|
Источник питания (ИИП) предназначен для питания УМЗЧ на микросхеме TDA7294.
Основные технические характеристики:
Напряжение питающей сети, В 176...264
Выходное напряжение, В (при токе нагрузки, А):
каналы 1—2 2x35(3)
каналы 3—4 2x15(0,2)
Частота преобразования, кГц 66
Пульсации выходного напряжения, мВ, не более 3,5
КПД, %, не менее 85
Термистор RK1 уменьшает импульс тока в момент включения в сеть. Двухобмоточный дроссель L1 и конденсаторы С1—СЗ образуют сетевой помехоподавляющий фильтр, который предотвращает проникновение высокочастотных пульсаций, создаваемых преобразователем, в питающую сеть. Диодный мост VD1 выпрямляет напряжение сети, а конденсатор С4 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения.
Преобразователь напряжения — обратноходовой на основе микросхемы DA1 (TOP249Y) и импульсного трансформатора Т1. Элементы R1R2RU1R5 обеспечивают контроль напряжения сети микросхемой DA1. Элементы VD3VD4R6R7C7 — демпфирующая цепь, которая подавляет импульсы напряжения, возникающие на сетевой обмотке I трансформатора Т1. Обмотка II — обратной связи. Обмотки III и IV — выходные, соответственно каналов 3—4 и 1—2. Диоды VD9—VD12 выпрямляют напряжение 2x35В каналов 1 —2, диоды VD7 и VD8 — напряжение 2x15В каналов 3—4. Элементы L2—L4, С11—С14, С17—С20 образуют фильтры, подавляющие пульсации и препятствующие проникновению помех в УМЗЧ. Узел на микросхеме DA2, резисторах R9—R14, конденсаторах С15, С16 совместно с оптроном U1 и элементами R3R4C5C6 формирует обратную связь для стабилизации выходного напряжения +35 В.
Расчет импульсного трансформатора Т1 производился с помощью программы PIExpert 5.0: магнитопровод — ER49/27/17 с немагнитным зазором 1,5 мм на центральном стержне; обмотка I — 42 витка, III.1, III.2 — по 5 витков,
IV.1, IV.2 — по 11 витков, обмотка II — 4 витка. Для первичной обмотки трансформатора с помощью этой программы выбран провод с наружным диаметром 0,98 мм (по меди — 0,93 мм, при этом плотность тока в номинальном режиме (эффективное значение тока — 2 А) не превышает 4 А/мм2. Однако для уменьшения потерь программа рекомендует использовать вместо одного несколько параллельных проводов диаметром не более 0,4 мм. Обмотка V по программе не рассчитывалась.
В данном случае такая рекомендация — слишком общая. Программа не учитывает, что для преобразователя выбрана не основная рабочая частота 132, а вдвое меньшая — 66 кГц, поэтому максимальный диаметр объединяемых в жгут проводов можно увеличить. Выбирать диаметр одинарного провода, из которого изготавливают жгут, в зависимости от рабочей частоты специалисты фирмы Power Integrations рекомендуют с помощью графика, но на нем частотная шкала — логарифмическая, а диаметр провода указан по стандарту AWG, что затрудняет пользование графиком. Аналогичный более удобный график представлен на рисунке. Из него видно, что на частоте 66 кГц рекомендуемый диаметр провода — не более 0,52 мм.
При эффективном значении тока в обмотке 2А желательно использовать три провода диаметром 0,47 мм. Из-за отсутствия последнего использованы два провода диаметром 0,59 мм, что привело к несущественному увеличению плотности тока в обмотке относительно исходного значения 4А/мм2. Практическая проверка показала, что трансформатор нагревается не больше, чем рассчитано программой.
Аналогично рассчитаем диаметр провода вторичных обмоток. Для источника 2x35В в номинальном режиме (Iнагр=3 А) эффективное значение тока в обмотке — 4,53А. Для имеющегося у автора провода ПЭВ-2 0,44 при ранее выбранной максимальной плотности тока 4А/мм2 один проводник способен обеспечить протекание 0,61 А, требуемое число проводников в обмотке должно быть не менее 4,53/0,61=7,42, которое округляем до 8. Для источника 2* 15 В из соображений унификации проводов можно использовать одинарный ПЭВ-2 0,44.
В результате измерения коэффициента индуктивности магнитопровода сделан вывод, что для требуемой индуктивности 365 мкГн достаточно 40 витков первичной обмотки. Число витков других обмоток осталось прежним.
