Автоматическое переключение обмоток трансформатора в блоке питания: характеристика, схемы
В состав любого измерительного комплекса, имеющегося в современной лаборатории или на рабочем месте радиолюбителя, обязательно входит недорогой и надежный блок питания (БП). Для того чтобы улучшить его эксплуатационные характеристики, специалисты советуют применить автоматическое переключение трансформаторных обмоток в блоке питания. Это существенно снижает паразитное рассеяние мощности в выходных каскадах и облегчает режим работы любого лабораторного источника тока.
Указанный подход особо востребован в тех случаях, когда в рабочих условиях востребован БП с диапазоном регулировки напряжения 50 Вольт, например, и с током нагрузки не менее 5 Ампер. Промышленные источники с такими заявленными характеристиками для рядового пользователя недоступны из-за своей высокой стоимости. Как раз это и вынуждает его применять принцип и схему автоматического переключения обмоток трансформатора в блоке питания.
Для чего используется система переключений обмоток трансформатора
При самостоятельном изготовлении блока питания с такими характеристиками исполнителю приходится решать целый ряд проблем, важнейшая из которых – обеспечение требуемой передаточной характеристики во всем спектре выходных напряжений. Рассмотрим пример, когда имеется источник питания, рассчитанный на максимальное напряжение до 50-ти Вольт.
Если в определенной ситуации потребовалось установить точное значение выходного напряжения всего в 5 Вольт при токе в нагрузке 5 Ампер – в выходных цепях будет бесполезно рассеиваться мощность 225 Ватт. Эта цифра получается из расчета 50-5=45 (Вольт), что после умножения на 5 Ампер дает означенною величину потерянной без всякого эффекта мощности.
Важно! В данной ситуации КПД такого источника будет предельно низким.
Для устранения указанного недостатка приходится принимать специальные меры, позволяющие существенно снизить потери в индуктивных выходных каскадах. Для этого потребуется предпринять следующее:
- Каким-то образом коммутировать вторичные обмотки силового трансформатора (ТС), что позволит при необходимости отбирать от него меньшую по величине мощность.
- Использовать более экономичный импульсный режим преобразования электроэнергии.
- Воспользоваться заранее изготовленным предварительным регулятором, работающим по тому же импульсному принципу.
С другой стороны, общеизвестно, что надежный и многофункциональный лабораторный блок питания не должен иметь импульсных узлов, приводящих к появлению нелинейных искажений. Более рациональным и эффективным в этом случае считается чисто линейное преобразование.
Дополнительная информация: для не очень сложных любительских схем вполне сгодится обычный импульсный блок питания.
Однако для наладки более точной электронной аппаратуры потребуется стандартное устройство, содержащее узлы с линейной передаточной характеристикой.
Принцип работы
Для решения этой проблемы при разработке промышленных источников питания инженеры пошли по первому пути, предполагающему наличие во вторичной обмотке нескольких коммутируемых отводов. Для их переключения применяются самые различные способы, включая следующие варианты:
- Ручная коммутация (посредством галетных переключателей, например).
- Использование типовых коммутирующих реле, управляемых отдельным электронным узлом.
- Включение в выходную цепочку быстродействующих полупроводниковых элементов (симисторов).
- Применение в качестве управляющего узла современных контроллеров.
Такая коммутация позволяет использовать только часть вторичной обмотки, соответствующую требуемому значению выходного напряжения (в приведенном выше примере – это 5 Вольт).
Таким образом, принцип работы такой схемы заключается в искусственной регулировке выходного переменного напряжения с установкой его фиксированной величины, меньшей полного значения выхода трансформатора. Данный подход исключает неоправданный расход энергии, идущей на бессмысленный нагрев элементов выпрямителя (в типовых схемах эту функцию выполняют силовые транзисторы).
Обратите внимание! Для повышения КПД такой схемы и снижения степени нагрева сердечника трансформатора специалисты советуют увеличивать число отводов вторичной обмотки до максимального значения.
После такой доработки выходных цепей к ним подключаются контакты галетного переключателя, посредством которого можно будет устанавливать требуемый режим питания по выходу. Единственное неудобство этого метода – увеличение числа органов управления выходным напряжением. Неэффективность механического способа подключения выходных обмоток трансформатора заставляет искать новые (более рациональные) решения.
Преимущества
Применение принципа дробления выходного напряжения на небольшие части обеспечивает следующие преимущества:
- Возможность на свое усмотрение устанавливать на выходе устройства широкий набор рабочих напряжений.
- Снизить потери в выходных каскадах блока питания.
- Повысить общий КПД и, в конечном счете, сэкономить на расходе электроэнергии.
Все эти преимущества удается получить лишь при условии эффективности механических способов управления или электронных схем коммутации. Порядок построения каждой из них будет рассмотрен в следующем разделе.
Варианты схематических решений
При конструировании блоков питания, обеспечивающих экономное расходование электроэнергии и исключающих тепловые потери в сердечнике трансформатора, возможны следующие варианты:
- Установка в выходных цепях обычных переключателей витков.
- Применение в тех же цепочках коммутаторов релейного типа.
- Использование в выходных управляющих линиях современных симисторных переключателей.
- Применение в преобразовательной схеме программируемого электронного коммутатора (контроллера).
Далее каждый из этих способов управления выходным напряжением будет рассмотрен более подробно.
