Хороший, качественный усилитель мощности звуковой частоты должен иметь на своем борту надежный, безотказный и качественный источник питания. Вокруг вас и меня по сей день, неустанно бушуют споры о применении линейных или импульсных источников питания в УМЗЧ. Я не отношусь категорично к определенной конструкции и применяю в усилителях, как высокочастотные преобразователи, так и линейные блоки питания.
В этой статье будет представлена хорошая схема блока питания для усилителя на микросхеме IR2161, которая первоначально создавалась, как специализированная микросхема для преобразователей питания галогеновых ламп. Вскоре одним из опытных любителей электроники, Ильей Стельмах (Nem0), была разработана схема импульсного блока питания для усилителя на базе той самой микросхемы питания галогеновых ламп IR2161.
В арсенале IR2161 есть все необходимое для построения надежного импульсного источника питания (ИИП). Присутствует, как защита от перегрузки, так и защита от короткого замыкания (КЗ). Без функции «Софт-старта» поднимать такой разговор было бы несерьезно, поэтому мягкий пуск также присутствует. Еще, к особенностям IR2161 относятся адаптивное мертвое время (ADT) и компенсация выходного напряжения.
Схема блока питания для усилителя на IR2161
Работа схемы
При включении ИИП в сеть, напряжение переменного тока поступает через предохранитель F1 и фильтры C2, L1, C1 на диодный мост VDS1. Энергия выпрямленного напряжения (+310В) накапливается в электролитическом конденсаторе С10 и будет использоваться в дальнейшем для питания первичной обмотки трансформатора T1.
Также, напряжение переменного тока поступает на однополупериодный выпрямитель, выполненный на диоде VD4. Далее выпрямленное напряжение через гасящий резистор R1 поступает на катод стабилитрона VD1 (13 Вольт). Это напряжение сглаживается конденсаторами C3 и C4 и поступает на вывод питания (вывод 1) драйвера IR2161. Хочу обратить внимание, что микросхема не начнет генерацию, пока напряжение на выводе 1 будет меньше 10.5 Вольт. Описанная выше схема питания IR2161 работает только при запуске, в дальнейшем в работу включается цепь самопитания. Самопитание обеспечивается от первичной обмотки трансформатора, через гасящий конденсатор C7, резистор R2 и диоды VD2, VD3. Такой способ питания микросхемы способствует малому нагреву гасящего резистора R1, который выполняет свою основную работу только при запуске. Также за счет подключения гасящего конденсатора C7 к высокочастотной части позволило снизить его емкость до 330пФ, тем самым уменьшив его габариты.
Генерируемые импульсы через резисторы R3 и R5 поступают на затворы полевых транзисторов VT1 и VT2. Транзисторы, открываясь по очереди, подключают нижний отвод первичной обмотки к положительному или отрицательному выводу электролитического конденсатора C10, в котором накапливается энергия выпрямленного напряжения +310В. Верхний отвод первичной обмотки соединен к средней точке емкостного делителя напряжения C11, C13. Таким образом, на первичной обмотке будет присутствовать прямоугольный импульс со значением половины выпрямленного напряжения, то есть примерно 160В. Напряжение с вторичной обмотки поступает на мостовой выпрямитель VDS2, выполненный на диодах Шоттки. Далее уже выпрямленное напряжение через дроссели L2 и L3 поступает на выход ИИП. На выходе блока питания имеются конденсаторы C15-C20, сглаживающие пульсации и служащие накопителями.
Рабочая частота блока питания на IR2161 находится в диапазоне 34-70кГц и зависит от потребляемой мощности. У микросхемы IR2161 нет времязадающих элементов.
