Самый простой ИИП 1кВт для усилителя.
Собранный блок питания DA Power1000.
Рисунок печатной платы:
Характеристики:
— напряжение питания: 210-240в;
— напряжение на выходе (холостой ход): +84/-84в;
— дополнительные сервисные напряжения: +15/-15в 100мА, +12в 100мА.
— напряжение на выходе при номинальной мощности: +72/-72в (-14,2%);
— мощность постоянная: 1000вт;
— мощность кратковременная: более 1500вт;
— защита от короткого замыкания: есть.
Прошло уже более 2-х лет с момента создания импульсного блока питания на микросхеме SG3525 с применением трансформатора гальванической развязки. ИИП показал себя очень достойно, доработанная версия обладает отличной надёжностью, повторяемостью и отличается дешевизной.
Про данный блок питания мощностью 300вт можно почитать здесь: ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ ДЛЯ УСИЛИТЕЛЯ НА SG3525+ТГР.
Теперь набравшись немного опыта и знаний я попробую прокачать блок питания повысив мощность более чем в 3 раза. Для начала я убрал стабилизацию напряжения, чтобы ИИП хорошо работал с усилителями D-класса, затем усилил печатную плату и поставил более мощные силовые элементы. Принцип работы расписывать не буду, думаю, что вряд-ли новички без опыта станут сразу собирать киловаттный блок.
Топология остаётся той же — полумост, но для минимизации потерь я использовал полевые транзисторы с очень низким сопротивлением открытого канала KCX9860A от производителя KIA Semicon Tech (600V 47A 81 mΩ). Но чем мощнее ключи, тем сложнее ими управлять. Тяжеленный затвор и долгое время переключения создают некоторые сложности при постойке мощного ИИП. Для управления транзисторами применена все та же микросхема SG3525 с трансформатором гальванической развязки и конденсаторным блоком питания для запитки ШИМ-контроллера.
Часть 1. Управление тяжелыми полевыми транзисторами..
Посмотрим на график тока через полевик в зависимости от напряжения на его затворе.
Зависимость тока полевого транзистора от напряжения на его затворе.
Для полного открытия транзистора при 25°C на затвор нужно подать 5в, и около 6в при 150°C. Так зачем же заряжать затвор напряжением 12в, если это не имеет никакого смысла. С увеличением напряжения на затворе, его заряд сильно увеличивается, что приводит к повышению потребления от ШИМ-контроллера.
Данный график показывает, как увеличивается заряд затвора в зависимости от приложенного на него напряжения.
Зависимость заряда затвора от приложенного напряжения на затворе.
Вывод: управление тяжелыми полевыми транзисторами намного проще осуществлять пониженным напряжением. Для полевых транзисторов KCX9860A оптимальное напряжение на затворе будет составлять 6в.
Часть 2. Трансформатор гальванической развязки.
В качестве ТГР применено ферритовое кольцо R16*10*4,5 из материала PC40. Для того, чтобы ШИМ контроллер потреблял меньше энергии на перемагничивание сердечника, я увеличил количество витков первичной обмотки до 60-ти. При 45 витках ток потребления SG3525 без подключенных полевиков составляет поряка 25мА, при 60 витках 18мА соответственно. Т.е. с малым количеством витков повышенная индукция в сердечнике привидит к повышенным потерям, микросхеме тяжело переключать обмотку даже на холостом ходу, сама SG3525 без подключенного ТГР потребляет около 10мА. Рассчитал количество витков вторичных обмоток, для 6в будет достаточно намотать по 30 витков. (12в/60*30=6в).
Трансформатор мотал сразу 3 жилами, первичная обмотка 60витков, вторичные 2*30витков.
Трансформатор гальванической развязки.
Итог: слишком низкое значение затворных резистором приводит к большим импульсным токам при переключении. И это касается не только данного ИИП, то же самое я заметил в усилителе D-класса, строило заменить завторные резисторы с 30ом до 60-ти, токовая защита перестала ложно срабатывать. Причем нагрев транзисторов остался прежним.
Часть3. Силовой трансформатор.
