Od dłuższego czasu miałem ochotę zbudować przetwornicę sieciową do zasilania wzmacniacza audio. Niestety, na forum jest niewiele takich projektów, a żaden nie spełniał moich wymagań. Postanowiłem wykonać taki zasilacz samodzielnie od podstaw.
Zaprojektowanie, zbudowanie i przetestowanie zasilacza zajęło mi prawie miesiąc. Dzisiaj już przeprowadziłem ostatnie próby i testy wytrzymałości mocowej. Wszystkie testy zakończyły się powodzeniem, więc projekt uznałem za ukończony.
Projekt jest też odpowiedzią na zarzut lenistwa, jaki postawił mi kolega michal.rogaczewski na początku tematu https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic1252127-0.html. Tym razem wykonałem całość samodzielnie, nie korzystając z żadnego gotowego projektu czy fragmentu zasilacza ATX. Zrobiłem nawet więcej niż michal.rogaczewski przy swojej przetwornicy do 2 x TDA7294, ponieważ narysowałem schemat elektryczny, przygotowałem projekty płytki do wydruku i sporządziłem pełen opis konstrukcji (patrz niżej). Przetwornica nie jest trudna i powinien sobie z nią poradzić każdy nawet mniej zaawansowany elektronik
Do uruchamiania nie jest konieczny nawet oscyloskop, niemniej jednak przydałby się. Projekt ten szczególnie dedykuję koledze kamilcomp, który niedawno prosił mnie o schemat zasilacza sieciowego opartego na TL494.
Na początek podam wymagania jakie postawiłem sobie już na początku projektowania zasilacza. Po pierwsze i najważniejsze, ma posiadać zabezpieczenie przeciwzwarciowe. Przetwornice z tego projektu mam zamiar wykonywać znajomym na zamówienie, dlatego muszą być odporne na błędy takie jak odwrotne podłączenie wzmacniacza. Kolejnym wymaganiem, tutaj już konkretnie do mojego wzmacniacza, musi osiągać moc ciągłą 250W. Przetwornica będzie zasilała wzmacniacze takie jak mostek 2 x TDA7294, jeden kanał N-MOSFET AVT2762 i podobne. Przetwornica powinna również posiadać dodatkowe napięcie wyjściowe +/-9..12V o niewielkiej wydajności prądowej, które będzie służyło do zasilania przedwzmacniacza, ewentualnych wentylatorów itp. Przetwornica nie musi być wyposażona w korektory współczynnika mocy PFC ani stabilizację napięcia wyjściowego, ponieważ w każdym przypadku będzie zasilała wzmacniacz audio.
OGÓLNIE O PRZETWORNICY
Przetwornica wykonana według tego schematu:
Wzór płytki w formacie graficznym:
Wymiary płytki to 150x100mm.
Schemat montażowy w formacie graficznym:
Przetwornica składa się z kilku podstawowych modułów obecnych w większości firmowych SMPS, takich jak zasilacz ATX. Na zasilaniu 230Vac został umieszczony bezpiecznik, termistor i filtr sieciowy składający się z C21, R21 i L5. Dalej mostek prostujący D26-D29 i kondensatory wejściowe przetwornicy C18 i C19, oraz tranzystory mocy Q8 i Q9 przełączające napięcie na transformatorze. Tranzystory mocy sterowane są za pośrednictwem dodatkowego transformatora T2 przez jeden z najpopularniejszych kontrolerów PWM - TL494 (KA7500). Szeregowo z uzwojeniem pierwotnym dołączony jest przekładnik prądowy T3 do mierzenia mocy wyjściowej. Transformator T1 posiada dwa dzielone uzwojenia wtórne. Jedno z nich generuje napięcie 2x35V, drugie 2x12V. Na każdym z uzwojeń umieszczone są szybkie diody D14-D17 oraz D22-D25, które w sumie tworzą 2 mostki Graetza. Za mostkami są jeszcze dławiki wyjściowe i kondensatory filtrujące napięcie.
UKŁAD MODELOWY
Przedstawiam zdjęcia gotowego zasilacza:
Własny układ wykonałem do zasilania dwóch wzmacniaczy TDA7294. Transformator nawinąłem na rdzeniu z zasilacza ATX, bardzo zbliżonym wymiarami do ETD29, z trochę większym przekrojem okna. Ilości zwojów podane są na schemacie. Napięcia wyjściowe wynoszą odpowiednio +/-34V oraz +/-10,5V. Na początku testów na linii +/-34V umieściłem kondensatory 470uF, a dławiki wyjściowe zastosowałem 6,8uH/14A:
Po obciążeniu linii +/-34V obciążeniem rezystancyjnym 14Ω napięcie spada do +/-31V. Jest to dość dobry wynik jak na tak mały rdzeń ferrytowy. Po 5 minutach nagrzały się diody D22-D25, transformator główny i mosfety. Są to temperatury rzędu 50*C, a więc jeszcze bezpieczne. Po podłączeniu dwóch kanałów TDA7294 i pełnym ich wysterowaniu, napięcie spadło do +/-30V. Elementy przetwornicy nagrzały się podobnie jak przy obciążeniu rezystancyjnym. Ostateczny układ wyposażony jest w kondensatory wyjściowe 2200uF i dławiki 22uH/14A. Spadki napięcia są troszkę większe niż w przypadku 6,8uH (do +/-30V), jednak ich zastosowanie wyraźnie zmniejszyło grzanie się mosfetów, bowiem po kilku minutach testowaniu na mocy około 250W mosfety nagrzały się zaledwie do 40*C.
