Импульсный источник питания на микросхеме КР1033ЕУ10 (27В, 3А)

Схема простейшего варианта импульсного источника питания (ИИП), который питается от сети переменного напряжения 220В и выдает на выходе 27В при токе 3А. Основа данного импульсного блока питания - микросхема ШИМ-контроллер КР1033ЕУ10 (UC3842, KA3842).

Основные параметры ИИП:

• Интервал входного напряжения В................. 195...240;
• Номинальная частота преобразования, кГц ...............30;
• Выходное напряжение, В..........27;
• Номинальный ток нагрузки, А.......3;
• Амплитуда пульсаций выходного напряжения, В ...........0,1;
• КПД, % ........................92.

Принципиальяная схема

Источник сетевого напряжения, а также низкочастотный и высокочастотный сетевой фильтр выполнены аналогичнопрототипу [2] и особенностей не имеют, за исключением того, что элемент, ограничивающий бросок тока при включении ИИП, - терморезистор ИК1 с отрицательным ТКС.

При включении его сопротивление максимально, а затем по мере нагревания под воздействием тока потребляемого устройством, оно снижается. Это способствует защите сетевого диодного моста VD1 от повреждения в пусковом режиме Правда при быстром повторном включении эффективность подобной защиты невысока.

Делитель напряжения R1- R3 в цепи усилителя сигнала ошибки обеспечивает регулировку и стабилизацию выходного напряжения ИИП с помощью первичного контура регулирования.

Резистор ИR6 обеспечивает питание микросхемы в пусковом режиме, когда потребляемый ею ток не превышает 1 мА. После включения ИИП выпрямленное сетевое напряжение через ограничительный резистор R6 поступает на конденсатор С11 фильтра в цепи питания микросхемы.

Когда напряжение на конденсаторе достигнет порогового уровня перехода микросхемы в состояние “включено” (типовое значение - 16В), срабатывает компаратор и будет подано питание на все элементы ШИМ-контроллера после чего включается внутренний источник образцового напряжения, затем - генератор коммутирующих импульсов и выходной усилитель. ИИП переходит из пускового в рабочий режим, обеспечивая питание микросхемы от вспомогательной обмотки связи трансформатора через диод VD5. Потребляемый микросхемой ток возрастает до 11...17 мА.

Рис. 1. Принципиальная схема импульсного источника питания на 27В.

Если напряжение в сети понижается, постепенно будет уменьшаться выходное напряжение ИИП и напряжение питания микросхемы. Скорость снижения выходного напряжения в сотни раз меньше входного из-за стабилизации, однако наступит момент, когда напряжение питания микросхемы достигнет порогового уровня перехода в состояние "выключено" (типовое значение - 10 В).

В это мгновение сработает компаратор и питание от всех элементов контроллера отключится. Разность (6 В) между пороговыми уровнями включения и выключения микросхемы (гистерезис напряжения питания) необходима для предотвращения беспорядочной коммутации цепей питания в пусковом режиме.

Частоту следования коммутирующих импульсов (рабочую частоту преобразования в ИИП) определяют параметры цепи R5C8. Чтобы частота преобразования соответствовала расчетному значению f = 30 кГц, может потребоваться подбор номиналов частотозадающих элементов.

О том, как определить требуемые значения частотозадающих элементов для другой рабочей частоты, будет рассказано позже.

Особое внимание при конструировании описываемого варианта ИИП уделено обеспечению его шумовой устойчивости. В немалой степени общую устойчивость усилителя сигнала ошибки контроллера, а следовательно, и ИИП определяют параметры цепи компенсации R4С5.

Этой же цели служат следующие элементы: диод VD2, устраняющий выбросы отрицательного относительно общего провода питания микросхемы напряжения на спаде коммутирующих импульсов; стабилитрон VD3, ограничивающий “острые" выбросы положительного напряжения на фронтах коммутирующих импульсов, дроссель L2 и токоограничивающий резистор R7, препятствующие самовозбуждению коммутирующего транзистора на высокой частоте. Значительно повышают устойчивость усилителя керамические конденсаторы С9 и С10, подключенные непосредственно к выводам 7 и 8 микросхемы.

