Na samym początku pominiemy standardowe, ale już przestarzałe modulatory PWM i od razu przejdziemy do bardziej zaawansowanych schematów zasilaczy, których zasada działania opiera się na przełączaniu klucza przy zerowym napięciu dławika (off-line switch). Takie przetwornice wyróżniają się wysoką sprawnością, niskim poziomem szumów, a w przypadku odpowiedniego doboru elementów - prostotą konstrukcji i zmiany parametrów pracy.
Na rysunku 1 przedstawiono schemat zasilacza o mocy 70W, zasilającego wzmacniacz stereo na napięcie 2x15-16V. Przetwornica jest zbudowany na KA2S0880, który posiada wszystkie elementy potrzebne do montażu podstawowej części bloku zasilania. Trzeba przyznać, że firma Fairchild, która wyprodukowała ten układ scalony, bardzo się postarała - sam układ działa stabilnie i posiada wszystkie potrzebne zabezpieczenia. Taki zasilacz, zmontowany na wspomnianym układzie scalonym, posiada wszelkie zabezpieczenia przed przeciążeniem i zwarciem, przeciążeniem w momencie awaryjnego przekroczenia dopuszczalnych zakresów napięcia, możliwość ustawienia trybu uśpienia. Główna wada tego schematu - zasilacz się nie włącza przy pełnym obciążeniu. Wtedy należy najpierw go włączyć, a potem podać obciążenie.
Parametry:
Napięcie zasilające: 200…240V
Napięcie wyjściowe:
- bez obciążenia: ±16,5V
- przy pełnym obciążeniu: ±15…±15,5V
Maksymalna moc wyjściowa długotrwała (ogranicza ją układ scalony): 70W
Częstotliwość pracy: 20kHz
Sprawność urządzenia: 90…93%
Zasilacz przeznaczony jest do pracy przy równomiernych obciążeniach, kiedy wartości napięcia dodatniego i ujemnego są równe - we wzmacniaczach niskich częstotliwości. Nierównomierne obciążenie doprowadzi do przepięcia na jednym z wyjść. Kupując elementy, pamiętajmy o wymaganiach odnośnie ich parametrów i konstrukcji urządzenia. Diody prostownicze powinny posiadać napięcie wsteczne nie mniejsze niż 200V, kondensatory C11 i C12 powinny być przeznaczone na napięcie 50V tzn. te o większej pojemności. Problem w tym, że będą się nagrzewać - przy częstotliwości ok. 20-30kHz mają niewielką impedancję, która efektywnie tłumi szpilki napięciowe, co wywołuje wzrost temperatury. Należy zwracać uwagę na wygląd elementów, zwłaszcza układu scalonego i diod prostowniczych - jeśli są porysowane lub niedbale wykonane lepiej z nich nie korzystać. Dobre są układy scalone firm Fairchild i Samsung (SEC).
Dla układów, w których występują transformatory, bardzo istotne jest fazowanie ich uzwojeń. Przy fazowaniu należy zwrócić uwagę, aby końce uzwojenia łączyły się z odpowiednimi punktami w obwodzie. Jeśli fazowanie będzie niedokładne, wystąpi przeciwna faza, co zakłóci pracę układu i może uszkodzić elementy. Końce uzwojeń są zaznaczone na schemacie u jednego z wyjść uzwojenia. Tak jak w przypadku głośników wyjścia są oznaczone plusami. Polecam stosować jedną z dwóch przedstawionych poniżej metod uzwajania bez ich łączenia.
Dzięki temu łatwiej będzie określić, które wyjście jest początkiem, a które końcem. Przykładowe fazowanie przedstawiono na rysunku poniżej. Punktami zaznaczono początek uzwojenia.
Uzwojenia transformatora nawinięto na rdzeniu 12x12 z ferrytu М2000 ze szczeliną 0,2mm. Uzwojenie pierwotne składa się z 36 zwojów, podzielonych na dwie równie części. Pierwsza część jest nawijana na pierwszą warstwę, druga - na kolejną. Pomiędzy nimi znajduje się uzwojenie wtórne: 7+7 zwojów bifilarnie, uzwojenie zasilania układu scalonego: 7 zwojów. Uzwojenie wykonano z drutu o średnicy 0,6mm. Szczelinę robimy przy pomocy papieru - przyklejamy go do końców rdzenia, wszystko składamy razem z cewką i przyklejamy dobrym klejem.
