Источник питания с ШИ регулированием для УМЗЧ (с печатной платой)

September 15, 2012 by admin Комментировать »

Для энергообеспечения усилителей мощности звуковой
частоты (УМЗЧ) широкое распространение получили импульсные источники питания
(ИИП) Такие ИИП должны имеет высокий КПД, обеспечивать постоянство выходных
напряжений во всем интервале токов нагрузок, содержать  эффективную за­щиту от замыканий и перегрузок
на выходе иметь малые пульсации выход­ного напряжения и обладать малыми массой
и габаритами. Кроме того, такие ИИП обычно должны работать на частоте
преобразования не только вы­ше диапазона звуковых частот, чтобы пользователь не
слышал посторонние звуки, но и выше полосы частот УМЗЧ для предотвращения
интермодуляции в усилителе на ультразвуковой частоте. При включении некоторые
виды нагруз­ки способны кратковременно потреблять больший ток, превышающий номи­нальную
потребляемую мощность вдвое, поэтому ИИП должен выдержи­вать это без
срабатывания системы защиты от перегрузки по току. Принципиальная схема ИИП
показа­на на  рис.1, а фото изготовленного устройства
представлено на рис 2.

Синтез схем, расчет компонентов и рисунок печатной
платы этого источни­ка питания приведены в [1]. Нагрузка каждого выхода ИИП
долж­на потреблять ток не менее 0,3А для обеспечения нормального функциони­рования
дросселя групповой стабилизации L1 Многие современные усилители мощности
звуковой частоты потребляют в режиме отсутствия входного сигнала примерно такой
ток. От­сутствие нагрузки на одном из выходов ИИП является нештатным режимом.
От этого компоненты ИИП не выйдут из строя, однако при подключении нагруз­ки к
одному из выходов напряжение на ней существенно снизится, а напряже­ние на
другом выходе на столько же возрастет. Отчасти причиной этого будет нарушение
процесса перерас­пределения напряжений дросселем групповой стабилизации L1.

 

Рис.1

Назначение компонентов и их замены

Вспомогательный стабилизирован­ный линейный источник
питания с пара­метрическим стабилизатором обра­зуют компоненты С1, С2, С5, R1,
Т1, VD1—VD5, VT1. Постоянное выходное напряжение этого вспомогательного
источника должно быть в пределах 14…16 В.

Резистор R1 задает ток через стаби­литрон VD1
параметрического стабили­затора. Трансформатор Т1 обеспечивает гальваническую
развязку между пи­тающей сетью и задающим генерато­ром. Этот трансформатор
рассчитан на подключение к сети переменного на­пряжения 220 В (50 Гц), имеет
мощ­ность не менее 7 Вт и переменное напряжение на вторичной обмотке при­мерно
26 В.

Терморезистор RK1 ограничивает импульс тока зарядки
конденсаторов С22, С23, С25, С26, С29, С30 во время включения ИИП. Он должен
обладать отрицательным ТКС, сопротивлением 15 Ом при комнатной температуре и
выдерживать протекание постоянного тока до 3,15 А. Варистор RU1 необходим для
защи­ты компонентов ИИП от импульса на­пряжения, который, как помеха, может
прийти из питающей сети.

Выпрямитель сетевого напряжения, выполненный на
диодном мосте VD10, нагружен фильтром на компонентах С22, С23, С25, С26, С29,
С30. Резис­торы R10 и R11 разряжают конденсато­ры фильтра после того, как ИИП
будет отключен от питающей сети.

На компонентах СЗ, С4, С12, С13, С16, С17, С19, С27,
С28, С32-С34, С37—С40, L1, L3, L4, R17, R18 и VD6 VD9 выполнен выходной выпрямитель
со сглаживающим пульсации трехкас- кадным фильтром с двухобмоточными дросселями
L1, L3 и L4.

