Home Источники питания
Источники питания PDF Печать E-mail
Рейтинг пользователей: / 2
ХудшийЛучший 
Автор: Administrator   

Источники питания.

В этом разделе размещаются материалы, посвящённые первичным (сетевым) и вторичным (стабилизаторам напряжения) источникам питания электронной аппаратуры.

Обновляемый файловый архив по теме находится здесь, со временем, я надеюсь подготовить обзор с комментариями.Подмигиваю

 

Стабилизация выходного напряжения ЗУ мобильного телефона для радиолюбительских нужд.

 

C приходом в нашу жизнь мобильных устройств заряжаемых от USB, остались без дела множество сетевых зарядных устройств от мобильных телефонов прошлых поколений. Такие зарядные устройства (ЗУ) собраны, обычно, по схеме блокинг-генератора и выдают не стабилизированное  напряжение 6 – 10 Вольт с током до одного ампера, обычно ограниченного некоторыми схемными ухищрениями, защищающими ЗУ при КЗ на выходе.

Представляется интересным использовать такие ЗУ в радиолюбительских устройствах. В качестве стабилизированных источников питания, хотя бы на одно, фиксированное напряжение, например, 5 Вольт.

Далее описан мой успешный опыт решения этой задачи.

На рисунке 1, представлены три схемы сетевых зарядных устройств для мобильных телефонов, дающие некоторое представление о принципах их построения. Схемы на Рис. 1.1 и Рис. 1.2 присутствуют в Интернете, на множестве сайтов. Схема на Рис. 1.3 срисована с имеющихся у меня ЗУ от мобильного телефона Benq – Siemens AL-21. Возможно, такие ЗУ поставлялись и с другими «мобильниками» тоже.

Типовые схемы ЗУ для мобильных телефонов и их доработка для стабилизации выходного напряжения.

(кликни для увеличения)

На транзисторе Т1 (см. Рис. 1.3) собран сам блокинг – генератор. На транзисторе Т2 собран узел защиты Т1. Стабилитрон DZ1, ограничивает напряжение холостого хода на уровне, примерно, 7,6 В. Ток через резистор 120Ком в базе Т2, ограничивает выходной ток в рабочем диапазоне – чем он больше, тем менее открыт Т2, и тем больше ток базы Т1, а следовательно и его коллекторный ток и энергия, отдаваемая в нагрузку в паузах между импульсами коллекторного тока Т1. Резистор 10 Ом в эмиттере Т1, является датчиком тока и защищает Т1 и ЗУ, в целом, при перегрузке по выходу, открывая Т2 в случае, если ток через эмиттер Т1 превысит, примерно, 60 мА.

Для ограничения напряжения холостого хода, на уровне 5 В и поддержания этого напряжения неизменным ( в пределах единиц процентов), и диапазоне типовых, для данного ЗУ, выходных токов, потребовалось добавит всего четыре детали: диодно -транзисторный опторон (наверное любой из широкодоступных, например из БП дежурного режима ИИП компьютера, я использовал TLP181, что было под рукой), стабилитрон КС147 и два резистора, мощностью 0,125Вт – 560 Ом и 2,7 Ком.

Схема подключения указанных деталей приведена на Рис. 1.3 и обозначена точками A, B, C, D. Цоколёвка использованного оптрона TLP181, приведена на Рис. 1.4.

Теперь, в режиме холостого хода, при достижении выходного напряжения, 5В (4,7В – напряжение открывания стабилитрона КС147 + 0,3В – падение напряжения на светодиоде оптрона, достаточное для его включения), транзистор оптрона шунтирует стабилитрон DZ1, что приводит к открыванию транзистора Т2 и ограничению тока через Т1, что препятствует дальнейшему повышению выходного напряжения. При снижении выходного напряжения, под нагрузкой, стабилитрон КС147 в выходной цепи, начинает закрываться, уменьшая ток через светодиод оптрона и минимизируя, тем самым, шунтирующее действие  Т2 на «силовой» транзистор Т1.

В результате настоящей доработки получен обратноходовой импульсый источник питания с напряжением 5 Вольт и номинальным током 500 мА. (Далее, с ростом тока, выходное напряжение снижается).

Дополнительные детали размещены на плате ЗУ навесным монтажом, допускающим установку доработанной платы в штатный корпус.

У меня, такое доработанное ЗУ используется для организации гальванически развязанного питания источника звука в активной АС, описанной здесь). Для исключения ВЧ помех от ИИП источника звука на УМЗЧ, нужно соединить общий провод ИИП источника и общий провод БП УМЗЧ, керамическим конденсатором, ёмкостью, например, 10нФ. Пресловутая токовая петля, при этом, остаётся разорванной, а импульсные помехи шунтируются.

