Блок питания для инкубатора
Импульсный блок питания для инкубатора
Ранее в статье «Инкубатор для дома» был выложен материал, посвященный домашнему инкубатору имеющему питание от аккумулятора. В данной статье будет рассмотрена схема импульсного блока питания для данного инкубатора. Uвых = 13,5В, Iвых = 8А. Основой схемы является контроллер TL494 или его аналог КА7500, или отечественный аналог КР1114ЕУ4. Схема блока питания показана на рисунке ниже.
Схема ИИП — что ни на есть классическая, двухтактная, полумостовая с самовозбуждением. Имеет защиту от короткого замыкания в цепи нагрузки. Подробно о защите от КЗ по длительности рабочих импульсов силовых транзисторов можно ознакомиться в статье «Защита импульсных блоков питания от КЗ». Схема пуска с самовозбуждением предназначена для получения напряжения, которым можно было бы запитать и запустить управляющий контроллер DD1 – TL494 после подключения ИИП к сети.
Выпрямленное напряжение сети подается на резистивные делители R26,R27 и R28,R29 являющиеся базовыми для обоих силовых ключевых транзисторов VT5, VT6. Поэтому через транзисторы под воздействием суммарного напряжения на конденсаторах С10 и С11 начинает протекать базовый ток. Резисторы R15 и R18 выравнивают напряжения на этих конденсаторах и заодно разряжают конденсаторы после выключения ИИП. Базовый стартовый ток протекает по цепи (+)С11 –> R26 –> R31 –> б-э VT5 -> R28 –> R32 -> б-э VT6 -> «общий провод» первичной стороны —> (-)С10. В результате через участки коллектор-эмиттер обоих транзисторов начинают протекать взаимно противоположные токи по целям: через транзистор VT5: (+) C11 -> коллектор-эмиттер VT5 -> обмотка 5 и 6 Тр2 -> обмотка 1 и 2 ТР3 -> обмотка первичная Тр1 -> С12 -> (-) C11, через VT6: (+) C10 -> С12 -> обмотка первичная Тр1 -> обмотка 2 и 1 ТР3 -> обмотка 6 и 5 Тр2 -> коллектор-эмиттер VT6 -> (-) C10. Если бы оба инверсных тока, протекающие через дополнительную (пусковую) обмотку 5-6 Тр2 были бы равны, то результирующий ток был бы равен 0, и схема не смогла бы запуститься. Но в силу разброса коэффициентов усиления по току транзисторовVT5 и VT6 всегда один из этих токов будет больше другого. Поэтому результирующий ток через витки 5-6 Тр2 не равен 0 и имеет то или иное направление. Допустим, что преобладает ток через транзистор VT5, и следовательно, ток протекает в направлении от вывода 5 к выводу 6 Тр2. Протекание тока через обмотку 5-6 Тр2 вызывает появление ЭДС взаимоиндукции на всех обмотках управляющего (разделительного) трансформатора Тр2. При этом (+)ЭДС возникает на выводе 4 относительно вывода 5 и под воздействием этой ЭДС еще больше начинает увеличиваться ток базы транзистора VT5, это приводит к увеличению тока коллектора VT5. Одновременно на выводе 7 Тр2 появляется отрицательная ЭДС относительно вывода 8, т.е. полярность этой ЭДС оказывается запирающей для транзистора VT6 и он закрывается. Далее вступает в действие положительная обратная связь (ПОС). Действие ее заключается в том, что при возрастании тока через VT5 и витки 5-6 Тр2 на обмотке 4-5 Тр2 действует возрастающая ЭДС, которая, создавая дополнительный базовый ток для VT5, еще больше открывает его. Процесс этот развивается лавинообразно. Через открытый VT5 и первичную обмотку 1-2 силового импульсного трансформатора Тр3 начинает протекать линейно нарастающий ток, что вызывает появление ЭДС взаимоиндукции на всех обмотках Тр3. Импульс с обмотки 3-4 Тр3 заряжает накопительную емкость С18. На С18 появляется напряжение, которое через резистор R33 подается на вывод 12 управляющей микросхемы DD1 TL 494 и на согласующий каскад. Микросхема запускается и генерирует на своих выводах 11, 8 прямоугольные управляющие импульсы, которыми через согласующий каскад (VT3, VT4, Тр2) начинают переключаться силовые ключи VT и VT6. На всех обмотках силового трансформатора Тр3 появляются импульсы номинального уровня. При этом ЭДС с обмоток 3-4 и 4-5 постоянно подпитывают С18, поддерживая на нем неизменный уровень напряжения (около +27В). Другими словами, микросхема по кольцу обратной связи начинает запитывать сама себя. Блок выходит на рабочий режим. Напряжение питания DD1 и согласующего каскада является вспомогательным, действует только внутри блока.
