Мощный импульсный блок питания. Импульсные источники питания, теория и простые схемы Импульсные трансформаторы для источников питания иип

В радиолюбительской практике многие самодельные конструкции остаются на полках без внимания по той причине, что не имеют блока питания. Одна из самых повторяемых конструкций - усилитель мощности низкой частоты, которому тоже нужен источник питания. Сетевые трансформаторы для запитки мощных усилителей стоят немало денег, да и размеры и вес иногда некстати. По этому в последнее время широкое применение нашли импульсные блоки питания. Эти блоки имеют полностью электронную начинку и работают в импульсном режиме. За счет повышенной рабочей частоте удается резким образом уменьшить размеры и вес источника питания. Схема такого блока питания была найдена в одном из зарубежных сайтов, недолго думая, решил повторить конструкцию.


Конструкция отличается особой простотой и дешевизной, в моем случае было потрачено всего 5$ на транзисторы и микросхему, все остальное можно найти в нерабочем компьютерном блоке питания.
Мощность такого блока может доходить до 400 ватт, для этого нужно только поменять диодный выпрямитель и электролиты, вместо 220 мкФ, поставить на 470.

Выпрямитель можно взять готовый, от компьютерного БП или собрать мост из диодов с током 3 А и более, обратное напряжение диодов не менее 400Вольт.


Первый запуск схемы нужно проводить с последовательно подключенной лампой накаливания на 220 Вольт 100 - 150 ватт, чтобы при неправильном монтаже схема не взорвалась.

Или создавать намотку, можно своими руками собрать блок питания импульсного типа, который требует трансформатора всего с несколькими витками.

При этом, потребуется небольшое количество деталей, а работу можно выполнить за 1 час. В данном случае, основой для блока питания используется микросхема IR2151.

Для работы понадобятся следующие материалы и детали:

  1. PTC термистор любого типа.
  2. Пара конденсаторов , которые выбираются с расчетом 1мкф. на 1 Вт. При создании конструкции подбираем конденсаторы так, чтобы они вытянули 220 Вт.
  3. Диодная сборка типа «вертикалка».
  4. Драйвера типа IR2152, IR2153, IR2153D.
  5. Полевые транзисторы типа IRF740, IRF840. Можно выбрать и другие, если у них хороший показатель сопротивления.
  6. Трансформатор можно взять из старых компьютерных системных блоков.
  7. Диоды , устанавливаемые на выходе, рекомендуется брать из семейства HER.

Кроме этого, понадобятся следующие инструменты:

  1. Паяльник и расходные материалы.
  2. Отвертка и плоскогубцы.
  3. Пинцет.

Также, не стоит забывать и о необходимости хорошего освещения на месте работы.

Пошаговая инструкция


 принципиальная схема
структурная схема

Сборка проводится согласно составленной схеме цепи. Микросхема была подобрана согласно особенностям цепи.

Сборка проводится следующим образом:

  1. На входе устанавливаем PTC термистор и диодные мосты.
  2. Затем , устанавливается пара конденсаторов.
  3. Драйвера необходимы для регулирования работы затворов полевых транзисторов. При наличии у драйверов индекс D в конце маркировки устанавливать FR107 не нужно.
  4. Полевые транзисторы устанавливаются без закорачивания фланцев. При проведении крепления к радиатору, используют специальные изоляционные прокладки и шайбы.
  5. Трансформаторы устанавливаются с закороченными выводами.
  6. На выходе диоды.

Все элементы устанавливаются в отведенные места на плате и припаиваются с обратной стороны.

Проверка

Для того, чтобы правильно собрать блок питания, нужно внимательно отнестись к установке полярных элементов, а также следует быть осторожным при работе с сетевым напряжением. После отключения блока от источника питания, в цепи не должно оставаться опасного напряжения. При правильной сборке, последующая наладка не проводится.

Проверить правильность работы блока питания можно следующим образом:

  1. Включаем в цепь, на выходе лампочка, к примеру,12 Вольт. При первом кратковременном пуске, лампочка должна гореть. Кроме этого, следует обратить внимание на то, что все элементы не должны нагреваться. Если что-то греется, значит, схема собрана неправильно.
  2. При втором пуске замеряем значение тока при помощи тестера. Даем проработать блоку достаточное количество времени для того, чтобы убедиться в отсутствии нагревающихся элементов.

Кроме этого, нелишним будет проверка всех элементов при помощи тестера на наличие высокого тока после выключения питания.

  1. Как ранее было отмечено , работа импульсного блока питания основана на обратной связи. Рассматриваемая схема не требует специальной организации обратной связи и различных фильтров по питанию.
  2. Особое внимание следует уделить выбору полевых транзисторов. В данном случае, рекомендуются полевые транзисторы IR, которые славятся устойчивостью к тепловому разрешению. Согласно данным производителя, они могут стабильно работать до 150 градусов Цельсия. Однако, в этой схеме они не сильно нагреваются, что можно назвать весьма важной особенностью.
  3. Если нагрев транзисторов происходит постоянно , следует устанавливать активное охлаждение. Как правило, оно представлено вентилятором.