Przetwornica złożona bez błędów montażowych powinna zacząć od razu poprawnie pracować. Niemniej jednak, aby zabezpieczyć się przed potencjalnymi błędami, prześledzimy pierwsze włączenie urządzenia krok po kroku.
Zamiast bezpiecznika użyjemy zwykłej żarówki 230V 100W w celu ochrony układu scalonego w momencie zwarcia. Wylutowujemy oba tyrystory stanowiące zabezpieczenie nadnapięciowe. Do wyjścia przetwornicy pomiędzy „+” i „-” podłączamy obciążenie - rezystor 30-40Ω o mocy nie mniejszej niż 100W. Wykorzystamy ją tylko w celu sprawdzenia bloku zasilania.
Nie należy zapominać, że rezystor podłączamy między „+” a „-” źródła, a pomiary napięcia będziemy robili względem masy (GND). Podłączamy miernik do „+” na wyjściu przetwornicy, a całość podłączamy do prądu. Na wyjściu powinno się pojawić napięcie +16,5V. Czekamy 5s, włączamy przetwornicę i sprawdzamy poziom nagrzania się elementów. Jeśli zauważymy podejrzanie ciepłe elementy, nie powinniśmy tego ignorować!
Nie należy zapominać, że dopiero co zmontowaliśmy sieciowy zasilacz, który posiada „ukrytą siłę niszczenia” Jeśli napięcie na wyjściu będzie większe niż 16V, np. 20-30V, będzie to znaczyło, że nie działa obwód sprzężenia zwrotnego. Może to być wynik błędów w schemacie lub wadliwych elementów. Trzeba będzie sprawdzić. Jeśli zaś napięcie jest mniejsze niż 16V i po 5s układ scalony jest mocno nagrzany, oznacza to, że zostało niewłaściwie sfazowane uzwojenie wtórne względem pierwotnego.
Może też zdarzyć się i tak, że po podłączeniu przetwornicy do sieci na wyjściu nic się nie pojawi. Wtedy należy sprawdzić napięcie na kondensatorze sieciowym - ok. 300V, napięcie na trzeciej nóżce układu scalonego względem masy strony pierwotnej (wyjście 2). Jego wartość powinna wahać się w zakresie 12-15V - to układ scalony próbuje się uruchomić, ale coś mu przeszkadza. Dlatego sprawdzimy jeszcze zasilający go obwód - uzwojenie wtórne i prostownik – początki uzwojeń. Jeśli wszystko działa, przyczyną może być uszkodzenie układu scalonego lub diod prostowniczych w wyniku zwarcia, przeciążenie. Wyłączamy przetwornicę i czekamy aż kondensator sieciowy rozładuje się do wartości poniżej 30V, a następnie spróbujemy znów go włączyć - z podłączonym obciążeniem nie 30-40Ω, a 50-60. Możliwe też, że diody D4 i D5 nie nadają się do pracy na wysokich częstotliwościach i są zbyt wolne do tej przetwornicy. W takim przypadku transformator świszczy. Jeśli zaś usterka wygląda na inną, to sprawdzamy ile zwojów nawinęliśmy i jak. Jeśli napięcie na trzecim pinie układu scalonego jest wyraźnie wyższe niż 20V, np. 30-40V, to za dużo nawinęliśmy zwojów w uzwojeniu wtórnym lub zostało ono nieprawidłowo sfazowane względem uzwojenia pierwotnego.
Kolejny etap - sprawdzenie pracy bloku bez obciążenia. Jest to test stabilizacji obwodu sprzężenia zwrotnego wykonanego na optotranzysotrze. Wymagane napięcie wyjściowe ustawia się za pomocą diody zenera D6; co prawda, będzie ono o 1,5V wyższe niż napięcie diody. Jeśli na obciążeniu zmierzyliśmy dokładnie potrzebne napięcie, tzn. 15-16V, odłączamy obciążenie. Wartość napięcia nie powinna się zmieniać, ale różnica 1-1,5V nie będzie nam przeszkadzać. Bądźmy gotowi, żeby szybko odłączyć przetwornicę z prądu, jeśli bez obciążenia napięcie silnie wzrośnie - w przeciwnym wypadku można uszkodzić diody prostownicze, kondensatory i optotranzystor.
