИП является нештатным режимом. От этого компоненты ИИП не выйдут из строя, однако при подключении нагрузки к одному из выходов напряжение на ней существенно снизится, а напряжение на другом выходе на столько же возрастет. Отчасти причиной этого будет нарушение процесса перераспределения напряжений дросселем групповой стабилизации L1.

Назначение компонентов и их замены
Вспомогательный стабилизированный линейный источник питания с параметрическим стабилизатором образуют компоненты С1, С2, С5, R1, Т1, VD1—VD5, VT1. Постоянное выходное напряжение этого вспомогательного источника должно быть в пределах 14...16 В.
Резистор R1 задает ток через стабилитрон VD1 параметрического стабилизатора.
Трансформатор Т1 обеспечивает гальваническую развязку между питающей сетью и задающим генератором. Этот трансформатор рассчитан на подключение к сети переменного напряжения 220 В (50 Гц), имеет мощность не менее 7 Вт и переменное напряжение на вторичной обмотке примерно 26 В.
Терморезистор RK1 ограничивает импульс тока зарядки конденсаторов С22, С23, С25, С26, С29, СЗО во время включения ИИП. Он должен обладать отрицательным ТКС, сопротивлением 15 Ом при комнатной температуре и выдерживать протекание постоянного тока до 3,15 А.
Варистор RU1 необходим для защиты компонентов ИИП от импульса напряжения, который, как помеха, может прийти из питающей сети.
Выпрямитель сетевого напряжения, выполненный на диодном мосте VD10, нагружен фильтром на компонентах С22, С23, С25, С26, С29, СЗО. Резисторы R10 и R11 разряжают конденсаторы фильтра после того, как ИИП будет отключен от питающей сети.
На компонентах СЗ, С4, С12, С13, С16, С17, С19, С27, С28, С32—С34, С37—С40, L1, L3, L4, R17, R18 и VD6— VD9 выполнен выходной выпрямитель со сглаживающим пульсации трехкаскадным фильтром с двух обмоточными дросселями L1, L3 и L4.
Пленочные конденсаторы С16, С17, С32, СЗЗ, С39 и С40 шунтируют по высокой частоте оксидные конденсаторы, что позволяет увеличить коэффициент сглаживания пульсаций выходного фильтра ИИП. Керамические конденсаторы СЗ и С4 могут немного улучшить форму нагрузочной характеристики ИИП, но ухудшат стабилизацию выходных напряжений. Емкость этих конденсаторов не должна превышать 0,047 мкФ, иначе возможно самовозбуждение преобразователя. По возможности конденсаторы СЗ и С4 лучше вовсе не использовать.
Резисторы R17 и R18 исполняют функцию не отключаемой нагрузки ИИП, кроме того, они разряжают конденсаторы трехкаскадного выходного фильтра.
Компоненты С6, С7, С11, С18, С35, L2 образуют фильтр, препятствующий проникновению в питающую сеть высокочастотных пульсаций, вырабатываемых импульсным преобразователем. Включенные между фазным и нулевым проводами конденсаторы С11 и С18 служат для снижения дифференциальных помех. Для подавления синфазных помех необходимы конденсаторы С6, С7 и С35.
Задающий генератор выполнен на высокочастотном ШИ контроллере DA1 с цепями обвязки. Выходной каскад контроллера специально спроектирован так, что микросхема DA1 работоспособна при нагрузке с емкостной реакцией. Питание транзисторов выходного каскада контроллера, соединенных по полумостовой схеме, поступает со сглаживающего RC-фильтра, выполненного на компонентах С20 и R9. Вывод 4 контроллера
DA1, предназначенный для синхронизации нескольких микросхем, не использован. Так как внутреннее сопротивление этого входа микросхемы мало, вывод 4 соединять с общим проводом не следует.
Резистор R3 и конденсатор С9 задают частоту преобразования. От емкости конденсатора С9 зависит длительность пауз (dead time) в последовательности импульсов. Чем выше емкость, тем больше длительность паузы между импульсами.