Достоинства и недостатки


Импульсный преобразователь имеет следующие достоинства:

  1. Высокий показатель коэффициента стабилизации позволяет обеспечить условия питания, которые не будут вредить чувствительной электронике.
  2. Рассматриваемые конструкции обладают высоким показателем КПД. Современные варианты исполнения имеют этот показатель на уровне 98%. Это связано с тем, что потери снижены до минимума, о чем говорит малый нагрев блока.
  3. Большой диапазон входного напряжения – одно из качеств, из-за которого распространилась подобная конструкция. При этом, КПД не зависит от входных показателей тока. Именно невосприимчивость к показателю напряжения тока позволяет продлить срок службы электроники, так как в отечественной сети электроснабжения прыжки показателя напряжения частое явление.
  4. Частота входящего тока оказывает влияние на работу только входных элементов конструкции.
  5. Малые габариты и вес , также обуславливают популярность из-за распространения портативного и переносного оборудования. Ведь при использовании линейного блока вес и габариты увеличиваются в несколько раз.
  6. Организация дистанционного управления.
  7. Меньшая стоимость.

Есть и недостатки:

  1. Наличие импульсных помех.
  2. Необходимость включения в цепь компенсаторов коэффициента мощности.
  3. Сложность самостоятельного регулирования.
  4. Меньшая надежность из-за усложнения цепи.
  5. Тяжелые последствия при выходе одного или нескольких элементов цепи.

При самостоятельном создании подобной конструкции, следует учитывать то, что допущенные ошибки могут привести к выходу из строя электропотребителя. Поэтому нужно предусмотреть наличие защиты в системе.

Устройство и особенности работы


При рассмотрении особенностей работы импульсного блока, можно отметить следующие:

  1. Сначала происходит выпрямление входного напряжения.
  2. Выпрямленное напряжение в зависимости от предназначения и особенностей всей конструкции, перенаправляется в виде прямоугольного импульса высокой частоты и подается на установленный трансформатор или фильтр, работающий с низкими частотами.
  3. Трансформаторы имеют небольшие размеры и вес при использовании импульсного блока по причине того, что повышение частоты позволяет повысить эффективность их работы, а также уменьшить толщину сердечника. Кроме этого, при изготовлении сердечника может использоваться ферромагнитный материал. При низкой частоте, можно использовать только электротехническую сталь.
  4. Стабилизация напряжения происходит при помощи отрицательной обратной связи. Благодаря использованию данного метода, напряжение, подаваемое к потребителю, остается неизменным, несмотря на колебание входящего напряжения, и создаваемой нагрузки.

Обратная связь может быть организована следующим образом:

  1. При гальванической развязке , используется оптрон или выход обмотки трансформатора.
  2. Если не нужно создавать развязку , используется резисторный делитель напряжения.

Подобными способами выдерживается выходное напряжение с нужными параметрами.

Стандартные блоки импульсного питания, который может использоваться, к примеру, для регулирования выходного напряжения при питании , состоит из следующих элементов:

  1. Часть входная, высоковольтная. Она, как правило, представлена генератором импульсов. Ширина импульса – основной показатель, оказывающий влияние на выходной ток: чем шире показатель, тем больше напряжение, и наоборот. Импульсный трансформатор стоит на разделе входной и выходной части, проводит выделение импульса.
  2. На выходной части стоит PTC термистор . Он изготавливается из полупроводника, имеет положительный показатель коэффициента температуры. Данная особенность означает, что при повышении температуры элемента выше определенного значения, значительно поднимается показатель сопротивления. Используется в качестве защитного механизма ключа.
  3. Низковольтная часть. С низковольтной обмотки проводится снятие импульса, выпрямление происходит при помощи диода, а конденсатор выступает в качестве фильтрующего элемента. Диодная сборка может провести выпрямление тока до значения 10А. Следует учитывать, что конденсаторы могут быть рассчитаны на различную нагрузку. Конденсатор проводит снятие оставшихся пиков импульса.
  4. Драйвера проводят гашение возникающего сопротивления в цепи питания. Драйвера во время работы проводят поочередное открытие затворов установленных транзисторов. Работа происходит с определенной частотой
  5. Полевые транзисторы выбирают с учетом показателей сопротивления и максимального напряжения при открытом состоянии. При минимальном значении, сопротивления значительно повышается КПД и уменьшается нагрев во время работы.
  6. Трансформатор типовой для понижения.

С учетом выбранной схемы, можно приступать к созданию блока питания рассматриваемого типа.

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

  1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
  2. Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.


Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.


 Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

  • Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
  • Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
  • На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
  • Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.


  • Далее вступает в работу выходной выпрямитель, поскольку он работает с высокочастотным напряжением, для процесса необходимы быстродействующие полупроводниковые элементы, поэтому для этой цели применяют диоды Шоттки.
  • На завершавшей фазе производится сглаживание на выгодном фильтре, после чего напряжение подается на нагрузку.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

  • частотно-импульсным;
  • фазо-импульсным;
  • широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.


Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется U П пилообразной формы, поступающее на вход компаратора К ШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал U УС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности U П (опорное напряжение) и U РС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал U УС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (U OUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала U РС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.



Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

  • Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
  • Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
  • Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
  • Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
  • Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:



Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.


Обозначения:

  • Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
  • Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 – 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
  • Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
  • Транзистор VT1 – KT872A.
  • Стабилизатор напряжения D1 – микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
  • Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
  • Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ СВОИМИ РУКАМИ НА IR2153

Функционально микросхемы IR2153 отличаются лишь установленным в планарном корпусе диода Вольтодобавки:


Функциональная схема IR2153


Функциональная схема IR2153D

Для начала рассмотрим как работает сама микросхема, а уж потом будем решать какой блок питания из нее собрать. Для начала ррасмотрим как работает сам генератор. На рисунке ниже приведен фрагмент резистивного делителя, три ОУ и RS триггер:

В первоначальный момент времени, когда только-только подали напряжение питания конденсатор С1 не заряжен на всех инвертирующих входах ОУ присутствует ноль, а на не инвертирующих положительное напряжение формируеммое резестивным делителем. В результате получается, что напряжение на иневртирующих входах меньше чем на не инвертирующих и все три ОУ на своих выхода формируют напряжение близкое к напряжению питания, т.е. лог единицу.
Поскольку вход R (установка нуля) на триггере инвертирующий, то для него это будет состояние при котором он не оказывает влияние на состояние триггера, а вот на входе S будет присутствовать лог единика, устанавливающая на выходе триггера тоже лог единицу и конденсатор Ct через резистор R1 начнет заряжаться. На рисунке напряжение на Ct показанно синей линией , красной - напряжение на выходе DA1 , зеленой - на выходе DA2 , а розовой - на выходе RS триггера :

Как только напряжение на Ct превысит 5 В на выходе DA2 образуется лог ноль, а когда, продолжая заряжать Ct напряжение достигнет значения чуть больше 10-ти вольт лог ноль появится на выходе DA1, что в свою очередь послужит установкой RS триггера в состояние лог нуля. С этого момента Ct начнет разряжаться, так же через резистор R1 и как только напряжение на нем станет чуть меньше установленноно делитеме значения в 10 В на выходе DA1снова появится лог единица. Когда же напряжение на конденсаторе Ct станет меньше 5 В лог единица появится на выходе DA2 и переведет RS триггер в состояние единицы и Ct снова начнет заряжаться. Разумеется, что на инверсном выходе RS триггера напряжение будет иметь противоположные логические значения.
Таким образом на выходах RS триггера образуются противоположные по фазе, но равные по длительности уровни лог единицы и нуля:

Поскольку длительность управляющих импульсов IR2153 зависит от скорости заряда-разряда конденсатора Сt необходимо тщательно уделить внимание промывке платы от флюса - ни каких утечек ни с выводов конденсатора, ни с печатных проводников платы не должно быть, поскольку это чревато намагничиванием сердечника силивого трансформатора и выходом из строя силовых транзисторов.
Так же в микросхеме есть еще два модуля - UV DETECT и LOGIK . Первый из них отвечает за запуск-остановку генераторного процесса, зависящую от напряжения питания, а второй формирует импульсы DEAD TIME , которые необходимы для исключения сквозного тока силового каскада.
Дальше происходит разделение логических уровней - один становится управляющим верхним плечом полумоста, а второй нижним. Отличие заключается в том, что управление верхним плечом осуществляется двумя полевыми транзисторами, которые, в свою очередь, управляют "оторванным" от земли и "оторванным" от напряжения питания оконечным каскадом. Если рассматривать упрощенную принципиальную схему включения IR2153, то получается примерно так:

Выводы 8, 7 и 6 микросхемы IR2153 являются соответственно выходами VB , HO и VS , т.е. питанием управления верхним плечом, выходом оконечного каскада управления верхним плечом и минусовым проводом модуля управления верхним плечом. Внимание следует обратить на тот факт, что в момент включения управляющее напряжение присутствует на Q RS триггера, следовательно силовой транзистор нижнего плеча открыт. Через диод VD1 заряжается конденсатор С3, посколько его нижний вывод через транзистор VT2 соединен с общим проводом.
Как только RS триггер микросхемы меняет свое состояние VT2 закрывается, а управляющее напряжение на выводе 7 IR2153 открывает транзистор VT1. В этот момент напряжение на выводе 6 микросхемы начинает увеличиваться и для удержания VT1 в открытом состоянии напряжение на его затворе должно быть больше чем на истоке. Поскольку сопротивление открытого транзистора равно десятым долям Ома, то и на его стоке напрежение не намного больше, чем на истоке. Получается, что удержания транзистора в открытом состоянии необходимо напряжение как минимум на 5 вольт больше, чем напряжение питания и оно действительно есть - конденсатор С3 заряжен до 15-ти вольт и именно он позволяет удерживать VT1 в открытом состоянии, поскольку запасенная в нем энергия в этот момен времени является питающим напряжение для верхнего плеча окнечного каскада микросхемы. Диод VD1 в этот моент времени не позволяет разряжаться С3 на шину питания самой микросхемы.
Как только управляющий импульс на выводе 7 заканчивается транзистор VT1 закрывается и следом открывается VT2, который снова подзаряжает конденсатор С3 до напряжения 15 В.