Улучшенный Низковольтный Повышающий преобразователь напряжения (1,5…4,8V – 5V) для питания и зарядки смартфона от батареи.

 

Пользователи современных высокопроизводительных  смартфонов и прочих гаджетов, с большими экранами, отягощённых набором разнородных модулей радиосвязи, часто работающими одновременно, часто жалуются, на быстрый расход энергии аккумуляторной батареи. Пользователи устройств на основе ОС Android, например,  разработали серьёзные наставления по снижению потребления электроэнергии своими смартфонами, используя очевидные приёмы здравого смысла и затейливые программы. Однако, могут возникать случаи, когда батарея смартфона разряжается не по недомыслию, а из за напряжённой эксплуатации в требуемом режиме, например интернет сёрфинг или просмотр видео в дальней поездке на общественном транспорте. Возникает вопрос зарядки смартфона «в поле», вдалеке от стационарной электросети или бортсети автомобиля. В этом случае, для зарядки аккумулятора смартфона, можно использовать преобразователь напряжения, обеспечивающий выходное напряжение 5V при питании от нескольких, начиная от одного  гальванического элемента (1,5V) или аккумулятора (1,2V) размера АА (или ААА – что окажется под рукой). Это тем более интересно владельцам фотоаппаратов, питаемых от  элементов АА или аккумуляторов сходного размера – в экстренном случае, можно использовать батарею фотоаппарата, для зарядки смартфона.

Подобных устройств, в том числе со схемами, радиолюбительского и фабричного изготовления, в сети предлагается великое множество. Я хочу рассказать о собственном опыте реализации подобного повышающего преобразователя напряжения для питания смартфона. Прототипом рассматриваемой конструкции служит устройство, описанное в журнале  Радио №8 2000г. стр. 43 В. ЗАЙЦЕВ, Низковольтный ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ. Это вполне надёжная, работоспособная схема Рис.1 (Подробно см. подборку «Преобразователь полярности», стр. 6), собранная многими радиолюбителями. Но есть нюанс. При подключённой нагрузке и низком напряжении питания (1,5 – 3 В), преобразователь не запускается.

Рис. 1. Низковольтный повышающий преобразователь напряжения В. Зайцева.

Рис. 1. Низковольтный повышающий преобразователь напряжения В. Зайцева.

 

Автор преобразователя напряжения для мобильных устройств «Вампирчик» Рис.2 (Фрагмент схемы, подробно см. подборку «Преобразователь полярности», стр. 7), решил эту проблему установкой ещё одного дросселя в выходной фильтр исходного преобразователя и уменьшением ёмкости «пускового» конденсатора в 100 раз (L2 и С1 в схеме Вампирчика).

Вариант повышающего преобразователя напряжения В.Зайцева, реализованный в устройстве «Вампирчик».

Рис. 2. Вариант повышающего преобразователя напряжения В.Зайцева, реализованный в устройстве «Вампирчик».

 

Повторяя схему В. Зайцева, я тоже попробовал воспроизвести доработки, предложенные автором «Вампирчика» и получил стабильный запуск преобразователя под нагрузкой. Однако форма сигнала на коллекторе силового транзистора была столь отличной от прямоугольной, что применять такое схемное решение в устройстве с автономным питанием и повышенными требованиями к КПД, мне показалось глубоко ошибочным. Надёжный запуск повышающего преобразователя В. Зайцева удалось обеспечить, изменив схему запуска преобразователя. См. Рис.3.

Принципиальная схема Улучшенного Низковольтного повышающего преобразователя напряжения.

Рис. 3. Принципиальная схема Улучшенного Низковольтного повышающего преобразователя напряжения.

 

В исходном состоянии, до подачи питания, электролитический, «пусковой», конденсатор C2 разряжен. При включении питания, конденсатор C2 начинает заряжаться током, проходящим через резистор R2 и переход база – эмиттер транзистора Т1, а так же, через резистор R1. Базовый ток открывает транзистор Т1 и на резисторе R3 возникает падение напряжения, надёжно закрывающее транзистор Т2. По мере заряда С2, транзистор Т1 начинает закрываться, а Т2 – открываться, создавая ток в базовой цепи ключевого транзистора Т3, тем самым открывая его. Далее, если фазировка обмоток выполнена правильно, в преобразователе возникают автоколебания и напряжение самоиндукции первой обмотки, возникающее в моменты, когда транзистор Т3 закрыт, суммируется с напряжением источника питания на конденсаторах C5 и С6. Когда выходное напряжение на эмиттере транзистора Т4, превысит напряжение на его базе, заданное стабилитроном D2 и делителем R5, R6 на величину, порядка 0,5 В, транзистор Т4 начнёт открываться,

создавая током, текущим с эмиттера на коллектор (Т4 - p-n-p транзистор) некоторое дополнительное, к создаваемому базовым током транзистора Т2, падение напряжения на резисторе R1, что приводит к закрыванию (уменьшению тока коллектора) транзистора Т2, и, следовательно, начинает закрываться транзистор Т3, для которого, коллекторный ток Т1 является базовым. Частота и скважность генерируемых импульсов падает, приводя к стабилизации выходного напряжения на заданном уровне. При выключении питания, «пусковой» конденсатор С2 быстро разряжается через резистор R1 , что позволяет производить повторное включение преобразователя без всякой задержки.

