Импульсный источник питания на однопереходном транзисторе

Низкочастотные источники питания на силовых трансформаторах, ввиду больших габаритов и массы, а также низкого КПД повсеместно вытесняются импульсными. Разработка мощных высокочастотных транзисторов и импульсных трансформаторов на ферритовых сердечниках позволяет передавать энергию в нагрузку на частотах, соизмеримых с длиной радиоволн, и довести массогабаритные показатели таких источников до минимальных величин.

Предлагаемый источник предназначен для питания мощной аппаратуры и зарядки автомобильных аккумуляторов. Источник построен на базе однотактного преобразователя, в состав которого входят задающий генератор на однопереходном транзисторе и блокинг-генератор на мощном биполярном транзисторе. Принцип работы источника основан на 3-кратном преобразовании напряжения. Переменное напряжение электросети выпрямляется (преобразуется в постоянное высоковольтное) и подается на ключевой преобразователь. Высокочастотный ключ с трансформатором преобразует постоянное напряжение в импульсное низковольтное. Последнее выпрямляется и подается на нагрузку.

В обратноходовых преобразователях (инверторах) [1] в период замкнутого состояния транзисторного ключа идет накопление энергии в трансформаторе, а передача ее в нагрузку происходит при разомкнутом ключе. В таких инверторах однополярное намагничивание трансформатора приводит к остаточной намагниченности ферритового сердечника, и для ее уменьшения обязательно необходим немагнитный зазор в магнитопроводе.

Энергия, запасенная в трансформаторе за время коммутирующего импульса, не всегда успевает рассеяться за время паузы, что может привести к насыщению трансформатора и потере сердечником магнитных свойств. Для устранения этого эффекта первичная цепь трансформатора шунтируется быстродействующим диодом с резистивной нагрузкой.

Характеристики источника
Напряжение сети, В                                                                            220
Вторичное напряжение, В                                                                  13,8
Максимальный выходной ток, А                                                       10
Потребляемая мощность, Вт                                                               160
Частота преобразования, кГц                                                             23
Емкость заряжаемого аккумулятора, А-час                                        24…120

Схема источника приведена на рис.1. Коммутационные помехи в импульсных источниках питания возникают из-за переключающего режима работы мощных регулирующих элементов. Для защиты сети и преобразователя от импульсных помех установлен сетевой фильтр на двухобмоточном дросселе Т2 с конденсаторами С7, С8, С10 для подавления нессиметричных помех.

Ограничение зарядного тока конденсатора фильтра С4 выполнено на позисторе Rt1, сопротивление которого падает с повышением его температуры. Импульсные помехи преобразователя, возникающие в моменты переключения ключевого транзистора VT2 и трансформатора Т1, устраняются параллельными RC-цепями VD2-C5-R11 и C6-R13, помехи в цепи нагрузки подавляются дросселем L1. Длительность пауз между импульсами выходного тока при этом незначительно увеличивается, но не ухудшает преобразование. Формирователь импульсов запуска инвертора выполнен на однопереходном транзисторе VT1. Напряжение питания VT1 стабилизировано диодом VD1. Зарядное напряжение на конденсаторе С1 периодически открывает VT1 и создает на резисторе R4 последовательность импульсов с частотой, определяемой номиналами R1, R2 и С1. Конденсатор С2 ускоряет переходный процесс переключения транзистора VT1.

При подаче питания постоянное напряжение (выпрямленное диодным мостом VD4) с конденсатора фильтра С4 через обмотку 1 трансформатора Т1 поступает на коллектор транзистора VT2, на котором собран блокинг-генератор. Протекание коллекторного тока через обмотку 1 Т1 сопровождается накоплением энергии в магнитном поле сердечника. Импульсное напряжение с резистора R4 открывает транзистор VT2 на несколько микросекунд, ток коллектора VT2 в это время возрастает до 3…4 А. После окончания положительного импульса ток коллектора прекращается.

