Предлагаю вам для начала представить такой случай из радиолюбительской практики. Вы захотели собрать усилитель своими руками. Для упрощения отбросим их деление на типы и классы. Будем руководствоваться одним, для многих, основным параметром усилителя звуковой частоты – его выходная мощность. Вы решили не размениваться по мелочам и собрать для себя усилок на 500 ватт. Всё. Цель установлена. Перед вами стоит задача найти подходящую схему. Что дальше? Правильно. Шарим на популярных радиолюбительских сайтах, не забывая, конечно, про mikrocxema.ru, в поисках заветной схемы усилителя звуковой частоты.

Допустим, из кучи предложений нашли две наиболее удовлетворяющих потребности. К примеру, схема номер раз – транзисторный биполярныйусилитель мощности и схема номер два – транзисторный полевойусилитель мощности. Теперь из них нужно выбрать одну, на базе которой вы будете паять желанный, радующий ухо мощным звуком девайс. Руководствуясь субъективными оценочными критериями, выбираете, допустим, первый вариант. Ага. Спаять схему – полбеды, и здесь особых трудностей возникнуть не должно. Но вот перед вами вырисовывается огромная, типичная в подобной ситуации проблема. Думаете какая? Правильно. А чем же я его буду питать? Точнее – от чего! Это, пожалуй, одна из главенствующих проблем при конструировании мощных электронных устройств.

Если применять трансформаторный источник питания, то для нашей схемы габаритная мощность трансформатора должна быть не менее 625…650 ватт. Кроме того, что подобные трансы не валяются на дороге, так они ещё и жутко дорогие. А если вы захотели использовать собранный усилитель мощности в автомобиле. Как тогда его питать? В этом случае приходят на помощь импульсные источники питания и импульсные преобразователи напряжения. Собрать и довести до ума импульсный блок питания, преобразователь, конечно, сложнее традиционного, но другого выхода нет. Приходится паять. Ведь мы так близко к заветному первому запуску усилителя.

От теории к практике конструирования

Сегодня расскажем и приведем схему преобразователя напряжения с мощностью нагрузки до 1000 ватт. Конвертер отлично подойдет для питания как автомобильного усилителя, так и любого другого электрического устройства от бортовой сети. Напряжение на выходе преобразователя равно 75…105 вольтам. Но изменить его никогда не поздно. На вход преобразователя подается стандартное автомобильное напряжение 12 вольт. Схема преобразователя:

Добавлено: из радиолюбительской беседы в комментариях стало ясно, что схема преобразователя не полностью надежна и работоспособна. Мы немного изменили силовой каскад и в итоге получилась вот такая схема:

Добавлено: подробнее о питании сетевым напряжением смотрите комментарий 11. Также стоит обратить внимание на 21. В 31 фото собранного блока питания. Описание изменений читайте в 35, 37, 41.

Собирается преобразователь на широко распространенной микросхеме ШИМ TL494 и мощных MOSFET на выходе, способными обеспечить необходимую силу тока.

Для этой цели сгодятся по три параллельно соединенных полевых транзистора IRFZ44N на плечо. Итого, шесть штук, т.к. преобразователь, конечно, двухтактный. Кстати, такие транзисторы стоят вавтомобильном сабвуфере Prology ATB-1000 и Prology ATB-1200.

Можно поставить в схему MOSFET IRF3710, помощнее и понадежнее. На выход преобразователя традиционно ставят импульсный трансформатор. А после него уже мощные выпрямительные диоды или диодный мост и фильтрующие конденсаторы, т.е. все обязательные для блоков питания радиокомпоненты.

Рассчитываем импульсный трансформатор

Теперь о том, как рассчитать импульсный трансформатор для нашей схемы преобразователя. Входное напряжение потенциалом 13,8 вольт должно преобразовываться примерно в 70 вольт (чтобы после диодов и фильтрующих конденсаторов получилось около 90 В). Частота преобразователя 50 кГц. Её задает генератор с ШИМ TL494 (левая часть схемы преобразователя). Допустим, у нас в наличии имеется ферритовое кольцо М2500НМС К65х40х9. Из него мы будем получать импульсный трансформатор для нашего преобразователя. Буковка «С» в маркировке феррита обозначает, что он предназначен для работы в сильных магнитных полях. Габаритная мощность такого кольца примерно 1100 ватт, т.е. то, что нам нужно. А рассчитывается она по формуле:

P_габ = 3,14 * (D - d) * h * d * d * f * 0,25 / 12000 => P_габ = 3,14*(65-40)*9*40*40*50*0,25/12000?1100 Вт.

