Ir2161 блок питания с регулировкой
Пролог. В настоящей статье речь пойдет об импульсном источнике питания (ИИП) для усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) на базе популярной микросхемы - IR2156 от International Rectifier (в настоящее время приобретена Infineon Technologies).
По не совсем непонятным для меня причинам, несмотря на высокую популярность данной микросхемы в радиолюбительских кругах и даже профессионалов, серийно изготавливающих и выпускающих ИИП для УМЗЧ на ее базе, в открытом доступе мне так и не удалось найти ни одной полноценной статьи об IR2156, ни одного законченного, доведенного до ума устройства собранного на ее базе. Все что удалось найти лишь сомнительного качества наработки неизвестных умельцев и фотографии готовых заводских устройств. В принципе, ситуация такая же, что и была в свое время с микросхемой IR2161. Поэтому в очередной раз пришлось брать все в свои руки, чтобы заполнить и этот пробел в рядах импульсных источников питания.
Данная статья будет полезна как новичкам, так и уже имеющим опыт в построение ИИП, и даже тем, кто уже ранее имел опыт общения с IR2156. Из этой статьи каждый сможет почерпнуть для себя что-то полезное. Описываемый блок питания прост в повторении, поэтому его можно рекомендовать даже новичкам, возможно для кого-то он станет первым импульсным источником питания собранным самостоятельно.
Краткая справка о IR2156. Данная микросхема - контроллер полумостового преобразователя со встроенным высоковольтным драйвером и программируемым генератором (осциллятором). Позиционируется производителем как контроллер управления балластом люминесцентных ламп. Тем не менее, данный факт никаким образом не останавливает целые фирмы и отдельных самодельщиков, которые серийно производят и реализуют усилители с импульсными источниками питания, а также отдельные импульсные источники питания на базе той самой IR2156. Что не удивительно, ведь IR2156 благодаря своему набору возможностей, идеально подходит для создания на ее базе импульсного источника питания для УМЗЧ (и не только).
Список возможностей микросхемы:
• Микротоковый старт. Для запуска микросхемы необходимо всего около 200 мкА, а значит, нет необходимости в дополнительном источнике питания для ее работы (контроллер запускается через высокоомные резисторы, а далее блок питания питает себя сам через цепь самопитания);
• Встроенный высоковольтный драйвер. Микросхема (в отличие от например - TL494 и SG3525), имеет встроенный высоковольтный драйвер, поэтому нет необходимости использовать еще одну дополнительную микросхему-драйвер или развязывающий затворный трансформатор;
• Программируемый генератор. Контроллер, с помощью внешних элементов, позволяет установить необходимую рабочую частоту, частоту и время работы в режиме предварительного прогрева (в режиме софт-старта), а также величину мертвого времени;
• Preheat (предварительный прогрев). В ламповых балластах данная функция необходима для предварительного прогрева электродов лампы низким напряжением перед ее поджигом (необходимо для снижения напряжения поджига и продления ресурса лампы). В нашем случае, предварительный прогрев будет выполнять функцию ограничения пускового тока, проще говоря - функцию софт-старта. Поэтому применительно к обсуждаемому здесь устройству, именовать данную функцию будем - софт-старт;
• Защита от перегрузки и короткого замыкания. В случае перегрузки или короткого замыкания на выходе источника питания, работа генератора микросхемы (а за ним и всего источника питания), мгновенно прекращается. Генератор и драйвер микросхемы переходят в неактивное состояние и находятся в нем до тех пор, пока не будет произведен сброс напряжения питания микросхемы;
• Защита от пониженного входного сетевого напряжения. Данная функция микросхемы защищает устройство от пониженного входного сетевого напряжения. Защита активируется, когда входное сетевое напряжение, следовательно, и зависящее от него напряжение на питающей высоковольтной шине постоянного тока, снизиться ниже заданного порогового значения;
• Дополнительный вывод, останавливающий микросхему. IR2156 имеет дополнительный защитный вывод - SD, который останавливает генератор микросхемы и переводит ее в режим UVLO всякий раз, когда напряжение на выводе SD превышает пороговое значение. Благодаря этому, разработчик имеет возможность встроить в источник питания дополнительные защитные функции, например - защиту от перегрева или отключение источника питания УМЗЧ при появлении постоянной составляющей на его выходе.
Сравнительная таблица популярных микросхем для ИИП. В следующую таблицу, для сравнительного анализа, были сведены основные возможности IR2156 и других популярных микросхем применяемых для построения на их базе импульсных источников питания:
Как хорошо видно из таблицы, микросхема IR2156 по всем параметрам превосходит всех своих соперников. Единственное чего не умеет IR2156 - стабилизировать выходное напряжение источника питания. Но применительно к блокам питания УМЗЧ, данный факт нельзя назвать большим минусом так как, абсолютное большинство УМЗЧ не нуждаются в стабилизированном напряжении питания, а некоторым наоборот - стабилизированное напряжение питания только мешает: приводит к росту интермодуляционных искажений и/или "эффекту накачки" в усилителях класса D.
Назначение выводов микросхемы:
1 (N.C.): вывод не используется. Электрически не соединен с внутренними цепями микросхемы.
2 (VCC): вывод питания микросхемы (логических схем и низковольтного драйвера).
3 (VDC): вывод контроля за напряжением высоковольтной шины постоянного тока.
4 (RT): вывод для подключения резистора задающего рабочую частоту.
5 (RPH): вывод для подключения резистора задающего частоту предварительного прогрева (софт-старта).
6 (CT): вывод для подключения конденсатора задающего мертвое время.
7 (CPH): вывод для подключения конденсатора задающего время работы в режиме предварительного прогрева (софт-старта).
8 (COM): вывод сигнальной и силовой земли микросхемы.
9 (SD): вывод останавливающий микросхему по заданным внешним условиям.
10 (CS): вывод контроля тока перегрузки и короткого замыкания.
11 (LO): выход драйвера нижнего уровня.
12 (VS): плавающая земля драйвера верхнего уровня.