Простой блок переключения
Этот тип коммутатора может быть выполнен в виде обычного галетного переключателя, рассчитанного на определенное число положений ручки управления. Каждому из них соответствует заданное количество витков вторичной катушки трансформатора, с увеличением числа которых возрастает его выходное напряжение.
Важно! К преимуществам этого способа следует отнести простоту реализации, а к недостаткам – неудобство постоянного переключения ручки, которой приходится управлять вручную.
Кроме того, коммутации в этом случае происходят очень медленно и приводят к паразитным переходным процессам в выходных цепях, обладающих высокой индуктивностью.
Релейный
Принцип этого метода управления выходными каскадами БП основан на применении специальных коммутирующих элементов, называемых реле. С их помощью удается существенно повысить скорость переключений и исключить появления больших всплесков напряжения (тока). Со схемой такого коммутатора можно ознакомиться на приведенном справа рисунке.
Из нее видно, что для управления положением контактов реле используется отдельная катушка, напряжение с которой выпрямляется и подается на простейший электронный модуль, выполненный на основе транзисторов.
Обратите внимание! В этом случае исполнительной частью устройства коммутации являются контакты реле, срабатывающие намного быстрее человеческой руки, переключающей галетный прибор.
Поэтому переходные процессы в данной схеме заметно меньше, а опасность возникновения перенапряжений в выходных цепях существенно снижается. С другой стороны, контакты реле со временем снашиваются, а сильное искрообразование зачастую приводит к нарушениям в нормальной работе преобразователя. Гораздо надежнее некоторые типы полупроводниковых приборов (симисторы, например), при коммутации которых в цепях исключаются паразитные помехи.
Симисторный
Симисторная схема управления переключением обмоток (точнее – ее пример) приведена на рисунке слева. В данной ситуации коммутация витков выходной катушки осуществляется посредством электронных переходов специальных полупроводниковых приборов – симисторов. Для управления их переключением в схеме предусмотрен электронный модуль, срабатывающий по сигналу, поступающему от пользователя.
В данном случае для развязки управляющих и коммутирующих цепей применены оптические пары того же симисторного типа. Сигнал на их входные элементы поступает с выходов транзисторов, управляемых электронным коммутатором на операционных усилителях. В состав симистороной схемы управления выходными напряжениями входят:
- Блок питания на стабилизаторе VR1.
- Модуль задержки включения, выполненный на транзисторах VT1-VT3.
- Блок индикации на светодиодных элементах LED1-LED3.
- Типовой сдвоенный компаратор LM393.
- Логика типа 74HC86.
- Оптроны MOC3083.
- Входной делитель R6-R7.
В процессе настройки этой схемы резистором R7 выставляется фиксированное входное напряжение, поделенное делителем R6-R7 на десять. Пример: при поступлении с БП напряжения 20 Вольт, его величина на не инвертируемых входах LM393 составит всего 2 Вольта. А резисторы R8, R10 служат для выставления пороговых напряжений переключения
Переключатель обмоток трансформатора на контроллере
Принцип работы программируемого блока состоит в следующем:
- Каждому из фиксируемых значений выходного напряжения (согласно требованиям задания) ставится в соответствие определенный двоичный код.
- Комбинация из нулей и единичек определяет нужное число обмоток, подключаемых к выходу трансформатора блока питания.
- За счет их изменения и происходит управление выходными цепями.
- За смену кода ответственен специальный контроллер, управляющий работой всей схемы.
Дополнительная информация! Особенностью данного метода является то, что электронный модуль не измеряет текущее выходное напряжение, а только индицирует его расчетное значение.
Применение в управляющей схеме современного микроконтроллера позволяет существенно сократить общее число комплектующих изделий. Это не только заметно упрощает проектирование и изготовление печатных плат, но и облегчает все процедуры, связанные с наладкой устройства в целом. На приведенном выше рисунке представлена схема управления выходным каскадом блока, выполненная на микроконтроллере PIC16F628A-1/P (DD1). Дополнительный узел – регистр сохранения данных ЭКР1554ИР22 (DD2).
Конечно, для реализации этого принципа управления можно было обойтись простейшим и более дешевым микроконтроллером PIC12F629. Он обычно применяется в сочетании с двумя сдвиговыми регистрами, преобразующими последовательный код в его параллельную копию. Но при этом дешевое устройство не обеспечивало бы требуемую устойчивость к воздействию импульсных помех, которые, как известно, всегда присутствуют при коммутации индуктивных цепей.
Обратите внимание! Указанное замечание непосредственно касается нашего случая, когда схемное решение предполагает использование обладающих большой индуктивностью трансформаторных обмоток.
В заключительной части тематического обзора отметим, что все известные способы переключения выходных обмоток трансформатора делятся на механические (с использованием галетного переключателя, например) и автоматические. Второй способ управления успешно реализуется за счет появления быстродействующих электронных элементов и комплектующих. При их использовании не только повышается скорость предполагаемых коммутаций, но и возрастает уровень защищенности схемы от воздействия паразитных импульсных помех.
Переключение обмоток трансформатора лабораторных источников питания. Часть первая. — Блоки питания — Источники питания
Николай Петрушов
Лабораторный источник питания для радиолюбителя является первостепенной и неотъемлемой частью радиолюбительской лаборатории. Каждый решает для себя сам — купить такой источник, или собрать его самому.
Конечно, хочется иметь в своей лаборатории источник питания с широкой регулировкой напряжения, вольт эдак до 50, и конечно с током нагрузки, желательно не менее 5 ампер.