Довольно часто параллельно конденсатору С3 любители устанавливают электролитический конденсатор емкостью от 10 до 100 мкФ, причем даже не вникая в необходимость этого конденсатора. Дело в том, что микросхема способна работать на частотах от 10 Гц до 300 кГц и необходимость данного электролита актуально лишь до частот 10 кГц и то при условии, что электролитический конденсатор будет серии WL или WZ - технологически имеют маленький ers и больше известны как компьютерные конденсаторы с надписями золотистой или серебристой краской:

Для популярных частот преобразования, используемых при создании импульсных блоков питания частоты берут выше 40 кГц,а порой доводят до 60-80 кГц, поэтому актуальность использования электролита попросту отпадает - емкости даже 0,22 мкФ уже достаточно для открытия и удержания в открытом состоянии транзистора SPW47N60C3, который имеет емкость затвора в 6800 пкФ. Для успокоения совести ставится конденсатор на 1 мкФ, а давая поправку на то, что IR2153 не может коммутировать такие мощные транзисторы напрямую, то накопленной энергии конденсатором С3 хватит для управления транзисторами с емкостью затворов до 2000 пкФ, т.е. всеми транзисторами с максимальным током порядка 10 А (перечень транзисторов ниже, в таблице). Если же все таки есть сомнения, то вместо рекомендуемого 1 мкФ используйте керамический конденсатор на 4,7 мкФ, но это безсмысленно:

Было бы не справедлило не отметить, что у микросхемы IR2153 есть аналоги, т.е. микросхемы с аналогичным функциональным назначением. Это IR2151 и IR2155. Для наглядности сведем основные параметры в таблицу, а уж потом разберемся что из них лучше приготовить:

МИКРОСХЕМА

Максимальное напряжение драйвера

Напряжение питания старта

Напряжение питания стопа

Максимальный ток для зарадки затворов силовых транзисторов / время нарастания

Максимальный ток для разрядки затворов силовых транзисторов / время спада

Напряжение внутреннего стабилитрона

100 mA / 80...120 nS

210 mA / 40...70 nS

НЕ УКАЗАНО / 80...150 nS

НЕ УКАЗАНО / 45...100 nS

210 mA / 80...120 nS

420 mA / 40...70 nS

Как видно из таблицы отличия между микросхемами не очень большие - все три имеют одинаковый шунтирующий стабилитрон по питанию, напряжения питания запуска и остановки у всех трех почти одинаковая. Разница заключается лишь в максимальном токе оконечного каскада, от которого зависит какими силовыми транзисторами и на каких частотах микросхемы могут управлять. Как не странно, но самая распиаренная IR2153 оказалась не рыбой, не мясом - у нее не нормирован максимальный ток последнего каскада драйверов, да и время нарастания-спада несколько затянуто. По стоимости они тоже отличаются - IR2153 самая дешовая, а вот IR2155 сама дорогая.
Частота генератора, она частота преобразования (на 2 делить не нужно ) для IR2151 и IR2155 определяется по формулам, приведенным ниже, а частоту IR2153 можно определить из графика:

Для того, чтобы выяснить какими транзисторами можно управлять микросхемами IR2151, IR2153 и IR2155 следует знать параметры данных транзисторов. Наибольший интерес при состыковке микросхемы и силовых транзисторов представляет энергия затвора Qg, поскольку именно она будет влиять на мгновенные значения максимального тока драйверов микросхемы, а значит потребуется таблица с параметрами транзисторов. Здесь ОСОБОЕ внимание следует обратить на производителя, поскольку этот параметр у разных производителей отличается. Наиболее наглядно это видно на примере транзистора IRFP450.
Прекрасно понимаю, что для разового изготовления блока питания десяти-двадцати транзисторов все таки многовато, тем не менее на каждый тип транзистора повесил ссылку - обычно я покупаю там. Так что нажимайте, смотрите цены, сравнивайте с розницей и вероятностью купить левак. Разумеется я не утверждаю, что на Али только честные продавцы и весь товар наивысшего качества - жуликов везде полно. Однако если заказывать транзисторы, которые производятся непосредственно в Китае на дьрмо наскочить гораздо сложнее. И именно по этой причине я предпочитаю транзисторы STP и STW, причем даже не брезгую покупать с разборки, т.е. Б/У.

ПОПУЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

НАИМЕН-НИЕ

НАПРЯЖЕНИЕ

МОЩНОСТЬ

ЕМКОСТЬ
ЗАТВОРА

Qg
(ПРОИЗ-ТЕЛЬ)

СЕТЕВЫЕ (220 V)

17...23nC (ST )

38...50nC (ST )

35...40nC (ST )

39...50nC (ST )

46nC (ST )

50...70nC (ST )

75nC (ST )

84nC (ST )

65nC (ST )

46nC (ST )

50...70nC (ST )

75nC (ST )

65nC (ST )
STP20NM60FP

54nC (ST )

150nC (IR)
75nC (ST )

150...200nC (IN)

252...320nC (IN)

87...117nC (ST )

I g = Q g / t on = 63 х 10 -9 / 120 х 10 –9 = 0,525 (A) (1)

При амплитуде импульсов управляющего напряжения на затворе Ug = 15 В сумма выходного сопротивления драйвера и сопротивления ограничительного резистора не должна превышать:

R max = U g / I g = 15 / 0,525 = 29 (Ом) (2)

Расчитаем выходное выходное сопротивление драйверного каскада для микросхемы IR2155:

R on = U cc / I max = 15V / 210mA = 71,43 ohms
R off = U cc / I max = 15V / 420mA = 33,71 ohms

Учитывая расчетное значение по формуле (2) Rmax = 29 Ом приходим к заключению, что с драйвером IR2155 заданное быстродействие транзистора IRF840 получить невозможно. Если в цепи затвора будет установлен резистор Rg = 22 Ом, время включении транзистора определим следующим образом:

RE on = R on + R gate, где RE - суммарное сопротивление, R R gate - сопротивление, установленное в цепь затвора силового транзистора = 71,43 + 22 = 93,43 ohms;
 I on = U g / RE on, где I on - ток открытия, U g - величина управляющего напряжения затвора = 15 / 93,43 = 160mA;
 t on = Q g / I on = 63 х 10-9 / 0,16 = 392nS
Время выключения можно расчитать используюя теже формулы:
RE off = R out + R gate, где RE - суммарное сопротивление, R out - выходное сопротивление драйвера, R gate - сопротивление, установленное в цепь затвора силового транзистора = 36,71 + 22 = 57,71 ohms;
I off = U g / RE off, где I off - ток открытия, U g - величина управляющего напряжения затвора = 15 / 58 = 259mA;
t off = Q g / I off = 63 х 10-9 / 0,26 = 242nS
К получившимся величинам необходимо добавить время собственного открытия - закрытия транзистора в результате чего реальное время t on составит 392 + 40 = 432nS, а t off 242 + 80 = 322nS.
Теперь осталось убедится в том, что один силовой транзистор успеет полность закрыться до того, как второй начнет открываться. Для этого сложим t on и t off получая 432 + 322 = 754 nS, т.е. 0,754 µS. Для чего это нужно? Дело в том, что у любой из микросхем, будь то IR2151, или IR2153, или IR2155 фиксированное значение DEAD TIME , которое составляет 1,2 µS и не зависит от частоты задающего генератора. В даташнике упоминается, что Deadtime (typ.) 1.2 µs, но там же приводится и сильно смущающий рисунок из которого напрашивается вывод, что DEAD TIME составляет 10% от длительности управляющего импульса:

Чтобы развеять сомнения была включена микросхема и подключен к ней двухканальный осцилограф:

Питание составляло 15 V, а частота получилась 96 кГц. Как видно из фотографии при развертке 1 µS длительность паузы составляет совсем немного больше одного деления, что как раз и соответсвует примерно 1,2 µS. Далее уменьшаем частоту и видим следующее:

Как видно из фото при частоте 47 кГц время паузы практически не изменилось, следовательно вывеска, гласящая, что Deadtime (typ.) 1.2 µs является истинной.
Поскольку микросхем уже работала нельзя было удержаться еще от одного эксперимента - снизить напряжение питания, чтобы убедиться, что частота генератора увеличится. В результате получилась следующая картинка:

Однако ожидания не оправдались - вместо увеличения частоты произошло ее уменьшение, причем менее чем на 2%, чем вообще можно принебречь и отметить, что микросхема IR2153 держит частоту достаточно стабильно - напряжение питания изменилось более чем на 30%. Так же следует отметить, что несколько увеличилось время паузы. Этот факт несколько радует - при уменьшении управляющего напряжения немного увелифивается время открытия - закрытия силовых транзисторов и увеличение паузы в данном случае будет весьма полезным.
Так же было выяснено, что UV DETECT прекрасно справляется со своей функцией - при дальнейшем снижении напряжения питания генератор останавливался, а при увеличии микросхема снова запускалась.
Теперь вернемся к нашей математике по результатам которой мы выснили, что при установленных в затворах резисторах на 22 Ома время закрытия и открытия у нас равно 0,754 µS для транзистора IRF840, что меньше паузы в 1,2 µS, дающую самой микросхемой.
Таким образом при микросхема IR2155 через резисторы 22 Ома вполне нормально сможет управлять IRF840, а вот IR2151 скорей всего прикажет долго жить, поскольку для закрытия - открытия транзисторов нам потребовался ток в 259 mA и 160 mA соответсвенно, а у нее максимальные значения составляют 210 mA и 100 ma. Конечно же можно увеличить сопротивления, установленные в затворы силовых транзисторов, но в этом случае существует риск выйти за пределы DEAD TIME . Чтобы не заниматься гаданием на кофейной гуще была составлена таблица в EXCEL, которую можно взять . Подразумевается, что напряжение питание микросхемы составляет 15 В.
Для снижения коммутационных помех и некоторого уменьшения времени закрывания силовых транзисторов в импульсных блоках питания используют шунтирование либо силового транзистора последовательно сединенными резистором и конденсатором, либо такой же цепочкой шунтируют сам силовой трансформатор. Данный узел называется снаббером. Резистор снабберной цепи выбирают номиналом в 5–10 раз больше сопротивления сток - исток полевого транзистора в открытом состоянии. Емкость конденсатора цепи определяется из выражения:
С = tdt/30 х R
где tdt - время паузы на переключения верхнего и нижнего транзисторов. Исходя из того, что продолжительность переходного процесса, равная 3RC, должна быть 10 раз меньше длительности значения мертвого времени tdt.
Демпфирование задерживает моменты открывания и закрывания полевого транзистора относительно перепадов управляющего напряжения на его затворе и уменьшает скорость изменения напряжения между стоком и затвором. В итоге пиковые значения импульсов затекающего тока меньше, а их длительность больше. Почти не изменяя времени включения, демпфирующая цепь заметно уменьшает время выключения полевого транзистора и ограничивает спектр создаваемых радиопомех.