13 (HO): выход драйвер верхнего уровня.
14 (VB): вывод плавающего питания высоковольтного драйвера.
Некоторые важные параметры IR2156:
- Положительное пороговое значение напряжения питания микросхемы (напряжение при котором она переходит из выключенного состояния во включенное) = 10,5. 12,5 В;
- Отрицательное пороговое значение напряжения питания микросхемы (напряжение при котором она переходит из включенного состояния в выключенное) = 8,5. 10,5 В;
- Напряжение встроенного стабилитрона = 14,5. 16,5 В;
- Потребляемый микросхемой ток в режиме UVLO = не более 500 мкА;
- Потребляемый микросхемой ток в рабочем режиме = не более 10 мА;
- Максимально допустимый вытекающий/втекающий ток драйвера = +500/-500 мА;
- Минимально допустимая емкость внешнего конденсатора Ct = 220 пФ;
- Пороговое напряжение вывода SD = 5,1 В;
- Пороговое напряжение вывода CS = 1,10. 1,44 В;
- Задержка срабатывания токовой защиты = 160 нсек.
Подделки. В силу высокой популярности микросхемы IR2156, в продаже находится множество ее подделок, поэтому рекомендую покупать микросхемы только в проверенных магазина и воздержаться от покупки микросхем на Aliexpress. Обращайте внимание на маркировку микросхем, но и правильная маркировка не гарантия оригинальности, но помогает отсеять как минимум 2/3 подделок. Работоспособность описываемого далее устройство с поддельной микросхемой не гарантируется (скорее гарантируется обратное).
Режимы работы микросхемы. Далее будут рассмотрены существующие режимы работы IR2156.
UVLO Mode (Under-voltage Lock-Out Mode) - режим блокировки при пониженном напряжении питания. Состояние в котором находится микросхема, когда ее напряжение питания ниже положительного или отрицательного порогового значения, либо когда напряжение на выводе SD превышает пороговое значение. Находясь в этом режиме микросхема потребляет сверхмалый ток (не более 500 мкА). Режим UVLO необходим для гарантии того, что логические схемы полностью функционируют до того, как генератор и драйвера высокого и низкого уровней активируются.
PREHEAT Mode (режим предварительного прогрева или в нашем случае - софт-старт) - режим, в котором генератор микросхемы работает на повышенной частоте, частоте предварительного прогрева (частоте софт-старта). Эта частота зависит от сопротивлений внешних резистора Rt и Rph, а также конденсатора Ct. В режим предварительного прогрева микросхема переходит сразу же после того, как ее напряжение питания превысит положительное пороговое значение (при условии что напряжение на выводе SD будет менее 4,5 В). Продолжительность работы в данном режиме определяется емкостью конденсатора CPH (или Css в описываемой далее схеме ИИП). Когда CPH будет заряжен до 10 В, микросхема перейдет в следующий режим работы.
Ignition Ramp Mode (режим поджига) - режим работы при котором частота генератора микросхемы, быстро, но плавно снижается с частоты предварительного прогрева до рабочей частоты, минуя частоту поджига (частоту на которой происходит поджиг лампы). Режим поджига активен до тех пор, пока конденсатор CPH не будет заряжен до 13 В. По достижении 13 В на конденсаторе Cph микросхема переходит в рабочий режим.
Run Mode (рабочий режим) - основной режим работы микросхемы. Частота работы генератора микросхемы в этом режиме определяется номиналами внешнего резистора Rt и внешнего конденсатора Ct.
FAULT Mode (режим неисправности) - режим в который переходит микросхема, когда напряжение на выводе CS превышает пороговое значение (при перегрузке или коротком замыкании в нагрузке).
Алгоритм работы. Теперь, после того как мы познакомились со всеми режимами работы по отдельности, пришло время более подробно узнать о том, как все эти режимы между собой взаимодействуют. На иллюстрации показана типичная схема включения IR2156, на ее примере мы разберем алгоритм работы микросхемы.
В начальный момент времени, когда напряжение на схему не подается, конденсаторы Cvcc1, Cvcc2, Cvd, Ct, Cph, Cbs - полностью разряжены. Ct и Cph внутренними ключами микросхемы подключены к земле для деактивации генератора и сброса времени предварительного прогрева соответственно. После подачи питания на схему, конденсаторы Cvcc1 и Cvcc2 начинают заряжаться током протекающим через резистор Rsupply. Величина зарядного тока равна току через Rsupply минус ток режима UVLO микросхемы. Номинал резистора Rsupply выбирается из расчета обеспечения двукратного максимального пускового тока при пониженном входном сетевом напряжении. В режиме UVLO микросхема потребляет около 200 мкА. При этом на выходах HO и LO микросхемы импульсы отсутствуют, драйвер не активен, ключевые транзисторы полностью заперты (их затворы притянуты к землям).
Конденсаторы Cvcc1 и Cvcc2 продолжают заряжаться и как только напряжение на них превысит положительное пороговое значение напряжения питания микросхемы (при условии что на выводе SD напряжение менее 4,5 В), микросхема переходит в режим PREHEAT Mode (предварительный прогрев). При этом внутренний ключ микросхемы отсоединяет конденсатор Ct от земли, что приводит к активации генератора и драйвера микросхемы. Конденсатор Cph так же отсоединяется от земли и начинает линейно заряжаться от внутреннего источника тока 5 мкА.
Внутренний генератор IR2156 работает следующим образом. Конденсатор Ct заряжается и разряжается в диапазоне напряжений от 1/3 до 3/5 напряжения питания микросхемы (Vcc). Конденсатор заряжается экспоненциально через параллельно соединенные частотозадающие резистора Rt и Rph (в рабочем режиме только через Rt), внутренне подключенные к шине питания микросхемы с помощью внутреннего ключа S1. Время зарядки Ct от 1/3 до 3/5 соответствует времени импульсов на выходах драйверов HO или LO, что показано на временной диаграмме ниже.
