Імпульсний БП для підсилювача потужності НЧ

Всім доброго часу. Дозвольте представити силовий інвертор для харчування потужного аудіо підсилювача. На жаль,, особливо добре повторюваних. Тому вирішено було зробити таке джерело живлення з нуля. Знадобилося чимало часу, щоб проектувати, побудувати і протестувати цей ДБЖ. І ось, провівши останні випробування (всі тести пройшли успішно) можна сказати що проект закінчений і його можна виставити на суд поважної радіоаматорського аудиторії сайту 2 Схеми.ру

Проект цього інвертора відмінно підходить для УМЗЧ на 2x TDA7294, власне для нього він і розроблявся. Перетворювач не складний і повинен бути успішно зібрано не надто просунутими електронники. Для запуску не потрібно навіть осцилограф, але звичайно це було б корисно. Основа схеми джерела живлення — м / с TL494.

Він має захист від короткого замикання і повинен забезпечити безперервну потужність 250 Вт. Перетворювач також має додаткове вихідна напруга +/- 9..12 В, яке буде використовуватися для харчування підсилювача, вентиляторів і т.д.

Імпульсний БП для підсилювача — схема

Перетворювач виконаний відповідно до цієї схеми. Розміри плати 150 × 100 мм.

Інвертор складається з декількох базових модулів, присутніх в більшості схожих БП, таких як блок живлення ATX. Запобіжник, термістор і мережевий фільтр, що складається з C21, R21 і L5, йдуть до джерела живлення змінного струму 220 В. Потім випрямний міст D26-D29, вхідні конденсатори інвертора C18 і C19 і силові транзистори Q8 і Q9 для перемикання напруги на трансформаторі. Силові транзистори управляються за допомогою додаткового трансформатора T2 одним з найпопулярніших ШІМ-контролерів — TL494 (KA7500). Трансформатор струму Т3 для вимірювання вихідної потужності послідовно з’єднаний з первинною обмоткою. Трансформатор T1 має дві розділені вторинні обмотки. Одна з них формує напруга 2 × 35 В, а інша 2 × 12 В. На кожній з обмоток є фаст діоди D14-D17 і D22-D25, які в цілому утворюють 2 випрямних мосту.

Після навантаження лінії +/- 34 В резистором 14 Ом, напруга падає до +/- 31 В. Це досить хороший результат для такого невеликого ферритового сердечника. Через 5 хвилин діоди D22-D25, основний трансформатор і MOSFET нагрівалися до температури порядку 50C, що цілком безпечно. Після підключення двох каналів TDA7294 напруга впала до +/- 30 В. Інверторні елементи нагрівалися подібно резистивной навантаженні. Після експериментів вихідна ланцюг оснащена конденсаторами 2200uF і дроселями 22uH / 14A. Падіння напруги трохи вище, ніж у випадку з 6.8uH, проте їх використання явно зменшує нагрів МОП-транзисторів.

Вихідна напруга під навантаженням обох виходів з лампочками потужністю 20 Вт:

Принцип роботи імпульсного блоку живлення

Напруга 220 В випрямляється мостом з діодами D26-D29. Вхідні конденсатори C18 і C19 заряджаються до загального напруги 320 В, а оскільки інвертор працює в полумостовой системі, вони ділять їх на половину, що дає 160 В на конденсатор. Ця напруга додатково врівноважується резисторами R16 і R17. Завдяки цьому поділу можна підключити трансформатор Т1 до одного каналу. Тоді потенціал між конденсаторами обробляється як маса, один кінець первинної обмотки підключений до +160 В, інший до -160 В. Напруга перемикання первинної обмотки трансформатора Т1 здійснюється за допомогою змінного транзистора N-MOSFET Q8 і Q9.

Конденсатор C10 і первинна обмотка трансформатора струму T3 розташовані послідовно з первинної обмоткою. Конденсатор зв’язку не потрібен для функціонування схеми, але він грає дуже важливу роль — захищає від незбалансованого споживання енергії від вхідних конденсаторів і, отже, перед зарядкою одного з них до більш ніж 200 В. Трансформатор струму Т3, також розташований послідовно з первинною обмоткою, діє як захист від короткого замикання. Трансформатор струму забезпечує гальванічну розв’язку і дозволяє вимірювати величину струму, зменшену до точності її передачі. Його завдання — інформувати контролер про величину струму, що протікає через первинну обмотку T1.

