Impulsowy zasilacz do wzmacniaczy mocy i nie tylko

Opis układu

Schemat ideowy zasilacza nie jest moim opracowaniem i pochodzi z Internetu. Niemalże identyczny schemat (z wyjątkiem filtrów wejściowych) można znaleźć w nocie katalogowej zastosowanego w nim układu scalonego.

Schemat ideowy przedstawiony jest na rysunku 1. Napięcie sieci po przejściu przez bezpiecznik i warystor trafia na filtr sieciowy C1, C2, TR1A+TR1B. Kondensatory C1 i C2 muszą być przystosowane do pracy z napięciem zmiennym i oznacza się je „X2”, a można je rozpoznać po żółtej, prostopadłościennej obudowie. Zadaniem filtru jest „niewypuszczenie” do sieci energetycznej zakłóceń generowanych przez przetwornicę. Napięcie sieci jest prostowane przez mostek B1 i filtrowane przez C3-C6. Kondensatory te i rezystory R1, R2 dzielą napięcie na pół, co jest ważne. Kondensatory te również pochodzą z zasilaczy komputerowych i nie muszą mieć wygórowanych parametrów, gdyż filtrują napięcie sieci o niewielkiej częstotliwości. Sercem całego układu jest niewielka kostka IR2153, która ma dość nietypowy „zasilacz”, składający się z R3 i C7. Rezystor R3 musi być dużej mocy, gdyż odkłada się na nim niemalże całe wyprostowane napięcie sieci a na zasilanie układu trafia napięcie ok. 15V, którego wartość wyznacza dioda Zenera wbudowana w kostkę IR2153. Elementy R4 i C8 wyznaczają częstotliwość pracy przetwornicy, która tu wynosi około 20kHz. Zainteresowanych zmianą częstotliwości taktowania odsyłam do noty katalogowej układu IR2153. Ciekawostką jest fakt, że zwarcie kondensatora C8 powoduje zatrzymanie przetwornicy, co może być pomocne jako wyłączenie awaryjne albo funkcja stand-by. Układ scalony US1 steruje naprzemiennie bramkami kluczy IRF840 (push-pull), co powoduje pojawienie się przemiennego napięcia na uzwojeniu transformatora impulsowego, podłączonego przez C16 do połowy napięcia zasilania. Transformator zapewnia separację galwaniczną i daje wszystkie potrzebne napięcia. Na stronie wtórnej transformatora pracują dwa prostowniki: pojedynczy i symetryczny. Z uwagi na dużą częstotliwość pracy (20kHz), zastosowane diody muszą być szybkie – impulsowe. Ja zastosowałem FR302 (3A, 100V), pozyskane również z zasilaczy komputerowych. Diody te są nieco za słabe jak na TDA7294, ale o tym później. Wyprostowane napięcie trafia na kondensatory wygładzające C10-C15 i C20, C21.

Rysunek 1.

Nie są to zwykłe elektrolity, ale tzw. niskoimpedancyjne (Low ESR). Niestety zasilacze komputerowe nie mają na wyjściu kondensatorów na tak wysokie napięcie (35V) i byłem zmuszony je dokupić. Oczywiście zamiast trzech kondensatorów po 1000µF można zastosować pojedynczy o wartości 4700µF lub więcej (mniej więcej po 1000µF na każdą gałąź dla jednej kostki TDA7294, którą zastosujemy we wzmacniaczu). Zasilacz 12V przewidziany jest do zasilania innych ewentualnych funkcji wzmacniacza i zastosowałem w nim 2x4700µF/25V, również Low ESR. Na wyjściu każdej gałęzi jest też filtr CLC tłumiący ewentualne zakłócenia impulsowe. Zdaję sobie sprawę, że jego parametry mogą nie być optymalne, gdyż zastosowałem dławiki o możliwie najgrubszym drucie i najmniejszych wymiarach. Dociekliwi Czytelnicy mogą spróbować zastosować dławiki toroidalne pojedyncze albo wspólne, nawinięte na jednym rdzeniu proszkowym (taki żółty) dla wszystkich gałęzi. Takie rozwiązanie stosuje się na wyjściach komputerowych zasilaczy i stamtąd można pozyskać takie filtry. Na końcach każdej gałęzi jest rezystor. Jego zadaniem jest wstępne obciążenie przetwornicy (bez nich przetwornica bez obciążenia mogłaby się uszkodzić).

