Данная статья посвящена вопросу питания 12 В техники, в том числе автомобильной электроники, от электросети 220 В/50 Гц.
Автомобильной аппаратуры, рассчитанной на напряжение питания 12 В, у нас накапливается все больше. Нередко она лежит совсем невостребованной. Однако, такая аппаратура обладает рядом преимуществ перед более крупногабаритным стационарным азиатским ширпотребом, и оказывается удобной и при эксплуатации в домашних условиях. Но далеко не каждый источник питания хорошо подходит для совместной работы с такой техникой.
Кое-что об автомобильной аппаратуре
Парк автомобильной аппаратуры необычайно приумножился, особенно за последние лет десять. Зачастую автомобиля уже нет, а его аппаратура остается, причем, в рабочем состоянии. По ценовым категориям условно можно даже классифицировать эту технику на несколько «типов», как аппаратуру очень дорогостоящую, затем — подешевле, и наконец, технику доступную в приобретении рядовыми гражданами — бюджетную.
Автомобильной аппаратуры у нас чрезмерно добавилось. Причем обычно ее нужно приспосабливать (например, «раскодировать»), а если техника еще и неисправная, то требуется и ремонтировать.
Автомобильная аппаратура…для квартиры
Все чаще разную автомобильную аппаратуру используют и не совсем стандартно — в качестве домашних стационарных «комбайнов». В принципе, это оправдано, ведь эта техника высококачественная, да еще и малогабаритная. Обычный недорогой азиатский стационарный ширпотреб уже серьезно поднадоел своей «однобокостью» и примитивизмом. Ему присущ ряд специфических недостатков, которые, кстати, обычно отсутствуют даже в относительно недорогой автотехнике. Если громыхающая и дорогостоящая аппаратура с сабвуферами нужна далеко не каждому, то качественно работающий радиоприемник, магнитофон или проигрыватель СD-дисков нужен многим. Самое привлекательное, что автотехника почти всегда меньше по габаритам, чем стационарная, с аналогичными характеристиками. Естественно, для эксплуатации автомобильной аппаратуры в домашних условиях, необходимо иметь мощный (по энергоемкости) аккумулятор или же, соответствующий сетевой источник питания (ИП). Чтобы можно было подключать любую, в том числе, самую мощную аппаратуру, необходимо изготовить и мощный ИП.
Дело в том, что проблема 12 В мощных ИП так и не осталась решенной, т.е. налицо их дефицит в широкой продаже.
С ценами на мощные ИП также встречаются неприятности. Как правило, существует непропорциональная зависимость цены мощного ИП от его параметров. Часто бывает такое несоответствие в цене, например, когда максимальный ток ИП увеличен вдвое, а цена — в три-пять раз. Отсюда и неугасаемый, постоянно растущий спрос на ИП, в том числе и на мощные. Для мощной автомобильной аппаратуры нужен фактически сетевой «аналог» автомобильного аккумулятора.
Если собрать самому 12 В ИП с выходным током 5-10 А, то можно сэкономить примерно в двадцать раз! Неплохой стимул для творчества…
Многие стали задаваться вопросом: а может ли мощный 12 В качественный и современный ИП быть собран без применения мощных полевых транзисторов?
Поскольку количество производимых полевых транзисторов (ПТ) превышает количество биполярных, то наблюдается настоящий бум и популяризация применения мощных ПТ.
О схемах мощных ИП на ПТ
Любительские схемы стабилизаторов напряжения (СН) на ПТ нередко собраны не оптимально. Например, шунтируют выводы ПТ конденсаторами значительной емкости (десятые доли мкФ и более), не устраняя истинную причину неустойчивой работы СН с ПТ. И вообще, используется схемотехника ИП и СН, подходы, как в биполярных СН, но забывается, что ПТ управляется напряжением, а не током. Затвор для схемы драйвера (раскачки ПТ) представляет собой конденсатор. Да, его нужно перезаряжать. Чем выше частота, тем чаще нужна перезарядка затворной емкости. Но увеличивать (умножать) затворную емкость, добавлять к ней конденсаторы не имеет смысла, т.к. это лишняя нагрузка для драйверов. Гашение таким способом самовозбуждения СН напоминает гашение пожара подливанием масла в огонь.
Хуже всего то, что, как правило, такие СН на динамическую нагрузку работают неудовлетворительно. Таким образом, необязательно применять мощные ПТ в мощных СН для питания 12 В аппаратуры, чтобы получить хороший результат.
Существуют схемы СН и ИП — настоящие шедевры. Причем, совсем без применения полевых транзисторов и микросхем. Это такие СН, которые собраны уже в десятках экземпляров (в разном конструктивном исполнении) и безукоризненно эксплуатируются, т.е. проверены на протяжении многих лет подряд.
Они зарекомендовали себя надежностью и устойчивой работой с любыми типами нагрузок. Здесь работает все тот же принцип: меньше каскадов — меньше и неожиданных проблем.
Схема источника питания
Схема одной из конструкций ИП представлена на рисунке. За основу данной схемы взят серийно выпускавшийся много лет тому назад ИП типа ИПС-1. Правда, он рассчитан был лишь на выходной ток не более 1 А.
Сетевой трансформатор, его выключатель и предохранитель со светодиодом индикации подключения к электросети, не схеме не показаны. В каждом конкретном ИП исходили от предназначения ИП. От выбора сетевого трансформатора напрямую зависят возможности ИП, в плане максимального тока СН. Несмотря на кажущуюся схемную простоту, остановимся на нескольких моментах.
Диодный мост лучше выполнить на диодах Шоттки. Тогда при токе в нагрузке до 4 А этим диодам вообще не понадобятся никакие радиаторы. Оксидные конденсаторы фильтра выбирают из соотношения, не менее 1 -2 тысячи мкФ на один ампер тока в нагрузке.
Защита от перегрузки
В этом ИП защита с ограничением тока работает просто, но четко и надежно, а главное — безотказно. Здесь учтено все, что касается «непонятных» выходов из строя транзисторов узла защиты. Так часто забывают о токоограничительных резисторах в защитных узлах. И нередко мы видим схемы, где транзистор в схеме защиты, в самый ответственный момент может выйти из строя. Вслед за ним может отказать и силовой транзистор. А если таковых параллельно включено несколько? Дело здесь вот в чем.
Во-первых, такая мелочь, как наличие вместо традиционной проволочной перемычки резистора R2 очень важный нюанс. При срабатывании защиты сначала переходит в проводящее состояние транзистор VТ2, он, в свою очередь, включает второй транзистор узла защиты VT1. Тот, соответственно, быстро открывается. Таким образом, своим переходом К-Э, VТ1 соединяет базу регулирующего напряжение СН транзистора VТ5 с общим проводом схемы СН. Одновременно идет экстренный разряд заряженных до величины почти выходного напряжения конденсаторов С9 и С10. Чтобы ограничить величину тока через К-Э переход VТ1, и служит резистор R2. Ситуация такова, что нельзя при помощи к-э перехода транзистора напрямую закорачивать заряженные конденсаторы. Традиционные однотранзисторные схемы, как правило, не обеспечивают такой надежности, как данная схема на двух транзисторах.
Кроме иных положительных качеств, исключается влияние второго каскада (замыкающего базу VТ5 на общий провод) на первый каскад, формирующий токосъем, т.е. являющийся датчиком тока в нагрузке.
Во-вторых, очень важный момент- это схема компенсационного СН на транзисторах VТЗ и VТ4 внутри всего СН. По сути, данная схема — это высококачественный источник образцового напряжения (ИОН).
Достоинства рассматриваемого СН и ИОН
Во-первых, он сохраняет свою работоспособность при минимальной разнице между входным и выходным напряжением (при его максимуме). Даже при разнице в 1 В схема еще сохраняет свою работоспособность.
Во-вторых, эффективно подавляет пульсации и помехи. Здесь это необычайно важно. Выходное напряжение СН (коллекторы мощных VТ6 и VТ7) определяется напряжением на верхнем (по схеме) выводе резистора R12.
Следовательно, оно будет максимально, когда движок потенциометра находится в верхнем положении. В это время база VТ5 фактически (через помехоподавляющий резистор R13) соединена с коллектором транзистора VТ4 (выходом ИОН).
Значит, выходное напряжение СН фактически приближается к напряжению на базе VТ5. В этом состоит большая универсальность схемы. Какое напряжение будет подано на базу VТ5, почти такое же напряжение, по величине, будет присутствовать и на выходе СН.
В-третьих важный момент заключается в построении схемы ИОН. Можно легко, с помощью одного резистора R9 подстраивать величину напряжения ИОН. Если поставлена задача обеспечения прецизионного поддержания напряжения, то можно достигнуть практически нулевого значения ТКН (для лабораторного варианта ИП). Главное, что ИОН, по сути своей — это уже СН, причем, с высокими техническими характеристиками. Если внимательно рассмотреть схему на транзисторах VТ5- VТ7, то можно увидеть, что они образуют мощный составной транзистор по схеме Шикпаи. Такая схема обладает минимальным выходным сопротивлением за счет 100% отрицательной обратной связи (ООС) по напряжению посредством диода VD7.
Иначе говоря, данная схема является лабораторным ИП, если все выполнить надлежащим образом. Для этого нужны прецизионные резисторы R6-R10. И не столько важно процентное отклонение его номинала, сколько нужна долговременная стабильность сопротивлений этих резисторов. Подстроечный R9, после настройки выходного напряжения, заменяют двумя обычными прецизионными резисторами, предварительно измерив сопротивление «половинок» подстроечного резистора R9.
Повторяемость схемы
Самое главное, что нужно подчеркнуть особо. Схема обладает превосходной повторяемостью! Многочисленные эксперименты, направленные на умощнение схемы доказывали, что это сделать несложно. Схема допускает постоянный ток 10 А в нагрузке, при условии, что радиаторы VТ6, VТ7 имеют принудительное охлаждение. Достаточно даже одного 12 В кулера. По крайней мере, при токе 10 А даже один кулер нормально справляется с отводом тепла от двух экземпляров КТ827, размещенных на одном игольчатом радиаторе с охлаждающей поверхностью 1000 см2.
Применением кулеров (или других вентиляторов обдува радиаторов) мы избегаем использования очень громоздких радиаторов для VТ6 и VТ7.
Самым опасным является режим КЗ на выходе СН. Данный СН при КЗ или ограничении выходного тока работает в режиме генератора стабильного тока (ГСТ).
Конструкция и детали
Трансформатор
По сути, трансформатор — это ахиллесова пята большинства конструкций ИП. Качественный сетевой трансформатор (СТ) — это почти всегда своеобразная проблема. Если приобрели готовый (заводской) или самостоятельно намотанный, то необходимо СТ испытать на той мощности, которую реально мы будем снимать. Настоящий перегрев СТ наступает после 30-45 минут работы, при подключенной максимально допустимой для СТ нагрузке. По нагреву СТ и отбраковывают его.
Иногда считают, что если диаметр провода вторичной обмотки составляет 1,8- 2,0 мм, то СТ, мол, стопроцентно выдержит длительно ток 10 А в нагрузке. При этом, опускается, каким проводом намотана первичная обмотка? Достаточно ли сечение магнитопровода СТ? Нюанс как раз в том и заключается, что кратковременно СТ может выдерживать значительно больше, чем от него требуется. Но через час трансформатор превращается в печку. В таких случаях максимальная мощность СТ оказывается вдвое меньше той, от которой он так перегревается.
Диоды выпрямительного моста
Они могут быть, в принципе, любыми 20-амперными. Но, диоды Шоттки здесь, в низковольтных и сильноточных схемах вне конкуренции. На них малые падения напряжений, следовательно, они меньше греются. Они заменимы любыми аналогичными диодами Шоттки, например, зарубежными: 18ТQ045 (18А, 45В), 20ТQ40 (20А, 40В), сборками Шотки: 20СТQ045 (20А, 45В), 25СТQ045 (25А, 45В) и т.д. Диоды КД522 с любой буквой. Заменимы практически любыми кремниевыми на ток 50 мА и более, на напряжение 50 В и больше. Это могут быть и диоды старых типов Д220, Д223, и более новые КД518 и т.п.
Транзисторы
В позициях VТ1, VТ4 использовались: КТ315Г, КТ312В, КТ503Е, КТ815Б, КТ3102 (А-Г), ВС547С. В позициях VТ2, VТЗ, VТ5 применялись КТ361, КТ3107 (А, Б, И), КТ502Е, ВС557С. В позициях VТ6, VТ7- КТ827А или Б. В менее мощных схемах ИП применяли и КТ829. При двух параллельно включенных КТ829 ток в нагрузке не превышал 5 А. Пластмассовые корпуса таких транзисторов, очень удобны простотой крепежа на радиаторе.
Для четырех совместно работающих КТ829 ток нагрузки составляет до 10 А. Схема подключения двух дополнительных транзисторов, к двум имеющимся силовым транзисторам идентична представленной на рисунке. То есть, для каждого нового дополнительного транзистора требуется и два новых резистора: один в цепи базы, а второй в цепи эмиттера. Эти уравнивающие резисторы — это обязательный атрибут данной конфигурации схемы. Необходимо равномерно распределить токи между всеми параллельно включенными транзисторами.
Если это не сделано, то транзистор с наибольшим значением h21Э всю нагрузку примет на себя. Иначе говоря, транзистор с наибольшим значением h21Э и наименьшим UКЭНАС быстро перегреется, если ИП испытывают при полной мощности, которая должна распределяться поровну на все транзисторы. И поскольку рассеиваемая мощность может превысить 60 Вт для пластмассового КТ829, то он вскоре пробивается (как правило, происходит пробой К-Э). Тоже самое происходит и с КТ827, только они более надежные и выносливые, чем КТ829. И долго могут работать, когда на одном транзисторе мощность намного больше, чем на другом. Выравнивать эмиттерные токи быстрее и легче подбором базовых резисторов в цепи КТ827. Номиналы при этом могут отличаться весьма существенно (в разы и даже на порядок). Надо проследить, чтобы на максимальном токе через нагрузку имело место наиболее правильное (равномерное) распределение токов через транзисторы. И не столь важно, что там будет «твориться» асимметрия в базовых цепях КТ827. Главное, что падения напряжений на эмиттерных резисторах равными будут хотя бы в диапазоне токов 50-100%. То есть, при таких токах, где перекосы в режимах работы транзисторов приводят к их отказам.
Конструкция ИП
Конструктивно рассматриваемые ИП выполнялись по-разному. Элементы схемы СН размещали как на печатных платах, так и методом навесного монтажа, он подходит больше всего тогда, когда не предполагается экспериментировать с ИП.
Проблема с корпусами решалась также по-разному. Самодельный корпус — это масса механической работы. Поэтому старались корпус подобрать от чего-нибудь заводского.
С датчиком тока для амперметра прекрасно справляется резистор R5. В качестве индикатора подходит любой вольтметр. Стрелочные приборы, несмотря на цифровую моду, имеют серьезное преимущество при динамическом характере потребляемого от ИП тока нагрузкой.
Автор: Алексей Зызюк, г. Луцк