Когда напряжение на Ct превышает 3/5 от напряжения питания, ключ S1 размыкается, тем самым отключая Rt и Rph от шины питания микросхемы (Vcc), замыкает связанный с ним ключ S3, из-за чего Ct начинает разряжаться через внутренний резистор и ключ S3 на землю (вывод COM). Время разряда Ct от 3/5 до 1/3 напряжения питания микросхемы соответствует мертвому времени. Как только Ct разрядится до напряжения ниже чем 1/3 от напряжения питания микросхемы, внутренний ключ S3 размыкается, а связанный с ним ключ S1 - замыкается, снова подключая резисторы Rt и Rph к шине питания микросхемы (Vcc). Как только активируется генератор и драйвер, на выходах драйверов HO и LO, поочередно начинают появляться импульсы с частотой, заданной параллельным соединением резисторов Rt и Rph, а также конденсатором Ct. Первый импульс всегда появляется на выходе драйвера низкого уровня - LO, открывая ключ нижнего уровня. Сделано это для того, чтобы к моменту, когда должен появится импульс на выходе драйвера высокого уровня - HO, зарядить конденсатор питания драйвера верхнего уровня - Cboot (Cbs), который в свою очередь заряжается от источника питания микросхемы через диод Dboot, всякий раз, когда открывается ключ нижнего уровня - M2.
В режиме предварительного прогрева (софт-старта), защита от перегрузки и короткого замыкания не работает. Сделано это для того, чтобы избежать ложных срабатываний защиты из-за повышенного пускового тока. Так же, в режиме предварительного прогрева не активна защита от пониженного входного сетевого напряжения. Обе эти защиты активируются когда конденсатор Cph зарядится до 7,5 В. В момент включения драйвера, потребляемый микросхемой ток резко возрастает и напряжение конденсаторов Cvcc1 и CVvcc2 на мгновение проседает как это показано на следующем изображении.
Но так как драйвер уже активен и на выходах HO и LO поочередно появляются импульсы, активируется насос (цепь самопитания микросхемы), которая далее берет на себя роль источника питания микросхемы. Насос собран на элементах Csnub, Dcp1, Dcp2, Rlimit. Генератор микросхемы работает на повышенной частоте предварительного прогрева до тех пор, пока конденсатор Cph не будет заряжен до 10 В, после чего микросхема переходит в следующий режим - режим поджига.
В режиме поджига, с помощью внутреннего ключа микросхемы S4 происходит плавное отключение от схемы резистора Rph, в следствии чего частота импульсов на выходах HO и LO быстро снижается с частоты предварительного прогрева до рабочей частоты, проходя через частоту поджига, на которой происходит поджиг лампы. В нашем случае, режим поджига является лишь переходным режимом между режимом предварительного прогрева (софт-старта) и рабочим режимом. Длиться режим поджига до тех пор, пока конденсатор Cph не будет заряжен до 13 В, после чего микросхема переходит в рабочий режим.
В рабочем режиме резистор Rph полностью отключен от схему внутренним ключом S4, конденсатор Cph полностью заряжен. Генератор работает с постоянной рабочей частотой заданной резистором Rt и конденсатором Ct. Микросхема находится в этом режиме до тех пор, пока ее напряжения питания не упадет ниже отрицательного порогового значения (при отключении питания или при неисправности), либо пока не произойдет перегрузка или короткое замыкание в нагрузке (когда напряжение на выводе CS превысит пороговое значение). В случае возникновения одного из двух описанных условий, микросхема переходит в режим неисправности. А в случае, если напряжение на выводе SD превысит 5,1 В - переходит в режим UVLO.
При возникновении неисправности, конденсаторы Cph и Ct мгновенно, с помощью внутреннего ключа подключаются к земле и полностью разряжаются для сброса времени предварительного прогрева и выключения генератора соответственно. Генератор и драйвер отключаются, выходы HO и LO фиксируются в состоянии логического нуля (затворы ключевых транзисторов притягиваются к землям). Чтобы выйти из режима неисправности, необходимо чтобы напряжение питания микросхемы снизилось ниже отрицательного порогового значения, либо чтобы напряжение на выводе SD стало выше порогового значения, в этом случае микросхема перейдет в режим UVLO. Но чтобы микросхема возобновила работу, необходимо чтобы ее напряжение питания снова превысило положительное пороговое значение и напряжение на выводе SD при этом было менее 4,5 В.
Отдельно стоит остановится на защите от пониженного сетевого входного напряжения. Защита активируется тогда, когда на выводе VDC напряжение снижается ниже порогового значения. Это пороговое значение задается делителем напряжения, одним элементом которого является внешний резистора Rbus, а другим - внутренний резистор микросхемы Rvdc. Пороговое напряжения кроме того, зависит от напряжения питания микросхемы и разброса параметров самой микросхемы, так как внутренний резистор делителя напряжения Rvdc может иметь огромный разброс сопротивления - от 7,5 до 14 кОм (в зависимости от конкретного экземпляра микросхемы). У испытуемого мною экземпляра IR2156, пороговое напряжения оказалось равно 2 В (при напряжении питания микросхемы 14,2 В). Сразу хочется обратить внимание на то, что данная защита актуальная лишь для резонансных схем на базе IR2156: для ламповых балластов и LC-резонансных преобразователей. Поскольку устройство, речь о котором пойдет далее, не является не тем, не другим, то данная защита для него не актуальна. Тем не менее, было решено не объединять выводе VCC и VDC для полного отключения данной защиты (как это делают в других ИИП на базе IR2156), а все же использовать отдельный делитель напряжения для вывода VDC.