Резисторы R2, R4 и R5 составляют делитель выходного напряжения одного канала ИИП. От положения движка подстроечного резистора R4 зависит напряжение на инвертирующем входе усилителя сигнала ошибки (вывод 1 микросхемы DA1), встроенного в контроллер DA1, и в итоге — ширина импульсов, вырабатываемых задающим генератором. АЧХ усилителя сигнала ошибки сформирована цепью ООС из элементов С15, R6 и R8. Емкость конденсатора С15 не должна существенно превышать 1000 пф, так как иначе значительно возрастут пульсации напряжения на нагрузке ИИП. Конденсатор С8 подавляет пульсации образцового напряжения +5,1 В (вывод 16 контроллера DA1), поступающего на не инвертирующий вход усилителя ошибки (вывод 2 микросхемы DA1). Конденсатор С10, подключенный к выводу 8 микросхемы DA1, обеспечивает мягкий запуск устройства. Керамические конденсаторы С21 и С24 с низкой внутренней индуктивностью снижают уровень высокочастотных пульсаций напряжения питания задающего генератора. С выводов 11 и 14 контроллера DA1 импульсы через конденсатор С31 поступают на первичную обмотку согласующего трансформатора Т2, который гальванически развязывает задающий генератор и компоненты преобразователя.
Диоды Шотки VD11—VD14 защищают транзисторы выходного каскада контроллера DA1 от пробоя обратным напряжением ЭДС самоиндукции первичной обмотки импульсного трансформатора Т2.
Резистор R21 преобразует импульсы тока, возникающие во вторичной обмотке трансформатора тока ТЗ, в импульсы напряжения. Конденсатор С41 сглаживает импульсы напряжения для предотвращения срабатывания по их амплитуде системы защиты ИИП от перегрузки.
На диодах VD17 и VD18 собран выпрямитель, на который во время перегрузки поступают импульсные сигналы. Конденсатор С36 сглаживает выпрямленное напряжение, которое поступает на подстроечный резистор R12. Этот резистор необходим для точной установки порога срабатывания системы, обеспечивающего защиту от перегрузки по току. С движка подстроечного резистора R12 напряжение сигнала срабатывания защиты поступает на RC-фильтр, выполненный на элементах R7 и С14. Фильтрованное напряжение подводят к выводу 9 микросхемы DA1, через который происходит управление задающим генератором. Демпфирующая цепь из компонентов С42 и R19 подавляет колебательные процессы на вторичной обмотке трансформатора Т4.
Резисторы R13, R14 замедляют процессы переключения транзисторов VT2, VT3, что необходимо для предупреждения потери их управляемости. Резисторы R15, R16 разряжают емкости затвор—исток ключевых транзисторов для того, чтобы после прекращения поступления напряжения от задающего генератора транзисторы вошли в состояние отсечки.

Стабилитроны VD15 и VD16 служат для предотвращения пробоя переключательных транзисторов от недопустимого повышения напряжения затвор—исток во время заряда емкостей затвор—сток.
Защитные диоды VD19 и VD20 ограничивают амплитуду импульсов напряжения ЭДС самоиндукции первичной обмотки трансформатора Т4 до уровня, при котором переключательные транзисторы не выйдут из строя.
Индикация включенного состояния ИИП выполнена на светодиоде HL1 с задающим ток резистором R20. Предпочтительно, чтобы цвет свечения светодиода был синий или зеленый.
Конструкция и детали
Габариты платы с установленными деталями — не более 205x175x35 мм. Она изготовлена из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертеж печатных проводников и расположение элементов на плате показаны на рис. 3 и рис. 4 (в уменьшенном масштабе) соответственно.
Под компонентами задающего генератора нужно оставить фольгу не вытравленной, она выполнит функцию экрана, электрически подключенного к выводу 10 микросхемы DA1. Все проводники с целью снижения электромагнитного излучения следует выполнять минимально возможной длины.
Разъемы Х1 (вилка) и Х2 (гнезда) для подключения входных и выходных цепей можно заменить другими — с прижимами для проводов или с фиксацией винтами, впрочем, можно и отказаться от них вообще.
С целью снижения высоты устройства следует выбрать сетевой трансформатор Т1 малых габаритов.
Микросхему контроллера DA1 можно установить на плату в цанговой панели TRS-16 с целью облегчения замены экземпляра. Конденсаторы С20 и С24 следует монтировать вблизи от выводов 10 и 15 микросхемы DA1. Микросхему К1156ЕУ2Р (корпус 2103.16-1)
можно заменить другими — UC1825, UC2825, UC3825 или К1156ЕУ2 (корпус 4121.16-3).