Согласующий каскад ИИП
Двухтактный трансформаторный предварительный усилитель мощности, он же согласующий, реализован на транзистора VT3 и VT4. Коллекторными нагрузками транзисторов являются первичные полуобмотки импульсного трансформатора Тр2 и резистор общей нагрузки R30, который задает максимальную величину тока через транзисторы, в районе 20мА. Напряжение питания подается на среднюю точку первичной обмотки этот резистор и диод развязки VD8. На базы транзисторов VT3 и VT4 поступают последовательности прямоугольных импульсов с отрицательными передними фронтами. Из этого следует, что в промежутках между импульсами транзисторы открыты, т.к. к их базам приложено открывающее напряжение через резистивные делители напряжения R20,R21 и R22,R23. Под воздействием управляющих импульсов транзисторы поочередно закрываются. На эмиттерах поддерживается напряжение примерно равное +1,5В за счет цепочки VD14, VD15 и С20. Это напряжение позволяет осуществлять эффективное закрывание транзисторов. Действительно, после спада управляющего импульса на базе запираемого транзистора остается напряжение порядка 0,5 В, а на эмиттере данного транзистора, за счет элементов VD14, VD15 и С20 присутствует напряжение 1,5 В. Т.о. относительно эмиттера на базе будет напряжение минус один вольт – жесткий режим отсечки. Благодаря этому фронты коллекторных импульсов транзисторов предварительного каскада получаются очень крутыми. Диоды VD6 и VD7 демпфирующие, предназначены для гашения паразитных колебательных процессов, которые возникают при запирании транзисторов.
Силовой каскад
Силовой каскад в большинстве случаев реализуется по двухтактной полумостовой схеме и мало отличается в разных вариантах схем ИИП и эта схема не исключение. Конфигурация базовых целей выбрана такой, чтобы обеспечить оптимальный режим переключения для транзисторов VT5,VT6. При этом главным показателем эффективности переключения являются минимальные динамические потери мощности на ключевых транзисторах. Диоды VD4 и VD5 являются разделительными, они блокируют шунтирование обмотками трансформатора Тр2 базовых потенциалов мощных транзисторов. Конденсаторы С15 и С16 – это конденсаторы ускоряющие процессы переключения ключевых транзисторов. Диоды VD9 и VD10 предназначены для создания путей рекуперации, т.е. частичного возвращения запасенной энергии в индуктивности рассеяния трансформатора Тр3, который является нагрузкой силового каскада.
Обмотки трансформатора Тр3 намотаны на сердечнике Ш12×20. Такой сердечник применялся в ИИП старых телевизоров. Но в таких трансформаторах у одной из половинок имеется конструктивный зазор, поэтому придется разобрать два трансформатора. Трансформатор рассчитывался для работы без принудительной вентиляции, поэтому плотность тока в обмотка выбрана 4 А/мм2. Но и при таких условиях трансформатор способен отдать в нагрузку мощность свыше 400Вт. Запас более чем в тир раза. Обмотка 1-2 мотается за два раза и имеет 15 + 15 витков провода D=0,71мм. Сначала наматывается 15 витков первичной обмотки, потом 4 +4 витков вторичной обмотки плоским жгутом провода D=0,71×4. Затем доматывается вторая часть первичной обмотки.
Согласующий трансформатор я брал от старого ИИП компьютера. Но можно его намотать самим. Хотя для меня это уж больно муторно. Но тем не менее, коллекторные обмотки содержат по 35 витков провода 0,29мм, базовые – по 10 витков того же провода, пусковая обмотка 5-6 имеет два витка 0,29×3. В качестве сердечника можно использовать сердечники от дросселей энергосберегающих ламп. У одной из половинок таких сердечников так же имеется конструктивный зазор, поэтому придется разобрать два дросселя. Можно изготовить данный трансформатор и на кольце К20×12х6 из феррита М2000НМ, в таком случае обмотка 1-2-3 намотана проводом ПЭВ-2 0.4 равномерно по всему кольцу и содержит 2×28 витков; обмотки 4-5 и 7-8 по 9 витков провода ПЭВ-2 0,5. Обмотка 5-6 два витка провода МГТФ-О,8. Обмотки изолированы одна от другой и от магнитопровода двумя слоями тонкой фторопластовой ленты.
В качестве мощных транзисторов VT5 и VT6 стоят Е13007. КПД блока питания при использовании таких транзисторов составляет 80%. VD11 и VD13 — MBRF20100CT. Др1 – дроссель сетевого фильтра – от старого ИИП от ПК. Выходной дроссель Др2, также используется от старого импульсного блока питания, имеет 19 витков провода Ф 2,0мм. Все детали ИИП размещены на печатной плате.
Это четвертая версия топологии проводников печатной платы. Импульсные схемы очень чувствительны к конфигурации проводников «общей земли». Так у ИИП собранных на первых трех вариантах платы отмечалась неустойчивость в работе, звон передних фронтов импульсов, чрезмерный нагрев контроллера, температура радиаторов мощных транзисторов при 10А нагрузки была за +60°С. В данной плате тоже обнаружился недостаток, близко друг к другу стоят ДР2 и С19. С19 очень страдает из-за нагрева дросселя. Между ними необходим термоэкран в виде небольшой тонкой перегородочки из диэлектрика.
На фото показан ИИП, собранный по второй версии печатной платы. Оригинал на момент написания статьи уже уехал, даже не сфотографировавшись.
Внимание!!! Первое включение – только через лампу накаливания 60…100Вт.
Частота генератора пилообразного напряжения контроллера 60кГц. Зависит от величины номиналов С7 и R13. R12, R14 и С13 – цепь мягкого запуска. R11 и С8 – цепь ООС усилителя ошибки. Регулировать выходное напряжение можно резистором R10. Между ним и выводом 1 контроллера на плате стоит перемычка. Вместо ее можно поставить потенциометр для регулировки выходного напряжения. Порог защиты по току можно регулировать R7.
На этом всё. Успехов. К.В.Ю.