5. Источники питания

В любом радиоэлектронном устройстве имеется источник вторичного электропитания. Он обычно занимает до 30% всего объема радиоаппаратуры, и от его качества и надежности во многом зависят параметры всего устройства. При создании новых устройств не всегда имеется возможность применять унифицированные блоки питания. Специализированный источник питания под конкретное устройство получается, как правило, проще и дешевле.

Схемы источников питания с использованием понижающего напряжения сетевого трансформатора на 50 Гц широко представлены в литературе, и по этой причине в данном разделе рассматриваются только импульсные преобразователи.

В последнее время из-за развития отечественной элементной базы все более широко применяются импульсные источники питания с бестрансформаторным входом. В них выполняется преобразование сетевой энергии во вторичную цепь на более высокой частоте. Частоты преобразования в пределах 20... 150 кГц позволяют получить малогабаритные сетевые блоки питания с отличными удельными массогабаритными показателями.

Приводимые в разделе схемы импульсных источников питания отличаются простотой изготовления, что делает их доступными для повторения в домашних условиях. Они могут применяться для питания различных устройств и схем автоматики, а также в переносных конструкциях, когда необходимо иметь малые габариты и вес источника.

Если вас интересует более подробно принцип работы и теория расчета для различных вариантов построения схем импульсных высокочастотных преобразователей, то рекомендуем познакомиться с соответствующей литературой, например Л14 и Л15.

5.1. Простой импульсный блок питания на 15 Вт

Данный источник может применяться для питания любой нагрузки мощностью до 15...20 Вт и имеет меньшие габариты, чем аналогичный, но с понижающим трансформатором, работающим на частоте 50 Гц.

Источник питания выполняется по схеме однотактного импульсного высокочастотного преобразователя, рис. 5.1. На транзисторе собран автогенератор, работающий на частоте 20...40 кГц (зависит от настройки). Частота настраивается емкостью С5. Элементы VD5, VD6 и С6 образуют цепь запуска автогенератора.

Во вторичной цепи после мостового выпрямителя стоит обычный линейный стабилизатор на микросхеме, что позволяет иметь на выходе фиксированное напряжение, независимо от изменения на входе сетевого (187...242 В).

В схеме применены конденсаторы: С1, С2 типа К73-16 на 630 В; СЗ — К50-29 на 440 В; С4 — К73-17В на 400 В; С5 — К10-17; С6 — К53-4А на 16 В; С7 и С8 типа К53-18 на 20 В. Резисторы могут быть любыми. Стабилитрон VD6 можно заменить на КС147А.

Импульсный трансформатор Т1 выполняется на ферритовом сердечнике М2500НМС-2 или М2000НМ9 типоразмера Ш5х5 (сечение магнитопровода в месте расположения катушки 5х5 мм с зазором в центре). Намотка сделана проводом марки ПЭЛ-2. Обмотка 1-2 содержит 600 витков провода диаметром 0,1 мм; 3-4 — 44 витка диаметром 0,25 мм; 5-6 — 10 витков тем же проводом, что и первичная обмотка.

Рис. 5.1. Электрическая схема импульсного блока питания на 15 Вт

В случае необходимости вторичных обмоток может быть несколько (на схеме показана только одна), а для работы автогенератора необходимо соблюдать полярность подключения фазы обмотки 5-6 в соответствии со схемой.

Настройка преобразователя заключается в получении устойчивого возбуждения автогенератора при изменении входного напряжения от 187 до 242 В. Элементы, требующие подбора, отмечены звездочкой "*". Резистор R2 может иметь номинал 150...300 кОм, а конденсатор С5 — 6800...15000 пФ. Для уменьшения габаритов преобразователя в случае меньшей снимаемой во вторичной цепи мощности номиналы электролитических фильтрующих конденсаторов (СЗ, С7 и С8) можно уменьшить. Их величина связана с мощностью нагрузки соотношением:

Р — мощность в цепи нагрузки, Вт;

Um — амплитудное значение выпрямленного напряжения (для действую щего на входе сетевого напряжения 242 В амплитуда составляет 342 В);

Fc — частота сети, для расчета СЗ она берется 50 Гц;

DU — максимальный размах пульсации выпрямленного напряжения, допустимый для применяемого типа конденсатора (берется из справочника: так для К50-29 он составляет 10...14%, [Л16], т. е. 34 В).

Конструкция корпуса устройства должна предусматривать установку транзистора и стабилизатора D1 на радиаторы, а также экранирование всей схемы для снижения уровня излучаемых помех.

5.2. Импульсный источник питания на 40 Вт

Электрическая схема однотактного преобразователя приведена на рис. 5.2. Она работает на частоте примерно 50 кГц.

В момент включения питания конденсаторы СЗ...С5 заряжаются через резистор R2. При этом кратковременный импульс напряжения с этого резистора через диод VD5 и резистор R4 поступает на конденсатор С6 и заряжает его. Стабилитрон VD6 ограничивает уровень напряжения для питания микросхемы величиной 5,6 В. Это обеспечивает первоначальный запуск схемы и питание автогенератора. В дальнейшем необходимое питающее напряжение для схемы снимается со вторичной обмотки (2) трансформатора Т2.

На элементах микросхемы D1.1...D1.3 собран задающий генератор импульсов, из которых на конденсаторе С9 образуется пила. Компаратор D2 будет сравнивать напряжение пилы с уровнем напряжения на входе 2. В исходном состоянии компаратор открыт и через резистор R12 и базу транзистора VT3 протекает ток. В этом случае VT3, а значит и VT2, будут открыты. Как только напряжение с обмотки 2 трансформатора Т2 превысит установленный резистором R7 порог, компаратор закроется, что ограничит длительность импульса в первичной обмотке трансформатора. Таким образом обеспечивается стабилизация выходного напряжения при изменении сетевого на входе. Коэффициент стабилизации преобразователя зависит от наклона пилы на конденсаторе С9.

Диаграммы напряжения, показанные на рис. 5.3, поясняют работу схемы. Транзистор VT1 обеспечивает защиту источника питания от перегрузки по току. При его открывании срабатывает блокировка работы компаратора (при лог. "0" на входе D2/6). Сигнал блокировки периодически подается также с выхода генератора. Это исключает нахождение компаратора в открытом состоянии длительное время.

В случае срабатывания защиты, чтобы вернуть схему в рабочее состояние (запустить), потребуется на некоторое время отключить источник питания от сети (конденсаторы СЗ...С5 разрядятся через резистор R1).

В схеме применены детали: резисторы R1 — МЛТ, R2 — С5-5 на 1 Вт, под- строечный R7 — типа СП5-16ВА-0,25 Вт, остальные резисторы могут быть любо го типа; конденсаторы С1, С2 и С10 — типа К42У-2, СЗ...С5 — К50-29 на 450 В, С6, С7 типа К50-35, С8, С9, С11...С13—К10-17, С14, С15—К10-17. Транзистор VT2 можно заменить на КТ839А.

Рис. 5.2. Схема импульсного источника питания на 40 Вт

Дроссель фильтра Т1 выполняется на двух соединенных вместе ферритовых торроидальных сердечниках М2000НМ1 типоразмера К20х10х7,5 мм. Обе обмотки содержат по 40 витков провода ПЭЛ-2 диаметром 0,33 мм (перед на моткой острые края сердечника необходимо закруглить надфилем).

Рис. 5.3. Форма напряжения в контрольных точках схемы

Для изготовления трансформатора Т2 взяты ферритовые (М2000НМ1) чашки типоразмера БЗ0. В центральной части магнитопровод должен иметь за зор примерно 0,2...0,6 мм (чтобы не намагничивался трансформатор при работе). Обмотки содержат: 1—120 витков; 2—7 витков провода ПЭЛ-2 диаметром 0,15 мм; 3 — 8 витков провода диаметром 3х0,33 мм (наматывается тремя про водами одновременно), 4 — 19 витков 0,5 мм.

Транзистор VT2 устанавливается на радиатор, а вся конструкция закрывается сетчатым экраном (для теплоотвода от Т2 и VT2). Экран позволяет снизить уровень излучений и помех при работе источника.

Перед включением трансформатора Т2 необходимо убедиться в работоспособности схемы формирования импульсов на выходе D2/1. Для этого можно временно подать питание 9 В на конденсатор С7 от внешнего источника.