Следует отметить, что программа PIExpert 5.0 оставляет без внимания расчет вспомогательных элементов. Особого внимания заслуживает выбор элементов в цепи проверки напряжения сети. В этих цепях программа рекомендует использовать резистор сопротивлением 4,2 МОм, соединяющий сетевой выпрямитель и вход L микросхемы DA1. С таким резистором ИИП будет отключаться при снижении переменного напряжения сети менее 175В. На схеме защитный резистор составлен из двух последовательно соединенных R1 и R2. Один резистор использовать нежелательно, так как по техническим условиям напряжение на нем не должно превышать 200 В, а оно достигает 380 В. Недостатком такой контрольной цепи, как сообщает программа, является слишком высокий порог отключения при увеличении сетевого напряжения — более 700 В! В техническом описании top242-250.pdf отсутствуют рекомендации по устранению этого недостатка. Автор усовершенствовал защитную цепь, подключив варистор RU1 параллельно резистору R1R2. Добавлены стабилитрон VD2 как вспомогательный токоприемник и резистор R5, который распределяет ток между стабилитроном и входом L микросхемы DA1. Благодаря применению варистора верхний порог отключения не превышает 380В.
Конструкция и детали.
Диодный мост BR66 (максимальный ток — 6 А, обратное напряжение—600В), сетевой фильтр L1C1C2C3 и теплоотводы для диодов VD9—VD12 использованы из компьютерного блока питания мощностью 250 Вт. Также от него использованы вентилятор и стальной корпус, эффективно экранирующий помехи. Больше всех нагреваются элементы RK1, R6, R7, DA1, VD9—VD12. Технические условия позволяют эксплуатировать их при температуре гораздо большей, чем устанавливающаяся в блоке без вентиляции (около 90 С), но надежность при этом снижается. Поэтому решено использовать принудительное охлаждение с помощью вентилятора М1, снизив его напряжение питания с 12 до 9,5 В. В этом случае шум существенно меньше при сохранении высокой эффективности охлаждения.
Печатную плату устройства, устанавливают внутри корпуса взамен исходной нештатные посадочные места.
Розетку для подключения сетевого кабеля видеомонитора из корпуса удаляют, на ее месте монтируют выключатель питания SA1.
Дроссели L2, L3 — промышленного изготовления: высокочастотные малогабаритные серии ДМ-0,6. Дроссель L4 —
ДФ2 на магнитопроводе Ш8*8 из феррита 2000НМ1 с немагнитным зазором 1,8 мм на боковых стержнях, имеет две обмотки по 24 витка провода ПЭВ-2 1,2 индуктивностью по 25 мкГн, заключен в короткозамкнутый бандаж из медной фольги. У этого дросселя отсутствует магнитное насыщение при токе до 15А.
При изготовлении импульсного трансформатора Т1 вначале наматывают первую секцию первичной обмотки (I.1) из 20 витков сдвоенного провода ПЭВ-2 0,59 и изолируют ее несколькими слоями лакоткани. Затем наматывают 11 витков основной вторичной обмотки (IV), состоящей из 16 свитых в жгут проводов ПЭВ-2 0,44. Эту обмотку также размещают в одном слое, как и секцию предыдущей. После изоляции наматывают "вразрядку", располагая по всей ширине каркаса, 5 витков из трех проводов (2хПЭВ-2 0,44 и один — МГТФ) оставшихся вторичных обмоток (II и III). МГТФ используют для обмотки II обратной связи, причем, как показали испытания, увеличение ее выходного напряжения с 12 до 15 В не только не критично, но более благоприятно для улучшения регулировочных характеристик блока питания. Снова уложив несколько слоев изоляции, продолжают намотку второй секции первичной обмотки (I.2) — 20 витков сдвоенного провода ПЭВ-2 0,59. Наложив слой изоляции, наматывают обмотку (V) — 4 витка провода ПЭВ-2 диаметром 0,44 мм, предназначенную для питания вентилятора М1. Наконец, изолируют обмотки, собирают и склеивают половины магнитопровода, фиксируют на нем каркас прокладками из картона, монтируют короткозамкнутый экран из медной фольги. Затем готовый трансформатор герметизируют, погрузив выводами вверх на один час в сосуд с электроизоляционным лаком. Такая операция поможет также избежать возникновения акустических шумов, издаваемых негерметизированным и незафиксированным каркасом в режиме максимальной мощности. На заключительном этапе изготовления трансформатора выводы секций первичной обмотки соединяют пайкой на неиспользуемом выводе 4. Этот вывод укорачивают и в печатную плату не впаивают.
Диоды VD9—VD12 попарно крепят на одном теплоотводе, электрически соединенном с общим проводом через монтажные винты-саморезы, через слюдяную подложку с применением теплопроводящей пасты.
Аноды диодов VD9VD10 и катоды VD11VD12 объединены и попарно вставлены в соответствующие отверстия платы. Подходящие к ним, а также к дросселю НЧ фильтра печатные проводники утолщают припоем. Другие выводы диодов объединяют навесным способом и удлиняют отрезками провода ПЭВ-2 1,8, которые также припаивают к соответствующим печатным проводникам.
