Ka7552 схема блока питания

Всем здрасьте!
Хочу поведать о своем опыте переделки компьютерного БП ATX в лабораторный БП с регулировкой напряжения и тока.

Подобных переделок в сети полно, но обычно все переделывают схемы на базе ШИМ TL494 и её клонов (KA7500, AZ7500BP и т.д.), я же хочу поведать о переделке блока на базе ШИМ GM3843 (UC3843).
В первую очередь хочу сказать спасибо Андрею 2350 за его замечательную статью про переделку блока. Я то же пытался сделать блок на TL494, но так и не смог полностью победить возбуд на некоторых крайних режимах. В какой-то момент я просто утомился и решил пойти своим путем. Так же хочу сказать спасибо Старичку за схему БП, в которой я увидел простое и логичное решения для схемы регулирования. К сожалению я не сразу узнал кто ее автор, а надо было бы.
Некоторое время назад я делал себе зарядное устройство для гаража из блока на GM3843, но там минимальные переделки по самому блоку для увеличения выходного напряжения до 14.4В, и линейный стабилизатор тока на операционнике и мощном мосфете. Мне очень понравился конструктив блока, схема уверенно питала мощный компрессор от блокировки дифференциала током 25А при напряжении 14.4В (это 360Вт если что) при номинальной мощности блока в 350Вт, при этом надо учитывать что пусковой ток компрессора еще больше! Все остальные блоки, в том числе и на 600Вт, стабильно при этом уходили в защиту.
В принципе, таким образом можно переделать фактически любой БП, где в обратной связи силовой части стоит оптопара.
Под переделку мне попала плата от блока POWERMAN мощностью 250Вт, от 350Вт отличается только размером трансформатора, конструктивом снаббера, емкостью электролитов по входу и максимальным током силового мосфета. В блоке 250Вт стоит W9NK90Z (8 А), а в 350 Вт W12NK90Z (11 А).
Вот подправленная схема такого БП:

Схема имеет прямоходовую топологию. Избавляемся от 5-ти вольтовой цепи, убираем супервизор W7510, отключаем схему питания вентилятора, меняем выходные емкости на более высоковольтные, а в обратной связи PC2 собираем такую схемку:

После включения питания должна заработать только дежурка. Проверяем на ней 5 В, затем замыкаем вывод 2 PC1 на землю, должна запуститься силовая часть. Теперь испытываем блок на его возможности. Мой выдал на холостую максимум 40В, не забудьте про конденсаторы на выходе, их предельное напряжение должно быть с запасом.
В качестве нагрузки я использовал резистор 1 Ом мощностью 50 Вт на радиаторе, но на 400 Вт он почему-то взорвался :), так что пришлось использовать автомобильные лампочки от фар.
После испытаний беремся за переделку дежурки.
Вот примерная схема того что должно остаться:

Красным отмечены те элементы, номиналы которых необходимо изменить, либо добавить такой элемент если его нет.
Схема регулирования вполне может работать и от 5 В (UPD^ 27.09.2017 как выяснилось от 5 В не работает нормально, так что 12 В необходимо), но для вентилятора этого мало, так что пришлось переделывать дежурку на 12 В. К сожалению просто переделать обвязку U5 (TL431) не получилось, так как в таком случае выросло напряжение на обмотке питающей U4 и U1. Сначала я увеличил сопротивление резистора R43 до 46 Ом, но силовая часть отказывалась запускаться одновременно с дежуркой, видимо GM3843 довольно прожорлива и просаживает питание не дав толком запуститься дежурке. Если сначала запустить дежурку, а потом силовую часть замыканием 2 ноги PC1 на землю, то все работает нормально. Я решил не вносить изменений в работу этой цепи и пошел по сложному пути, просто перемотал транс T2, его выходная обмотка содержала 9 витков, а теперь содержит 22 витка. Здесь сложность оказалась в том что транс намотан вперемешку слоями и нужная вторичка оказалась в глубине. После перемотки транса схема все равно отказалась запускаться, пришлось сделать отдельный выключатель для запуска силовой части. В последствии смог победить этот баг просто повесив параллельно PC1 электролит на 50 мкФ, тем самым отсрочив открытие транзистора оптопары (UPD^ 27.09.2017 Есть более простой способ. На алиэкспрессе заказываем копеечную платку повышающего преобразователя с 5 В на 12 В, тогда дежурку вообще трогать не надо).
Схема управления представляет собой всего два компаратора, собрана на одной плате с переменными резисторами. В качестве токового датчика использовал шунт на 50 А сопротивлением 0.0015 Ом. Минус всей платы управления берем прям со входа шунта, чтобы исключить влияние проводов. Схема довольно примитивна и не должна вызвать сложностей в понимании. Отдельно хочу сказать про мое больное место — цепи коррекции. По напряжению все гладко, R5 и C1 взятые от фонаря подошли идеально, а вот с током пришлось повозиться и даже сжечь один комплект силовой части (как правило горит Q2, U1, R17 и предохранитель). В результате появился C5 и R11. Можно обойтись без R11 увеличив емкость C5 до 1 мкФ.

Теперь о деталях. Операционники в схеме регулирования LM358, в качестве выходного диода у меня стоят 2 сборки MBR20100CT параллельно (на плате было место под вторую сборку), вроде работают нормально, но лучше поставить на 150 В или даже на 200 В, например VS-60CTQ150, поскольку обратные выбросы достигают 150 В. Электролитические конденсаторы лучше с низким эквивалентным сопротивлением, так называемые low ESR. К сожалению их выбор на 35 В не велик, можно поставить несколько в параллель EEUFR1V182L (1800 мкФ, 35 В). Дроссель намотан на кольце групповой фильтрации от какого-то мощного БП ATX, содержит 30 витков сложенного вдвое провода ПЭТВ-2 1.5мм. Переменные резисторы СП5-35А весьма хитрой конструкции, благодаря им нет необходимости ставить дополнительный резистор для точной установки тока и напряжения. На выходе блока параллельно клеммам стоит керамический конденсатор на 50 мкФ, он состоит из 5 СМД конденсаторов по 10 мкФ запаянных в параллель на небольшой платке прямо под гайками клемм.
Индикация выполнена на сдвоенном модуле, заказанном на алиэкспрессе. Поскольку модуль был расчитан максимум на 10 А, пришлось добавить делитель и замазать точку. Как перенести точку на соседний индикатор я не знаю, там динамическая индикация и нужно менять прошивку. При указанных номиналах резисторов R4, R3, R6, R7 максимальное напряжение составит 30 В, а ток 30 А. Ограничение по мощности блока можно выставить резистором R2. При наладке рекомендую поставить туда 0.2 — 0.3 Ом.
Собственно все. На данный момент блок нормально вытягивает до 300 Вт, переход с режима стабилизации напряжения в режим стабилизации тока происходит без срыва генерации, возбудов в любых режимах нет, и самое главное, в режиме КЗ полная тишина и на осцилографе красивая картинка, просто мячта! На TL494 такого добиться мне не удавалось.
На холостом ходу нагрузкой для блока является линейный стабилизатор LM317 включенный по схеме источника тока. От резистора пришлось отказаться т.к. при большом выходном напряжении он будет греться как паровоз, а LM317 я поставил на радиатор вместо одного из диодов шоттки, выпаянных из схемы. При большом напряжении ЛМ-ка начинала возбуждаться, поэтому я зашунтировал ее керамикой.

Импульсные источники питания (ИИП) обычно являются достаточно сложными устройствами, из-за чего начинающие радиолюбители стремятся их избегать. Тем не менее, благодаря распространению специализированных интегральных ШИМ-контроллеров, есть возможность конструировать достаточно простые для понимания и повторения конструкции, обладающие высокими показателями мощности и КПД. Предлагаемый блок питания имеет пиковую мощность около 100 Вт и построен по топологии flyback (обратноходовой преобразователь), а управляющим элементом является микросхема CR6842S (совместимые по выводам аналоги: SG6842J, LD7552 и OB2269).

Внимание! В некоторых случаях для отладки схемы может понадобится осциллограф!

Технические характеристики

Размеры блока: 107х57х30 мм (размеры готового блока с Алиэкспресс, возможны отклонения).
Выходное напряжение: версии на 24 В (3-4 А) и на 12 В (6-8 А).
Мощность: 100 Вт.
Уровень пульсаций: не более 200 мВ.

На Али легко найти множество вариантов готовых блоков по этой схеме, например, по запросам вида "Artillery power supply 24V 3A", "Блок питания XK-2412-24", "Eyewink 24V switching power supply" и тому подобным. На радиолюбительских порталах данную модель уже окрестили "народной", ввиду простоты и надёжности. Схемотехнически варианты 12В и 24В различаются незначительно и имеют идентичную топологию.

Обратите внимание! В данной модели БП у китайцев весьма высок процент брака, поэтому при покупке готового изделия перед включением желательно тщательно проверять целостность и полярность всех элементов. В моём случае, например, диод VD2 имел неверную полряность, из-за чего уже после трёх включений блок сгорел и мне пришлось менять контроллер и ключевой транзистор.

Подробно методология проектирования ИИП вообще, и конкретно этой топологии в частности, тут рассматриваться не будет, ввиду слишком большого объёма информации — см. отдельные статьи.

Далее подробно разберём назначение элементов в схеме.

Импульсный блок питания мощностью 100Вт на контроллере CR6842S.

Назначение элементов входной цепи

Рассматривать схему блока будем слева-направо:

F₁	Обычный плавкий предохранитель.
5D-9	Терморезистор, ограничивает бросок тока при включении блока питания в сеть. При комнатной температуре имеет небольшое сопротивление, ограничивающее броски тока, при протекании тока разогревается, что вызывает снижение сопротивления, поэтому в дальнейшем не влияет на работу устройства.
C₁	Входной конденсатор, для подавления несимметричной помехи. Ёмкость допустимо немного увеличить, желательно чтобы он был помехоподавляющим конденсатором типа X2 или имел большой (10-20 раз) запас по рабочему напряжению. Для надёжного подавления помех должен иметь низкие ESR И ESL.
L₁	Синфазный фильтр, для подавления симметричной помехи. Состоит из двух катушек индуктивности с одинаковым числом витков, намотанных на общем сердечнике и включенных синфазно.
KBP307	Выпрямительный диодный мост.
R₅, R₉	Цепочка, необходимая для запуска CR6842. Через неё осуществляется первичный заряд конденсатора C₄ до 16.5В. Цепь должна обеспечивать ток запуска не менее 30 мкА (максимум, согласно даташиту) во всём диапазоне входных напряжений. Также, в процессе работы посредством этой цепочки осуществляется контроль входного напряжения и компенсация напряжения при котором закрывается ключ — увеличение тока, втекающего в третий пин, вызывает понижение порогового напряжения закрытия ключа.
R₁₀	Времязадающий резистор для ШИМ. Увеличение номинала данного резистора уменьшит частоту переключения. Номинал должен лежать в пределах 16-36 кОм.
C₂	Сглаживающий конденсатор.
R₃, C₇, VD₂	Снабберная цепь, защищающая ключевой транзистор от обратных выбросов с первичной обмотки трансформатора. R₃ желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C₃	Конденсатор, шунтирующий межобмоточную ёмкость. В идеале должен быть Y-типа, либо же должен иметь большой запас (15-20 раз) по рабочему напряжению. Служит для уменьшения помех. Номинал зависит от параметров трансформатора, делать слишком большим нежелательно.
R₆, VD₁, C₄	Данная цепь, запитываясь от вспомогательной обмотки трансформатора образует цепь питания контроллера. Также данная цепь влияет на цикл работы ключа. Работает это следующим образом: для корректной работы напряжение на седьмом выводе контроллера должно находиться в пределах 12.5 — 16.5 В. Напряжение 16.5В на этом выводе является порогом, при котором происходит открытие ключевого транзистора и энергия начинает запасаться в сердечнике трансформатора (в это время микросхема питается от C₄). При понижении ниже 12.5В микросхема отключается, таким образом конденсатор C₄ должен обеспечивать питание контроллера пока из вспомогательной обмотки не поступает энергии, поэтому его номинала должно быть достаточно чтобы удерживать напряжение выше 12.5В пока ключ открыт. Нижний предел номинала C₄ следует рассчитывать исходя из потребления контроллера около 5 мА. От времени заряда данного конденсатора до 16.5В зависит время закрытого ключа и определяется оно током, который может отдать вспомогательная обмотка, при этом ток ограничивается резистором R₆. Кроме всего прочего, посредством данной цепи в контроллере предусмотрена защита от перенапряжения в случае выхода из строя цепей обратной связи — при превышении напряжения выше 25В контроллер отключится и не начнёт работать пока питание с седьмого пина не будет снято.
R₁₃	Ограничивает ток заряда затвора ключевого транзистора, а также обеспечивает его плавное открытие.
VD₃	Защита затвора транзистора.
R₈	Подтяжка затвора к земле, выполняет несколько функций. Например, в случае отключения контроллера и повреждения внутренней подтяжки данный резистор обеспечит быстрый разряд затвора транзистора. Также, при корректной разводке платы обеспечит более короткий путь тока разряда затвора на землю, что должно положительно сказаться на помехозащищённости.
BT₁	Ключевой транзистор. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R₇, C₆	Цепь служит для сглаживания колебаний напряжения на токоизмерительном резисторе.
R₁	Токоизмерительный резистор. Когда напряжение на нём превышает 0.8В контроллер закрывает ключевой транзистор, таким образом регулируется время открытого ключа. Кроме того, как уже говорилось выше, напряжение при котором будет закрыт транзистор также зависит от входного напряжения.
C₈	Фильтрующий конденсатор оптопары обратной связи. Допустимо немного увеличить номинал.
PC817	Опторазвязка цепи обратной связи. Если транзистор оптопары закроется это вызовет повышение напряжения на втором выводе контроллера. Если напряжение на втором выводе будет превышать 5.2В дольше 56 мс, это вызовет закрытие ключевого транзистора. Таким образом реализована защита от перегрузки и короткого замыкания.

В данной схеме 5-й вывод контроллера не используется. Однако, согласно даташиту на контроллер, на него можно повесить NTC-термистор, который обеспечит отключение контроллера в случае перегрева. Стабилизированный выходной ток данного вывода — 70 мкА. Напряжение срабатывания температурной защиты 1.05В (защита включится при достижении сопротивления 15 кОм). Рекомендуемый номинал термистора 26 кОм (при 27°C).

Параметры импульсного трансформатора

Поскольку импульсный трансформатор это один из самых сложных в проектировании элементов импульсного блока, расчёт трансформатора для каждой конкретной топологии блока требует отдельной статьи, поэтому подробного описания методологии тут не будет, тем не менее для повторения описываемой конструкции следует указать основные параметры используемого трансформатора.

Следует помнить, что одно из важнейших правил при проектировании — соответствие габаритной мощности трансформатора и выходной мощности блока питания, поэтому первым делом, в любом случае, выбирайте подходящие вашей задаче сердечники.

Чаще всего данная конструкция поставляется с трансформаторами, выполненными на сердечниках типа EE25 или EE16, либо аналогичных. Собрать достаточно информации по количеству витков в данной модели ИИП не удалось, поскольку в разных модификациях, несмотря на схожие схемы, используются различные сердечники.

Увеличение разницы в количестве витков ведёт к уменьшению потерь на переключение ключевого транзистора, но повышает требования к его нагрузочной способности по максимальному напряжению сток-исток (VDS).

Для примера, будем ориентироваться на стандартные сердечники типа EE25 и значение максимальной индукции Bmax = 300 мТ. В этом случае соотношение витков первой-второй-третьей обмотки будет равно 90:15:12.

Следует помнить, что указанное соотношение витков не является оптимальным и возможно потребуется корректировка соотношений по результатам испытаний.

Первичную обмотку следует наматывать проводником не тоньше 0.3мм в диаметре. Вторичную обмотку желательно выполнять сдвоенным проводом диаметром 1мм. Через вспомогательную третью обмотку течёт малый ток, поэтому провода диаметром 0.2мм будет вполне достаточно.

Описание элементов выходной цепи

Далее кратко рассмотрим выходную цепь источника питания. Она, в общем-то, совершенно стандартна, от сотен других отличается минимально. Интересна может быть лишь цепочка обратной связи на TL431, но её мы тут подробно рассматривать не будем, потому что про цепи обратной связи есть отдельная статья.

VD₄	Сдвоенный выпрямительный диод. В идеале подбирать с запасом по напряжениютоку и с минимальным падением. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R₂, C₁₂	Снабберная цепь для облегчения режима работы диода. R₂ желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C₁₃, L₂, C₁₄	Выходной фильтр.
C₂₀	Керамический конденсатор, шунтирующий выходной конденсатор C₁₄ по ВЧ.
R₁₇	Нагрузочный резистор, обеспечивающий нагрузку для холостого хода. Также через него разряжаются выходные конденсаторы в случае запуска и последующего отключения без нагрузки.
R₁₆	Токоограничивающий резистор для светодиода.
C₉, R₂₀, R₁₈, R₁₉, TLE431, PC817	Цепь обратной связи на прецизионном источнике питания. Резисторы задают режим работы TLE431, а PC817 обеспечивает гальваническую развязку.

Что можно улучшить

Вышеописанная схема обычно поставляется в готовом виде, но, если собирать схему самому, ничто не мешает немного улучшить конструкцию. Модифицировать можно как входные, так и выходные цепи.

Если в ваших розетках земляной провод имеет соединение с качественной землёй (а не просто ни к чему не подключен, как это часто бывает), можно добавить два дополнительных Y-конденсатора, соединённых каждый со своим сетевым проводом и землёй, между L₁ и входным конденсатором C₁. Это обеспечит симметрирование потенциалов сетевых проводов относительно корпуса и лучшее подавление синфазной составляющей помехи. Вместе с входным конденсатором два дополнительных конденсатора образуют т.н. «защитный треугольник».

После L₁ также стоит добавить ещё один конденсатор X-типа, с той же ёмкостью что у C₁.

Для защиты от импульсных бросков напряжения большой амплитуды целесообразно параллельно входу подключать варистор (например 14D471K). Также, если у вас есть земля, для защиты в случае аварии на линии электроснабжения, при которой вместо фазы и нуля фаза попадаётся на оба провода, желательно составить защитный треугольник из таких же варисторов.

Защитный треугольник на варисторах.

При повышении напряжения выше рабочего, варистор снижает своё сопротивление и ток течёт через него. Однако, ввиду относительно низкого быстродействия варисторов, они не способны шунтировать скачки напряжения с быстро нарастающим фронтом, поэтому для дополнительной фильтрации быстрых скачков напряжения желательно параллельно входу подключать также двунаправленный TVS-супрессор (например, 1.5KE400CA).

Опять же, при наличии земляного провода, желательно добавить на выход блока ещё два Y-конденсатора небольшой ёмкости, включенных по схеме «защитного треугольника» параллельно с C₁₄.

Для быстрой разрядки конденсаторов при отключении устройства параллельно входным цепям целесообразно добавить мегаомный резистор.

Каждый электролитический конденсатор желательно зашунтировать по ВЧ керамикой малой ёмкости, расположенной максимально близко к выводам конденсатора.

Ограничительный TVS-диод будет не лишним поставить также и на выход — для защиты нагрузки от возможных перенапряжений в случае проблем с блоком. Для 24В версии подойдёт, например 1.5KE24A.

Даташит поиск по электронным компонентам в формате pdf на русском языке. Бесплатная база содержит более 1 000 000 файлов доступных для скачивания. Воспользуйтесь приведенной ниже формой или ссылками для быстрого поиска (datasheet) по алфавиту.Если вы не нашли нужного Вам элемента, обратитесь к администрации проекта .