Блок питания импульсный своими руками в бюджетном варианте. Хочу представить радиолюбителям для повторения или может быть просто для ознакомления собранный мной импульсный источник питания для усилителей мощности звука. Надо упомянуть, что такие устройства как ИИП сейчас получили широкое распространение в радиолюбительском конструировании. В наших домах импульсные блоки питания работают в компьютерах, зарядных устройствах для мобильных телефонов и во всей современной электронике и телевизионном оборудовании.
Блок питания импульсный своими руками
Многие инженеры-электронщики желающие построить или уже построили усилитель мощности, часто на базе TDA7294, для которого требуется симметричный источник питания с большим током на выходе. Изготовленный мной блок питания импульсного типа предназначен для питания именно такого усилителя. Этот проект является интересной альтернативой дорогому и тяжелому тороидальному трансформатору. Поскольку многие его компоненты можно бесплатно получить из поврежденных компьютерных блоков питания.
Описание системы
Принципиальная схема блока питания импульсного не моей разработки, а взята из Интернета. Практически идентичную схему (за исключением входных фильтров) можно найти в техническом описании интегральной схемы IR2153, которая используется в этой конструкции.
Cхема импульсного блока питания представлена на рисунке ниже. Принцип работы БП заключается в следующем: сетевое напряжение, пройдя через предохранитель и варистор, поступает на сетевой фильтр С1, С2, TR1A+TR1B. Конденсаторы C1 и C2 должны быть рассчитаны для работы с переменным напряжением, имеют маркировку «X2» и узнаваемы по желтому прямоугольному корпусу. Назначением фильтра является предотвращение попадания помех в сеть, создаваемых преобразователем. Сетевое напряжение выпрямляется мостом В1 и фильтруется емкостями С3-С6.
Эти конденсаторы и резисторы R1, R2 делят напряжение пополам, что немаловажно. Кстати, конденсаторы такого типа также можно добыть из компьютерных блоков питания и не обязательно должны иметь высокие параметры. Поскольку они фильтруют низкочастотное сетевое напряжение. Сердцем всей схемы является маленький кубик IR2153, имеющий довольно необычный «блок питания», состоящий из R3 и C7. Резистор R3 должен быть большой мощности, так как на нем падает практически все выпрямленное сетевое напряжение, а на схему подается напряжение примерно 15В, величина которого определяется встроенным в микросхему IR2153 стабилитроном.
Элементы R4 и С8 определяют рабочую частоту преобразователя, которая составляет примерно 20 кГц. Если вы заинтересованы в изменении тактовой частоты, обратитесь к техническому описанию микросхемы IR2153. Интересным фактом является то, что замыкание конденсатора C8 останавливает преобразователь, что может быть полезно в качестве функции аварийного отключения или режима ожидания устройства. Интегральная микросхема, обозначенная на схеме как US1, поочередно управляет затворами ключей IRF840 (двухтактное), что вызывает появление переменного напряжения на обмотке импульсного трансформатора, подключенного через С16 к половины напряжения питания.
Блок питания импульсный — особенности настройки
Трансформатор обеспечивает гальваническую развязку и обеспечивает все необходимые напряжения. На вторичной обмотке трансформатора имеются два выпрямителя: одинарный и симметричный. Из-за высокой рабочей частоты (20кГц) используемые диоды должны быть быстродействующими — импульсными. Я использовал FR302 (3А, 100В), также взятые из компьютерных блоков питания. Эти диоды немного слабоваты для TDA7294, но об этом позже. Выпрямленное напряжение поступает на сглаживающие конденсаторы С10-С15 и С20, С21.
Это не обычные электролиты, а так называемые низкоимпедансные (с низким ESR). К сожалению, в компьютерных блоках питания нет конденсаторов на такое высокое напряжение (35 В) на выходе, и мне пришлось их покупать. Конечно, вместо трех конденсаторов по 1000 мкФ можно использовать один на 4700 мкФ или больше (примерно по 1000 мкФ на каждое плечо для одной микросхемы TDA7294, которую вы будете использовать в усилителе).
Источник питания 12 В предназначен для питания других возможных функций усилителя, и я использовал емкости 2×4700 мкФ/25 В, также с низким ESR. На выходе каждого плеча также имеется CLC-фильтр, подавляющий возможные импульсные помехи. Я допускаю, что его параметры могут быть не оптимальными, так как я использовал дроссели с максимально толстым проводом и минимальными размерами. Читатели любящие экспериментировать, могут попробовать применить для каждого плеча одиночные или общие тороидальные дроссели, намотанные на одном порошковом сердечнике (желтого цвета). Такие дроссели используются на выходах компьютерных блоков питания, и их можно взять оттуда. На концах каждого плеча есть резистор. Его функция — предварительная нагрузка инвертора (без них ненагруженный инвертор может выйти из строя).