При правильной фазировке подключения обмоток у трансформатора Т2 настройка схемы заключается в установке резистором R7 необходимой величины напряжения во вторичной обмотке и проверки запуска схемы при минимальном питающем напряжении 180 В.

5.3. Импульсный преобразователь с 12 В на 220 В 50 Гц

Иногда, при отсутствии сетевой проводки, возникает необходимость питать бытовые электроприборы от бортовой сети автомобиля. В литературе описано немало простейших преобразователей с 12 на 220 В, но работающих на повышенной частоте. Для осветительной лампы или электронной удочки это еще допустимо, но не все бытовые приборы, рассчитанные на частоту сети 50 Гц, могут работать на более высокой частоте. Кроме того, ни одна из опубликованных схем не имеет защиты от перегрузки.

К данному преобразователю могут подключаться любые бытовые приборы мощностью до 100 Вт (при использовании более мощного трансформатора ее можно увеличить).

Предложенная схема преобразователя (рис. 5.4) работает на частоте 50Гц и имеет защиту от перегрузки по току. Кроме того, данный преобразователь дает на выходе форму сигнала, более приближенную к синусу, что снижает уровень высокочастотных гармоник (помех).

Рис. 5.4. Электрическая схема импульсного преобразователя с 12 В на 220 В 50 Гц

Устройство собрано на специально предназначенной для импульсных источников питания микросхеме 1114ЕУ4 (импортный аналог TL494CN или TL494LN). Это позволяет уменьшить число применяемых деталей и сделать схему довольно простой.

Внутри микросхемы имеется автогенератор со схемой для получения выходных импульсов с широтно-импульсной модуляцией, а также ряд дополнительных узлов, обеспечивающих ее расширенные возможности. Подробно работа микросхемы описана в справочной литературе [Л17].

Выходные ключи микросхемы рассчитаны на ток не более 200 мА, и, чтобы управлять большей мощностью, выходные импульсы поступают на базу ключевых транзисторов VT1, VT2. Диод VD1 предотвращает повреждение схемы при ошибочной полярности подключения питания (перегорит только входной предох ранитель FU1).

Рис. 5.5. Форма напряжения в контрольных точках

Налаживание устройства начинается при отключенном трансформаторе с установки частоты задающего генератор 100 Гц с помощью времязадающей цепи из резистора R1 и конденсатора С4. Так как микросхема имеет двухтактный выход, выходная частота равна половине частоты автогенератора (50 Гц на выходах DA1/8 и DA1/11). Резистором R7 настраиваем форму выходных импульсов микросхемы в соответствии с диаграммой, приведенной на рис. 5.5. После этого подключаем трансформатор, и при напряжении питания схемы от 12-вольтового источника резистором R7 выставляется номинальное напряжение во вторичной цепи 220 В (измерять стрелочным измерительным прибором). Это делается при подключенной нагрузке мощностью 25...60 Вт.

Цепь из резистора R12 и конденсатора С9 может потребовать подбора номиналов, для того чтобы убрать выбросы в трансформаторе по фронтам в момент переходных процессов при коммутации тока.

Защита по току на 10 А устанавливается резистором R10. Это позволяет предотвратить повреждение преобразователя в случае перегрузки или короткого замыкания по выходу, так как схема начинает снижать выходное напряжение, переходя в режим стабилизации тока.

Преобразователь не имеет обратной связи по выходному напряжению, так как опыт практической эксплуатации показывает, что оно незначительно меняется при изменении мощности подключенной нагрузки и не выходит за рамки допустимого диапазона 190...240 В.

Рис. 5.6. Электрическая схема защиты импульсного преобразователя

Преобразователь потребляет на холостом ходу не более 1 А, а с нагрузкой — ток увеличивается пропорционально мощности.

Транзисторы устанавливаются на радиатор с площадью поверхности не менее 300 кв. см.

Трансформатор Т1 придется изготовить самостоятельно. Использован магнитопровод типа ПЛМ27х40-73 или аналогичный. Обмотки 1 и 2 содержат по 14 витков провода ПЭЛ-2 диаметром 2 мм; обмотка 3 содержит 700 витков провода диаметром 0,5 мм. Обмотки 1 и 2 должны быть симметричными — это условие легко выполняется при их одновременной намотке (сразу двумя проводами).

В схеме применены детали: конденсаторы С1, С2 типа К52-1, СЗ...С8 — типа К10-17, С9 — К73-17В; постоянные резисторы R9 типа С5-16МВ, R12 — С5-5. а остальные типа МЛТ; подстроечный R7 типа С5-2.

Предохранитель на 10 А можно сделать из медного провода диаметром 0,25 мм, см. табл. 5.1.

В случае перегрузки преобразователя, при срабатывании режима ограничения тока, пониженное напряжение питания допустимо не для всех радиоэлектронных устройств. В этом случае защиту по току можно выполнить с автоматическим полным отключением преобразователя, рис. 5.6. Для этих целей удобно воспользоваться токовым реле К1, группа контактов которого включает тиристор VS1. Такое реле несложно изготовить самостоятельно на основе геркона, а вариант конструкции К1 показан на рис. 2.46. Ток, при котором замыкаются контакты геркона К1.1, настраивается изменением числа витков обмотки (одного слоя вполне хватит).

При срабатывании защиты будет светиться индикатор HL1, а чтобы вернуть схему в рабочее состояние, потребуется отключить на некоторое время питание преобразователя.

5.4. Пять способов получения нужной температуры паяльника

Многие знают, что для получения качественной пайка при монтаже радиодеталей необходимо, чтобы температура жала паяльника соответствовала рабочей температуре припоя. У разных марок припоя она отличается. Если жало паяльника перегрето, припой будет окисляться и пайка получится недостаточно прочной. Кроме того, в этом случае жало паяльника быстро обгорает и припой вообще перестает на нем держаться. Качественная пайка имеет зеркальный блеск после остывания, и получить ее можно только при определенной температуре. Так, для наиболее распространенной марки припоя ПОС-61 температура пайки 190...260 °С. Рекомендуемая температура пайки микросхем 235±5 °С при продолжительности не более 2 с.

При покупке простейшего дешевого паяльника на сетевое напряжение 220 В, как правило, выясняется, что он перегревается и плохо паяет. Устранить эту проблему можно четырьмя путями.

Способ 1-й. Если паяльник имеет жало в виде стержня, который фиксируется на корпусе с помощью винта (рис. 5.7), то, регулируя длину погружения стержня в нагреватель, можно легко плавно изменить температуру. Но такую конструкцию крепления жала имеют не все паяльники, и этот метод может оказаться неприемлемым.

Способ 2-й. Можно воспользоваться ЛАТРом или трансформатором с большим числом отводом. В этом случае температура регулируется изменением подаваемого на обмотку нагревателя напряжения.

Способ 3-й. Последовательно с нагревателем паяльника включается добавочный резистор (реостат). При этом мощность резистора должна быть такой же, как и у паяльника, а номинал сопротивления подбираем для получения нуж ной температуры. Такой добавочный резистор имеет большие габариты и греется, что неудобно.

Способ 4-й. Электронный регулятор, рис. 5.8, позволяет плавно менять (переменным резистором R2) температуру нагревателя в широких пределах. Устройство имеет бестрансформаторное питание и малые габариты, что позволяет разместить его в подставке под паяльник. Схема не критична к типам деталей, и ее настройка заключается в подборе номинала резистора R4 (при нулевом значении R2) для получения максимального напряжения на нагревателе. Подключаемый паяльник может иметь мощность от 15 до 300 Вт, а при замене диодов VD1 ...VD4 на больший ток — до 1000 Вт.

Рис. 5.7. Конструкция паяльника с перемещаемым жалом

Рис. 5.8. Схема регулятора температуры

В случае, если паяльник рассчитан на более низкое номинальное напряжение питания (48 или 36 В), потребуется снижающий напряжение трансформатор, а на схему электронного регулятора может подаваться пониженное напряжение. В этом случае для сохранения ее работоспособности потребуется пропорционально входному напряжению уменьшить номинал резистора R1.

Рис. 5.9. Электрическая схема термостабилизатора

Способ 5-й. Позволяет автоматически поддерживать заданную температуру паяльника с точностью 1°С и используется для монтажа радиоэлементов микроэлектроники, очень критичных к перегреву. В этом случае потребуется приобрести паяльник с уже установленной внутри термопарой.

Схема термостабилизатора, рис. 5.9, выполнена на одной сдвоенной микросхеме DA1 (140УД20А) и симметричном тиристоре (симисторе) VS1. На элементе DA1.1 собран дифференциальный усилитель сигнала с термопары, а на DA1.2 — интегратор, который управляет работой генератора импульсов на одно переходном транзисторе VT1. Импульсы через разделительный трансформатор Т1 поступают на управление коммутатором VS1.

Использование в схеме интегратора, вместо обычно часто применяемого компаратора, позволяет обеспечить мягкую характеристику изменения мощности в нагревателе при выходе на режим термостабилизации. Это осуществляется за счет изменения времени заряда конденсатора С10, от которого зависит частота генератора, а значит, и начальный угол открывания симистора. Пока напряжение с выхода DA1/12 не превысит пороговое значение (на DA1/6), установленное резисторами, связанными с переключателем SA2, на выходе микросхемы DA1/10 будет напряжение +12 В, что обеспечит работу генератора (VT1) на максимальной частоте — симистор будет полностью открыт.

Для питания устройства потребуется трансформатор с двумя дополнительными обмотками по 18 В или одна, но с отводом в середине. Мощность трансформатора должна соответствовать мощности паяльника (электрическая схема блока управления потребляет ток не более 15 мА).

Импульсный трансформатор Т2 имеет такие же параметры, как и в схеме на рис. 4.10. Остальные детали могут применяться любого типа. Микросхему DA1 можно заменить двумя из серии 140УД7, но при этом может снизиться точность поддержания температуры.

При настройке термостабилизатора для полного открывания симистора может потребоваться поменять местами выводы на одной из обмоток импульсного трансформатора Т2 (важна фазировка управляющего импульса). Подстроечными резисторами, отмеченными "*", устанавливается необходимая температура при соответствующем положении переключателя SA1. Более точно нужную температуру можно установить при помощи резистора R15.

Чуть не забыл указать еще один способ, который может являться дополнением или разновидностью третьего. Вместо добавочного гасящего резистора можно использовать не полярный конденсатор из серии МБМ. Он обладает емкостным сопротивлением на частоте 50 Гц: Хс=1/314С. Чем больше номинал емкости, тем меньше ее сопротивление.

5.5. Изготовление сетевого предохранителя на любой ток

Наибольшее распространение получили плавкие предохранители. Они дешевы и просты в изготовлении и в случае короткого замыкания в сети обеспечивает защиту проводки от возгарания.

Когда перегорает плавкий предохранитель, требуется быстро его заменить. Не всегда имеется запасной предохранитель на нужный ток. Проще всего защитный предохранитель выполнить из провода соответствующего диаметра. Причем диаметр провода для необходимого тока плавления (защиты) можно выбрать из таблицы, где приведены значения для разных металлов. В качестве основания для закрепления (припаивания) плавкой вставки может использоваться каркас перегоревшего.

Таблица 5.1 Значения токов плавления для проволоки из разных металлов

Ток, А	Диаметр провода в мм				Ток, А	Диаметр провода в мм
	Медь	Алюмин.	Сталь	Олово		Медь	Алюмин.	Сталь	Олово
1	0,039	0,066	0,132	0,183	60	0,82	1,0	1,8	2,8
2	0,069	0,104	0,189	0,285	70	0,91	1,1	2,0	3,1
3	0,107	0,137	0,245	0,380	80	1,0	1,22	2,2	3,4
5	0,18	0,193	0,346	0,53	90	1,08	1,32	2,38	3,65
7	0,203	0,250	0,45	0,66	100	1,15	1,42	2,55	3,9
10	0,250	0,305	0,55	0,85	120	1,31	1,60	2,85	4,45
15	0,32	0,40	0,72	1,02	160	1,57	1,94	3,2	4,9
20	0,39	0,485	0,87	1,33	180	1,72	2,10	3,7	5,8
25	0,46	0,56	1,0	1,56	200	1,84	2,25	4,05	6,2
30	0,52	0,64	1,15	1,77	225	1,99	2,45	4,4	6,75
35	0,58	0,70	1,26	1,95	250	2,14	2,60	4,7	7,25
40	0,63	0,77	1,38	2,14	275	2,2	2,80	5,0	7,7
45	0,68	0,83	1,5	2,3	300	2,4	2,95	5,3	8,2
50	0,73	0,89	1,6	2,45