Транзисторы IRFP460 (VT2 и VT3) заменяемы приборами STW20NK50Z, IRFP460A, IRFP460LC, IRFPC60, STW15NK50Z, SPW20N60C2 или SPW20N60S5. Каждый из этих транзисторов необходимо закрепить на отдельном теплоотводе с площадью поверхности не менее 70 см2. При монтаже полупроводниковых приборов на теплоотводы желательно применять кремнийорганическую пасту КПТ-8 ГОСТ19783—74.
Ребра или штыри всех теплоотводов необходимо ориентировать вдоль перемещения потоков воздуха. Если рабочее положение платы горизонтальное, то ребра следует ориентировать перпендикулярно печатной плате. Под теплоотводами в плате выполнены отверстия для улучшения циркуляции воздуха.
Диоды КД212А (VD2—VD5) можно заменить любыми аналогичными с максимальным обратным напряжением не менее 100В и максимальным током в прямом включении не менее 1 А.
Напряжение стабилизации стабилитрона BZX79-C15 (VD1) — 15 В, его может заменить один из приборов КС215Ж, КС509А, КС515А, ZY15, 1N5352B.
Транзистор КТ817Г (VT1) необходимо закрепить на теплоотводе с суммарной площадью охлаждающей поверхности не менее 20 см2. Вместо него можно применить КТ819ГМ, 2Т808А, КТ808АМ, КТ808БМ или КТ864А.
В позиции RK1 можно использовать терморезисторы 15SU50M, MZ72-12RM, MZ72-18RM, MZ72-20RM, MZ73-12RM, MZ73-14RM, MZ73-18RM или аналогичные сопротивлением 15 Ом. В блоке — варисторы V471U, JVR-14N361K, JVR-14N391K, JVR-20N361K или JVR-10N391K.
Оксидные конденсаторы С1, С2, С12, С13, С19, С22, С23, С25—С28, С34, С37 и С38 — малогабаритные импортные, с обкладками из алюминия. Пленочные конденсаторы С16, С17, С29, СЗО, С32, СЗЗ, С39 и С40 — группы MER. Шунтирующие конденсаторы, по возможности, должны обладать низкими показателями внутреннего сопротивления и паразитной индуктивности.
Конденсаторы С8—СЮ, С14, С15 и С31 — малогабаритные керамические К10-17, а С20, С21, С24 — К10-47. Желательно, чтобы конденсатор С9 был из термостабильной группы ТКЕ (М750, М1500).
Постоянные резисторы R1, R2, R5— R11, R13—R18, R20, R21 можно применить любые из МЛТ, С2-22, С2-23 или Р1-4. Резистор R19 мощностью 5 Вт должен быть безындукционным. Подстроечные резисторы R3, R4, R12 — СПЗ-19а отечественного производства, а из импортных можно рекомендовать их аналоги фирмы Bourns.
Силовой импульсный трансформатор Т4 выполнен на магнитопроводе из двух сложенных вместе колец из феррита 2000НМ1-Аили 2000НМ1-17 типоразмера К38х24х7. Расчет данного трансформатора был выполнен с помощью программы Design tools pulse transformers [2]. Программа имеет инсталлятор объемом 834 кБ и работоспособна в операционных системах Windows 98 SE, Me, 2000, ХР, 2003, Vista или благодаря Wine может быть запущена в Linux openSUSE, Mandriva и других популярных дистрибутивах. Справку по программе в формате pdf, объемом 246 кбайт, можно получить из [3]. С учетом флюктуации параметров магнитопровода в связи с изменением температуры, а также старением материала его магнитная проницаемость принята равной 1800, а эффективная индукция — 0,1 Тл. Первичная обмотка I состоит из 70 витков литцендрата ЛЭШО 84x0,1, а вторичная обмотка II, имеющая отвод от середины, содержит 37+37 витков точно такого же литцендрата.
Импульсный трансформатор Т2 выполнен на магнитопроводе Т1605 из материала CF196, CF101, CF138 или CF195 производства COSMO FERRITES. Все три обмотки трансформатора содержат по 40 витков провода диаметром 0,4 мм. Между обмотками следует
проложить несколько слоев качественной изоляции.
Датчик, в качестве которого применен трансформатор тока ТЗ, выполнен на магнитопроводе, аналогичном для Т2. Первичная обмотка, через которую протекает контролируемый ток, состоит из одного витка провода МГТФ сечением 0,18 мм2. Вторичная (с отводом от середины) состоит из 106+106 витков провода диаметром 0,27 мм.