Napięcie wyjściowe pod obciążeniem obu wyjść żaróweczkami, moc 20W:
Dalsza część postu zawiera bardzo długi i szczegółowy opis urządzenia oraz sposobu jego wykonania. Powinni go przeczytać wszyscy ci, którzy mają ochotę zbudować ten układ.
ZASADA DZIAŁANIA ZASILACZA
Napięcie 230Vac jest prostowane przez mostek Graetza z diód D26-D29. Kondensatory wejściowe C18 i C19 są ładowane do napięcia wspólnego 320V, a ponieważ przetwornica pracuje w układzie półmostkowym, dzielą je na połowę, co daje 160V na kondensator. Napięcie to jest dodatkowo symetryzowane przez rezystory R16 i R17. Dzięki temu podziałowi możliwe jest podłączenie transformatora T1 tak, jak głośnik do jednego kanału wzmacniacza. Wtedy potencjał pomiędzy kondensatorami traktuje się jako masę i podłącza się jeden koniec uzwojenia pierwotnego, a na drugi koniec podaje się raz napięcie +160V, raz -160V. Przełączanie napięć na uzwojeniu pierwotnym transformatora T1 jest realizowane przez na przemian otwierające się tranzystory mocy N-MOSFET Q8 i Q9.
Szeregowo z uzwojeniem pierwotnym transformatora umieszczony jest kondensator sprzęgający C10 i pierwotne uzwojenie przekładnika prądowego T3. Kondensator sprzęgający nie jest konieczny do funkcjonowania układu, ale pełni bardzo ważną rolę - zabezpiecza przed niesymetrycznym poborem prądu z kondensatorów wejściowych, a co za tym idzie przed naładowaniem jednego z nich do napięcia ponad 200V. Przekładnik prądowy T3, również umieszczony szeregowo z uzwojeniem pierwotnym, spełnia rolę zabezpieczenia przeciwzwarciowego. Przekładnik prądowy zapewnia izolację galwaniczną i pozwala mierzyć wartość prądu pomniejszonego z dokładnością do swojej przekładni. Jego zadaniem jest informowanie sterownika o wartości prądu płynącego przez uzwojenie pierwotne T1. Przy pełnym obciążeniu przetwornicy na uzwojeniu pierwotnym przekładnika prądowego odłoży się niewielkie napięcie, około 100mV.
Równolegle z uzwojeniem pierwotnym transformatora głównego znajduje się tzw. układ gasikowy, który tworzą C13 i R18. Tłumi on oscylacje napięcia wzbudzane w momencie przełączenia tranzystorów mocy. Nie są one niebezpieczne dla mosfetów, ponieważ ich zintegrowane diody skutecznie zabezpieczają przed przepięciami na drenach. Jednak oscylacje napięcia mogą negatywnie odbijać się na sprawności przetwornicy, dlatego ważne jest ich eliminowanie.
Tranzystorami mocy MOSFET nie da się sterować bezpośrednio ze sterownika, ze względu na zmieniający się potencjał źródła górnego tranzystora. Tranzystory są sterowane za pośrednictwem specjalnego transformatora sterującego T2. Jest to zwyczajny transformator impulsowy, pracujący w trybie pełnomostkowym push-pull, otwierając na przemian tranzystory mocy. Transformator sterujący T2 posiada na wejściu zestaw elementów kontrolujących napięcie na uzwojeniach, które oprócz generowania napięcia dyktowanego przez sterownik, zabezpieczają przed powstaniem napięcia rozmagnesowania rdzenia. Niekontrolowane napięcie rozmagnesowania nie dość, że utrzymywałoby otwarty tranzystor mocy, to jeszcze mogłoby spowodować przebicie jego bramki, z powodu jej bardzo małej upływności. Elementami bezpośrednio odpowiedzialnymi za eliminowanie napięcia rozmagnesowania są diody D7 i D9, oraz tranzystory Q3 i Q5. W czasie martwym, gdy oba mosfety są zamknięte, prąd płynie przez D7 i Q5 (lub D9 i Q3) i utrzymuje napięcie rozmagnesowania na poziomie około 1,4V. Takie napięcie jest bezpieczne i nie jest w stanie otworzyć tranzystora mocy. Pomiędzy uzwojeniami wtórnymi transformatora sterującego a bramkami mosfetów znajdują się dodatkowe bufory. Zastosowałem je w tamtym miejscu, aby ograniczyć rolę transformatora sterującego do ładowania bramek. Bramki są ładowane przez diody D18, D19 i D20, D21, natomiast w momencie gdy napięcie na transformatorze zanika, bramki rozładowywane są przez dodatkowe tranzystory Q6 i Q7.
Wykres napięcia na bramkach mosfetów:
Na oscylogramie dokładnie widać "schodek", jest to moment gdy rdzeń przestaje być rozmagnesowywany przez diody D7 i D8 (D6 i D9) i zaczyna być magnesowany w stronę przeciwną przez tranzystory Q3 i Q4 (Q2 i Q5). W fazie rozmagnesowywania rdzenia T2 napięcie na bramce dochodzi do 18V, natomiast w fazie magnesowania spada do około 14V.
Dlaczego nie zastosowałem któregoś ze sterowników IR? Przede wszystkim transformator sterujący jest pewniejszy, bardziej przewidywalny. Sterowniki IR są bardzo kapryśne i wrażliwe na błędy. Poza tym mam niemiłe doświadczenia z tymi scalakami.