Następnie sprawdzamy zabezpieczenie nadnapięciowe w momencie zwiększenia napięcia wyjściowego ponad poziom alarmowy. Zabezpieczenie działa w trybie awaryjnym, bez możliwości ponownej próby włączenia przetwornicy. Jest ono zarówno na dodatniej gałęzi obwodu, jak i na ujemnej; oba zabezpieczenia pracują jednak niezależnie, dając wspólny efekt.
Co robimy? Doprowadzamy do zwarcia na wyjściu, co powoduje przejście układu scalonego do trybu awaryjnego. Tyrystory błyskawicznie reagują i w momencie awarii za kilka mikrosekund zostaje odłączone zasilanie. Jeśli w przyszłości nagle zadziała ten obwód, to trzeba będzie sprawdzić blok zasilania zgodnie z tą metodą, od początku do końca. Dla sprawdzenia zwiększamy napięcie wyjściowe o kilka woltów. W tym celu do diody stabilizującej napięcie podłączymy szeregowo jeszcze jedną o wartości kilku woltów - 4,7, 5,1 lub 6,2V. Zewrzemy ją zworką i włączymy przetwornicę. Mierzymy napięcie wyjściowe - w normie. Rozwieramy zworkę, transformator powinien „stuknąć”, a przetwornica - wyłączyć się. Czekamy aż rozładuje się kondensator sieciowy, znowu umieszczamy zworkę i włączamy. Napięcie wyjściowe po raz kolejny powinno być w normie.
Jeśli przetwornica przeszła pomyślnie wszystkie testy, dajemy jej obciążenie 150Ω i zostawiamy na pół godziny. Po tym urządzenie jest gotowe do pracy.
Montaż płytki drukowanej
Płytka drukowana jest projektowana oddzielnie, pod konkretną obudowę transformatora i rozkład jego pinów.
Przy projektowaniu płytki należy wziąć pod uwagę następujące rzeczy:
1.Elementy pracujące razem powinny być rozmieszczone blisko siebie. Po ścieżkach płyną prądy impulsowe, generujące zakłócenia, więc im dłuższa będzie ścieżka, tym więcej takich zakłóceń.
2.Pomiędzy ścieżkami w części sieciowej należny zachować odpowiednie odstępy. Kiedy ścieżkami jest prowadzone napięcie 200-300V, odstęp pomiędzy nim powinien wynosić nie mniej niż 4-5mm. Podobne odstępy należy zachować pomiędzy ścieżkami części sieciowej i części niskonapięciowej. Jedyny element, z którym nic nie musimy robić to optotranzystor. Odległość pomiędzy jego pinami to ok. 1cm; wszystkie pozostałe odległości między częścią sieciową, a niskonapięciowa też powinny tyle wynosić.
3.W części niskonapięciowej ścieżka od optotranzystora powinna być podłączona możliwie blisko diody D4.
4.Aby ścieżka wytrzymywała duże wartości napięcia, często się ją zalewa lutem. Ale nie dotyczy to wszystkich ścieżek. Jeśli jest taka możliwość, niech będzie ona szersza niż grubsza, ponieważ pomiędzy grubszymi ścieżkami może się wytworzyć połączenie pasożytnicze, które będzie przyczyną szumu na wyjściu i innych nieprawidłowości.
5.Kondensatory C15, C16 powinny być podłączone bliżej diod, a nie kondensatorów elektrolitycznych C11 i C12.
6.Bardzo ważne! Spójrzmy na rysunek 4:
Ścieżka idzie od diody D1 do kondensatora ceramicznego C1, od niego do kondensatora elektrolitycznego C2, następnie do cewki L1 - to wariant prawidłowy.
Rysunek 5 przestawia zaś wariant nieprawidłowy:
Ścieżka, na której jest kilka elementów, powinna je obchodzić, a nie przechodzić obok.
W technologii impulsowej często bardzo ważne są milimetry odległości. Spójrzmy na przykładowy rysunek 6:
Jeśli punkt podłączenia kondensatora ceramicznego C1 wyznaczymy o 5mm dalej od diody D1, to stabilizacja pogorszy się o 1,5V, a sprawność o 1%.
