Джерела харчування завжди були однією з найважливіших частин майбутнього устрою. Надійне джерело живлення - запорука надійної та правильної роботи будь-якого приладу. Але так як ми живемо в часи, коли мідь достатньо не дешева, звичайні трансформатори досить труднодоставаеми та й заради габаритів пристрою не всі готові жертвувати своїм особистим простором - наші погляди все частіше і частіше спрямовуються до імпульсних джерел живлення (далі ПІП). Вони істотно менше, ніж їх 50-герцние брати, майже у всіх випадках дешевше, зручно вбудовуються при проектуванні на плату майбутнього приладу. Загалом одні гідності. З недоліків лише - більш складні у виготовленні (зовсім не недолік для досвідченого радіоаматора) і не дуже-то придатні для звукових пристроїв і точних вимірювальних приладів. А ось для паяльної станції, проект якої я недавно викладав - самий раз. Початківці можуть здорово потренуватися - там вимоги до якості харчування мінімальні. Ну і звичайно ж не подумайте що це блок живлення конкретно для моєї станції. Ні це досить універсальна схема, яку досить просто перерахувати на менші / більші вольти потужністю в 40-60W

Схема побудована на одній з родоначальниць жанру "flyback" - UC3842. Так би мовити, класика жанру і все велосипеди в цій області вже давним-давно вигадані. Я лише хочу звернути вашу увагу виключно на практичні аспекти та особистий досвід складання подібних блоків живлення. Перед вами джерело живлення зібраний по обратноходового топології, тобто спочатку ми "накачуємо" енергію в трансформатор, а під час коли ключ VT1 закритий - забираємо її звідти. Схема в цілому типова і матиме цінність в основному для початківців як приклад і опису що, чого і для чого.