Na uzwojeniach wtórnych transformatora głównego T1 generowane jest napięcie przemienne, więc konieczne jest jego prostowanie. Rolę prostownika pełnią szybkie diody prostownicze w układzie Graetza, generujące napięcie symetryczne. Za diodami znajdują się dławiki wyjściowe - ich obecność wpływa na sprawność przetwornicy, tłumią szpilki prądu ładowania kondensatorów wyjściowych w momencie włączania jednego z tranzystorów mocy. Na końcu znajdują się kondensatory wyjściowe z rezystorami wstępnego obciążenia, które zapobiegają "pełznięciu" napięcia do zbyt dużych wartości.
STEROWNIK
Sterownik jest sercem przetwornicy, więc chciałbym opisać go dokładniej. W mojej przetwornicy zastosowałem sterownik TL494 i zadałem częstotliwość pracy taką samą jak w zasilaczach ATX, czyli 30kHz. Przetwornica nie posiada stabilizacji napięcia wyjściowego, więc sterownik pracuje ciągle z maksymalnym współczynnikiem wypełnienia impulsów, który wynosi 85%. Sterownik wyposażony jest w układ soft-startu składający się z elementów C5 i R7. Po uruchomieniu przetwornicy układ zapewnia łagodne zwiększanie współczynnika wypełnienia poczynając od 0%, eliminując w ten sposób udar prądowy ładowania kondensatorów wyjściowych. Z układem soft-startu częściowo powiązany jest też układ zabezpieczenia tranzystorów mocy przed bardzo niebezpiecznym zjawiskiem pół-otwarcia. TL494 może pracować od 7-8V, a takie napięcie zasilania bufora transformatora sterującego T2 powoduje powstawanie na bramkach napięć rzędu 3V. Takie nie do końca otwarte tranzystory będą zatrzymywać dziesiątki woltów, co spowoduje na ich złączach ogromne straty mocy i istnieje duże prawdopodobieństwo przekroczenia granicy SOAR. Aby temu zapobiec, wykonałem zabezpieczenie przed zbyt dużym spadkiem napięcia zasilania. Składa się ono z dzielnika rezystorowego R4 i R5, oraz tranzystora Q1. Po spadku napięcia do wartości 14..15V, tranzystor Q1 rozładowuje kondensator soft-startu, zmniejszając w ten sposób wypełnienie do 0%.
Kolejną funkcją jaką pełni sterownik jest zabezpieczanie przetwornicy przed zwarciem. Informację o prądzie uzwojenia pierwotnego sterownik uzyskuje za pośrednictwem przekładnika prądowego T3. Prąd uzwojenia wtórnego T3 przepływa przez rezystor R9, na którym odkłada się niewielkie napięcie. Informacja o napięciu na R9 poprzez potencjometr PR1 trafia do wzmacniacza błędu TL494 i jest na bieżąco porównywana z napięciem dzielnika rezystorowego R1 i R2. Jeśli sterownik wyczuje na potencjometrze PR1 napięcie wyższe niż 1,6V, zamyka tranzystory zanim przekroczą granicę SOAR i "zatrzaskuje się" poprzez D1 i R3. Tranzystory mocy pozostają zamknięte do momentu ponownego uruchomienia przetwornicy. Niestety, zabezpieczenie to działa poprawnie tylko na linii +/-35V. Linia +/-12V jest dużo słabsza i w razie zwarcia może nie popłynąć na tyle duży prąd, aby sterownik potraktował go jako zwarcie.
Zasilanie sterownika stanowi beztransformatorowy zasilacz wykorzystujący impedancję kondensatorów. Dwa kondensatory C20 i C24 pobierając z sieci moc bierną, a w związku z tym wywołując przepływ prądu, ładują kondensator filtujący C1 przez prostownik D10-D13. Dioda zenera DZ1 zabezpiecza przed zbyt dużym przyrostem napięcia na C1 i stabilizuje je na 18V.
TRANSFORMATORY
Od jakości i wykonania transformatora impulsowego zależy sprawność całej przetwornicy oraz spadki napięcia wyjściowego. Jednak transformator spełnia funkcję nie tylko transformacji energii elektrycznej, ale także zapewnia izolację galwaniczną od sieci 230Vac, a więc ma duży wpływ na bezpieczeństwo użytkownika. Opiszę tutaj krok po kroku jak prawidłowo wykonać taki transformator.
Po pierwsze, należy mieć rdzeń ferrytowy. Rdzeń nie może posiadać szczeliny powietrznej, jego połówki muszą do siebie idealnie przylegać. Oczywiście rdzeń musi posiadać karkas, inaczej jego nawinięcie będzie niemożliwe. Teoretycznie można tutaj zastosować rdzeń toroidalny, ale wykonanie dobrej izolacji międzyuzwojeniowej oraz nawinięcie kilkudziesięciu zwojów będzie dość kłopotliwe. Rdzenie ferrytowe sprzedaje na allegro moderator działu Zasilanie układów elektronicznych.
Link do wyszukiwarki allegro (nie do aukcji):
http://allegro.pl/search.php?sg=0&string=ferrytowy
Do opisywanej przetwornicy polecam rdzeń ETD34, w ostateczności ETD29 ale wtedy maksymalna moc ciągła będzie wynosiła najwyżej 150-200W. Rdzenie razem z przesyłką trochę kosztują, dlatego najlepszym wyjściem będzie załatwienie sobie uszkodzonego zasilacza ATX. Na allegro uszkodzone zasilacze kosztują grosze
a znacznie obniżą koszt budowy naszej przetwornicy ze względu na to, że poza wszystkimi potrzebnymi transformatorami zawierają wiele przydatnych elementów, m.in. filtr sieciowy, kondensatory, diody, a czasem nawet TL494 (KA7500).
