Источники питания



[Содержание номера ] [Содержание года ] [Архив ] [Статьи ]
Простой импульсный стабилизатор

С.Засухин, г.Санкт-Петербург

Преимущества импульсных стабилизаторов постоянного напряжения известны: высокий
КПД и устойчивая работоспособность при большой разнице значений входного и
выходного напряжений.
В “Радио” уже публиковались описания таких стабилизаторов, но они либо не имеют
защиты от замыкания в нагрузке , либо очень сложны .
Предлагаемый стабилизатор с широтно-импульсным управлением (рис.1) по принципу
действия близок к стабилизатору, описанному в , но, в отличие от него, имеет
две цепи обратной связи, соединенные таким образом, что ключевой элемент
закрывается при превышении напряжения на нагрузке или превышении тока,
потребляемого нагрузкой.

Рис.1

При подаче питания на вход устройства ток, текущий через резистор R2, открывает
ключевой элемент, образованный транзисторами VT2, VT3, в результате чего в
цепи транзистор VT3 – дроссель L1 – нагрузка – резистор R6 возникает ток.
Происходит зарядка конденсатора C4 и накопление энергии дросселем L1. Если
сопротивление нагрузки достаточно большое, то напряжение на ней достигает 12 В
и открывается стабилитрон VD4. Это приводит к открыванию транзисторов VT5, VT1
и закрыванию ключевого элемента, а благодаря наличию диода VD1, дроссель L1
отдает накопленную энергию нагрузке.

По мере уменьшения тока через дроссель и разрядки конденсатора C4 напряжение на
нагрузке уменьшится, что приводит к закрыванию транзисторов VT5, VT1 и открыванию
ключевого элемента. Далее процесс работы стабилизатора повторяется.

Конденсатор CЗ, снижающий частоту колебательного процесса, повышает КПД
стабилизатора.

Более подробно о работе такого стабилизатора рассказано в .

При малом сопротивлении нагрузки колебательный процесс в стабилизаторе происходит
иначе. Нарастание тока нагрузки приводит к увеличению падения напряжения на резисторе
R6, открыванию транзистора VT4 и закрыванию ключевого элемента. Далее процесс
протекает аналогично описанному выше. Диоды VD2 и VD3 способствуют более резкому
переходу устройства из режима стабилизации напряжения в режим ограничения тока,
потребляемого нагрузкой.

Нагрузочная характеристика стабилизатора приведена на рис.2. На участке а-б
устройство работает как стабилизатор напряжения, на участке б-в – как стабилизатор
тока. На участке в-г выходной ток с уменьшением сопротивления нагрузки хотя и
растет, но даже в режиме короткого замыкания (точка г) он безопасен для деталей
стабилизатора.

Рис.2

Интересно отметить: во всех режимах работы стабилизатора потребляемый им ток
меньше тока нагрузки.

Стабилизатор выполнен на печатной плате из одностороннего фольгированного
стеклотекстолита (рис.3). Резисторы – МЛТ и С5-16Т
(R6). Оксидный конденсатор C4 составлен из двух конденсаторов К50-6 емкостью
по 500 мкф каждый; конденсаторы C2 и CЗ – К10-7В. Диод КД226А (VD1) заменим на
КД213; VD2 и VD3 могут быть любыми импульсными. Транзисторы VT1, VT4, VT5 –
любые маломощные соответствующих структур с Uкэ
max
>
Uвх
. Транзистор VT2 (с некоторым ухудшением КПД) может
быть любым из серии КТ814, VT3 – любым мощным структуры N-P-N в пластмассовом
корпусе, который следует установить на теплоотводе размерами 40х25 мм из
алюминиевого сплава.

Дроссель L1 представляет собой 20 витков жгута из трех проводов ПЭВ-2 0,47,
помещенных в чашечный магнитопровод Б22 из феррита 1500НМ3. Магнитопровод
собран с зазором толщиной 0,5 мм из немагнитного материала.

Безошибочно смонтированный стабилизатор налаживания не требует.

Стабилизатор несложно перестроить на другое выходное напряжение и ток, потребляемый
нагрузкой. Необходимое выходное напряжение устанавливают выбором соответствующего
стабилитрона VD4, а максимальный ток нагрузки – пропорциональным изменением
сопротивления резистора R6 или подачей на базу транзистора VT4 небольшого тока
от отдельного параметрического стабилитрона через переменный резистор.

Участок б-в на нагрузочной характеристике позволяет использовать устройство для
зарядки аккумуляторных батарей стабильным током. При этом, правда, КПД стабилизатора
падает, и если предполагается длительная работа на этом участке нагрузочной
характеристики, то транзистор VT3 придется установить на более эффективный
теплоотвод. Иначе допустимый выходной ток придется уменьшить.

Для снижения уровня пульсации выходного напряжения целесообразно использовать
LC-фильтр, аналогичный примененному в .

Мною смакетирован аналогичный стабилизатор на напряжение 18 В при токе нагрузки,
регулируемом от 1 до 5 А. Такое устройство можно использовать, например, для
зарядки автомобильных аккумуляторных батарей, если предусмотреть защиту от их
переполюсовки. Его транзисторы VT1 и VT2 – КТ914А, VT3 – КТ935А, VT4 и VT5 –
КТ645А; диод VD1 – КД213; VD4 – два последовательно включенных стабилитрона
Д814А. Конденсатор C4 – два оксидных емкостью по 500 мкф на номинальное
напряжение 25 В. Дроссель L1 – 12 витков жгута из шести проводов ПЭВ-2 0,57 в
магнитопроводе Б36 из феррита 1500НМ3 с зазором 0,5 мм. Резистор R6 –
проволочный сопротивлением 0,05 Ом. Транзистор VT3 и диод VD1 установлены на
общем теплоотводе с поверхностью 300 см&sup2 через слюдяные прокладки.

Для питания такого зарядного устройства использовался трансформатор ТН54 с
соединенными последовательно обмотками. Мостовой выпрямитель на диодах Д242 с
фильтрующим конденсатором емкостью 10 000 мкф на номинальное напряжение 50 В.

Приставка к блоку питания

Это преобразователь задумывался, как приставка, позволяющая расширить диапазон напряжений лабораторного блока питания, рассчитанного на выходное напряжение 12 вольт и ток 5 ампер. Принципиальная схема преобразователя показана на рисунке 1.

Основой устройства является микросхема однотактного широтно-импульсного контроллера UC3843N, включенная по типовой схеме. Непосредственно эта схема бала заимствована у немецкого радиолюбителя Георга Тиф (Tief G. Dreifacher Step-Up-Wandler. Stabile Spennunger fϋr den FieldDay). Данные на русском языке на эту микросхему можно посмотреть в справочнике «Микросхемы для импульсных источников питания и их применение» издательства «Додэка» на странице 103. Схема не сложная и при исправных деталях и правильном монтаже, начинает работать сразу же. Регулировка выходного напряжения преобразователя осуществляется при помощи подстроечного резистора R8. Но при желании, его можно поменять на резистор переменный. Величину выходного напряжения можно изменять от 15 до 40 вольт, при номиналах резисторов R8, R9, R10, указанных на схеме. Данный преобразователь был испытан с паяльником, рассчитанным на 24 вольта и мощностью 40 Вт.
И так:

Напряжение выхода ……………… 24 В
Ток нагрузки составил …………. 1,68 А
Мощность нагрузки ………………. 40,488 Вт
Напряжение входа ………………… 10,2 В
Общий ток потребления ………. 4,65 А
Общая мощность …………………… 47,43 Вт
Получившийся КПД ………………… 85%
При этом температура активных компонентов схемы была в районе 50 градусов.

При этом ключевой транзистор и диод с барьером Шоттки имеют небольшие радиаторы. В качестве ключевого транзистора применен транзистор IRFZ34, имеющий сопротивление открытого канала 0,044 Ом, а в качестве диода применен один из диодов диодной сборки S20C40C, выпаянной из блока питания старого компьютера. На печатной плате предусмотрена коммутация диодов при помощи перемычки. Можно применить и другие диоды с барьером Шоттки с прямым током не менее чем в два раза превышающим ток нагрузки. Дроссель намотан на желтом с белым кольце из распыленного железа, так же взятым из блока питания ПК. Про такие сердечники можете почитать в брошюре Джима Кокса. Скачать ее можно из Сети. Вообще советую скачать эту статью и полностью прочитать. Много полезного материала по дросселям.

Магнитная проницаемость такого кольца равна 75, а его размеры – D = 26,9 mm; d = 14,5 mm; h = 11,1 mm. Обмотка дросселя имеет 24 витка любого обмоточного провода диаметром 1,5 мм.

Все детали стабилизатора установлены на печатной плате, причем с одной стороны установлены все «высокие» детали, а с другой – все, так сказать, «низкорослые». Рисунок печатной платы показан на рисунке 2.

Первое включение собранного устройства можно производить без ключевого транзистора и убедиться в работоспособности ШИМ-контроллера. При этом на выводе 8 микросхемы должно быть напряжение 5 вольт, это напряжение внутреннего источника опорного напряжения ИОН. Оно должно быть стабильны при изменении напряжения питания микросхемы. Стабильной должна быть и частота, и амплитуда пилообразного напряжения на выходе 4 DA1. Убедившись в работоспособности контроллера можно впаять и мощный транзистор. Все должно работать.

Не забывайте, что ток нагрузи стабилизатора, должен быть меньше тока, на который рассчитан ваш блок питания и его величина зависит от выходного напряжения стабилизатора. Без нагрузки на выходе стабилизатор потребляет ток примерно равный 0,08 А. Частота импульсной последовательности управляющих импульсов без нагрузки, находится в районе 38 кГц. И еще немного, если будете рисовать печатную плату сами, ознакомьтесь с правилами монтажа микросхемы по ее документации. Стабильная и безотказная работа импульсных устройств зависит не только от качественных деталей, но и в правильной разводке проводников печатной платы. Успехов. К.В.Ю.

Импульсный блок питания 200W Step-Down на микросхеме TL494 – схема принципиальная, печатная плата и описание. Это улучшенная версия импульсного стабилизатора на популярной м/с TL494.

• Входное напряжение 2×18~30 V AC
• Выходное напряжение регулируется с помощью потенциометра в диапазоне 0-25 V DC
• Ограничение тока регулируется потенциометром
• Для R=0,01 Ом – 5~20 А
• Для R=0,1 Ом – 0,1~5 А

Большие токи вызывают слишком большие потери мощности на резисторе R, поэтому его сопротивление уменьшаем. Эффективность схемы преобразователя очень хорошая, на 100 Вт радиатор только немного греется. Красный светодиод сообщает о стабилизации тока, а зеленый – о стабилизации по напряжению. Испытания проводились на резистивной нагрузке 10 А. Работает как положено.

Схема импульсного регулируемого инвертора

Второй вариант схемы

Печатная плата – рисунок

Представленный на схеме стабилизатор установлен на 14,4 вольта и используется как зарядное устройство, поэтому применены конденсаторы вольтажом 16 В. На входе 35 В – на выходе 14,4 В. Трансформатор намотан с запасом витков, так что при желании можно поднять напряжение. Но свыше 38 – это слишком много. Микросхема выдерживает только 44 VDC по даташиту. Рабочая частота преобразователя 100 кГц.

Регулируемый импульсный стабилизатор напряжения предназначен как для установки в радиолюбительские устройства с фиксированным выходным напряжением, так для лабораторного блока питания с регулируемым выходным напряжением. Так как стабилизатор работает в импульсном режиме, он имеет высокий КПД и в отличие от линейных стабилизаторов не нуждается в большом теплоотводе. Модуль выполнен на плате с алюминиевой подложкой, что позволяет в течение продолжительного времени снимать выходной ток до 2 А без установки дополнительного теплоотвода. Для токов более 2 А к тыльной стороне модуля необходимо прикрепить радиатор площадью не менее 145 кв.см. Радиатор может быть прикреплен винтами, для этого в модуле предусмотрены два отверстия, для максимальной теплопередачи используйте пасту КПТ-8. В случае невозможности использовать крепежные винты, модуль может быть прикреплен к радиатору/металлической части устройства с использованием автогерметика. Для этого нужно нанести герметик в центр тыльной части модуля, притереть поверхности таким образом, чтобы зазор между ними был минимален и прижать на 24 часа.
Устройство имеет тепловую защиту и ограничение по выходному току от 3 до 4 А. Выходное напряжение не может превышать напряжение на входе. Для того чтобы начать эксплуатировать стабилизатор необходимо припаять переменный резистор от 47 до 68 Ком к контактам на плате R1. Переменный резистор не следует подключать на длинных проводах.
Для установки в устройства с фиксированным выходным напряжением на место R1 нужно установить постоянный резистор, используя формулу R1=1210(Uвых/1.23-1), где Uвых – требуемое выходное напряжение.
Модуль может работать в режиме стабилизатора тока, для этого вместо R2 нужно установить внешний резистор, рассчитываемый по формуле R=1,23/I, где I – требуемый выходной ток. Резистор должен быть соответствующей мощности.
При питании модуля от понижающего трансформатора и диодного моста, на выход диодного моста необходимо установить фильтрующий конденсатор не менее 2200 мкФ.
Технические характеристики
Параметр
Значение
Входное напряжение, не более
40 В
Выходное напряжение
1,2..37 В
Выходной ток во всем диапазоне напряжений, не более
3 А
Ограничение выходного тока
3..4 А
Частота преобразования
150 КГц
Температура модуля без радиатора при tокр = 25° С, Uвх = 25 В, Uвых = 12 В
при вых. токе 0,5 А
36° С
при вых. токе 1 А
47° С
при вых. токе 2 А
65° С
при вых. токе 3 А
115° С
КПД при Uвх = 25 В, Uвых = 12 В, Iвых = 3А
90%
Диапазон рабочих температур
-40..85° С
Защита от переполюсовки
нет
Размеры модуля
43 х 40 х 12 мм
Вес модуля
15 г
Схема включения с вольтметром SVH0043
Схема включения стабилизатором тока 1,6 А
Габаритные размеры

Рассматриваемая сегодня микросхема – это регулируемый DC-DC преобразователь напряжения, или просто понижающий регулируемый стабилизатор тока 40 вольт на входе и от 1,2 до 35 В на выходе. LM2576 требует входное питание около 40-50 в постоянного тока. Так как она может держать токи до 3-х ампер, LM2576 работает как импульсный стабилизатор, способный управлять нагрузкой 3 А с минимальным количеством компонентов и небольшим радиатором. Цена микросхемы LM2576 составляет примерно 140 рублей.

Принципиальная схема стабилизатора

Особенности схемы

• Выходное регулируемое напряжение 1,2 – 35 В и низкий уровень пульсаций
• Потенциометр для плавной регулировки выходного напряжения
• На плате есть мостовой выпрямитель напряжения переменного тока
• Светодиодная индикация входного питания
• Размеры печатной платы 70 х 63 мм

Предназначена схема для настольных блоках питания, зарядных устройств для батарей, как светодиодный драйвер. Далее 2 варианта исполнения – в стандартном и планарном виде:

Почему в таких источниках стабилизированного питания нельзя применять простые параметрические стабилизаторы типа LM317? Потому что рассеиваемая мощность на напряжении 30 В 3 А будет несколько десятков ватт – потребуется огромный радиатор и кулер. А вот при импульсной стабилизации выделяемая на микросхеме мощность почти в 10 раз меньше. Поэтому с LM2576 получаем небольшой и мощный, универсальный регулируемый стабилизатор напряжения.