Самодельный импульсный  блок питания для трансивера на Power-FETs      

Эту статью можно было бы назвать: « Импульсный блок питания для трансивера? – Нет ничего проще».  Об ИБП написано много, в этой статье есть интересные моменты, особенно касающиеся проблемм выпрямления больших токов.

Перевёл Николай Полюхов, DF3NP

 

Справка по техника безопасности.

Внимание, опасно для жизни!: данная схема работает при напряжении 230 В сети переменного токаz. После его выпрямления некоторые компоненты находятся под напряжением постоянного тока превышающими 322В.  Выполнять работы с блоком питания следует только в  обесточенном состоянии. Конденсаторы на первичной стороне ещё несколько секунд после отключении от сети находятся под напряжением..

 

Эксперименты с РС- импульсными блоками питания (ИБП- прим. DF3NP) дали мне толчёк к дальнейшему развитию этой темы. В новом ИБП также имеется  преобразователь с  полумостовой конфигурацией.

Разница  модифицированного и серийного  РС- ИБП заключается  в следующем:

·         два Power-FETs транзистора вместо биполярных в качестве ключевого преобразователя напряжения

·         управляемый выпрямитель на вторичной стороне вместо мощных диодов

·         отказ от применения драйвера с токовым пропорциональным управлением и однозначная регулировка ток/напряжение

С  деталями на ферромагнитных сердечниках, как трансформаторы, дроссели новый ИБП отдаёт максимальную мощность до 250Вт. при КПД  90%.

ИБП допускает кратковременную 20%-ную перегрузку.

 

Ферромагнитные сердечники от PC- ИБП

Ферромагнитные сердечники, применяемые в разных ИБП PC- АТ  не имеют больших различий. Как правило, они предназначены для работы до частот 25-40кГц. и выходной  мощности 200-240Вт.

Трансформаторы, установленные на платах ИБП, обычно встречаются небольших размеров. По поводу габаритов, не скажу, бо’льшие сердечники позволяют получить бо’льшую мощность или это только старые разработки.

Для меня предпочтительны трансформаторы, имеющие бо’льшие сердечники, поскольку на их каркасах имеется немного места для дополнительных обмоток. Маленькие трансформаторы для модификации имеют ограниченное применение.

 

 

Рис. 1: Трансформаторы от PC-ИБП

Выпрямители напряжения сети и фильтр

Эта часть ИБП является наиболее несложной.

С целью ограничения тока при включении ИБП в сеть, после тококомпенсирующего дросселя Dr1 включено  NTC– сопротивление  (NTC-Thermistor-  Negative Temperature Coefficient -сопротивление с отрицательным коэффициентом сопротивления прим. DF3NP). 

Его сопротивление при 25°C равно 5 Ом, после нагрева его током, протекающим через него сопротивление становится менее 1 Ом. (Не следует пытаться охлаждать NTC помещая его на пути воздушного потока от вентилятора, NTC при работе должен быть горячим! - DF3NP)

Выпрямитель сетевого напряжения расчитан на 4 А и не нуждается в принудительном охлаждении.

Критерием для выбора ёмкости С3 и С4 является допустимая величина пульсаций Ubr.  Для Ubr = 25В достаточно ёмкости 470мкФ, что справедливо при максимальной мощности в нагрузке при снижении  напряжения сети на 15%.

 

Ключевой преобразователь напряжения с импульсным трансформатором

В качестве ключевого преобразователя напряжения применены применены мощные полевые транзисторы. Power-FETs потому, что они имеют малое время включения и выключения, также потому, что схема управления ими очень упрощается. В случае достаточности времени переключения до 100 мсек,  для управления Power-FETs достаточно  одного маленького трансформатора и двух  резисторов в цепи затворов.

К сожалению, на вторичной стороне нет возможности для получения напряжения смещения на затворах, поэтому с Tr4  нужно снять обмотки 1 виток и 2х8 витков и на их место бифилярно намотать 2х16 витков. При соотношении витков 16:26 и при управляющем сигнале от микросхемы IC1 20В получается  напряжение смещения  около10В. При таких напряжениях  внутреннее сопротивление открытого транзистора составляет около 0,75 Ом, и в открытом состоянии на транзисторе расеивается очень маленькая мощность. При частоте переключения 50кГц. и  времени переключения, оговорённого выше, потери  находятся в требуемых пределах. Драйвер в PWM IC1 вырабатывает достаточный ток  для открытия FETs. Повышение частоты с 33 кГц в РС- ИБП до 50 кГц.в модифицированном ИБП  позволяет снимать с  трансформатора бо’льшую мощность. Поскольку сердечники трансформаторов могут быть использованы только в определённых частотных областях, не следует применять для этого первый попавшийся трансформатор. Исследования показали, что трансформаторы без перегрева позволяют увеличить мощность в 1,5 раза.