Transformatory należy delikatnie wylutować z płytki zasilacza ATX, najlepiej lutownicą grzałkową. Po wylutowaniu nie wolno próbować rozmontowywać transformatora, ponieważ pęknie rdzeń. Należy transformator włożyć do garnka z wodą i zagotować. Po 5 minutach gotowania trzeba delikanie wyjąć rdzeń z garnka i delikatnie przez szmatkę chwycić połówki rdzenia, koniecznie w miejscach wzmocnienia i lekko przekręcając odciągać je od siebie. Jeśli nie chcą się odkleić, nie wolno ciągnąć na siłę - pęknięty rdzeń do niczego się już nie nada! Trzeba włożyć rdzeń spowrotem do garnka i pogotować przez kolejne 5 minut. W jednym garnku można gotować kilka transformatorów
więc warto od razu rozkleić dwa pozostałe rdzenie.
Proces nawijania transformatora głównego należy zacząć od policzenia ilości zwojów oraz drutów które będziemy nawijać na karkas. Ze względu na stałą częstotliwość pracy i założoną z góry dopuszczalną indukcją maksymalną 250mT, ilość zwojów uzwojenia pierwotnego zależy tylko i wyłącznie od pola przekroju poprzecznego kolumny głównej rdzenia ferrytowego. Indukcja maksymalna jest ograniczona do 250mT ze względu na pracę w półmostku - tutaj łatwo o niesymetrię magnesowania.
Wzór na obliczanie ilości zwojów:
n = 53 / Qr,
gdzie n to liczba zwojów uzwojenia pierwotnego, a Qr to pole przekroju poprzecznego kolumny głównej rdzenia podane w cm^2. Tak więc dla rdzenia o przekroju kolumny 0,5cm^2 trzeba będzie nawinąć 106 zwojów, a dla rdzenia o przekroju 1,5cm^2 już tylko 35 zwojów. Trzeba pamiętać że nie wolno nawijać połówek zwojów - zawsze zaokrąglamy do jedności w górę. Nic nie szkodzi nawet nawinięcie większej ilości zwojów, ale niepotrzebnie rośnie wtedy rezystancja uzwojenia i robi się ciaśniej na karkasie
Obliczanie ilości zwojów uzwojeń wtórnych przebiega tak samo jak dla każdego innego transformatora - stosunek napięcia wyjściowego do wejściowego jest dokładnie równy stosunkowi ilości zwojów uzwojenia wtórnego do ilości zwojów uzwojenia pierwotnego. W układzie modelowym uzwojenia wtórne zostały policzone na +/-35V i +/-11V. Następnym krokiem jest obliczenie grubości drutów uzwojeń. Najważniejszą sprawą którą należy wziąć pod uwagę podczas obliczania grubości drutów jest konieczność wypełnienia drutem całego okna rdzenia - od tego zależy sprzężenie magnetyczne uzwojeń transformatora, a więc też spadki napięcia wyjściowego. Nie będę się rozpisywał na temat obliczania grubości warstw drutu czy przekroju drutu, ponieważ każdy z nas chodził do gimnazjum i zna podstawy geometrii Powiem tyle, że sumaryczny przekrój wszystkich drutów przechodzących przez okno rdzenia powinien wynosić około 40-50% przekroju poprzecznego okna rdzenia (okno rdzenia - miejsce w którym drut przechodzi przez rdzeń). Jeśli nawijamy transformator po raz pierwszy, powinniśmy się trzymać bliżej tego 40% W obliczeniach należy uwzględnić też wartości prądów płynących przez przekrój drutów uzwojenia. Zwykle przyjmuje się gęstość prądu 5A/mm2 i tej wartości nie powinniśmy przekraczać, a stosowanie niższych gęstości prądu jest jak najbardziej wskazane W układzie modelowym prąd po stronie pierwotnej wynosi 220W/140V=1,6A, więc przekrój drutu wystarczy 0,32mm^2, z tego wynika że jego grubość powinna być 0,6mm. Po stronie wtórnej popłynie prąd 220W/54V=4,1A, z tego wynika przekrój 0,82mm i grubość drutu 1mm. W obu przypadkach uwzględniłem maksymalne spadki napięcia pod obciążeniem. Należy też pamiętać, że ze względu na występujący w transformatorach impulsowych efekt naskórkowości, grubość drutu jest ograniczona częstotliwością pracy - w naszym przypadku dla 30kHz maksymalna grubość drutu wynosi 0,8..0,9mm. Zamiast drutu o grubości 1mm lepiej zastosować dwa cieńsze druty Po obliczeniu ilości zwojów i drutów należy sprawdzić, czy szacunkowe wypełnienie okna miedzią wynosi te 40-50% - jeśli tak to przystępujemy do nawijania.
