Импульсный источник питания на IR2153

Читать все новости

О статье.
В глобальной помойке много схем с использованием этой микросхемы и описанием делайте вот так и так... А как так и почему ? Будет ли работать ? На последний вопрос очень часто ответ - нет!! Очень много "Чудодейственных" печаток и советов применить именно 1000мкф х500В конденсатор, который не найти или стоить будет ползарплаты.
Постараюсь описать с чем пришлось столкнуться при построении устройства, как решалось, свести все к простым и понятным принципам, применяя которые каждый может определится с тем, что ему нужно.

О самой "ирке"- IR2153.
Микросхема разработана для применения в электронных балластах экономичных ламп, это устройства микроскопической мощности, работает на частотах порядка 30КГц, не имеет  специально предусмотренных цепей защиты и управления. Это дает повод для размышлений!
IR2153 имеет малое потребление и может питаться просто через гасящий резистор, также имеется разделение для верхнего и нижнего ключей полумоста, поэтому не требуется мотать трансформаторы или применять оптическое разделение сигналов управления ключами.
Это делает микросхему привлекательной не только для любителей, но и для серьезных брендов выпускающих продукцию серийно!

И так, сам проект.

Целью было построить простой, как можно более универсальный, модуль питания мощностью порядка 200Вт.
Область применения от питания галогеновых ламп  до УМЗЧ и тп. , как ни странно по стоимости материалов этот модуль может конкурировать с заводскими трансформаторами для галогеновых ламп, в других сферах применения тем более.

Питание -  сеть переменного тока 250В 50..60Гц
Выход - 150В переменного тока частотой 50..60КГц на сменный трансформатор.
Ориентировочная мощность - 200Вт.
Трансформатор на фото:  напряжение холостого хода - 25В, напряжение под нагрузкой 200Вт - 23.5В

Здесь блок нагружен на 4 галогеновые лампы 12В 50Вт каждая.
Здесь по просьбе фанов этой чипы, блок нагружен на трансформатор 10КВ и убитую люминесцентную лампу, что дает жесткую нагрузку.
Здесь запустил настоящий HVшный девайс, называю его свечкой, электроды  кабель 2.5мм2, нагреваются и горят очень шустро, транзисторам тоже нелегко.
Схема:


Платы блока. Формат Sprint Layout, основная плата и плата выходного драйвера полевых транзисторов.

Комплектующие:
C1                        - 220мкФ х 450В (у нас все скромненько 🙂 )
C2,C10                - 1мкФ х 400В, пленочка
C3                        - 470..1000мкФ х 25В
C4,C5,C9,C8       - 0.22..0.47мкФ х 63В керамика (или пленка )
C6                         - 10мкФ х 63В
C7                         -1нФ керамика, задающий частоту генератора.
R1,R2                    - 65К 2Вт
R3                           - 12К, задающий частоту генератора.
R4                           - 8.2К
VD1                   - UF4007
VT1,VT3            - BC640
VT2,VT4            - BC639
T1,T2                  - IRF840
DIL8                   - IR2153
F2                       - Fast 2A

Настройка.

Перед первым пуском схема не собирается полностью, не впаивается "верхний" ключ Т1.
При включении устройства в сеть появляются напряжения:
на конденсаторах С1 и С2 примерно 300В,  на С3 и С4 14..15В (1 и 4 выводы IR2153), на С5 и С6 - 14..15В (8 и 6 выводы IR2153).
на выходах драйвера IR2153,  между выводов 4 и 5 - 12..14В, между выводов 6 и 7 - 12..14В эти напряжения должны быть равны.
на выходах усилителя драйвера,  между точками COM и OUT (драйвер нижнего ключа) - 11..13В, между точками VS и OUT (драйвер верхнего ключа) - 11..13В, эти напряжения должны быть равны.
Все эти напряжения измеряются мультиметром в режиме измерения постоянного напряжения, на  пределе 750\1000В, для пущей безопасности и чтобы десятые и сотые доли вольта голову не морочили.
Если имеется возможность то можно сигналы на выходах IR2153 и усилителя драйвера проконтролировать осциллографом.
Внимание!!
Если перепутаются или замкнут точки измерения, что то или все сгорит !
Общий провод осциллографа  должен  НЕ иметь заземления.
После успешной проверки можно впаивать верхний ключ Т1.

Узлы преобразователя, принцип их работы.

Сетевой выпрямитель.