Рис. 2: Фильтр, выпрямитель и ключевой преобразователь напряжения с импульсным трансформатором

Управление

 

После подачи напряжения сети, во вторичной обмотке Tr1  трансформируется вспомогательное напряжение, необходимое для запуска   PWM  IC1 типа SG3525.

IC1 имеет внутренний стабильный источник  опорного напряжения +5,1 В. Внутренний операционный усилитель IC1 сравнивает Uвых с  Uоп этого источника и управляет ШИМом IC , с  2-х выходов которого импульсы подаются на Tr4.  Длительность импульсов  обратно- пропорциональна соотношению напряжений.  Так при  увеличении нагрузки в цепи +13,8В импульсы будут шире, при уменьшении уже.

Частота переключения составляет 50кГц. и устанавливается деталями, подключаемыми к 5 и 6 выводам (R11, C14).  R14 служит для установки «мёртвого времени», времени когда оба транзистора не могут быть одновременно открыты. Теоретически при «мёртвом времени» от 1 µcек и периода от 20 µcек FETs  могут более 95 % времени проводить ток  и передавать энергию на выход.

C13 служит для плавного запуска ИБП.  Управляющие импульсы сразу после включения будут узкими, по мере его заряда будут расширяться.

Вывод «с»  Tr4  не переключается.  При 26 витков (a - b)  (возможно на рис.7  в данных на витки ошибка - DF3NP) и 16 витков вторичной обмотки получается необходимый коэффициент трансформации равный 0,6.

 

Контроль

Работа ИБП контролируется различными методами.

Tr2,  являющийся датчиком тока, вырабатывает на R16 напряжение пропорциональное току ключевого преобразователя.

Когда напряжение на R16 превышает установленную Р1 граничную величину, оно с движка  Р1 подаётся на вывод 10, что вызывает срабатывании защиты по току.  Причинами, вызывающими повышение этого напряжения обычно являются  слишком большой ток  во вторичной стороне вызванный КЗ или перегрузкой выхода +13,8 В.

Нагрузка и ИБП имеют также защиту от перенапряжения (D7, D8, R15, P1- DF3NP).  При превышении напряжения 15 В оно через делитель подаётся на вывод 10, что вызывает срабатывании защиты по напряжению.

При положении, когда движок Р1 соединён с массой, обе защиты отключены!       (думаю, поэтому следует включить между Gnd и нижним выводом Р1 дполнительный  резистор- DF3NP )

 

 

Рис. 3: Управление и контроль

Выпрямитель низкого напряжения                                 

При обычных схемах выпрямления с выпрямителями на Fast-Recovery диодах  нужно быть готовыми к большим потерям на них. Так при токе 18 А на диодах рассеивается до 17 Вт. При применении диодов Shottky потери составят «всего» 12 Вт.

Эти потери составляют бо’льшую часть потерь в  ИБП.  Все потери в первичном (сетевом) выпрямителе, ключевом преобразователе, трансформаторе и выходном дросселе меньше, чем  в выпрямителе низкого напряжения.

Улучшение  здесь можно получить при применении управляемого выпрямителя на двух  Power-FETs с низким внутренним сопротивлением, имеющим величину около 15милиОм. На таком сопротивлении при токе 18А  падение напряжения всего 0,3 В. Хорошие  диоды Shottky имеют падение напряжения 0,6В.

Однако в  литературе не советовали применение в двухтактных  ступенях подобных схем.  Как основание указывалось, что когда оба ключа заперты и ток в дросселе (Dr2-  DF3NP ) имеет обратное направление и течёт через низкоскоростные  Bodydiode  полевых транзисторов.  На этом основании при переходе в нормальное рабочее состояние из- за перезарядки Bodyдиодов возникают большие потери, которые сводят на нет полученный при проводящем состоянии Power-FETs выигрыш.  Нижеследующая схема свободна от этого недостатка потому, что  Bodydiode в данной схеме исключены из цепи протекания  этого тока.

Ток с дросселя течёт через диод обратного тока- диод Shottky D3, включенный перед  дросселем Dr2 , поскольку он имеет меньшее напряжение открывания, чем Fast-Recovery диоды и таким образом шунтирует их.  Он не имеют заряда и поэтому переключается очень быстро и без потерь. Из исследовательских соображений этот диод D3 был отключен и температура радиатора с FETs  сразу повысилась на 10°C и это несмотря на то, что Bodydiod применяемого транзистора IRFZ44 имеет очень хорошие временны’е характеристики, его время переключения менее 47ns.