Uzwojenie pierwotne transformatora należy rozplanować na dwie części. Pierwszą część uzwojenia pierwotnego (w układzie modelowym 35 zwojów) nawijamy jako pierwszą, na pusty karkas. Trzeba koniecznie zapisać kierunek nawijania uzwojenia na karkas - druga część uzwojenia musi być nawijana w tą samą stronę. Po nawinięciu pierwszej części uzwojenia należy przylutować jego drugi koniec do przejściowego, skróconego pinu nie wchodzącego w płytkę. Następnie należy położyć 3-4 warstwy taśmy izolacyjnej na uzwojenie i nawinąć całe uzwojenie wtórne bifilarnie - oznacza to sposób nawinięcia polegający na poprowadzeniu obu części uzwojenia jednocześnie obok siebie, nawijając równolegle, ale ostatecznie łącząc szeregowo. Taki sposób nawijania nie jest konieczny, ale poprawia symetrię uzwojeń. Kolejne uzwojenie wtórne dla napięcia +/-12V można nawinąć bezpośrednio na uzwojenie +/-35V, w miejscach gdzie uchowało się troszeczkę wolnej przestrzeni, po czym zaizolować dokładnie całość 3-4 warstwami taśmy izolacyjnej. Oczywiście trzeba również zaizolować miejsca wyprowadzenia końcówek uzwojeń do pinów karkasu. Jako ostatnie uzwojenie należy nawinąć drugą część uzwojenia pierwotnego, koniecznie w tą samą stronę co poprzednie. Po nawinięciu można zaizolować ostatnie uzwojenie, ale nie trzeba.
Kiedy uzwojenia są gotowe, należy złożyć połówki rdzenia. Nie będą się trzymać, ale nie wolno ich sklejać żadnym klejem, ponieważ tworzyłoby to szczelinę "klejową" w obwodzie magnetycznym. Najlepszym i sprawdzonym przeze mnie rozwiązaniem jest połączenie taśmy izolacyjnej z klejem typu kropelka. Rdzeń od zewnątrz owijamy kilka razy taśmą izolacyjną dość mocno naciągając. Po nawinięciu naciąganej warstwy trzeba nawinąć ze 2 warstwy taśmy nawijanej normalnie, bez naciągania. Po nawinięciu wszystkich warstw trzeba skroić taśmę przy rdzeniu żeby nie odstawała i oblać całość klejem, zwłaszcza miejsce gdzie kończy się taśma i punkty złączenia kształtek rdzenia.
Transformator sterujący wykonuje się tak jak każdy inny transformator impulsowy. Jako rdzeń możemy zastosować mały EE/EI pochodzący z zasilaczy ATX. Można też kupić rdzeń toroidalny na allegro, do tego celu polecam TN-13 lub TN-16. Ilość zwojów zależy jak zawsze od przekroju kolumny środkowej rdzenia, a w przypadku rdzeni toroidalnych od przekroju obwodu rdzenia. Wzór:
n = 8 / Qr,
gdzie n to liczba zwojów uzwojenia pierwotnego, a Qr to pole przekroju poprzecznego obwodu rdzenia podane w cm^2. Uzwojenia wtórne powinny być nawinięte taką samą ilością zwojów co pierwotne, dopuszczalne są tylko niewielkie odchylenia. Ale już bezwzględnie oba uzwojenia wtórne muszą być nawinięte taką samą ilością zwojów.
Ponieważ transformator będzie sterował tylko jedną parą mosfetów, grubość drutu nie jest istotna, jego minimalna grubość to poniżej 0,1mm
Oczywiście stosujemy taki jaki mamy pod ręką, ja dałem 0,3mm. Nawijać należy kolejno pierwszą połowę uzwojenia pierwotnego - warstwa izolacji - pierwsze uzwojenie wtórne - warstwa izolacji - drugie uzwojenie wtórne - warstwa izolacji - druga połowa uzwojenia pierwotnego. Bardzo ważny jest tutaj kierunek nawijania uzwojeń - mosfety muszą być włączane na przemian, nie oba jednocześnie. Po nawinięciu uzwojeń łączymy rdzeń tak samo jak w poprzednim transformatorze.
Przekładnik prądowy wykonuje się bardzo podobnie. Ilości zwojów są tutaj bardziej dowolne, w zasadzie ilość zwojów uzwojenia wtórnego wystarczy taka:
n = 4 / Qr,
gdzie n to liczba zwojów uzwojenia wtórnego, a Qr to pole przekroju poprzecznego obwodu rdzenia podane w cm^2. Ale ponieważ prądy tego uzwojenia są bardzo małe, lepiej zawsze stosować większe ilości zwojów. Ważniejsze jest natomiast zachowanie odpowiedniego stosunku ilości zwojów obu uzwojeń. Jeśli zdecydujemy się na zmianę tego stosunku, będziemy musieli skorygować wartość rezystora R9.
Oto wzór na obliczanie R9 w zależności od ilości zwojów:
R9 = (0,9Ω * n2) / n1,
gdzie n2 to ilość zwojów uzwojenia wtórnego, n1 to ilość zwojów uzwojenia pierwotnego. Wraz ze zmianą R9 trzeba też odpowiednio zmienić C7. Przekładnik prądowy łatwiej nawinąć na rdzeniu toroidalnym, polecam TN-13 lub TN-16. Jednak można wykonać przekładnik na rdzeniu kształtkowym. Jeśli nawijamy przekładnik na rdzeniu toroidalnym, jako pierwsze należy nawinąć uzwojenie wtórne dużą ilością zwojów. Potem taśma izolacyjna, a na końcu uzwojenie pierwotne grubym drutem 0,6..0,8mm.
OPIS ELEMENTÓW
Wszystkie nietypowe elementy niedostępne w sklepach elektronicznych można znaleźć w zasilaczu ATX, dlatego warto załatwić sobie takie uszkodzone zasilacze. Na zasilaniu 230Vac znajduje się termistor. Można go kupić w TME.PL, albo wydłubać z zasilacza ATX.