Промышленные источники питания с такими характеристиками для рядового радиолюбителя просто не доступны, и остаётся единственный путь — изготовить такой источник самому. Но при самостоятельном изготовлении источника питания с такими характеристиками, приходится решать ряд проблем, одной из которых самой главной, является его КПД во всём диапазоне выходных напряжений.
Дело в том, что при максимальном выходном напряжении источника питания в 50 вольт, и при установке выходного напряжения, например 5 вольт и токе нагрузке 5 ампер — на выходных транзисторах будет выделяться бесполезная мощность 225 ватт. То есть КПД источника в таком режиме будет до безобразия мал.
Решить такую проблему можно разными способами, например коммутацией вторичных обмоток силового трансформатора, или сделать источник питания импульсным, или собрать импульсный пред-регулятор. Но как показала личная практика — хороший лабораторный источник питания не должен иметь ни каких импульсных каскадов и быть чисто, только линейным. Для каких либо цифровых, или не ответственных схем, вполне может подойти и импульсный источник питания, а вот для наладки какой либо приёмной аппаратуры — только линейный.
Поэтому в линейных промышленных источниках питания пошли по первому пути, где вторичная силовая обмотка трансформатора имеет несколько отводов и коммутируется двумя-тремя реле.
Эти меры частично решают данную проблему и значительно повышают КПД источника питания.
Ещё более улучшить его КПД и уменьшить нагрев выходных транзисторов, можно увеличением количества отводов силовой обмотки трансформатора и, например установки галетного переключателя, как сделано в блоке питания, схема которого обозначена на рисунке ниже. Одно неудобство — увеличивается количество органов регулировки и установки выходного напряжения.
Чтобы избавиться от этого недостатка — была разработана схема блока переключения обмоток трансформатора на реле, представленная ниже.
Вашему вниманию предлагается блок переключения обмоток трансформатора для лабораторных источников питания, который выполнен всего на трёх реле, и который переключает вторичные обмотки силового трансформатора с шагом в 5 вольт, и имеет восемь ступеней регулировки выходного напряжения.
Блок переключения меняет напряжение с трансформатора на входе блока питания ступенями по пять вольт, от 8-ми до 43 вольт в зависимости от выходного напряжения блока питания. Такое максимальное выходное напряжение (43 вольта) выбрано не случайно, и обусловлено применением в фильтре распространённых электролитических конденсаторов с рабочим напряжением 63 вольта. При этом напряжение на конденсаторах фильтра будет около 60 вольт и максимальное выходное напряжение блока питания может достигать 50-52 вольта. Вы вполне сами можете изменить максимальное выходное напряжение с трансформатора и напряжение ступеней регулирования под свои нужды. Например начальную обмотку сделать на 10-12 вольт, и ступени изменения сделать по 6 вольт. Тогда максимальное переменное напряжение, подаваемое на мост — составит 52-54 вольта. Конденсаторы фильтра в таком случае необходимо ставить на рабочее напряжение 80 вольт.
Схема блока собрана на 13-ти транзисторах и одной микросхеме. При кажущейся сложности схемы, она довольно простая, и при правильной сборке не требует никакого налаживания, начинает работать сразу и работает надёжно.
Схема блока переключения обмоток трансформатора.
В схеме применены реле на рабочее напряжение 12 вольт. Контакты реле на схеме трансформатора, обозначены в исходном положении (все реле обесточены).
Можно применять реле на любые рабочие напряжения, с коммутируемым током через контакты не менее 10 ампер. При использовании реле на другие рабочие напряжения, например на 24 вольта, необходимо будет вторичную обмотку силового трансформатора, которая питает данный блок (обмотка V), намотать на напряжение 17-18 вольт и стабилизатор 7805 желательно установить на небольшой радиатор.
Схема работает следующим образом;
Когда выходное напряжение блока питания не превышает 6,2 вольт, стабилитроны закрыты и все реле обесточены. На выпрямительный мост блока питания — подаётся переменное напряжение 8 вольт с первой части вторичной обмотки II силового трансформатора. При повышении выходного напряжения блока питания более 6,2 вольт, открывается стабилитрон ZD1, на вход микросхемы 1 (вывод 11) — подаётся логический ноль. Микросхема К555ИВ3 — является приоритетным шифратором (выше приоритет имеет вход с более высоким номером), и на выходе выдаёт двоичный код 1-2-4-8 в зависимости от того, на каком входе присутствует логический ноль. Самый высокий приоритет у входа 9 (вывод 10, мы его, вход 8 и выход 8 не используем), то есть если на этом входе логический ноль, то на выходе будет двоичный код девятки 1-0-0-1 (вернее 0-1-1-0, так как активный уровень микросхемы — логический ноль), в не зависимости от входных уровней на других входах. Поэтому после открывания стабилитрона ZD1 — срабатывает реле Р1 и переключает своими контактами обмотку II. Выходное напряжение с выхода трансформатора повышается на 5 вольт. При дальнейшем повышении выходного напряжения блока питания до уровня 12,4-12,6 вольт, открывается второй стабилитрон, на второй вход микросхемы К555ИВ3 (вывод 12) подаётся логический ноль и срабатывает реле Р2, а Р1 выключается (двоичный код двойки 0-1-0). К первой части обмотки II подключается обмотка III, и на выходе трансформатора переменное напряжение повышается ещё на 5 вольт. Ну и так далее, при повышении выходного напряжения блока питания — срабатывание всех реле происходит в двоичном коде. Пороги срабатывания выбраны следующие; 6,2 — 12,5 — 18,6 — 24,8 — 31 — 37,5 — 43,5 вольт и зависят от применённых стабилитронов.
Трансформатор блока питания.
Силовой трансформатор для применения с данным блоком, имеет три силовых обмотки. Намотать одну силовую обмотку с несколькими выводами, или три силовых обмотки — особой разницы нет, так как в основном трансформатор для своего источника питания, основная часть радиолюбителей изготавливает самостоятельно. Поэтому мотаем три обмотки, проводом рассчитанным на наш максимальный ток нагрузки. Первая на 13 вольт с отводом от 8-ми вольт (8+5), вторую на 10 вольт и третья на 20 вольт. Начало обмоток на схеме обозначены точками. Вы можете по своему усмотрению выбрать для себя необходимые напряжения и намотать свои обмотки, только необходимо помнить, что напряжение обмотки III должно быть в два раза больше второй части обмотки II, а напряжение обмотки IV — в два раза больше напряжения обмотки III.
Транзисторы в данном блоке переключения применены КТ315 и выходные КТ815. Вместо них можно ставить любые транзисторы соответствующей структуры и мощности.
Блок собран на печатной плате — размером 55х70 мм. Печатная плата рассчитана без установки на неё реле, так как они могут применяться самые разнообразные. Реле установлены на отдельной плате.
Печатная плата блока переключения обмоток трансформатора.
Зарубежные аналоги для микросхемы К555ИВ3 — 74LS/HC/HCT 147. Стабилитроны можно ставить на необходимые Вам пороги переключений. Печатная плата разработана в формате Sprint-Layout 6.0 и изображена со стороны деталей. То есть при её изготовлении рисунок нужно «зеркалить». Плата также имеется в архиве.
Архив для статьи
cxema.org — Коммутатор обмоток для лабораторного блока питания
Коммутатор обмоток для лабораторного блока питания
Регулируемый источник питания является обязательным атрибутом на столе радиолюбителя, но из-за их немалой стоимости многие предпочитают сделать лабораторный блок питания своими руками.
Блоки питания бывают линейными и импульсными, основное преимущество импульсных схем — это их высокий КПД (>90%). Линейные схемы имеют низких КПД, но обеспечивают более чистое выходное напряжение, которые свойственны импульсным источникам питания.
Линейные источники питания лучше, но при конструировании таких источников питания большой мощности возникают проблемы с охлаждением силовых транзисторов.
В чем же заключается основная сложность?. Допустим мы собрали блок питания с регулировкой напряжения от нуля до 30 Вольт и ток от нуля до 5 Ампер. И если мы выставим на выходе малое напряжение и большой ток, например 3 Вольта и 5 Ампер, на выходе получим мощность около 9 Ватт, при этом на транзисторе будет падение напряжения как минимум 27 Вольт, с учетом тока в 5 ампер, получаем около 140 ватт мощности в виде бесполезного тепла, которое нужно отводить.
Есть два основных варианта решения этой проблемы:
- Громадный радиатор с вентилятором для охлаждения силового транзистора;
- Система переключения обмоток трансформатора.
Второй вариант наиболее предпочтителен, и позволит избавиться от массивных радиаторов и шумного вентилятора.
Принцип работы очень прост — при малых выходных напряжениях на вход также подается малое напряжение. Таким образом мощность рассеиваемая на транзисторе будет гораздо меньше, КПД увеличивается в разы.
Но для того, чтобы задействовать коммутатор, нужно иметь трансформатор с несколькими вторичными обмотками, желательно с полностью одинаковыми параметрами, например три обмотки по 12 Вольт.
Перед вами сейчас самая простая и безотказная схема релейного коммутатора.
Имеем пару стабилитронов на одинаковое напряжения и пару реле, которыми управляют маломощные транзисторы обратной проводимости. Точка «А» подключается к выходу лабораторного блока питания. Масса питания общая. Схема коммутатора питается от отдельной, маломощной обмотки.
Схема работает следующим образом, если напряжение на выходе лабораторного блока питание ниже 12 Вольт, стабилитрон закрыт. Если напряжение на выходе лабораторного блока питания больше 12 Вольт первый стабилитрон моментально откроется, сигнал поступит на базу первого транзистора, отпирая его, через открытый переход поступит питание на обмотку реле, как следствие — реле также сработает, коммутируя соответствующую обмотку. Теперь на вход стабилизатора поступает напряжение 24 Вольта.
При увеличении выходного напряжения блока питания до порогового значения, а это сумма напряжений обеих стабилитронов, точно таким же образом откроется второй стабилитрон, что приведёт к отпиранию второго транзистора и сработкет второго реле, и на вход стабилизатора поступит полное напряжение со всех трех последовательно соединенных обмоток трансформатора.
В этот момент первое реле тоже находится во включенном состоянии, но так как питание поступает по второму реле, на выходное напряжение это не влияет. Добавив в схему еще один транзистор со стабилитроном, в эти моменты можно отключать его.
Если напряжение на выходе источника питания больше значения суммы напряжений стабилизации стабилитронов откроется третий транзистор, шунтируя базу транзистора, который управляет первой реле на массу питания, тот закроется и отключит реле.
Стоит заметить, что через стабилитроны и переходы база эмиттер протекают ничтожно малые токи.
В схеме использованы реле с напряжением катушки 12 Вольт.
Диоды предназначены для защиты от пробоя управляющих транзисторов напряжением самоиндукции с обмоток реле во время их отключения.
Ток коммутации реле зависит от вашего блока питания, если конструируете лабораторный блок питания на 5 Ампер, реле желательно взять с двукратным запасом, например 10-12 Ампер.
Базовые ограничительные резисторы для транзисторов могут иметь сопротивление от 6,8 до 15 кОм. Сами транзисторы обратной проводимости, можно взять любые малой и средней мощности.
К недостаткам схемы можно отнести использование электромагнитного реле. Должен сказать, что во многих промышленных блоках питания применяется именно такое решение. Реле издают звук во время переключения, а контакты не вечные.
Есть системы, где переключающим элементом является симистор, но такие коммутаторы также не идеальны, часто возникают проблемы с управлением, а на самих симисторах будут потери, следовательно и нагрев, к тому же симисторные схемы довольно сложны.
Питать схему коммутации можно как от отдельной обмоткой, которая намотана на основном трансформаторе, так и от отдельного маломощного блока питания. Напряжение этого источника должно быть от 18 до 20 вольт, при токе в 200-300мА.
Печатная плата тут
Переключение обмоток трансформатора лабораторных источников питания. Часть вторая. — Блоки питания — Источники питания
Николай Петрушов
В первой части нашего повествования, была рассмотрена схема коммутатора вторичной обмотки силового трансформатора, выполненная на электромагнитных реле. Для тех, кто мало работает с блоком питания в режиме стабилизации тока, и не изменяет выходное напряжение под нагрузкой — схема вполне подойдёт и прослужит очень долго, но и у неё имеются определённые недостатки.
При регулировке выходного напряжения БП слышны щелчки срабатываемых реле. Так как коммутация обмоток происходит с прерыванием тока, контакты реле могут обгорать, особенно в режиме стабилизации тока с подключенной нагрузкой.
Всех этих недостатков не имеет электронный вариант коммутатора вторичных обмоток трансформатора ЛБП, рассматриваемый ниже.
Схема электронного коммутатора выполнена на симисторах и работает в режиме вольт добавки. Ей абсолютно всё равно, в какой момент полупериода переменного напряжения включится или выключится симистор, и сколько включится симисторов. Она просто добавляет или уменьшает (но не прерывает) входное напряжение на блок питания, которое зависит от количества включенных симисторов и соответственно выходного напряжения блока питания.
Идея использования вольт добавки, предложенная kotosob-ом с форума сайта «Паяльник», я здесь лишь предлагаю свой вариант её исполнения.
Схема этого варианта коммутатора, так же, как и в первой части, собрана на микросхеме К555ИВ3. Без неё было бы трудно реализовать алгоритм переключения симисторов, да и увеличилось бы количество отводов вторичной обмотки силового трансформатора и используемых в схеме диодов и симисторов, при аналогичных пределах переключений и используемых напряжений.
В силовой части коммутатора используются четыре симистора (соответственно четыре симисторных оптрона) и три диодных моста, которые при применении симисторов в изолированных корпусах, можно установить на общий радиатор.
Схема блока переключения обмоток трансформатора.
Как видно из схемы, она похожа на релейный вариант коммутатора, рассмотренного в первой части.
Для задания порогов переключения, здесь так же используются стабилитроны на рабочее напряжение 6,2 — 6,8 вольт. Лучше конечно использовать стабилитроны на рабочее напряжение 6,8 вольт, тогда пороги переключений будут следующие — 6,8 v; 13,6 v; 20,4 v; 27,2 v; 34 v; 40,8 v.
В электронном коммутаторе используются четыре симистора, которые коммутируют вторичные обмотки силового трансформатора таким образом, что выходное напряжение с моста, подаваемое на вход блока питания (на электролитические конденсаторы фильтра), изменяется от 8-ми до 44 вольт, с пределом изменения в 6 вольт, в зависимости от выходного напряжения блока питания, то есть равняется 8, 14, 20, 26, 32, 38, 44. Необходимое напряжение вторичных обмоток силового трансформатора для данного варианта блока питания, указано на схеме силовой части коммутатора.
С таким коммутатором можно построить блок питания с выходным напряжением, изменяемым от 0 и до 40-45 вольт, с током нагрузки 5-10 ампер с хорошим КПД во всём диапазоне выходных напряжений.
Схема силовой части.
Если в фильтре блока питания применить электролитические конденсаторы на рабочее напряжение 80 вольт, то можно построить блок питания, максимальное выходное напряжение которого, может достигать 55-65 вольт.
Для этого необходимо будет намотать силовой трансформатор, первые три секции которого (I, II, III) имеют выходное напряжение по 8 вольт, две последующие (IV, V) по 16 вольт, соответственно проводом, рассчитанным на необходимый ток нагрузки. Напряжения, подаваемые на вход блока питания в этом случае будут следующие — 8, 16, 24, 32, 40, 48, 56 вольт. Так же все стабилитроны необходимо будет заменить на стабилитроны с напряжением стабилизации 7,5 — 8,2 вольта, для расширения порогов переключения электронного коммутатора.
Работа электронной схемы, аналогична схеме релейного коммутатора, описанного в первой части, а силовая часть работает следующим образом.
Если выходное напряжение БП не превышает 6,2-6,8 вольт (рабочее напряжение стабилитрона), то все симисторы закрыты, и на вход БП поступает напряжение 8 вольт с III-части вторичной обмотки силового трансформатора. При повышении выходного напряжения, открывается первый стабилитрон, на выходе 1 (вывод 9) микросхемы К555ИВ3 появляется логический ноль, загорается светодиод оптрона U3, открывается симистор VS3.
К диодам второго моста VD9-VD10 подключается II-часть вторичной обмотки и к 8-ми вольтовой обмотке добавляется 6 вольт. В итоге выходное напряжение повышается на 6 вольт (8+6).
Выпрямительные диоды VD7-VD8 при этом запираются поступающим на них повышенным обратным напряжением с диодов VD9-VD10 и исключаются из работы.
В дальнейшем при повышении выходного напряжения БП, открывается второй стабилитрон. На выходе 2 (вывод 7) микросхемы К555ИВ3 — появляется логический ноль, на выходе 1 (вывод 9) — логическая единица.
Загорается светодиод оптрона U2, симистор VS2 открывается, а светодиод оптрона U3 гаснет и симистор VS3 — закрывается.
В работу вступают диоды VD3-VD4 (и VD7-VD8), которые запирают диоды VD5-VD6. К 8-ми вольтовой обмотке добавляется 12 вольт, а 6 вольт (VS3, VD9-VD10) отключается. Итоговое напряжение на входе БП повышается ещё на 6 вольт (8+12).
В дальнейшем при повышении выходного напряжения БП — симисторы VS1-VS3 (точнее будет VS3-VS1), срабатывают в двоичном коде и напряжение ступенями по 6 вольт повышается до максимума. Последним открывается симистор VS4. При уменьшении выходного напряжения блока питания, всё происходит в обратном порядке.
Переключатель обмоток собран на печатной плате, размером 56х77 мм.
Печатная плата коммутатора.
Печатную плату для коммутатора любезно предоставил пользователь нашего сайта Анатолий Соколов (anatolurew). Печатная плата в формате Sprint-Layout от Анатолия Соколова добавлена к статье в прикреплении (архиве) для скачивания.
Зарубежные аналоги для микросхемы К555ИВ3, как указывалось в первой части — 74LS/HC/HCT 147.
В качестве диодных мостов (VD1-VD4, VD5-VD8, VD9-VD12) и силовых симисторов, можно применить любые симисторы и диодные мосты, а так же отдельные диоды, рассчитанные на требуемый ток и соответствующее напряжение. В качестве транзисторов — любые маломощные транзисторы. Оптроны так же можно применять любые из имеющихся, но только симисторные. транзисторные и диодные не подойдут. Можно вместо них в крайнем случае поставить и маломощные электромагнитные (герконовые) реле. Резисторы по 330 ом, которые включены последовательно со светодиодами оптронов в этом случае исключаются, а контакты реле подключаются вместо симисторов оптронов.
Приложение:
Скачать архив.
|
Существует очень много различных схем для переключения отводов вторичных обмоток трансформатора в лабораторных блоках питания, для уменьшения рассеиваемой мощности выходных транзисторов БП, и для повышения КПД блоков питания при небольших выходных напряжений. Симисторы ко вторичной обмотке силового трансформатора подключаются у такого переключателя следующим (или подобным) образом. У всех этих схем имеются какие то свои определённые недостатки. Ниже Вашему вниманию предлагается схема электронного переключателя вторичных обмоток трансформатора, выполненного на тиристорах и лишённого этих недостатков. Её например можно применить в лабораторном блоке питания с выходным напряжением 0-35 вольт. Сразу скажу, что эта идея не моя, а предложенная kotosob-ом с форума сайта «Паяльник», я лишь предлагаю свой вариант реализации данной идеи. Для данной схемы абсолютно все равно, в какой момент полупериода включаться тиристоры и в какое время напряжение на выпрямителе станет больше или меньше. В этой схеме тиристоры играют роль управляемых выпрямительных диодов, которые при их включении замещают и запирают выпрямительные диоды мостика, или открывшиеся тиристоры с меньшим выходным напряжением.
Схема электронного коммутатора вторичных обмоток. Схема работает следующим образом; Пороги переключений здесь выбраны при следующих выходных напряжениях блока питания — 7,5; 15; 22,5 вольт, и зависят от применяемых стабилитронов. Соответственно напряжения подаваемые на вход блока питания равны 8, 16, 24, 32 вольт (без учёта падания напряжение на элементах выпрямителя). Схема рассчитана на применение в ней тиристоров. При применении симисторов, чтобы схема работала должным образом, необходимо соблюсти следующее; Симисторы включаются вместо тиристоров следующим образом — 2-й анод симистора по даташиту — на место анода тиристора по схеме, -1-й анод симистора по даташиту — на место катода тиристора по схеме. Схема питается от дополнительного источника с выходным напряжением 5 вольт. Можно использовать дополнительный источник с выходным напряжением 5-24 вольт, но в этом случае необходимо будет подобрать резисторы в коллекторных цепях транзисторов так, что бы при открытии транзистора, ток через светодиод оптрона не превышал 10-15 мА. Да, описанная схема обладает гистерезисом, так как стабилитроны здесь открываются плавно. Для простых БП это вполне приемлемо, а там, где необходим БП со стабилизацией тока и быстрых изменений напряжения на нагрузке, схему на стабилитронах лучше всего заменить схемой на компараторах и выставить гистерезис в пределах до 0,5 вольт.
|
Схема Переключения Обмоток Трансформатора Для Лбп CAVR.ru
Рассказать в:Устройство состоит из блока питания на инт. стабилизаторе VR1, блока задержки включения на транзисторах VT1-VT3 , блока индикации на LED1-LED3, сдвоенного компаратора LM393, логического элемента 74HC86, оптронов MOC3083 на оптосимисторах для управления симисторами, входного делителя R6-R7.
Подстройкой резистора R7 выставляем деление входного напряжения делителем R6-R7 на 10. Например при входе напряжения с БП 20 вольт, напряжение на неинвертируюющих входах LM393 будет 2 вольта.
Резисторами R8, R10 задаем пороговые напряжения переключения. Например если мы хотим чтобы переключение происходило при напряжениях 10 и 20 вольт на выходе БП, резисторами R8, R10 устанавливаем напряжение 1 и 2 вольта на инвертирующих входах компараторов (1 вольт на ножке 2 и 2 вольта на ножке 6 LM393) .
Лог. элемент 74HC86 управляет переключением симисторов, при включении устройства, если напряжение на неинв. входах компараторов ниже чем на неинвертирующих, то на выходах компараторов лог. «0», включен симистор Т1. Когда напряжение на неинв. входе компаратора (ножка 3) превысит напряжение на инв. входе (ножка 2), на выходе компаратора (ножка 1) появится лог. «1», симистор Т1 закроется и откроется Т2, и т.д….
Блок задержки включения обеспечивает задержку включения оптронов пока компараторы не вошли в режим работы, иначе может возникнуть ситуация когда откроются все симисторы одновременно . Задержка включения составляет около 5 секунд, что довольно много и не нужно,но в этом есть свои плюсы, например если напряжение в сети исчезнет и появится раза 3 в течении 5 секунд, то выход БП останется отключенным. Если нужна задержка меньше, то нужно уменьшить сопротивление резистора R1.
Настройка порогов переключения резисторами R8, R9, немного не удобна и прийдется потратить немного времени чтобы выставить необходимые напряжения , однако такая схема включения резисторов исключает установку напряжения на инв. входе нижнего компаратора, ниже чем на инв. входе верхнего компаратора, что привело бы к открытию всех симисторов одновременно .
Если минус питания платы соединяется с минусом вашего блока питания, то минусовый провод к входу «IN -» на плате подводить не нужно и даже не желательно.
Проверялась работа только с трехквадрантными Hi-Com симисторами серии BTA, конкретно с BTA225.
Микросхему LM393 можно заменить отечественным аналогом К1401СА3, микросхему 74HC86 заменить на КР1554ЛП5.
При включении симисторов как насхеме, их корпусы должны быть изолированы друг от друга (возможно крепление симисторов на одном радиаторе без изоляции, для этого их необходимо перевернуть, но это я ещё не проверил, изменение платы для этого не потребуется)
Прикрепленные изображения
Прикрепленные файлы
- plata.rar
Раздел: [Источники питания (прочие полезные конструкции)]
Сохрани статью в:
Оставь свой комментарий или вопрос:
Как устроен блок питания, часть 4
Как я уже сказал, речь сегодня пойдет о силовом трансформаторе, а также об узле, именуемом Снаббер.И если трансформатор наверное знает большинство, то снаббер в основном те, кто занимается блоками питания более плотно.
Весь узел на фото выделен красным, а снаббер я обвел зеленым.
Также его можно увидеть в народном блоке питания. На фото я вычеркнул диод, не имеющий отношения к снабберу.
И в моем самодельном блоке питания. Здесь его схема отличается и об этом я расскажу немного позже.
Схема типового обратноходового блока питания думаю знакома многим, подобные схемы часто встречаются в моих обзорах.
Выделим из нее ту часть, о которой я и буду рассказывать.
В нее входит снаббер, трансформатор, входной конденсатор и высоковольтный транзистор.
Отсечем ту часть, которая не имеет отношения к теме разговора, останется совсем мало деталей, думаю что так будет проще для понимания процессов.
Что же происходит в импульсном блоке питания во время работы.
Сначала открывается силовой ключ, через цепь выделенную красным, течет ток, энергия в это время запасается в магнитопроводе трансформатора.
После закрытия ключа полярность на обмотках трансформатора меняется на противоположную и ток начинает течь в нагрузку.
Но так как трансформатор и выходные цепи неидеальны, то на первичной обмотке возникает выброс напряжения, который начинает течь через снаббер.
Если вы посмотрите внимательно, то увидите, что начала обмоток помеченные точками, одинаково сориентированы по отношению к диодам D1 и D2, потому во время открытого состояния силового ключа эти цепи не работают.
Функция снаббера поглотить паразитный выброс, который возникает в первичной обмотке и тем самым защитить высоковольтный транзистор. У некоторых совсем дешевых блоках питания снаббера нет вообще, и это весьма вредно, так как снижает надежность.
В типовом блоке питания данный участок схемы выглядит так. Номиналы подбираются в зависимости от индуктивности обмотки трансформатора, частоты работы и мощности блока питания. Я не буду рассказывать о методике расчета, это довольно долго, но скажу лишь что здесь не работает принцип — чем больше, тем лучше, цепь должна быть оптимальная для определенных условий.
Некоторые наверное увидели диод в схеме снаббера и подумали — что-то знакомое.
