Лабораторный блок питания 30V-10A v.1

ЭТО ЧЕРНОВИК СТАТЬИ. РАБОТЫ ПО НЕЙ И САМА СТАТЬЯ НЕ ЗАКОНЧЕНА.

ПОЖАЛУЙСТА, ВНИМАНИЕ. ЭТО ОЧЕНЬ ВАЖНО.

По сути начало этой статье положили неопробованные на практике публикации - copy/paste из Интернета с незначительными по смыслу моими правками. Затем я начал строить свой лабораторник и убедился, что статья насквозь сырая и её нельзя использовать как пошаговую инструкцию. Возможно, у кого-то и получилось, но ... не у меня. Слишком разные блоки питания мне попадались. Поэтому постепенно статья будет дополняться и правиться по мере продвижения экспериментов.


К сведению: В современных блоках питания могут быть разработаны с применением других
ШИМ-контроллеров (SG6105, SG3524/25 , KA3511), силовых биполярных транзисторов MJE13009 или мощных MOSFET ( 1 , 2 ), более мощных сборок диодов Шотки. Использование другой базы соответственно приведет к изменению принципиальной схемы, а, значит, и другому алгоритму переделки. Но, в любом случае, применение современной элементной базы значительно снижает потери, нагрев компонентов и повышает общую надежность блока питания.

Хочу также обратить внимание, что перед переделкой следует убедиться, что БП полностью исправен; иначе сначала следует его отремонтировать и только затем переделывать. Особенно стоит убедиться в исправности трансформаторов.

В этой статье описана идея, как несложным путем доработать стандартный источник питания компьютера, чтобы получить высококачественный блок питания для общих применений.

Переделка БХ ATX по простейшему варианту:

Для переделки возьмем самый обычный дешевый ATX БП на 250-350 Ватт (схемотехникой отличаются мало), с ШИМ-контроллером на микросхеме TL494 . Это очень простой ШИМ-контроллер, тем не менее, обладающий всеми необходимыми характеристиками. Полные аналоги TL494: KA7500, DBL494, M5T494P.  Улучшенные аналоги - TL594 (содержит усиленные выходные ключи) и TL598 (уже содержит внутри кристалла двухтактные выходные каскады).

Структурная схема ШИМ контроллера TL494:



Для начала необходимо отключить от неё всю выпрямительную часть и всё, что соединено с ножками 1, 2, 3, 14, 15, 16  микросхемы TL494.

Схема включения контроллера

Схема самодостаточная, т.е. уже при таком включении на выходах будут генерироваться импульсы управления силовыми ключами.

При этом отключена какая-либо стабилизация и управление ШИМ, но её мы введем позже. Достаточно подать питание на вывод 12, минус - на вывод 7 - и схема заработает в режиме автогенерации. Более подробное описание некоторых входов/выходов и их особенности:
  • Ножки 1, 2 - это первый усилитель ошибки, его мы будем использовать для стабилизации выходного напряжения;
  • Ножки 15 и 16 - это второй усилитель ошибки, который мы используем для канала стабилизации тока;
  • Вывод 3 - обратная связь усилителей ошибки (общая на оба усилителя);
  • Вывод 14 - это внутреннее опорное напряжение +5.0 В.
  • Вывод 4 - это управление DTC (Dead Time Control), временной зазор между импульсами первого и второго ключа, минимум 5% цикла, обеспечивающий необходимое время рассасывания и закрывание открытого транзистора и недопускание ничем не ограниченного сквозного тока через выходные транзисторы, когда первый транзистор ещё не успел закрыться, а второй - уже открылся). Также этот вход иногда используют для плавного снижения мощности при приближении нагрузки на блок, близкой к максимальной, или soft start. Ток чеез эту ножку около 2 мкА. Напряжение на этом выводе должно быть в пределах 0...+3,0В. Потенциал 0 В (ножка на земле) соответствует 45% времени заполнения рабочего цикла, когда нагрузка включена. 3.0 В соответствует 0% заполнения. Влияет на КПД в целом. Подробнее см.даташит.
  • Вывод 13 - программирование режима микросхемы. У нас будет всегда двухтактный режим работы (ключи работают в противофазе), поэтому этот вывод всегда подключен на Uоп 5.0В (вывод 14)
  • Выходы - 8 и 11, они подключены через усиливающие транзисторы на трансформатор гальванической развязки с ключевыми мощными транзисторами. Это коллектора выходных транзисторов микросхемы. Эммитеры (выводы 9, 10) обычно подключены на землю. Получается схема с ОК.
Также нужно найти и выпаять диод, соединяющий выходную 12-вольтовую обмотку силового трансформатора с шиной питания TL494 - теперь она будет питаться только от маленького "дежурного" преобразователя (у него есть не только 5VSB выход, но и 12В, от которого штатно и питается TL494 в режиме ожидания). Чтобы не зависеть от выходного напряжения основной части БП, которое, к тому же, будет значительно меняться.

