Импульсные источники питания

Главное преимущество импульсных источников— экономичность и значительно лучшие массогабаритные характеристики по сравнению с трансформаторными источниками. Поэтому практически все современные бытовые приборы: компьютеры, телевизоры, музыкальные центры и т. п. — снабжаются именно такими источниками. Главным же недостатком их является сложность конструкции и вытекающая отсюда высокая стоимость, из-за чего импульсные источники ранее было целесообразно применять для относительно мощных приборов с энергопотреблением 50-100 Вт и выше. Второй их недостаток проявляется в аналоговых схемах, чувствительных к помехам (например, в различных приемниках радиосигнала): импульсные источники принципиально имеют повышенный уровень шума и помех. Импульсные источники начали все решительнее теснят традиционные— так. например, зарядные устройства для фирменной мобильной электроники чаще всего делаются именно на импульсных источниках. Качественный импульсный источник самостоятельно соорудить весьма сложно. Базовая схема промышленного импульсного стабилизатора, подобного тем, что используются в источниках питания бытовой техники, приведена на рисунке. Она слишком громоздка, чтобы воспроизводить ее в деталях, а для повторения «на коленке» не очень годится — неоправданно трудоемка. Однако в компьютерном блоке питания рано или поздно приходится ковыряться, наверное, каждому радиолюбителю, и чтобы вы понимали, как это работает, опишем устройство этой схемы

Устройство промышленного импульсного стабилизатора Cетевое напряжение 220 В выпрямляется стандартным мостом, а затем делится пополам с помощью конденсаторов С1 и С2. Ключевые транзисторы VT1 и VT2 попеременно подключают обмотку высокочастотного трансформатора Т1 на ферритовом сердечнике то к плюсу входного напряжения, то к минусу. Все эти элементы должны быть рассчитаны как минимум на половину амплитудного значения сетевого напряжения (т.е. на 160-170 В, если с некоторым запасом). Напряжение со вторичной обмотки выпрямляется по стандартной схеме двухполупериодного выпрямителя на двух диодах. Выходное напряжение сглаживается ZC-фильтром. Оно поступает на устройство управления, где сравнивается с заданным. Устройство это управляет включением генератора импульсов, который, в свою очередь, управляет ключевыми транзисторами. В качестве гальванической развязки обычно используют малогабаритные трансформаторы. Входной фильтр из двух дросселей L_f и конденсатора C_f служит для защиты внешней сети от помех. Обычная частота работы таких устройств— 10-30 кГц (малогабаритные импульсные источники могут работать и на более высокой частоте). При такой частоте трансформатор на небольшом ферритовом кольце (30-40 мм в диаметре) может передать десятки и даже сотни ватт мощности. КПД таких источников может достигать 60-80%, вход и выход гальванически изолированы. Основные потери обусловлены рассеиванием тепла на ключевых транзисторах из-за их недостаточного быстродействия, а при малых выходных напряжениях еще и потерями за счет прямого падения напряжения на диодах VD1 и VD2.

Проще соорудить преобразователь постоянного напряжения (DC) в постоянное другой величины (преобразователь DC-DC) или в переменное (DC-AC, его еще часто называют инвертором). На рисунке приведена схема импульсного преобразователя с гальванической развязкой входа и выхода и стабилизацией выходного напряжения. Эта конструкция здесь преобразует входное напряжение +9 В в два высоких напряжения ±165 В. Общая максимальная мощность схемы — приблизительно 4 Вт (при том же выходном напряжении максимальный нагрузочный ток составит до 12 мА по каждому из выходов). Схема импульсного преобразователя с гальванической развязкой входа и выхода Логическая КМОП-микросхема К561ЛА7 (для уменьшения габаритов ее можно заменить на аналог 564ЛА7 в планарном корпусе). На выходе элементов DD1/3 и DD1/4 образуются противофазные прямоугольные импульсы, которые поочередно с частотой примерно 10 кГц открывают транзисторные ключи. В результате на вторичных обмотках трансформатора образуется высоковольтное напряжение, которое дополнительно умножается вдвое на системе из диодов КД258, конденсаторов 10 мкФ и индуктивностей (дросселей) 390 мкГн.

Стабилизирующая часть схемы построена на оптроне 6N139, который имеет внутри весьма сложную конструкцию, но практически представляет собой транзисторный оптрон: подавая на вход (выводы 2, 3) напряжение, открываем гальванически развязанный от входа транзистор, и тогда на выходе (вывод 6) получаем напряжение, практически равное нулю. Если выходное напряжение схемы недопустмо повысилось, то ключ на транзисторе КТ605А открывается, на выходе оптрона появляется близкое к нулю напряжение, логические элементы DD1/3 и DD1/4 при лом запираются, и на ключи ничего не подается. Напряжение на выходе снижается, ключ КТ605А запирается, напряжение на выходе оптрона становится близким к напряжению питания, и импульсы опять поступают на трансформатор. Вместо оптрона 6N139 без изменений в схеме можно использовать 6N135, 6N136 или 6N138. Трансформатор намотан на ферритовом кольце с характеристиками, указанными в таблице.

Мотаются обмотки медным обмоточным проводом П1В-2 парами совместно, причем обратите внимание, что у входной пары обмоток соединен конец одной с началом другой, а у выходной — начала обеих обмоток. С помощью подбора дополнительного резистора 2 кОм (на схеме он помечен звездочкой) выходное напряжение устанавливается более точно. Дроссель по питанию +9 В (390 мкГ) служит для защиты внешних сетей от помех. Схема заметно «фонит» в радиодиапазоне, потому ее надо заключать в металлический экран, который должен быть соединен со входной (обозначенной на схеме как «Общ. вх») «землей» в одной точке, вблизи входного контакта на плате.

Малогабаритные MOSFET-транзисторы IRFD110 можно заменить на любые другие с пороговым напряжением затвора 2-4 В, а если задаться целью получить больший ток на выходе, то необходимы будут более мощные в корпусе ТО-220 (IRF/40. 1RFZ44, IRF530 и др.). Устройство при указанных на схеме элементах работает приблизительно от 7 до 12 В входного напряжения (при этом выходное остается равным номинальному с точностью примерно 2,5%).

Если нужно снизить входное напряжение до 5 В, то пороговое напряжение должно быть на уровне 1,5-2 В (IRLU8256 или аналогичные). Вместо логической КМОП-микросхемы K56IЛА7 (K564JIA7) тогда лучше использовать более быстродействующую и мощную 74НС00, только разводка выводов будет немного иная. Если требуется еще и повышенная мощность (теоретически 20-мм кольцо 2000НМ может вытянуть до 50-60 Вт мощности!), следует дополнительно умощнить выходы генератора буферными усилителями на микросхемах 74НС04, 74НС4049 (шесть инверторов) или 54НС4050 (шесть буферных повторителей), а еще лучше 74АС04 или 74АС34 (серия АС вдвое быстрее, чем НС). В каждый из выходов подключается по три инвертора или повторителя, включенных параллельно по входам и выходам, а в цепь загвора транзисторов последовательно вводится резистор 15-20 Вместо MOSFET-транзисторов можно также использовать обычные биполярные транзисторы (лучше включенные по схеме Дарлингтона), однако КПД при этом снизится.