Экспериментируя с блоком питания от ПК, я решил улучшить его. Отличия от оригинальной схемы:
- Использование FET транзисторов вместо биполярных.
- Синхронный выпрямитель на вторичной обмотке вместо силовых диодов.
- Удалено переключение каскадов (текущий пропорциональный контроль)
- Индикатор перегрузки по току и напряжению.
С магнитными компонентами (выходной трансформатор, дроссели …) из БП от ПК, он обеспечивает выходную мощность 250 Вт с КПД до 90%. Блок питания может работать с 20% перегрузкой в течении короткого времени.
Магнитные компоненты из БП ПК
Магнитные компоненты в БП от ПК не сильно отличаются. Как правило, они работают на частоте 25 … 40кГц и имеют мощность 200…240Вт. Для нового блока питания я предпочел трансформаторы большего размера, поскольку они имеют больше места для увеличения обмоток при необходимости.
Выпрямитель и фильтр
Эта часть схемы достаточно проста. К дросселю Dr1(сетевой фильтр) подключен NTC резистор для ограничения пускового тока. Его сопротивление составляет 5 Ом когда он холодный, и когда он нагревается, его сопротивление составляет менее одного ома. Выпрямитель имеет запас по току и охлаждения не требует. Значение конденсаторов С3 и С4 определяется допустимым Ubr пульсаций напряжения, и напряжение полупериода выпрямителя. Для Ubr = 25В и нулевого полупериода, два конденсатора 470мкФ достаточно. Это применимо к максимальной нагрузке при сетевом напряжения Umin = 230В — 15%
Силовые транзисторные ключи
Полевые транзисторы были использованы из-за их быстрого открытия и закрытия. В случае если достаточно времени переключения около 100нс, то небольшого управляющего трансформатора и двух резисторов достаточно для приведения в действие полевых транзисторов. К сожалению, нельзя избежать перемотки вторичной обмотки трансформатора, которая необходима для обеспечения надлежащего напряжения на затворе. С каждой из 2 обмоток трансформатора TR4 необходимо убрать 8 витков. Вместо этого на них надо намотать по 16 витков. Соотношение напряжений на обмотках должно быть 16, 26 и 20V. Управляющий сигнал с IC1 достаточен для работы полевых транзисторов. Частота трансформатора поднята с 33кГц до 50 кГц, что позволяет получать от трансформатора больше энергии. Однако трансформаторы имеют свой предел по частоте. Эксперименты показали, трансформатор может справиться с увеличением частоты в 1,5 раза без перегрева.
Схема управления
После понижения 230В переменного тока трансформатором Tr1 напряжение с него поступает на ШИМ-контроллер SG3525. Контроллер сравнивает 13.8В выходного напряжения (фактическое значение) с опорным напряжением 5.1В (заданное значение), а также формирует из него импульсы различной длины. Они подаются на два выхода трансформатора TR4. Длительность импульса обратно пропорциональна разнице между заданным и фактическим напряжением. Повышение нагрузки на выходе 13.8V увеличивает ширину импульсов. Частота переключения питания составляет 50 кГц. Транзисторы могут использоваться на более высоких частотах, но для магнитных компонентов это уже предел. Частота генератора определяется компонентами на выводах 5 и 6. R14 определяет время простоя, что необходимо, чтобы избежать одновременного открытия двух транзисторов. С 1 дает задержку 20мкс. C13 обеспечивает плавный пуск (софт-старт). Трансформатор Tr4 взят с запасом. Для работы хватит 26 витков первичной обмотки и 16 витков вторичной.
Защита
В БП используется две схемы защиты. Tr2 является датчиком тока и дает напряжение на R16. Если напряжение на 10 выводе не превышает предельного значения установленного P1, микросхема отключается сразу и перезапуск после непродолжительной паузы. Причина этого, как правило, избыточный ток на вторичной обмотке трансформатора, короткое замыкание или перегрузка на выходе. SG3525 выключается при Vo > 15 В. Примечание: Обе схемы защиты являются неэффективными, если P1 настроен неверно.
Выпрямитель
Диодный выпрямитель теряет до 17 Вт при выходном токе 18А. Даже с применение диодов Шоттки, потери будут около 12 Вт, а это очень и очень много. Выходом из этого положения является полу синхронный выпрямитель. Полевые транзисторы с низким Rон имеют падение напряжения 0,3В при токе 18А. Хорошие диоды Шоттки имеют падение около 0,6 В. Однако, в некоторой литературе это считаю не лучшим решением, потому что ток дросселя DR2 будет течь в обратном направлении через полевые транзисторы. Также могут быть высокие потери при переключении, а это убирает полученные преимущества. Следующая схема лишена этого недостатка. Диод D3 имеет существенно меньшее прямое напряжение мкФ, чем полевой транзистор, и поэтому после него стоит дроссель DR2. В качестве теста, D3 был удален. Полевые транзисторы при этом достаточно сильно грелись. При нагрузке 57% потери составляют около 8,2Вт. Потери ниже 8,2 Вт могут быть достигнуты путем замены диода D3 на транзисторе. Так как управление этим транзистором сложнее, чем VT3 и VT4, я отказался от этого.
Сборка
Блок питания собран на ПП 82 х 122мм. Схема управления и защиты монтируется на небольшой отдельной плате.
Для сборки схемы контроля и защиты используется макетная плата 40х45мм.
Трансформаторы
На рисунке показаны характеристики трансформаторов из БП ПК. Если вы не уверены в соответствии ваших трансформаторов этим требованиям, не используйте их.
Радиаторы
Радиаторы сделаны из алюминиевой пластины толщиной 1 мм. Транзисторы должны быть прикреплены на радиатор через слюду во избежание КЗ.
Список деталей
Резисторы, конденсаторы и полупроводники
| Parts No. | Value |
|---|---|
| R1, 2 | 120 кОм, 0,5 Вт |
| R3 | 100 Ом , 2 Вт |
| R4, 5, 9 | 1 кОм |
| R6 | 10 Ом, 2 Вт |
| R7, 10 | 10 кОм |
| R8 | 1,5 кОм + 150 Ом |
| R11 | 5,6 кОм |
| R12, 13, 14 | 47 Ом |
| R15, 16 | 150 Ом |
| P1 | 10 кОм потенциометр, 10 оборотов |
| NTC | Термистор, 5 Ом при 25 °C |
| C1, 2 | 0,1 мкФ 250 Впер |
| C3, 4 | 470 мкФ 200 В, 22 x 36 мм |
| C5, 15 | 2,2 нФ |
| C6 | 1 мкФ, 250 Впер |
| C9, 10 | 2200 мкФ, 35В low ESR, 16 x 34 мм |
| C7 | 100 мкФ, 35 В |
| C8, C20 | 10 нФ |
| C11,12 | 0,22 мкФ |
| C13 | 10 мкФ, 25 В |
| C14 | 2,2 нФ Styroflex |
| C16 | 2,2 мкФ |
| C17, 18, 19 | 0,047 мкФ |
| D1, 2 | PXPR1507 и т.п. быстрый 200 В / 1A диод |
| D3 | MBR3045, 30 A / 45 В диоды Шоттки |
| D4, 5, 6 | BAT 46 |
| D7 | Стабилитрон, 13 В / 0,5 Вт |
| D8 | 1N4148 |
| VT1, 2 | IRF730 |
| VT3, 4 | IRFZ44N |
| IC1 | SG3525A |
| Gl1 | Диодный мост, dual in-line B40C800 DIP |
| Gl2 | Диодный мост 400 В / 4 A |
Трансформаторы, дроссели и др.
| Parts No. | Value |
|---|---|
| Tr1 | 0,5 W print транформатор EE20/10, 15 Vac при 34 mA, 24 x 32 мм |
| Tr2 | 16 x 15 x 5 мм (W,H,D) |
| 1 виток перв. обмотка | |
| 2x 100 витков вторичная обмотка | |
| Tr3 | 40 x 35 x 12 мм (W,H,D) например Tokin 25812 or. 25801 |
| 2x 20 витков перв. обмотка. (L = 7 mH между a <=> c) | |
| 2x (3 + 4) витков втор. обмотка. (L = 200 uH между d <=> f or d* <=> f*) | |
| 2x 4 витков дополн. обмотка для управления VT3/4 | |
| Tr4 | 22 x 19 x 6 мм (W,H,D) |
| 2x 26 витков перв. обмотка | |
| 2x 16 витков втор. обмотка | |
| Dr1 | 2A дроссель |
| Dr2 | 20 uH, T26-106 (yel. / white), 16 витков. 2x 1 мм, жилы параллельно |
| Magnetics Kool 259-77934-A7, 20 витков. 2×1 mm жилы параллельно | |
| Доп. фильтр | 230 V / 2 A |
| Si | 3,15 AT медленно перегорающий предохранитель |
| PS | Два двухполюсных выключателя |
| Разное | ПП, радиаторы, изоляторы и т.п. |
Серым выделены детали, которые были извлечены из БП компьютера
Тестирование
Тестирование БП проходит в несколько этапов. Это сделано в целях безопасности и сохранности компонентов.
Предупреждение: Проверяйте температуру компонентов только при выключенном напряжении питания.
Этап 1: Первым тестируется PWM-IC и защита. Для запуска PWM-IC, подключите 24В к Gnd и + C7 (Vx). После включения, микросхема формирует управляющие импульсы на контактах 11 и 14. Сигнал на затворе-истоке VT1 и VT2 при измерении осциллографом должен соответствовать рисунку 9. Кроме того, сигналы у VT1 и VT2 должны быть противоположны по фазе.
Этап 2: Теперь подключите три автомобильные лампы (12 В/21 Вт) на 13,8V выход. Питание регулировки и защиты по прежнему подключено. Сигнал в контрольных точках X и Y должен соответствовать осциллограммам приведённым ниже.
Этап 3: Если все в порядке до сих пор, можно приступить к подключению БП к 230В переменного тока. Источник 24В и измерительные приборы должны быть удалены. Лампы ещё необходимы в качестве нагрузки. Если после подключения 230В лампы загораются ярко, выходное напряжение 13,8 В, то всё в порядке. Если ошибка проскочила на первых этапах, то прощайтесь с транзисторами.
Этап 4: Для следующего теста нужна более мощная нагрузка. В таблице ниже приведены результаты при разных сопротивлениях нагрузки.
| Rl [Ом] | Автом. лампа | Io [A] | Po [Вт] |
|---|---|---|---|
| — / — | 1x 12 В / 21 Вт | 1,9 | 26 |
| — / — | 2x 12 В / 21 Вт | 3,8 | 52 |
| — / — | 3x 12 В / 21 Вт | 5,7 | 78 |
| 1,8 + 0,1 | — / — | 7,26 | 100 |
| 1,2 + 0,1 | — / — | 10,6 | 146 |
| 1,2 + 0,1 | 2x 12В / 21 Вт | 10,6 + 3,8 | 198 |
| 1,2 + 0,1 | 3x 12В / 21 Вт | 10,6 + 5,7 | 224 |
| 0,6 + 0,1 | — / — | 19,7 | 270 |
Дополнительные меры по снижению помех
Во время модификации БП от ПК оказалось, что стандартной фильтрации не хватает для радиолюбительских целей. Дополнительные фильтры установлены на выходе БП.