Dławik L5 i kondensatory C20, C21, C24 również można znaleźć w zasilaczach ATX lub zakupić w TME.PL.
Diody D26-D29 teoretycznie wystarczą na napięcie przebicia 400V, ale obecność żywej sieci wymaga napięć przebicia trochę wyższych, przynajmniej 600-800V. Gotowy prostownik można znaleźć w zasilaczu ATX. To samo diody mostka Graetza do zasilania sterownika - również wypadałoby zastosować przynajmniej na 600V. Mogą być to tanie i popularne 1N4007 lub podobne.
Dioda zenera ograniczająca napięcie zasilania sterownika powinna wytrzymać moc strat 0,5-0,7W, więc jej moc znamionowa powinna wynosić 1W lub więcej.
Kondensatory C18 i C19 można zastosować innej pojemności, ale raczej nie mniejszej niż 220uF. Pojemności większej niż 470uF też nie wypada stosować do tej mocy, ze względu na niepotrzebnie zwiększony udar prądowy przy włączaniu przetwornicy do sieci oraz większe wymiary - mogą po prostu nie pasować. Kondensatory C18 i C19 można kupić w TME.PL, występują także w każdym zasilaczu ATX.
Tranzystory mocy Q8 i Q9 to bardzo popularne IRF840, dostępne w większości sklepów elektronicznych po trzy czterdzieści sztuka. W zasadzie można tutaj zastosować inne mosfety na 500-600V, ale wiąże się to ze zmianą rezystorów bramkowych R12 i R13. Aktualnie zastosowane 75Ω zapewniają czas otwarcia/zamknięcia bramki w okolicach 1us. Ewentualnie można je zastąpić też 68ohm, albo 82ohm.
Bufory przed bramkami mosfetów i kontrolujące transformator sterujący wykonałem na tranzystorach BD135/136. Można tutaj zastosować każde inne tranzystory o napięciu przebicia powyżej 30-40V i układem wyprowadzeń B-C-E, takie jak BC639/BC640 albo 2SC945/2SA1015. Te ostatnie można wydłubać z zasilaczy ATX, monitorów itp. Bardzo ważnym elementem przetwornicy jest kondensator C10. Musi to być kondensator polipropylenowy MKP, metalizowany lub podwójnie metalizowany, przystosowany do przepływu dużych prądów impulsowych. Taki kondensator znajduje się w zasilaczach ATX i wygląda tak:
Niestety, czasem to właśnie on jest przyczyną awarii zasilacza, więc trzeba go dokładnie obejrzeć czy nie jest przyczerniony i sprawdzić miernikiem.
Układ gasikowy składający się z C13 i R18 należy dobierać przy pomocy oscyloskopu, oglądając wykresy napięcia na uzwojeniu transformatora. Jeśli nie posiadamy oscyloskopu, należy zastosować domyślny układ gasikowy podany na schemacie. W przypadku gdy wykorzystujemy transformator z zasilacza ATX można też wykorzystać układ gasikowy służący do tłumienia oscylacji na tym właśnie transformatorze.
Diody D22-D25 prostujące napięcie +/-35V zastosowałem połączone równolegle pary UF5408, ale lepszym rozwiązaniem byłoby użycie pojedynczych diód BY500/600, które mają mniejsze napięcia przewodzenia i większy prąd znamionowy. Diody te w miarę możliwości należy wlutować na długich wyprowadzeniach - polepszy to ich chłodzenie.
Dławiki L3 i L4 można nawinąć na toroidalnych rdzeniach proszkowych pochodzących z zasilaczy ATX - charakteryzują się one przeważającym kolorem żółtym i pomalowaną na biało ścianką. Wystarczą rdzenie o średnicy 23mm, po 15-20 zwojów na każdym z nich. Testy wykazały jednak, że nie są one konieczne - przetwornica bez dławików działa i osiąga swoją moc, ale tranzystory, diody i kondensator C10 bardziej się grzeją na skutek przepływu prądów impulsowych. Dławiki L3 i L4 odciążają cały układ, poprawiają sprawność przetwornicy i zmniejszają jej awaryjność.
Kondensatory wyjściowe C14 i C15 ze względu na ich dużą pojemność nie muszą być na 105*C, oczywiście nie zaszkodzi takich dać
Dodatkowo bezpośrednio na płytce końcówki mocy trzeba dać jeszcze 2x470..1000uF.
Diody D14-D17 prostujące +/-12V mają duży wpływ na wydajność prądową tej linii. Jeśli ta linia będzie zasilała oprócz przedwzmacniacza jeszcze wentylatory, dodatkowy wzmacniacz słuchawkowy i np. analizator widma, należy zastosować diody przynajmniej 1A i dać dławiki L1 i L2 na odpowiednie prądy. Jeśli jednak linia +/-12V będzie zasilała tylko przedwzmacniacz który bierze ca. 10-80mA, można bez obaw zastosować nawet 1N4148
Dławiki L1 i L2 właściwie nie są konieczne, ale ich obecność poprawia filtrację zakłóceń pochodzących z sieci energetycznej. W ostateczności, gdy pobierany prąd jest niewielki (<200mA), można w ich miejsce zastosować rezystory 4,7ohm.
