Схема импульсного сетевого блока питания для усилителей НЧ на 100-500Вт (IR2153, IR2155)

Для получения полноценного усилителя мощности НЧ требуется хороший источник питания, приведена схема простого блока питания для УМЗЧ. От параметров источника питания качество звучания зависит не чуть не меньше, чем от самого усилителя и относится халатно к его изготовлению не следует.

Описаний методик расчетов типовых трансформаторов более чем достаточно. Поэтому здесь предлагается описание импульсного источника питания, который может использоваться как с усилителями на базе TDA7293 (TDA7294), так и с любым другим усилителем мощности ЗЧ как на микросхемах,так и на транзисторах.

Основой данного блока питания (БП) служит полумостовой драйвер с внутренним генератором IR2153 (IR2155), предназначенный для управления транзисторами технологий MOSFET и IGBT в импульсных источниках питания.

Принципиальная схема

Функциональная схема микросхем приведена на рисунке 1, зависимость выходной частоты от номиналов RC-задающей цепочки на рисунке 2.

Микросхема обеспечивает паузу между импульсами «верхнего» и «нижнего» ключей в течении 10% от длительности импульса, что позволяет не опасаться «сквозных» токов в силовой части преобразователя.

Практическая реализация БП приведена на рисунке 3. Используя данную схему можно изготовить БП мощностью от 100 до 500Вт, необходимо лишь пропорционально увеличивать емкость конденсатора фильтра первичного питания С2 и использовать соответствующий силовой трансформатор ТV2.

Функциональная схема микросхем IR2153, IR2155

Рис. 1. Функциональная схема микросхем IR2153, IR2155.

Емкость конденсатора С2 выбирается из расчета 1... 1,5 мкФ на 1 Вт выходной мощности, например при изготовлении БП на 150 Вт следует использовать конденсатор на 150...220 мкФ.

Диодный мост первичного питания VD можно использовать в соответствии с установленным конденсатором фильтра первичного питания, при емкостях до 330 мкФ можно использовать диодные мосты на 4...6А, например RS407 или RS607.

При емкости конденсаторов 470... 680 мкФ нужны уже более мощные диодные мосты, например RS807, RS1007.

Об изготовлении трансформатора можно разговаривать долго, однако вникать в глубокую теорию расчетов слишком долго и далеко не каждому нужно.

Поэтому расчеты по книге Эраносяна для самых ходовых типоразмеров ферритовых колец М2000НМ1 просто сведены в таблицу 1.

Как видно из таблицы габаритная мощность трансформатора зависит не только от габаритов сердечника, но и от частоты преобразования.

Изготавливать трансформатор для частот ниже 40 кГц не очень логично - гармониками можно создать не преодолимые помехи в звуковом диапазоне. Изготовление трансформаторов на частоты выше 100 кГц уже непозволительно по причине саморазогрева феррита М2000НМ1 вихревыми токами.

Графики зависимости выходной частоты от номиналов RC-задающей цепочки для микросхемы IR2153

Рис. 2. Графики зависимости выходной частоты от номиналов RC-задающей цепочки для микросхемы IR2153.

В таблице приведены данные по первичным обмоткам, из которых легко вычисляются отношения витков/вольт и дальше уже вычислить, сколько витков необходимо для того или иного выходного напряжения труда не составит.

Следует обратить внимание на то, что подводимое к первичной обмотке напряжение составляет 155 В - сетевое напряжение 220 В после выпрямителя и слаживающего фильтра будет составлять 310 В постоянного напряжения, схема полу мостовая, следовательно к первичной обмотке будет прилагаться половина этого значения.

Принципиальная схема импульсного сетевого блока питания для усилителей НЧ на 100-500Вт

Рис. 3. Принципиальная схема импульсного сетевого блока питания для усилителей НЧ на 100-500Вт.

Так же следует помнить, что форма выходного напряжения будет прямоугольной, поэтому после выпрямителя и слаживающего фильтра величина напряжения от расчетной отличаться будет не значительно.

Таблица приведена до мощностей 2400 Вт (на будущее, для более мощных вариантов схем блока питания).

Таблица 1.

  тип   40кГц 50кГц 60кГц 70кГц 80кГц 90кГц 100кГц
ДЛЯ КОЛЬЦА К40х25х11
1 кольцо К40х25х11 мощность 100 130 160 175 200 220 250
витки 180 145 120 105 90 80 72
2 КОЛЬЦА К40х25х22 мощность 200 230 280 330 370 420 470
витки 90 72 60 52 45 40 36
 
ДЛЯ КОЛЬЦА К45х28х8
1 КОЛЬЦО К45х28х8 мощность 110 135 150 180 200 230 240
витки 217 174 145 124 110 97 87
2 КОЛЬЦА К45х28х16 мощность 200 240 290 340 390 440 480
витки 109 87 73 62 55 49 44
3 КОЛЬЦА К45х28х24 мощность 290 360 440 510 580 660 730
витки 82 66 55 47 41 36 33
4 КОЛЬЦА К45х28х32 мощность 380 490 580 680 780 870 970
витки 62 50 41 35 31 28 25
5 КОЛЕЦ К45х28х40 мощность 500 600 700 850 950 1100 1200
витки 50 40 35 30 25 22 20
6 КОЛЕЦ К45х28х48 мощность 550 700 850 1000 1150 1300 1450
витки 41 33 28 24 21 19 17
7 КОЛЕЦ К45х28х56 мощность 650 850 1000 1150 1350 1500 1700
витки 35 30 24 20 18 16 14
8 КОЛЕЦ К45х28х64 мощность 750 950 1150 1350 1550 1750 1950
витки 31 25 21 18 16 14 13
9 КОЛЕЦ К45х28х72 мощность 850 1000 1300 1500 1750 1950 2200
витки 28 22 18 16 14 13 11
10 КОЛЕЦ К45х28х80 мощность 970 1200 1450 1700 1950 2200 2400
витки 25 20 17 14 12 11 10

Диаметры необходимых проводов рассчитываются из отношения 5 А на 1 кв мм сечения провода. Причем лучше использовать несколько проводов меньшего диаметра, чем один, более толстый провод.

Это требование относится ко всем преобразователям напряжения, с частотой преобразования выше 10 кГц, так как начинает уже сказываться скин-эффект - потери внутри проводника, поскольку на высоких частотах ток течет уже не по всему сечению, а по поверхности проводника и чем выше частота, тем сильнее сказываются потери в толстых проводниках.

Поэтому не рекомендуется использовать в преобразователях с частотой преобразования выше 30 кГц проводники толще 1 мм. Следует так же обратить внимание на фазировку обмоток - неправильно сфазированные обмотки могут либо вывести силовые ключи из строя, либо снизить КПД преобразователя.

Но вернемся к БП, приведенному на рисунке 3. Минимальная мощность данного БП практически ни чем не ограничена, поэтому можно изготовить БП и на 50 Вт и меньше. Верхний же предел мощности ограничен некоторыми особенностями элементной базы.

Для получения больших мощностей требуются транзисторы MOSFET более мощные, а чем мощнее транзистор, тем больше емкость его затвора.

Если емкость затвора силового транзистора довольно высокая, то для её заряда-разряда требуется значительный ток. Ток транзисторов управления IR2153 довольно не велик (200 мА), следовательно, эта микросхема не может управлять слишком мощными силовыми транзисторами на больших частотах преобразования.

Исходя из вышесказанного становится ясно, что максимальная выходная мощность преобразователя на базе IR2153 не может быть более 500...600 Вт при частоте преобразования 50...70 кГц, поскольку использование более мощных силовых транзисторов на этих частотах довольно серьезно снижает надежность устройства.

Список рекомендуемых транзисторов для силовых ключей VТ1, VТ2 с краткими характеристиками сведен в таблицу 2.

Таблица 2

Наименование Емкость затвора, пкФ Сопротивление открытого перехода, О Максимальное напряжение В Максимальный ток, А
IRF740 1600 0,55 400 10 А
IRF840 1300 0,85 500 8 А
STP10NK60Z 1370 0,75 600 10 А

Выпрямительные диоды вторичных цепей питания должны иметь наименьшее время восстановления и как минимум двукратный запас по напряжению и трехкратный току.

Последние требования обоснованы тем, что выбросы напряжения самоиндукции силового трансформатора составляют 20...50 % от амплитуды выходного напряжения. Например при вторичном питании в 100 В амплитуда импульсов самоиндукции может составлять 120...

150 В и не смотря на то, что длительность импульсов крайне мала ее достаточно чтобы вызвать пробой в диодах, при использовании диодов с обратным напряжением в 150 В.

Трехкратный запас по току необходим для того, чтобы в момент включения диоды не вышли из строя, поскольку емкость конденсаторов фильтров вторичного питания довольно высокая, и для их заряда потребуется не малый ток. Наиболее приемлемые диоды VD4-VD11 сведены в таблицу 3.

Таблица 3.

Наименование Макс, напряжение, В Макс, ток, А Обратное время вос-станов.,нС Примечания
16CTQ100 100 8   2 диода Шотки по 8 А в корпусе ТО-220
20CTQ150 150 10   2 диода Шотки по 10 А в корпусе Т0-220
30CPQ100 100 15   2 диода Шотки по 15 А в корпусе ТО-247
30CPQ150 150 15   2 диода Шотки по 15 А в корпусе ТО-247
40CPQ100 100 20   2 диода Шотки по 20 А в корпусе ТО-247
60CPQ150 150 30   2 диода Шотки по 30 А в корпусе Т0-247
15ETH06FP 600 15 35 1 диод 15 А в корпусе ТО-220
30EPF06 600 30 40 1 диод 30 А в корпусе Т0-247
30ETH06PBF 600 30 40 1 диод 30 А в корпусе ТО-220
80EBU02 200 80 35  
HER308 1000 3 30 DO-201
HER605 400 6 50 DO-201
HFA06TB120 1200 6 26 ТО-220
HFA08TB120 1200 8 28 ТО-220
HFA15TB60 600 15 60 ТО-220
HFA16TB120 1200 16 30 ТO-220
HFA25PB60 600 25 23 ТО-247
HFA30PB120 1200 30 37 ТО-247
MUR2020CT 200 10 25 2 диода по 10 А в корпусе ТО-220
MUR820 200 8 25 ТО-220
SF54 300 5 35 DO-201
SF56 600 5 35 DO-201
SF84 400 8 35 ТО-220

Емкость фильтров вторичного питания (С11, С12) не следует увеличивать слишком сильно, поскольку преобразование производится на довольно больших частотах.

Для уменьшения пульсаций гораздо актуальней использование большой емкости в первичных цепях питания и правильный расчет мощности силового трансформатора.

Во вторичных же цепях конденсаторов на 1000 мкФ в плечо вполне достаточно для усилителей до 100 Вт (конденсаторы по питанию, установленные на самих платах УМЗЧ должны быть не менее 470 мкФ) и 4700 мкФ для усилителя на 500 Вт.

Печатная плата 

На принципиальной схеме изображен вариант выпрямителей вторичного силового питания, выполненный на диодах Шотки, под них и разведена печатная плата (рисунок 4).

Печатня плата для импульсного блока питания к УМЗЧ - сторона дорожек

Рис. 4. Печатня плата для импульсного блока питания к УМЗЧ - сторона дорожек.

Печатня плата для импульсного блока питания к УМЗЧ - сторона деталей

Рис. 5. Печатня плата для импульсного блока питания к УМЗЧ - сторона деталей.

На диодах VD12, VD13 выполнен выпрямитель для вентилятора принудительного охлаждения теплоотводов, на диодах VD14-VD17 выполнен выпрямитель для низковольтного питания (предварительные усилители, активные регуляторы тембра и т.д.). На том же рисунке приведен чертеж расположения деталей и схема подключения.

В преобразователе имеется защита от перегрузки, выполненная на трансформаторе тока ТV1, состоящая из кольца К20х12х6 феррита М2000 и содержащего 3 витка первичной обмотки (сечение такое же как и первичная обмотка силового трансформатора и 3 витка вторичной обмотки, намотанной двойным проводом диаметром 0,2...0,3 мм.

При перегрузке напряжение на вторичной обмотке трансформатора ТV1 станет достаточным для открытия тиристора VS1 и он откроется, замкнув питание микросхемы IR2153, тем самым прекратив ее работу. Порог срабатывания защиты регулируется резистором R8.

Об остальных деталях:

  • конденсатор С5 - пленочный на 0,33... 1 мкФ 400В;
  • конденсаторы С9, С10 - пленочные на 0,47...2,2 мкФ минимум на 250В;
  • индуктивности L1...L3 выполнены на ферритовых кольцах К20х12х6 М2000 и наматываются проводом 0,8... 1,0 мм до заполнения виток к витку в один слой;
  • С14, С15 - пленочные на 0,33...2,2 мкФ на напряжение не менее 100 В при выходном напряжении до 80 В;
  • конденсаторы С1, С4, С6, С8 можно керамические, типа К10-73 или К10-17;
  • С7 можно и керамический, но лучше пленочный, типа К73-17.

Налаживание

Регулировку производят без нагрузки начиная с максимальной чувствительности и добиваясь устойчивого запуска преобразователя.

Принцип регулировки основан на том, что в момент запуска преобразователя он нагружен максимально, поскольку требуется зарядить емкости фильтров вторичного питания и нагрузка на силовую часть преобразователя максимальная.

Первоисточник: РК-07-08.

Литература:

  1. "interlavka.narod.ru".
  2. Даташит на микросхему IR2153 - Скачать (157 КБ).
2 53 Блок питания
импульсный блок питания импульсный источник питания импульсный БП блок питания двуполярный блок питания двуполярное питание
Комментарии (2):
#1 Иосиф Сентябрь 09 2019
+3

Здравствуйте, подскажите пожалуйста, какие должны быть номиналы резистора и конденсатора для частоты 60 кГц, а то на том рисунке всё как то размазанно и непонятно...

#2 root Сентябрь 09 2019
+2

Здравствуйте, Иосиф! Рисунок 2 обновлен, теперь на графиках все видно. Добавлен даташит на микросхему IR2153.

Примерные данные компонентов RC-цепочки для частоты 60 кГц, на основе графика с рисунка 2:

  • C - 2,2 нФ;
  • R - 5000 Ом.

Более точно частоту можно подобрать применив переменный резистор вместо R и частотомер или осциллограф.

Написать комментарий:

cashback