Тепер розберемо вузли схеми:
1. Випрямляч / фільтр 220 в.
Запобіжник F1 - звичайний скляний, на ток 2A. Чи врятує від пожежі, але не більше того. Терморезистор можна в принципі і не ставити, для конденсатора 47-68мкф стартовий кидок струму не так і великий. Фільтр застосований з дохлого ATX блоку живлення. Якщо хочете - можете намотати. Індуктивність 5-10мГн. Конденсатор С12 в парі з tr2 не пропускає перешкоди з блоку живлення в мережу, конденсатор С11 + TR2 - перешкоди з мережі в блок живлення. Конденсатори застосовані MKP x2 з відміткою 250-275 вольт змінного напруги. Відмовлятися від цього вузла (C11 + C12 + TR2) як це робить половина китайців в своїх блоках харчування - вкрай небажано. Діодний міст може бути мостом, а може бути і чотирма діодами на 600v 2A - дивіться самі. С9 - ще один фільтр, але менш обов'язковий, ніж С11 С12, якщо немає в наявності або не влазять на плату - точно можна не ставити. Електролітичний конденсатор C10 - річ основоположна і обов'язкова (див. Таблицю).
2. Снаббер або ланцюжок придушення викидів.
У момент коли ключ VT1 закритий і відбувається "відбір" енергії з трансформатора на обмотці 1 TR1 утворюється високовольтний викид. Природою його є індуктивна сутність TR1. Ланцюжок VD1 C1 R2 (див. Таблицю) потрібна щоб обмежити його до безпечного для ключа VT1 рівня. Діод повинен бути обов'язково з сімейства швидкодіючих на струм не менше 1A і напругою 1000 В, при відсутності високовольтних конденсаторів - ланцюжок С1R2 можна сміливо замінити на сапрессор (Transient Voltage Suppressor) P6KE200A включений анодом до + напруги харчування і катодом до катодуVD1. Саппрессор це щось типу дуже потужного стабилитрона, захочете самі почитаєте.
3. Ланцюги харчування мікросхеми.
UC3842 це досить старенький, але знаменитий ШІМ контролер. Основні параметри будь-якого ШІМ контролера приблизно такі:
- наявність або відсутність силового ключа всередині мікросхеми (у нас його немає - схема складніше, але здорово гнучкіше).
- частота перетворення - буває фіксована, буває регульована (в нашому випадку регулюється до 500khz)
- коефіцієнт заповнення - якщо взяти за повний робочий цикл "закрили - відкрили транзистор", то це буде значення в процентах скільки може бути відкритим транзистор по відношенню до всього циклу (в нашому випадку 100%)
- максимальна напруга живлення - хоч це і джерело живлення, але "безкоштовно" він працювати не буде, його теж треба чимось годувати згідно його параметрам (в нашому випадку 30в)
- мінімальна напруга живлення при якому ще гарантується робота ШІМ. Цей параметр потрібно враховувати при розрахунку ланцюгів захисту від КЗ, саме за цією ознакою UC3842 визначає КЗ в навантаженні. У нашому випадку це 10в.
- напруга старту. Те напруга, при якому ШІМ переходить в робочий режим. У нашому випадку 16в.
Як бачите з вищесказаних трьох пунктів напругою живлення мало б сенс вибрати 18-20в, це ми і зробимо під час намотування трансформатора. Що стосується нашої схеми - R6 потрібен щоб зарядити С4 до 16 вольт і запустити ШІМ. Далі схема харчується від обмотки 2 TR1. Діод VD2 малопотужний імпульсний - 1N4148 самий раз. R16 обмежує струм заряду С4. На нормальну роботу не відбивається, а ось при КЗ - знизить кількість спроб в секунду запуститися, тим самим знизить нагрівання ключового транзистора при аварії. При проектуванні плати С3 бажано розташовувати ближче до ніг харчування мікросхеми а С4 подалі від радіаторів, тому як саме конденсатор еквівалентний нашому С4 і є ахіллесова п'ята всіх ПІП. При його висиханні як мінімум блок живлення перестає працювати, ну а як максимум самі розумієте ...
4. Силовий ключ.
Застосуємо будь N-канальний MOSFET транзистор в зручному для вас корпусі з допустимою напругою 600 (а краще 700-800в) і струмом 4-8А. Наприклад STP5NK80Z, 2SK2605, SSP10N60 і т.п .... При проектуванні бажано мінімізувати по довжині доріжки з'єднують стік, витік, R1 і бажано обійтися без "викрутасів" пов'язаних з провідниками з'єднують ланцюг затвора і мікросхеми. Особливу увагу доріжці між стоком ключа і трансформатором. Це одночасно місце протікання самого великого струму і виникнення найбільшого напруження (500-600в). R1 - токоогранічительний, може бути номіналом 0.1-0.33 ома. R3 потрібен для закриття ключа в разі обриву провідників з мікросхемою. VD3 захистить ключ VT1 від пробою мікросхеми, R4 мікросхему від пробою ключа. На практиці - горять парами, вкрай рідкісний випадок, коли при пробої ключа виживає UC3842, на жаль. R5C2 - фактично RC фільтр для підсилювача обмеження струму.
5. Інша обв'язування мікросхеми.
UC3842 містить в собі вбудований джерело опорної напруги (ДОН). 5 вольт на 8-й ніжці. Він використовується як для времязадающей ланцюжка R7C6 (див. Таблицю) так і для формування зворотного зв'язку OC1, R9, R10. Власне 4 ніжка це RC генератор, на ній можна побачити пилкоподібна напруга і виміряти частоту майбутнього Інституту історії партії. 2 ніжка це власне вхід підсилювача помилки, т.е.от напруги на ній залежить шпаруватість ШІМ регулювання. Ланцюжок R8C7 - зворотний зв'язок підсилювача помилки.
6. Випрямляч 24в.
Діод VD4 - що небудь з (ультра) швидкодіючих, напругою не менше 150-200в і струмом 6-10А. Чому запитаєте 150в? Бо є таке поняття, як відбите напруга. А напруга випрямного діода, яке ніяк не може бути менше відбитого, розраховується (грубо) як випрямляти напругу помножене на коефіцієнт трансформації трансформатора (на практиці 4-7), тобто 24 * 6 = 144 вольта. Хочете докладніше - читайте теорію. Конденсатор С13 - плівковий, С14, С15 - бажано нізкоімпедансние і не менш бажано 105-ти градусні. Дросель підійде номіналом 2-10 мікрогенрі, розрахований на струм не менше 3А. R11 потрібен для створення мінімального навантаження. Без нього звичайно не вибухне, але свистіти буде дай боже. При проектуванні плати всі силові доріжки зробити максимально товстими, а також особливу увагу звернути на ділянку - обмотка 3 TR1 - VD4 - C13 - C14 - земля. Ці доріжки повинні бути ще й максимально короткими - інакше не бачити нам високого ККД. Відведення на схему зворотного зв'язку (TL431, оптрон ...) слід брати безпосередньо з С14, навіть якщо здається що з іншого місця тягнути доріжку зручніше.
7. Зворотній зв'язок.
Класична схема з використанням TL431. R14 обмежить струм через оптрон, дільник R13 R12 задає (в певних межах напругу на виході). Похибки в намотуванні трансформатора зазвичай без наслідків виправляються підбором одного з цих резисторів до необхідного напруги. Працює схема приблизно так: при зменшенні на виході напруги зменшується струм через світлодіод оптрона, а отже зменшується струм через транзистор оптрона. Так як колектор оптрона підключений до ІОН 5в UC3842 - то напруга на вході підсилювача помилки (2 ніжка мікросхеми) зменшується, відповідно шпаруватість імпульсів збільшується і напруга на виході зростає до рівня, який обмежує TL431, значення якого задають те саме співвідношення резисторів R12 R13.Так і відбувається стабілізація
8. Трансформатор.
Ось тут я і підійшов до найголовнішого і мабуть складного. Імпульсний трансформатор з потрібними нам параметрами це індуктивність яка має масу характеристик взаємопов'язаних між собою. Наприклад від матеріалу фериту залежать частотні, а отже і теплові характеристики. Первинну обмотку наприклад можна порахувати один раз для всіх випадків, щоб потім тільки перераховувати вторинну залежно від потрібних нам вольт, так як від цього залежить коефіцієнт трансформації, який впливає на відбите напруга, який мав би бути дуже великим, так як ускладнить підбір випрямних діодів і ключового транзистора. Індуктивність на один виток різна у різних типорозмірів і матеріалів фериту. І т.д…. і т.п ... Власне це тема для дисертації а не для окремо взятої радіоаматорського статті. На практиці досить знань деякої кількості формул і / або використання програм для розрахунку. Я користуюся всім потроху, з програм використовую Viper Design Software і Power Integrations Expert Suite. Перша більш гнучка і універсальна і якщо закрити очі на те яку мікросхему ми насправді будемо використовувати і підсунути програмі її дані (частота, потужність і т.д ...), то зовсім необов'язково збирати на Viper'aх. Тепер власне довгоочікувана таблиця з номіналами деталей для різних частот перетворення.