Микросхема DA1 установлена на игольчатом теплоотводе размерами 52x80x16 мм, который фиксируют с помощью уголковых стоек на расстоянии 6 мм от печатной платы над элементами цепи контроля напряжения сети. При этом выводы DA1 не требуется ни удлинять, ни укорачивать.
Микросхему крепят к теплоотводу с применением теплопроводящей пасты без электрической изоляции. Фланец микросхемы DA1 и ее теплоотвод соединены с общим высоковольтным проводом питания, гальванически связанным с сетью, что следует иметь в виду при налаживании устройства. Внутреннюю поверхность корпуса устройства со стороны теплоотвода, а также под печатной платой оклеивают лакотканью.
Конденсаторы С1—СЗ, С7, С10 — пленочные или керамические с номинальным напряжением не менее 1 кВ, С8, C15, C16 — не менее 50 В. Остальные конденсаторы (оксидные) должны иметь емкость и номинальное напряжение не меньше указанных на схеме. Рассчитанная программой емкость сглаживающего конденсатора сетевого выпрямителя C4 — не менее 220 мкФ Измеренная емкость импортных оксидных конденсаторов часто бывает меньше номинальной. Поэтому применен конденсатор с номинальной емкостью 330 мкФ и номинальным напряжением 400 В фирмы Samsung. Его измеренная емкость оказалась на 10 % меньше.
Постоянные резисторы — МЛТ или С2-33 указанной на схеме мощности. Подстроечный резистор R10 — СПЗ-19а. Варистор RU1 TVR10391 может быть заменен аналогичным S10K250. Терморезистор RK1 — SCK105. При его отсутствии допустимо применить широко используемый в компьютерных блоках питания SCK103, но он будет работать менее надежно.
TVS-диод 1,5КЕ200 (VD3) может быть заменен на 1N6303 или Р6КЕ200. Демпфирующий диод UF5408 (VD4) — заменен на КД257Д или FR207. Диод 1N4148 (VD5) можно заменить на КД521А.
Оптрон U1 должен быть с составным фототранзистором. AOT127А можно заменить зарубежным 4N33. Микросхема DA2 КР142ЕН19А заменима импортным аналогом TL431 с любым буквенным индексом.
Разъем ХР1 — трехконтактная сетевая вилка. Нижний по схеме вывод — заземляющий контакт.
Налаживание.
До установки на плату микросхемы TOP249Y желательно убедиться в исправности использованных элементов и отсутствии ошибок монтажа. Движок подстроечного резистора R10 должен находиться в нижнем по схеме положении. Затем между контактными площадками выводов 2 и 3 микросхемы DA1 через миллиамперметр (1-10 мА) присоединяют маломощный стабилитрон на 5,6 В (анодом к выводу 3). На конденсатор C8 подают напряжение +15 В (плюс — к верхнему по схеме выводу). Другой источник напряжения +35 В подключают к верхнему по схеме выводу резистора R9 относительно вывода 2 микросхемы DA2. Плавно перемещая движок подстроечного резистора R10 вверх по схеме, наблюдают за стрелкой миллиамперметра, и как только она придет в движение, регулировку прекращают.
Затем между контактными площадками выводов 2 и 3 микросхемы DA1 включают микроамперметр. Включают ИИП в сеть через ЛАТР, выходное напряжение которого увеличивают от 175 до 275 В. Ток, измеренный микроамперметром, должен возрасти от 50 до 200 мкА, что и требуется по техническим условиям на микросхему TOP249Y В противном случае выбирают другой экземпляр варистора.
На следующем этапе отключают лабораторные источники и измерители тока, после чего устанавливают микросхему DA1 к выходам 2x15 В подключают маломощные лампы накаливания, индицирующие включение устройства, а к выходам 2x35 В через амперметр на 5 А — регулируемую нагрузку сопротивлением 40...50 Ом с рассеиваемой мощностью не менее 250 Вт. Автор использовал для этого четыре проволочных реостата по 12 Ом. Порог срабатывания защиты от токовой перегрузки должен быть в пределах 3,5...4 А (в авторском экземпляре — 3,8 А).
Стабильность выходного напряжения определяется сопротивлением резистора R14. В авторском варианте (750 Ом) выходное напряжение 35 В поддерживается с точностью до 0,05 В при всех допустимых изменениях входного напряжения и тока нагрузки. При увеличении его сопротивления до 1 кОм выходное напряжение возрастает на 0,3 В при максимальной нагрузке и минимальном входном напряжении. Если сопротивление резистора R14 снизить до 560 Ом, выходное напряжение будет меньше на 0,3 В при тех же условиях.
Полученные результаты подтверждают высокие характеристики микросхемы TOP249Y, но при проектировании блоков питания на ее основе следует учесть, что в момент включения на входе УМЗЧ не должно быть звукового сигнала, в противном случае возможно срабатывание токовой защиты.
С.Косенко Радио№7,2006
|