Теперь о том, как работает эта защита. Слишком сильное снижение входного сетевого напряжения в резонансном преобразователе может привести к сдвигу рабочей точки ниже частоты резонанса, что приведет к жесткому переключению и возможно к повреждению ключевых транзисторов. Для предотвращения этого неприятного явления, вывод VDC постоянно контролирует напряжение на высоковольтной шине постоянного тока. Когда напряжение на выводе VDC падает ниже установленного порогового значения, внутренний ключ микросхемы S4 начинает плавно открываться и плавно подключать к схеме резистор Rph, что ведет к увеличению рабочей частоты и сдвигу рабочей точки выше частоты резонанса. Чем ниже постоянное напряжение на выводе VDC относительно порогового значения напряжения - тем сильнее открывается внутренний ключ S4, и тем выше частота генератора. При напряжении на выводе VDC = 0 В, внутренний ключ S4 будет полностью открыт и частота генератора будет равна частоте предварительного прогрева (софт-старта). Когда напряжении на VDC ниже напряжения питания микросхемы, но выше порогового напряжения VDC, данная защита не оказывает никакого влияния на работу микросхемы.
Теперь, когда мы разобрались с самой IR2156, пришло время поговорить о само интересном - об импульсном источнике питания для УМЗЧ на ее базе.
Данная статья является логическим продолжением двух предыдущих статей посвященных ИИП на микросхеме IR2161. Здесь представлена усовершенствованная - третья версия импульсного источника питания на данной микросхеме. Рассматриваемое устройство подойдет как новичкам, для которых этот ИИП может стать первым, так и тем, кто уже имеет опыт в постройке импульсных источников питания. И хотя данный блок питания разрабатывался для питания аудио усилителей мощности, он так же хорошо подойдет для питания и других нагрузок.
Основные отличия третьего издания - TE, от второго издания - SE, заключаются в кардинальном изменении компоновки платы блока питания, принятии специальных мер по борьбе с ростом выходного напряжения на холостом ходу (с чем сталкивались некоторые радиолюбители), совершенствовании схемы с целью улучшения качество работы и повышении безопасности устройства.
ИИП 2161TE обладает следующими возможностями и техническими характеристиками:
- Долговременная выходная мощность (без ограничения по времени работы) - 200 Вт;
- Кратковременная выходная мощность (для отработки пиков сигнала) - 300 Вт;
- Идеально подойдет для питания УМЗЧ с суммарной выходной мощностью усилителя до 200 Вт;
- Защита от импульсных перенапряжений и превышения входного напряжения ИИП выше 275 В с помощью варистора;
- Защита от перегрузки и короткого замыкания по выходу блока питания;
- Ограничение пускового тока с помощью термистора и встроенный софт-старт;
- Компенсация просадки выходного напряжения под нагрузкой (подобие стабилизации выходного напряжения);
- Простота конструкции - отсутствие в схеме редких и дорогостоящих радиоэлементов.
Схема импульсного источника питания 2161TE:
Кратко пробежимся по схеме. F1 - входной предохранитель, необходим для защиты проводки от возгорания в случае нештатной ситуации. Далее по схеме следует фильтр электромагнитных помех, состоящий из элементов C4, L1, C2, C3 и C1. Варистор RV1 защищает блок питания от импульсных помех и от превышения входного напряжения выше допустимой величины. Резистор R1 предназначен для разрядки конденсаторов входного фильтра. Термистор RT1 ограничивает пусковой ток блока питания. VDS1 - основной диодный мост, C11 - основной накопительный конденсатор по первичной стороне блока питания. C12 - вспомогательный конденсатор, предназначенный для подавления высокочастотных пульсаций по первичной стороне. Резисторы R5, R6 и R10, предназначены для разрядки основного накопительного конденсатора C11 после отключения блока питания от сети. C13 и C15 - конденсаторы делителя напряжения для первичной обмотки силового трансформатора Т1. Цепи питания IR2161 состоят из двух ветвей: R2, R4, VD4 - для первоначального запуска микросхемы и C8, R3, VD3, VD2 - для самопитания микросхемы D1. Другие элементы цепи питания микросхемы: VD1, C5, C6, необходимы для стабилизации и фильтрации напряжения питания. Верхний драйвер микросхемы питается от VD5 и C9. C7 - времязадающий конденсатор. Цепь защиты от перегрузки и короткого замыкания - R11, R13, R12 (задают порог срабатывания систем защиты) и R9, C10 (фильтр исключающий ложные срабатывания защиты). Затворные цепи ключей - VD6 и R7 для верхнего ключа, VD7 и R8 для нижнего ключа. Конденсатор C14 для соединения первичной и вторичной земель, снижает уровень ВЧ составляющей на выходе ИИП. Диодный мост вторичной стороны собран на диодах VD8 - VD11. Выходные катушки индуктивности L2 и L3 с шунтами - R14 и R18 соответственно, предназначенные для снижения ВЧ составляющей на выходе ИИП, конденсаторы C16 и C19, имеет тоже назначение. Основные накопительные конденсаторы по вторичной стороне - C17, C18 и C20, C21. Резисторы R15-17 и R19-21 - нагрузочные для ИИП, а также служат для разрядки выходных накопительных конденсаторов.
При повторении предыдущих версий ИИП на IR2161, некоторые радиолюбители сталкивались с проблемой, которая заключалась в том, что на холостом ходу (при отсутствии нагрузки), самопроизвольно росло выходное напряжение блока питания. Случалось, что выходное напряжение росло быстро и даже превышало допустимое для выходных конденсаторов значение. Для устранения этого неприятного эффекта, с которым к слову, автор лично не сталкивался, были приняты следующие меры: выходные дросселя L2 и L3, зашунтированы низкоомными резисторами R14 и R18, а также добавлено по три нагрузочных резистора в каждое из плеч блока питания. К сожалению, вышеописанные меры не являют 100% гарантией отсутствия роста выходного напряжения ИИП на холостом ходу. Гарантией является аккуратность сборки, полное удаление остатков флюса с печатной платы и правильно намотанный силовой трансформатор.
В авторском варианте, в качестве сердечника силового трансформатора использован сердечник EI33. Трансформатор рассчитан на долговременную выходную мощность 200 Вт и выходное напряжение +/- 40 В. Первичная обмотка содержит 46 витков, намотанных в два провода, диаметр каждого из которых 0,5 мм. Каждая из вторичных обмоток содержит по 12 витков и намотана в три провода по 0,5 мм. Изоляция обмоток выполнена лавсановой термостойкой лентой: три слоя ленты между первичной и вторичными обмотками, а также по одному слою ленты после каждого слоя первичной обмотки. Части сердечника склеены клеем "момент кристалл" и стянуты несколькими витками лавсановой ленты.