Теперь модернизируем выходную часть БП в соответствие с вот такой схемой:


Также, как пример, можно рассмотреть вот эту (модификация 16V 16A) и эту (модификация 30V 10A) простые доработки БП от итальянца Roberto Chirio.

Насчет выбора времязадающих Ct (вывод 5) и Rt (вывод 6) - воспользуйтесь номограммой:


Необходимо учесть, что тактовая частота генератора ШИМ в 2 раза больше, чем рабочая частота трансформаторов. При С = 1000 pF и R = 18 kOm Ft = 65 кГц, Fраб = 32 кГц.

Детали

Пунктиром очерчены детали, которые уже есть в БП. Выпрямительные диоды нужно соединить с 12-вольтовыми отводами вторичной обмотки силового трансформатора.
Диоды лучше взять помощнее, чем те, которые обычно стоят в 12-вольтовой цепи (например взять вместо 1040CT (диоды Шоттки 10A 40V) сборку 30CPQ150 (диоды Шоттки, предельные 30А 150В) - тогда можно максимальный выходной ток смело увеличить до 20А, а то и 30А, а выходное напряжение получить максимум 75 вВОльт (естественно, при условии перемотки силового трансформатора). А если применить 40CPQ100 - то и 40А x 50В! С хорошим теплоотводом, естественно. Но лучше будет выбирать максимальный выходной ток примерно 70% от допустимого от Шоттки, это снизит вероятность его пробоя при перегрузке. Ещё следует учесть, что на диод действует удвоенное обратное напряжение, поэтому вольтаж диода должен быть с 2-х кратным запасом относительно ожидаемого максимального выходного напряжения.
Дроссель L1 делаем из "желтого кольца с белой полосой" (материал - распыленное железо) многообмоточного дросселя штатного БП, оставив на нём только 5-тивольтовую обмотку, это самый толстый провод. Можно воспользоваться штатным, нужна обмотка с самым толстым проводом.
Дроссель L2 тоже берём из цепи 5 Вольт.

Вариант с изготовлением самодельных дросселей. Используются кольца дросселя групповой стабилизации типоразмера K23.5x13.5x10 из распыленного железа. Провод для обмотки надо брать потолще, с учетом а) тока через этот проводник и б) минимального сопротивления получившейся обмотки. Дело в том, что дроссель будет иметь ненулевое сопротивление и, соответственно, по закону Ома, протекающий через него ток будет дроссель греть - пропорционально сопротивлению обмотки и силе протекающего тока. Поэтому активное сопротивление обмотки должно быть поменьше.
Было изготовлено 2 самодельных дросселя, эмаль-провод ПЭВ-2 1,2мм наматывался в первом случае плотно до заполнения кольца (в один слой) во втором - намотано витков в 2 раза меньше. В результате на ток 20А годится только второй дроссель, первый будет выделять при такой мощности слишком много тепла, около 8 Ватт, что приведет к перегреву и потере магнитных свойств сердечника. Результаты обмера сведены в таблицу:

частота преобразования, кГц 32


**максимальный ток, А 10












размеры кольца  - K23,5x13,5x10 K13x8x5
материал  - распыленное железо
кол-во витков  - 24 12 22
провод кабели тестера ПЭВ-2 1,2 ПЭВ-2 1,2 ПЭВ-2 1,05
индуктивность, мкГн 0,1 41 11 19,3
активное сопротивление, Ом  - 0,02 0,01 0,04





падение напряжения**, В
0,2 0,1 0,4
активное рассеяние тепла**, Вт  - 2 1 4
реактивное сопротивление на Fраб, Ом  - 8,2 2,2 3,9


Вентилятор запитываем от питания TL494 (ножка 12 ) - там как раз около 12 Вольт (лучше всё же в этом убедиться заранее). Понизить это напряжение при необходимости можно, используя либо стандартный интегральный стабилизатор типа 7812. либо LM317T во включении стабилизатора напряжения, а ещё лучше - с термистором в цепи обратной связи. А ещё лучше - найти NTC термистор на 47 Ом и включить в цепь вентилятора. А сам термистор прикрепить к диодной сборке Шоттки как можно ближе. Вентилятор установить его так, чтобы он дул внутрь корпуса (то есть перевернуть относительно обычного расположения). Можно использовать и схему Noise Killer, если она была в оригинальном блоке питания.
На микросхеме ОУ LM358 (или любой другой сдвоенный низковольтный операционник, входной каскад которого собран на биполярных транзисторах структуры p-n-p и может работать в однополярном включении и при входных напряжениях от 0 В) собран измерительный усилитель выходного напряжения и тока, который будет давать измерительные сигналы на TL494. Резисторы R9 и R8 задают опорные напряжения. Переменный резистор R9 регулирует выходное напряжение, R8 - ток.
Токоизмерительный резистор R7 на 0.05 ом должен быть мощностью 5 ватт (10А^2*0.05 ом). Его можно добыть из "желтого китайского тестера".
В принципе, можно просто переключить обмотки существующего силового трансформатора и поднять выходное напряжение до 30...50V, либо вовсе перемотать его и получить любое нужное выходное напряжение, хоть 400V (и не забыть применить соответствующие диоды!) .  Я переключил все существующие обмотки последовательно и получил размах 200 Вольт на вторичной обмотке (с отводом посередине). На выходе выпрямителя получилось ровно 50 Вольт.

Перемотка трансформатора даже рекомендуется, так как в оригинальном трансформаторе применен эмаль-провод с легколудящейся эмалью, разрушающейся от повышенной температуры, что часто является причиной межвиткогово К.З. в них и выхода питателя из строя.
Параметры трансформатора легко пересчитать под свои задачи, либо смотав оригинальную обмотку и, зная напряжение на ней, подсчитав число витков на вольт, либо рассчитав свой трансформатор по одной из программ.
Нагрузочный резистор 470 ом 1 Вт (на схеме он не показан) обязательно должен быть установлен параллельно C5. Он нужен, чтобы БП не оставался совсем без нагрузки. Ток через него измерительной схемой не учитывается, потому что он включён до измерительного резистора R7. Без него, естественно тоже работать будет, но тогда, если установить более низкое напряжение при отключенной от выхода нагрузке, то установка выходного напряжения будет затруднена, потому что C4 и C5 будут слишком долго разряжаться до нужного напряжения.

Другие замечания

Питание для ОУ берём с выхода "дежурных" 5В БП ATX (обычно обозначены на плате как +5VSB или 5V STANDBY, фиолетовый провод). Нагрузка подключается к +OUT и -OUT.
В качестве измерителей напряжения и тока в нагрузке можно использовать либо обычные стрелочные приборы, включённые по схеме вольтметра, либо пару цифровых вольтметров, которые нужно подключить к выходам LM358 (нога 7 - напряжение, нога 1 - ток, напряжение - 0-5 В) и затем оттарировать их тестером. Можно применить готовые модули вольтметров - их очень много в продаже.
Питать цифровые вольтметры можно с "дежурных" 5В - там преобразователь рассчитан на ток нагрузки до 2А.

Эксплуатация

Если регулировка тока в какой-то момент не нужна, то R8 просто выкручиваем на максимум. Стабилизироваться БП будет так: если, например, установлено 12В 1А, то если ток нагрузки меньше 1А - стабилизируется напряжение, если больше - то ток.


Микропроцессорное управление

Здесь в качестве элементов управления предлагается использовать синтезирование нужных опорных напряжений средствами микроконтроллера Atmega8; он же следит по обратной связи за стабильностью выходных параметров и также обеспечивает вывод на ЖКИ экран текущих значений тока и напряжения в нагрузке, то есть, выполняет функции вольт- и амперметра.
Управление напряжением и током стабилизации осуществляется встроенным в контроллер ШИМ'ом. Его скважность регулируется энкодером, каждый шаг которого приводит к увеличению или уменьшению опорных напряжений по напряжению и току и как следствие к изменению напряжения на выходе БП или тока стабилизации.

При нажатии на кнопку энкодера на индикаторе напротив изменяемого параметра появляется стрелка и при последующем вращении изменяется выбранный параметр.

Принципиальная схема модуля управления с энкодером:

 Индикатор в режиме настройки выходного напряжения
 Индикатор в режиме настройки ограничения тока

Внешний вид (устройство, изготовленное пользователем Sonata)



Ссылки


ą
Вадим Лимарь,
12 дек. 2010 г., 13:49
ą
Вадим Лимарь,
12 дек. 2010 г., 13:49
ċ
lab_tax_mk_encoder.rar
(3k)
Вадим Лимарь,
12 дек. 2010 г., 12:43
ą
sch01.gif
(74k)
Вадим Лимарь,
12 дек. 2010 г., 12:39
Comments