При типичной длительности во включенном состоянии свыше 57% потери на обеих  FETs составляют 3,6 Вт. Через диод обратного тока D3 в течение остального времени  течёт ток и на нём выделяется мощность 4,6Вт. Это меньше, чем при применении в выпрямителе диодов Shottky. Если в качестве диода обратного тока D3 также применить Power-FETs этот показатель можно улучшить ещё.

Так как  управление этого FETs  сложнее, чем  VT3 и VT4, я отказался от его применения.

Второе основание для отказа применения здесь Power-FETs то, что при низком напряжении в сети, или большом выходном токе время включения

VT3-VT4 не  соответствует  времени включения D3.

Рис. 4: Управляемый выпрямитель

Конструкция и настройка

Для постройки ИБП потребуется  стеклотекстолитовая плата размером плата 82 x 122 mm.  Другой материал применять не следует, т.к. на плате будут установлены относительно тяжёлые детали.  Детали для управляющей и защитной частей схемы смонтированы на отдельной макетной плате. Sorry,  но я  поленился для этой части  ИБП изготовить отдельную плату.

Рис.5: Печатная плата  

Детали для управляющей и защитной частей схемы смонтированы на отдельной макетной плате размером 40 x 45мм с проводящими дорожками в виде полосок фольги.

Рис.6: Вид платы со стороны дорожек                                        Рис.7: Вид платы со стороны деталей

       

Tрансфоррматоры

Ниже показаны  трансформаторы PC-ИБП.  Их данные были определены при помощи измерений, подсчёта витков и расчётов.

Перед применением трансформаторов необходимо проверить соответствуют- ли они по размерам, числу обмоток, их назначению, числу витков с данными, приведёнными на схеме и фото’s.

При сомнении следует отказаться от его применения.

Рис. 7: PC-Tрансформаторы и их модификация

(На рис.7:   Ansicht von unten- вид снизу.  (...) neue Windungszahl – новое число витков.   Prim- первичная,  sek- вторичная обмотки. Isolierter Schaltdraht- провод в изоляции. – DF3NP) 

Радиаторы

Радиаторы изготовлены из алюминия толщиной 1мм. Слева радиатор для VT1 и VT2, которые должны быть изолированы друг- от- друга и от радиатора.

На правом радиаторе устанавливаются VT3, VT4 и D3

 

Рис. 8: Радиаторы

Детали (часть 1)

Резисторы, Конденсаторы, полупроводники

Bauteilnummer	Wert
R1, 2	120 kOhm, 0,5 W
R3	100 Ohm , 2 W
R4, 5, 9	1 kOhm
R6	10 Ohm, 2 W
R7, 10	10 kOhm
R8	1,5 KOhm + 150 Ohm
R11	5,6 kOhm
R12, 13, 14	47 Ohm
R15, 16	150 Ohm
P1	10 kOhm Trimmer
NTC	Heissleiter, 5 Ohm bei 25 °C
C1, 2	0,1 uF 250 Vac
C3, 4	470 uF 200 V, 22 x 36 mm (D, H)
C5, 15	2,2 nF
C6	1 uF, 250 Vac
C9, 10	2200 uF, 35 V geringes ESR, 16 x 34 mm (D, H)                                         geringes- малый
C7	100 µF, 35 V
C8, C20	10 nF
C11,12	0,22 µF
C13	10 uF, 25 V
C14	2,2 nF Styroflex
C16	2,2 uF
C17, 18, 19	0,047 uF
D1, 2	PXPR1507 o.ä. schnelle 200 V / 1A Diode
D3	MBR3045, 30 A / 45 V Schottky-Diode
D4, 5, 6	BAT 46
D7	Z-Diode, 13 V / 0,5 W
D8	1N4148
VT1, 2	IRF730
VT3, 4	IRFZ44N
IC1	SG3525A
Gl1	Brückengleichrichter, Dual In-Line B40C800 DIP                           Brückengleichrichter- мостовой выпрямитель
Gl2	Brückengleichrichter 400 V / 4 A

Stückliste (Teil 2)

