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.

Рис. 1. Функциональная схема микросхем IR2153, IR2155.

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.

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

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.

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

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.

О трансформаторе

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.

Таблица 1. Габаритная мощность трансформатора при разной частоте преобразования, количество витков для первичной обмотки.

	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

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.

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.

XLS-таблица, для помощи в расчетах (изменять только желтые ячейки) - Скачать.

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.

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).

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.

О мощности БП и транзиаторах

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, Ом	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	Максимальное напряжение, В	Макс. ток, А	Обратное время восстанов., 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).

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

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.

Автор: Дмитрий.

Первоисточник: РК-07-08.

Литература:

1. interlavka.su.
2. Даташит на микросхему IR2153 - Скачать (157 КБ).

3 10867 Блок питания

импульсный блок питания импульсный источник питания импульсный БП блок питания двуполярный блок питания двуполярное питание

Комментарии (4):

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...

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.

Здравствуйте, я дико извиняюсь, а какое напряжение на выходе, а то мощность везде указана, а напруги нигде не вижу?

Здравствуйте.
Напряжения для вторичных обмоток трансформатора выбираются и рассчитываются индивидуально.
В таблице 1 автором собраны параметры для выбора сердечника и намотки первичной обмотки трансформатора. Используется полумостовая схема преобразователя, на первичной обмотке будет напряжение 155В.

Допустим, нужна мощность 280Вт. Из таблицы 1 выбираем что будут использоваться 2шт. ферритовых кольца К40х25х22, необходимая для схемы частота преобразования - 60кГц, количество витков первичной обмотки - 60.
Расчет количества Вольт на виток: 155В/60=2.58 витка.
Допустим что УМЗЧ питается от +-40В. Напряжение со вторичной обмотки будет выпрямлено и сглажено электролитическим конденсатором, оно возрастет приблизительно в 1.35раза. Поэтому, нужна обмотка на переменное напряжение 40В/1.35=29.6В.
Зная количество витков на 1 Вольт в трансформаторе не составит труда посчитать количество витков для вторичной обмотки: 29.6В/2.58=11.47 витков.
И так для всех нужных вам напряжений и обмоток.

В статью добавлена созданная автором Excel-таблица с его сайта, призванная помочь с расчетами к этой схеме.