Ograniczniki narastania napięcia R22 i R23 nie muszą być zastosowane takie jakie podałem na schemacie. Można zastosować większe rezystory o mniejszej mocy i sprawdzić czy napięcie nie "pełźnie". Jeśli ciągle przyrasta, trzeba zastosować mniejsze rezystory o większej mocy. Rezystory te mogą składać się z połączonych szeregowo lub równolegle odpowiednich rezystorów mniejszej mocy, tak aby otrzymać jeden rezystor o mocy większej i odpowiedniej rezystancji.
URUCHAMIANIE
Po wytrawieniu płytki należy rozpocząć montaż elementów poczynając od najmniejszych kończąc na największych. Należy wlutować wszystkie elementy oprócz dławika L5. Po ukończeniu montażu i sprawdzeniu płytki na okoliczność występowania zimnych lutów, należy ustawić potencjometr PR1 w skrajnym lewym położeniu i podłączyć napięcie sieciowe do złącza 230Vac INPUT. Na kondensatorze C1 powinno się pojawić napięcie 18V. Jeśli napięcie zatrzymuje się na około 14V, oznacza to kłopot z wysterowaniem transformatora sterującego lub tranzystorów mocy, czyli zwarcie w torze izolująco-sterującym. Posiadacze oscyloskopu mogą sprawdzić napięcia na bramkach tranzystorów. Jeśli sterownik pracuje prawidłowo, można przystąpić do sprawdzenia poprawności przełączania mosfetów. Należy przygotować zasilacz o napięciu wyjściowym 12V z podłączoną szeregowo żarówką na 12V. Zasilacz należy podłączyć przez żarówkę do punktów lutowniczych zaznaczonych na czerwono:
Po włączeniu zasilacza 12V i zasilania sterownika, na linii +/-35V powinno pojawić się napięcie około +/-2V. Taki stan rzeczy oznacza, że tranzystory są sterowane prawidłowo, na przemian. Gdyby żarówka przy zasilaczu 12V się zaświeciła, a na wyjściu nie pojawiło się żadne napięcie, oznaczałoby to, że oba tranzystory mocy otwierane są jednocześnie. W takim wypadku należy wylutować transformator sterujący i zamienić wyprowadzenia jednego z uzwojeń wtórnych transformatora sterującego. Należy wlutować transformator spowrotem i ponowić próbę z zasilaczem 12V i żarówką.
Jeśli próba się powiedzie i na wyjściu otrzymamy +/-2V, możemy odłączyć zasilacz z żarówką i wlutować dławik L5. Od tego momentu uruchamianie przetwornicy na żywej sieci 230Vac należy przeprowadzać przez żarówkę 230V / 60W, podobnie w przypadku zasilacza 12V. Po podłączeniu do sieci, żarówka powinna krótko błysnąć i od razu całkowicie zgasnąć. Na wyjściu powinny pojawić się napięcia +/-35 i +/-12V (lub inne, zależnie od stosunku ilości zwojów na transformatorze). Można na próbę obciążać je niewielką mocą, ale wówczas spadnie napięcie zasilania przetwornicy, a żarówka na wejściu zacznie się żarzyć. Po tej próbie pozostaje nam tylko włączyć przetwornicę bezpośrednio do sieci, a do linii +/-35V podłączyć na przykład grzałkę do wody o rezystancji około 15-20ohm w celu sprawdzenia mocy. Należy wyregulować PR1 tak, żeby przetwornica nie wyłączała się po obciążeniu grzałką. Gdy przetwornica zacznie nagrzewać wodę, można sprawdzić spadki napięcia na linii +/-35V i obliczyć moc wyjściową. Do sprawdzenia wytrzymałości mocowej przetwornicy wystarczy 5-10 minutowy test na grzałce 15ohm. W tym czasie wszystkie elementy przetwornicy zdążą się nagrzać do swojej temperatury znamionowej. Warto zmierzyć temperaturę radiatora mosfetów, nie powinna przekraczać 50-60*C w temperaturze otoczenia 25*C. Na koniec trzeba obciążyć przetwornicę w pełni wysterowanym wzmacniaczem i ustawić potencjometr PR1 jak najbardziej w lewą stronę, ale tak aby przetwornica się nie wyłączała.
UWAGI KOŃCOWE
Przetwornica została zaprojektowana aby spełniała kilka moich wymagań, ale można ją dostosować do swoich potrzeb. Projektując płytkę chciałem żeby była jak najbardziej uniwersalna, żeby nadawała się do montażu różnego rodzaju elementów. Przewidziałem różne odległości wyprowadzeń i wymiary elementów. Po prostu podczas wiercenia otworów w wytrawionej płytce należy sprawdzić dokładnie rozstaw wyprowadzeń poszczególnych elementów które mamy zamiar montować. Niestety nie udało mi się wykonać płytki uniwersalnej dla wszystkich rodzajów karkasów. O ile liczbę pinów da się zmienić i dopasować otwory na płytce do odległości między rzędami pinów, to rozstaw pinów po stronie wtórnej musi być dokładnie taki, jak na płytce. Z tego powodu wykonałem trzy projekty płytek, każdy do innego rozstawu pinów. Standardowe rozstawy pinów karkasów to 3,75mm i 5mm, ale w wielu zasilaczach ATX stosuje się też nietypowy rozstaw 4mm.