Долговременная выходная мощность данного ИИП, ограничена габаритной мощностью применяемого сердечника силового трансформатора (в авторском варианте EI33) и не должна превышать 200 Вт, а также максимально допустимым током выходных диодов SF54, который не должен превышать 2,5 А. При использовании указанного сердечника силового трансформатора и указанных выходных диодов, допускается изменять выходное напряжение источника питания, путем пересчета количества витков первичной и вторичных обмоток: в меньшую сторону - при выходном токе не более 2,5 А, в большую сторону - при выходной мощности не более 200 Вт (см. таблицу):
Для повышения долговременной выходной мощности свыше 200 Вт и/или выходного тока свыше 2,5 А, необходимо использовать сердечник с большей габаритной мощностью и/или выходные диоды с большим допустимым током, что потребует внесения изменений в рисунок печатной платы.
Далее, по своей хорошей традиции, просто перечислю некоторые важные моменты по повторению описываемого устройства:
- Вывод "G" по схеме, через крепежный винт и металлическую стойку, соединяется с корпусом устройства, к которому так же подключается заземляющий сетевой провод;
- При отсутствии заземления в сетевой розетке, конденсаторы C1 и C2 устанавливать не нужно;
- Не допускается использовать ПВХ изоляционную ленту в качестве изоляции обмоток трансформатора ввиду ее низкой термостойкости;
- При намотке силового трансформатор, в первую очередь, наматывается первичная обмотка ПОЛНОСТЬЮ, затем вторичные обмотки;
- Части сердечника, в обязательном порядке, должны быть склеены - это необходимо для создания небольшого микро зазора между частями сердечника (порядка 0,03 - 0,05 мм);
- Последним на печатную плату устанавливается силовой трансформатор. До этого должны быть впаяны все другие элементы схемы и полностью удалены остатки флюса с платы. После установки трансформатора, удаляются остатки флюса вокруг его выводов, без использования большого количества растворителей, спиртов, бензина, чтобы эти жидкости не проникли под изоляцию трансформатора;
- Радиатор для отвода тепла от транзисторов VT1 и VT2, представляет собой пластину из алюминия, размерами 59 х 35 мм и толщиной 5 мм;
- Силовые транзисторы VT1 и VT2 должны быть надежно изолированы от радиатора;
- Стабилитрон VD1 должен быть на напряжение не ниже 13В и не выше 14,2 В. Допускается в качестве VD1 использовать несколько последовательно соединенных стабилитронов для получения необходимого напряжения стабилизации = 13 . 14,2 В.
- Конденсаторы С2 и С4, должны быть типа X1 или X2, а конденсаторы С1, С3 и С14 - типа Y1 или Y2. Не выполнение данного требования, в случае нештатной ситуации может привести к пожару и/или поражению электрическим током;
- Дроссель подавления электромагнитных помех (L1) должен быть намотан на кольцевом ферромагнитном сердечнике. Индуктивность каждой из обмоток должна быть не менее 2 мГн (лучше больше). Диаметр провода - 0.3 . 0.5 мм (в зависимости от выходной мощности блока питания). Обмотки должны быть надежно изолированны друг от друга и от общего ферромагнитного сердечника;
- Резисторы R1, R5, R6 и R10, могут иметь сопротивление от 680 кОм и выше (меньшее сопротивление позволяет быстрее разряжать конденсаторы после выключения блока питания);
- Резисторы R15-17 и R19-21, могут иметь сопротивление от 15 кОм и выше (меньшее сопротивление позволяет быстрее разряжать конденсаторы после выключения блока питания);
- Для успешного запуска и долгой безаварийной работы блока питания следует использовать ТОЛЬКО оригинальные радиодетали;
- Собранное из исправных радиодеталей устройство, запускается сразу же и не требует никакой настройки;
Печатная плата 2161TE.02, в программе Sprint Layout 5, выглядит следующим образом:
Готовая к монтажу радиоэлементов печатная плата 2161TE.00 в железе:
Авторский вариант ИИП в полностью собранном виде:
Тот же ИИП, в исполнении других радиолюбителей:
P.S.
В качестве постскриптума, прилагаю модифицированную версию блока питания 2161TE, сделанную мной для питания усилителя на двух TDA2030:
Долговременная выходная мощность данной версии блока питания - 100Вт.
Схемы - нет, отличия от оригинальной схемы - незначительные, их легко проследить по печатной плате.
Представляю вашему вниманию импульсный источник питания на микросхеме IR2161. Эта микросхема является контроллером балластов галогенных ламп, но благодаря своим свойствам отлично подходит для создания на ее основе импульсных блоков питания. Микросхема имеет встроенную защиту от перегрузки и короткого замыкания, эффективный софт-старт, защиту от перегрева и адаптивное мертвое время.
Стандартная схема включения IR2161 из даташита показана ниже:
А здесь показана схема самого блока питания, главного героя этой статьи:
Схема позволяет на ее основе собрать импульсный источник питания для УМЗЧ или других целей, мощностью до 500Вт.
Пойдем по порядку. На входе блока питания у нас стоит термистор и предохранитель. Термистор я использовал из компьютерного блока питания. Предохранитель в моем случае на 3,15А. Далее следует фильтр сетевого напряжения, который построен на C1, L1, C2. Дроссель L1 так же мною взят из компьютерного блока питания. Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом RS607 (6А, 700В) или диодным мостом построенном на четырех дискретных диодах 1N5408 (3А, 1000В). Вместо диодного моста RS607 можно применить другой диодный мост с током 4-8А. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются высоковольтным электролитом С8 (330мкФ 400В). Емкость конденсатора C8 зависит от необходимой выходной мощности блока питания, его емкость должна быть не менее 1мкФ на 1Вт выходной мощности, лучше если на 1Вт выходной мощности будет приходится 1,5 - 2мкФ емкости. С5 необходим для борьбы с высокочастотными помехами в цепи первичного питания. Контроллер IR2161 запитывается через цепь VD1, R2, R3. Резисторы R2 и R3 рассеивают примерно 2Вт тепла и в процессе работы нагреваются до 70-80 градусов, это нормально, волноваться по этому поводу не стоит. С3 предназначен для сглаживания пульсаций напряжения питания контроллера. Конденсатор С4 задает время работы софт-старта, производитель рекомендует в его качестве использовать конденсатор емкостью 100нФ. Диод VD2 должен быть быстродействующим и в его качестве выбираем диод HER108. Относительно номинала конденсатора C6 производитель не дает никаких рекомендаций, но я рекомендую выбирать его номинал равный 100-220нФ. Затворные резисторы R4 и R5 выбираются исходя из того какие применяются ключи, для IRF740 оптимальный номинал этих резисторов 22 Ом. Номиналы цепи R6 и C7 рекомендованы производителем и я решил прислушаться к данной рекомендации. Резистор R7 задает ток срабатывания защита от перегрузки и короткого замыкания, как выбирать его номинал будет описано далее. Насчет номинала конденсаторов C9 и C11 производитель так же не дает никаких рекомендация, я же выбрал их номинал равный 470нФ. Цепь C10 и R8 предназначена для гашения выбросов напряжения на первичной обмотке трансформатора. Конденсатор C12 предназначен для уменьшения всех видов помех генерируемых импульсным блоком питания. Т1 - основной импульсный трансформатор, о нем поговорим более подробно далее. VDS2 диодный мост цепей вторичного питания, необходимо применять только быстрые диоды, либо диоды Шоттки. Диоды выбираются исходя их выходного напряжения и тока, об этом более подробно поговорим далее. Индуктивности L1 и L2 я взял из компьютерного блока питания, представляют они из себя катушки по 3-5 витков провода, намотанных на ферритовом стержне. С13 и С15 предназначены для подавления высокочастотных помех во вторичных цепях питания, их номинал может быть любым, но чем больше их номинал - тем лучше. Электролиты С14 и С16 выбираются исходя из требуемой выходной мощности блока питания, моя рекомендация - по 470мкФ в плече на каждые 100Вт выходной мощности, но не менее 1000мкФ. Лучше применять несколько конденсаторов меньшей емкости, чем один с большой емкостью, это связано с допустимым током пульсаций конденсаторов.
При достижении определенного значения потребляемой от блока питания мощности (или при коротком замыкании на выходе блока питания), срабатывает защита. Мощность при которой будет срабатывать защита выбирается исходя из сопротивления резистора R7. Зная мощность, которую вы рассчитываете получить от данного блока питания, вы можете выбрать номинал резистора R7 из таблицы ниже.
Так же можно более точно рассчитать номинал R7 по формуле: R7 = 0,141 * Vac / Pload
где, R7 - номинал резистора в Ом, Vac - напряжение на входе блока питания (обычно это 220-230В) в вольтах, Pload - требуемая выходная мощность в Вт.
Мощность рассеиваемая на резисторе R7 рассчитывается по формуле: Pr7 = (Pload / Vac)^2 * R7.
Диоды диодного моста VDS2 должны быть обязательно быстродействующими либо диодами Шоттки. Я применил диоды SF54 (5A, 200В). С этими диодными мостами можно в снимать с каждого плеча блока питания до 3А. Диоды SF54 необходимо устанавливать на плату таким образом, чтобы выводы диода были максимально возможной длины - это необходимо для эффективного отвода тепла от кристалла и его рассеивания. Диодный мост VDS1, необходимо устанавливать таким же образом, оставляя выводы максимальной длины. При необходимости получить больший выходной ток, необходимо применять диоды в корпусе ТО-220 c возможностью крепления к радиатору. Для установки таких диодов необходимо немного изменить печатную плату. В качестве более мощной замены диодам SF54, можно применить диоды BYW29 (8А, 200В), 8ETH06 (8А, 600В), 15ETH06 (15А, 600В), SF164 (16A, 200В).
Трансформатор Т1 рассчитывается с применением специализированных компьютерных программ. Первичную обмотку я намотал проводом диаметром 0,5мм, 50 витков. В моем случае напряжение вторичных обмоток выбирается из расчета 3,1В на виток. Мне необходимо было получить напряжение плеча на выходе блока питания примерно 40В, а это соответствует 13 виткам в каждую из полуобмоток трансформатора. Для намотки я использовал два провода по 0,5мм. Диаметр провода обмоток я рекомендую выбирать из расчета 1мм (по диаметру провода) на каждые 3А тока, для первичной обмотки я рекомендую использовать провод 0,3мм (по диаметру) на каждые 100Вт выходной мощности, но не менее 0,5мм. Лучше мотать в несколько более тонких проводов, чем одним толстым (это связано с поверхностным эффектом). Сердечник трансформатора я взял от компьютерного блока питания, вы можете применять любой другой сердечник подходящий под ваши потребности по габаритной мощности, скорее всего для этого придется немного изменить печатную плату.
Внимание! При покупке IRF740 необходимо быть крайне внимательным чтобы не нарваться на подделку, которые встречаются очень часто, особенно на Aliexpress, для этого важно знать как выглядит поддельный IRF740.
На иллюстрации сверху, показаны два вида оригинальных IRF740 производства Vishay и производства IR, а также типичная подделка, которая часто встречается на Aliexpress и в других магазинах.
Кроме внешнего вида, подделку от оригинала легко отличить с помощью транзистор-тестера:
Если установить в панельку транзистор-тестера оригинальный транзистор, то отображаемое значение емкость будет: C=2,6. 2,7 нФ. Подделки имеют гораздо меньший кристалл, чем оригинальный транзистор и поэтому транзистор-тестер, в случае установки в него поддельного транзистора, выдаст другое - меньшее значение емкости: C=0,9. 1,5 нФ. Постойте, но ведь в даташите IRF740 указана емкость 1,4 нФ, почему тогда оригинал должен иметь емкость около 2,7 нФ ? Подобный вопрос обязательно должен у кого-нибудь возникнуть. Отвечаю. Емкость указанная в даташите измерена при совершенно других условиях (напряжение затвор-исток = 0 В, напряжение сток-исток = 25 В, частота = 1 МГц), отличных от тех, при которых измеряет емкость транзистор-тестер, поэтому сравнивать значение емкостей из транзистор-тестера и даташита - просто бессмысленно.
И последнее. Кто-то наверняка сказал: ну и что, что не оригинал, зато дешевле, какая разница?! Хорошо, если бы разница была только в цене, но нет! Оригинальный транзистор - это транзистор, который соответствует всем заявленным производителем параметрам из даташита. Поддельный транзистор - это транзистор, который не соответствует никаким параметрам. По сути, подделка - это другой транзистор. Подделка, на которой написано "IRF740", по своим параметрам может являться чем угодно, но только не IRF740. Часто подделка - это другой, более дешевый и маломощный транзистор, перемаркированный под другой, более дорогой транзистор. Другими словами, по-простому, если собрав ИИП на оригинальных IRF740 вы сможете легко и непринужденно, долговременно снять 300 Вт мощности, а кратковременно и того больше, то собрав тот же ИИП на поддельных "IRF740", вы можете получить фейерверк при попытке снять более 100 Вт, а иногда даже при первом же включении.
Правильно собранный из исправных деталей, блок питания, начинает работать сразу же после первого включения и в какой-либо настройке и регулировке не нуждается.
В приложении находится два варианта печатных плат: один вариант с выпрямителем VDS1 на основе дискретных диодов 1N5408, второй вариант с выпрямителем на основе диодной сборки RS607.
10А у 740 это при температуре 20", а при температуре кристалла 100" уже 6А. К тому же это ток который транзистор может выдержать при условии хорошего охлаждения, но это не означает что он будет работать хорошо. Возьмём тот же IRF740 при температуре кристалла 100 градусов (при хорошем охлаждении корпус будет только теплый) сопротивление в открытом состоянии увеличивается в 1,8 раза, примерно до 1 Ом . При токе 6А это 40 вт мощность потерь и 6 вольт падение напряжения, что просто расточительно и требует принудительного охлаждения. Что бы этот транзистор хоть немного мог конкурировать по потерям с биполярным транзистором к примеру 13003 (не до хорошего) то ток через него нужно выбирать 1-1,5А.
А вы говорите зачем такой запас, 10 А это рекламный ток и эксплуатировать на нём транзистор практически невозможно. Тот же IRF740 примерно эквивалентен биполярному транзистору 13003. Любые транзисторы надо использовать что бы падение напряжения на нём в самых плохих условиях не превышали 1% от напряжения питания.
_________________
Хоть оптика и увеличивает изображения но, глядя через оптический прицел, все проблемы мельчают.
Итак, собрал эту версию платы:
Если собирать эту версию, где электролиты создают среднюю точку, тогда проходного 0,1 мкФ конденсатора не хватает и надо ставить 1мкФ
А в версии, где 1 электролит (как в оригинальной схеме) там 1 мкФ уже замного и надо ставить 0,1 мкФ
Схема работает как часы! Немного раньше я писал, что возможно нагрев у этой схемы больше, я был не прав, это греются выходные диоды (они у меня чуть слабее на 16 амп.) Поставил раздельные радиаторы,ч тобы проверить- Полевики еле тепленькие! Нагрузка 10 ампер при 24 вольтах (240ватт) Добавляю галогенку на 50w, срабатывает защита- шунт на 0,22 ома!
Защита срабатывает четко!
Пробовал добавлять цепочку CSNUB и диоды DCP 1, 2 и резистор RS 220к, в общем, как по даташиту, тогда работает странно, при малой нагрузке, например, галогенка на 50 ватт, мерцает с частотой около 5-ти герц, начинаю добавлять нагрузку, частота уменьшается.
поставил два шунта по 0,22 ома! Нагрузил на 370 ватт, погонял минут 15! Трансформатор E33 градусов 60-70, и диодные сборки примерно столько-же!
_________________
Я прав или я прав?
Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет
Представляю вашему вниманию импульсный источник питания на базе микросхемы IR2161. Эта микросхема является контроллером балластов галогенных ламп, но благодаря своему набору функций отлично подходит для создания на ее основе импульсных блоков питания. Микросхема имеет встроенную защиту от перегрузки и короткого замыкания, софт-старт, защиту от перегрева и адаптивное мертвое время.
Стандартная схема включения микросхемы IR2161:
Предлагаемая автором схема импульсного источника питания на базе микросхемы IR2161:
Схема позволяет построить на ее основе импульсный источник питания для УМЗЧ или других целей, с выходной мощностью до 300 Вт.
О схеме. На входе блока питания установлены термистор и предохранитель. Термистор (10 Ом, 3 А), взят из компьютерного блока питания ATX. Предохранитель установлен на ток 3,15 А.
Далее по схеме следует сетевой фильтр, который построен на элементах C1, L1 и C2. Дроссель L1, так же как и термистор был позаимствован из компьютерного блока питания, индуктивность каждой из его обмоток - 10 мГн.
В зависимости от версии печатной платы, сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом RS607 (6 А, 700 В) или диодным мостом, построенном на четырех дискретных диодах 1N5408 (3 А, 1000 В). Вместо диодного моста RS607 можно применить другой диодный мост, рассчитанный на ток от 4 А. Сетевой диодный мост VDS1 необходимо устанавливать оставляя его выводы как можно большей длины.
Пульсации выпрямленного сетевого напряжения сглаживаются высоковольтным электролитическим конденсатором С8 (330 мкФ х 400 В). Емкость конденсатора C8 выбирается из расчета 1 мкФ на 1 Вт выходной мощности блока питания. Конденсатор С5 необходим для борьбы с высокочастотными составляющими в первичной цепи блока питания.