Частота40кГц60кГц100кГц

R7 (зад.генератор)

43k

27k

18k

С10

100.0 x 400v

100.0 x 400v

100.0 x 400v

R2 (снаббер)

20k

20k

20k

C1 (снаббер)

7n5

5n6

3n3

Типорозмір фериту

EE32

EE32

EE25

матеріал фериту

N27

N67, N87

N87

Обмотка 1, L

812uH

535uH

315uH

Обмотка 1, витки

72 витка, 0.41мм

52 витка, 0.41мм

52 витка, 0.41мм

Обмотка 3, витки

18 витків 2 x 0.65мм

13 витків, 3 x 0.55мм

13 витків, 3 x 0.4мм

Обмотка 2, витки

15 витків, 0.18мм

11 витків, 0.18мм

11 витків, 0.18мм

повітряний зазор

0.8 мм

0.6 мм

0.7 мм

Як ви бачите, чим вище частота, тим менше розмір трансформатора і кількість витків але і вище вимоги до якості фериту а також до ключового транзистора і випрямного діода. На мій погляд оптимальна частота 60кГц. Відразу хочу обмовитися, що якщо при складанні ви будете купувати феррит в магазині однозначно слід віддати перевагу марці N87 або її аналогам інших виробників CF138, CF139, P3, P4, 3F3 як найбільш високочастотний і з меншими втратами. Це дуже полегшить тепловий режим в подальшому. Якщо марка вам невідома, так як ферит здобутий з старого раздолбаной AT / ATX блоку живлення - настійно рекомендую взяти його як N27 і обмежитися частотою в 40кГц. Тепер про намотуванні трансформатора.

1. Імпульсний трансформатор в обратноходового перетворювачі - штука фазозавісімая і первинна обмотка повинна бути включена в протифазі з вторинними (а обмотка 3 в нашому випадку теж вторинна). Тому для більшої ясності на схемі кружечками відзначені початку обмоток. При намотуванні фазировка виглядає як початок і кінець обмотки з огляду на те, що всі обмотки ви мотатися в одному напрямку, тобто якщо припустити, що каркас нерухомий і ми дивимося на нього з торця, все обмотки мотаються або за годинниковою, або проти годинникової стрілки, а механічне початок або кінець обмотки з'єднуються з відповідними висновками трансформаторів.

