Импульсный источник питания мощностью 500 Вт для автомобильного усилителя

Описанное в статье устройство импульсного действия предназначено для питания усилителя мощности звуковой частоты от бортовой сети автомобиля. Источник питания стабилизирует постоянное выходное напряжение, а также обладает системой защиты от короткого замыкания и перегрузки по току нагрузки. Между входом источника питания и выходными цепями организована гальваническая развязка.

 Двухтактный преобразователь напряжения выполнен по топологии push-pull. Управляет работой систем импульсного источника питания задающий генератор, собранный на специализированном контроллере TL494

Принципиальная схема вторичного импульсного источника питания изображена на рис. 1.

Назначение компонентов
Предохранитель FU1 служит для отключения импульсного источника питания от аккумулятора в случае отказа компонентов или если перепутана полярность напряжения питания. Если полярность напряжения питания устройства будет случайно попутана, то через диод VD1 потечет ток, инициализирующий срабатывание предохранителя FU1. Кроме того, диод VD1 односторонне ограничивает пульсацию напряжения на конденсаторах С6, С8...С13. Диоду VD1 не нужен охладитель.
Конденсатор С2 - помехоподавляющий.
Конденсатор С1 и резистор R1 задают частоту преобразования генератора.
Постоянный резистор R2 и конденсатор СЗ образуют пассивный RC-фильтр по цепи питания задающего генератора.
Электролитический конденсатор С6 сглаживает пульсации напряжения питания преобразователя, а керамические конденсаторы С8...С13 шунтируют его по высокой частоте.
Задающий генератор образован специализированной микросхемой DA1, включенной по типовой схеме, с цепями "обвязки". В связи с тем, что микросхема ША1 марки TL494 работает в двухтактном режиме, частота преобразования равна уменьшенной вдвое частоте внутреннего генератора, а последняя определяется номиналами частотозадающих элементов С1 и R1.
Постоянные резисторы R8 и R9 служат коллекторной нагрузкой биполярных транзисторов оконечного каскада микросхемы DA1.
Между оконечным каскадом микросхемы DA1 задающего генератора и переключательными транзисторами преобразователя был внедрен буферный каскад, реализованный на драйверной микросхеме DA2.
Цепь стабилизации постоянного выходного напряжения устройства включает компоненты С14, R10, R11 и U1.1. Подстроенный резистор R11, ограничивающий ток постоянный резистор R10 и фототранзистор опт-рона U1.1 образуют управляемый делитель напряжения. Конденсатор С14 повышает помехоустойчивость цепи стабилизации выходного напряжения.
Постоянные резисторы R12 и R13 предназначены для замедления переключения соответствующих МОП-транзисторов VT1 и VT2, а резисторы R14 и R15 разряжают емкости между затворами и истоками указанных транзисторов.
Транзисторы VT1 и VT2 являются переключательными компонентами. Было принято решение об установке всего двух мощных МОП-транзисторов, а не большего их количества, с целью минимизации входной емкости переключательных компонентов, которую необходимо перезаряжать. Быстро восстанавливающиеся диоды Шоттки VD2 и VD3, которые включены параллельно паразитным р-n переходам в МОП-транзисторах, нужны для уменьшения температуры нагрева транзисторов, а также снижения влияния паразитных р-n переходов на процесс их отпирания.
Демпфирующие RC-цепочки, выполненные на компонентах С15, R16 и С16, R17, снижают скорость изменения напряжения на первичной обмотке трансформатора TV1. Резисторы R16 и R17 должны быть безындукционными.
Импульсный трансформатор TV1 двухтактного преобразователя был выполнен на одном ферритовом, кольце R50 производства фирмы "Epcos" типоразмером R50x30x20 мм из феррита N87 с начальной магнитной проницаемостью 2200. Первичная обмотка трансформатора содержит 4 + 4 витка литцендрата ЛЭШО или ЛЭЛО, состоящего из 175 жил с диаметром каждой 0,10 мм. Первичную обмотку следует укладывать одновременно в два провода. Вторичные обмотки II и III должны быть по возможности идентичны. Каждая из обмоток II и III состоит из 20 витков литцендрата ЛЭШО или ЛЭЛО, образованного 84 жилами с диаметром каждой 0,10 мм. Провода всех трех обмоток необходимо как можно более равномерно уложить на маг-нитопровод. Между обмотками прокладывают слой изоляции из лакоткани, фторопластовой пленки или, в крайнем случае, тряпичной изоляционной ленты. Трансформатор прижимают к печатной плате шайбой из изоляционного материала, сквозь которую продевают латунный винт. Следует следить за тем, чтобы все жилки литцендратов были тщательно пропаяны.
К вторичным обмоткам импульсного трансформатора напряжения TV1 были подключены два мостовых выпрямителя,. реализованные на компонентах VD4...VD11. Использование мостовых двухполупериод-ных выпрямителей, а не однополупериодных, привело к большему тепловыделению в диодах VD4...VD11, однако предотвратило существенное подмагничивание сердечника трансформатора напряжения TV1 и его раз-балансировку. Подмагничивание могло бы привести к перекосу частной петли гистерезиса магнитопровода и к одностороннему насыщению ферритового сердечника, из-за которого преобразователь не смог бы исполнять возложенные на него функции, а также к срабатыванию системы защиты от перегрузки по току. Электролитические конденсаторы С18 и С19 сглаживают пульсации выходного напряжения источника питания, а керамические конденсаторы С20 и С21 их шунтируют, замыкая высокочастотные пульсации.
Цепь защиты от перегрузки по току включает компоненты С17, С22, R18...R20.TA1.VD12 и VD13. На вторичной обмотке трансформатора тока ТА1, на резисторе R19 возникают импульсы, пропорциональные силе тока в проводе первичной обмотки трансформатора ТА1. Конденсатор С22 ограничивает величину амплитуд импульсов. На диодах VD12 и VD13 организован двухполупериодный выпрямитель. С него выпрямленное напряжение поступает на делитель напряжения, собранный на резисторах R18 и R20. Конденсатор С17 совместно с подстроенным резистором R20 играют роль пассивного RC-фильтра выпрямленного напряжения.
Трансформатор тока ТА1 следует выполнить на одном ферритовом тороидальном магнитопроводе производства фирмы "Epcos" типоразмером ЕЗО/15/7 из ферритов марок N67 или N87. Первичная обмотка состоит из одного витка литцендрата ЛЭШО или ЛЭЛО, пропущенного через окно магнитопровода и состоящего из 175 изолированных жил с диаметром каждой 0,10 мм. Вторичная обмотка с отводом от середины состоит из 100 + 100 витков одножильного провода ПЭЛ, ПЭВ, ПЭВТЛ-2, ПЭТВ-2 или ПЭВ-2 диаметром 0,27 мм. Полуобмотки укладывают в два провода. Между первичной и вторичной обмотками надлежит проложить изоляцию, например, надев стеклотка-невую трубку на провод первичной обмотки.
Постоянный резистор R21, светодиод оптрона U1.2 и стабилитрон VD14 необходимы для отслеживания изменения величины выпрямленного выходного напряжения. Принцип действия системы, стабилизирующей напряжение на выходе импульсного источника питания, описан ниже. Если выходное напряжение импульсного источника питания возросло, по какой бы то ни было причине, то возникает более интенсивное излучение светодиода оптрона U1.2. Фототранзистор U1.1 приоткроется и сильнее шунтирует неинвертирующий вход IN1 микросхемы DA1. В результате этого возрастет скважность импульсов на выходе задающего генератора, а выпрямленное диодами VD4...VD11 постоянное напряжение уменьшится, вернувшись к исходному значению.
Цепь R22 и HL1 служит для индикации включенного состояния источника питания. Резистор R22 ограничивает силу тока, протекающего через светодиод HL1.

Марки компонентов и возможные замены
Подстроенные резисторы R1, R11 и R20 допустимо применить марок СПЗ-19а или 3329Н-1 фирмы "Bourns".
Микросхему DA1 марки TL494 можно поменять на контроллер отечественного производства марки КР1114ЕУ4.
Микросхему DA2 марки IR2113 буферного каскада допустимо поменять на приборы IR2113S, IR2110, HIP2500IP, IR2110S или HIP25001B.
МОП-транзисторы VT1 и VT2 необходимо монтировать на раздельные охладители HS144 (2,3 °С/Вт; 1,7 кг/м) или HS114 (1,9 °С/Вт; 3,3 кг/м). Данные МОП-транзисторы марки FB180SA10 допустимо заменить приборами IRFP2907.
Диод VD1 может быть любым, с максимальным постоянным током в прямом включении не менее 130 А, и максимальным обратным напряжением не менее 25 В.
Диоды Шоттки VD2 и VD3 марки SB10100 можно поменять на детали MBR10100, PBYR10100, PBYR10100B или SR15100.
Восемь диодов VD4... VD11 выходного выпрямителя импульсного напряжения следует закрепить через диэлектрические прокладки на одном точно таком же охладителе, какой был применен для рассеивания тепла от переключательных транзисторов. Диэлектрические прокладки могут быть из слюды или бериллиевой керамики. Диоды VD4...VD11 допустимо поменять на приборы 60EPU02, DSEI12-06A, FES16JT, HFA25TB60 или MUR1560.
Компоненты VD12 и VD13 марки SF12 можно поменять на диоды BYD1100, MUR120, MUBS110, SF11, SF14, 8Р21,8Р22илиР?т20.
Транзисторный оптрон U1 марки РС817 допустимо поменять на РС816, LTV816 или LTV817.
Стабилитрон VD14 марки 1N5377B можно поменять на компоненты BZW22C-91V или ZY91.
Светодиод HL1 синего или зеленого цвета свечения можно взять любого типа с максимально допустимым постоянным током в прямом включении не менее 12 мА.

Настройка и регулировка
Прежде всего, необходимо проверить монтаж источника питания. Включение импульсного источника питания производят при выведенных в средние положения движках подстроенных резисторов R1, R11 и R20. При возникновении каких-либо посторонних звуков аппарат необходимо выключить и искать неполадки. Постоянный ток, потребляемый источником питания без нагрузки, не должен превышать нескольких сотен миллиампер. В противном случае ищут ошибку в монтаже, проверяют отсутствие короткозамкнутых витков в трансформаторе TV1. Резистором R1 устанавливают частоту преобразования в 150 кГц, измеряя ее на обмотках трансформатора напряжения TV1. Только теперь к источнику питания подключают эквивалент нагрузки. Подстроенным резистором R11 выставляют начальную скважность импульсов, добиваясь получения постоянного выходного напряжения источника питания на уровне 50 + 50 В. Резистором R20 регулируют порог срабатывания защиты по току устройства. Ток срабатывания защиты должен составлять 85 А. Только после проведения всех регулировочных работ контролируют температуру нагрева компонентов, использованных в импульсном источнике питания, при подключении штатной нагрузки.
Параллельно каждому диоду VD4... VD11 выходного выпрямителя желательно включить по RC-цепи из керамического конденсатора емкостью 0,01 мкФ и постоянного безындукционного резистора сопротивлением 10 Ом, однако это приведет к усложнению аппарата.

Радиолюбитель 01 2010
Евгений Москатов