Как можно заметить, габаритная мощность зависит не только от размеров ферритового сердечника, но и от частоты тока преобразователя. Причем зависимость существенная. Таким образом, при проектировании преобразователя напряжения мы не скованы частотной характеристикой, как это было бы в случае с традиционным сетевым блоком питания, рассчитанном на промышленную частоту 50…60 Гц. Это не может не радовать, так как при расчетах, обнаружив несоответствие габаритной мощности трансформатора мощности нагрузки, мы можем просто увеличить частоту задающего генератора. Частота, если брать в широких пределах, может составлять 5…500 кГц, обычно, конечно, этот разброс значительно уже – 10…100 кГц. При этих значениях коэффициент полезного действия импульсного трансформатора равен 95…99%! Но здесь ещё необходимо, конечно, учитывать характеристики материала сердечника. Для предварительного расчета можно взять среднюю частоту преобразования 50 кГц. Увеличив частоту до 100 кГц, мы получим габаритную мощность импульсного трансформатора для нашего преобразователя в два раза больше, т.е. под 2 кВт.

Сила тока во вторичной обмотке I₂ = 1000 / (70+70) ? 7 ампер.

Теперь определим плотность тока в обмотках: J = 1,5 + 24 / (P_габ)^1/2 => J=1,5+24/(1100)^1/2 = 2,2 А/мм².

Теперь необходимо определить разность потенциалов, подводимую к импульснику для рассматриваемой схемы преобразователя напряжения. Поскольку первичная обмотка поделена на две с отводом от средней точки, U₁ = 2*13,8 – U_нас, где U_нас – падение напряжения на переходе сток-исток транзистора. Для IRFZ44N примем U_нас = 0,8 В. Для MOSFET IRF3710 это значение поменьше. U₁ = 2*13,8 – 0,8 ? 27 вольт.

Отлично. Находим количество витков и диаметр провода первичной обмотки. W₁ = 500 * U₁ / (F * 0,25 * (D - d) * h) => W₁=500*27/(50*0,25*(65-40)*9) ? 5 витков. Т.е. по три витка на плечо с отводом от середины. Итого, W₁=6. Для вычисления диаметра обмоточного провода определим силу тока в первичной обмотке. I₁ = 1000 ватт / (27 вольт/2*КПД) => I₁ = 1000 ватт / (27 вольт/2*0,9) ? 83 А. Отсюда диаметр провода равен d1 = 0,6*(83 А)^1/2 = 5,46 мм. Если считать через плотность тока, то получаем d₁ = (83 (А) / 2,2 (А/мм²) / 3,1415)^1/2 * 2 = 6,9 мм. Найдем среднее значение d₁= (5,46+6,9)/2 ? 6 мм. Можно и нужно взять провод меньшего диаметра и намотать первичку в несколько жил. Например, 1,5 мм x 16 жил.

Число витков вторичной обмотки W₂ = W₁*U2 / U1 => W₂=6*(70+70) / 27 = 31 виток или примерно по 15…16 витков с отводом от середины медным проводом диаметром d₂ = 0,6*(7 А)^1/2 ? 1,6 мм. Для верности можно пустить три жилы диаметром 1 мм. Или 0,63 мм x 6 жил.

После всех свистоплясок получается импульсный трансформатор для преобразователя примерно следующего вида:

Вот мы и произвели беглый расчет импульсного трансформатора для схемы преобразователя мощностью 1000 ВА. Причем сделали это вручную, без использования компьютерных программ. Методик расчета трансформаторовпредостаточно. Для получения более точных показателей, конечно, желательно воспользоваться вычислительной программой для расчета трансформатора. И лучше не одной. Т.к. полученные значения в них порой очень сильно разняться. А при расчете в нескольких прогах можно аналитически-статистическим методом отсеять более точные данные. Одну из программ можно скачать в статье автомобильный преобразователь напряжения. Там же можно почитать дополнительно о подобных конструкциях и схемах преобразователей. И ещё несколько скачайте по ссылке ниже.

Скачать программы для расчета трансформатора

Автором ExcellentIT v.3.5.0.0 и Lite-CalcIT v.1.7.0.0 является Владимир Денисенко из г. Пскова, автором Transformer v.3.0.0.3 и Transformer v.4.0.0.0 – Евгений Москатов из г. Таганрога.

Советую применять все указанные программы для расчета импульсных источников питания комплексно.