Двухобмоточный симметрирующий дроссель L2 сетевого фильтра выполнен на магнитопроводе Т1605 из феррита CF101, CF138, CF195 или CF196. Обе обмотки намотаны в два провода диаметром 0,8 мм, они содержат по 12 витков. Провод выбирают исходя из обеспечения высокого напряжения пробоя изоляции — ЛЭПШД, ПЭЛШО, ПЭТ-200-1 или многожильный провод МГТФ эквивалентного сечения.
Двухобмоточные дроссели L1, L3 и L4 выполнены на магнитопроводах, составленных из двух сложенных вместе колец из МО-пермаллоя МП-140 типоразмера КП24х13х7. Обмотки наматывают одновременно в два провода на магнитопровод, который предварительно покрывают слоем изоляции из тефлона, майлара или лавсана. Провод обмоток должен быть диаметром 1,2 мм, а марка провода — ПЭТ-200-1, ЛЭПКО, ПЭТВМ, ПЭТВ-2 или ПЭТВ-1. Провода этих же марок, если не сказано иное, использованы для изготовления остальных моточных изделий данного ИИП.
Импульсные диоды КД522А заменяемы другими — 1N4148, 1N4933, 1 N4934 или ВА604.
Диоды 2Д2999А (VD6—VD9) можно заменить другими с малым временем переключения — 2Д2990Б, КД2991А или 2Д2997А. Эти диоды следует закрепить на общем теплоотводе площадью 100 см2 через слюдяные изоляционные прокладки или, что предпочтительно, на отдельных теплоотводах с площадью каждого по 25 см2 без прокладок.
Защитные диоды 1.5КЕ250СА (VD19 и VD20) можно заменить приборами 1.5КЕЗООСА или 1.5КЕ350СА.
Вместо диодов 1N5819 (VD11— VD14) допустимо применять 1N5822 или МВР160.
Светодиод КИПМ15Р20-С1-П5 (HL1) можно заменить одним из приборов TLCB5100, VLCW5100, TLWW8600, TLWB7900, VLWW9900.
Налаживание
При налаживании важно выполнять правила техники безопасности, так как на компонентах ИИП присутствуют опасные для жизни напряжения. Любые регулировки должны быть проведены после отключения ИИП и разрядки конденсаторов.
Вначале все движки подстроечных резисторов следует установить в среднее положение. Первым делом нужно удостовериться, что при номинальном напряжении питающей сети 220 В потребляемый ИИП ток не будет существенно превышать 70 мА. Для этого во
входную цепь ИИП надо включить миллиамперметр и измерить потребляемый ток. На результат измерений влияет реактивный ток, потребляемый конденсаторами С11 и С18. Чтобы не получить завышенное значение потребляемого ИИП тока, эти два конденсатора нужно временно отсоединить от устройства.
Если измеренный ток намного больше 70 мА, следует немедленно выключить ИИП и искать ошибку в монтаже или неисправные компоненты преобразователя. Повышенный ток может быть вызван недостаточной длительностью паузы на нуле в импульсной последовательности, вырабатываемой задающим генератором. При этом оба переключательных транзистора VT2 и VT3 одновременно кратковременно открыты и через них протекает сквозной ток, который может привести к их перегреву и разрушению. Другим фактором повышения потребляемого ИИП тока может оказаться недостаточно высокая индукция насыщения магнитопровода импульсного трансформатора Т4. В этом случае необходимо либо заменить магнитопровод, либо пересчитать обмотки.
Следующим шагом необходимо с помощью резистора R3 установить частоту преобразования в 70 кГц. Контрольное измерение периода или частоты проще всего осуществить осциллографом или частотомером.
Затем, подключив к каждому выходу ИИП по эквиваленту нагрузки сопротивлением 25 Ом из остеклованных резисторов мощностью не менее 100 Вт или нихромовых спиралей нагревательных элементов, регулировкой подстроечным резистором R4 добиваются получения напряжения на каждом из выходов ИИП по 50 В.
Далее отсоединяют прежние эквиваленты нагрузки и подключают на их место новые с сопротивлением каждого по 12 Ом и подстройкой резистором R12 устанавливают порог срабатывания системы защиты от перегрузки по току.
На этом налаживание ИИП можно считать оконченным.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пояснительная записка к дипломному проекту. —
2. Программа "Design tools pulse transformers 4.0.0.0". — .
3. Справка по программе "Design tools pulse transformers 4.0.0.0". - - От редакции Чертежи печатной платы ИИП размещены на FTP-сервере редакции по адресу .
Редактор — А Соколов, графика и фото — автора