Пленочные
конденсаторы С16, С17, С32, СЗЗ, С39 и С40 шунтируют по вы­сокой частоте
оксидные конденсато­ры, что позволяет увеличить коэффи­циент сглаживания
пульсаций выход­ного фильтра ИИП. Керамические кон­денсаторы СЗ и С4 могут
немного улучшить форму нагрузочной характе­ристики ИИП, но ухудшат стабилиза­цию
выходных напряжений Емкость этих конденсаторов не должна превы­шать 0,047 мкФ,
иначе возможно са­мовозбуждение преобразователя. По возможности конденсаторы СЗ
и С4 луч­ше вовсе не использовать.

Резисторы R17 и R18 исполняют функцию не отключаемой
нагрузки ИИП. кроме того, они разряжают кон­денсаторы трехкаскадного выходного
фильтра.

Компоненты С6, С7, С11, С18, С35, L2 образуют фильтр,
препятствующий проникновению в питающую сеть высо­кочастотных пульсаций,
вырабатывае­мых импульсным преобразователем. Включенные между фазным и нулевым
проводами конденсаторы С11 и С18 служат для снижения дифференциаль­ных помех.
Для подавления синфазных помех необходимы конденсаторы С6, С7 и С35.

Задающий генератор выполнен на высокочастотном ШИ
контроллере DA1 с цепями обвязки. Выходной кас­кад контроллера специально
спроек­тирован так, что микросхема DA1 ра­ботоспособна при нагрузке с ем­костной
реакцией. Питание транзи­сторов выходного каскада контролле­ра, соединенных по
полумостовой схеме, поступает со сглаживающего RC-фильтра, выполненного на
компо­нентах С20 и R9.

Вывод 4 контроллера DA1, предназначенный для синхрони­зации
нескольких микросхем, не использован. Так как внутреннее со­противление этого
входа микросхемы мало, вывод 4 соединять с общим про­водом не следует.

Резистор R3 и конденсатор С9 за­дают частоту
преобразования. От емко­сти конденсатора С9 зависит длитель­ность пауз (dead
time) в последователь­ности импульсов. Чем выше емкость, тем больше
длительность паузы между импульсами.

Резисторы R2, R4 и R5 составляют делитель выходного
напряжения одно­го канала ИИП. От положения движка подстроечного резистора R4
зависит напряжение на инвертирующем входе усилителя сигнала ошибки (вывод 1
микросхемы DA1), встроенного в конт­роллер DA1, и в итоге — ширина им­пульсов,
вырабатываемых задающим генератором. АЧХ усилителя сигнала ошибки сформирована
цепью ООС из элементов С15, R6 и R8 Емкость кон­денсатора С15 не должна
существенно превышать 1000 пФ, так как иначе зна­чительно возрастут пульсации
напря­жения на нагрузке ИИП. Конденсатор С8 подавляет пульсации образцового
напряжения +5,1 В (вывод 16 контрол­лера DA1), поступающего на неинвертирующий
вход усилителя ошибки (вывод 2 микросхемы DA1). Конденса­тор СЮ, подключенный к
выводу 8 микросхемы DA1, обеспечивает мяг­кий запуск устройства. Керамические
конденсаторы С21 и С24 с низкой внут­ренней индуктивностью снижают уро­вень
высокочастотных пульсаций на­пряжения питания задающего генера­тора. С выводов
11 и 14 контроллера DA1 импульсы через конденсатор С31 поступают на первичную
обмотку согласующего трансформатора Т2, ко­торый гальванически развязывает за­дающий
генератор и компоненты пре­образователя.

Диоды
Шотки VD11—VD14 защи­щают транзисторы выходного каскада контроллера DA1 от
пробоя обратным напряжением ЭДС самоиндукции пер­вичной обмотки импульсного
транс­форматора Т2.

Резистор
R21 преобразует импульсы тока, возникающие во вторичной об­мотке трансформатора
тока ТЗ, в им­пульсы напряжения. Конденсатор С41 сглаживает импульсы напряжения
для предотвращения срабатывания по их амплитуде системы защиты ИИП от
перегрузки.