Прекращение тока вызывает появление в катушках трансформатора ЭДС самоиндукции, которая создает в обмотке 3 импульсное напряжение. Диод VD5 с конденсатором С9 выпрямляют и фильтруют это напряжение, которое через дроссель L1 подается на нагрузку.

Импульсное напряжение с обмотки 2 Т1 через резисторы R5, R9, R14 поступает на базу транзистора VT2, и схема переходит в режим автоколебаний. Конденсатор СЗ поддерживает устойчивость работы блокинг-генератора.

Стабилизация выходного напряжения выполняется оптопарой VU1, обеспечивающей гальваническую развязку высоковольтных и выходных низковольтных цепей. Повышение напряжения нагрузки, например, за счет увеличения ее сопротивления, приводит к включению светодиода оптопары VU1, фотодиод которой открывается и шунтирует сигнал с обмотки 2 Т2. Импульсное напряжение на базе VT2 снижается, соответственно, уменьшается время его открытого состояния. Длительность положительных импульсов на обмотке 3 Т1 также уменьшается, что вызывает снижение выходного напряжения (и зарядного тока аккумулятора GB1). При уменьшении напряжения нагрузки описанный процесс происходит наоборот.

В случае токовой перегрузки транзистора VT2 увеличивается импульсное напряжение на резисторе R12 в цепи его эммитера. Тогда открывается параллельный стабилизатор напряжения DA1 и шунтирует базовое напряжение VT2. Тем самым также уменьшается длительность его открытого состояния (вплоть до срыва автоколебаний). Величина тока отсечки транзистора VT2 корректируется резистором R10. После устранения перегрузки происходит повторный запуск блокинг-генератора от формирователя импульсов на VT1.

Выбор высокочастотного трансформатора зависит от мощности нагрузки. Мощность трансформатора напрямую зависит от частоты автогенератора и марки феррита. При увеличении частоты в 10 раз мощность трансформатора увеличивается почти в 4 раза. Ввиду сложности самостоятельного изготовления импульсного трансформатора в устройстве использован трансформатор от устаревшего монитора. Подойдут трансформаторы и от телевизоров. Для ориентировки приводим примерные данные трансформатора Т1. Сердечник — Б26М1000 с зазором в центральном стержне. Обмотка 1 содержит 56 витков провода ПЭВ-2 ∅0,51 мм, обмотка 2—4 витка ∅0,18 мм, обмотка 3 —14 витков жгутом из 3-х проводов ∅0,31 мм.

Устройство собрано на печатной плате размерами 115×65 мм (рис.2). Перемычки расположены со стороны радиокомпонентов. Радиатор ключевого транзистора VT2 использован от процессора компьютера. Для лучшего охлаждения можно применить вентилятор от компьютерного блока питания, подключив его к выходу источника через резистор сопротивлением 33…56 Ом- Типы используемых элементов приведены в табл.1, возможная замена транзисторов преобразователя — в табл.2.


Наладку собранной схемы начинают с тщательной проверки платы. В разрыв сетевого провода включают лампочку 220 В любой мощности, вместо нагрузки — автомобильную лампочку (12 В, 20 свечей). При неисправных деталях и ошибках в монтаже сетевая лампочка горит ярким светом, а автомобильная не горит. Если схема исправна, сетевая лампочка не горит или горит слабым накалом, а автомобильная — ярко. Яркость лампочки в нагрузке (выходное напряжение) можно регулировать резистором R1. Порог срабатывания защиты от перегрузки по току устанавливается резистором R10, стабилизация напряжения (при максимальной нагрузке) регулируется резистором R5. Подбором R15 (при необходимости) корректируется ток светодиода оптопары VU1 в пределах 5…6 мА.

При наличии осциллографа удобно сначала проверить работу генератора на транзисторе VT1, подав на инвертор напряжение питания 30.. .50 В от лабораторного источника. Частоту генератора можно изменить резистором R1 или конденсатором С1.

При слабой обратной связи (велико сопротивление R5) или неверном подключении обмотки 2 Т1 блокинг-генератор на VT2 может отключаться от кратковременной перегрузки и повторно не запускаться.