Дополнительно повысить крутизну фронтов импульсов на коллекторе ключевого транзистора (Т3), удалось, зашунтировав, по переменному току, конденсатором С4, переход коллектор – эмиттер транзистора T4. Осциллограмма импульсов на коллекторе Т3 приведена на рис. 4. Частота импульсов – около 15 КГц, как и скважность зависит от напряжения питания тока нагрузки.

Рис. 4. Осциллограмма формы сигнала на коллекторе ключевого транзистора Улучшенного Низковольтного повышающего преобразователя напряжения

Рис. 4. Осциллограмма формы сигнала на коллекторе ключевого транзистора Улучшенного Низковольтного повышающего преобразователя напряжения (см Рис. 3).

 

Для контроля напряжения источника питания преобразователя (батареи гальванических элементов или аккумуляторов) был изготовлен простейший трёхступенчатый индикатор уровня (см. Рис.5) прототипом которого стал индикатор уровня принимаемого сигнала магнитолы «Радиотехника МЛ-6201 Стерео» описанный в журнале Радио № 1, 1988 г. стр. 47.

Рис. 5. Принципиальная схема индикатора заряда батареи Улучшенного Низковольтного повышающего преобразователя напряжения.

Рис. 5. Принципиальная схема индикатора заряда батареи Улучшенного Низковольтного повышающего преобразователя напряжения.

 

Когда напряжение на батарее соизмеримо с напряжением на выходе преобразователя, транзисторы Т1 – Т3 закрыты и светятся все три светодиода, включённых последовательно. По мере падения напряжения на батарее, транзисторы Т1 – Т3 начинают последовательно открываться, что приводит к последовательному гашению светодиодов. Последний светодиод гаснет при снижении напряжения до уровня около 1,5В (определяется резистором R1, во входном делителе). На транзисторе T4 собран источник тока для светодиодов, стабилизирующий яркость их свечения. Важно отметить, что суммарное падение напряжения на трёх светодиодах красного свечения, составляет, примерно, 5,4V. Это значит, что при питании преобразователя от 4х аккумуляторов, по 1,2V, каждый, светодиоды (4,8 Вольт в сумме), все три светодиода, будут светиться с пониженной яркостью. При снижении питания, когда остаются включёнными 2 или один светодиод, яркость их свечения возрастает, и определяется током стабилизации задаваемым транзистором Т4. При питании преобразователя от 4х гальванических элементов (6 Вольт) три светодиода, светятся с номинальной яркостью, до тех пор, пока напряжение батареи не снизится до, примерно, 5,5Вольт. Получается такой «цифроаналоговый» индикатор состояния батареи. 
Несколько замечаний об использованных деталях. Чем больше энергии запасается в сердечнике трансформатора преобразователя во время импульса, тем больший ток будет отдан в нагрузку, когда ключевой транзистор закроется. Для обеспечения выходного тока порядка 500 мА, достаточно использовать в качестве сердечника трансформатора кольцо диаметром ок. 14 мм от понижающего преобразователя питания процессора старой материнской платы ПК. Материал этих колец мало склонен к насыщению, что важно для однотактных преобразователей, к которым относится рассматриваемое устройство. На фотографии (Рис. 6) видно, что  кольцо заполнено обмотками практически полностью.

Рис. 6. Собранная плата Улучшенного Низковольтного повышающего преобразователя напряжения

Рис. 6. Собранная плата Улучшенного Низковольтного повышающего преобразователя напряжения

 

Первичная обмотка намотана эмалированным проводом, диаметром 0,3 мм, вторичная обмотка намотана проводом, диаметром 0,15 мм и содержит в два раза меньше витков, чем первичная. Я не могу указать точное количество витков в использованном трансформаторе так как мотал его достаточно давно, для каких то других опытов и намоточных данных не сохранил.  Измеренная индуктивность первичной обмотки составила 220 мкГн, индуктивность вторичной обмотки – 70 мкГн. Важно, что в рассматриваемой схеме преобразователя стабильно работают трансформаторы, с гораздо меньшим числом витков. Вы можете попробовать запустить этот преобразователь, намотав, для начала, 20 витков первичной обмотки и 10 витков для вторичной – этот вариант у меня так же стабильно запустился, как и третий, когда трансформатор имел соотношение обмоток 1:1 (В качестве трансформатора можно использовать, в том числе, многообмоточные дроссели из блоков питания компьютеров, как входные так и выходные, если Вас устраивает их размер.

