30-амперный вариант блока питания для 12-вольтовой аппаратуры

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Блоки питания

Опубликовано: 23.03.2017 15:09

Просмотров: 7630

А.Г. Зызюк, г. Луцк
Сейчас в эксплуатации находится такое огромное количество аппаратуры, рассчитанной для 12-вольтовое питания, что трудно себе и вообразить. Ситуация такова, что все чаще возникает потребность в эксплуатации 12-вольтовой техники от электросети 220 В, причем даже не принимая во внимание ремонтные процесс. Уже нередко автомобильная аппаратура по своим параметрам опережает обычный стационарный ширпотреб. Так что налицо как минимум еще одна причина, соблазняющая использовать 12-вольтовую технику в стационарных условиях. А для этого нужен соответствующий блок питания (БП). Чем мощнее автотехника, тем мощнее нужен и БП. Все бы ничего, но мощных БП на 12 В в широкой продаже почти нет. Есть они на фирмах, но там высокие цены.
В общем, довелось собирать мощный БП на 12 В самостоятельно.

Поскольку имевшиеся в наличии 10 А не всегда устраивали, сначала собрали БП на ток не более 30 А. Впоследствии его умощнили. Была поставлена задача создания простого и надежного БП с минимальными материально- техническими затратами. Поэтому в БП нет дефицитных или дорогостоящих зарубежных комплектующих. Все это предельно упростило изготовление БП в домашних условиях.
О ситуациях, когда нужен БП на ток более 10 А
Необходимость иметь хотя бы 10 А вариант БП со стабилизатором напряжения (СН) на 12 В у домашнего мастера или ремонтника возникает все чаще. Автотехника непрестанно усложняется и умощняется. Сейчас неудивителен факт наличия в автомобиле мощного сабвуфера, громыхающего так сильно, что его слышно на большом расстоянии. Для питания мощной автоакустики нужны соответствующие усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ). Напряжение питания у них никак не меньше, чем у стационарных (УМЗЧ). Требуются мощные преобразователи напряжения, чтобы мощные УМЗЧ работали от 12 В.
Все это вливается в десятки ампер (иногда и более) тока, потребляемого от 12-вольтового аккумулятора. Поэтому даже если и не устраивать очень громких увеселительных мероприятий, то для испытания подобных аппаратов тока 10 А уже не хватает.
О сложившейся ценовой политике в отношении фирменных мощных БП
Может казаться, что проще всего купить готовый мощный БП на фирме. Проще, но никак не дешевле! Не забываем о поломках и ремонте. Свои
изделия и ремонтируются «иначе». Если надежно сделаем, то ремонтопригодность и затраты времени на ремонт в десятки раз отличаются от современных «навороченных» промышленных конструкций. И это не преувеличение, а реальность. Просмотрев еще прайс-листы нескольких фирм, торгующих мощными БП, убеждаемся в следующем. За деньги, в 10 раз меньшие, можно самостоятельно собрать 30...50-амперный БП на 12 В. У фирменных БП применены удобные цифровые амперметры и вольтметры, красивые корпуса и рукоятки. Все это теперь уже несложно докупить, если уж так надо. Однако эксплуатация цифровых амперметров при работе СН с динамической нагрузкой сопряжена с весьма серьезными неудобствами. Цифровые амперметры в ряде ситуаций не могут обеспечить достоверного результата измерений. Схемотехника современных промышленных БП чрезвычайно усложнена. Вся эта «микроконтроллерная чипизация» приводит к тому, что и на самом деле, быстрее на такой БП соберете средства и купите, чем его повторите. На его повторение уйдет год, а может и не один. Чего стоит изготовление одних только «тесных» печатных плат с тонкими дорожками. Как результат, схемы новейших БП солидно усложнены.
Автоматическое переключение отводов вторичной обмотки сетевого трансформатора (СТ), в зависимости от выходного напряжения СН, оптимизирует рассеиваемую мощность на регулирующих транзисторах. Повышается КПД всего БП. Но все равно, конструкция БП усложняется очень существенно.
В конечном итоге, если нам не требуется длительная эксплуатация БП в тяжелом режиме (минимального выходного напряжения или короткого замыкания), то отказ от автоматики с переключением обмоток вполне допустим. Тем более, если СН рассчитан, в основном, на работу при выходном напряжении 12... 14 В. Поскольку затяжных дискотек посредством мощных 12-вольтовых аудиосистем не предусматривалось, то постепенно пришли именно к несложной схеме СН, показанной на рис.1.
 
О работе и особенностях схемы рис.1
Напряжение с СТ поступает на умощненный диодный мост VD1-VD8. Использован двойной комплект диодов КД2998Г. Эти диоды Шотки допускают параллельное соединение в любом количестве. Примечательно то, что не нужны выравнивающие резисторы. Последние обязательны для случая параллельного включения кремниевых диодов. Отказ от удобных зарубежных диодных мостов, например, 50-амперных МВ50 объясним желанием уменьшить потери напряжения на мосте и нагрев моста. Диоды КД2998Г допускают прямой ток не более 35 А. Поэтому их параллельного включения достаточно, с солидным запасом, чтобы перешагнуть «злосчастный» коэффициент нагрузки по току, равный 0,7. По напряжению КД2998Г уже отбирали, так как для них допускается не более 35 В.
Источник опорного напряжения (ИОН) собран на микросхеме TL431 (VD10). На транзисторе VT1 собран генератор стабильного тока (ГСТ) для питания ИОН. TL431 способна и без ГСТ обеспечить стабильное напряжение ИОН, но при условии, что экземпляр TL431 качественный. Последнее обстоятельство, к сожалению, не всегда обеспечивается. Некондиционные экземпляры TL431 уже не редкость. Они функционируют, но стабильность напряжения на поря док-два хуже. Такие микросхемы весьма чувствительны к изменениям протекающего через них тока. И просадки напряжения на оксидных конденсаторах выпрямителя, весьма существенные при токах СН 10...30 А, приводят к большим изменениям тока микросхемы. Отсюда и изменения напряжения ИОН. Стабильный ток через ИОН является подстраховкой в данной проблеме. Ведь какая партия микросхем приобретена, с такой приходится разбираться. Неизвестно, что приобретем в следующий раз.
Германиевый транзистор в ГСТ применен неспроста. Благодаря этому использован всего один кремниевый диод, а не два, как обычно требуется для ГСТ на кремниевом транзисторе. Работоспособность ГСТ сохраняется при меньшем (в четыре раза) падении напряжения на самом ГСТ. Светодиод-индикатор включения БП в сеть. С ИОН напряжение поступает на СН, собранный на транзисторах VT2-VT9. Переменный резистор R6 -регулятор выходного напряжения СН. Обеспечивается плавная регулировка от нулевого и до максимального выходного напряжения СН. Переключатель SA1 позволяет оперативно обесточивать нагрузку СН. Резистор R7 исключает вероятность работы транзистора VT2 с отключенной базой в случае износа R6. Сам СН классически прост. Но он надежен в работе.
О токовой защите. Элементы VD12, R9 и R8 обеспечивают функцию ограничения тока в нагрузке СН. Резистором R8 устанавливают требуемый максимальный ток ограничения СН. Защита тоже простая, но эффективная. За простоту нужно платить. Недостаток защиты состоит в том, что вблизи порога ограничения защита влияет на выходное напряжение (снижает его). Внешне это проявляется, как увеличение выходного сопротивления СН. Поэтому ток ограничения СН выставляли с запасом 10...20%. На схеме показано всего шесть параллельно включенных транзисторов. При шести экземплярах КТ8101 и токе более 33 А мощные зарубежные транзисторы - это еще не самое плохое. Транзисторы типов 2SA1302 или 2SC3281 очень легко самовозбуждаются в схемах мощных СH. Не менее склонны к этому и более мощные (200 Вт) тошибовские 2SC2922. Замечательные транзисторы, но если только входят в генерацию при мощной нагрузке, то им и конец. При самовозбуждении они мгновенно выходят из строя. Вот такая «обнадеживающая» ситуация с замечательными тошибовскими мощными транзисторами. Не случайно автор остановился именно наКТ8101 c Fгр <15МГц. У зарубежных тошибовских граничная частота в 2 раза выше. Точнее, у наших КТ8101 нет 15 МГц. Дело в том, что разница в «чувствительности» (к заходу) в самовозбуждение очень сильно отличается, если сравнивать КТ8101 с их зарубежными «аналогами». В связи с чем очень выгодно применять наши «заторможенные» (НЧ) КТ819ГМ. Однако с ними больше хлопот, в плане сверления кучи отверстий (для шести-девяти штук КТ819ВМ).
Количество 100-ваттных транзисторов требуется увеличивать, в сравнении с 150-ваттными КТ8101. Если не нужен ток 30 или 40 А, то количество параллельно работающих транзисторов, соответственно, уменьшают. Транзисторы КТ8101 непременно следует проверять на Uкэ макс. Если оно меньше 50 В, то такие транзисторы в БП не устанавливали. С прогревом транзистор теряет и это. Отбраковывали, если стрелочным омметром обнаружена большая разница в сопротивлениях переходов между К-Б и Э-Б. Такие экземпляры КТ8101 тоже не ставили в мощные БП. До установки в «батарею» из 6 или более штук КТ8101 каждый транзистор проверяли при максимальной рассеиваемой мощности, естественно, с учетом коэффициента нагрузки 0,7. Иначе говоря, не при 150 Вт рассеиваемой мощности, а не более чем при 100 Вт. При этом не использовалось никаких изолирующих прокладок. Сам радиатор должен охлаждаться по максимуму возможностей вентилятора и радиатора. Если транзистор выходит из строя уже при 50.. .70 Вт, будучи хорошо охлажденным, то вся партия уже под подозрением. Окончательные выводы делаются только после проверки всей партии (или десяти штук), а не одного экземпляра таких транзисторов. Когда выбирали 9 шт. КТ8101, то понимали вот что. Как конкретно проявленную некондиционность, в этом БП им прощается только лишь сниженное значение Uкэ макс. Во
всем остальном нет никаких исключений.
О замене транзистора в ГСТ. Сюда прекрасно подходят МП35-МП38 с любым буквенным индексом, а также и более мощные ГТ404. Они тоже могут быть с любым буквенным индексом. Отметим, что ГСТ на таком транзисторе, в отличие от кремниевого, будет сохранять свою работоспособность даже тогда, когда на нем (на участке К-Э) возникнет напряжение в сотни милливольт (при
400 мВ - без проблем). Мало того, у этой схемы есть и еще резерв данного плана. Замена кремниевого диода VD9 германиевым, например, Д310 или Д9 с одновременным уменьшением в четыре раза номинала R4 (до 12 Ом) позволяет дополнительно снизить минимальное напряжение на ГСТ, при котором он все еще будет функционировать. Температурная стабильность значительно пострадает, но стабильность (тока) напряжения ИОН все равно будет в десятки раз лучше, чем при замене ГСТ балластным резистором.
Резисторы могут быть любых типов. В качестве эмиттерных выравнивающих применены недорогие 5-ваттные 0,1-омные зарубежные в белых корпусах (керамика). Для регулятора напряжения нужен резистор с регулировочной характеристикой «А», также, как и для подстроечного R8. Оксидные конденсаторы С1 –СЗ типа К50-18. На схеме их три. Вместе с добавлением трех шт. КТ8101 был добавлен четвертый экземпляр К50-18 на 10000 мкФ / 50 В. Автор хотел дополнить схему, в соответствии с последующими изменениями, однако, уже не хотелось править схему, впрочем, как и заглавие статьи - 30 Ампер. Поэтому остается вариант, но с девятью КТ8101.
О сетевом трансформаторе. Это тоже очень важный и серьезный вопрос. Все проблемы возникали из-за больших токов. Первоначально искали подходящий промышленный вариант. Фирменный тор с такими параметрами (20 В на ток 50 А) сразу потянул в цене дороже, чем все остальные комплектующие вместе взятые. Как оказалось, «ампераж» этого фирменного СТ совсем не соответствует заявленной рекламе и надписям на нем. На 30 А он бы подошел, но не на 40 и никак не на 50. Поэтому довел ось изготавливать СТ самостоятельно. Выбор делался из нескольких тороидальных магнитопроводов. Только с тороидальным трансформатором можно было минимизировать гул, шум и массогабаритные параметры БП в целом. В итоге использован магнитопровод с внешним диаметром 137 мм, внутренним 70 мм и высотой 50 мм. Первичная обмотка содержит 660 витков провода диаметром 1,4 мм. Вторичная намотана тройным проводом диаметром 2,2 мм. Она содержит 67 витков. От использования диаметра 3 мм довелось отказаться. Слишком сложно этим проводом оказалось производить намотку тора. Изоляция первичной обмотки от вторичной выполнена тремя слоями лакоткани. Затем изготовлен экран - один слой провода диаметром 0,63 мм. Один конец этой обмотки соединен с плюсовой шиной питания схемы СН.
Избавиться от экстратоков в трансформаторе, диодах и конденсаторах выпрямителя БП при его включении в сеть можно, если использовать систему ступенчатого включения в сеть.

На рис.2 показана схема ступенчатого включения в сеть данного БП. Данная схема характеризуется быстрым самовосстановлением, что практически исключает вероятность появления экстратоков и после кратковременного исчезновения (глубоких провалов) сетевого напряжения.
О деталях к этой схеме. Диодный мост W08 заменим любым на напряжение не менее 400 В и ток не меньше 1 А. Реле К1 - маломощное, оно выполняет функцию быстрого самовозврата схемы, обесточивая основное (коммутирующее I обмотку СТ) реле К1 при исчезновении или провалах сетевого напряжения. Реле К1 типа РЭС-15, паспорт РС4.591001. Сопротивление обмотки 2200 Ом. Напряжение срабатывания 18 В. Контактные группы реле К2 должны выдерживать максимальный ток
I обмотки СТ. Поэтому применено зарубежное б/у 12-вольтовое реле без «опознавательных знаков различий», так как отсутствовала верхняя крышка реле. Но четыре пары переключательных его контактов внушали доверие, что подтвердилось измерениями переходных сопротивлений.
На схеме рис.2 показан только один контакт, но все четыре контакта соединены в параллель. Суммарное переходное сопротивление всех контактов при токе 1 А не превышало 5 мВ. Резисторы могут быть любых типов, за исключением мощного R4. Он составлен тремя параллельно включенными резисторами ПЭВ-10, каждый сопротивлением по
2 кОм. Суммарно получается около 680 Ом / 30 Вт. Конденсаторы С1 и С4типа К73-17, 630-вольтовые. Их обязательно проверяли на «выдерживаемое» напряжение, так как нередко встречается некондиция среди таких конденсаторов. Но методика тестирования использует метод «неразрушающего контроля», с обязательным ограничением тока через испытуемый конденсатор. Цепь C4R5 - демпфирующая выбросы напряжения на I обмотке СТ, так как при выключении сетевого тумблера SA1 его контакты ускоренно изнашиваются из-за их подгорания.
Решение задач, связанных с охлаждением элементов конструкции БП
Конструкция СН построена с таким расчетом, что верхняя металлическая крышка корпуса БП используется в качестве радиатора. Такой радиатор является развернутым («разложенным) в пространстве. Этим он максимально эффективен при естественном охлаждении. Малогабаритные радиаторы, где все их ребра (или шипы-иглы) охлаждения находятся рядом, недалеко друг от друга, являются как бы «точечными» радиаторами. Без принудительного охлаждения они малоэффективны. Если учесть еще и тот факт, что в «точечных» (малогабаритных, типовых) радиаторах все мощные транзисторы тоже располагают недалеко друг от друга, если не на одной площадке, то плоский (развернутый в пространстве) радиатор максимально эффективен. Тем более что транзисторы можно разместить на нем на равномерном удалении друг от друга. Но «развернутый» радиатор максимально эффективен только в случае, если толщина листового материала не меньше 3...4 мм. Для максимальной эффективности данного радиатора следует применять не нижнюю крышку корпуса, как это традиционно делается, а именно верхнюю. Весьма важно и то, что транзисторы в данном БП закреплены без каких-либо изолирующих прокладок.
Принудительное охлаждение всех транзисторов обеспечено одним солидным вентилятором типа ВН-2. Он удобен тем, что подключается непосредственно к сети 220 В и полноценно заменяет четыре высокопроизводительных кулера 12 В
На схеме БП подключение ВН-2 не показано, поскольку он подключен параллельно первичной обмотке СТ, но через контакты термореле (К1 на рис.3), т.е. использовано типовое включение ВН-2. Длительный опыт использования вентиляторов типа ВН-2 в разных конструкциях показал, что даже на небольших теплоотводах он способен «разогнать» 500...700 Вт мощности, рассеиваемой на транзисторах. На радиаторегорячей «печке» после нескольких минут работы ВН-2 уже спокойно можно удерживать руку.
Эффективное принудительное охлаждение обеспечивается своевременным включением вентилятора ВН-2, за что ответственна система термореле, собранная по схеме рис.3.
 
Схема тоже не из сложных, но работает в нескольких конструкциях безотказно. Термодатчиком является транзистор VT2, включенный в схему двухполюсником. Включения реле при нужной температуре достигают подстройкой резистора R3. Транзистор VT2 закреплен посредине верхней крышки (радиатора) БП, но через слюдяную изолирующую прокладку. Оптимальный ток для максимальной термостабильности (ТКН) Д818Е обеспечивается при токе 10 мА. ГСТ на КПЗОЗД обеспечивает ток около 3 мА. Тем не менее, его вполне достаточно как для стабильности Д818Е, так и для всей схемы термореле. Транзистор VT1 должен быть составным (Дарлингтона), например, BDX53C, КТ972 или же полевым, например, IRF510, IRF520. В последнем случае номиналы резисторов R1, R2 увеличивают в два раза. Приходится подбирать номинал R4. Реле К1 типа РЭС-32 паспорт РФ4.500.335-02. Последовательно с обмоткой включен подборный резистор 150 Ом, чтобы реле меньше перегревалось, так оно рассчитано всего на 12 В, а следующее исполнение рассчитано уже сразу на 24 В.
О конструкции БП
БП размещен в металлическом корпусе, состоящем из двух П-образных разъемных крышек: массивной дюралевой верхней крышки (толщина листового материала 3 мм) и нижней, но выполненной из материала толщиной менее 2 мм. Участок схемы рис.1 выполнен на макетной плате. Диоды Шотки закреплены на трех теплоотводах, в соответствии со схемой соединения моста: четыре диода на общем радиаторе 400 см2 и два радиатора по 200 см2 каждый, по два диода на каждом из них. Провода от моста сначала подведены к оксидным конденсаторам С1-СЗ, а уже от них - к схеме СН. Транзисторы КТ8101 размещены рядом с резисторами 0,1 Ом. Так удалось избежать подвода девяти проводов к верхней крышке БП. Сетевой выключатель типа ВТ-1, переключатель SA1-П2К (-рис.1), резисторы СП-1 (R6 и R8) размещены на передней панели БП. Аналогично закреплены и амперметр с вольтметром.
Решение задачи измерения тока и напряжения СН. В качестве вольтметра применен готовый стрелочный вольтметр на 15 В типа М903/4. Он примечателен тем, что у него увеличены размеры шкалы, что очень удобно. С амперметром было хуже. Готовый 30-амперный прибор с шунтами сняли, чтобы изготовить 40-амперный. Его выполнили из имеющегося М4204 (100 мкА). Немало времени отнял сам шунт. Получилась группа соединенных шунтов. К тому же, головка подключалась через многооборотный резистор на 1 кОм. Сделан только один предел измерения тока 0.. .40 А. На меньшее потребление тока имеются 10- и 20-амперные конструкции БП.
О наладке
Поскольку все нюансы и важнейшие моменты конструкции описаны достаточно подробно, автор надеется, что налаживание данного БП не вызовет сложностей.
Постепенно увеличивая ток СН, контролируют равномерность распределения коллекторных токов через все КТ8101. Обязательно проверяют схему СН при работе на динамической нагрузке, - это очень важно. Сейчас большинство потребителей работает на ультразвуковых частотах (преобразователи напряжения). Следовательно, СН обязан устойчиво работать на динамической нагрузке.
Для имитации (создания режима) динамической нагрузки использовали коммутаторы («замыкатели-прерыватели») выхода СН. Для этого используются мощные полевые транзисторы, например, IRF48Z, пять штук включенных параллельно. В принципе, в режиме коммутации полевые транзисторы очень надежны. Если экономить на их количестве при больших токах, то их тоже доводилось заменять. Тип и количество полевых транзисторов в коммутаторе выбирали, в зависимости от величины тока СН. Еще лучше применять два-три экземпляра IRFP064N, тоже работающих параллельно.
Нагрузочный резистор БП (СН) к выходу СН подключался через эти полевые транзисторы, т.е. резистор соединен со стоком «полевиков». Истоки полевых транзисторов подключали к генератору сигналов и к «минусу» СН. Измерительный генератор (ГЗ-112) прямоугольных импульсов подключен через персональные 620 Ом резисторы к каждому затвору «полевика» индивидуально. На таком испытательном стенде и выясняется, почему ВЧ транзисторы могут «вылетать» в мощном СН при «хитрой» (динамической) нагрузке. Особенно если последняя представлена мощными импульсными преобразователями напряжения, работающими на частотах в десятки кГц. Спектр помех оказывается очень широким. Вот почему выходят из строя и сложные СН с «мудрыми» и сложными цепями обратных связей, на ОУ и т.п.
РА 1-2/2011)