В качестве силового трансформатора я выбрал кольцо R40*24*20 из материала PC40, потому, что они во много раз дешевле трансформаторов с каркасами.
Самая продвинутая программа для расчета кольцевых трансформаторов:
Тремя жилами проводом 0.75мм в один слой мне удалось намотать только 27 витков первичной обмотки. Скорректировал в программе данные и пересчитал заново. Главное, не задирать индукцию в сердечнике, чтобы не было перегрева трансформатора. Можно играть частотой и индукцией, чтобы попасть в нужное число витков.
Формула определения числа витков вторичных обмоток для необходимого напряжения на холостом ходу.
N2=U/Uтр*N1= 80/155*27=14 витков, где
U — необходимое постоянное напряжение в плече;
Uтр — напряжение на первичной обмотке трансформатора, для полумостового преобразователя оно будет равно половине выпрямленного сетевого напряжения. 220*1,41/2= 155в;
N1 — количество витков первичной обмотки трансформатора, считается в программе.
Силовой трансформатор.
Часть 4. Софтстарт.
В данной схеме есть два софтстарта. Первый — осуществляется посредством ШИМ контроллера. При пуске на полевые транзисторы подаются узкие импульсы, которые не полностью их открывают и пусковой ток не превышает ограничение в 20 ампер даже со значительными ёмкостями на выходе.
Второй софтстарт построен на реле, и служит для ограничения тока заряда больших сетевых ёмкостей. В нашем случае 990мкф сначала около полсекунды заряжаются через токоограничивающий резистор 33ома, и только потом напрямую подключаются к сети 220в. Пусковой ток через вилку при этом не превышает 8А, без софтстарта он достигал бы 50А в момент включения.
Реле софтстарта запитано все от того же конденсаторного блока питания, подойдёт любое реле на 12 в с сопротивлением катушки не ниже 200ом. Конденсатор 1000мкф задаёт задержку срабатывания реле при пуске.
Часть 5. Сборка и настройка.
Первым делом на плату монтируются малогабаритные элементы, затем все остальные.
Важно: первый пуск и проверка производится с низким напряжением питания. Для этого необходимо поставить 3 перемычки и подать на вход 13 в постоянного напряжения. Должен появится сигнала на обмотках ТГР и красивый менандр на силовом трансформаторе, на выходе в плечах питания должно появится около +5в/-5в.
Далее проверяем работу тригера, замыкаем транзистор оптопары (у PC817 со стороны точки находится светодиод, с другой — транзистор), генерация должна мгновенно прекратиться. Если все так, то убираем временные перемычки и первый пуск делаем через токоограничиваюший резистор 100-200ом.
Также важно при больших мощностях, применив полевые транзисторов с низким сопротивление открытого канала, ставить снабберную цепочку. Более лёгкие полевики работали нормально без нее, но с этими пришлось поставить 33ома+2.2нф. Вот что было без снаббера на больших мощностях, при переходе через ноль появлялись выбросы на обмотках силового трансформатора.
Часть 6. Защиты.
Токовая защита настраивается очень просто, ее порог срабатывания зависит от сопротивления токового шунта. Светодиод оптопары загорается примерно от 1в, тогда шунт 0,05 ома даёт отсечку на 1в/0,05ом=20А.
Мощность на шунте при 1квт выходной мощности составит (1000вт/150в/2)²*0,05ом =0,55вт.
Важно, чтобы токовый шунт был безындуктивным. Можно использовать метеллопленочные или СМД резисторы, проволочные не годятся. После срабатывания тригера, дальнейшая работа возможна только после отключения блока питания от сети на несколько секунд.
ИИП спокойно выдерживает короткое замыкание между плечами, как во время работы, там и при попытке запуска с закороченным выходом. Главное, не проверять сработка защиты с токограничительной лампочкой в разрыве.
Часть 8. Тест.
Для проверки блока питания я подключал к нему 2 утюга помещенные в воду.
Тесты проводил в течении часа, нагрузка 980вт.