Poniżej fotografie prototypu:
Źródło: http://radiokot.ru/circuit/power/supply/03/
Na rysunku 1 przedstawiono schemat zasilacza o mocy 70W, zasilającego wzmacniacz stereo na napięcie 2x15-16V. Przetwornica jest zbudowany na KA2S0880, który posiada wszystkie elementy potrzebne do montażu podstawowej części bloku zasilania. Trzeba przyznać, że firma Fairchild, która wyprodukowała ten układ scalony, bardzo się postarała - sam układ działa stabilnie i posiada wszystkie potrzebne zabezpieczenia. Taki zasilacz, zmontowany na wspomnianym układzie scalonym, posiada wszelkie zabezpieczenia przed przeciążeniem i zwarciem, przeciążeniem w momencie awaryjnego przekroczenia dopuszczalnych zakresów napięcia, możliwość ustawienia trybu uśpienia. Główna wada tego schematu - zasilacz się nie włącza przy pełnym obciążeniu. Wtedy należy najpierw go włączyć, a potem podać obciążenie.
Parametry:
Napięcie zasilające: 200…240V
Napięcie wyjściowe:
- bez obciążenia: ±16,5V
- przy pełnym obciążeniu: ±15…±15,5V
Maksymalna moc wyjściowa długotrwała (ogranicza ją układ scalony): 70W
Częstotliwość pracy: 20kHz
Sprawność urządzenia: 90…93%
Zasilacz przeznaczony jest do pracy przy równomiernych obciążeniach, kiedy wartości napięcia dodatniego i ujemnego są równe - we wzmacniaczach niskich częstotliwości. Nierównomierne obciążenie doprowadzi do przepięcia na jednym z wyjść. Kupując elementy, pamiętajmy o wymaganiach odnośnie ich parametrów i konstrukcji urządzenia. Diody prostownicze powinny posiadać napięcie wsteczne nie mniejsze niż 200V, kondensatory C11 i C12 powinny być przeznaczone na napięcie 50V tzn. te o większej pojemności. Problem w tym, że będą się nagrzewać - przy częstotliwości ok. 20-30kHz mają niewielką impedancję, która efektywnie tłumi szpilki napięciowe, co wywołuje wzrost temperatury. Należy zwracać uwagę na wygląd elementów, zwłaszcza układu scalonego i diod prostowniczych - jeśli są porysowane lub niedbale wykonane lepiej z nich nie korzystać. Dobre są układy scalone firm Fairchild i Samsung (SEC).
Dla układów, w których występują transformatory, bardzo istotne jest fazowanie ich uzwojeń. Przy fazowaniu należy zwrócić uwagę, aby końce uzwojenia łączyły się z odpowiednimi punktami w obwodzie. Jeśli fazowanie będzie niedokładne, wystąpi przeciwna faza, co zakłóci pracę układu i może uszkodzić elementy. Końce uzwojeń są zaznaczone na schemacie u jednego z wyjść uzwojenia. Tak jak w przypadku głośników wyjścia są oznaczone plusami. Polecam stosować jedną z dwóch przedstawionych poniżej metod uzwajania bez ich łączenia.
Dzięki temu łatwiej będzie określić, które wyjście jest początkiem, a które końcem. Przykładowe fazowanie przedstawiono na rysunku poniżej. Punktami zaznaczono początek uzwojenia.
Uzwojenia transformatora nawinięto na rdzeniu 12x12 z ferrytu М2000 ze szczeliną 0,2mm. Uzwojenie pierwotne składa się z 36 zwojów, podzielonych na dwie równie części. Pierwsza część jest nawijana na pierwszą warstwę, druga - na kolejną. Pomiędzy nimi znajduje się uzwojenie wtórne: 7+7 zwojów bifilarnie, uzwojenie zasilania układu scalonego: 7 zwojów. Uzwojenie wykonano z drutu o średnicy 0,6mm. Szczelinę robimy przy pomocy papieru - przyklejamy go do końców rdzenia, wszystko składamy razem z cewką i przyklejamy dobrym klejem.
