Простой импульсный источник питания

Любой разработчик может столкнуться с проблемой создания простого и надежного источника питания для конструируемого им устройства. Еще недавно это представляло определенную сложность. Однако в настоящее время существуют достаточно простые схемные решения и соответствующая им элементная база, позволяющие создавать импульсные источники питания на минимальном количестве элементов.

 В настоящей статье вниманию читателей предлагается описание одного из существующих вариантов простого сетевого импульсного блока питания.

Сетевая часть блока питания
 Предлагаемый вашему вниманию вариант импульсного блока питания реализован на основе микросхемы UC3842. Эта микросхема (МС) получила распространение, начиная со второй половины 90-х годов. На ней реализовано множество различных источников питания для телевизоров, факсов, видеомагнитофонов и другой техники. Такую популярность UC3842 получила благодаря своей малой стоимости, высокой надежности, простоте схемотехники и минимальной требуемой обвязке.

 
 Семейство МС 384х с незначительными отличиями выпускают многие производители: UC3842 (Unitrode, Unitra, Solitron, Phillips Semiconductors), KA3842 (Fairchild Semiconductor), DBL3842 (Daewoo), SG3842 (MicroSemi, Silicon General), TL3842 (Texas Instruments), KIA3842 (KEC), GL3842 (LG) и многие другие. Существуют также отечественные микросхемы КР1033ЕУ10 и КР1033ЕУ16, которые являются модифицированными аналогами UC3842/43/44.

 
 Обобщенная функциональная схема семейства микросхем 384х представлена на рис. 1.

 Рис. 1. Обобщенная функциональная схема семейства микросхем 384х

 
МС семейства 384х выпускаются в различных корпусах — DIP8, SOIC8, DIP14, SOIC14. Между ними существуют незначительные различия, которые сводятся, например, к наличию отдельных выводов питания и земли у выходного транзисторного каскада. Однако наибольшей популярностью пользуются МС в корпусе DIP8. В дальнейшем мы будем рассматривать именно такое исполнение МС. Назначение выводов МС семейства 384х приведено в табл. 1.

 Таблица 1. Назначение выводов микросхем семейства 3842/3843

 
Микросхема содержит следующие основные узлы:

• стабилитрон ограничения напряжения питания {между выв. 5 и 7), обычно на напряжение 36 В (у некоторых производителей это напряжение отличается, например, в DBL3842A указана величина 29);
• компаратор 1, неинвертирующий вход которого соединен с источником питания, а инвертирующий вход - с внутренним источником опорного напряжения + 16 В (у других МС семейства используются другие значения источника опорного напряжения). Этот компаратор определяет напряжение включения МС;
• управляемый выходным сигналом компаратора СОМР1 источник опорного напряжения Vref (+5 В. источник опорного напряжения (+5 В), который через резистивный делитель на 2 соединен с неинвертирующим входом усилителя ошибки. Инвертирующий вход этого усилителя соединен с выв. 2, а выход - с выв. 1;
• усилитель ошибки, с выхода которого напряжение через два диода и резистивный делитель на 3 поступает на инвертирующий вход компаратора 2, к которому также подключен стабилитрон на напряжение 1 В; второй неинвертирующий вход компаратора соединен с выв. 3 (Current Sense);
• встроенный генератор импульсов, вход которого соединен с выв. 4 МС, к которому подсоединяется время-задающая RC цепочка;

  Выход компаратора 2 соединен с входом R триггера ШИМ.

 
 Выход генератора соединен с входом S триггера ШИМ; его инверсный выход соединен с многовходовым элементом ИЛИ, другие входы которого соединены с выходом компаратора 1 и генератора импульсов; выходы элемента ИЛИ управляют мощным транзисторным выходным каскадом, выход которого соединен с выв. 6.

 
 Принцип работы МС легче рассматривать при сопоставлении ее функциональной схемы и принципиальной схемы сетевой части источника питания, изображенной на рис. 2.

 Рис. 2. Принципиальная схема сетевой части источника питания

 
 На входе блока питания расположен сетевой выпрямитель напряжения, включающий плавкий предохранитель PR1 на ток 5 А, варистор Р1 на 275 В для защиты блока питания от превышения напряжения в сети, конденсатор С1, терморезистор R1 на 4,7 Ом, диодный мост VD1-VD4 на диодах FR157 (2 А, 600 В) и конденсатор фильтра С2 (220 мкФ х 400 В). Терморезистор R1 в холодном состоянии имеет сопротивление 4,7 Ом, и при включении питания ток заряда конденсатора С2 ограничивается этим сопротивлением. Далее резистор разогревается за счет проходящего через него тока, и его сопротивление падает до десятых долей ома. При этом он практически не влияет на дальнейшую работу схемы.

 
 Резистор R7 обеспечивает питание МС в период запуска блока питания. Обмотка трансформатора W2, диод VD6, конденсатор С8, резистор R6 и диод VD5 образуют так называемую петлю обратной связи (Loop Feedback), которая обеспечивает питание МС в рабочем режиме, и за счет которой осуществляется стабилизация выходных напряжений. Конденсатор С7 является фильтром питания МС. Элементы R4C5 составляют времязадающую цепочку для внутреннего генератора импульсов МС. Резистивный делитель R2R3 задает напряжение, вырабатываемое петлей обратной связи, на входе усилителя ошибки, другими словами, определяет напряжение стабилизации. Элементы R5C6 необходимы для компенсации АЧХ усилителя ошибки. Резистор R9 - токоограничивающий, резистор R13 защищает полевой транзистор VT1 в случае обрыва резистора R9. Резистор R11 является измерительным для определения тока через транзистор VT1. Элементы R10C10 образуют интегрирующую цепочку, через которую напряжение с резистора R11. являющееся эквивалентом тока через транзистор VT1, поступает на второй компаратор МС. Элементы VD7, R8, С9, VD8, С11 и R12 формируют требуемую форму импульсов, устраняют паразитную генерацию фронтов и защищают транзистор от мощных импульсов напряжения.

 Возрастающее напряжение на конденсаторе фильтра С2 приводит к заряду конденсатора С7 через резистор R7. Ток заряда достаточно мал и не превышает 3...5 мА. При достижении напряжения на конденсаторе С7 уровня 16 В {порог срабатывания первого компаратора, обусловленный величиной напряжения внутреннего источника опорного напряжения, подключенного к инвертирующему входу компаратора), компаратор включается и на его выходе формируется высокий уровень. Следует отметить, что компаратор имеет гистерезис, т. е. напряжение срабатывания равно 16 В, а напряжение выключения — 10 В для МС 3842 {для 3843 — 8.4 В и 7,6 В соответственно). Пока компаратор не включен, низкий уровень на его выходе блокирует элемент ИЛИ и выходной транзисторный каскад {управляющий полевым транзистором VT1), который в это время закрыт. Когда компаратор 1 включен, его высокое выходное напряжение включает источник опорного напряжения +5 В (Vref) и разблокирует элемент ИЛИ.

 
 При включении источника опорного напряжения встроенный генератор начинает вырабатывать узкие положительные прямоугольные импульсы, частота которых определяется элементами R4C5 и которые поступают на вход S триггера ШИМ и третий вход элемента ИЛИ. Эти импульсы через элемент ИЛИ {и, соответственно, транзисторный выходной каскад), открывают полевой транзистор VT1. Ток через VT1, первичную обмотку W1 трансформатора Т1 и резистор R11 начинает возрастать. Напряжение с резистора R11, пропорииональное протекающему току, через интегрирующую цепочку R10C10 поступает на вход 3 МС (неинвертируюший вход компаратора 2). Поскольку преобразователь еще не достиг рабочего режима (не запустился), конденсатор С8 еще не зарядился, и его напряжение меньше напряжения   на   конденсаторе   С7.

 Следовательно, диод VD5 еще закрыт. Конденсатор С7 в момент импульса теряет напряжение, и при достижении на нем напряжения выключения компаратор 1 выключится (за счет гистерезиса). Напряжение с конденсатора С7 через делитель R2R3 попадает на инвертирующий вход усилителя ошибки. Оно оказывается ниже 2,5 В, получаемых на неинвертирующем входе усилителя ошибки за счет деления опорного напряжения {+5 В) на два {на внутренних резисторах R-R). Как следствие, напряжение на выходе усилителя ошибки высокое, и через делитель 2R-R включается стабилитрон на инвертирующем входе компаратора 2. Как только напряжение на истоке транзистора VT1 превысит 1 В, компаратор 2 включится и сбросит триггер ШИМ по входу R. Выходной каскад выключается, следовательно, выключается транзистор VT1.

 
 Поскольку сопротивление резистора R7 достаточно велико, за время одного описанного цикла запуска конденсатор С7 успевает разрядиться, а конденсатор С8 в цепи обмотки обратной связи W2 успевает немного подзарядиться через диод VD6. Попытки запуска будут повторяться до тех пор, пока напряжение на конденсаторе С8 не превысит напряжение на конденсаторе С7. Тогда диод VD5 откроется, и обмотка обратной связи начнет питать МС. Периодичность попыток запуска определяется постоянной времени элементов R7C7.
Как только напряжение на делителе R2R3 превысит 2,5 В, напряжение на выходе усилителя ошибки уменьшится и стабилитрон выключится. Наступит режим стабилизации по обмотке обратной связи, а следовательно, и по всем другим обмоткам. В этом режиме любое уменьшение напряжения в цепи обратной связи и на делителе R2R3 вызывает увеличение напряжения на выходе усилителя ошибки и на инвертирующем входе компаратора СОМР2, а следовательно увеличение тока через полевой транзистор VT1 и первичную обмотку W1 трансформатора Т1 и возрастание передаваемой мощности, а значит и повышение выходных напряжений. Очевидно, что уменьшение напряжения в цепи обратной связи вызовет обратный эффект.

 
 Отметим некоторые особенности применяемых элементов.
1. Из приведенного выше описания следует, что измерительный резистор R11 фактически задает возможный максимальный ток через полевой транзистор VT1. Так, при максимальном токе 2 А его номинал должен быть 0,51 Ом. при максимальном токе 1 А- соответственно 1 Ом и т. д. Рекомендуемый тип резистора - С5-16МВ.

2. Несмотря на то. что внутри МС имеется стабилитрон, ограничивающий максимальное напряжение на выв. 7 (питание), в особо ответственных блоках питания рекомендуется устанавливать мощный дополнительный внешний стабилитрон примерно на 22...24 В.
3. Элементы коррекции АЧХ усилителя ошибки R5C6 следует устанавливать в соответствии с указанными номиналами, причем емкость конденсатора С6 особенно критична и должна находиться в диапазоне 91... 110 пФ.
4. Элементы времязадаюшей цепи R4C5 определяют частоту внутреннего генератора импульсов. Эта частота может изменяться в достаточно широких пределах и достигать 250 кГц. Желательно использовать конденсатор С5 с большим сопротивлением постоянному току. Соотношение элементов RC цепочки может быть различным, однако при больших значениях R и малых значениях С диапазон регулирования значительно больше, чем при малых значениях R и больших значениях С. Оптимальными являются емкости конденсатора от 2700 до 5100 пФ и номиналы резистора от 91 до 130 кОм.
5. Следует отметить, что общий провод сетевой части является виртуальным, он ни в коем случае не должен быть соединен с выходным общим проводом блока питания или корпусом изделия.

6. Иногда для улучшения формы импульса на трансформаторе параллельно резистору R9 можно подключать импульсный диод анодом к затвору полевого транзистора. Параметры используемых диодов или их возможной замены приведены в табл. 2.
7. В некоторых случаях бывает необходимо осуществлять регулировку выходного напряжения, для чего в схему следует ввести переменный резистор, включив его в разрыв делителя R2R3, а вывод движка соединив со входом 2 МС.
8. Резисторы R8 и R12 рассеивают достаточно большую мощность. Их мощность рассеивания должна быть не менее 5 Вт. В случае отсутствия таких резисторов возможно последовательное включение резисторов меньшей мощности (так часто и поступают многие изготовители блоков питания на описываемой МС).
9. Поскольку паразитные выбросы на первичной обмотке при переключении транзистора могут достигать достаточно высоких напряжений (до 700-800 В), рекомендуется использовать конденсаторы С9 и С11 на напряжение 1000 В.
10. Следует применять в схеме полевые транзисторы с запасом по току и напряжению. Параметры используемого транзистора и возможные варианты его замены приведены в табл. 3.
11. Полевой транзистор следует установить на пластинчатый радиатор с плошадью не менее 6 см2 (при учете постоянного обдува).
12. Трансформатор преобразователя намотан на ферритовом сердечнике с каркасом ETD39 фирмы Siemens+Matsushita. Этот набор отличается круглым центральным керном феррита и большим пространством для толстых проводов. Пластмассовый каркас имеет выводы для восьми обмоток. Сборка трансформатора осуществляется с помощью специальных крепежных пружин. Следует обратить особое внимание на тщательность изоляции каждого слоя обмоток с помощью лакоткани, а между обмотками W1, W2 и остальными обмотками следует проложить несколько слоев лакоткани, обеспечив надежную изоляцию выходной части схемы от сетевой. Обмотки следует наматывать способом 'виток к витку", не перекручивая провода. Естественно, не следует допускать перехлеста проводов соседних витков и петель. Намоточные данные трансформатора приведены в табл. 4.

Сердечник и каркас ETD39 фирмы Siemens+Matsushita.

 Трансформатор на каркасе ETD39 фирмы Siemens+Matsushita.

 Таблица 2. Параметры диодов и их возможной замены

 Таблица 3. Параметры полевых транзисторов

 Таблица 4. Намоточные данные трансформатора Т1

 В заключение следует отметить, что при отладке сетевой части рекомендуется помнить о мерах безопасности, поскольку элементы сетевой части преобразователя гальванически связаны с сетью. Не рекомендуется включать отдельно сетевую часть без нагрузки: это может привести к значительному возрастанию напряжения на отдельных элементах и их пробою.

 
Выходная часть блока питания
 Выходная часть блока питания представлена на рис. 3. Она гальванически развязана от входной части и включает в себя три функционально идентичных блока, состоящих из выпрямителя, LC-фильтра и линейного стабилизатора.

 Рис. 3. Выходная часть блока питания

 
 Первый блок - стабилизатор 5 В (5 А) - выполнен на МС линейного стабилизатора А2 SD1083/84 (DV, LT). Эта микросхема имеет схему включения, корпус и параметры, аналогичные МС КР142ЕН12, однако рабочий ток составляет 7,5 А для 1083 и 5 А для 1084. Отечественный аналог - КР142ЕН22.

 
 Второй блок-стабилизатор+12/15 В (1 А) - выполнен на МС линейного стабилизатора A3 7812 (12 В) или 7815 (15 В). Отечественные аналоги этих МС- КР142ЕН8 с соответствующими буквами (Б, В), а также К1157ЕН12/15.

 
 Третий блок - стабилизатор -12/15 В (1 А) - выполнен на МС линейного стабилизатора А4 7912 (12 В) или 7915 (15 В). Отечественные аналоги этих МС-К1162ЕН12/15.

 
 Резисторы R14, R17, R18 необходимы для гашения излишнего напряжения на холостом ходу. Конденсаторы С12, С20, С25 выбраны с запасом по напряжению ввиду возможного возрастания напряжения на холостом ходу. Рекомендуется использовать конденсаторы С17, С18, С23, С28 типа К53-1А или К53-4А. Все МС устанавливаются на индивидуальные пластинчатые радиаторы с площадью не менее 5 см².

 
 Конструктивно блок питания выполнен в виде одной односторонней печатной платы, установленной в корпус от блока питания персонального компьютера. Вентилятор и входные сетевые разъемы используются по назначению. Вентилятор подключен к стабилизатору + 12/15 В, хотя возможно сделать дополнительный выпрямитель или стабилизатор на +12 В без особой фильтрации. Все радиаторы установлены вертикально, перпендикулярно выходящему через вентилятор воздушному потоку. К выходам стабилизаторов подключены по четыре провода длиной 30...45 мм, каждый комплект выходных проводов обжат специальными пластиковыми зажимами-ремешками в отдельный жгут и оснащен разъемом того же типа, который используется в персональном компьютере для подключения различных периферийных устройств.

 
 В заключение следует отметить, что на трансформаторе предусмотрены выводы еще для двух обмоток, а при аккуратной плотной намотке остается еще 1/3 свободной площади окна, так что при необходимости номенклатуру напряжений можно легко расширить.

 Параметры стабилизации определяются параметрами МС стабилизаторов. Напряжения пульсаций определяются параметрами самого преобразователя и составляют примерно 0.05% для каждого стабилизатора.

Олег Николайчук

Литература
 Datasheet UC3842
 Datasheet KIA3842
 Datasheet ETD39