Нагрев элементов:
Полевики — 72°С;
Шоттки — 70°С;
Диодный мост 75°С;
Трансформатор 75°С;
Можно смело сказать, что все теплое и в пределах нормы, правда для охлаждения пластины пришлось приделать мощный радиатор.
Напряжения и осциллограммы под нагрузкой:
Холостой ход +84/-84в 
Нагрузка 490 вт: +75/-75в (-10,7%) 
Нагрузка 982 вт: +72/-72в (-14,2%).
SG3525 сама может справиться с мощными полевиками. Софтстарт на реле работает отлично, задержка включения 0,5сек, нагрев элементов умеренный, защита от КЗ работает хорошо.
Важно:
— грамотно подобрать затворные резисторы;
— точно рассчитать необходимое напряжение для управления завторами полевиков и определить нужное количество витков ТГР;
— установить снабберную цепочку;
— проверку осуществлять при напряжении 13в временно установив соответствующие перемычки.
— применить только высокоэффективные полевые транзисторы с напряжением не ниже 500-600в, током не ниже 30А и сопротивлением открытого канала 50-200мОм.
— дроссели на выходе обязательны;
— соблюдать технику безопасности, в данном ИИПе под сетевым напряжением находится даже SG3525, сетевые банки разряжаются более 5 минут после отключения.
— не забыть убрать временные перемычки после проверки ИИП от 13в.
Самый простой ИИП 1кВт для усилителя.: 12 комментариев
Сергей, а не могли бы Вы дорисовать данную схему под Ваше видение снабберных цепочек и стабилизации на выходе? думаю собрать данную схему, понизив вторичное напряжение (мне нужно меньше чем +/-85)… а так в целом понятная схемка и ЛЕЙка уже в комплекте.
Спасибо за статью, давно хотел собрать мощный иип
Сквозных токов нет? На какой частоте гоняете? Почему R17 33 ома? Трассировка платы немного не соответствует схеме. На низкой стороне киловатт представляете?
Без снабберов был сквозняк, частота около 45кГц. R17 подбирается, индивидуально в зависимости от выбросов на ключах. На низкой стороне киловатт представляю, снимал и больше на двух утюгах в тазике с водой.
Импульсный источник питания для УМЗЧ на IR2153 (300-500Вт)
Представляю вашему вниманию импульсный источник питания для УМЗЧ на популярной микросхеме IR2153.
Данный блок питания обладает следующими достоинствами:
Схема ИБП предусматривает плавный пуск, для этого в ИБП присутствует специальный узел, который ограничивает пусковой ток. Это необходимо для того, чтобы облегчить работу ключам при запуске ИБП. При подключении ИБП в сеть, пусковой ток ограничивается резистором R6. Через данный резистор течет ВЕСЬ ток. Этим током заряжается основная первичная емкость С10 и вторичные емкости. Все это происходит в считанные доли секунд, и когда зарядка завершена и ток потребления снизился до номинального значения, происходит замыкание контактов реле К1 и контакты реле шунтируют R6, тем самым запуская ИБП на полную мощность. Весь процесс занимает не более 1 секунды. Этого времени достаточно чтобы завершились все переходные процессы.
Драйвер запитывается непосредственно от сети, через диод и гасящий резистор, а не после основного выпрямителя от шины +310В как это делают обычно. Такой способ запитки дает нам сразу несколько преимуществ:
1. Снижает мощность рассеиваемую на гасящем резисторе. Что снижает выделение тепла на плате и повышает общий КПД схемы.
2. В отличает от запитки по шине +310В обеспечивает более низкий уровень пульсаций напряжения питания драйвера.
На входе блока питания, сразу после предохранителя установлен варистор. Он служит для защиты от повышения напряжение в сети выше опасного предела. При аварии сопротивление варистора резко падает и происходит короткое замыкание, в следствии которого перегорает предохранитель F1, тем самым размыкая цепь.
Таким вот образом я тестировал ИБП на полной мощности.
В качестве нагрузки у меня выступают 4 керамических, проволочных резистора мощностью 25Вт, погруженные в емкость с «кристально чистой» водой. После часа прохождения тока через такую воду все примеси всплывают наверх и чистая вода превращается в бурую, ржавую жижу. Вода усиленно испарялась и за час испытаний нагрелась практически до кипения. Вода необходима для отвода тепла от мощных резисторов, если кто не понял.
Трансформатор в моем варианте ИБП, намотан на сердечнике EPCOS ETD29. Первичная обмотка проводом 0,8мм2, 46 витков в два слоя. Все четыре вторичные обмотки намотаны тем же проводом в один слой по 12 витков. Может показаться, что сечение провода не достаточно, но это не так. Для работы этого ИБП на питание УМЗЧ этого достаточно, так как средняя потребляемая мощность значительно ниже максимальной, а кратковременные пики тока ИБП без труда отрабатывает за счет емкостей питания. При долговременной работе на резистор, при выходной мощности 200Вт, температура трансформатора не превысила 45 градусов.
Для увеличения выходного напряжение более 45В необходимо заменить выходные диоды VD5 VD6 на более высоковольтные.
Для увеличение выходной мощности необходимо использовать сердечник с большей габаритной мощностью и обмотками, намотанными проводом большего сечения. Для установки другого трансформатора придется изменить рисунок печатной платы.
Печатная плата в готовом виде выглядит так (выполнено ЛУТом):
Импульсный блок питания для усилителя НЧ на ir2153 мощностью 300Вт
Ну, наконец, после небольшого перерыва выкладываю новую статью по сборке импульсного источника двухполярного питания на ir2153 для усилителя низкой частоты. Данный ИИП мощностью 300 Вт может питать такие усилители как “Ланзар” или усилитель на TDA7294 и др., требующие двухполярное питание.
Рассматриваемый блок питания я буду задействовать для питания своего будущего усилителя “Ланзар”. Мощность источника питания 300-400 Вт будет достаточной для двух каналов усилителя по 100Вт с КПД=55%.
Схема была найдена на просторах интернета, собрана, отработана мною и выложена в виде данной статьи, как проверенная схема, чтобы вы могли без проблем повторить её. Вы же меня понимаете друзья, как редко найденная в интернете схема запускается и работает с первого раза.
На самом деле, схема не сложна, но я с ней помучился и попробую вам объяснить некоторые моменты настройки защиты.
Данный импульсный блок питания имеет защиту от перегрузки. Блок питания нестабилизированный.
Схема ИИП на ir2153 для усилителя низкой частоты.
Данный источник питания не имеет стабилизации, поэтому в выходном каскаде отсутствуют дроссели.
Напряжение планировал +-45Вольт, но расчеты не точны вследствие неизвестного материала сердечника трансформатора, в итоге +-50Вольт при токе 3.5А. Сердечник импортный. Ну, я не огорчился, нормальное напряжение +-50Вольт, в самый раз для моего будущего усилителя.
Опишу немного работу схемы.
Все, что зеленым цветом является плавным запуском. Плавный запуск в данной схеме служит для гашения больших токов при включении источника питания в сеть. При включении в сеть, начинается зарядка большой емкости электролитического конденсатора С10, а так же электролитов в выходном каскаде C13-C16. Суть работы плавного запуска следующая, при включении источника питания в сеть, весь ток протекает через резистор R6, тем самым рассеивая излишки в виде тепла в атмосферу. Как только все емкости зарядились (прошли переходные процессы), замыкаются контакты реле K1, и весь ток начинает течь не через резистор R6 а через замкнутые контакты реле K1. Временная задержка срабатывания реле задается времязадающей емкостью С7. VDS1 является выпрямительным мостом для питания плавного запуска. VD1 стабилитрон на 13 Вольт для питания реле К1.
Перейдем к самому источнику питания. Резистор R2 ограничивает ток питания самого драйвера ir2153, то есть через него запитан драйвер. VD2 является однополупериодным выпрямителем питания драйвера.
Емкость С6 и резистор R4 задают частоту генерации драйвера ir2153. Под статьей можете скачать программу расчета номиналов данных элементов по частоте. Номиналы C6 и R4 указанные на схеме способствуют генерации прямоугольных импульсов с частотой 43-44кГц. Я убавил номинал резистора R4 до 13кОм, тем самым повысил частоту до 50кГц, трансформатор стал греться меньше, но и поднялось напряжение на нагрузке, было +-48 Вольт при токе 3А, стало +-50Вольт, но это только мне на руку.
На транзисторах VT1,VT2,R1,R3 собран “икающий” триггер защиты. R11 является датчиком тока. На нем совсем небольшое падение напряжения, и при увеличении тока во вторичной обмотке, ток первичной обмотки тоже увеличивается, увеличивается и падение напряжения на резисторе R11. Через подстроечный резистор R10 ток поступает на базу транзистора VT1, и при достижении определенного напряжения база-эмиттер примерно 0,6 Вольт транзистор открывается. Через открытый транзистор VT1 и резистор R1 начинает протекать небольшой ток, который открывает транзистор VT2, через данный транзистор и резистор R3 питание драйвера зашунтируется. Драйвер прекращает работу, ток падает в обмотках трансформатора, транзистор VT1 закрывается. Питание на драйвер вновь появляется, так как закрыт транзистор VT1, а следовательно и VT2, и питание драйвера уже не зашунтировано.
Далее цикл повторяется, пока в первичной обмотке трансформатора не ослабится ток. Визуально это все наблюдается миганием светодиода, эффект “икания”. Подстройка защиты ведется подстроечным резистором R10, но о настройке защиты чуть ниже.
На выходе стоят диоды типа “Шоттки”, позволяющие выпрямить высокочастотный ток. Ну и в каждом из плеч выходного каскада стоят электролиты по 2000мкФ на плечо. Данных баночек вполне достаточно для импульсного источника питания мощностью до 500Вт, используемого под усилитель низкой частоты.
Варистор VDR1 защищает схему от скачков напряжения. При скачке напряжения (напряжение срабатывания MYG14-431 составляет 430В при токе 1мА) сопротивление варистора мгновенно уменьшается, выкорачивая цепь питания схемы, перегорает предохранитель, обрывая сетевое питание.
Дроссель T1 служит для подавления высокочастотных помех на входе.
Детали для сборки импульсного источника питания на ir2153
Дроссель Т1 можете выдрать из любого импульсного блока питания ПК, как это сделал я.
Скачать список компонентов для ИИП на ir2153 в файле PDF.
Трансформатор намотан на кольце марки 2000НМ, размеры 40-24-20 мм. Первичная обмотка содержит 33 витка проводом диаметра 0,85мм в две жилы (перестраховался).
Вторичная обмотка ложится в два слоя. Диаметр провода вторичной обмотки 0,85мм и имеет 13+13 витков (то есть с отводом от середины, всего 26 витков), второй слой аналогичен первому (13+13 витков). Между слоями лежит диэлектрик.
Более подробную инструкцию о расчете и намотке трансформатора читайте в статье «Расчет и намотка импульсного трансформатора», также рекомендую прочитать статью «Как перемотать трансформатор из блока питания ПК».
Данный импульсный источник питания на ir2153 можно пересчитать под любое напряжение, достаточно перемотать трансформатор.
Если надумаете собирать данный блок питания напряжением более +-50В, то следует заменить выходные емкости С13-С16 на более высоковольтные, например на 100В., а также заменить Шоттки, например, на MBR20200.
Пару слов о защите.
Может сложиться так, что после сборки ИИП описанного в этой статье, при запуске будет срабатывать защита. И регулировка подстроечного резистора не даст никакого результата. Тогда следует уменьшить номинал резистора R11 до 0,07 Ом. У меня так и сделано, параллельно зацеплены три резистора по 0,2 Ом.
Суть ребята такая, если номинал резистора R11 большой, например 0,2 Ом, то на нем будет падение напряжения больше чем нужно, и при работе ИИП постоянно будет большое напряжение на базе транзистора VT1, защита будет срабатывать.
Может случиться так, что при испытании на довольно большой нагрузке защита не срабатывает, то можно попробовать увеличить номинал R11, например до 0,15 Ом. Либо попробовать увеличить номинал подстроечного резистора R10, например до 3,3 кОм. Так как, R10 и R11 соединены параллельно, и R11 на два порядка меньше, то увеличение R10 приведет к очень малому (несколько тысячных-сотых долей) изменению эквивалентного соединения.
В общем, повозитесь с настройкой защиты и все поймете. Хотя если все номиналы будут соответствовать схеме, и мотать трансформатор будете на кольце, даже рассчитанном на другое напряжение, у вас все заработает с первого раза. От вас требуется внимательность, и аккуратность.
Замечу, что на плате стоят два резистора R11 сопротивлением 0,22 Ома, соединенных между собой параллельно, в результате R11 равен 0,11 Ом (по правилу двух параллельно соединенных проводников). У меня на плате три резистора R11 по 0,22 Ома (параллельно соединенных), что дает в результате 0,07 Ом.
Первый запуск и настройка защиты.
Первый запуск всегда делайте через лампу. Что это значит? Это значит, что от сети подключаем не напрямую питание, а в разрыв одного из двух проводов подсоединяем лампу 220 Вольт.
Что нам даст лампа? Лампа – это тот же резистор, в котором визуально можно наблюдать рассеивание лишней мощности в виде света (тепла соответственно тоже), а также предотвратит перегорание элементов при неисправности в блоке питания.
Если в вашем собранном блоке питания на ir2153 будет присутствовать короткое замыкание (КЗ), чего я вам не желаю, то при подключении через лампу, последняя будет гореть в полный накал и возможно ничего больше не сгорит, так как лампа рассеет всю мощность. Это очевидно, так как схема примет вид:
Если в блоке питания будет обрыв, то лампа не загорится.
При нормальном запуске ИИП наблюдается следующая картина, лампа должна вспыхнуть и погаснуть. Вспыхивает лампа в момент зарядки всех емкостей. Если емкости не разрядить, то второй запуск пройдет без вспыхивания лампы.
Для настройки защиты лампу исключите из цепи, иначе лампа будет рассеивать мощность и не позволит вам, как следует нагрузить ваш ИИП.
Для проверки защиты нужно нагрузить наш ИИП на ir2153. Нагружать будем мощными резисторами. Для этого их нужно рассчитать. Расчет производим с помощью закона Ома. На выходе у меня +-50В, если я замерю не относительно ноля, а на плечах, то получу напряжение +100В. Я хочу выжать из моего блока питания ток 3А, это 300Вт (мощность = ток*напряжение). Теперь 100В/3А=33,3 Ом.
Ток потребления 3 Ампера.
Напряжение на плечах 102 Вольта.
Далее плавным вращением подстроечного резистора R10, добиваемся загорания светодиода, который должен начать мигать. После того, как поймали место, где срабатывает защита, крутим подстроечный резистор R10 в обратном направлении, пока защита перестанет срабатывать. В этом положении оставляем R10. Все, защита настроена, при перегрузке более 300Вт в моем случае, сработает защита.
После пайки обязательно сотрите остатки канифоли спиртом или ацетоном. Посадите ключи и Шоттки на радиаторы, через диэлектрические прокладки. После настройки защиты погоняйте ваш блок питания сначала минут 15, потом можете час. После 1 часа работы, трансформатор нагрелся до 64 градусов и рост температуры остановился. Это нормально. Ключи IRF740 работают до 150 градусов, и соответственно будут нагреваться.
Замеры температуры при работе схемы:
При желании и наличии осциллографа, можете пересчитать R4 и С6, для оптимальной настройки частоты. Уменьшив R4 до 13кОм, я увеличил частоту до 50кГц, что сразу сказалось на работе моего блока питания, повысился КПД, а следовательно и уменьшилось выделение тепла.
Печатная плата для ИИП на ir2153 СКАЧАТЬ
Список компонентов для сборки ИИП на ir2153 (PDF) СКАЧАТЬ
Программа расчета частоты драйвера ir2153 по R4 и C6 СКАЧАТЬ
Статья по расчету и намотке импульсного трансформатора ПЕРЕЙТИ
Статья по перемотке импульсного трансформатора из БП ПК ПЕРЕЙТИ.