Контроллер IR2161 запитан через цепь VD1, R2, R3. Резисторы R2 и R3 рассеивают около 2 Вт тепла, поэтому в процессе работы нагреваются до 70-80 градусов Цельсия. Конденсатор С3 предназначен для сглаживания пульсаций напряжения питания контроллера.
Конденсатор С4 задает все временные постоянные, включая время работы софт-старта. Производитель рекомендует в его качестве использовать конденсатор емкостью 100 нФ.
Диод VD2 должен быть ультрабыстрым, в его качестве отлично подойдет диод HER108.
Затворные резисторы R4 и R5 выбираются исходя из того, какие применяются ключевые транзисторы. В случае указанных в схеме IRF740, оптимальным номиналом затворных резисторов будет - 22 Ом.
Внимание! При покупке IRF740 необходимо быть крайне внимательным, чтобы не нарваться на подделку, которые встречаются очень часто, особенно на Aliexpress, для этого важно знать как выглядит поддельный IRF740.
На иллюстрации сверху, показаны два вида оригинальных IRF740 производства Vishay и производства IR, а также типичная подделка, которая часто встречается на Aliexpress и в других магазинах.
Кроме внешнего вида, подделку от оригинала легко отличить с помощью транзистор-тестера:
Если установить в панельку транзистор-тестера оригинальный транзистор, то отображаемое значение емкость будет: C=2,6. 2,7 нФ. Подделки имеют гораздо меньший кристалл, чем оригинальный транзистор и поэтому транзистор-тестер, в случае установки в него поддельного транзистора, выдаст другое - меньшее значение емкости: C=0,9. 1,5 нФ.
Постойте, но ведь в даташите IRF740 указана емкость 1,4 нФ, почему тогда оригинал должен иметь емкость около 2,7 нФ? Подобный вопрос обязательно должен у кого-нибудь возникнуть. Отвечаю. Емкость, указанная в даташите измерена при совершенно других условиях (напряжение затвор-исток = 0 В, напряжение сток-исток = 25 В, частота = 1 МГц), отличных от тех, при которых измеряет емкость транзистор-тестер, поэтому сравнивать значение емкостей из транзистор-тестера и даташита - просто бессмысленно.
И последнее. Кто-то наверняка сказал: ну и что, что не оригинал, зато дешевле, какая разница?! Хорошо, если бы разница была только в цене, но нет! Оригинальный транзистор - это транзистор, который соответствует всем заявленным производителем параметрам из даташита. Поддельный транзистор - это транзистор, который не соответствует никаким параметрам. По сути, подделка - это другой транзистор. Подделка, на которой написано "IRF740", по своим параметрам может являться чем угодно, но только не IRF740. Часто подделка - это другой, более дешевый и маломощный транзистор, перемаркированный под другой, более дорогой транзистор. Другими словами, по-простому, если собрав ИИП на оригинальных IRF740 вы сможете легко и непринужденно, долговременно снять 300 Вт мощности, а кратковременно и того больше, то собрав тот же ИИП на поддельных "IRF740", вы можете получить фейерверк при попытке снять более 100 Вт, а иногда даже при первом же включении.
Номиналы элементов R6 и C7 рекомендованы производителем, поэтому автор просто решил прислушаться к данной рекомендации.
Резистор R7 задает ток срабатывания защита от перегрузки и короткого замыкания. Приблизительно выбрать номинал резистора R7 под определенное значение выходной мощности блока питания, можно руководствуясь таблицей ниже:
Значения сопротивления резистора R7, указанные в таблице - приблизительные, поэтому в реальности значение выходной мощности, при котором будет происходить срабатывание токовой защиты, может отличаться. Лучше всего номинал R7 подбирать экспериментально.
Цепь C10 и R8 предназначена для гашения выбросов напряжения на первичной обмотке трансформатора. Конденсатор C12 предназначен для уменьшения помех генерируемых импульсным блоком питания.
Т1 - основной, силовой трансформатор. Он рассчитывается с применением специализированных компьютерных программ. В авторском варианте блока питания, первичная обмотка намотана проводом диаметром 0,5 мм и содержит 50 витков. Вторичные обмотки - две, по 13 витков. Они намотаны в два провода по 0,5 мм. С точки зрения снижения скин-эффекта, обмотки лучше мотать в несколько тонких проводов, чем одним толстым. Сердечник для силового трансформатора, как и многое другое, был взят из компьютерного блока питания ATX.
VDS2 диодный мост цепей вторичного питания. В его составе необходимо применять только ультрабыстрые диоды, либо диоды Шоттки. Диоды выбираются исходя их выходного напряжения и тока. В авторском варианте источника питания применены диоды SF54 (5 A, 200 В). С этими диодами можно безопасно снимать с каждого плеча блока питания до 2,7 А. Диоды SF54 необходимо устанавливать на плату таким образом, чтобы выводы диода были как можно большей длины - это необходимо для эффективного отвода и рассеивания тепла от кристаллов диодов. При необходимости получить больший выходной ток, необходимо применять диоды в корпусе ТО-220 и предусмотреть возможность крепления их к радиатору. Для установки таких диодов необходимо будет немного изменить печатную плату.
Индуктивности L1 и L2 взяты из компьютерного блока питания. Представляют они из себя катушки, содержащие по 5-7 витков провода, намотанные на ферритовом стержне.
Конденсаторы С13 и С15 предназначены для подавления высокочастотных помех во вторичных цепях питания. Электролитические конденсаторы С14 и С16 выбираются исходя из требуемой выходной мощности блока питания, соотношение примерно следующие: 470 мкФ на каждые 100 Вт выходной мощности.
Правильно собранный из исправных деталей, блок питания, начинает работать сразу же после первого включения и в какой-либо настройке и регулировке не нуждается.
К статье прилагаются два варианта печатных плат:
Первый - с выпрямителем VDS1 на основе дискретных диодов 1N5408.
Читайте также: