Схема лабораторного импульсного блока питания на микросхеме IR2153
с регулировкой уровня выходного напряжения 1,5-50В (3А), устройством мягкого пуска и защитой от токовых перегрузок и КЗ.
Продолжим работу с картиной неизвестного художника «Девочка с персиками и импульсным блоком питания».
Ощущение свежести, молодости, радостно-спокойного настроения создаётся, прежде всего, когда мы рассматриваем девочку, которая, слегка вскинув брови и излучая тихий свет, ласково поглаживает металлический кожух лабораторного ИБП, расположившегося на белоснежной скатерти большого деревянного стола.
С удовольствием позируя художнику, сомкнув губы и пристально всматриваясь в нас, она задумалась о чем-то.
А задумалась она, скорее всего, о том, что импульсный блок питания и лабораторный блок питания — это несколько разные вещи, где-то даже, не вполне совместимые.
Профессиональный мощный лабораторный источник питания с регулируемым выходным напряжением — это здоровый и тяжёлый металлический ящик, с могучими силовыми 50-ти герцовыми трансформаторами, классическими аналоговыми стабилизаторами, и не подвластный ни современным схемотехническим изыскам, ни транспортировке посредством неокрепших девичьих рук.
Зато такую вещь не стыдно подключить к любой самой чувствительной схеме с обострённой реакцией на различные типы наводок по питающим цепям.
Так вот! Такие лабораторные БП мы на этой странице рассматривать не будем!
Для большинства радиолюбительских поделок сгодится и импульсный агрегат. О том, чтобы он не сильно плевался импульсными помехами, как в бытовую электросеть, так и в нагрузку — внимательно позаботимся в рамках данной передовицы.
И, как водится, начнём с жизненно важной схемы (Рис.1), обеспечивающей плавный пуск ИБП и осуществляющей защиту всего устройства от токовых перегрузок и КЗ. 
Рис.1
Обстоятельный «разбор полётов» данного узла мы провели на странице Ссылка на страницу, для желающих ознакомиться — добро пожаловать по ссылке.
Далее приведём схему собственно импульсного понижающего преобразователя с регулируемым импульсным стабилизатором напряжения на борту.
Технические характеристики блока питания с импульсным стабилизатором напряжения:
Входное переменное напряжение 180. 240 В,
Регулируемое выходное напряжение 1,5. 50 В,
Выходной ток во всем диапазоне напряжений, не более 3 А,
Срабатывание защиты по выходному току 3 А,
Срабатывание защиты по входному току 1,5 А,
Уровень пульсаций выходного напряжения, не более 15 мВ.
По большому счёту, всё нарисованное на схеме (Рис.2) мы уже так же подробно обсудили на различных страницах сайта. Поэтому, чтобы не повторяться, приведу ссылки на эти материалы:
Основная часть импульсного блока питания, выполненная на DA1, T1, T2, Tr1, описана на прошлой странице Ссылка на страницу.
Импульсный регулируемый стабилизатор напряжения на микросхеме LM2576HV-ADJ с картинками — на странице Ссылка на страницу
Импульсный трансформатор намотан на низкочастотном ферритовом кольце EPCOS N87 с габаритной мощностью 265 Вт и размерами R 30,5×20,0×12,5.
Первичная обмотка содержит 63 витка обмоточного провода диаметром 0,7мм,
Вторичная — 23 витка провода диаметром 1,2мм.
Как правильно мотать эти обмотки, и что делать, если под рукой не оказалось сердечника приведённого типоразмера, опять же, подробно и, опять-таки, с картинками расписано на странице Ссылка на страницу
Поскольку устройство работает в импульсном режиме с достаточно высоким КПД, полупроводники не нуждаются в больших теплоотводах. В нашем случае, для рассевания тепла транзисторов Т1, Т2 достаточно теплоотвода суммарной площадью 100 см2. Такие же радиаторы вполне сгодятся и для выходного выпрямительного моста, и для интегрального стабилизатора DA2.
Если работа источника питания предполагается с нагрузками, не критичными к пульсациям выходного напряжения, вполне допустимо отпочковать от схемы (Рис.2) элементы L2, С9, С10. Уровень пульсаций выходного напряжения в этом случае возрастёт до величины 120-200 мВ.
Схема импульсного сетевого блока питания для усилителей НЧ на 100-500Вт (IR2153, IR2155)
Для получения полноценного усилителя мощности НЧ требуется хороший источник питания, приведена схема простого блока питания для УМЗЧ. От параметров источника питания качество звучания зависит не чуть не меньше, чем от самого усилителя и относится халатно к его изготовлению не следует.
Описаний методик расчетов типовых трансформаторов более чем достаточно. Поэтому здесь предлагается описание импульсного источника питания, который может использоваться как с усилителями на базе TDA7293 (TDA7294), так и с любым другим усилителем мощности ЗЧ как на микросхемах,так и на транзисторах.
Основой данного блока питания (БП) служит полумостовой драйвер с внутренним генератором IR2153 (IR2155), предназначенный для управления транзисторами технологий MOSFET и IGBT в импульсных источниках питания.
Принципиальная схема
Функциональная схема микросхем приведена на рисунке 1, зависимость выходной частоты от номиналов RC-задающей цепочки на рисунке 2.
Микросхема обеспечивает паузу между импульсами «верхнего» и «нижнего» ключей в течении 10% от длительности импульса, что позволяет не опасаться «сквозных» токов в силовой части преобразователя.
Рис. 1. Функциональная схема микросхем IR2153, IR2155.
Практическая реализация БП приведена на рисунке 3. Используя данную схему можно изготовить БП мощностью от 100 до 500Вт, необходимо лишь пропорционально увеличивать емкость конденсатора фильтра первичного питания С2 и использовать соответствующий силовой трансформатор ТV2.
Рис. 2. Графики зависимости выходной частоты от номиналов RC-задающей цепочки для микросхемы IR2153.
Емкость конденсатора С2 выбирается из расчета 1. 1,5 мкФ на 1 Вт выходной мощности, например при изготовлении БП на 150 Вт следует использовать конденсатор на 150. 220 мкФ.
Рис. 3. Принципиальная схема импульсного сетевого блока питания для усилителей НЧ на 100-500Вт.
Диодный мост первичного питания VD можно использовать в соответствии с установленным конденсатором фильтра первичного питания, при емкостях до 330 мкФ можно использовать диодные мосты на 4. 6А, например RS407 или RS607.
При емкости конденсаторов 470. 680 мкФ нужны уже более мощные диодные мосты, например RS807, RS1007.
О трансформаторе
Об изготовлении трансформатора можно разговаривать долго, однако вникать в глубокую теорию расчетов слишком долго и далеко не каждому нужно.
Поэтому расчеты по книге Эраносяна для самых ходовых типоразмеров ферритовых колец М2000НМ1 просто сведены в таблицу 1.
Таблица 1. Габаритная мощность трансформатора при разной частоте преобразования, количество витков для первичной обмотки.
| тип | 40кГц | 50кГц | 60кГц | 70кГц | 80кГц | 90кГц | 100кГц | ||
| ДЛЯ КОЛЬЦА К40х25х11 | |||||||||
| 1 КОЛЬЦО | К40х25х11 | мощность | 100 | 130 | 160 | 175 | 200 | 220 | 250 |
| витки | 180 | 145 | 120 | 105 | 90 | 80 | 72 | ||
| 2 КОЛЬЦА | К40х25х22 | мощность | 200 | 230 | 280 | 330 | 370 | 420 | 470 |
| витки | 90 | 72 | 60 | 52 | 45 | 40 | 36 | ||
| ДЛЯ КОЛЬЦА К45х28х8 | |||||||||
| 1 КОЛЬЦО | К45х28х8 | мощность | 110 | 135 | 150 | 180 | 200 | 230 | 240 |
| витки | 217 | 174 | 145 | 124 | 110 | 97 | 87 | ||
| 2 КОЛЬЦА | К45х28х16 | мощность | 200 | 240 | 290 | 340 | 390 | 440 | 480 |
| витки | 109 | 87 | 73 | 62 | 55 | 49 | 44 | ||
| 3 КОЛЬЦА | К45х28х24 | мощность | 290 | 360 | 440 | 510 | 580 | 660 | 730 |
| витки | 82 | 66 | 55 | 47 | 41 | 36 | 33 | ||
| 4 КОЛЬЦА | К45х28х32 | мощность | 380 | 490 | 580 | 680 | 780 | 870 | 970 |
| витки | 62 | 50 | 41 | 35 | 31 | 28 | 25 | ||
| 5 КОЛЕЦ | К45х28х40 | мощность | 500 | 600 | 700 | 850 | 950 | 1100 | 1200 |
| витки | 50 | 40 | 35 | 30 | 25 | 22 | 20 | ||
| 6 КОЛЕЦ | К45х28х48 | мощность | 550 | 700 | 850 | 1000 | 1150 | 1300 | 1450 |
| витки | 41 | 33 | 28 | 24 | 21 | 19 | 17 | ||
| 7 КОЛЕЦ | К45х28х56 | мощность | 650 | 850 | 1000 | 1150 | 1350 | 1500 | 1700 |
| витки | 35 | 30 | 24 | 20 | 18 | 16 | 14 | ||
| 8 КОЛЕЦ | К45х28х64 | мощность | 750 | 950 | 1150 | 1350 | 1550 | 1750 | 1950 |
| витки | 31 | 25 | 21 | 18 | 16 | 14 | 13 | ||
| 9 КОЛЕЦ | К45х28х72 | мощность | 850 | 1000 | 1300 | 1500 | 1750 | 1950 | 2200 |
| витки | 28 | 22 | 18 | 16 | 14 | 13 | 11 | ||
| 10 КОЛЕЦ | К45х28х80 | мощность | 970 | 1200 | 1450 | 1700 | 1950 | 2200 | 2400 |
| витки | 25 | 20 | 17 | 14 | 12 | 11 | 10 | ||
Как видно из таблицы габаритная мощность трансформатора зависит не только от габаритов сердечника, но и от частоты преобразования.
Изготавливать трансформатор для частот ниже 40 кГц не очень логично — гармониками можно создать не преодолимые помехи в звуковом диапазоне. Изготовление трансформаторов на частоты выше 100 кГц уже непозволительно по причине саморазогрева феррита М2000НМ1 вихревыми токами.
В таблице приведены данные по первичным обмоткам, из которых легко вычисляются отношения витков/вольт и дальше уже вычислить, сколько витков необходимо для того или иного выходного напряжения труда не составит.
XLS-таблица, для помощи в расчетах (изменять только желтые ячейки) — Скачать.
Следует обратить внимание на то, что подводимое к первичной обмотке напряжение составляет 155 В — сетевое напряжение 220 В после выпрямителя и слаживающего фильтра будет составлять 310 В постоянного напряжения, схема полу мостовая, следовательно к первичной обмотке будет прилагаться половина этого значения.
Так же следует помнить, что форма выходного напряжения будет прямоугольной, поэтому после выпрямителя и слаживающего фильтра величина напряжения от расчетной отличаться будет не значительно.
Таблица приведена до мощностей 2400 Вт (на будущее, для более мощных вариантов схем блока питания).
Диаметры необходимых проводов рассчитываются из отношения 5 А на 1 кв мм сечения провода. Причем лучше использовать несколько проводов меньшего диаметра, чем один, более толстый провод.
Это требование относится ко всем преобразователям напряжения, с частотой преобразования выше 10 кГц, так как начинает уже сказываться скин-эффект — потери внутри проводника, поскольку на высоких частотах ток течет уже не по всему сечению, а по поверхности проводника и чем выше частота, тем сильнее сказываются потери в толстых проводниках.
Поэтому не рекомендуется использовать в преобразователях с частотой преобразования выше 30 кГц проводники толще 1 мм. Следует так же обратить внимание на фазировку обмоток — неправильно сфазированные обмотки могут либо вывести силовые ключи из строя, либо снизить КПД преобразователя.
О мощности БП и транзиаторах
Но вернемся к БП, приведенному на рисунке 3. Минимальная мощность данного БП практически ни чем не ограничена, поэтому можно изготовить БП и на 50 Вт и меньше. Верхний же предел мощности ограничен некоторыми особенностями элементной базы.
Для получения больших мощностей требуются транзисторы MOSFET более мощные, а чем мощнее транзистор, тем больше емкость его затвора.
Если емкость затвора силового транзистора довольно высокая, то для её заряда-разряда требуется значительный ток. Ток транзисторов управления IR2153 довольно не велик (200 мА), следовательно, эта микросхема не может управлять слишком мощными силовыми транзисторами на больших частотах преобразования.
Исходя из вышесказанного становится ясно, что максимальная выходная мощность преобразователя на базе IR2153 не может быть более 500. 600 Вт при частоте преобразования 50. 70 кГц, поскольку использование более мощных силовых транзисторов на этих частотах довольно серьезно снижает надежность устройства.
Список рекомендуемых транзисторов для силовых ключей VТ1, VТ2 с краткими характеристиками сведен в таблицу 2.
| Наименование | Емкость затвора, пкФ | Сопротивление открытого перехода, Ом | Максимальное напряжение, В | Максимальный ток, А |
| IRF740 | 1600 | 0,55 | 400 | 10 А |
| IRF840 | 1300 | 0,85 | 500 | 8 А |
| STP10NK60Z | 1370 | 0,75 | 600 | 10 А |
Выпрямительные диоды вторичных цепей питания должны иметь наименьшее время восстановления и как минимум двукратный запас по напряжению и трехкратный току.
Последние требования обоснованы тем, что выбросы напряжения самоиндукции силового трансформатора составляют 20. 50 % от амплитуды выходного напряжения. Например при вторичном питании в 100 В амплитуда импульсов самоиндукции может составлять 120.
150 В и не смотря на то, что длительность импульсов крайне мала ее достаточно чтобы вызвать пробой в диодах, при использовании диодов с обратным напряжением в 150 В.
Трехкратный запас по току необходим для того, чтобы в момент включения диоды не вышли из строя, поскольку емкость конденсаторов фильтров вторичного питания довольно высокая, и для их заряда потребуется не малый ток. Наиболее приемлемые диоды VD4-VD11 сведены в таблицу 3.
| Наименование | Максимальное напряжение, В | Макс. ток, А | Обратное время восстанов., нС | Примечания |
| 16CTQ100 | 100 | 8 | 2 диода Шотки по 8 А в корпусе ТО-220 | |
| 20CTQ150 | 150 | 10 | 2 диода Шотки по 10 А в корпусе Т0-220 | |
| 30CPQ100 | 100 | 15 | 2 диода Шотки по 15 А в корпусе ТО-247 | |
| 30CPQ150 | 150 | 15 | 2 диода Шотки по 15 А в корпусе ТО-247 | |
| 40CPQ100 | 100 | 20 | 2 диода Шотки по 20 А в корпусе ТО-247 | |
| 60CPQ150 | 150 | 30 | 2 диода Шотки по 30 А в корпусе Т0-247 | |
| 15ETH06FP | 600 | 15 | 35 | 1 диод 15 А в корпусе ТО-220 |
| 30EPF06 | 600 | 30 | 40 | 1 диод 30 А в корпусе Т0-247 |
| 30ETH06PBF | 600 | 30 | 40 | 1 диод 30 А в корпусе ТО-220 |
| 80EBU02 | 200 | 80 | 35 | |
| HER308 | 1000 | 3 | 30 | DO-201 |
| HER605 | 400 | 6 | 50 | DO-201 |
| HFA06TB120 | 1200 | 6 | 26 | ТО-220 |
| HFA08TB120 | 1200 | 8 | 28 | ТО-220 |
| HFA15TB60 | 600 | 15 | 60 | ТО-220 |
| HFA16TB120 | 1200 | 16 | 30 | ТO-220 |
| HFA25PB60 | 600 | 25 | 23 | ТО-247 |
| HFA30PB120 | 1200 | 30 | 37 | ТО-247 |
| MUR2020CT | 200 | 10 | 25 | 2 диода по 10 А в корпусе ТО-220 |
| MUR820 | 200 | 8 | 25 | ТО-220 |
| SF54 | 300 | 5 | 35 | DO-201 |
| SF56 | 600 | 5 | 35 | DO-201 |
| SF84 | 400 | 8 | 35 | ТО-220 |
Емкость фильтров вторичного питания (С11, С12) не следует увеличивать слишком сильно, поскольку преобразование производится на довольно больших частотах.
Для уменьшения пульсаций гораздо актуальней использование большой емкости в первичных цепях питания и правильный расчет мощности силового трансформатора.
Во вторичных же цепях конденсаторов на 1000 мкФ в плечо вполне достаточно для усилителей до 100 Вт (конденсаторы по питанию, установленные на самих платах УМЗЧ должны быть не менее 470 мкФ) и 4700 мкФ для усилителя на 500 Вт.
Печатная плата
На принципиальной схеме изображен вариант выпрямителей вторичного силового питания, выполненный на диодах Шотки, под них и разведена печатная плата (рисунок 4).
Рис. 4. Печатня плата для импульсного блока питания к УМЗЧ — сторона дорожек.
Рис. 5. Печатня плата для импульсного блока питания к УМЗЧ — сторона деталей.
На диодах VD12, VD13 выполнен выпрямитель для вентилятора принудительного охлаждения теплоотводов, на диодах VD14-VD17 выполнен выпрямитель для низковольтного питания (предварительные усилители, активные регуляторы тембра и т.д.). На том же рисунке приведен чертеж расположения деталей и схема подключения.
В преобразователе имеется защита от перегрузки, выполненная на трансформаторе тока ТV1, состоящая из кольца К20х12х6 феррита М2000 и содержащего 3 витка первичной обмотки (сечение такое же как и первичная обмотка силового трансформатора и 3 витка вторичной обмотки, намотанной двойным проводом диаметром 0,2. 0,3 мм.
При перегрузке напряжение на вторичной обмотке трансформатора ТV1 станет достаточным для открытия тиристора VS1 и он откроется, замкнув питание микросхемы IR2153, тем самым прекратив ее работу. Порог срабатывания защиты регулируется резистором R8.
Об остальных деталях:
- конденсатор С5 — пленочный на 0,33. 1 мкФ 400В;
- конденсаторы С9, С10 — пленочные на 0,47. 2,2 мкФ минимум на 250В;
- индуктивности L1. L3 выполнены на ферритовых кольцах К20х12х6 М2000 и наматываются проводом 0,8. 1,0 мм до заполнения виток к витку в один слой;
- С14, С15 — пленочные на 0,33. 2,2 мкФ на напряжение не менее 100 В при выходном напряжении до 80 В;
- конденсаторы С1, С4, С6, С8 можно керамические, типа К10-73 или К10-17;
- С7 можно и керамический, но лучше пленочный, типа К73-17.
Налаживание
Регулировку производят без нагрузки начиная с максимальной чувствительности и добиваясь устойчивого запуска преобразователя.
Принцип регулировки основан на том, что в момент запуска преобразователя он нагружен максимально, поскольку требуется зарядить емкости фильтров вторичного питания и нагрузка на силовую часть преобразователя максимальная.