Да, так и есть, ближайший аналог, это цепь защиты транзистора, который коммутирует питание обмотки реле. В данном случае он выполняет похожую функцию, не допускает выброса напряжения на транзисторе при выключении. Кстати если диод в этой схеме заменить стабилитроном, то работать должно лучше.
Так как вариант с диодом неприменим в варианте с трансформатором, то последовательно с ним ставят либо резистор с конденсатором, либо супрессор, как на этой схеме.
Еще одно новое слово — супрессор. Не пугайтесь, супрессор это по сути просто стабилитрон, но если у стабилитрона функция обеспечить стабильное напряжение, то у супрессора акцент сделан на импульсный ток и рассеиваемую мощность, стабильность напряжения в данном случае не так важна.
Выглядит он как обычный диод, при этом бывает двунаправленным, но тогда катод не маркируется. Наиолее распространенные супрессоры серий P6KE и 1.5KE. Первый имеет импульсную мощность 600 Ватт, второй 1500 Ватт. Существуют и более мощные, но нас они не интересуют.
Я немного переверну схему так, чтобы было более понятно как работает эта схема. В подобных схемах чаще применяют супрессоры на напряжение в 200 Вольт, например P6KE200A.
Благодаря этому напряжение на обмотке трансформатора не может быть больше чем 200 Вольт. Напряжение на входном конденсаторе около 310 Вольт.
Получается что на транзисторе напряжение около 510 Вольт. На самом деле напряжение будет немного выше, так как детали неидеальны, а кроме того в сети может быть и более высокое напряжение. 
В даташитах к микросхемам серии ТОР часто была показана именно такая схема включения супрессора.
Такая схема имеет более жесткую характеристику ограничения, так как до 200 Вольт не ограничивает совсем, а потом старается обрезать все что выше 200 Вольт. Схема с конденсатором имеет немного другую характеристику ограничения, но на самом деле это не критично.
Для уменьшения мощности, рассеиваемой на супрессоре, параллельно ему можно подключить конденсатор.
Или вообще сделать гибрид из двух схем, где есть все элементы обоих вариантов, такое часто применяется в мощных обратноходовых блоках питания.
Иногда применяется альтернативный вариант защиты транзистора, супрессор включенный параллельно ему. Такой вариант применяется довольно редко, чаще в блоках питания имеющих низкое входное напряжение.
Например такое включение супрессора можно увидеть в РоЕ блоке питания, входное напряжение здесь не 310 Вольт постоянного тока, а всего до 70 Вольт.
Теперь можно перейти к трансформатору.
Трансформатор состоит из магнитопровода и каркаса, иногда конструкция дополняется специальным скобами, которые фиксируют магнитопровод на каркасе.
Чаще всего для них используются Ш-образные магнитопроводы. Если блок питания обратноходовый, каким является подавляющее большинство недорогих маломощных блоков питания, то между половинками магнитопровода должен быть зазор. Зазор делается либо между половинками, либо используется специальный магнитопровод, где центральный керн уже имеет зазор, а этом случае ширина зазора должна быть в два раза больше.
Обычно в качестве материала магнитопровода используется феррит, у фирменных магнитопроводов может быть нанесена маркировка и по даташиту можно узнать его характеристики, у более дешевых магнитопроводом чаще маркировки нет.
Вначале мотаются обмотки трансформатора, а затем на этот магнитопровод устанавливается каркас.
Процесс намотки мелких трансформаторов довольно прост.
Сначала мотаем первичную обмотку.
Затем вторичную, иногда в два и более проводов.
Если есть третья обмотка, чаще всего это обмотка питания ШИМ контроллера, то мотаем и ее.
В целях безопасности изолируем всю конструкцию.
После этого берем подобранный магнитопровод, в данном случае здесь у одной половинки средний керн укорочен.
Собираем всю конструкцию вместе. Магнитопровод чаще всего склеивается, но я обычно дополнительно фиксирую скотчем.
В итоге получаем небольшой аккуратный трансформатор. На фото трансформатор мощностью около 25-30 Ватт.
Этот трансформатор уже имеет мощность до 80-100 Ватт. Мотаются они подобным образом, но с некоторыми отличиями.
У трансформаторов рассчитанных на низкое выходное напряжение и большой ток выходная обмотка может мотаться либо литцендратом, либо шиной.
Величина выбора с первичной обмотке напрямую зависит от правильности намотки трансформатора и если для маломощных трансформаторов это не очень критично, то неправильная намотка мощного трансформатора может привести к печальным последствиям.
Обычно наматывают обмотки в три слоя (если используется три обмотки), первичная, вторичная и вспомогательная.
Но связь между обмотками можно сильно улучшить если вторичную обмотку разместить между двумя половинами первичной.
Кроме того рекомендуется мотать провод не внавал, а виток к витку, равномерно заполняя всю площадь каркаса. Обмотки рассчитанные на большой ток мотать лучше несколькими тонкими проводами, а не одним толстым.
Проблемы, которые могут возникнуть в этом узле:
1. Межвитковое КЗ в случае выхода из строя высоковольтного транзистора.
2. Перегрев трансформатора, последующее резкое уменьшение его индуктивности и выход из строя транзистора инвертора
3. Пробой диода снаббера, крайне редко.
4. Частичный пробой супрессора, например супрессор на 200 Вольт превращается в супрессор на 100 Вольт, ничего не выгорает, но БП не работает.