С теорией немного разобрались, можно приступить и практическим схемам.
Самой простой схемой импульсного блока питания на IR2153 является электронный трансформатор с минимумом функций:

В схеме нет ни каких дополнительных функций, а вторичное двуполярное питание формируется двумя выпрямителями со средней точкой и парой сдвоенных диодов Шотки. Емкость конденсатора С3 определяется из расчета 1 мкФ емкости на 1 Вт нагрузки. Конденсаторы С7 и С8 равной емкости и распологаются в пределах от 1 мкФ до 2,2 мкФ. Мощность зависит от используемого сердечника и максимального тока силовых транзисторов и теоритически может достигать 1500 Вт. Однако это только ТЕОРИТИЧЕСКИ , исходя из того, что к трансформатору прилагается 155 В переменного напряжения, а максимальный ток STP10NK60Z достигает 10А. На практике же во всех даташитах указанно снижение максимального тока в зависимости от температуры кристалла транзистора и для транзистора STP10NK60Z максимальный ток составляет 10 А при температуре кристалла 25 град Цельсия. При температуре кристалла в 100 град Цельсия максимальный ток уже составляет 5,7 А и речь идет именно о температуре кристалла, а не теплоотводящего фланца и уж тем более о температуре радиатора.
Следовательно максимальную мощность следует выбирать исходя из максвимального тока транзистора деленного на 3, если это блок питания для усилителя мощности и деленного на 4, если это блок питания для постоянной нагрузки, например ламп накаливания.
Учитывая сказанное выше получаем, что для усилителя мощности можно получить импульсный блок питания мощностью 10 / 3 = 3,3А , 3,3А х 155В = 511Вт . Для постоянной нагрузки получаем блок питания 10 / 4 = 2,5 А , 2,5 А х 155В = 387Вт . И в том и в другом случае используется 100% КПД, чего в природе не бывает . Кроме этого, если исходить из того, что 1 мкФ емкости первичного питания на 1 Вт мощности нагрузки, то нам потребуется конденсатор, или конденсаторы емкостью 1500 мкФ, а такую емкость заряжать уже нужно через системы софт-старта.
Импульсный блок питания с защитой от перегрезки и софтстартом по вторичному питанию представлен на следующей схеме:

Прежде всего в данном блоке питания присутствует защита от перегрузки, выполненная на трансформаторе тока. Подробности о расчете трансформатора тока можно почитать . Однако в подавляющем большинстве случаев вполне достаточно ферритового кольца диаметром 12...16 мм, на котором в два провода мотается порядка 60...80 витков. Диаметр 0,1...0,15 мм. Затем начало одной обмотки осединяется с концов второй. Это и есть вторичная обмотка. Первичная обмотка содержит один-два, иногда удобней полтора витка.
Так же в схеме уменьшены номиналы резистор R4 и R6, чтобы расширить диапазон питающего первичного напряжения (180...240В). Чтобы не перегружать установленный в микросхему стабилитрон в схеме имеется отдельный стабилитрон мощностью 1,3 Вт на 15 В.
Кроме этого в блок питания введен софт-старт для вторичного питания, что позволило увеличить емкости фильтров вторичного питания до 1000 мкФ при выходном напряжении ±80 В. Без этой системы блок питания входил в защиту в момент включения. Принцип действия защиты основан на работе IR2153 на повышенной частоте в момент включения. Это вызывает потери в трансформаторе и он не способен отдать в нагрузку максимальную мощность. Как только началась генерация через делитель R8-R9 напряжение, подаваемое на трансформатор попадает на детектор VD5 и VD7 и начинается зарядка конденсатора С7. Как только напряжение станет досточным для открытия VT1 к частотозадающей цепочки микросхемы подключается С3 и микросхема выходит на рабочую частоту.
Так же введены дополнительные индуктивности по первичному и вторичному напряжениям. Индуктивность по первичному питанию уменьшает помехи, создаваемые блоком питания и уходящие в сеть 220В, а по вторичному - снижают ВЧ пульсации на нагрузке.
В данном варианте имеется еще два дополнительных вторичных питания. Первое предназначено для запитки компьтерного двенадцативольтового куллера, а второе - для питания предварительных каскадов усилителя мощности.
Еще один подвариант схемы - импульсный блок питания с однополярным выходным напряжением:

Разумеется, что вторичная обмотка расчитывает на то напряжение, которое необходимо. Блок питания можно запаять на той же плате не монтируюя элементы, которых на схеме нет.

Следующий вариант импульсного блока питания способен отдать в нагрузку порядка 1500 Вт и содержит системы мягкого старта как по первичному питанию, так и по вторичному, имеет защиту от перегрузки и напряжение для куллера принудительного охлаждения. Проблема управления мощными силовыми транзисторами решена использованием эмиттерных повторителей на транзистора VT1 и VT2, которые разряжают емкость затворов мощных транзисторов через себя:

Подобное форсирование закрытия силовых транзисторов позволяет использовать довольно мощные экземпляры, такие как IRFPS37N50A, SPW35N60C3, не говоря уже о IRFP360 и IRFP460.
В момент включения напряжение на диодный мост первичного питания подается через резистор R1, поскольку контакты реле К1 разомкнуты. Далее напряжение, через R5 подается на микросхему и через R11 и R12 на вывод обмотки реле. Однако напряжение увеличивается постепенно - С10 достаточно большой емкости. Со второй обмотки реле напряжение поступает на стабилитрон и тиристор VS2. Как только напряжение достигнет 13 В его уже будет достаточно, чтобы пройдя 12-ти вольтовый стабилитрон открыть VS2. Тут следует напомнить, что IR2155 стартует при напряжении питания примерно в 9 В, следовательно на момент открытитя VS2 через IR2155 уже будет генерировать управляющие импульсы, только в первичную обмотку они будут попадать через резистор R17 и конденсатор С14, поскольку вторая группа контактов реле К1 тоже разомкнута. Это существенно ограничит ток заряда конденсаторов фильтров вторичного питания. Как только тиристор VS2 откроется на обмотку реле будет подано напряжение и обе контактные группы замкнуться. Первая зашунтирует токоограничиваюй резистор R1, а вторая - R17 и С14.
На силовом трансформаторе имеет служебная обмотка и выпрямитель на диодах VD10 и VD11 с которых и будет питаться реле, а так же дополнительная подпитка микросхемы. R14 служит для ограничения тока вентилятора принудительного охлаждения.
Используемые тиристоры VS1 и VS2 - MCR100-8 или аналогичные в корпусе ТО-92
Ну и под занавес этой страницы еще одна схема все на той же IR2155, но на этот раз она будет выполнять роль стабилизатора напряжения:

Как и в предудущем варианте закрытие силовых транзисторов производится биполярами VT4 и VT5. Схема оснащена софтстартом вторичного напряжения на VT1. Старт производится от бортовой сети автомобиля а дальше питание осуществляется стабилизированным напряжением 15 В вормируемым диодами VD8, VD9, резистором R10 и стабилитроном VD6.
В данной схеме есть еще один довольно любопытный элемент - tC. Это защита от перегрева радиатора, которую можно использовать практически с любыми преобразователями. Однозначного названия найти не удалось, в простонародье это тепловой предохранитель самовостанавливающийся, в прайсах имеет обычно обозначение KSD301. Используется во многих бытовых электроприборах в качестве защитного или регулирующего температуру элемента, поскольку выпускаются с различной температурой срабатывания. Выглядит этот предохранитель так:

Как только температура радиатора достигнет предела отключения предохранителя управляющее напряжение с точки REM будет снято и преобразователь выключится. После снижение температуры на 5-10 градусов предохранитель востановится и подаст управляющее напряжение и преобразователь снова запустится. Этот же термопредохранитель, ну или термореле можно использовать и в сетевых блоках питания контролируя температуру радиатора и отключая питание, желательно низковольтное, идущее на микросхему - термореле так дольше проработает. Купить KSD301 можно .
VD4, VD5 - быстрые диоды из серии SF16, HER106 и т.д.
В схему можно ввести защиту от перегрузку, но во время ее разработки основной упор делался на миниатюризацию - даже узел софтстарта был под большим вопросом.
Изготовление моточных деталей и печатные платы описаны на следующих страницах статьи.

Ну и под занавес несколько схем импульсных блоков питания, найденых в интернете.
Схема №6 взята с сайта "ПАЯЛЬНИК":

В следующем блоке питания на самотактируемом драйвере IR2153 емкость вольтодобавочного конденсатора сведена до минимальной достаточности 0,22 мкф (С10). Питание микросхемы осуществляется с искуственной средней точки силового трансформатора, что не принципиально. Защиты от перегрузки нет, форма подаваемого в силовой трансформатор напряжения немного корретируется индуктивностью L1:

Подбирая схемы для этой статьи попалась и вот такая. Идея заключается в использовании двух IR2153 в мостовом преобразователе. Идея автора вполне понятна - выход RS триггера подается на вход Ct и по логике на выходах ведомой микросхемы должны образоваться управляющие импульсы противоположные по фазе.
Идея заинтргировала и был проден следственный эксперимент на тему проверки работоспособности. Получить устойчивые управляющие импульсы на выходах IC2 не удалось - либо работал верхний драйвер, либо нижний. Кроме этого сдивагалсь фаза пауза DEAD TIME , на одной микросхеме отностительно другой, что существенно снизит КПД и от идеи были вынуждены отказаться.

Отличительная черта следующего блока питания на IR2153 заключается в том, что если он и будет работать, то работа эта сродни пороховой бочке. Прежде всего бросилась в глаза дополнительная обмотка на силовом трансформаторе для питания самой IR2153. Однако после диодов D3 и D6 нет токоограничивающего резистора, а это означает, что пятнадцативольтовый стабилитрон, находящийся внутри микросхемы будет ОЧЕНЬ сильно нагружен. Что произойдет при его перегреве и тепловом пробое можно только гадать.
Защита от перегрузки на VT3 шунтирует время задающий конденсатор С13, что вполне приемелемо.

Последний приемлемый вариант схемы истоника питания на IR2153 не представляет собой ни чего уникального. Правда автор зачем то уж слишком уменьшил сопротивление резисторов в затворах силовых транзисторов и установил стабилитроны D2 и D3, назначение которых весьма не понятно. Кроме этого емкость С11 слишком мала, хотя возможно речь идет о резонансном преобразователе.

Есть еще один вариант импульсного блока питания с использованием IR2155 и именно для управления мостовым преобразвателем. Но там микросхема управляет силовыми транзисторами через дополнительный драйвер и согласующий трансформатор и речь идет об индукционной плавке металлов, поэтому этот вариант заслуживает отдельной страницы, а всем кто понял хотя бы половину из прочитанного стоит переходить на страницу с ПЕЧАТНЫМИ ПЛАТАМИ .

ВИДЕОИНСТРУКЦИЯ ПО САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ СБОРКЕ
ИМПУЛЬСНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ НА БАЗЕ IR2153 ИЛИ IR2155

Несколько слов об изготовлении импульсных трансформаторов:

Как определить количество витков не зная марку феррита:

Добрый день! Моё мнение: Схема (первая) будет работать, всё, что нужно есть! Советы заменить драйвер, добавить емкость и т.п. есть необоснованные. Если что-то менять, то это уже отдельная схема и другие обсуждения. Слабое место это конденсаторы со средней точкой на 200 в! Да, работать будет, но если бы конденсатор мог, то высказал свои пожелание увеличить напряжение пробоя до 350 в.! Вот просто фильтр - пол беды, а развязка нагрузки и работа на обмотку трансформатора это другое. Считаем, кому не лень: 310 в (напр. питания) + 150 в (ЭДС разряда индуктивности трансформатора) = 460 в. Половина равна 230 в. А может быть "БАХ!" - может, но будет "п-ш-ш-ш-и-к!" и конденсатор потечет. Вроде понятно объяснил. А схема будет работать и отдаст то, на что рассчитывалась! Факт! Защита! Самая хорошая защита - та, что проста! Т.е. предохранитель и на входе и на выходе. Скорость срабатывания предохранителя достаточна для времени импульсного тока ключа в 25 а! А вы понимает, что этого хватит? Хватит. Для получения максимального КПД нужно подобрать частоту импульсов под применяемый трансформатор, это очевидно т.к. феррит нагревался до 100 гр. свойства потерял, расчет будет с поправкой. Как подобрать - просто. Меряем ток потребления схемой после выпрямителя. Меняя частоту от большей к меньшей находим момент увеличения тока - стоп! Увеличиваем частоту на 1-2 Кгц. Всё! Как изменять частоту? Просто, замените резистор Rt на подстроечный большего сопротивления (без фанатизма). Подбирать частоту нужно и для трансформатора из БП компьютера. Разброс рабочих частот от 32 Кгц до 55 Кгц.Всем успеха. Что касается второй схемы - это вариант всех ошибок первой и ещё каких то схем из Интернета! Почему? Первое и важное в "datasheet" IR2153 IRF740 четкие противоречия: напряжение пробоя не меньше 600 в. а ключи на 400 в. Емкость затвора для 2153 (нагрузка) не более 1000 пф, а у 740 = 1400 пф. Да, лампочки будут светиться, но с этим блоком вы обречены на покупку и не одного комплекта деталей. Напряжение на выходе будет проседать - нет нужной крутизны импульсов. КПД буде ниже максимального, греем окружающую среду. В общем подбор деталей (второй) схемы - это ошибка! Для 740 нужен драйвер 2155 (рекомендации изготовителя) емкость до 2200 пф в нагрузке. Схема - эксперимент со взрывом! Собираете строго в очках и перчатках! Что бы я собрал в паре? Ключи STP5NK60C (или 4NK60, 6NK60, 7NK60...) При выборе ключа смотрим ток при 100 гр - достаточно 2-3 а, и конечно емкость затвора =< 1000 пф. Остальное все рабочее, правда я бы подобрал частоту и ток драйвера как описал выше. Напомню: запас в электронике не всегда уместен. Скажем взять ключи на пробой в 1000 в - это неправильно. IRF740 - отличные ключи для применения в Китае, напряжение сети 110 - 120 в. Как то так.



Похожие статьи