Трансыорматорыб дроссели и прочие детали

Bauteilnummer	Wert
Tr1	0,5 W Printtrafo EE20/10, 15 Vac bei 34 mA,                               Тр. для печатного монтажа 24 x 32 mm (Reichelt/Conrad)
Tr2	16 x 15 x 5 mm (B,H,T)
	1 Wdg. prim. Und                                                                               1 Wdg. рrim. -  1 виток первичн. обм.
	2x 100 Wdg. sek.
Tr3	40 x 35 x 12 mm (B,H,T) z. B. Tokin 25812 od. 25801
	2x 20 Wdg. prim. (L  = 7 mH zwischen a <=> c)                                          zwischen - между
	2x (3 + 4) Wdg. sek. (L = 200 uH zwischen d <=> f bzw. d <=> f*)              f bzw  - также для
	2x 4 Wdg. sek. Hilfswicklung zur Ansteuerung von VT3/4    Hilfswicklung zur Ansteuerung von - вспомогат. обмотка  для управления VT3/4.
Tr4	22 x 19 x 6 mm (B,H,T)
	2x 26 Wdg. prim.
	2x 16 Wdg. sek.
Dr1	stromkompensierte 2A Netzdrossel                                       -   Тококомпенсирующий сетевой дроссель
Dr2	20 uH, T26-106 (gelb / weiss), 16 Wdg. 2x 1 mm Cu-Draht parallel
	besser Magnetics Kool 259-77934-A7, 20 Wdg. 2x1 mm Cu-Draht parallel
Netzfilter   сетевой фильтр	handelsüblicher 230 V / 2 A Netzfilter
Si	3,15 AT Sicherung                    предохранитель
PS	Netzschalter, zweipolig
Sonstiges	Platine, Kühlkörper, Isolierfolie, Wärmeleitpaste etc.

Серым маркированы детали, имеющиеся в РС- ИБП и могут быть применены в данном ИБП.

Не советую сразу после изготовления включать ИБП в сеть.  Для предотвращения выхода из строя деталей ИБП  необходимо провести предварительную проверку без сетевого напряжения.

Внимание! : проверку температуры деталей  следует проводить только в обесточенном состоянии.

Фаза1:

 

Проверка работы PWM-IC и управления ключевым преобразователем. Для этого необходим источник постоянного тока напряжением  24В. Его «+» подключить к  «+»С7 (Vх ), «-» к GND.  После подачи напряжения на 11 и14 ножках IС1  должны быть  прямоугольные импульсы с крутыми фронтами.  На затворах VT1, VT2 управляющие импульсы имею вид, как на рис.9. Очень важно, чтобы сигналы  имели такую же величину, форму и частоту. Также сигналы на затворах должны быть в противофазе, если они в фазе, то оба FETs были- бы в проводящем состоянии, что при подаче питающего напряжения  приведёт к КЗ.

 

 

 

 

Рис. 9: Управляющее напряжение на затворах VT2 (VT1)

Фаза2:

 

Нагрузить выход 13,8 В 3 автомобильными лампами (12 В / 21 Вт ).  Через трансформатор 230/48В подать переменное напряжение 48В  на L1 / N, при этом  источник +24В остаётся подключенным.  Постоянное напряжение на С1 и С2 будет примерно 60В. При этом напряжении   ключевой преобразователь уже может работать.  Для измерений с помощью осцилографа  нужно перемычкой временно соединить GND вторичной стороны  и  Y первичной.   На выходе ИБП будет постоянное напряжение  4,3В и лампы нагрузки будут слабо светиться, что свидетельствует пока всё ОК.  Выпрямление переменного напряжения на вторичной стороне осуществляется пока  Bodyдиодами полевых транзисторов т.к.  напряжения  на затворах   VT3 и VT4 пока недостаточно для открытия  FETs.  PWM IC1 пробует максимально расширить управляющие импульсы, чтобы на выходе ИБП получить 13,8В, что при 60В АС не удаётся.

 

Рис. 10: Напряжение в точке Х относительно Y и на катоде  D3 относительно GND

Фаза 3:

 

Если всё ОК, можно начинать проверку непосредственно от сети 230 В.  Само- собой разумеется  вспомогательный выпрямитель, трансформатор 48В, перемычки, измерительные приборы нужно удалить. 

3 лампы- нагрузку ИБП оставить подключенной. Если при подключения сети 230В лампы ярко светятся и выходное напряжение составляет 13,8В, ИБП работает без шумов и ощутимых запахов первый раунд выигран!

Если в ИБП при предварительном тестировании  всё- таки имелась необнаруженная ошибка, как правило, оба транзистора и проводники печатной платы попрощаются, издав при этом больше, или меньше хлопков.

При токе 5,7А соотношение длительности импульсов составляет D=tp/T=5 us / 10 us, примерно50 %.