Przetwornica złożona bez błędów montażowych powinna zacząć od razu poprawnie pracować. Niemniej jednak, aby zabezpieczyć się przed potencjalnymi błędami, prześledzimy pierwsze włączenie urządzenia krok po kroku.
Zamiast bezpiecznika użyjemy zwykłej żarówki 230V 100W w celu ochrony układu scalonego w momencie zwarcia. Wylutowujemy oba tyrystory stanowiące zabezpieczenie nadnapięciowe. Do wyjścia przetwornicy pomiędzy „+” i „-” podłączamy obciążenie - rezystor 30-40Ω o mocy nie mniejszej niż 100W. Wykorzystamy ją tylko w celu sprawdzenia bloku zasilania.
Nie należy zapominać, że rezystor podłączamy między „+” a „-” źródła, a pomiary napięcia będziemy robili względem masy (GND). Podłączamy miernik do „+” na wyjściu przetwornicy, a całość podłączamy do prądu. Na wyjściu powinno się pojawić napięcie +16,5V. Czekamy 5s, włączamy przetwornicę i sprawdzamy poziom nagrzania się elementów. Jeśli zauważymy podejrzanie ciepłe elementy, nie powinniśmy tego ignorować!
Nie należy zapominać, że dopiero co zmontowaliśmy sieciowy zasilacz, który posiada „ukrytą siłę niszczenia”
Jeśli napięcie na wyjściu będzie większe niż 16V, np. 20-30V, będzie to znaczyło, że nie działa obwód sprzężenia zwrotnego. Może to być wynik błędów w schemacie lub wadliwych elementów. Trzeba będzie sprawdzić. Jeśli zaś napięcie jest mniejsze niż 16V i po 5s układ scalony jest mocno nagrzany, oznacza to, że zostało niewłaściwie sfazowane uzwojenie wtórne względem pierwotnego.
Może też zdarzyć się i tak, że po podłączeniu przetwornicy do sieci na wyjściu nic się nie pojawi. Wtedy należy sprawdzić napięcie na kondensatorze sieciowym - ok. 300V, napięcie na trzeciej nóżce układu scalonego względem masy strony pierwotnej (wyjście 2). Jego wartość powinna wahać się w zakresie 12-15V - to układ scalony próbuje się uruchomić, ale coś mu przeszkadza. Dlatego sprawdzimy jeszcze zasilający go obwód - uzwojenie wtórne i prostownik – początki uzwojeń. Jeśli wszystko działa, przyczyną może być uszkodzenie układu scalonego lub diod prostowniczych w wyniku zwarcia, przeciążenie. Wyłączamy przetwornicę i czekamy aż kondensator sieciowy rozładuje się do wartości poniżej 30V, a następnie spróbujemy znów go włączyć - z podłączonym obciążeniem nie 30-40Ω, a 50-60. Możliwe też, że diody D4 i D5 nie nadają się do pracy na wysokich częstotliwościach i są zbyt wolne do tej przetwornicy. W takim przypadku transformator świszczy. Jeśli zaś usterka wygląda na inną, to sprawdzamy ile zwojów nawinęliśmy i jak. Jeśli napięcie na trzecim pinie układu scalonego jest wyraźnie wyższe niż 20V, np. 30-40V, to za dużo nawinęliśmy zwojów w uzwojeniu wtórnym lub zostało ono nieprawidłowo sfazowane względem uzwojenia pierwotnego.
Kolejny etap - sprawdzenie pracy bloku bez obciążenia. Jest to test stabilizacji obwodu sprzężenia zwrotnego wykonanego na optotranzysotrze. Wymagane napięcie wyjściowe ustawia się za pomocą diody zenera D6; co prawda, będzie ono o 1,5V wyższe niż napięcie diody. Jeśli na obciążeniu zmierzyliśmy dokładnie potrzebne napięcie, tzn. 15-16V, odłączamy obciążenie. Wartość napięcia nie powinna się zmieniać, ale różnica 1-1,5V nie będzie nam przeszkadzać. Bądźmy gotowi, żeby szybko odłączyć przetwornicę z prądu, jeśli bez obciążenia napięcie silnie wzrośnie - w przeciwnym wypadku można uszkodzić diody prostownicze, kondensatory i optotranzystor.