На датчике тока - резисторе R11 - формируются пилообразные импульсы напряжения для цепей регулирования и защиты, пиковое значение которых зависит от стокового тока коммутирующего транзистора. Амплитуда сигнала становится равной 1 В при токе стока 3,7 А. Этим достигается надежная защита транзистора от повреждения. Включенный параллельно резистору оксидный конденсатор С13 значительно ослабляет коммутационные помехи, предотвращая ложное срабатывание компаратора контроля тока.

Этой же цели служит конденсатор С7. Конденсатор С6 корректирует крутизну пилообразного напряжения на выводах 3 и 4 микросхемы, значительно ослабляя высокочастотные помехи что также обеспечивает требуемую стабильность контроллера.

Не менее эффективные меры требуются для снижения амплитуды помех, порождаемых в ИИП Очень большая роль в этом отводится электростатическому экрану, устанавливаемому на импульсном трансформаторе. Сильные помехи также излучает теплоотвод, на который устанавливают коммутирующий транзистор, если теплоотвод не соединить с общим проводом, а транзистор не изолировать от него слюдяной пластиной.

Значительные помехи порождают импульсные токи, протекающие в проводниках, подключенных к стоку коммутирующего транзистора и к выходной обмотке. С целью их ослабления в описываемом ИИП транзистор соединен с трансформатором коротким отрезком коаксиального кабеля, а печатный проводник, соединяющий выпрямительный диод и выходную обмотку, выбран минимальной длины и большого сечения.

Вполне очевиден тот немалый вклад в создание помех, который вносят коммутационные процессы, возникающие в момент включения и выключения транзистора. Наличие межэлектродной емкости сток-исток в полевом транзисторе, а также распределенной емкости и индуктивности рассеяния в обмотках трансформатора приводит в момент выключения транзистора к возникновению на его стоке вначале “острого” выброса значительного напряжения, а затем экспоненциально затухающего высокочастотного сигнала.

Частота заполнения этого сигнала, если не принимать специальных мер, определяется индуктивностью рассеяния трансформатора и межэлектродной емкостью транзистора. Демпферная цепь VD4R10C12, включенная параллельно накопительной обмотке трансформатора, подавляет свободные колебания в этом сигнале и “привязывает" выброс напряжения к сетевому источнику питания.

Обычно в обратноходовых преобразователях к стоку коммутирующего транзистора подключают относительно общего провода (истока) еще дополнительный конденсатор с последовательно-параллельно соединенным резистором и диодом или без них.

Эти элементы не только эффективно подавляют коммутационные процессы, но и способствуют уменьшению скорости нарастания напряжения на стоке транзистора в момент его выключения, препятствуя тем самым опасному рассеиванию мгновенной мощности на транзисторе и переводя сочетание максимального рабочего тока и максимального рабочего напряжения в область безопасных режимов работы. В описываемом ИИП эту функцию успешно выполняет дроссель L3.

Выпрямленное выходное напряжение подают в нагрузку через П-образный фильтр благодаря которому пульсации выходного напряжения снижаются до требуемого уровня.

Конденсатор С17 соединяет по высокой частоте выходные и входные цепи ИИП, эффективно ослабляя создаваемые помехи и значительно улучшая электромагнитную совместимость ИИП с устройствами, подключенными к цепям питания.

Детали иконструкция

Чертеж печатной платы ИИП показан на рис. 2 Изготовлена она из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм и в основном повторяет конструкцию прототипа [2]. Исключение составляют оставленные на плате большие участки со сплошной металлизацией, способствующие повышению помехоустойчивости устройства.

Рис. 2. Печатная плата импульсного источника питания.

В устройстве применены недефицитные детали и элементы. Конденсатор С1 - К73-17 на номинальное напряжение 630 В, С2, С3 - К15-5, С12 и С17 - К78-2 или К15-5 на номинальное напряжение не менее 1000 В. Оксидный конденсатор С4 -К50-32. Его допустимо заменить отечественным К50-35Б или импортным аналогом.

У конденсаторов С9 и С10 - КМ-5 - выводы укорачивают до оптимального минимума и подпаивают непосредственно к выводам 5, 7 и 8 микросхемы со стороны печатных проводников.

Оксидный конденсатор С13 - К53-14 или другой танталовый, конденсатор С11 - К50-35 Оксидные конденсаторы С14-С16 - импортные. Можно применить отечественные, но у них размеры несколько больше. Все остальные конденсаторы - любые керамические на номинальное напряжение не менее 50 В.

С. Косенко, г. Воронеж. Р2001, 7.