 

Фаза  4:

 

Для этого теста потребуется нагрузка способная выдержать 300Вт.  Поскольку такие мощные резисторы дороги, я использовал в качестве нагрузки 50м 3-х фазного кабеля 3х1,5мм^2. .  Сопротивление  одной жилы составляет 0,6 Ом и позволяет без проблемм выдержать такую мощность.  Последовательное включение 3х жил позволяет также получить сопротивления   1,2 и 1,8 Ом. Сопротивление шунта амперметра вносит дополнительно 0,1 Ом.

В нижеследующей таблице приведены данные, полученные при проверке построенного ИБП при Uвых= 13,8 В .

 

Rl [Ohm]	Glühlampen – лампы накаливания	Io [A]	Po [W]
- / -	1x 12 V / 21 W	1,9	26
- / -	2x 12 V / 21 W	3,8	52
- / -	3x 12 V / 21 W	5,7	78
1,8 + 0,1	- / -	7,26	100
1,2 + 0,1	- / -	10,6	146
1,2 + 0,1	2x 12V / 21 W	10,6 + 3,8	198
1,2 + 0,1	3x 12V / 21 W	10,6 + 5,7	224
0,6 + 0,1	- / -	19,7	270

Дополнительные меры по снижению помех

Опыт по переделке РС. ИБП  показывает, что фильтра, установленного на плате недостаточно.

Обычный промышленный сетевой  фильтр и  самодельный П- фильтр на выходе 13,8В уменьшают помехи.

Сначала было решено отказаться от применении выходного фильтра из- за падения напряжения на нём, в пользу стабильности цепи регулирования, однако изменение выходного напряжения на несколько десятков миливольт при изменении тока нагрузки, при использовании этого ИБП для питания  100Вт. трансивера не имеет никакого значения. 

Дополнительные фильтры смонтированы в корпусе ИБП непосредственно у входов кабелей.

 

Рис. 11: Внешние компоненты помехоподавляющих фильтров

Опыт применения

До 10 А  в длительном режиме, или при среднем токе с 50% ESD  и 18 А пиковым током можно отказаться от применения вентилятора для принудительного воздушного охлаждения, если внешняя температура не превышает 30°C и в ИБП достаточные условия для конвекции. Если кто хочет получить длительно больше 10 А,  должен установить небольшой вентилятор. Небольшая площадь радиатора недостаточна для отвода тепла от  мощных полупроводников при таком токе и поддержания температуры переходов транзисторов в допустимых границах (Т< 100°C).

Для этой цели достаточен вентилятор от СРU размерами 40х 40мм.  При наружной температуре +20°C вентилятор  понижает температуру радиатора до 28°C.

(При наличии места в ИБП, я  применил бы здесь больший вентилятор 80, или 120мм. не потому, что не хватит охлаждения, а чтобы снизить уровень шума от него. Этот маленький 40х 40мм издаёт шум с уровнем 20-25 дБ в то время, как современные 120мм вентиляторы имеют всего 12- 18 дБ. Если вентилятор питать пониженным напряжением, то о его наличии никто и не догадается – DF3NP).

 

Потери мощности при выходной мощности 250 Вт на компонентах ИБП.

Abk.	Bauteil	Pv [W]
Gl2, Dr1	Netzgleichrichter u. Filter    сетевой выпрямитель и фильтр	2,5
VT1	Schalttransistoren                ключевые транзисторы	4,0
VT2		4,0
R3 / C5	Snubber	1,5
Tr3	Ausgangstrafo                     выходной трансформатор	2,0
VT3	gesteuerter Gleichrichter         управляемый выпрямитель	1,8
VT4		1,8
D3	Freilaufdiode                            диод  обратного тока	4,6
Dr2	Drossel	2,0
IC1	PWM-Regelung	1,0
Summe		25,2

 

 

Авторские права

Предоставленные здесь схемы, тексты, рисунки, фотографии и т.д. является собственностью Udo Theinert DL2YEO. Они  могут быть без письменного разрешения полностью, или частично репродуцированы или перерабатаны с помощью электронных средств, размножены, распостранены или изготовлены.

Схемы могут быть использованы только для личных целей и с указанием и ссылкой на источник.

Все ссылки на страници других авторов являются редакционными литературными ссылками. За содержание в иностранных источниках ответственность перенята быть не может.
 E-mail: Delta Lima 2 Yankie Echo Oscar @ Queen Romeo Papa 4 Uniform . Delta Echo

http://www.qrp4u.de/index_de.html

 

73! Николай Полюхов, DF3NP