Конденсатор C1 выбран относительно небольшой емкости, тк его хватает для работы блока, если блок применять для питания галогеновых ламп то его хватает, если питать УМЗЧ и прочие устройства, то дополнительная фильтрация от сетевого фона 100Гц, легко осуществляется после трансформации и выпрямления, низковольтными электролитами, это и лучше и дешевле, тк стоимость конденсатора 10000мкФх35В гораздо ниже стоимости конденсатора 220мкФх450В.

Небольшая емкость сетевого выпрямителя не влияет на работу IR2153,тк она имеет свой стабилитрон (встроен) и фильтр и питается нормально, а ключи в худшем случае, лишь передадут пульсации 100Гц через трансформатор.

Конденсатор С2 играет важную роль в выпрямителе, он работает с быстро изменяющимися напряжениями, с которыми не справляется медленный электролитический конденсатор.
Конденсатор С2 блокирует ВЧ помехи на шинах питания, благодаря ему схема может выдавать на выход нормальные импульсы, благодаря ему может нормально работать система рекуперации, что снижает выбросы напряжения на транзисторах, повышает надежность и качество схемы.
Очень часто его "забывают" поставить.

IR2153 - Питание.

При питании IR2153 через гасящий резистор (R1,R2 ) есть опасность понижения напряжения до критических значений, при уменьшении этого сопротивления улучшается питание драйвера, но увеличивается нагрев платы и всего устройства.

Такие моменты как: дополнительный внешний драйвер,  повышение частоты преобразования, увеличение емкости затвора (увеличение мощности выходных транзисторов) и даже простое увеличение тока потребления нагрузки, повышают потребление от источника питания IR2153. Единственное спасение - значительный запас по току для источника питания IR2153.
Альтернативные способы питания: от дополнительного источника питания 15В, с конденсаторной развязкой от 6го выхода микросхемы (это также и выход полумоста), от дополнительной обмотки трансформатора.

Для этой схемы например, ситуация с питанием выглядит так :
Частота преобразования 50Кгц, IRF840 , гасящий резистор в питании 2х 65К 2вт (32К 4вт).
В схеме только нижний фет – 15.9В
Подключены оба фета – 12.3В
Подключен трансформатор – 13В
Нагрузка 50Вт - 12В
Нагрузка 100Вт – 9.5В

Понизил частоту преобразования всего-то до 40КГц !!
Под нагрузкой 100Вт – напряжение 14В

Очевидно до 100вт потребления на частоте преобразования 60КГц, можно было обойтись питанием от резистора 32К\4вт, при большей мощности уже никак.
Для обеспечения качественного питания драйвера, сделал дополнительную обмотку 25В на трансформаторе и подал напряжение через 2 резистора по 100Ом на выпрямительный мост, диодный мост (UF4007 x4 ) паяется на место входных клемм питания. Как это сделано видно на Фото1.

IR2153 - Частота генератора.

Паузы между импульсами (Мертвое время) у этого контроллера фиксированные 1.2мкС, из-за этого с ростом частоты коэффициент заполнения импульсов падает.
Так, для частоты 50КГц паузы составляют 12%,  для 100КГц все 24%.
С ростом частоты улучшается пропускная способность большинства ферритов, но уменьшается заполнение импульсов.

Драйвер.

Краткая справка об одном из действующих лиц. Эффект Миллера.
Его причина емкость между входом электрического каскада и его выходом, он не зависит от разводки печатной платы и даже от схемы каскада, ну например он был обнаружен Миллером в ламповом усилителе и до сих пор везде преследует электронщиков.
В схемах преобразователей эффект Миллера создает сквозные токи и нагрев транзисторов на холостом ходу, при работе преобразователя на тяжелую нагрузку грозит выводом блока из строя.

Теперь дальше..

IR2153 имеет свой встроенный драйвер, и первый раз я запустил блок  используя его.
Вот как он работает.
Сигнал на затворе IRF840:
Сигнал на затворе IRFP460:

Осциллограммы отличаются оочень ровным фронтом (нарастание импульса) неправда ли?
Даже если уменьшить частоту импульсов до 30КГц остаются огромные сквозняки от эффекта Миллера, этими тычками тока можно полюбоваться на осциллограммах.
Тем, не менее можно услышать, точнее  прочитать, что так все работает !! Этому можно верить, схема наверное не сразу загорится, особенно на большом радиаторе.

Драйвер очень слабый (200мА в импульсе), рассчитан на транзисторы небольшой мощности, ведь это микросхема для балласта в лампах!
Драйвер в виде транзисторных повторителей, примененный в этом проекте значительно улучшает ситуацию.

Сигнал с транзисторным повторителем:

Внешний драйвер снижает эффект Миллера, повышает КПД блока.
Все эти осциллограммы были с абсолютно пустым выходом полумоста , ни снабберов, нет даже обмотки трансформатора.
Теперь сигналы с нагруженных транзисторов.
IRF840 нагрузка 200Вт  ( сигнал ровный и транзисторы мало греются):


IRF840 10КВ трансформатор + лдс (нагрузка трансформатор 10КВ на 3х сердечниках 110пц15, нагруженный на люминесцентную лампу - извращенной формы трансформаторная коротышка):

Еще момент, при подключении хотя бы первичной обмотки трансформатора, транзисторы перестают греться и тычки Миллера пропадают по фронту, пропадать пропадают но, Миллер никуда не пропадает, иии вот он, опять появляется, теперь по спаду импульса, на осциллограммах с блока под нагрузкой! Вуаля! И видно, что даже мощный внешний драйвер с трудом удержал блок от пожара. Так что драйвер необходим, чтобы повысить надежность блока.
Стоимость  приведенного драйвера всего 10% от стоимости IR2153.

Пока кромсал блок, собрал еще один драйвер, он еще лучше давит Миллера, хотя транзисторы все те же, видимо за счет повышения усиления каскада, при тестах просто подрезал имеющуюся печатку драйвера и допаял транзистор. Схема и  осциллограмма, блок на холостом ходу:

Трансформатор(ы).

По своей сути, импульсный трансформатор для прямоходовых схем, ни чем не отличаются от обычного трансформатора переменного тока 50Гц.
На холостом ходу, ток через первичную обмотку определяется индуктивным сопротивлением, очень незначителен, и должен быть именно таким.
Нагруженный трансформатор трансформирует сопротивление нагрузки подключенной ко вторичной обмотке, в соответствии с коэффициентом трансформации (соотношение витков первичной и вторичной обмоток) и ток в первичной обмотке определяется трансформированным сопротивлением нагрузки.

Толщина проводов определяется максимальным током, и конструкцией обмотки, при многослойных, провод нужен толще.
Сердечник с повышением частоты лучше передает энергию, но в нем могут возрастать потери на перемагничивание, с понижением частоты феррит легче входит в насыщение что может вызвать резкое снижение индуктивности первичной обмотки в тысячи раз и сгорание блока.

Пример "народного" трансформатора, для полумоста 50..60КГц.
Феррит марки 2000НМС, от строчного трансформатора твс110пц15, первичная обмотка 150В -  30..40 витков провода, вторичная рассчитывается на нужное напряжение , исходя из необходимого напряжения и коэффициента вольт\виток в первичной обмотке.
Например для этого сердечника:
Питание выходного каскада полумост 310В, тогда напряжение импульсов на первичной обмотке трансформатора 150В
Первичная обмотка на 150В - 30 витков (5В\виток)
Вторичная обмотка на 15В - 3витка

Если вторичная обмотка имеет небольшое кол-во витков и плохое заполнение окна трансформатора, то можно вторичную обмотку мотать несколькими параллельными проводниками которые потом спаиваются парралельно, так можно понизить нагрев вторичной обмотки и повысить магнитную связь обмоток. Для одного такого сердечника пропускная способность примерно 500Вт, и при необходимости сердечники можно параллелить, пропоционально снижая количество витков первичной обмотки, так для двух сердечников можно брать 20витков, для трех - 15 витков.

Конструкция такого трансформатора конечно не оптимальна, но его легко изготовить дома и мотая первичную и вторичную обмотки на разных сторонах феррита, можно добиться мягкой связи между обмотками, что может спасти устройство при коротком замыкании во вторичной обмотке.

Трансформатор из этого проекта.
Сердечник набран из 8 колец TN2010-3E25, 5340nH (20,6x9,2x7,5mm)
Первичная обмотка 150В - 12 Витков провода в ПХВ изоляции
Вторичная обмотка  - 1виток
Здесь слабое звено материал сердечника, пригодный лишь для слабых магнитных полей, может легко войти в насыщение и спалить блок питания. Но в принципе конструкция перспективна для любителей, только материал подобрать другой.

Надеюсь что предложенный материал, поможет заинтересованным лицам, определиться с необходимой схемотехникой, для создания устройства под свои нужды.
Иии..  помните любой неожиданный чих или непропаяный затвор транзистора вызовет мгновенный и беспощадный ПЫХХ, т.к. все узлы гальванически связанны ни что не спасется.

источник:zps-electronics.com

Возможно, Вам это будет интересно:

Постоянная ссылка на это сообщение: http://meandr.org/archives/2418

Добавить комментарий