Паралельно з первинної обмоткою основного трансформатора є так звана схема гасіння імпульсів, яку утворюють C13 і R18. Вона пригнічує сплески напруги, порушувані при перемиканні силових транзисторів. Вони не є небезпечними для МОП-транзисторів, оскільки їх вбудовані діоди ефективно захищають від перенапруги на стоках. Однак сплески напруги можуть мати негативний вплив на ефективність інвертора, тому важливо їх усунути.

Силові МОП-транзистори не можуть управлятися безпосередньо від контролера через зміну потенціалу верхнього транзисторного джерела. Транзистори управляються за допомогою спеціального трансформатора Т2. Це звичайний імпульсний трансформатор, що працює в двотактному режимі, що відкриває силові транзистори. Керуючий трансформатор Т2 має на вході набір елементів управління напругою на обмотках, які крім генерування напруги, продиктованого контролером, захищають від виникнення розмагнічуючого напруги сердечника. Неконтрольоване напруга розмагнічування утримувало б транзистор відкритим. Елементами, безпосередньо відповідальними за усунення напруги розмагнічування, є діоди D7 і D9, а також транзистори Q3 і Q5. Під час простою, коли обидва МОП-транзистора закриті, струм протікає через D7 і Q5 (або D9 і Q3) і підтримує напруга розмагнічування близько 1,4 В. Ця напруга безпечно і не може відкрити силовий транзистор.

Осцилограма напруги на входах MOSFET:

На осциллограмме можна чітко бачити момент, коли сердечник перестає размагничиваться діодами D7 і D8 (D6 і D9) і починає намагнічуватися в протилежному напрямку транзисторами Q3 і Q4 (Q2 і Q5). У фазі розмагнічування сердечника напруга на затворі Т2 досягає 18 В, а на фазі намагнічування воно падає приблизно до 14 В.
Чому не використаний один з драйверів типу IR? Перш за все керуючий трансформатор більш надійний, більш передбачуваний. IR-драйвери дуже примхливі і схильні до помилок.

На вторинній обмотці основного трансформатора Т1 генерується змінна напруга, тому необхідно його випрямити. Роль випрямляча грають випрямні фаст діоди, що генерують симетричне напруга. Вихідні дроселі розташовані за діодами — їх присутність впливає на ефективність інвертора, пригнічуючи сплески заряджають вихідні конденсатори при включенні одного з силових транзисторів. Далі вихідні конденсатори з резисторами попереднього навантаження, які перешкоджають підйому напруги до занадто високих значень.

Контролер імпульсного ІП

Контролер є основою інвертора, тому опишемо його більш детально. У инверторе використаний контролер TL494 зі встановленою частотою роботи такий же, як і в блоках живлення ATX, тобто 30 кГц. Інвертор не має стабілізації вихідної напруги, тому контролер працює з максимальним коефіцієнтом заповнення імпульсів, який становить 85%. Контролер оснащений системою плавного пуску, що складається з елементів C5 і R7. Після запуску інвертора схема забезпечує плавне збільшення коефіцієнта заповнення починаючи з 0%, що усуває сплеск зарядки вихідних конденсаторів. TL494 може працювати від 7 В, і таку напругу, яка подає буфер керуючого трансформатора Т2, викликає генерацію напруги на затворах близько 3 В. Такі повному обсязі відкриті транзистори видадуть десятки вольт, що призведе до величезних втрат потужності і існує висока ймовірність перевищення небезпечної межі. Щоб запобігти цьому, зроблений захист від занадто високого падіння напруги. Вона складається з резисторного подільника R4 — R5 і транзистора Q1. Після того як напруга падає до 14,1 В, Q1 розряджає конденсатор плавного пуску, тим самим зменшуючи заповнення до 0%.

