Дежурка в качестве блока питания, подробное описание работы

[lomnik]

Данный пост рассчитан на начинающих "Импульсников", это личный опыт знакомства со схемотехникой, который ставит своей целью объяснить принципы работы блокинг генератора на практическом примере дежурки от ATX. Понимая, как это всё работает вы сможете без особого труда создавать, ремонтировать или модифицировать миниатюрные блоки питания.

Рассмотрим типичную схему, которая является оптимальным вариантом. Дополнительная обвеска в высоковольтной части меняет параметры незначительно, а, наоборот, исключение каких-либо деталей повышает риск выхода из строя транзисторов при повышенных токах. И даже на «холостом ходу».

R5 уменьшает бросок тока при зарядке С7. Диоды выпрямляют переменное напряжение до уровня 310В, поэтому С7 должен быть на напряжение не менее 400В. В схеме желательно применить высокочастотный заградительный фильтр от любого импульсного блока питания, в случае, если рабочий ток будет выше 1А.

R8 подаёт открывающее транзистор Т3 напряжение, транзистор приоткрывается, через него и первичную обмотку начинает течь ток, одновременно ток появляется в базовой обмотке, который продолжает открывать транзистор через С8, D11, R7. Таким образом, нарастающий ток коллектора и, следовательно, нарастающее напряжение в базовой цепи лавинообразно открывает транзистор до насыщения. Одновременно с этим импульс в базовой цепи, через диод D15, стабилитрон D16 и резистор R15 подаётся на базу транзистора Т2. Этот импульс на 8В меньше, чем было на базовой обмотке, благодаря падению напряжения на диоде и стабилитроне. Кроме того, резисторы R15 и R12 образуют делитель, уменьшающий это напряжение ещё в три раза. Таким образом, максимальное напряжение импульса, при отключенной оптопаре составит примерно 0,7В. Этот импульс немного задерживается конденсатором С12, и транзистор Т2 открывается немного позже транзистора Т3, закрывая последний. Всё время, пока транзистор Т3 открыт, трансформатор накапливает энергию и как только ток перестаёт течь через конденсатор в базовой цепи С8 или транзистор Т2 инициирует закрытие транзистора Т3 трансформатор «сбрасывает» магнитное поле в нагрузку, а так как обратноходовый трансформатор это скорее дроссель, то при сбросе накопленной энергии через вторичную обмотку (первичную Т3 разомкнул) в первичной появляется выброс напряжения грубо равный выходному напряжению помноженному на коэффициент трансформации, т.е. если выходное напряжение 5В а соотношение витков первичной и вторичной - 17 (п - 180 / в - 11) то выброс составит примерно 85В при максимальном токе во вторичной цепи. Если этот ток меньше, то и выброс будет меньше. При высоких выходных напряжениях этот выброс будет значительным, для этого добавляют в коллектор Т3 снабберную цепочку D13, R6, C9. Транзистор должен быть рассчитан на напряжение коллектор-эмиттер не менее 700В. Транзисторы MJE13001, 13003 рассчитаны на 400В, но по даташиту выдерживают короткие пики до 800В, поэтому их часто применяют в простых и слабонагруженных конструкциях.
Изменившаяся полярность в базовой обмотке, на обратном ходу (во время сброса) почти мгновенно закрывает транзистор Т3 через конденсатор С8 и R7, и накопленная в сердечнике энергия через диод D14 погасится в нагрузке, зарядив по пути С10. Процесс разрядки трансформатора имеет колебательный характер и при следующей смене полярности транзистор Т3 снова открывается, а процесс «накачки-сброса» продолжается. Если нагрузка слишком велика, то энергии трансформатора уже недостаточно для повторного открытия транзистора Т3, тогда он получает энергию от резистора начального смещения R8, но этот ток гораздо меньше и дольше открывает транзистор, поэтому при повышении нагрузки частота генератора падает. Так работает блокинг-генератор.
Во вторичной цепи во время прямого хода к диоду D14 прикладываются импульсы в обратной полярности 12В + напряжение на нагрузке 12В итого 24В, поэтому диод D14 следует выбрать на напряжение не ниже 30В. Для гашения комутационных выбросов при высоких токах нагрузки параллельно диоду подключают снаббер в виде последовательно соединённых резистора и конденсатора. Для низких напряжений обычно выбирают номиналы 100 Ом и 10 нФ соответственно. В первичной обмотке выброс частично гасится через снаббер, состоящий из R6,C9,D13, поэтому импульс на коллекторе будет в два-три раза меньше, чем без снаббера. Всё зависит от параметров R6C9, которые можно рассчитать в программе Старичка. В двух словах: больше ёмкость - меньше выброс, больше ёмкость - меньше сопротивление и выше его мощность. В промышленном блоке питания на 24 В стоит ёмкость 10нФ и параллельно три двухватных резистора по 27кОм!
Итак, как вы уже поняли, диод D14 не пропускает ток во время «прямого хода», он открывается только во время «обратного хода», с обратноходовыми преобразователями нельзя на вторичных обмотках использовать мостовые выпрямители! Только один диод для каждой обмотки. Если вам нужно двухполярное питание на выходе, тогда две обмотки со своими диодами соедините последовательно, как батарейки.

Если бы небыло оптопары, то транзистор Т2 закрывал бы транзистор Т3 только спустя некоторое время после открытия, т.к. напряжение на его базе благодаря D16, R15 и С12 запаздывает относительно напряжения на базе Т3. Это время может быть даже большим, чем прекращение тока через базовый конденсатор С8, если он имеет низкий номинал, допустим 4,7 нФ или 2,2 нФ и тогда цепочка D15, D16, R15 не оказывает влияния на работу преобразователя. В мощных преобразователях, при наличии Т2, С8 выбирают от 10 нФ до 47 нФ, а в некоторых случаях и до 100 нФ с увеличением базового резистора R7 до 680 Ом, всё равно ведь Т2 закроет силовой транзистор Т3 какова бы не была длительность базового импульса через С8. Если С8 выбрать малой ёмкости, то проходящий через него импульс не сможет до насыщения открыть транзистор Т3 и преобразователь будет работать нестабильно, трещать, свистеть, а сам транзистор будет сильно греться. С увеличением ёмкости С8, базовый резистор R7 следует также увеличить, чтобы не пробить базу Т3, кроме того Т2 нужно будет выбирать с током коллектора до 1А, т.к. гасить придётся гораздо более мощный импульс. Обычно используется R7 номиналом 330 Ом с конденсаторами 10 нФ или 22нФ и транзистор Т2 с током коллектора до 0,2А.
Итак, импульс через С8 открывает силовой транзистор Т3, некоторое время спустя базовый импульс с R15 откроет Т2 и он, открываясь, прекращает рост базового тока Т3, а значит инициирует процесс его закрытия, далее в дело вступает сам трансформатор, который сбрасывая накопленную энергию меняет полярность на обмотках и окончательно закрывает силовой транзистор. Таким образом, время между началом открытия Т3 и началом его закрытия - ширина импульса, определяется конденсаторами С8 и С12, а также цепочкой D15, D16, R15, и при отсутствии оптопары ширина импульса будет максимальной, а значит преобразователь будет выдавать максимальное напряжение, ограниченное лишь эмиттерным током силового транзистора Т3. Падение напряжения на R13, через резистор R12 и конденсатор С12 будет способствовать открытию Т2 и тот, в свою очередь, будет ограничивать ширину базового импульса Т3. С12 в данном случае передаёт в базу Т2 мгновенное значение эмиттерного тока, что ещё больше способствует защите силового транзистора Т3. Таким образом осуществляется стабилизация тока. Увеличив R13 до 10-15Ом можно добиться ограничения тока в нагрузке на уровне 300мА, чего достаточно для питания одноваттного светодиода, тогда цепочку D15, D16, R15, оптопару и всё, что с ней связано можно не ставить. Получим LED драйвер. Если R13 имеет малое сопротивление, менее 1 Ома, то при отсутствии оптопары максимальное напряжение ограничивается только благодаря цепочке D15, D16, R15 или базовой ёмкости С8. Таким образом работает ограничение напряжения во вторичной цепи, но это не стабилизация, а именно ограничение максимума.
Благодаря обратной связи через оптопару транзистор Т2 можно открыть гораздо раньше, чем это позволит цепочка D15, D16, R15 т.к. фототранзистор оптопары шунтирует стабилитрон и падение напряжения на этом участке снижается с 8 В до, примерно, 1 В. А это значит, что ширина базового импульса Т3 может стать совсем узкой и трансформатор будет «накачиваться» гораздо слабее, что приведёт к понижению мощности отдаваемой в нагрузку, а следовательно, и к падению напряжения. Таким образом осуществляется стабилизация напряжения. Если у вас две или более вторичных обмотки, то стабилизацию следует брать с наиболее ответственной, поэтому почти всегда в блоках питания АТХ стабилизацию делают по 5В. Если нужна стабилизация по двум однополярным напряжениям, то от каждого выхода добавляют по резистору, рассчитав их так, чтобы ток через них был одинаковый. При двуполярном выходном напряжении оптопару со стабилитроном лучше поставить между плюсом и минусом, а не плюсом и средней точкой, так лучше будет работать стабилизация.
Как работает TL431 и почему именно она, а не обычный стабилитрон? Стабилитрон начинает пропускать ток за долго до напряжения пробоя и в зависимости от разброса параметров стабилитрона, его температуры и типа оптопары точное напряжение на выходе, тем более под нагрузкой, предсказать трудно. Управляемый стабилитрон D17 - TL431 имеет на несколько порядков более стабильные показатели и практически нулевой гистерезис. Скорость реакции на управляющее напряжение определяется конденсатором обратной связи С13. R10 ограничивает броски тока через светодиод оптопары, а R9 ограничивает максимальный ток через неё при переходных процессах в момент включения, когда на короткий момент напряжение на выходе без нагрузки может превысить стабилизированное в два с лишним раза, пока обратная связь отработает это превышение. Кроме того R9 необходим для обеспечения минимального тока через D17 - больше 0,5мА. Если используется оптопара с повышенным коэффициентом передачи (типа PC817C) её работа начинается до того момента когда D17 начнёт стабильно работать (Спасибо ForcePoint за пояснение). Этот порог для TL431 0,4 - 1мА по даташиту. R11 и R14 образуют делитель с уровнем 2,5В, при этом напряжении стабилитрон D17 пробивается и запитывает оптопару. Я рекомендую использовать именно TL431, ели вас интересует стабильное напряжение на выходе в максимально-широком диапазоне нагрузок.
Некоторые дополнения по деталям:
Диод D14 следует выбрать с прямым импульсным током в 5-7 раз большим, чем требуемое в нагрузке. Диод D11 необходим, если желаете выдавить максимальный ток из преобразователя, без него транзистор Т3 открывается слишком поздно и Т2 успевает его закрыть, в результате выходное напряжение сильно проседает под нагрузкой. С12 можно без особого вреда уменьшить до 10н, а резистор R12 поднять до 2кОм. D16, R15 особой роли не играют, поэтому могут немного отличаться от номинала на схеме в меньшую сторону, но вообще их исключать я не рекомендую ввиду того, что через стабилитрон D16 в базу Т2 проникают "подпитывающие" импульсы, пока оптопара не работает. Это может быть в первую секунду после включения или при просадке напряжения на вторичке. В случае отсутствия этой цепи, P-N переход База-Эмиттер транзистора Т2 работает на откачку потенциала с С12 при каждом импульсе, в результате на базе Т2 образуется отрицательное напряжение относительно эмиттера около 1В, что мешает работе транзистора в качестве ограничителя тока. С10 больше 1000мкФ я бы не рекомендовал ставить и обязательно его зашунтировать плёнкой или керамикой 0,1 - 1мкФ.
Намотку трансформатора, печатку, а также варианты схем: LED драйвер, зарядка для сотки и батареек «ААА» я опишу в следующей статье.

[индюк]

чото я не понял смысла поста. всё не читал ибо очень много букав.

и так - зачем это написано всё?

[true71]

чото я

Ну, чувак открыл Северный полюс и решил поделиться.

[niki59]

Зря Вы так. Может данный пост и будет кому полезен. Ведь не все могут правильно (доходчиво) объяснить, даже если и очень хорошо понимают тему. На пример в школе, один и тот предмет преподают два учителя. У одного знают предмет, у второго через одного.

[индюк]

Второй пьет значит. Водку

[lomnik]

ПАРНИ ДАВАЙТЕ БЕЗ ФЛУДА! ЛИЧНЫЙ ОПЫТ ПРИВЕТСТВУЕТСЯ! ИНДЮК, С ПУСТОЙ БОЛТОВНЁЙ ЭТО ВАМ В ДРУГУЮ ВЕТКУ

Итак, продолжаем тему.
Led драйвер, зарядка для сотки, зарядка для батареек.

Это типовая схема, по которой построено более половины всех устройств. Существуют варианты с двумя транзисторами, как в дежурке, второй транзистор ограничивает ток и/или напряжение через силовой. Кроме того существует раздельное ограничение: на силовом построено ограничение по напряжению, на вспомогательном – по току. Последний вариант – это оптическая обратная связь через оптопару со стабилитроном или образцовым источником TL431.

Рассмотрим входную часть. R1 это ограничитель и предохранитель одновременно. Далее идёт мостовой или однополупериодный выпрямитель. В обоих случаях, на практике, импульсные трансформаторы одинаковые. С однополупериодным выпрямителем пульсации сильнее, напряжение менее стабильно, поэтому сглаживающую ёмкость нужно использовать раза в три больше. Кроме того, если преобразователь будет нагружен резистором, создающим ток около 20% от максимально-расчётного, или преобразователь будет всегда подключен к нагрузке (в случае LED драйвера), то при однополупериодном выпрямлении напряжение на коллекторе транзистора выше 400В не поднимется, что означает, что в преобразователе можно будет использовать широко-распространённые транзисторы MJE13001 и 13003. Конденсатор С2, который часто не ставят, снижает помехи на выходе. Его желательно установить между +310В первички и массой вторички, именно поэтому рекомендуют выбирать конденсатор с напряжением 2кВ. Резистор R2 нужен для первого толчка транзистора и может быть от 470кОм до 3Мом. В вышеприведённой схеме используется ограничение по напряжению. Опять повторю, не стабилизация, а именно ограничение. Работает схема следующим образом: D6 и С6 образуют с R2 делитель напряжения. Если силовой транзистор исправен, то в первые мгновения после включения напряжение на этой цепочке не превышает падения напряжения на переходе база-эмиттер, т.е. 0,75В, соответственно транзистор открывается и генерация запускается. Поступающие с базовой обмотки импульсы через С5 и R3 открывают и закрывают силовой транзистор, а отрицательные импульсы через D7 ещё и заряжают конденсатор С6. В схеме нет ошибки, действительно, конденсатор будет заряжаться отрицательными импульсами, и когда на аноде D6 окажется напряжение около -7В стабилитрон начнёт открываться и «красть» базовые импульсы, те станут меньше и транзистор Т1 перейдёт в режим близкий к линейному. Напряжение на всех вторичных обмотках, в том числе и на базовой остановятся на каком-то уровне, обусловленном напряжением стабилизации D6, т.к. дальнейшее повышение невозможно ввиду гашения базовых импульсов на стабилитроне. Иными словами, база транзистора становится подключена через стабилитрон D6 к обкладке С6 с напряжением -8,5В (в данном примере), поэтому остаточный импульс на базе в 0,55В недостаточен для полноценного открытия транзистора и трансформатор через него заряжается слабо. В этом режиме частота колебаний увеличивается в разы, а КПД резко снижается, поэтому даже на холостом ходу, без нагрузки, силовой транзистор будет рассеивать около двух ватт, и крайне нуждается в хорошем теплоотводе. При подключении нагрузки напряжение на всех вторичных обмотках и, соответственно, на С6 падает, стабилитрон всё меньше влияет на работу транзистора, КПД повышается, а конечное напряжение в нагрузке будет теперь зависеть от С5 и R3, чем больше С5 (до 100нФ) тем больше выходное напряжение. Минимально допустимое сопротивление R3 при такой ёмкости 680 Ом для транзистора MJE13001 и 330 Ом для MJE13003. Как я уже сказал, под нагрузкой напряжения на обмотках падают и, следовательно, базовые импульсы уменьшаются, и силовой транзистор открывается всё меньше и меньше. На практике, такая схема крайне чувствительна к нагрузке и напряжение проседает значительно. В зарядке «лягушка» напряжение холостого хода 9В, падает до 3В при подключении батарейки. Если нагрузка слишком велика, то генератор вообще может остановиться, транзистор за доли секунды разогреется, и вы получите бабах, искры и дым, если нет защитного резистора R1. Если он есть, то радости тоже не много, придётся проверять все детали, и кроме транзистора скорее всего нужно будет заменить D6, C6, и D7, а возможно и перемотать трансформатор. Если от нагрузки преобразователь заглох но не сгорел, то после её снятия транзистор снова запустится через R2. Ещё раз хочу подчеркнуть: биполярный транзистор – это управляемый током прибор, поэтому можно не бояться, что стабилитрон D6 будет подтягивать базу к отрицательному напряжению, которое образуется благодаря С6 и D7, и на базе транзистора, относительно эмиттера будут отрицательные импульсы. Обратный диод анодом к эмиттеру и катодом к базе ставить не нужно, иначе пропадает смысл в D6,D7,C6 и никакого ограничения напряжения не будет!

Ограничить выдаваемый в нагрузку ток, можно добавив дополнительный закрывающий транзистор, в этом случае, ограничиваться будет выходная мощность преобразователя, а значит при повышении тока в нагрузке напряжение резко снизится. В приведённом примере на вторичной обмотке LED драйвера на холостом ходу присутствует напряжение 32В. При подключении светодиода и даже замыкании выхода на несколько секунд, преобразователь не выходит из строя, а лишь ограничивает выходной ток на определённом уровне, в моём случае – это 240мА. Т.е. если это светодиод 12В 10Вт, то на нём будет 12В 0,24А, т.е. 4Вт, а на одноватном диоде - 3,6В 0,24А - около 0,8Вт. Таким образом, ограничение по току и завышенное напряжение вторички делает такой драйвер универсальным! По крайней мере, полноценно светиться будут любые одиночные светодиоды от 1 Вт (до трёх последовательно) и любые 12В светодиодные ленты. Естественно, что маломощные диоды по одному подключать нельзя, только пачкой на суммарную мощность 1Вт и каждый со своим выравнивающим сопротивлением 22-39Ом.
Итак, смотрим на схему. Ограничитель напряжения остался неизменным D12, D16, C5, кроме того добавился ограничитель тока T6 и R16. Как видите – это две независимые цепи, таким образом Т6 и R16 вы можете ввести в любой блокинг-генератор, если их там нет. Короткие броски тока создают на R16 падение напряжения, которое открывает Т6, а тот гасит базовый импульс Т5, защищая его от перегрузки. Обычно такие схемы выдерживают кратковременное замыкание, а в LED драйвере сопротивление R16 выбрано таким, чтобы выходной ток не превышал 300мА. Даже на холостом ходу короткие броски тока создают пики напряжения на R16 достаточные для открытия Т6, он, открываясь, инициирует более раннее закрытие Т5, поэтому силовой транзистор работает щадящем режиме и его нагрев не значителен. Такой преобразователь нельзя назвать стабилизированным, скорее это ограниченный преобразователь.
В следующей статье я расскажу о других схемах ограничителей с использованием закрывающего транзистора, а также о том как повысить КПД, снизив время активного состояния преобразователя.

[otest]

Почему на схемах С5 и С6 включены по разному ?

[lomnik]

Почему на схемах С5 и С6 включены по разному ?

мой косяк, забыл перевернуть. Электролит плюсом к земле. щас поправлю.

[ForcePoint]

R10 ограничивает броски тока через фотодиод оптопары, а R9 ограничивает максимальный ток через неё при переходных процессах в момент включения, когда на короткий момент напряжение на выходе без нагрузки может превысить стабилизированное в два с лишним раза, пока обратная связь отработает это превышение.

Также резистор R9 может использоваться для обеспечения достаточного тока (более 500 мкА) через TL'ку. Если в первичке установлена ИМС с небольшим током управления и установлен оптрон с большим коэффициентом передачи тока, то эта нехватка возможна.

[lomnik]

Также этот резистор может использоваться ...[/URL].

Совершенно верно! спасибо