На
диодах VD17 и VD18 собран вы­прямитель, на который во время пере­грузки
поступают импульсные сигна­лы. Конденсатор С36 сглаживает вы­прямленное
напряжение, которое по­ступает на подстроечный резистор R12. Этот резистор
необходим для точной установки порога срабатывания систе­мы, обеспечивающего
защиту от пере­грузки по току. С движка подстроечного резистора R12 напряжение
сигнала срабатывания защиты поступает на RC-фильтр, выполненный на элементах R7
и С14. фильтрованное напряжение подводят к выводу 9 микросхемы DA1, через
который происходит управление задающим генератором.

Демпфирующая цепь из компонен­тов С42 и R19 подавляет
колебательные процессы на вторичной обмотке транс­форматора Т4.

Резисторы R13, R14 замедляют
про­цессы переключения транзисторов VT2, VT3, что необходимо для предупрежде­ния
потери их управляемости. Резисто­ры R15, R16 разряжают емкости за­твор—исток
ключевых транзисторов для того, чтобы после прекращения поступления напряжения
от задающего генератора транзисторы вошли в со­стояние отсечки.

Стабилитроны VD15 и VD16 служат для предотвращения
пробоя пере­ключательных транзисторов от недопустимого повышения напряжения за­твор
исток во время заряда емкостей затвор-сток.

Защитные диоды VD19 и VD20 огра­ничивают амплитуду
импульсов напряжения ЭДС самоиндукции первичной обмотки трансформатора  до уровня, при котором переключательные тран­зисторы
не выйдут из строя.

Индикация включенного состояния ИИП выполнена на
светодиоде HL1 с задающим ток резистором R20 Пред­почтительно, чтобы цвет свечения
светодиода был синий или зеленый.

Конструкция и детали

Габариты платы с установленными деталями — не более
205x175x35 мм Она изготовлена из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита
толщи­ной 1,5 мм.
Чертеж печатных провод­ников и расположение элементов на плате показаны на рис. 3 и рис 4 (в уменьшенном масштабе) соответст­венно.

Под компонентами задающего генератора нужно оставить
фольгу не вытравленной, она выполнит функцию эк­рана, электрически
подключенного к выводу 10 микросхемы DA1 Все про водники с целью снижения
электромагнитного излучения следует выполнять минимально возможной длины.

Разъемы Х1 (вилка) и Х2 (гнезда) для подключения
входных и выходных це­пей можно заменить другими — с при­жимами для проводов
или с фиксацией винтами, впрочем можно и отказаться от них вообще.

Микросхему контроллера DA1 можно установить на плату в
цанговой панели TRS-16 с целью облегчения замены экземпляра. Конденсаторы С20 и
С24 следует монтировать вблизи от выво­дов 10 и 15 микросхемы DA1.  Микро­схему К1156ЕУ2Р

можно
заменить другими — ИС1825, UC2825 UC3825 . Ребра или штыри всех теплоотводов
необходимо ориентировать вдоль пе­ремещения потоков воздуха. Если рабочее
положение платы горизонталь­ное, то ребра следует ориентировать перпендикулярно
печатной плате. Под теплоотводами в плате выполнены отверстия для улучшения
циркуляции вор пуха,

Доды КД212А (VD2—VD5) можно заменить любыми
аналогичными с максимальным обратным напряжени­ем не менее 100 В и максимальным
током в прямом включении не менее 1 А.

Напряжение стабилизации стабилит­рона BZX79-C15 (VD1)
— 15 В, его может заменить один из приборов КС215Ж, КС509А, КС515А, ZY15,
1N5352B.

Транзистор КТ817Г (VT1) необходи­мо закрепить на
теплоотводе с суммар­ной площадью охлаждающей поверхно­сти не менее 20 см5.
Вместо него можно применить КТ819ГМ, 2Т808А, КТ808АМ, КТ808БМ или КТ864А.

В позиции RK1 можно использовать терморезисторы
15SU50M, MZ72-12RM, MZ72-18RM, MZ72-20RM, MZ73-12RM, MZ73-14RM, MZ73-18RM или
аналогич­ные сопротивлением 15 Ом. В блоке — варисторы V471U, JVR-14N361K,
JVR-14N391 К, JVR-20N361К или JVR-10N391K.

Оксидные конденсаторы С1, С2, С12, С13, С19, С22, С23,
С25—С28, С34, С37 и С38 — малогабаритные им­портные, с обкладками из алюминия.
Пленочные конденсаторы С16, С17, С29, С30, С32, СЗЗ, С39 и С40 — группы MER.
Шунтирующие конденсаторы, по возможности, должны обладать низки­ми показателями
внутреннего сопро­тивления и паразитной индуктивности.

Конденсаторы С8—СЮ, С14, С15 и С31 — малогабаритные
керамические КЮ-17, а С20, С21, С24 — К10-47. Желательно, чтобы конденсатор С9
был из термостабильной группы ТКЕ (М750, М1500).

Постоянные резисторы R1, R2, R5— R11, R13—R18, R20,
R21 можно приме­нить любые из МЯТ, С2-22, С2-23 или Р1-4 Резистор R19 мощностью
5 Вт должен быть безындукционным. Подстроечные резисторы R3, R4, R12 — СПЗ-19а
отечественного производства, а из импортных можно рекомендовать их аналоги
фирмы Bourns.

Силовой импульсный трансформа­тор Т4 выполнен на
магнитопроводе из двух сложенных вместе колец из фер­рита 2000НМ1-Аили
2000НМ1-17 типо­размера К38х24х7. Расчет данного трансформатора был выполнен с
помо­щью программы Design tools pulse transformers [2] Программа имеет ин­сталлятор
объемом 834 кБ и работо­способна в операционных системах Windows 98 SE, Me,
2000, ХР, 2003, Vista или благодаря Wine может быть запу­щена в Linux openSUSE Mandriva
и дру­гих популярных дистрибутивах. Справ­ку по программе в формате pdf, объе­мом
246 кбайт, можно получить из [3]. С учетом флюктуации параметров маг-
нитопровода в связи с изменением температуры, а также старением мате­риала его
магнитная проницаемость принята равной 1800, а эффективная индукция — 0,1 Тл.
Первичная обмотка I состоит из 70 витков литцендрата ЛЭШО 84×0,1, а вторичная
обмотка II, имеющая отвод от середины, содержит 37+37 витков точно такого же
литценд­рата.

Импульсный трансформатор Т2 вы­полнен на
магнитопроводе Т1605 из материала CF196, CF101, CF138 или CF195 производства
COSMO FERRITES. Все три обмотки трансформатора со­держат по 40 витков провода
диамет­ром 0,4 мм.
Между обмотками следует проложить несколько слоев качествен­ной изоляции.

Датчик, в качестве которого при­менен трансформатор
тока ТЗ, выпол­нен на магнитопроводе, аналогичном для Т2. Первичная обмотка,
через которую протекает контролируемый ток, состоит из одного витка провода
МГТФ сечением 0,18 мм2. Вторичная (с отводом от середины) состоит из 106+106
витков провода диаметром 0,27
мм
.

Двухобмоточный симметрирующий дроссель L2 сетевого
фильтра выпол­нен на магнитопроводе Т1605 из фер­рита CF101, CF138, CF195 или
CF196. Обе обмотки намотаны в два провода диаметром 0,8 мм, они содержат по 12
витков. Провод выбирают исходя из обеспечения высокого напряжения пробоя
изоляции — ЛЭПШД, ПЭЛШО, ПЭТ-200-1 или многожильный провод МГТФ эквивалентного
сечения.

Двухобмоточные дроссели L1, L3 и L4 выполнены на
магнитопроводах, составленных из двух сложенных вме­сте колец из МО-пермаллоя
МП-140 типоразмера КЛ24х13х7. Обмотки на­матывают одновременно в два провода на
магнитопровод, который предвари­тельно покрывают слоем изоляции из тефлона,
майлара или лавсана. Провод обмоток должен быть диаметром 1 2 мм, а марка провода —
ПЭТ-200-1, ЛЭПКО, ПЭТВМ, ПЭТВ-2 или ПЭТВ-1 Провода этих же марок, если не
сказано иное, использованы для изготовления остальных моточных изделий данного
ИИП.

Импульсные диоды КД522А заме­няемы другими — 1N4148,
1N4933, 1 N4934 или ВА604.

Диоды 2Д2999А (VD6—VD9) можно заменить другими с малым
временем переключения — 2Д2990Б, КД2991А или 2Д2997А. Эти диоды следует
закрепить на общем теплоотводе пло­щадью 100 см2 через слюдяные изоля­ционные
прокладки или, что предпоч­тительно, на отдельных теплоотводах с площадью
каждого по 25 см2 без про­кладок.

Защитные диоды 1.5КЕ250СА (VD19 и VD20) можно заменить
приборами 1.5КЕ300СА или 1.5КЕ350СА.

Вместо диодов 1N5819 (VD11— VD14) допустимо применять
1N5822 или MBR160.

Светодиод КИПМ15Р20-С1-П5 (HL1) можно заменить одним
из приборов TLCB5100, VLCW5100, TLWW8600, TLWB7900, VLWW9900.

 

Налаживание

При налаживании важно выполнять правила техники
безопасности, так как на компонентах ИИП присутствуют опасные для жизни
напряжения. Любые регулировки должны быть проведены после отключения ИИП и
разрядки кон­денсаторов.

Вначале все движки подстроечных резисторов следует
установить в сред­нее положение. Первым делом нужно удостовериться, что при
номинальном напряжении питающей сети 220 В по­требляемый ИИП ток не будет суще­ственно
превышать 70 мА.

Для этого во входную цепь ИИП надо включить мил­лиамперметр
и измерить потребляе­мый ток. На результат измерений влия­ет реактивный ток,
потребляемый конденсаторами С11 и С18. Чтобы не полу­чить завышенное значение
потребляе­мого ИИП тока, эти два конденсатора нужно временно отсоединить от
устройства.

Если измеренный ток намного больше 70 мА, следует
немедленно выключить ИИП и искать ошибку в монтаже или неисправные компонен­ты
преобразователя. Повышенный ток может быть вызван недостаточной длительностью
паузы на нуле в импульсной последовательности, вырабатываемой задающим генерато­ром.
При этом оба переключательных транзистора VT2 и VT3 одновременно кратковременно
открыты и через них протекает сквозной ток, который может привести к их
перегреву и раз­рушению. Другим фактором повыше­ния потребляемого ИИП тока
может оказаться недостаточно высокая индукция насыщения магнитопровода
импульсного трансформатора Т4. В этом случае необходимо либо заме­нить
магнитопровод, либо пересчи­тать обмотки.

Следующим шагом необходимо с помощью резистора R3
установить частоту преобразования в 70 кГц. Конт­рольное измерение периода или
часто­ты проще всего осуществить осцилло­графом или частотомером.

Затем, подключив к каждому выходу ИИП по эквиваленту
нагрузки сопротив­лением 25 Ом из остеклованных рези­сторов мощностью не менее
100 Вт или нихромовых спиралей нагревательных элементов, регулировкой
подстроечным резистором R4 добиваются получе­ния напряжения на каждом из
выходов ИИП по 50 В.

Далее отсоединяют прежние эквива­ленты нагрузки и
подключают на их место новые с сопротивлением каждо­го по 12 Ом и подстройкой
резистором R12 устанавливают порог срабатыва­ния системы защиты от перегрузки
по току.

На
этом налаживание ИИП можно считать оконченным.

ЛИТЕРАТУРА

1.  Пояснительная записка к дипломному проекту. — <http://moskatov.narod.ru/
Dipiomas/The_degree_project_Moskatov_at_ university, pdf >

2. Программа “Design tools
pulse transfor­mers 4.0.0.0”. — <http://moskatov.narod.ru/ Programs/Setup_Design_toois_puise_
transformers_4000.exe>

3. Справка по программе “Design tools pulse
transformers 4.0.0.0”. — <http:// moskatov.narod.ru/Programs/Heip_for_
Design_ tools_puise_transformers_4000.pdf>.

P.S. Чертежи печатной платы
размещены на FTP-сервере по адресу ftp://ftp.radio.ru/pub/2010/01/iip.zip

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты