Надежный источник питания для усилителя должен не только выдавать необходимый ток при заданном напряжении, но и должен иметь защиту от короткого замыкания (КЗ), надежно срабатывающую при внештатной ситуации. Также, надежность импульсного источника питания для усилителя повышается, если он имеет функцию плавного запуска. Такая функция ограничивает стартовый ток, протекающий через сток-исток полевых транзисторов в момент заряда выходных электролитических конденсаторов. Без функции плавного запуска (софт старт) неожиданно может произойти пробой ключей в момент включения ИИП в сеть.
Схема надежного ИИП для усилителя построена на драйвере управления полевыми транзисторами IR2153. Я уже публиковал несколько схем на базе IR2153 с защитой и без. Сама обвязка микросхемы в них практически не отличается, а вот защита от КЗ и софт старт организован по-разному. Предложенный вариант защиты в этой статье, на мой взгляд, самый удачный и надежный.
Собранный по представленной ниже схеме ИИП я испытывал на КЗ многократно, запускал с закороченным выходом, замыкал выход работающего устройства, защита срабатывала отлично, каждый раз.
Схема надежного ИИП для усилителя
Схема защиты и софт старта разработана Сергеем Лебедевым и взята с ресурса Darkamp.
Пробегусь по основным узлам и элементам. Термистор R2 ограничивает ток заряда емкостей при первом включении. Его сопротивление составляет 5Ом, а после его нагрева сопротивление снижается до нуля. Предохранитель F1 оберегает устройство от пожара при внештатной ситуации, его номинал я снизил до 1.6А. Элементы C1, R1, C2 и синфазный дроссель Tr1 образуют помехоподавляющий фильтр.
Напряжение переменного тока поступает на диодный мост VDS1, выпрямляется им и накапливается в конденсаторе C5. Резистор R3 служит для плавного разряда емкости C5 при отключении ИИП от сети. Выпрямленное напряжение (уже примерно +310В) поступает на емкостной делитель C15, C17, который делит напряжение +310В пополам. Средняя точка делителя соединена с одним выводом первичной обмотки трансформатора. Второй вывод первичной обмотки соединен с истоком транзистора T1 и со стоком транзистора T2. Данные транзисторы, открываясь поочередно, будут подключать первичную обмотку к +155В и к -155В относительно средней точки делителя C15, C17. Таким образом, на первичной обмотке будут импульсы со значением примерно 155В (половина выпрямленного напряжения).
На вторичной обмотке также появляются прямоугольные импульсы. Напряжение вторичной обмотки выпрямляется диодами Шоттки SR5100 и накапливается в электролитических конденсаторах C18 и C19. Резисторы R19 и R20 служат для ограничения раскачки напряжения на холостом ходу и для разряда емкости при отключении ИИП от сети. Дроссели L1 и L2 ограничивают импульс тока заряда выходных емкостей при запуске ИИП.
Цепочка R18, C16 является снаббером, который снижает высокочастотные выбросы (звон) ключей.
С силовой частью разобрались.
Затворами силовых ключей T1 и T2 управляют прямоугольные импульсы, которые поступают на них с выходов драйвера IR2153 (выводы 5 и 7) через конденсаторы C10, C12 и ограничивающие ток резисторы R14 и R15.
Частоту генерации задают элементы R8 и C8. С указанными на схеме номиналами этих элементов, частота генерации лежит в районе 45кГц. К статье приложен калькулятор для расчета времязадающих элементов IR2153 в зависимости от частоты драйвера.
Питание драйвера IR2153 организовано через гасящий резистор R10, подключенный к напряжению переменного тока (~220В). На вывод питания драйвера (вывод 1) поступает стабилизированное стабилитроном ZD напряжение +12В, пульсации которого сглаживаются емкостями C6 и C7.
Элементы VD1 и C11 являются бутстрепными в схеме управления ключами.
Работа защиты и софт старта.
В истоках полевых транзисторов стоят датчики тока R16 и R17. Через них протекает ток, пропорциональный выходной нагрузке блока питания. При увеличении тока, протекающего по ним, возрастает падение напряжения на этих датчиках тока, которое через диоды VD2, VD3 поступает на базы VT5, VT6. При превышении определенного порога, VT5 и VT6 открываются и замыкают затворы силовых ключей на их истоки, транзисторы запираются. Точнее сказать, они продолжают работать, но на первичной обмотке трансформатора форма сигнала принимает вид иголок с очень узкой шириной импульсов. Таким образом, ограничивается ток КЗ или перегрузки. При софт старте происходит то же самое, по мере заряда выходных емкостей ширина иголок постепенно увеличивается и переходит в меандр.
Для большей надежности автор добавил триггер (защелку), построенный на транзисторах VT1 и VT3. Он уже полностью останавливает генерацию при КЗ.
Напряжение с датчика тока R17 поступает на базу транзистора VT4, который открываясь, будет подтягивать базу VT1 к общему проводу и VT1 начнет открываться. Начнет протекать ток через резисторы R6 и R7. Далее по мере увеличения падения напряжения на R7, транзистор VT3 откроется. После открытия VT3 уже будет неважно, какое падение напряжения на датчике тока R17, так как открытый VT3 будет открывать VT1 и наоборот. Вместе с VT3 открывается VT2, который в свою очередь шунтирует (замыкает на общий провод) частотозадающую емкость C8 и генерация останавливается. Для отключения сработанной защиты нужно на некоторое время отключить ИИП от сети. Конденсатор C9 снижает чувствительность защелки. Его емкость необходимо увеличить, если триггер срабатывает при запуске, когда выходные емкости имеют большие номиналы. Если емкость C9 значительно увеличить, то защелка может не срабатывать при КЗ, но защита каждого ключа на VT5 и VT6 будет работать.
Вот такую замечательную защиту предложил автор схемы, помимо триггера, каждый ключ имеет свою защиту, что делает действительно этот импульсный источник питания надежным.
Компоненты
Транзисторы должны быть оригинальными. Не применяйте поддельные IRF740, иначе они будут выходить из строя при старте источника. Также не забываем изолировать их фланцы от радиатора с помощью диэлектрических втулок и прокладок.
В качестве неполярных конденсаторов лучше применить пленочные, с шагом выводов 5мм, особенно это касается C8, C9. При нагреве керамических конденсаторов может изменяться частота генерации или чувствительность защиты.
Диоды VD1-VD3 супер быстрые, серии SF или HER. На выходе диоды Шоттки SR5100 или аналогичные (можно установить диоды серии SF, FR, UF) на ток 5А и напряжение не менее 80В.
Резисторы R16, R17 должны быть либо SMD с типоразмером 2512, либо с обратной стороны платы можно припаять 1-2Вт выводные сопротивления.
Резистор R10 значительно греется, его рассеиваемая мощность должна быть 2Вт.
Стабилитрон ZD напряжением 12В.
Конденсаторы C1 и C2 помехоподавляющие типа X2. Конденсаторы C3 и C4 обязательно Y типа. Термистор R2 на 5Ом.
Синфазный дроссель мотается на зеленом кольце и содержит по 20-25 витков на каждой половине кольца.
Выходные дроссели L1, L2 мотаются на ферритовых стержнях диаметром 5-6мм. Необходимо не менее 10 витков (больше — лучше) проводом с диаметром не менее 1мм. Я выполнил по 16 витков, индуктивность составила 7мкГн.
Трансформатор
Сердечник (материал PC40) кольцевого типа с размерами 31?19?15 и проницаемостью 2300?. Подойдет и другое кольцо с примерными размерами и проницаемостью 2000?.
По авторской схеме трансформатор содержит 51виток в первичной обмотке. У меня 47 витков. Вторичные обмотки содержат 11+11 витков.
Первичную обмотку я мотал одной жилой провода ПЭТ-155 диаметром 0.63мм.
Вторичные обмотки мотаются двумя жилами диаметром 0.63мм.
Для данного ИИП мною было намотано несколько трансформаторов. По фотографиям можно увидеть, что я мотал вторичную обмотку двумя способами, либо двумя жилами каждую обмотку, либо мотал четырьмя жилами сразу две вторичные обмотки, а потом уже их фазировал.
В качестве межслойной изоляции применен рукав для запекания, нарезанный лентами.
Методику намотки я тут разъяснять не буду, она описана в статьях «Импульсный источник питания для TDA7294 на IR2153» и «Блок питания для усилителя на IR2161».
Испытания
Самое первое включение я выполнял через последовательно соединенную лампу (~220В). Лампа, как положено, моргнула и потухла. Значит все отлично. После измерения выходного напряжения я убедился, что ИИП работает исправно.
Первое испытание ИИП было с нагрузочным резистором 22Ома, выходная мощность составляла 132Вт (на выходе ±27В, вторичная обмотка 10+10 витков). На ключах теплоотвод с площадью поверхности 200см2. За 20 минут работы, трансформатор нагрелся до 400С, ключи чуть теплые. Сильно греются выходные диоды (1200С) и диодный мост.
Так как этот ИИП будет трудиться в корпусе усилителя ОМ2 без принудительного охлаждения, то я принял решение наклеить на Шоттки пластинку из алюминия, а также подобную пластину установил на диодный мост с помощью болта и гайки М3, это должно снизить нагрев элементов.
Далее я испытывал ИИП уже в составе усилителя ОМ2. Трансформатор имел 11+11 витков во вторичной обмотке, напряжение на холостом ходу составляло ±36В. Нагрузкой служили два канала ОМ2, нагруженные резисторами по 8Ом. Выходная мощность усилителя составляла 45Вт+45Вт на непрерывный синусоидальный сигнал частотой 1000Гц. Учитывая КПД усилителя ОМ2 равный 55%, ИИП в нагрузке имел 165Вт, напряжение просело до ±31.5В. Корпус шасси был полностью закрыт. За 20 минут трансформатор нагрелся до 650С, Шоттки — 1050С, ключи — 400С. Это хорошие показатели, ведь при усилении музыкальной программы нагрев будет значительно меньше.
Защита с защелкой срабатывала при замыкании обоих плеч резистором 10Ом. При КЗ также защелка срабатывает отлично. Защелка может не сработать если при КЗ контакт замыкания некачественный, но в этом случае срабатывает защита в истоках ключей, напряжение на выходе падает до нуля и при размыкании выхода восстанавливается.
При софт старте, за счет емкости C9, защелка не успевает сработать, а защита на VT5-VT6 способствует формированию узких импульсов (иголок) на первичной обмотке, заряжая слабым током выходные емкости, по мере их заряда ширина импульсов восстанавливается.
Для снижения выбросов (звона) я заменил керамические конденсаторы пленочными, снизил количество витков первичной обмотки до 47 витков и убрал снаббер R18, C16 (без него почему-то звон стал меньше).
Это уже с 47 витками в первичной обмотке. До перемотки было еще хуже.
После всего сделанного на холостом ходу, на нагрузке выбросы есть, но не такие, как были ранее.
Печатная плата надежного ИИП для усилителя СКАЧАТЬ
Калькулятор времязадающих элементов IR2153 СКАЧАТЬ