2. На трансформаторах типорозмірів EE20 і вище - первинну обмотку як правило секціонуючою - ділять на дві частини і мотають трансформатор в такому порядку - перша половина -первинна обмотки -> вторинна обмотка .... вторинна обмотка -> друга половина первинної обмотки. Так трансформатор буде працювати ефективніше, але тут головне не заплутатися з фазіровкой обмоток - кінець першої полуобмоткі з'єднують з початком другої, кінець другої полуобмоткі є кінцем первинної обмотки, початок першої - початком.

3. На високих частотах (а навіть 40кГц це досить висока частота) починає проявлятися скін-ефект. Це коли струм тече по поверхні мідного дроту не проникаючи всередину. Щоб довго не вдаватися в подробиці скажу що застосування дроти в намотуванні таких трансформаторів товщі, ніж 0.4-0.45 мм безглуздо. Для того щоб отримати перетин еквівалентну 1.2мм доводиться мотати впараллель трьома проводами по 0.4мм (див. Таблицю). Буржуї ще для намотування сільноточних низьковольтних обмоток іноді використовують мідну стрічку.

4. При намотуванні трансформатора слід застосовувати заходи по хорошій ізоляції обмоток один від одного. З цього приводу теж є маса літератури, а мій особистий рецепт такий - після намотування обмотки - промазують її шелаком і запікаю до утворення бульбашки паяльною станцією прогрітій до 130-140С. Далі йде шар тефлону (біла стрічка) з арсеналу сантехніків і шар каптоновому стрічки - вона добре витримує високу температуру і хороший ізолятор. Вторинну обмотку бажано мотати з невеликим відступом від краю, щоб уникнути подальшого замикання з первинної при інтенсивному нагріванні.

5. На жаль але для збірки обратноходового блоку живлення категорично необхідний вимірювач індуктивності. Навіть якщо у вас є ферит з достовірно відомими всіма параметрами і відомим вам повітряним зазором, ви правильно все це ввели в програму, правильно порахували і все правильно намотали - все одно перед початком експлуатації було б непогано знати яку індуктивність має первинна обмотка - основоположний параметр, не витримавши який шанси на нормальну роботу пристрою РІЗКО зменшуються. А на практиці це і зовсім виглядає як намотування каркаса з витками плюс мінус пів-кілометра (в розумних межах) і подальшим приведенням індуктивності до номіналу шляхом зміни зазору шляхом підкладання різних немагнітних перешкод (папір, електрокартон, мідний дріт). Розрахункова індуктивність і введення повітряного зазору покликані для того, щоб обмежити струм в межах розрахункового і не загнати феррит в насичення з усіма наслідками, що випливають з цього неприємностями. Це також тема скоріше теоретична, ніж практична, тому більш зупинятися на ній не буду.

Зазвичай після підбору зазору я закріплюють половинки фериту нейлонової стяжкою, потім прихоплюють на стиках ФЕРИТ суперклеєм, після того як він висох - видаляю стяжку і промазують в місцях з'єднання каркаса з ферритом якимось більш пластичним клеєм. Намотані і склеєних таким методом трансформатори досить тихі і надійні. Наприклад автомат управління вуличним освітленням, паяльна станція, блок живлення ADSL модему і термометр на різного розміру саморобних трансформаторах працюють у мене дуже інтенсивно вже близько двох років і явно пережили і ще переживуть багато своїх китайських побратимів.

Перший запуск.
Ось начебто як і всі. Блок живлення зібраний, трансформатор намотаний і відповідає параметрам. Монтаж виконаний зі свідомо справних деталей і безпомилкова. Запускати перший раз все ж варто через лампу - але не бійтеся якщо ви врахували всі вищевказані рекомендації - все вийде. При першому включенні ви повинні отримати напруга близьке до розрахункового, точніше його можна буде підібрати резистором R13. Поганявши трохи на холостому ходу і переконавшись що нічого не димить і перегрівається, можна відключати лампу і підключати блок живлення до справжнього навантаження і поганяти ще деякий час. Як такої окремої друкованої плати я не розробляв - все кожен раз залежить від наявних у вас деталей, але як предмет для копіювання наслідування можна використовувати це:

Тут по максимуму враховані всі "граблі", точніше особливості проектування друкованих плат ПІП. Ключовий транзистор і випрямний діод встановлені на один радіатор через ізолюючі прокладки (!!!). Пристрій зібрано в залозі і чудово працює. Також на цій платі розміщена паяльна станція .

файли:
Друкована плата паяльна станція + блок живлення для корпусу KM42 в Sprint Layout 5.0.