Transformator

Bodaj najważniejszym elementem opisywanej przetwornicy jest odpowiedni transformator impulsowy. Trafa takie można również pozyskać z zasilaczy komputerowych, ale na drodze staje poważna trudność z rozdzieleniem rdzeni, gdyż są one sklejone. Jak dotąd nie udało mi się rozebrać żadnego transformatora, (choć moczyłem je tydzień raz w acetonie, innym razem w rozpuszczalniku opartym na ksylenie) i wszystkie rdzenie połamały się przy próbie rozklejenia. Pozostały jedynie karkasy, bo i emalii na drucie nawojowym nie ufałem już po takiej kąpieli w rozpuszczalnikach. Miałem do wyboru albo zastosować gotowy transformator z zasilacza komputerowego, albo nawinąć samemu. Wybrałem tą drugą opcję, kupiłem karkas ETD44 wraz z dwiema połówkami rdzeni i dwoma klipsami. Rdzeń do przetwornicy wykonany był z materiału 3C90 i (podobnie jak we wszystkich typu push-pull) był bez szczeliny.

Liczba uzwojeń jest podana na schemacie, ale to za mało, więc wyjaśnię, jak nawijałem swój transformator. Chcąc wykonać uzwojenie pierwotne, odmierzyłem 3 jednakowe odcinki drutu nawojowego o średnicy 0,3mm i długości ok. 4 metrów.

Drut pozyskałem, odwijając jakąś starą cewkę. Następnie wykonałem ze złożonego kilka razy kawałka papieru klips w kształcie litery V. Początki odcinków drutu skręciłem w palcach i włożyłem w papierowy klips, a całość przytwierdziłem do stołu ściskiem stolarskim. Papier zabezpieczył stół i uzwojenia przed uszkodzeniem podczas ściskania. Drugi koniec pęku drutu zakrępowałem w głowicy wiertarki elektrycznej niczym wiertło. Po upewnieniu się, że druty są napięte i nie powstały na nich pętelki, włączyłem ostrożnie wiertarkę i skręcając w ten sposób drut, uzyskałem coś w rodzaju licy. Wykonując taki nietypowy przewód, chciałem zapobiec wpływowi prądów naskórkowych, występujących przy wysokich częstotliwościach i dużych mocach. Drut na uzwojenia wtórne wykonałem w ten sam sposób, przy czym użyłem nie trzech, a pięciu odcinków drutu i skręciłem w wyżej opisany sposób.

Na początek na karkasie znalazło się uzwojenie pierwotne. Nawijałem ściśle jeden zwój przy drugim, co zajęło mi dwie warstwy. Po tym zrobiłem przekładkę izolacyjną z żółtej taśmy odwiniętej z transformatorów z zasilaczy komputerowych.

Trzeba uważnie nawijać taśmę, by pokryła całe uzwojenie i tym samym zapewniła dobrą izolację od sieci 230V. Dlatego należy starannie wykonać minimum dwie warstwy izolacji. Następnie nawinąłem parę uzwojeń wtórnych 36V bifilarnie, zrobiłem przekładkę ze wspomnianej taśmy i na samym końcu nawinąłem uzwojenie 12V.  Końce uzwojeń oskrobałem z lakieru, pobieliłem cyną i zalutowałem na odpowiednie kołki lutownicze karkasu. Na koniec nawinąłem grubszą taśmę zamykającą całość. Jeśli ktoś chciałby zabezpieczyć dodatkowo trafo lakierem, niech to zrobi na tym etapie montażu – przed założeniem rdzenia. Ja tego nie zrobiłem, gdyż chciałem mieć możliwość rozebrania transformatora w razie jakichkolwiek kłopotów z tym elementem. Ku mojemu miłemu zdziwieniu, podczas pracy nie nastąpiło przebicie transformatora. Po złożeniu obu połówek rdzeni założyłem klipsy i transformator był już gotowy.

Montaż i uruchomienie

Układ przetwornicy został zmontowany na płytce drukowanej przedstawionej na rysunku 2. Niestety ze względu na dużą liczbę kondensatorów, płytka się nieco rozrosła. Przy montażu należy zwrócić baczną uwagę na biegunowość elementów, zwłaszcza kondensatorów elektrolitycznych. Diody impulsowe należy zamontować w pozycji stojącej, a punkty X-Y połączyć odcinkiem grubego przewodu w izolacji. Pod transformatorem przewidziano pola lutownicze na elementy RC (tzw. gasiki), tworzące dodatkowe filtry. Montujemy je od strony druku. W moim prototypie nie montowałem gasików. 

