Расчетная выходная мощность. Вт

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Областной конкурс юных техников-изобретателей

«Дети, техника, творчество»

Импульсный источник питания

Костромская область, г. Волгореченск

Автор: Рыбкин Вадим Олегович

МБУДО «Дом творчества «Истоки» городского округа город Волгореченск Костромской области»,

Клуб любителей радиоэлектроники «Фотон»,

3 год обучения

Научный руководитель: Терехов Артем Анатольевич,
педагог дополнительного образования, МБУДО «Дом творчества «Истоки» городского округа город Волгореченск Костромской области».

2016 г.

Содержание:

Название

Стр. 2

Идея

Стр. 2

Назначение

Стр. 2

Описание

Стр. 3

Схема ИИП

Стр. 4

Работа источника питания

Стр. 5

Процесс изготовления печатной платы

Стр. 7

Процесс изготовления импульсного трансформатора

Стр. 10

Краткое описание программы ExccellentIT

Стр. 11

Сборка импульсного источника питания в фото

Стр. 14

Изготовление несущей конструкции и стенда нагрузки

Стр. 15

Проверка работы, наладка

Стр. 16

Выходные характеристики ИИП

Стр. 18

Необходимые приборы, материалы, инструменты

Стр. 19

Таблица комплектующих

Стр. 20

Техника безопасности при эксплуатации ИИП

Стр. 21

Необходимый теоретический материал и программное обеспечение

Стр. 22

Рецензии

Стр. 23

Название:

Двухполярный импульсный источник питания.

Идея:

На идею создания данного проектаменя содвинуло: Во-первых, я решил попробовать свои силы в сборке импульсный источник питания (далее по тексту ИИП), так как достать мощные силовые трансформаторы для меня сложно. Во-вторых, сборкой ИИП я решил модернизировать ранее собранный активный сабвуфер, а именно заменив в нем силовой источник питания импульсным с заведомо большей мощностью, что позволит в будущем мне построить более мощный усилитель.

Назначение:

Некоторое время назад я задался целью собрать активный сабвуфер для дома. Обратившись к интернету, я нашел схему, отвечающую моим требованиям, а именно активный сабвуфер с выходной мощностью от 100 Ватт. Найденная схема требовала двух полярное питание ±35В, при токе примерно4А в каждом плече. При таких характеристиках источника питания схема обещала выдать мощность 150 Вт. Транзисторная схема усилителя была успешно собрана и проверена. В качестве источника питания я использовал предварительно перемотанный мною силовой трансформатор ТС-180 от старых телевизионных приёмников, так как на тот момент времени другого трансформатора у меня не было. С этим источником питания как я не старался сделать усилитель компактным и относительно не больших размеров он все равно вышел довольно громоздким. Благо места внутри корпуса сабвуфера было предостаточно. Схема усилителя с источником питания без проблем разместилось внутри, так как я и планировал. Учитывая вес самого короба, плюс вес НЧ динамика и вес источника питания с усилителем все это сделало мой активный сабвуфер довольно тяжелым. Проверив временем, усилитель и убедившись в его надежности, я решил немного модернизировать его, а именнозаменить силовой блок питания импульсным, с заведомо большим по мощности т.к. в будущем я намереваюсь построить более мощный усилитель и мне снова потребуется мощный источник питания.

Я начал собирать информацию и искать схемы относительно несложных, но мощных ИИП. Мною была найдена такая схема.

Описание:

Данный блок питания построен на высоковольтном полу мостовом драйвереIR2153. Размеры сердечника импульсного трансформатора, которого я нашел, позволяет построить блок питания мощностью до 800 Ватт. В схеме ИИП применены транзисторы MOSFET IRF740, способные выдать 125 Ватт каждый. В сумме составит 250 Ватт выходной мощности при двуполярном напряжении ±25 В. ИИП. Учитывая то, что я раньше не собирал блоков питания импульсного типа, то решил ничего особо не изменять в схеме, но будущем можно заменить транзисторы более мощными, перемотать импульсный трансформатор, заменить диоды в диодных мостах более мощными все эти изменения позволят повыситьвыходную мощность блока питания.

Работа источника питания:

Управляющая часть ИИП является стандартной и взята прямиком из даташита на IR2153. Схема ИИП предусматривает плавный пуск, для этого в ИИП присутствует специальный узел, который ограничивает пусковой ток. Это необходимо для того, чтобы облегчить работу ключам при запуске ИИП. Суть работы плавного запуска, следующая при подключении ИИП в сеть, пусковой ток ограничивается резистором R6. Через данный резистор течет весь ток. Этим током заряжается основная первичная емкость С10. Все это происходит в считанные доли секунды, и когда зарядка завершена и ток потребления снизился до номинального значения, происходит замыкание нормально открытых контактов реле К1 которые шунтируют R6, тем самым запуская ИИП на полную мощность. Весь процесс занимает не более 1 секунды. Этого времени достаточно, чтобы завершились все переходные процессы. Временная задержка срабатывания реле задается времязадающей емкостью С7. Выпрямительный мост VDS1 служит для питания плавного запуска. Стабилитрон VD1 служит для питания реле К1.

Перейдём к самому источнику питания. Резистор R2 ограничивает ток питания самого драйвера IR2153 через него и запитан драйвер. Диод VD2 является однополупериодным выпрямителем питания драйвера.

Емкость С6 и резистор R4 задают частоту генерации драйвера IR2153. Номиналы C6 и R4 указанные на схеме способствуют генерации прямоугольных импульсов с частотой 43-44кГц.

Схема ИИП включает в себя так же: защиту от перегрузок и КЗ. Защита может быть настроена на любой необходимый ток срабатывания с помощью подстроечного резистора R10. О срабатывании защиты свидетельствует свечение светодиода HL1. При активной защите, в аварийном состоянии ИИП может находиться сколько угодно времени, при этом он потребляет ток такой же, как и на холостом ходу без нагрузки. В моей схеме защита настроена на срабатывание при токе более 6А. Это гарантирует то, что ИИП не будет перегружен и не выйдет из строя в результате перегрева. В качестве датчика тока в данной схеме используются резистор R11 включенный последовательно с первичной обмоткой импульсного трансформатора. Это позволяет отказаться от трудоемкого процесса намотки токового трансформатора. При КЗ или перегрузке, когда падение напряжения на R11 достигает заданной величины, такой величины при котором на базе транзистора VT1 напряжение станет больше 0,6 — 0,7В., сработает защита и питание микросхемы будет шунтировано на землю. Что в свою очередь отключает драйвер и весь ИП в целом. Как только перегрузка или КЗ, устранено нужно снять блок с защиты для этого следует перевестиподстроечный резистор R10 в обратную сторону.

На входе блока питания, сразу после предохранителя F1 установлен варистор VDR1. Он служит для защиты от скачков напряжение в сети выше опасного предела. При скачке напряжения сопротивление варистора мгновенно уменьшается и происходит короткое замыкание, вследствие которого перегорает предохранитель F1, тем самым размыкая цепь питания схемы.

Дроссель L1 служит для подавления высокочастотных помех.

Процесс изготовления печатной платы:

На момент создания своей печатной платы я знал 3 способа её изготовления которую мог повторить в домашних условиях: ручное нанесение защитного слоя; использование «технологии лазерного принтера и утюга»; применение фоторезиста. Я подробно расскажу о способе который сам использовал из перечисленных мною это «технология лазерного принтера и утюга».

Для начала необходимо скорректировать или придумать печатную плату в популярной среди радиолюбителей программе Sprint-Layout.

Найденная в интернете печатная плата Импульсного блока питания:

Найденную печатную плату я скорректировал под себя так как мне нужно: а именно я использовал радиатор от компьютерного блока питания, трансформатор взял от телевизора, поставил диодный мост который собрал из 3 диодных сборок, добавил дополнительный электролит на 330 мкф/400V, скорректировал дорожки.

После корректировки печатная плата приобрела следующий вид:

Затем как рисунок печатной платы был скорректирован. Я выпилил заготовку под размер моей будущей платы. Материал выбрал одностороннийфольгированныйстеклотекстолит (рис.1). Далее распечатал рисунок платы на глянцевой фотобумаге, поскольку с ее лучше переводится рисунок. Работать с глянцевой фотобумагой следует аккуратно, по возможности избегая прикосновений пальцев к глянцевому слою бумаги, иначе на ней останется жировая пленка и тонер принтера может плохо пропечататься на глянцевой стороне фотобумаги.Передпереводом рисунка я убрал с фольгированной стороны окисную пленку мелкой наждачной бумагой (нулевкой). После этого приложил рисунок печатной платы глянцевой стороной на фольгированную сторону и плотно прижал хорошо разогретым утюгом, как следует прогрел заготовку, для того чтобы весь рисунок с фотобумаги перевелся нафольгированную поверхность. После проделанной операции поместил заготовку в ванночку с водой для того чтобы фотобумага хорошо размокла это нужно для того что бы в последующем она легко отделилась от заготовки не повредив переведённый слой тонера. После того как остатки фотобумаги убрал на фольгированной стороне остался рисунок печатной платы.

Далее потребовалось удалить фольгу, которую не затронул тонер, для этого можно использовать растворы, указанные в таблице №1, в моем случае я использовал водный раствор хлорного железа(рис.2). Как видно из инструкции на упаковке рецепт для травления печатных плат такой развести хлорное железо водой в соотношении 1:3 т.е.к 1 части хлорного железа добавить 3 части воды.После травления хлорным железом промыл плату проточной водой.

Растворы

Состав

Количество

Стоимость

Рецепт

Достоинства

Недостатки

Перекись водорода

+

лимонная кислота

Поваренная соль

5 г.

1 кг. – 35 руб.

В 3% 100 мл. перекиси водорода растворить 30 г. лимонной кислоты и 5 г. поваренной соли

достаточная скорость травления, доступные компоненты.

Не подлежит хранению

Перекись водорода 3%

100 мл.

100 мл. – 10 руб.

Лимонная кислота

30 г.

25 г. - 20 руб.

Хлорное железо

Хлорное железо

200 г.

250 г. – 140 руб.

В соотношении 3:1 развести хлорное железо в воде

достаточно быстрое травление.

Относительная дороговизна,

малодоступный

Вода

250 мл.

-

Азотная кислота

Азотная кислота 20%

100 мл.

56% 1.4 кг. - 50 руб.

В соотношении 1:3 развести азотную кислоту в воде

быстрое травление.

Сильно гигроскопичен, не рекомендуется хранить в домашних условиях, малодоступный

Вода

300 мл.

-

Медный купорос

+

поваренная соль

Медный купорос

50 г.

350 г. – 170 руб.

В горячей воде (50-80°С) растворить поваренную соль, а затем медный купорос

доступность компонентов

Ядовит, медленное травление

Поваренная соль

100 г.

1 кг. – 35 руб.

Горячая вода

500 мл.

-

Таблица №1

После того как плата просохла от воды, убрал слой тонера для этого использовал ацетон(рис.3). Следующим этапом я просверлил все необходимые отверстия под радиодетали и крепёжные элементымоей платы. Далее я залудил все дорожки печатной платы.

Лужение — это нанесение тонкого слоя расплавленного олова или припоя на поверхность металлических изделий. Лужение производится для защиты металла от коррозии или для подготовки к пайке (лужёная поверхность лучше «смачивается» припоем). Для лужения достаточно использовать паяльник мощностью не более 40

Вт, припой и жидкий флюс. Я использовал жидкий флюс ЛТИ-120(рис.4).При лужении дорожек припой ложится не ровным слоем для покрытия более ровным слоем можно применить оплетку от радио кабеля. После лужения почистил плату от остатков флюса, то есть протёр её ватным тампоном смоченным ацетоном. Последним этапом я впаял заранее проверенные радиодетали в залуженную плату. Последним впаял импульсный трансформатор.

Процесс изготовления импульсного трансформатора:

Теперь расскажу немного, как я сделал импульсный трансформатор.С начала я собрал все импульсные трансформаторы которые у меня были. Это импульсные трансформаторы от компьютерных блоков питания, телевизионных приёмников и прочей современной техники где они широко используются. Подобрал подходящий мне по габаритам (рис.5). Воспользовавшись интернетом я узнал, как его разобрать. Первым делом нужно было убрать лак. Многие радиолюбители помещают импульсные трансформаторы в кипяченую воду, греют паяльным феном либо мощным паяльником. Греть феном или паяльником следует аккуратно из-за того, что каркас импульсного трансформатора изготовлен из пластмассы, которая при определённой температуре начинает плавиться.  В моем случае попался импульсный трансформатор где лака оказалось мало, и я смогбез особых усилий руками отделить ферритовый сердечник от пластмассового каркаса, не испортив его (рис.6). Далее я удалил все заводские обмотки тем самым очистив и подготовив каркас под новые обмотки.Для расчёта своего импульсного трансформатора я воспользовался программойExcellentIT.

Краткое описание программы ExcellentIT:

Программа ExcellentIT, позволяет выполнять расчеты импульсных трансформаторов двухтактных преобразователей.

ExcellentIT имеет довольно удобный графический интерфейс – вся информация представлена на одном рабочем окне, разделенном на три части: начальные данные, схема преобразователя и магнитопровод. Данное программное обеспечение работает с двухтактными мостовыми, полумостовыми и push-pull преобразователями напряжения источников питания. На выбор предлагается однополярное со средней точкой, двухполярное со средней точкой и мостовое выпрямление. Все используемые схемы преобразователей и выпрямителей можно увидеть на рис.7.

Среди основных возможностей программного обеспечения ExcellentIT можно отметить расчет потребляемой и габаритной мощностей трансформатора, мощности потерь в магнитопроводе, перегрева магнитопровода, КПД, токов намагничивания первичной обмотки и её индуктивности, токов потребления, количества витков обмоток и размеров проводов. В программе может задаваться тип магнитопровода, его форма (E, ER, ETD, EI, R)и материал (рис.8).

Кроме этого есть возможность самостоятельного определения данных магнитопровода (проницаемости, площади сечения, площади окна и т.д.) и пополнения имеющейся базы новым типом изделия.

Среди прочих функций ExcellentIT – наличие возможности выбора стандарта проводов, установка желаемого размера провода, включение/отключение режима расчета стабилизации выходов, помощь при вводе начальных данных (выбор индукции в зависимости от частоты, определение сопротивления открытого канала, плотности тока и т.д.).

К отдельным полям ввода начальных данных и окнам с результатами расчетов предусмотрены всплывающие подсказки. Содержание некоторых их них повторяет разделы помощи. Приложение ExcellentIT позволяет вводить данные в виде целых или в виде дробных чисел. В случае если параметры выходят за разумные пределы, программа предупреждает пользователя с указанием причины ошибки. Все результаты расчётов можно сохранять в файл.

После всех расчётов я взял необходимого диаметра обмоточный провод и намотал обмоткиисходя из расчетов в программе (рис.9).

Проверка работы, наладка:

Первый запуск я производил через лампу в разрыве одного провода питания 220 В. Структурно схема приобрела такой вид:

Что это мне дало? Лампа – тот же резистор, в котором визуально можно наблюдать рассеивание лишней мощности в виде света (тепла соответственно тоже), а также предотвратить порчу элементов при какой-либо допущенной ошибки при изготовлении импульсного блока питания. Если в собранном блоке питания будет короткое замыкание (КЗ), то при подключении через лампу последняя будет гореть в полный накал и возможно ничего не сгорит, так как лампа рассеет всю мощность. Структурная схема при коротком замыкании приобретёт следующий 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 надо исключить из цепи, иначе лампа будет рассеивать мощность и не позволит, как следует нагрузить импульсный источник питания.

Для проверки защиты нужно нагрузить ИИП. Нагружать решил мощными резисторами. Для этого нашел несколько 50 Ваттных резисторов разработал схему и собрал стенд нагрузки (рис10).Добавил электронный прибор для одновременного контроля напряжения и тока.

Все резисторы согласно разработанной схеме соединяются параллельно каждый через свой тумблер. Таким образом с каждой включённой ступенью мощность резисторов складывается, сопротивление нагрузки согласно формуле параллельного соединения резисторов, становиться меньше, следовательно, ток нагрузки повышается. Электронный прибор регистрирует изменение напряжения и тока.

Далее подключил стенд нагрузки к ИИП, постепенно включил все тумблеры таким образом плавно нагрузил ИИП. Ток потребления можно посмотреть ниже на странице выходных характеристик.

Далее плавным вращением подстроечного резистора R10, добиваюсь загорания светодиода, который должен начать мигать. Это означает срабатывание защиты. После того, как «поймал место», где срабатывает защита медленно кручу подстроечный резистор R10 в обратном направлении, фиксирую положение подстроечного резистора при котором защита отключается. В этом положении оставляю R10. Защита настроена, в моём конкретном варианте защита сработает при нагрузке более 270 Вт.

Выходные характеристики ИИП:

Позиция

Сопротивление нагрузки. Ом

Напряжение. В

Расчетный ток. А

Ток по прибору. А

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Организация работы процедурного кабинета

Области применения синхронных машин

Оптимизация по Винеру и Калману