Następnie sprawdzamy zabezpieczenie nadnapięciowe w momencie zwiększenia napięcia wyjściowego ponad poziom alarmowy. Zabezpieczenie działa w trybie awaryjnym, bez możliwości ponownej próby włączenia przetwornicy. Jest ono zarówno na dodatniej gałęzi obwodu, jak i na ujemnej; oba zabezpieczenia pracują jednak niezależnie, dając wspólny efekt.
Co robimy? Doprowadzamy do zwarcia na wyjściu, co powoduje przejście układu scalonego do trybu awaryjnego. Tyrystory błyskawicznie reagują i w momencie awarii za kilka mikrosekund zostaje odłączone zasilanie. Jeśli w przyszłości nagle zadziała ten obwód, to trzeba będzie sprawdzić blok zasilania zgodnie z tą metodą, od początku do końca. Dla sprawdzenia zwiększamy napięcie wyjściowe o kilka woltów. W tym celu do diody stabilizującej napięcie podłączymy szeregowo jeszcze jedną o wartości kilku woltów - 4,7, 5,1 lub 6,2V. Zewrzemy ją zworką i włączymy przetwornicę. Mierzymy napięcie wyjściowe - w normie. Rozwieramy zworkę, transformator powinien „stuknąć”, a przetwornica - wyłączyć się. Czekamy aż rozładuje się kondensator sieciowy, znowu umieszczamy zworkę i włączamy. Napięcie wyjściowe po raz kolejny powinno być w normie.
Jeśli przetwornica przeszła pomyślnie wszystkie testy, dajemy jej obciążenie 150Ω i zostawiamy na pół godziny. Po tym urządzenie jest gotowe do pracy.
Montaż płytki drukowanej
Płytka drukowana jest projektowana oddzielnie, pod konkretną obudowę transformatora i rozkład jego pinów.
Przy projektowaniu płytki należy wziąć pod uwagę następujące rzeczy:
1.Elementy pracujące razem powinny być rozmieszczone blisko siebie. Po ścieżkach płyną prądy impulsowe, generujące zakłócenia, więc im dłuższa będzie ścieżka, tym więcej takich zakłóceń.
2.Pomiędzy ścieżkami w części sieciowej należny zachować odpowiednie odstępy. Kiedy ścieżkami jest prowadzone napięcie 200-300V, odstęp pomiędzy nim powinien wynosić nie mniej niż 4-5mm. Podobne odstępy należy zachować pomiędzy ścieżkami części sieciowej i części niskonapięciowej. Jedyny element, z którym nic nie musimy robić to optotranzystor. Odległość pomiędzy jego pinami to ok. 1cm; wszystkie pozostałe odległości między częścią sieciową, a niskonapięciowa też powinny tyle wynosić.
3.W części niskonapięciowej ścieżka od optotranzystora powinna być podłączona możliwie blisko diody D4.
4.Aby ścieżka wytrzymywała duże wartości napięcia, często się ją zalewa lutem. Ale nie dotyczy to wszystkich ścieżek. Jeśli jest taka możliwość, niech będzie ona szersza niż grubsza, ponieważ pomiędzy grubszymi ścieżkami może się wytworzyć połączenie pasożytnicze, które będzie przyczyną szumu na wyjściu i innych nieprawidłowości.
5.Kondensatory C15, C16 powinny być podłączone bliżej diod, a nie kondensatorów elektrolitycznych C11 i C12.
6.Bardzo ważne! Spójrzmy na rysunek 4:
Ścieżka idzie od diody D1 do kondensatora ceramicznego C1, od niego do kondensatora elektrolitycznego C2, następnie do cewki L1 - to wariant prawidłowy.
Rysunek 5 przestawia zaś wariant nieprawidłowy:
Ścieżka, na której jest kilka elementów, powinna je obchodzić, a nie przechodzić obok.
W technologii impulsowej często bardzo ważne są milimetry odległości. Spójrzmy na przykładowy rysunek 6:
Jeśli punkt podłączenia kondensatora ceramicznego C1 wyznaczymy o 5mm dalej od diody D1, to stabilizacja pogorszy się o 1,5V, a sprawność o 1%.
Poniżej fotografie prototypu:
Źródło: http://radiokot.ru/circuit/power/supply/03/
Cool? Ranking DIY