Rysunek 2.

Po wlutowaniu wszystkich elementów można przystąpić do uruchomienia. W tym celu podłączamy przetwornicę na początek w szereg z tradycyjną żarówką 230V 60–100W. Po podłączeniu zasilania żarówka powinna na chwilę rozbłysnąć (pobierany jest prąd na naładowanie kondensatorów i start przetwornicy), by po chwili ledwo się żarzyć. Jeśli żarówka świeci połową lub pełnym światłem, a także jeśli miga, to znaczy że popełniliśmy jakiś błąd w montażu. Należy wyłączyć układ i odczekać ok. minutę aż kondensatory się rozładują. Jeśli jednak żarówka nie świeci się lub tylko słabo, to można uznać, że przetwornica działa poprawnie i zmierzyć napięcia na jej wyjściach. Z zamontowaną szeregowo żarówką powinno być ok. ±33V i ok. 11–12V. Jeśli napięcia są poprawne, można odłączyć żarówkę i podłączyć przetwornicę bezpośrednio do sieci energetycznej. Po poprawnym zmontowaniu i uruchomieniu układu można pomalować stronę ścieżek lakierem elektroizolacyjnym lub ostatecznie lakierem nitro. Lakier taki uodporni układ na wilgoć, zabezpieczy ścieżki przed utlenianiem i zmniejszy ryzyko zwarć, gdy pod płytkę dostaną się jakieś metalowe elementy (np. śrubki).

Możliwości zmian

Pierwszą zmianą może być zastąpienie kilku równoległych kondensatorów jednym o zadanej pojemności. Tak więc wejściowe C3-C6 powinny mieć po 1000µF/200V, a wyjściowe w zależności od obciążenia od 2000µF do 10 000µF/40-50V. 
Jak już wcześniej wspomniałem, diody FR302 mogą sobie nie poradzić z obciążeniem dwóch i więcej końcówek TDA7294. Trzeba by je zastąpić mocniejszymi diodami impulsowymi, np. FR502 (100V, 5A, 150ns) lub jeszcze mocniejszymi, np. BY329 (8A, 800V, 100ns), ale najtaniej będzie zastosować podwójne diody SB3030PT (30V, 30A) lub SB3060PT (60V, 30A), które można wymontować z zasilaczy komputerowych. Do zasilaczy mniejszej mocy można użyć FR102 (100V, 1A, 150ns) lub BY228 (2,5A, 1500V, 1µs).

Transformator można także nawinąć w inny sposób, przy czym uzwojenie pierwotne nie powinno mieć mniej niż 40 zwojów, gdyż istnieje ryzyko nasycenia rdzenia, wzrostu poboru prądu, spadku sprawności i tym samym niepotrzebnych strat mocy na ciepło. Dla 40 zwojów uzwojenia pierwotnego przypada około 6V na zwój uzwojenia wtórnego, tak więc dobierając liczbę zwojów transformatora, można uzyskać inne napięcia.

Na podstawie opisanego schematu, po zredukowaniu liczby kondensatorów i dobraniu parametrów transformatora, można zrobić inne zasilacze, np. do żarówek halogenowych, zasilacz laboratoryjny (po dodaniu układów regulacji napięcia), przetwornicę do zasilania świetlówek z zimnym startem, a nawet zasilacz do wzmacniaczy lampowych! W ostatnich przypadkach trzeba wytworzyć napięcie wyższe od sieciowego (250–300V dla lamp i 600V dla świetlówek, które nie wymagają prostownika) i tym samym nawinąć więcej zwojów. Nawijając uzwojenie wysokonapięciowe, należy zwracać uwagę na możliwość przebicia między zwojami transformatora. Dlatego każdą warstwę uzwojeń należy oddzielić przekładką z tworzywa sztucznego (folia teflonowa – gruba do transformatorów, preszpanowa lub ostatecznie wycięta z rolki do rzutnika – stosowałem taką folię dla impulsów 13kV i nie przebijało) a transformator po nawinięciu zanurzyć w lakierze elektroizolacyjnym (najlepiej przed założeniem rdzenia). 

Oczywiście w oparciu o ten schemat można zrobić dowolny zasilacz dla dowolnego urządzenia. Wszystko zależy od potrzeb i inwencji twórczej konstruktora. Taki zasilacz jest interesującą alternatywą dla dużego i ciężkiego transformatora toroidalnego. Oczywiście pod warunkiem zapewnienia odpowiednio skutecznej izolacji wyjścia od sieci energetycznej.