Софт-старт
Драйвер IR2161 при старте запускается на частоте 130кГц, дальше по мере зарядки конденсатора C5 до 5В частота осциллятора будет плавно снижаться до рабочей частоты (70кГц на холостом ходу), после того как закончен этап мягкого старта, конденсатор C5 разряжается и далее внутренне подключается уже к цепи компенсации напряжения, драйвер выводится в рабочий режим. Таким образом, устроена функция «Софт-старт». При частоте 130кГц сопротивление первичной обмотки будет довольно высоким, следовательно, напряжение на ней просядет, ограничив выходной ток при зарядке конденсаторов C15-C20. Емкость конденсатора C5 должна быть строго 100нФ, потому что от ее значения зависит не только длительность мягкого запуска, но и время отключения IR2161 при работе защиты от перегрузки и короткого замыкания, а также C5 задействован в цепи компенсации напряжения.
Работа защиты
В схеме резистор R6 является датчиком тока. Через него протекает ток, пропорциональный току нагрузки. При увеличении тока резистора R6, увеличивается на нем и падение напряжения, которое через резистор R5 поступает на 4 вывод драйвера. Этот вывод отвечает за срабатывание защиты.
Защита по перегрузке срабатывает с задержкой примерно 0.5 секунды, когда напряжение на выводе 4 находится в диапазоне от 0.5В до 1В. Задержка исключает ложные срабатывания. Если перегрузка устранена, то примерно через 1 секунду драйвер выйдет из защиты.
Защита от короткого замыкания срабатывает с более короткой задержкой (примерно 50мс), но при условии, что на выводе 4 присутствует напряжение более 1В. При устранении КЗ драйвер IR2161 также сбрасывается в рабочий режим примерно через 1 секунду.
За задержку срабатывания отвечает все тот же конденсатор C5, который отвечает за длительность софт-старта и компенсацию напряжения. Его емкость нельзя увеличивать более 100нФ.
На входе схемы установлен варистор RV1, защищающий схему при скачках сетевого напряжения более 275В.
Компенсация напряжения
Компенсация представляет собой некую стабилизацию выходного напряжения в малых пределах за счет изменения частоты генерации. Как говорилось выше, рабочая частота IR2161 находится в диапазоне от 34кГц до 70кГц. При повышении нагрузки частота будет снижаться. Для понижения выходного напряжения частота драйвера увеличивается. Драйвер получает информацию о токе нагрузке через цепь защиты (см. выше) от датчика тока R6. Когда конденсатор C5 уже подключен к цепи компенсации напряжения (после завершения мягкого запуска), от напряжения на его выводах зависит частота осциллятора, при 0В частота 70кГц, при 5В частота 34кГц.
Несрабатывание Soft—StartMode
Софт-старт в данной схеме не совсем идеален, поэтому стоит учесть, что в случае наличия на выходе блока питания больших емкостей, при его запуске протекают большие токи, которые вводят IR2161 в защиту. Но, если при старте защита сработала, то выходя из нее драйвер, включается сразу в рабочий режим, минуя режим плавного запуска.
Для устранения такой проблемы необходимо уменьшить выходные емкости конденсаторов или увеличить индуктивность дросселей L2, L3. Также, для повышения надежности, в схему включен термистор RT1, который ограничивает ток зарядки емкостей при запуске блока питания.
Немного о мертвом времени
Также хотелось отметить, что для данного драйвера нет элементов, задающих мертвое время. Драйвер его оптимально подбирает сам. Мертвое время – это когда оба ключа находятся в закрытом положении. Автоматику может сбить с толку высокая емкость снаббера, поэтому разработчик схемы (Илья Стельмах) утверждает и категорически не рекомендует использовать снабберную цепь в первичной обмотке трансформатора, подкрепив свои слова опытами и измерениями.
Компоненты схемы
В принципе, все номиналы элементов представлены на схеме импульсного блока питания.
Ток предохранителя F1 от 3А до 5А. Он не является защитой от КЗ, а лишь исключает возможность возникновения пожара при нештатной ситуации. Варистор RV1 на напряжение 275В. Термистор RT1 должен быть рассчитан на ток не менее 3А и иметь сопротивление 10-20Ом.
Конденсаторы C1, C2 – помехоподавляющие (типа X2), можно пленочные.
Диодный мост VDS1 на ток 6 или 8 Ампер.
На печатной плате для R1 есть место установки четырех резисторов на 82кОм по 0.5Вт каждый, установленные попарно в параллель, но также есть возможность установки одного резистора 82кОм 2Вт.
Стабилитрон VD1 на напряжение не менее 13В и не более 14В. Можно установить последовательно два стабилитрона, например на 6.2В и на 7.5В. У IR2161 есть встроенный стабилитрон, но VD1 обязателен для повышения надежности и облегчения работы маломощного встроенного стабилитрона.
Диоды VD2, VD3, VD5 должны быть быстрыми HER108 или серии SF, UF, FR.
Датчик тока R6 рассчитывается по формуле R6 = 32/Pном, где Pном – номинальная мощность. Я, например, применил два резистора по 0.3Ома 1Вт, соединенных параллельно.
На плате есть полигон под SMD резисторы типоразмера 2512, из которых можно собрать сопротивление R6.
Автор схемы настоятельно рекомендует не ставить в качестве C4 емкость более 47мкФ, как и завышать емкость C11 и C13 более 0.47мкФ.
Транзисторы VT1 и VT2 необходимо выбирать близкие по параметрам IRF740, такие как IRF840, STP10NK60, STP8NK80 и им подобные.
На выходе блока питания в качестве элементов диодного моста VDS2 необходимо использовать только диоды Шоттки или очень быстрые импульсные диоды.
Дроссели наматываются на ферритовых стержнях диаметром 6-8мм и имеют от 5 до 30 витков медного эмалированного провода диаметром 1-1.5мм. Я мотал 20 витков, индуктивность составила 12мкГн. Автор схемы рекомендует чем больше витков, тем лучше, то есть оптимальным будет 30 витков.
Синфазный дроссель L1 можно взять готовый из блока питания ПК, либо намотать на кольце по 20-30 витков медным эмалированным проводом 0.6-0.8мм, обратите внимание, что две обмотки мотаются в противофазе и каждая на своей половине сердечника. Кольцо из любого материала, с цветом покрытия: синий, зеленый, желтый, коричневый.
Трансформатор
Сердечник трансформатора типа ER35, взятый из блока питания ПК. Его габариты 35мм*21мм*11мм, а проницаемость составляет 2000. Первичная обмотка у меня содержит 45 витков медного эмалированного провода, диаметром 0.63мм (в одну жилу). Вторичные обмотки по 13 витков того же провода, но в две жилы. Такое количество витков необходимо для вышеописанных параметров сердечника трансформатора и выходного напряжения 40+40 Вольт. Все обмотки мотать в одном направлении.
Первичную обмотку необходимо укладывать виток к витку, до заполнения всей длины каркаса.
После чего нужно положить несколько слоев изоляции.
В качестве изоляции я использую пакет для запекания, нарезанный лентой. Можно использовать термоскотч. Простой скотч использовать нельзя, он плохо передает тепло, и его основа неблагоприятно влияет на покрытие провода.
Далее, необходимо уложить оставшиеся витки первичной обмотки. Например, нам нужно намотать 45 витков, но в первый слой влезло 20 витков, тогда кладем несколько слоев изоляции, а потом равномерно распределяем по всему участку каркаса оставшиеся 15 витков. Я оставшиеся витки мотал виток к витку, но лучше распределять равномерно, это повысит КПД вашего ИИП.
Вторичная обмотка мотается аналогично первичной обмотке. Между первичной и вторичной обмотками необходимо выполнить хороший слой изоляции. Далее двумя жилами провода диаметром 0.63мм я мотал 13 витков, все влезло в один слой. Делаю средний отвод.
От среднего отвода мотаю еще 13 витков, в ту же сторону. Все, абсолютно все витки мотаем в одну сторону. Если влезли не все витки, то равномерно распределяем оставшиеся виточки по всей длине каркаса сердечника трансформатора.
Если у вас другой сердечник, то необходимо убедиться, что у него нет зазора на центральной его части. Также магнитная проницаемость сердечника желательно должна быть в районе 2000.
Скачиваем программу Lite-CalcIT(2000) и вводим параметры сердечника, а также желаемое выходное напряжение. Частоту указываем 34кГц. Диаметр провода лучше всего использовать 0.6-0.8мм, при необходимости использовать 2-3 и более жил, нежели использовать одну жилу диаметром 1мм и более. Это необходимо для того, чтобы не снизить КПД источника питания.