Трансформатор для импульсного блока питания
Пожалуй, самым важным компонентом описываемого инвертора является подходящий импульсный трансформатор. Такие трансформаторы можно найти и в компьютерных блоках питания, но на этом пути встает серьезная сложность разделения сердечников, поскольку они склеены вместе. До сих пор мне не удалось разобрать ни одного трансформатора (хотя я вымачивал их в течение недели один раз в ацетоне, другой раз в растворителе на основе ксилола), и все сердечники сломались, когда я попытался их разобрать.
Остался только корпус, но я больше не доверял эмали на обмоточном проводе после такого купания в растворителях. У меня был выбор: либо использовать готовый трансформатор из компьютерного блока питания, либо намотать его самому. Я выбрал последний вариант и купил корпус ETD44 вместе с двумя половинками сердечника и двумя зажимами. Сердечник для инвертора был изготовлен из материала 3C90 и (как и во всех других типах push-pull) был без паза.
Количество витков указано в схеме, но этого недостаточно, поэтому я расскажу, как намотал свой трансформатор. Чтобы сделать первичную обмотку, я отмерил 3 одинаковых отрезка обмоточного провода диаметром 0,3 мм и длиной около 4 метров.
Варианты намотки трансформатора
Эмаль-провод я добыл, размотав несколько старых катушек. Затем я сделал V-образную скрепку из сложенного в несколько раз листа бумаги. Я скрутил концы провода пальцами, вставил их в скрепку и закрепил все это на столе с помощью столярного зажима. Бумага предохраняла стол и обмотки от повреждений при сжатии. Другой конец пучка проводов я зажал в патроне электродрели, как сверло. Убедившись, что провода натянуты и на них не образовалось петель, я осторожно включил дрель и скрутил провода в жгут. Делая такой необычный провод, я хотел предотвратить влияние скин-токов, которые возникают на высоких частотах и при большой мощности. Провод для вторичной обмотки я сделал таким же образом, только использовал не три, а пять отрезков провода и скрутил их вместе описанным выше способом.
Сначала на каркасе была размещена первичная обмотка. Я наматывал строго виток к витку, в итоге у меня получилось два слоя. После этого я сделал изолирующую прокладку из желтой изоляционной ленты, смотанной с трансформаторов от компьютерных блоков питания.
Наматывать изоляционную ленту нужно аккуратно, чтобы она покрывала всю обмотку и тем самым обеспечивала хорошую изоляцию от сети 230 В. Поэтому следует тщательно сделать как минимум два слоя изоляции. Затем я намотал пару вторичных обмоток 36 В, каждую в два провода, сделал изолирующую прослойку из вышеупомянутой ленты и в самом конце намотал еще обмотку 12 В. Затем зачистил концы обмоток от лака, облудил их оловом и припаял к соответствующим выводам катушки.
Поверх обмоток, я также намотал защитную ленту, но уже более толстую, чтобы надежно защитить обмотки от повреждений. Если кто-то захочет дополнительно защитить трансформатор лаком, то это нужно сделать на данном этапе сборки — перед установкой сердечника. Я этого делать не стал, так как хотел иметь возможность разобрать трансформатор в случае возникновения проблем с этим компонентом. К моему приятному удивлению, с трансформатором не возникло никаких проблем во время работы. После сборки обеих половинок сердечника я установил крепления, и трансформатор был готов.
Монтаж и ввод в эксплуатацию
Система преобразователя была собрана на печатной плате, показанной на рисунке ниже. К сожалению, из-за большого количества конденсаторов плата немного увеличилась. При сборке обратите особое внимание на полярность компонентов, особенно электролитических конденсаторов. Импульсные диоды необходимо устанавливать в вертикальном положении, а точки X-Y соединить отрезком толстого изолированного провода. Под трансформатором расположены площадки для пайки RC-элементов, создающие дополнительные фильтры. Устанавливаем их со стороны печати. В своей конструкции я их не устанавливал.
После того как все компоненты припаяны, можно приступать к вводу в эксплуатацию. Для этого сначала подключите преобразователь последовательно с обычной лампочкой накаливания 220 В мощностью 60-100 Вт. После подключения питания лампа должна кратковременно вспыхнуть (ток идет на зарядку конденсаторов и запуск преобразователя), а затем едва светиться. Если лампочка светится наполовину или полностью, а также если она мигает, значит, вы допустили ошибку при сборке.
Отключите схему и подождите около минуты, чтобы конденсаторы разрядились. Если же лампочка не загорается или горит лишь тускло, можно считать, что инвертор работает исправно. Теперь замерьте напряжение на его выходах. При последовательном подключении лампочки оно должно составлять около ±33 В. Если напряжения в норме, можно отсоединить лампу и подключить преобразователь напрямую к сети. Когда схема правильно собрана и работает, можно покрыть дорожки на печатной плате электроизоляционным лаком или нитролаком. Такой лак сделает схему устойчивой к влаге, защитит дорожки от окисления и снизит риск короткого замыкания, если под плату попадут металлические детали (например, винты).
Возможности изменений схемы
Первое изменение может заключаться в замене нескольких параллельных конденсаторов на один заданной емкости. Так, входные C3-C6 должны быть 1000 мкФ/200 В каждый, а выходные — от 2000 мкФ до 10 000 мкФ/40-50 В в зависимости от нагрузки.
Как я уже упоминал ранее, диоды FR302 могут не справиться с нагрузкой из двух или более выводов TDA7294. Их придется заменить на более мощные импульсные диоды, такие как FR502 (100 В, 5 А, 150 нс) или еще более мощные, например BY329 (8 А, 800 В, 100 нс), но самым дешевым вариантом будет использование двойных диодов SB3030PT (30 В, 30 А) или SB3060PT (60 В, 30 А), которые можно выпаять из компьютерных блоков питания. Для источников питания меньшей мощности можно использовать FR102 (100 В, 1 А, 150 нс) или BY228 (2,5 А, 1500 В, 1 мкс).
Трансформатор можно намотать и по-другому, но первичная обмотка не должна быть менее 40 витков, так как есть риск насыщения сердечника, увеличения потребления тока, снижения КПД и, следовательно, ненужных потерь мощности на нагрев. При 40 витках первичной обмотки на виток вторичной приходится примерно 6В, поэтому подбором количества витков трансформатора можно получить различные напряжения.
На основе описанной схемы, после уменьшения количества конденсаторов и подбора параметров трансформатора, можно изготовить другие источники питания. Например для галогенных ламп, лабораторный блок питания (после добавления цепей регулировки напряжения), преобразователь для питания люминесцентных ламп холодного старта и даже блок питания импульсный для ламповых усилителей! В последних случаях необходимо создать напряжение выше напряжения сети (250-300В для ламп и 600В для люминесцентных ламп, которым не требуется выпрямитель) и следовательно намотать больше витков.
При намотке высоковольтной обмотки необходимо исключить возможность пробоя между витками трансформатора. Поэтому каждый слой обмоток нужно отделять пластиковой прокладкой (фольга тефлоновая — толстая для трансформаторов, я использовал такую фольгу для импульсов 13кВ и она не пробивалась). А трансформатор после намотки, желательно пропитать в электроизоляционном лаке (перед установкой сердечника).
Конечно, на основе этой схемы можно сделать любой импульсный блок питания для любого устройства. Все зависит от потребностей и творческой фантазии конструктора. Такой блок питания является интересной альтернативой большому и тяжелому тороидальному трансформатору. Конечно, при условии, что выход достаточно надежно изолирован от электросети.
Список используемых элементов
| # | Наименование | Номинал |
|---|---|---|
| 1 | R1,R2 | 150 кОм 1 Вт |
| 2 | R3 | 47 кОм 5 Вт |
| 3 | R4 | 47 кОм |
| 4 | R5,R6 | 7,5кОм 2Вт |
| 5 | R7 | 2,2кОм 2Вт |
| 6 | C1,C2 | 470нФ/250В |
| 7 | C3,C5 | 470 мкФ/200 В |
| 8 | C4,C6 | 680 мкФ/200 В |
| 9 | C7,C9 | 100 мкФ/25 В |
| 10 | C8 | 470пФ |
| 11 | C10-C15 | |
| 12 | C16 | 2,2мкФ/250В |
| 13 | С17,С19,С22,С23 | 100нФ/50В |
| 14 | C20,C21 | СОЭ |
| 15 | B1 | RS602 |
| 16 | D1 | FR102 |
| 17 | D2-D9 | FR302 |
| 18 | T1,T2 | IRF840 |
| 19 | US1 | IR2153 |
| 20 | F1 | 6,3A |
| 21 | L1-L3 | внизу, fi=1,5мм на ферритовом сердечнике fi=6мм |
| 22 | TR1A,TR1B | сетевой фильтр 38541-02 R02 C5 0023 |
| 23 | Tr2 | ETD44 |
| 24 | W1 | MF72 |
| 25 | Z1,Z3 | ARK-2A |
| 26 | Z2 | ARK-3A |