В одном проекте понадобился мне источник питания, и не найдя ничего готового под мои параметры, решил собрать на скорую руку из того что было.
Параметры источника питания :
1) мощность 10Вт
2) Входное напряжение - от 60В до 100В
3) Выходное напряжение 17В, 5В
4) Как можно более компактный.
Рассматривал две схемотехники: обратноход и понижающий дроссельный чопер. Решение принял в пользу обратнохода, так как у чопера силовой ключ смещен над уровнем земли по напряжению, и для его управления нужен развязанный драйвер, который пришлось бы делать на каком нить маленьком трансформаторе, а это дополнительное место.
Обратноход так обратноход, тогда вопрос - на чем ?
Собрать можно либо классику на uc3843-44 либо шлепнуть готовую " в себе" микруху из семейства TOP-switch. Нашел в закромах Топик - TNY288P.
На ней и остановился.
Схему взял из дока на микруху, и минимизировал её ровно на столько, чтоб источник питания устойчиво работал под нагрузкой до 10Вт.
Отлично - с микросхемой определились, она уже имеет в своем составе силовой транзистор с напряжением в 700В, и всю остальную кухню для своей работы.
Далее нужно было разобраться с трансформатором. Трансформатор решил изготовить на сердечнике ELP22. Это плоский сердечник рассчитанный под применение с печатными обмотками.
Со старых проектов у меня как раз остался набор печатных обмоток, на фото - по центру сам сердечник, правее - печатные обмотки.
Расчет трансформатора довольно прост и неказист - пройдемся по нему.
Из даты на микросхему известно что микросхема ограничивает работу по значению тока намагничивания первички в 0,5А. То есть если амплитуда пилы тока в первичной обмотке транса дойдет до 0,5А - микруха уйдет в режим ограничения к.заполнения. Следовательно нам нужно чтоб при заданной индуктивности, максимальном входном напряжении питания и максимальном к.заполнении ток в цепи первички как раз достигал этих самых 0,5А, и даже чуток раньше, тогда микросхема гарантированно будет себя ограничивать.
Зная максимальное напряжение питания, величину тока и время, в течении которого данное напряжение будет действовать на индуктивность - найдем величину этой индуктивности ( индуктивности первичной обмотки ).
U = L*di/dt откуда L= U*t/i
Частота микрухи в среднем 120КГц, при этом макс к.зап около 0,8, тогда период работы ключа будет = 1/120 000 *0,8 = 6,64us
Считаем минимальную индуктивность первички L = 100V*6.64us/0.5 = 1328uH
Итого для напряжения в 100В и частоты в 120КГц, чтоб данная микросхема работала на максимум и при этом при достижении своего предела себя ограничивала нужна индуктивность первичной обмотки в 1,328мГн.
Я не буду эту микросхему использовать на максимум, по этому я могу индуктивность снизить, тогда на меньшей мощности будет срабатывать ограничилка мощи.
В моем случае я взял 1,2мГн.
Ура, индуктивности первички известа!
Далее сколько нужно витков, чИтоб получить эту индуктивность .. ? посчитаем.
Сердечник у меня без зазора, по этому у него средняя проницаемость огромная. А зазор нужен, зачем ? - чтоб снизить индукцию в сердечнике. Как это работает - индукция в сердечнике ( сила которая намагничивает сердечник, и двигает заряды по проводам вокруг него ) B = u*H , где Н - это ампервитки. При этом, для каждого магнитного материала применяемого в электронике - максимальная величина магнитной индукции нормирована производителем. Материал моего сердечника N87, и максимальная его индукция - около 470mТ, при этом чем выше рабочая точка по индукции в сердечнике - тем больше потери в этом сердечнике. Для того чтоб снизить В, при Н-константа, нужно уменьшать u - проницаемость, делается это добавлением зазора в сердечник.
Какой величины добавить зазор - ? можно посчитать, но это делать мне было лень, по этому я зазор взял по опыту в 0,1мм. Получить такой зазор можно если на все торцы одной ш-образной половинки сердечника наклеить в один слой желтую трансформаторную изоляционную ленту. На фото видно.
Далее, зная исходную индуктивность, количество витков N можно посчитать по формуле N= sqrt(L*Al),
где L - требуемая индуктивность, Al - коэффициент сердечника - индуктивность на виток, этот параметр обычно указан в доках на сердечник, однако в моем случае, с учетом зазора - он неизвестен, соответственно его нужно узнать.
Узнать Al в неизвестной конфигурации сердечника просто, нужно намотать пробную обмотку с известным числом виток на интересующем сердечнике, и измерить индуктивность. И далее по формуле Al = L/N2 узнать Al. Это я и проделал, и оказалось что для моего сердечника с зазором в 0,1мм, Al = 0.83uH на виток.
Зная Al, считаем кол. витков для заданной индуктивности: N= sqrt ( 1200uH*0.83uH ) = 30N.
Супер! остается взять и намотать.
Для намотки первички я применил литцендрат 0,1мм*10жил.
Мотаем, измеряем.
Полученное значение в 1173uH достаточно близко к 1200uH, по этому можно считать что все ок.
Теперь вторичка. Для оптимальной работы обратноходовика, кол.витков вторички считаю через к.тр, и для 17В получаю 6 Витков. Имеющиеся печатные обмотки у меня как раз на 6 витков. Их и применил.
Далее нужно изготовить плату. Плата мне нужна как можно меньше, все комплектующие применяю в чиповом формате - SMD.
Пилю .. точу, стругаю, и в результате получаю.
Далее, нужно разобраться с полярностью первички и вторички - это важно. Полярность вторички по отношению к первички должна быть обратной. То есть когда к первички транса приложено напряжение ( ключ открыт, ток протекает ), диод на вторичной обмотке должен быть заперт. Для этого собираю простую схемку, суть которой в следующем:
подаю на первичку с любого генератора прямоугольников сигнал, а вторичку нагружаю на резистор. Скважность подаваемых импульсов желательно сделать меньше 0,5. Сигналы на первичке и на вторичке смотрю осциллографом. Щуп на вторичке нужно подключить так, чтоб когда на первичке присутствовал импульс, на вторичке был импульс с отрицательным напряжением.
Выглядит это примерно так.
После того как разобрался с полярностью, собираю все в кучу, и начинаю отладку. Схема заработала с пол тычка и без танцев с бубном. Убедившись что на холостом все работает, подключаю нагрузку в виде резисторов общим сопротивлением 20R, и тепловизором отслеживаю тепловые процессы на плате
Осталось добавить с обратной стороны платы маааленький импульсник для 5В.
Импульсный стабилизатор на 5В - куплен на Али по 1Кг за мешок. Это дроссельный понижающий преобразователь на 1.5А.
Ну вот и все, устройство готово и годно к применению.
Под нагрузкой в 10Вт - самый горячий элемент схемы- это выходной диод. Тип выходного диода у меня STTH212, его температура 60гр, микросхема при этом 40гр. Греется он от потерь на переключение. Чтоб эти потери снизить - можно применить диод с мгновенным переключением, что то из серии карбид-кремния, но ставить такой диод сюда - я не вижу смысла, и так работает.
Еще пара слов об особенностях работы конкретной микросхемы и настройках.
Первая осциллограмма - это работа источника на холостую, без нагрузки.
Желтый луч - это напряжение на ножке - D микросхемы, по сути сток ключа, коммутирующий трансформатор.
Синий луч - выходное выпрямленное напряжение
Следующая осциллограмма с подключенной нагрузкой в 20R.
Лучи осциллографа в той же конфигурации.
Обведенный участок 1 - это прямой ход - время, когда ключ внутри микросхемы открыт, и первичная обмотка накапливает энергию.
Участки 2 - это время когда диод во вторичке открыт и накопленная энергия отдается в цепь - обратный ход.
ВЧ звон на участке 2 - это звон емкости транзистора и индуктивности рассеяния трансформатора.
При этом, сама микруха - TNY288P работает в мультимодовом режиме, такова логика её работы, описанная в доках. На осциллограмме это видно - это пропуски в импульсах.
Источник питания отлично показал себя в бою в конечном устройстве.
На этом пока все.
Если у вас есть в опросы по расчету приведенному в статье, пишите, спрашивайте в комментариях.