Если Вы хотите по-настоящему глубоко понять, как рассчитываются трансформаторы (дроссели) для импульсных блоков питания и как работают различные импульсные источники питания, пожалуйста, прочитайте цикл статей А. Петорва «Индуктивности, дроссели, трансформаторы», опубликованный в журналах Радиолюбитель с №11, 1995 по №5 1997г. В частности, блокинг генератор, лежащей в основе настоящего повышающего преобразователя, рассмотрен А. Петровым в № 11 за 1996 год (журнал Радиолюбитель :-) ).

О транзисторах. Ключевой транзистор Т3, желательно взять более быстродействующий, нежели предложенный В. Зайцевым. Сравните, для примера, граничные частоты транзисторов КТ819 и КТ805 – 3МГц против 20 МГц. Я использовал транзисторы КТ805, в пластмассовом корпусе и в макете и в окончательном варианте. Важный нюанс – коэффициент передачи тока базы ключевого транзистора не должен быть очень большим – достаточно 25 – 50. Как показала практика сборки преобразователя на печатной плате, после удачного макетирования, применение транзистора КТ805БМ (у использованного экземпляра КТ805БМ h21e=125) привело к крайне нестабильной работе преобразователя при напряжении питания в районе 2 – 3 Вольт. Замена КТ805БМ на КТ805ИМ (h21e=30) обеспечила стабильный запуск и работу преобразователя во всём диапазоне питающих напряжений. Так как рассматриваемый преобразователь имеет очень крутые фронты импульсов (см. Рис. 3), время нахождения ключевого транзистора в линейном («полуоткрытом») режиме крайне мало, как и нагрев этого транзистора под нагрузкой. Это позволило отказаться от применения радиатора и, кроме того, отрезать, для уменьшения высоты, часть металлического основания с крепёжным отверстием (см. рис. 6). Что касается остальных транзисторов, то их коэффициент передачи на стабильность работы преобразователя заметного влияния не оказывает. При макетировании я использовал транзисторы КТ3107И, как в прототипе В. Зайцева, в окончательной, «печатной», версии заменил КТ3107И на КТ209Б с коэффициентом передачи менее 100. Заметных различий в работе преобразователя, после такой замены, обнаружить не удалось. Это может служить хорошей иллюстрацией малой чувствительности схемы рассматриваемого преобразователя, к используемым деталям, что может быть достаточно важным в радиолюбительской практике, когда случается собирать устройства из подручных материалов. Так же отмечу, что указанный на схеме (Рис. 3) диод Шотки Д1, марки КД212 можно заменить на диод Шотки в SMD корпусе, снятый с материнской платы персонального компьютера. При такой замене, обратите внимание на прямое падение напряжения на выбранном диоде. Если эта величина меньше, чем 450 мВ – прямое падение напряжения на КД212 – замена оправдана и Вы получите дополнительный выигрыш в КПД преобразователя. Как правило, так и бывает падение напряжения на SMD диодах Шотки, устанавливаемых в материнские платы компьютеров и других, устройств с высокочастотными импульсными преобразователями напряжения, составляет 330 – 190 мВ.

Повышающий преобразователь напряжения для питания смартфона, в сборе, показан на Рис. 7. В качестве корпуса, использован корпус телефонной розетки под разъём RJ-12. Дно корпуса удалено, от нижней части корпуса используются только боковые стенки с основанием, приклеенным термоклеем к кассете для установки 4х элементов питания формата АА. В верхней крышке просверлены отверстия для трёх светодиодов блока индикации разряда батареи и несколько отверстий для вентиляции – на противоположных боковых стенках корпуса.

Рис. 7. Улучшенный Низковольтный повышающий преобразователь напряжения для питания и зарядки смартфона от батареи, в корпусе.

Рис. 7. Улучшенный Низковольтный повышающий преобразователь напряжения для питания и зарядки смартфона от батареи, в корпусе.

 

Загрузить печатную плату Улучшенного Низковольтного повышающего преобразователя напряжения Вы можете по этой ссылке.

Обновлено 10.02.2016 18:50
 

Комментарии  

 
# pifagore 02.09.2016 09:45
Переход по ссылке для загрузки не получился. Она пустая.
Мой мэйл
Если Вы мне туда ответите, я смогу выслать схему и фото платы.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 
 
# Administrator 02.09.2016 09:51
Давайте уточним, Вы зарегистрировал ись? Под каким логином?
Я только что вычистил список зарегистрирован ных ботов. Логина Pifagore, среди них не было.
Кнопка "Обратная Связь" находится правее кнопки "Из рук в руки".
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить