Impulsinis stabilizuotas 1 kW galios maitinimo blokas

Parengė Andrius Vaičeliūnas (red. pastaba: kalba netaisyta).
Коротков И. Импульсный стабилизированный блок питания мощностью 1 кВт. – Радио, 2005, № 12, с. 33–35.

Galingų garso stiprintuvų maitinimui būtini šaltiniai, tenkinantys griežtus reikalavimus: jie privalo ne tik išdirbti stabilią įtampą ir užtikrinti reikalingą apkrovos srovę, bet ir apsaugoti apkrovą, kad nesugestų brangiai kainuojančios galinės kaskados. Visais šiais reikalavimais pasižymi siūlomas maitinimo blokas.

Pastaraisiais metais stiprintuvų konstruktoriams atsivėrė naujos galimybės. Pasirodė lauko tranzistoriai su izoliuota užtūra, leidžiantys surinkti daugiau kaip 1 kW galios D klasės stiprintuvus. Tokių stiprintuvų maitinimui būtini atitinkami šaltiniai. Literatūroje nedažnai galima sutikti daugiau kaip 500 W galios impulsinio maitinimo bloko schemą. Vienas iš tokių įtaisų, vertas dėmesio, aprašytas [1]. Tačiau jo išėjimo įtampa nestabilizuota. Siūlomas maitinimo blokas yra su stabilizuota įtampa išėjime.

Pagrindinės techninės charakteristikos

Impulsinio maitinimo bloko (IMB) schema pavaizduota 1 pav. Įtaiso pagrindas – plačiaimpulsis valdiklis TL494CN. Ši mikroschema, smulkiai aprašyta [2, 3], gerai užsirekomendavo kompiuterių IMB.

Kondensatorius C3 užtikrina tolygų keitiklio paleidimą. Atjungus maitinimą šis kondensatorius greitai išsikrauna per rezistorių R1, tranzistoriaus VT2 kolektoriaus sandūrą ir diodą VD3. Prieš kiekvieną IMB įjungimą kondensatorius C3 turi būti iškrautas.

Tranzistoriuose VT1 ir VT2 surinktas trigerinės apsaugos nuo perkrovos mazgas, kuriam sudirbus tranzistoriaus VT1 bazėje atsiranda jį atidaranti įtampa. Tuo pačiu atsidaro ir tranzistorius VT2, kuris šuntuoja kondensatorių C3 ir tuo pačiu blokuoja keitiklį. Įtampa ant tranzistoriaus VT2 kolektoriaus per teigiamo atgalinio ryšio grandinę R3VD2 užlaiko tranzistorių VT1 atidarytą. Trigerinės apsaugos grąžinimas į pradinę būseną atliekamas atjungiant ir vėl pajungiant maitinimo įtampą.

Komutuojantys tranzistoriai VT9, VT10 – galingi lauko su pakankamai didele užtūra-ištaka talpa. Šių tranzistorių valdymui panaudoti du stiprintuvai tranzistoriuose VT3, VT4, VT7 ir VT5, VT6, VT8. Apžvelkime vieno iš jų darbą. Kai mikroschemos DA2 8 išvade aukštas lygis, atidaryti tranzistoriai VT3 ir VT4. Pastarasis šuntuoja tranzistoriaus VT9 užtūra-ištaka talpą, ją greitai iškraudamas. Tranzistorius VT7 uždarytas. Kai tik mikroschemos 8 išvade pasirodo žemas lygis, tranzistoriai VT3 ir VT4 užsidaro, o VT7 atsidaro ir paduoda į tranzistoriaus VT9 užtūrą atidarančią įtampą. Rezistorius R16 saugo tranzistorius VT4 ir VT7 nuo tiesioginės srovės, kad jie neišeitų iš rikiuotės.

Į tranzistorių VT9, VT10 užtūrų grandines įjungti rezistoriai R17, R18, kurie kartu su užtūra-ištaka talpa sudaro žemų dažnių filtrą, sumažinantį harmonikų lygį atsidarant tranzistoriams. Šiam tikslui tarnauja elementai R22, R23, C12, C13, VD7–VD10.

Transformatoriaus T2 apvijos I ir II pajungtos į tranzistorių VT9, VT10 santakų grandines. Atgalinio ryšio įtampa keitiklio įtampos stabilizacijai nuimama nuo III transformatoriaus apvijos. Ją lygina diodas VD11 ir išlygina kondensatorius C14. Toliau per daliklį rezistoriuose R20, R21 ji patenka į mikroschemos DA2 1 išvadą. Parenkant rezistorių R21 galima truputį reguliuoti IMB išėjimo įtampą.

Elementai R11, C9 lemia mikroschemos DA2 vidinio generatoriaus pjūklinės įtampos darbo dažnį. Esant schemoje nurodytiems nominalams keitimo dažnis apytikriai lygus 50 kHz. Parenkant kitus elementų R11 ir C9 nominalus galima, esant būtinybei, keisti įtampos keitimo dažnį.

IMB jėgos dalis gauna maitinimą per tinklo filtrą C4L1C7, lygintuvą VD4 ir išlyginančius kondensatorius C10 ir C11. Rezistorius R24 iškrauna kondensatorius C10 ir C11 atjungus maitinimą. Mikroschema DA2 ir stiprintuvai tranzistoriuose VT3–VT8 maitinami stabilizuota įtampa iš stabilizatoriaus DA1. Termistorius RK1 sumažina srovės šuolį IMB įjungimo į tinklą momentu.

1 pav. Principinė elektrinė schema (padidinti)

Keitiklio išėjimo įtampos lygintuvas įgyvendintas pagal tiltinę schemą dioduose VD12–VD15. Tolygus įtampos keitiklio paleidimas leidžia naudoti antrinėse grandinėse didelės talpos filtrų kondensatorius C18, C19, būtinus garso stiprintuvo maitinimui. Droseliai L2, L3 ir filtro kondensatoriai išlygina IMB išėjimo įtampos pulsacijas.

Įtampos keitiklio apsaugos nuo srovės viršijimo mazgas surinktas tranzistoriuose VT11, VT12. Padidėjus srovei per rezistorius R31–R34 tranzistoriai VT11, VT12 atsidaro, įsijungia optronų U1.1 ir U1.2 spinduoliai. Tų pačių optronų fototranzistoriai taip pat atsidaro ir į tranzistoriaus VT1 bazę paduoda atidarančią įtampą, dėl ko sudirba trigerinė apsauga. Kondensatorius C2 užkerta kelią apsaugos sudirbimui nuo atsitiktinių impulsinių trukdžių.

Konstrukcija ir detalės

Beveik visi IMB elementai sustatyti spausdintinėje plokštėje iš vienpusio variuoto stiklotekstolito. Ant atskiros plokštės patalpinti rezistoriai R22, R23 ir kondensatoriai C12, C13. Rezistoriai R22 ir R23 stipriai kaista darbo metu, todėl plokštę su jais reikia išdėstyti taip, kad jie nekaitintų likusių elementų. Diodai VD12–VD15 per izoliuojančias tarpines pritvirtinti prie atskiro 10x12 cm dydžio adatinio aušintuvo ir sujungti su pagrindine plokšte ne mažesnio kaip 1 mm2 skerspjūvio laidais.

Prie 17 cm ilgio ir 10 cm aukščio aušintuvo per izoliuojančias tarpines tvirtinami elementai DA1, VD4, VT9, VT10. Iš kitos pusės prie aušintuvo tvirtinamas ventiliatorius taip, kad oro srautas nuo jo gerai apipūstų aušintuvą. Galima naudoti ventiliatorių iš kompiuterinio maitinimo bloko. Maitinimas jam paduodamas nuo +50 V keitiklio išėjimo per 320 Om ir 7,5 W galios rezistorių ПЭВ. Ventiliatoriaus maitinimui leistina suvynioti ant transformatoriaus T2 papildomą apviją taip, kaip tai aprašyta [1]. Dėl to reikia suvynioti dvi vijas 0,4 mm diametro laidu. Prie papildomos apvijos ventiliatorius pajungiamas per 18 Om varžos 1 W galios rezistorių.

Keitiklio transformatorius T2 suvyniotas ant keturių suglaustų žiedų iš ferito 2000HM, kurių matmenys K45x28x12. I ir II apvijos turi po 32 vijas 0,8 mm diametro laido. III apvija turi dvi vijas 0,4 mm diametro laido. IV apvija turi 2x7 vijas, kiekviena kurių suvyniota dviem 1,2 mm diametro laidais. I ir II transformatoriaus apvijos atskiriamos nuo likusių dviem-trim sluoksniais lakuoto audinio.

Transformatorius T1 – pramoninės gamybos su kintama įtampa antrinėje apvijoje apie 16 V. Droselis L1 turi 2x20 vijų, suvyniotų 1 mm diametro laidu ant feritinio žiedo K31x18x7 iš ferito 2000HM. Droseliai L2, L3 suvynioti 1,2 mm diametro laidu ant 8-10 mm diametro ir apie 25 mm ilgio feritinių strypų vienu sluoksniu per visą ilgį.

Elektrolitinius kondensatorius pageidautina naudoti importinius, apskaičiuotus darbui iki 105 °C temperatūroje. Blogiausiu atveju leistina naudoti kitus kondensatorius, tinkančius pagal matmenis. Kondensatorius C10 sudarytas iš trijų lygiagrečiai sujungtų 220 μF talpos kondensatorių. Likę kondensatoriai – bet kokie plėveliniai, pavyzdžiui K73-17.

Termistorius RK1 sudarytas iš trijų lygiagrečiai sujungtų termistorių SCK-105 arba analogiškų, naudojamų kompiuteriniuose maitinimo blokuose. Rezistoriai R22, R23 – C5-5 10 W galingumo, R31–R34 – C5-16B 5 W galingumo. Paderinamas rezistorius R10 – СП3-19АВ arba kitas mažų gabaritų.

Diodai VD2 ir VD3 – bet kokie impulsiniai mažos galios, pavyzdžiui, iš КД503, КД510, КД522 serijos.

Diodinį tiltelį VD4 galima pakeisti kitu su ne mažiau kaip 8 A maksimalia vidutine lyginama srove ir maksimalia atgaline įtampa ne mažiau kaip 400 V. Diodiniam tilteliui VD1 parametrai atitinkamai 0,5 A ir 20 V.

Tranzistorius BSS88 (VT3-VT8) galima pakeisti analogiškais n-kanalo lauko tranzistoriais su izoliuota užtūra, kurių santaka-ištaka įtampa ne mažiau kaip 50 V, santakos srovė 0,15…0,5 A. Tai gali būti tranzistoriai BSS123, BS108, 2SK1336 ir t.t. Galingus lauko tranzistorius 2SK956 (VT9 ir VT10) galima pakeisti į 2SK787, IRFPE50. Tranzistorius КТ502Е (VT11) pakeičiamas į КТ502Г, o КТ503Е (VT12) – į КТ503Г. Optroną АОТ101БС (U1) leistina pakeisti į АОТ101АС arba PS2501-2.

Mikroschema TL494CN darbinga tik prie aukštesnės nei 0 °C temperatūros. Ją galima pakeisti į TL494LN, kas leidžia naudoti maitinimo bloką esant žemoms aplinkos temperatūroms, iki pat -25 °C temperatūros. Mikroschemą КР142ЕН8В (DA1) galima pakeisti į КР142ЕН8Е arba 7815. Jei naudojama 7815 mikroschema izoliuotame korpuse, ji statoma ant aušintuvo be izoliuojančios tarpinės.

Derinimas

Prieš pirmą kartą įjungiant keitiklį į tinklą reikia atjungti tinklo įtampą nuo jėgos grandinių ir paduoti maitinimą tik į transformatorių T1. Pirmoje eilėje patikrinama +15 V įtampa DA1 išėjime. Po to oscilografu įsitikinama, kad į lauko tranzistorių VT9, VT10 užtūras ateina impulsai. Užtrumpinus kondensatorių C3 impulsai turi išnykti, o įtampa ant tranzistorių VT9, VT10 užtūrų turi būti lygi nuliui.

Toliau, nustačius rezistoriaus R10 šliaužiklį į vidurinę padėtį, paduodama maitinimo įtampa į likusią IMB dalį. Voltmetru kontroliuojama įtampa DA2 1 išvade. Parenkant rezistorių R21, šiame išvade nustatoma 2,5 V įtampa. Paderinamu rezistoriumi R10 galima truputį pakeisti keitiklio išėjimo įtampą, tačiau būtina kontroliuoti impulsus ant lauko tranzistorių VT9, VT10 užtūrų, kad jų ilgumas nepriartėtų prie kritinių reikšmių (per daug trumpi arba per daug ilgi). Priešingu atveju, padidėjus apkrovai arba pasikeitus tinklo įtampai, išėjimo įtampos stabilizacija suprastėja.

Tam, kad neperkrauti įtampos keitiklio ir neleisti išeiti iš rikiuotės galingiems lauko tranzistoriams, srovės apsaugą geriau derinti esant sumažintai suveikimo srovei. Laikinai įlituojami 1 Om varžos ir 2 W galios rezistoriai vietoj R31-R34. Prie keitiklio išėjimo pajungiama apkrova ir ampermetras. Nustatoma 1,3…1,4 A apkrovos srovė ir parenkant rezistorius R30, R35 priverčiama suveikti srovės apsauga. Po to sustatomi schemoje nurodytos varžos ir galingumo rezistoriai R31-R34.

Kitokia maitinimo bloko išėjimo įtampa gaunama keičiant transformatoriaus T2 IV apvijos vijų skaičių (vieną viją atitinka apie 7 V įtampa) ir parenkant rezistorių R21.

Literatura

1. Колганов А. Импульсный блок питания мощного УМЗЧ. – Радио, 2000, № 2, с. 36–38.
2. Александров Р. Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. – Радио, 2002, № 5, с. 21–23; № 6, с. 22, 23; № 8, с. 23, 24.
3. Головков А. В., Любицкий В. Б. Блоки питания для системных модулей типа IBM PC-XT/AT. – М.: Лад и Н, 1995.
4. IMB spausdintinės plokštės paveiksliuko failai pasiekiami Radio.ru tinklalapyje.