Інша функція контролера — захистити інвертор від короткого замикання. Інформація про струмі первинної обмотки виходить контролером через трансформатор струму Т3. Струм вторинної обмотки Т3 протікає через резистор R9, на якому падає невелика напруга. Інформація про напругу на R9 через потенціометр PR1 надходить на підсилювач помилки TL494 і порівнюється з напругою резисторного подільника R1 і R2. Якщо контролер розпізнає напругу вище 1,6 В на потенціометрі PR1, він закриває транзистори до того, як вони перетнуть небезпечний межа і фіксується через D1 і R3. Силові транзистори залишаються закритими до тих пір, поки інвертор НЕ буде перезапущений. На жаль, цей захист працює правильно тільки на лінії +/- 35 В. Лінія +/- 12 В набагато слабше і в разі короткого замикання може бути недостатньо струму, щоб захист спрацювала.

Джерело живлення контролера — без трансформаторних з використанням опору конденсатора. Два конденсатора C20 і C24 споживають реактивну енергію від мережі, і, отже, змушуючи ток текти, вони заряджають фільтруючий конденсатор C1 через випрямляч D10-D13. Стабілітрон DZ1 захищає від занадто високої напруги на C1 і стабілізує їх при 18 В.

Імпульсні трансформатори в БП

Якість і продуктивність імпульсного трансформатора впливають ефективність всього перетворювача і вихідна напруга. Однак трансформатор виконує функцію не тільки перетворення електрики, але також забезпечує гальванічну ізоляцію від мережі 220 В і, таким чином, має великий вплив на безпеку.

Ось як правильно зробити такий трансформатор. Перш за все повинен бути феритовий сердечник. Він не може мати повітряний зазор, його половинки повинні відмінно з’єднуватися один з одним. Теоретично тут можна використовувати тороидальний сердечник, але зробити хорошу ізоляцію і обмотку буде досить нелегко.

Рекомендуємо брати основний ETD34, ETD29 в крайньому випадку, але тоді максимальна безперервна потужність буде складати не більше 180 Вт. Вони коштують трохи, тому кращим рішенням буде отримати пошкоджений блок живлення ATX. На згорілих джерелах живлення від ПК на додаток до всіх необхідних трансформаторів міститься ще багато корисних елементів, в тому числі мережевий фільтр, конденсатори, діоди, а іноді і TL494 (KA7500).

Трансформатори повинні бути обережно Випаяв з плати блоку живлення ATX, переважно за допомогою термофена. Після розпаювання не намагайтеся розібрати трансформатор, тому що він зламається. Трансформатор слід класти в воду і кип’ятити. Після 5 хвилин потрібно обережно захопивши половинки сердечника через тканину, розділити. Якщо вони не хочуть розходитися, не тягніть сильно — зламаєте! Покласти назад і варіть ще 5 хвилин.

Процес намотування основного трансформатора повинен починатися з підрахунку кількості дроти, який буде намотаний. Через постійну робочої частоти і заданої максимальної індукції, кількість обмоток первинки залежить тільки від площі поперечного перерізу основного стовпа ферритового сердечника. Максимальна індукція обмежена 250 мТ через роботу в полумостового режимі — тут асиметрія намагніченості проста.

Формула для обчислення числа витків:

n = 53 / Qr,

  • де n — кількість обмоток первинної обмотки,
  • Qr — площа поперечного перерізу основного стрижня сердечника, наведеного в см2.

Таким чином, для сердечника з поперечним перерізом 0,5 см2 необхідно намотувати 106 витків, а для сердечника з поперечним перерізом 1,5 см2 буде потрібно тільки 35. Пам’ятайте, що не варто намотувати половину витка — завжди округлятимете до одного в плюс. Розрахунок кількості обмоток вторинки такий же, як і для будь-якого іншого трансформатора — відношення вихідної напруги до вхідного напруги в точності дорівнює відношенню кількості вторинних обмоток до числа обмоток первинки.

Наступний крок — розрахувати товщину проводів обмоток. Найважливіше, що слід враховувати при розрахунку товщини проводів, — це необхідність заповнити всі вікно ядра дротом — від цього залежить магнітне з’єднання обмоток трансформатора, і, отже, падіння вихідного напруги. Повний поперечний переріз всіх проводів, що проходять через вікно сердечника, має становити близько 40-50% поперечного перерізу основного вікна (основне вікно — місце, де провід проходить через сердечник). Якщо ви вперше мотати трансформатор, потрібно наблизитися до цих 40%. У розрахунках також повинні враховуватися струми, що протікають через поперечний переріз обмоток. Зазвичай щільність струму складає 5 А / мм 2, і це значення не варто перевищувати, використання більш низької щільності струму є бажаним. При моделюванні ток первинної сторони становить 220 Вт / 140 В = 1,6 А, тому перетин дроту повинно бути 0,32 мм 2, значить він буде тоншим 0,6 мм. На вторинній стороні струм 220 Вт / 54 В дорівнюватиме 4,1 А, що призводить до поперечного перерізу 0,82 мм і реальної товщині дроти 1 мм. В обох випадках враховувалося максимальне падіння напруги при завантаженні. Слід також пам’ятати, що через скін-ефекту імпульсних трансформаторів товщина дроту обмежена робочою частотою — в нашому випадку на 30 кГц максимальна товщина дроту становить 0,9 мм. Замість дроту товщиною 1 мм краще використовувати два більш тонких дроти. Після розрахунку кількості котушок і проводів перевірте, чи відповідає розрахункове заповнення мідного вікна 40-50%.

Первинна обмотка трансформатора повинна бути розміщена в двох частинах. Перша частина первинки (з 35 витків) мотається як перша, на порожній каркас. Необхідно зберегти напрямок обмотки до каркасу — друга частина обмотки повинна бути намотана в тому ж напрямку. Після намотування першої частини необхідно припаяти інший кінець до перехідного, скороченим штифту, який не входить в плату. Потім накладіть 4 шари ізоляційної стрічки на обмотку і намотайте всю вторинну обмотку — це означає метод намотування. Це покращує симетрію обмоток. Наступна вторинна обмотка для напруги +/- 12 В може бути намотана безпосередньо на обмотку +/- 35 В в місцях, де було збережено невелика кількість вільного місця, а потім повністю ізольована 4 шарами ізоляційної стрічки. Звичайно також необхідно ізолювати місця, де кінці обмоток наводяться до штифтів корпусу. В якості останньої обмотки намотайте другу частину первинної обмотки, обов’язково в тому ж напрямку, що і попередній. Після намотування можна ізолювати останню обмотку, але не обов’язково.

Коли обмотки готові, складіть половинки сердечника. Краще і перевірене рішення — це з’єднання ізоляційною стрічкою з крапелькою клею. Кілька разів обмотуємо сердечник ізоляційною стрічкою.

Керуючий трансформатор зроблений як і будь-який інший імпульсний трансформатор. Як сердечника можна використовувати невеликий EE / EI, отриманий від блоків живлення ATX. Також можете купити тороидальний сердечник TN-13 або TN-16. Кількість обмоток залежить, як зазвичай, від поперечного перерізу сердечника.

У разі тороїдальних формула така:

n = 8 / Qr,

  • де n — кількість обмоток первинної обмотки,
  • Qr — площа поперечного перерізу сердечника, наведена в см2.

Вторинні обмотки повинні бути намотані з такою ж кількістю витків, що і первинні, допускаються тільки незначні відхилення. Оскільки трансформатор буде керувати тільки однією парою МОП-транзисторів, товщина дроту не важлива, його мінімальна товщина складає менше 0,1 мм. В цьому випадку 0,3 мм. Перша половина первинної обмотки повинна бути намотана послідовно — ізоляційний шар — перша вторинна обмотка — ізоляційний шар — друга вторинна обмотка — ізоляційний шар — друга половина первинної обмотки. Напрямок обмотки обмоток дуже важливо, тут MOSFET-и необхідно включати по черзі, а не одночасно. Після намотування з’єднуємо сердечник так само, як і в попередньому трансформаторі.

Трансформатор струму схожий на вищевказані. Кількість котушок тут довільно, в принципі, досить кількості обмоток вторинної обмотки:

n = 4 / Qr,

  • де n — кількість обмоток вторинної обмотки,
  • Qr — площа поперечного перерізу окружності сердечника, наведена в см2.

Але оскільки струми тут дуже малі, краще завжди використовувати більшу кількість витків. З іншого боку, більш важливо підтримувати відповідне співвідношення кількості витків обох обмоток. Якщо вирішите змінити це співвідношення, доведеться відрегулювати значення резистора R9.

Ось формула для обчислення R9 залежно від кількості витків:

R9 = (0.9Ω * n2) / n1,

  • де n2 — кількість обмоток вторинної обмотки,
  • n1 — кількість обмоток первинної обмотки.

Зі зміною R9 також необхідно змінити C7 відповідно. Трансформатор струму легше намотувати на тороидальний сердечник, рекомендуємо TN-13 або TN-16. Тим не менш, ви можете зробити трансформатор на Ш-сердечника. Якщо намотаєте трансформатор на тороидальний сердечник, спочатку намотайте вторинну обмотку великою кількістю витків. Потім ізоляційну стрічку і, нарешті, первинну обмотку дротом товщиною 0.8 мм.

Опис елементів схеми

Майже всі елементи можна знайти в блоці живлення ATX. Діоди D26-D29 з напругою пробою 400 В, але краще взяти трохи вище, щонайменше 600 В. Готовий випрямляч можна знайти в блоці живлення ATX. Діодні мости для харчування контролера також доцільно застосовувати не менше 600 В. Але вони можуть бути дешевими і популярними 1N4007 або схожими.

Стабілітрон, що обмежує напруга живлення контролера, повинен витримувати потужність 0,7 Вт, тому його номінальна потужність повинна становити 1 Вт або більше.

Конденсатори C18 і C19 можуть використовуватися з іншою ємністю, але не менше 220 мкФ. Ємність понад 470 мкФ також не повинна використовуватися через надмірно збільшеного струму при включенні інвертора в мережу і великих розмірів — вони можуть просто не влізти на плату. Конденсатори C18 і C19 також знаходяться в кожному блоці живлення ATX.

Силові транзистори Q8 і Q9 — дуже популярні IRF840, доступні в більшості електронних магазинів по 30 гривень. В принципі, ви можете використовувати інші МОП-транзистори на 500 В, але це спричинить зміну резисторів R12 і R13. Встановлені на 75 Ом забезпечують час відкриття / закриття затвора близько 1 мкс. В якості альтернативи, їх можна замінити або на 68 — 82 Ома.

Буфери перед входами MOSFET і керуючим трансформатором I, на транзисторах BD135 / 136. Тут можуть використовуватися будь-які інші транзистори з напругою пробою вище 40 В, такі як BC639 / BC640 або 2SC945 / 2SA1015. Останній може бути виламаний з блоків живлення ATX, моніторів і т. Д. Дуже важливим елементом інвертора є конденсатор C10. Це повинен бути поліпропіленовий конденсатор, адаптований до великих імпульсним струмів. Такий конденсатор знаходиться в блоках живлення ATX. На жаль, іноді він є причиною відмови джерела живлення, тому потрібно ретельно його перевірити перш ніж паяти в схему.

Діоди D22-D25, які випрямляють напругу +/- 35 В, використані UF5408, підключені паралельно, але найкращим рішенням було б використовувати поодинокі діоди BY500 / 600, які мають більш низьку напругу падіння і більш високий номінальний струм. Якщо можливо, ці діоди повинні бути спаяні на довгих проводах — це поліпшить їх охолодження.

Дроселі L3 і L4 намотані на тороїдальні порошкові сердечники з джерел живлення ATX — вони характеризуються переважним жовтим кольором і білим забарвленням. Чи достатні сердечники діаметром 23 мм, 15-20 витків на кожному з них. Однак випробування показали, що вони не потрібні — інвертор працює і без них, досягає своєї потужності, але транзистори, діоди і конденсатор C10 стають більш гарячі через імпульсних струмів. Дроселі L3 і L4 підвищують ефективність інвертора і знижують частоту відмов.

Випрямлячі D14-D17 +/- 12 В дуже впливають на ефективність цієї лінії. Якщо ця лінія буде живити передпідсилювач, додаткові вентилятори, додатковий підсилювач для навушників і, наприклад, індикатор рівня, діоди повинні використовуватися принаймні на 1 A. Однак, якщо лінія +/- 12 В живитиме тільки передпідсилювач, який тягне до 80 мА , навіть можна використовувати тут 1N4148. Дроселі L1 і L2 практично не потрібні, але їх присутність покращує фільтрацію перешкод від електромережі. В крайньому випадку замість них можна використовувати резистори на 4,7 Ом.

Обмежувачі напруги R22 і R23 можуть складатися з серії силових резисторів, з’єднаних послідовно або паралельно, щоб отримати один резистор з більш високою потужністю і відповідне опір.

Запуск і настроювання інвертора

Після травлення плат почніть збірку елементів, починаючи від самих маленьких до найбільших. Необхідно припаяти всі компоненти, крім дроселя L5. Після завершення збирання і перевірки плати встановіть потенціометр PR1 в крайнє ліве положення і підключіть до мережевої напруги до гнізда INPUT 220 В. На конденсаторі C1 має бути присутнім напруга 18 В. Якщо напруга зупиняється приблизно на рівні 14 В, це означає проблему управління трансформатором або силовими транзисторами, тобто коротке замикання в ланцюзі управління. Власники осцилографа можуть перевірити напругу на транзисторних затворах. Якщо контролер працює належним чином, перевірте правильність переключення MOSFET.

Після включення живлення 12 В і джерела живлення контролера на лінії +/- 35 В повинно з’явитися +/- 2 В. Така справа означає, що транзистори контролюються належним чином, по черзі. Якщо лампочка на блоці живлення 12 В була включена і на виході не було напруги, це означало б, що обидва силових транзистора відкриваються одночасно. У цьому випадку керуючий трансформатор повинен бути від’єднаний, а дроти однієї з вторинних обмоток трансформатора повинні бути змінені. Далі припаяти трансформатор назад і повторити спробу з джерелом живлення 12 В і лампою.
Якщо тест пройде успішно і отримаємо на виході +/- 2 В, можна відключити джерело живлення лампи і припаяти індуктивність L5. З цього моменту інвертор повинен працювати від мережі 220 В через лампу на 60 Вт. Після підключення до мережі лампочка повинна короткочасно моргнути і негайно повністю відключитися. На виході має з’явитися +/- 35 і +/- 12 В (або іншу напругу в залежності від співвідношення оборотів трансформатора).

Завантажити їх невеликою потужністю (наприклад від електронної навантаження) для тестування і лампочка на вході почне трохи світитися. Після цього тесту потрібно переключити інвертор безпосередньо на мережу, а на лінію +/- 35 В підключити навантаження з опором близько 20 Ом для перевірки потужності. PR1 слід відрегулювати так, щоб інвертор не відключається після зарядки нагрівача. Коли інвертор почне нагріватися, ви можете перевірити падіння напруги на лінії +/- 35 В і розрахувати вихідну потужність. Для перевірки силовий потужності інвертора досить 5-10-хвилинного тесту. За цей час всі компоненти інвертора зможуть нагрітися до їх номінальної температури. Варто виміряти температуру радіатора MOSFET, вона не повинна перевищувати 60C при температурі навколишнього середовища 25C. Нарешті, необхідно навантажити інвертор підсилювачем і встановити потенціометр PR1 якомога більше вліво, але щоб інвертор не вимикається.

Рекомендації по монтажу і підвищення потужності

Інвертор може бути адаптований до будь-яких потреб з харчування різних УМЗЧ. При проектуванні пластини намагалися, щоб вона була якомога більш універсальною, для монтажу різних типів елементів. Розташування трансформатора і конденсаторів дозволяє монтувати досить великий радіатор МОП-транзисторів по всій довжині плати. Після належного вигину висновків діодних мостів, їх можна встановити в металевий корпус. Збільшення тепловідводу дозволяє збільшити потужність перетворювача теоретично до 400 Вт. Потім необхідно використовувати трансформатор на ETD39. Для цього зміни конденсатори C18 і C19 потрібні на 470 мкФ, C10 на 1.5-2.2 мкФ і використання 8 діодів BY500.

Ссылка на основную публикацию