Советы при сборке
Используйте только оригинальные транзисторы и диоды Шоттки. Применяйте номиналы, указанные в схеме без ее изменения. Используйте печатную плату разработчика схемы (приложена к статье), которая отработана множество раз.
Транзисторы и выходные диоды установите на радиатор площадью не менее 300см2, через изоляционные прокладки и втулки, а после сборки проверьте сопротивление между фланцами полупроводников и теплоотводом, сопротивление должно быть бесконечно большим.
Силовые дорожки печатной платы можно залудить оловом или вдоль них пропаять медную жилу.
После монтажа смывайте остатки флюса.
Возможные неисправности
Во-первых, первый запуск необходимо выполнять на холостом ходу через лампу 220В подключенную в разрыв сетевого провода. Если все нормально, то лампа вспыхнет и погаснет. Если лампа продолжит гореть, значит в ИИП есть ошибки, либо он вышел из строя. Пример включения лампы аналогично ИИП на IR2153 представлен ниже.
После нормального запуска нагрузить выход резисторами 10-20кОм и сделать прогон 20-30мин. За это время трансформатор немного нагреется, до температуры 30-400C, это нормально. Ключи должны быть комнатной температуры. Если все нормально, то нагружаем дальше и делаем прогон под нагрузкой.
Если на холостом ходу нагреваются, и происходит быстрая раскачка выходного напряжения, а также на затворах транзисторов наблюдаются выбросы, то автор схемы рекомендует выполнить зазор, в виде наклеенного скотча между всеми тремя соприкасающимися поверхностями сердечника трансформатора. То есть, совсем небольшой зазор.
Осциллограмма у одного из пользователей форума «Паяльник», показывающая выбросы на транзисторах.
Также на форуме было много нареканий в сторону автора, что в полумостовой схеме нельзя выполнять зазор в сердечнике, но те, кто выполнил рекомендации автора, убедились, что он был прав. Я зазор в пару десятых миллиметра сделал еще при склеивании сердечника, то есть капля клея на соприкасающихся поверхностях обеспечила этот самый небольшой зазор, и соответственно у меня выбросов на затворах ключей не было.
Изначально у меня на старте выходили из строя транзисторы, микросхема IR2161 и резисторы R4-R6. Так было несколько раз, пока я не установил оригинальные транзисторы IRF740, поэтому не используйте транзисторы из Китая, с этой проблемой столкнулся не я один.
Еще при старте может наблюдаться такая картина, как цоканье микросхемы IR2161 и естественно она не запускается. Обычно в такой ситуации на 1 выводе драйвера напряжение ниже 10.5В, что препятствует её запуску. Необходимо проверить все номиналы элементов питания и самопитания драйвера, если все соответствует схеме, то необходимо увеличить емкость конденсатора самопитания C7 до 680пФ-1нФ.
Форма сигнала на трансформаторе, на холостом ходу.
Форма сигнала на одном из затворов ключей, на холостом ходу.
На нагрузке осциллограммы не выкладываю, но форма сигнала практически не менялась, за исключением частоты, которая снизилась примерно до 35кГц.
При испытании ИИП был нагружен 160Вт, а после 180Вт в течение 30мин. Нагрузка была статическая, в виде резистора. Нагрев диодного моста VDS1 продолжался до 700C, после чего рост температуры остановился. Радиатор с площадью поверхности 300см2 нагрелся до 600C, также нагрелся трансформатор до температуры 600C. Можно сделать вывод, что данный импульсный блок питания для усилителя на IR2161 можно смело применить для питания двух каналов усилителя НЧ класса AB с выходной мощностью 100Вт на канал, так как в усилителе нагрузка не статическая и сигнал не является чистой синусоидой, с постоянной амплитудой.
Схема и печатная плата взяты из сообщества «[Nem0] Аудиотехника и Радиоэлектроника«.
Печатная плата СКАЧАТЬ