Импульсный блок питания усилителя на IR2151, IR2153

Импульсные блоки питания – наиболее эффективный класс вторичных источников питания. Они характеризуются компактными размерами, высокой надежностью и КПД. К недостаткам можно отнести лишь создание высокочастотных помех и сложность проектирования /реализации.

Все импульсные ПБ – это своего рода инверторы (системы, генерирующие переменное напряжение на выходе высокой частоты из выпрямленного напряжения на входе).
Сложность таких систем даже не в том, чтобы сначала выпрямить входное сетевое напряжение, или в последующем преобразовать выходной высокочастотный сигнал в постоянный, а в обратной связи, которая позволяет эффективно стабилизировать выходное напряжение.

Особо сложным здесь можно назвать процесс управления выходными напряжениями высокого уровня. Очень часто блок управления питается от низковольтного напряжения, что порождает необходимость согласования уровней.

Драйверы IR2151, IR2153

Для того, чтобы управлять независимо (или зависимо, но со специальной паузой, исключающей одновременное открытие ключей) каналами верхнего и нижнего ключа, применяются самотактируемые полумостовые драйвера, такие как IR2151 или IR2153 (последняя микросхема является улучшенной версией исходной IR2151, обе взаимозаменяемы).

Существуют многочисленные модификации данных схем и аналоги от других производителей.

Типовая схема включения драйвера с транзисторами выглядит следующим образом.

Рис. 1. Схема включения драйвера с транзисторами

Тип корпуса может быть PDIP или SOIC (разница на картинке ниже).

Рис. 2. Тип корпуса PDIP и SOIC

Модификация с буквой D в конце предполагает наличие дополнительного диода вольтодобавки.

Различия микросхем IR2151 / 2153 / 2155 по параметрам можно увидеть в таблице ниже.

Таблица

ИБП на IR2153 – простейший вариант

Сама принципиальная схема выглядит следующим образом.

Рис. 3. Принципиальная схема ИБП

На выходе можно получить двухполярное питание (реализуется выпрямителями со средней точкой).

Мощность БП можно увеличить за счет изменения параметров емкости конденсатора C3 (считается как 1:1 – на 1 Вт нагрузки требуется 1 мкф).

В теории выходную мощность можно нарастить до 1.5 кВт (правда для конденсаторов такой ёмкости потребуется система soft-старта).

При конфигурации, обозначенной на принципиальной схеме, достигается выходная сила тока 3,3А (до 511 В) при использовании в усилителях мощности, или 2,5А (387 В) – при подключении постоянной нагрузки.

ИБП с защитой от перегрузок

Сама схема.

Рис. 4. Схема ИБП с защитой от перегрузок

В данном БП предусмотрена система перехода на рабочую частоту, исключающая броски пускового тока (софт-старт), а также простейшая защита от ВЧ помех (на входе и выходе катушки индуктивности).

ИБП мощностью до 1,5 кВт

Схема ниже может обеспечивать работу с мощными силовыми транзисторами, такими как SPW35N60C3, IRFP460 и т.п.

Рис. 5. Схема ИБП мощностью до 1,5 кВт

Управление мощными VT4 и VT5 реализовано через эмиттерные повторители на VT2 и VT1.

БП усилителя на трансформаторе из БП компьютера

Часто случается так, что комплектующие покупать практически и не нужно, они могут стоять и пылиться в составе давно неиспользуемой техники, например, в системном блоке ПК где-то в подвале или на балконе.

Ниже приведена одна из достаточно простых, но не менее работоспособных схем ИБП для усилителя.

Импульсный блок питания на IR2151-IR2153

Плюс любого импульсного блока питания состоит в том что не требуется намотки или покупки громоздкого трансформатора.А требуется всего лишь трансформатор с несколькими витками.Данный блок питания сделать самому несложно и требует немного деталей. И основа,это то что блок питания на микросхеме IR2151

Характерной чертой этого блока питания является его простота и повторяемость. Схема содержит малое количество компонентов и хорошо себя зарекомендовала на протяжении более двух лет. В качестве импульсного трансформатора используется типовой понижающий трансформатор из компьютерного блока питания.

На входе стоит PTC термистор – полупроводниковый резистор с положительным температурным коэффициентом, который резко увеличивает свое сопротивление, когда превышена некоторая характеристическая температура TRef. Защищает силовые ключи в момент включения на время зарядки конденсаторов.

Диодный мост на входе для выпрямления сетевого напряжения на ток 10А. Использована диодная сборка типа "вертикалка", но можно использовать диодную сборку типа "табуретка".

Пара конденсаторов на входе берется из расчета 1 мкф на 1 Вт. В нашем случае конденсаторы "вытянут" нагрузку в 220Вт.

Гасящее сопротивление в цепи питания драйвера мощностью 2 Вт. Предпочтение отдано отечественным резисторам типа МЛТ-2.

Драйвер IR2151 – для управления затворами полевых транзисторов, работающих под напряжением до 600В. Возможная замена на IR2152, IR2153. Если в названии есть индекс "D", например IR2153D, то диод FR107 в обвязке драйвера не нужен. Драйвер поочередно открывает затворы полевых транзисторов с частотой, задаваемой элементами на ножках Rt и Ct.

Полевые транзисторы используются предпочтительно фирмы IR . Выбирают на напряжение не менее 400В и с минимальным сопротивлением в открытом состоянии. Чем меньше сопротивление, тем меньше нагрев и выше КПД. Можно рекомендовать IRF740, IRF840 и пр. Справочник по полевым транзисторам фирмы IR на русском языке можно скачать здесь. Внимание! Фланцы полевых транзисторов не закорачивать; при монтаже на радиатор использовать изоляционные прокладки и шайбы-втулки.

Трансформатор типовой понижающий из блока питания компьютера. Как правило, цоколевка соответствует приведенной на схеме. В этой схеме работают и самодельные трансформаторы, намотанные на ферритовых торах. Расчет самодельных трансформаторов ведется на частоту преобразования 100 кГц и половину выпрямленного напряжения (310/2 = 155В).

При выборе трансформатора следует брать такой, у которого на родной плате закорочены вывода так, как это показано на схеме. Это важно. Иначе вам следует закротить как это сделано на плате, из которой вы демонтируете трансформатор.

Диоды на выходе с временем восстановления не более 100 нс. Этим требованиям отвечают диоды из семейства HER (High Efficiency Rectifier – высоко-эффективные выпрямительные). Не путать с диодами Шоттки.

Емкость на выходе – буферная емкость. Не следует устанавливать емкость более 10000 мкф .

Печатная плата

Практика показала, что в данном приложении не требуется специальной организации обратной связи, индуктивных фильтров по питанию, снабберов и прочих "наворотов", присущих импульсным преобразователям. Так или иначе, в звуке на слух не ощущается типичных дефектов, свойственных "плохому питанию" (фон и посторонние звуки).

В работе полевые транзисторы не сильно нагреваются.

Для них достаточно пассивного охлаждения. Полевые транзисторы фирмы IR очень устойчивы к тепловому разрушению и работают вплоть до температуры 150?С. Но это не означает, что их следует эксплуатировать в таком критическом режиме. Для таких случаев потребуется организация активного охлаждения, а по-простому, установить вентилятор.

Как и любое устройство, этот блок питания требует внимательной и аккуратной сборки, правильной установки полярных элементов и осторожности при работе с сетевым напряжением. После ВЫключения данного блока питания в его цепях не остается опасного напряжения. Правильно собранный блок питания не нуждается в настройке и налаживании.

Представляю вашему вниманию импульсный источник питания для УМЗЧ на популярной микросхеме IR2153.

Данный блок питания обладает следующими достоинствами:

• Защита от перегрузок и короткого замыкания как в первичной обмотке импульсного трансформатора, так и во вторичных цепях питания.
• Схема плавного пуска ИБП.
• Варистор на входе ИБП защищает от повышение сетевого напряжения выше опасного значения и от подачи на вход 380В.
• Простая и дешевая схема.

Основные технические характеристики ИБП (характеристики приведены для моего конкретного экземпляра):
Долговременная выходная мощность - 300Вт
Кратковременная выходная мощность - 500Вт
Рабочая частота - 50кГц
Выходное напряжение - 2х35В (можно получить любое необходимое выходное напряжение в зависимости от намотки трансформатора).
КПД - не менее 85% (зависит от трансформатора)

Управляющая часть ИБП является стандартной и взята прямиком из даташита на IR2153.
Схема ИБП 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 ИБП может находится сколько угодно долго, при этом он потребляет ток такой же как и на холостом ходу без нагрузки. В моей версии защита настроена на срабатывание при потреблении от ИБП мощности 300Вт и более. Это гарантирует то, что ИБП не будет перегружен и не выйдет из строя в результате перегрева.В качестве датчика тока в данной схеме используются резисторы включенные 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 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 БП в целом. Как только перегрузка или КЗ устранено, питание драйвера возобновляется и блок питания продолжает работу в штатном режиме.

Схема ИБП предусматривает плавный пуск, для этого в ИБП присутствует специальный узел, который ограничивает пусковой ток. Это необходимо для того, чтобы облегчить работу ключам при запуске ИБП. При подключении ИБП в сеть, пусковой ток ограничивается резистором R6. Через данный резистор течет ВЕСЬ ток. Этим током заряжается основная первичная емкость С10 и вторичные емкости. Все это происходит в считанные доли секунд, и когда зарядка завершена и ток потребления снизился до номинального значения, происходит замыкание контактов реле К1 и контакты реле шунтируют R6, тем самым запуская ИБП на полную мощность. Весь процесс занимает не более 1 секунды. Этого времени достаточно чтобы завершились все переходные процессы.

Драйвер запитывается непосредственно от сети, через диод и гасящий резистор, а не после основного выпрямителя от шины +310В как это делают обычно. Такой способ запитки дает нам сразу несколько преимуществ:

1. Снижает мощность рассеиваемую на гасящем резисторе. Что снижает выделение тепла на плате и повышает общий КПД схемы.
2. В отличает от запитки по шине +310В обеспечивает более низкий уровень пульсаций напряжения питания драйвера.

На входе блока питания, сразу после предохранителя установлен варистор. Он служит для защиты от повышения напряжение в сети выше опасного предела. При аварии сопротивление варистора резко падает и происходит короткое замыкание, в следствии которого перегорает предохранитель F1, тем самым размыкая цепь.

Таким вот образом я тестировал ИБП на полной мощности.

В качестве нагрузки у меня выступают 4 керамических, проволочных резистора мощностью 25Вт, погруженные в емкость с "кристально чистой" водой. После часа прохождения тока через такую воду все примеси всплывают наверх и чистая вода превращается в бурую, ржавую жижу. Вода усиленно испарялась и за час испытаний нагрелась практически до кипения. Вода необходима для отвода тепла от мощных резисторов, если кто не понял.

Трансформатор в моем варианте ИБП, намотан на сердечнике EPCOS ETD29. Первичная обмотка проводом 0,8мм2, 46 витков в два слоя. Все четыре вторичные обмотки намотаны тем же проводом в один слой по 12 витков. Может показаться, что сечение провода не достаточно, но это не так. Для работы этого ИБП на питание УМЗЧ этого достаточно, так как средняя потребляемая мощность значительно ниже максимальной, а кратковременные пики тока ИБП без труда отрабатывает за счет емкостей питания. При долговременной работе на резистор, при выходной мощности 200Вт, температура трансформатора не превысила 45 градусов.

Для увеличения выходного напряжение более 45В необходимо заменить выходные диоды VD5 VD6 на более высоковольтные.

Для увеличение выходной мощности необходимо использовать сердечник с большей габаритной мощностью и обмотками, намотанными проводом большего сечения. Для установки другого трансформатора придется изменить рисунок печатной платы.

Печатная плата в готовом виде выглядит так (выполнено ):

Размеры платы 188х88мм. Текстолит я использовал с толстой медью - 50мкм, вместо стандартных 35мкм. Можно использовать медь стандартной толщины. В любом случае не забывайте хорошенько пролудить дорожки.

Список радиоэлементов

Добрый день! Моё мнение: Схема (первая) будет работать, всё, что нужно есть! Советы заменить драйвер, добавить емкость и т.п. есть необоснованные. Если что-то менять, то это уже отдельная схема и другие обсуждения. Слабое место это конденсаторы со средней точкой на 200 в! Да, работать будет, но если бы конденсатор мог, то высказал свои пожелание увеличить напряжение пробоя до 350 в.! Вот просто фильтр - пол беды, а развязка нагрузки и работа на обмотку трансформатора это другое. Считаем, кому не лень: 310 в (напр. питания) + 150 в (ЭДС разряда индуктивности трансформатора) = 460 в. Половина равна 230 в. А может быть "БАХ!" - может, но будет "п-ш-ш-ш-и-к!" и конденсатор потечет. Вроде понятно объяснил. А схема будет работать и отдаст то, на что рассчитывалась! Факт! Защита! Самая хорошая защита - та, что проста! Т.е. предохранитель и на входе и на выходе. Скорость срабатывания предохранителя достаточна для времени импульсного тока ключа в 25 а! А вы понимает, что этого хватит? Хватит. Для получения максимального КПД нужно подобрать частоту импульсов под применяемый трансформатор, это очевидно т.к. феррит нагревался до 100 гр. свойства потерял, расчет будет с поправкой. Как подобрать - просто. Меряем ток потребления схемой после выпрямителя. Меняя частоту от большей к меньшей находим момент увеличения тока - стоп! Увеличиваем частоту на 1-2 Кгц. Всё! Как изменять частоту? Просто, замените резистор Rt на подстроечный большего сопротивления (без фанатизма). Подбирать частоту нужно и для трансформатора из БП компьютера. Разброс рабочих частот от 32 Кгц до 55 Кгц.Всем успеха. Что касается второй схемы - это вариант всех ошибок первой и ещё каких то схем из Интернета! Почему? Первое и важное в "datasheet" IR2153 IRF740 четкие противоречия: напряжение пробоя не меньше 600 в. а ключи на 400 в. Емкость затвора для 2153 (нагрузка) не более 1000 пф, а у 740 = 1400 пф. Да, лампочки будут светиться, но с этим блоком вы обречены на покупку и не одного комплекта деталей. Напряжение на выходе будет проседать - нет нужной крутизны импульсов. КПД буде ниже максимального, греем окружающую среду. В общем подбор деталей (второй) схемы - это ошибка! Для 740 нужен драйвер 2155 (рекомендации изготовителя) емкость до 2200 пф в нагрузке. Схема - эксперимент со взрывом! Собираете строго в очках и перчатках! Что бы я собрал в паре? Ключи STP5NK60C (или 4NK60, 6NK60, 7NK60...) При выборе ключа смотрим ток при 100 гр - достаточно 2-3 а, и конечно емкость затвора =< 1000 пф. Остальное все рабочее, правда я бы подобрал частоту и ток драйвера как описал выше. Напомню: запас в электронике не всегда уместен. Скажем взять ключи на пробой в 1000 в - это неправильно. IRF740 - отличные ключи для применения в Китае, напряжение сети 110 - 120 в. Как то так.

Блок питания построен по полу мостовой схеме на основе микросхемы IR2153. На выходе этого блока можно получить любое нужное вам напряжение, все зависит от параметров вторичной обмотки трансформатора.

Подробно рассмотрим схему импульсного блока питания.

Мощность источника питания именно с такими компонентами около 150 ватт.

Сетевое переменное напряжение через предохранитель и термистор поступает на диодный выпрямитель.

После выпрямителя стоит электролитический конденсатор, который в момент включения блока в сеть будет заряжаться большим током, термистор как раз ограничивает этот ток. Конденсатор нужен с напряжением 400-450 Вольт. Далее постоянное напряжение поступает на силовые ключи. Одновременно через ограничительный резистор и выпрямительный диод поступает питание на микросхему IR2153.

Резистор нужен мощный, не менее 2-х ватт, лучше взять 5-и ваттный. Напряжение питания для микросхемы дополнительно сглаживается небольшим электролитическим конденсатором, емкостью от 100 до 470мкФ, желательно на 35 Вольт. Микросхема начинает вырабатывать последовательность прямоугольных импульсов, частота которых зависят от номинала компонентов времязадающей цепи, в моем случае частота находиться в районе 45кГц.

На выходе установлен выпрямитель со средней точкой. Выпрямитель в виде диодной сборки в корпусе то-220. Если выходное напряжение планируется в пределах 40 вольт, то можно использовать диодные сборки выпаянные из компьютерных блоков питания.

Конденсатор вольтодобавки, предназначен для корректного срабатывания верхнего полевого ключа, емкость зависит от того, какой транзистор использован, но в среднем 1мкФ хватит для большинства случаев.

Перед запуском нужно проверить работу генератора. Для этих целей от внешнего источника питания на указанные выводы микросхемы подается около 15-и вольт постоянного напряжения.
Далее проверяется наличие прямоугольных импульсов на затворе полевых ключей, импульсы должны быть полностью идентичными, одинаковой частоты и заполнения.
Первый запуск источника питания обязательно делается через страховочную лампу накаливания на 220 Вольт с мощностью около 40 ватт, будьте предельно осторожны, не дотрагивайтесь платы во время работы, после отключения блока от сети дождитесь несколько минут пока высоковольтный конденсатор не разрядится через соответствующий резистор.
Очень важно указать то, что эта схема не имеет защиты от коротких замыканий, поэтому любые короткие замыкания, даже кратковременные приведут к выходу из строя силовых ключей и микросхемы IR2153, так, что будьте аккуратны.