Umiejscowienie transformatora i kondensatorów przy mosfetach pozwala zamontować dość duży radiator mosfetów na całej długości płytki. Po odpowiednim zagięciu wyprowadzeń mosfetów jest możliwy ich montaż do metalowej obudowy. Należy w takim przypadku odizolować od obudowy każdy z mosfetów odpowiedio grubą podkładką mikową oraz specjalną podkładką pod śrubę. Zwiększenie radiatora pozwala na zwiększenie mocy przetwornicy teoretycznie do 300-400W, a nawet 500W. Konieczne jest wówczas zastosowanie transformatora na rdzeniu ETD39. Do tego wymagana jest zmiana kondensatorów C18 i C19 na 470uF, C10 na 1,5..2,2uF (pamiętaj o rastrze na płytce) oraz zastosowanie 8 sztuk diód BY500.
Przetwornicę można uprościć usuwając zabezpieczenie przeciwzwarciowe. W takim razie zamiast uzwojenia pierwotnego przekładnika prądowego T3 trzeba wlutować zworę, pin 15 sterownika zlutować na płytce z pinem 14, pin 16 zlutować na płytce z pinem 1 i pominąć wlutowanie elementów R1, R2, R3, R6, R9, PR1, D1, D2, D3, D4, D5, C4 i C7. Modyfikację tą można nazwać swego rodzaju okaleczeniem albo wręcz kastracją przetwornicy, ponieważ będzie ona bardzo wrażliwa na przeciążenia i mniej bezpieczna. Jest to opcja dla osób leniwych, lub tych którzy z jakichś powodów nie chcą zabezpieczenia przeciwzwarciowego w swoim układzie.
KOSZTY
Przedstawiam kosztorys na podstawie cen w TME.PL:
- Laminat miedziany ------------------------------- 4.50zł
- Bezpiecznik 5A 250Vac z obudową ----------- 1.40zł
- Złącza 230Vac, +/-35V, +/-12V ---------------- 2.80zł
- Termistor rozruchowy NTC --------------------- 1.50zł
- Kondensatory poliestrowe C20, C21, C24 --- 2.10zł
- Filtr przeciwzakłóceniowy L5 ------------------- 4.40zł
- Prostownik sieci D26-D29 ---------------------- 1.00zł
- Prostownik sieci D10-D13 ---------------------- 0.40zł
- Kondensatory wejściowe C18, C19 ---------- 8.00zł
- Tranzystory Q1-Q7 ------------------------------ 2.60zł
- Tranzystory mocy Q8, Q9 ---------------------- 5.30zł
- Kondensator wysokoprądowy MKP C10 ----- 3.60zł
- Diody szybkie D14-D17 ------------------------- 0.50zł
- Diody szybkie BY500 D22-D25 ---------------- 2.00zł
- Dławiki L1, L2 ------------------------------------ 4.00zł
- Dławiki L3, L4 ----------------------------------- 13.00zł
- Kondensatory małe C1, C5, C11, C12 ------- 0.80zł
- Kondensatory wyjściowe C14, C15 ---------- 5.00zł
- Dioda zenera 18V 1,3W ------------------------ 0.20zł
- Potencjometr montażowy 5k ------------------ 0.60zł
- Diody 1N4148 ------------------------------------ 0.80zł
- Rezystory mocy R9, R18, R22, R23 ---------- 0.70zł
- Rezystory pozostałe 0,25W ------------------- 0.60zł
- Kondensatory pozostałe, ceramiczne -------- 0.50zł
- Rdzeń z karkasem ETD34 T1 ----------------- 31.90zł
- Rdzenie toroidalne TN13 do T2 i T3 ---------- 8.80zł
Ogółem: 107zł.
Część elementów nie jest dostępna detalicznie, trzeba kupić kilka sztuk naraz. Ale nie jest to problem, ponieważ nadwyżka zostanie przez Was szybko wykorzystana
Zestaw ETD34 na allegro to koszt w granicach 10-15zł. TN13 również można kupić za grosze
Jeszcze raz polecam załatwienie sobie uszkodzonych zasilaczy komputerowych, można na przykład kupić zasilacze na allegro, zwykle sprzedaje się 5 zasilaczy za 10zł. Pozwoli to zaoszczędzić na drogich częściach, przede wszystkim transformatory, dławiki, kondensatory i cała masa drobnych części. Dzięki temu koszt całości ograniczy się do 40..50zł + zasilacz ATX.
W TME.PL cena tradycyjnego zasilacza 250W opartego o transformator sieciowy zawarłaby się w granicach 120-150zł. Nie dość, że zasilacz impulsowy jest z zasady lepszy od zwykłego, to jeszcze jest od niego tańszy
Jedyną wada zasilacza impulsowego jest czasochłonność. Jego wykonanie będzie nas kosztowało o wiele więcej pracy niż zamontowanie mostka i kondensatorów do gotowego trafa. Ale przecież o to właśnie chodzi w sztuce DIY, zrobić samodzielnie coś wyjątkowego, coś czego nie mają inni A satysfakcja ze zbudowania nowoczesnego zasilacza impulsowego jest bezcenna
Poniżej załączam skalibrowane do formatu A4 wzory płytki oraz schemat montażowy elementów w wersji standardowej i bez zabezpieczenia przeciwzwarciowego.
/edit
Dodaję wzór płytki przystosowanej do montażu rdzenia ETD39
/edit
Dodaję wzór płytki przystosowanej do montażu rdzenia ETD34 z pionowym karkasem
Tylko pogratulować tak przygotowanego opisu i dokumentacji!
Wszystkie inne konstrukcje powinny być prezentowane podobnie, gdyż tylko wtedy wygląda to profesjonalnie.
Androot
Cool? Ranking DIY
