Импульсный блок питания для лампового предусилителя

Что меня больше всего напрягало в ламповой технике, так это вопрос питания. Честно говоря, думаю, что не меня одного. И обостряется эта тема в те моменты, когда нужно сделать источник питания достаточно компактным и при этом мощным. Эдакие взаимоисключающие параметры для классического трансформаторного питания.

Сегодня я хочу продемонстрировать иной подход в вопросе питания ламповых предусилителей — импульсный источник питания. И пусть плачут те, кто уверен, что ИИП в лампах — это «не True».


Конечно, для человека, задевшего импульсники только по касательной, ИИП представляется суровым чудовищем, сложным и ненадежным. Но скажу с высоты моего теперешнего опыта: брехня, сделать сможет даже новичок, лишь немного усердия, терпения и концентрации.

Мы не будем углубляться в теорию. Только практика, только готовый результат. Заодно узнаем немного хитростей, которые могут пригодиться не только в ИИПах. Начнем! Однажды вопрос о необходимости иметь источник питания, который бы помещался в корпус под рэковую стойку высотой 1 юнит, поднялся у меня категорически.

Хотелось сделать один интересный гитарный преамп, который имел в себе 5 ламп 6Н2П, а это весьма суровая нагрузка. Вариант использовать старые-добрые ТП-30 отпал сразу из-за низкой их мощности. А в максимальную высоту 37 мм (такова высота внутреннего пространства одноюнитового корпуса Sanhe) прочие стандартные трансформаторы уже не лезут.

Может, тороидальный трансформатор? Недорогие варианты обязательно требуют экранирующий колпак, уж очень сильное ЭМ-поле, которое наведётся на схему, а с колпаком не влезет.
Варианты торов с пониженной индукцией, быть может? Колпак им не нужен. Эх, дешевле выйдет сбитый «Боинг».

Намеченный преамп был с очень высоким усилением, с пульсациями пришлось бы бороться не иначе, как приличным дросселем. Это снова вопрос места…

Вот эти вот муки и привели меня к конечному решению использовать именно импульсный источник питания.

↑ Вводные данные. Чего мы хотим от ИИП?

Итак, что же может понадобится? Нет, не так, чего хочется?

Накал на 6.3 Вольта. И стабилизированный, ведь от него сильно зависит работа ламп: чуть выше и хитер быстро сгорает, чуть ниже — покрывается окалиной. И так и сяк плохо, лампы «умирают» быстрее.

Далее анодное напряжение. А стабилизировать ли анодное? Иногда надо, иногда нет. Тогда тоже линейный стабилизатор, но на рассыпухе, чтобы всегда можно было подстроить или вообще отключить.

Ну и куда же без кремния? Ему надо двухполярное питание, скажем, 12 Вольт. Или 15? Пусть будет стабилизированное, от своих собственных линейных стабилизаторов. А там уж что воткнётся, то и выйдет.



Для входного диапазона примем параметры типичного напряжения в сети 200-250 В. Топологию будем использовать типа «полумост» — она простая и надежная.

С какой-то точки зрения стоило бы сделать обратноходовой ИИП, там меньше деталей, все проще, да и программы есть, которые досконально все рассчитают, разве что сами этот ИИП не сделают.
Но у обратноходовых ИИП есть существенный недостаток- высокий уровень излучаемых шумов. В нашей ситуации этот недостаток фатальный.

Не нужно так же забывать, что у нас очень ограничены размеры: 37 мм, которые я указал в начале статьи. Это полная высота, от крышки до крышки. Т.е. в реальности она недостижима, так как в ИИП будут использоваться выводные детали с торчащими концами снизу платы и SMD детали, которые легко создадут короткое замыкание через металлическое дно. Потому надо сделать допуск на них.
Плюс к этому очень даже стоит подложить под плату ИИП изолирующую прокладку, например из тонкого стеклотекстолита или плексигласа. С учетом всего, пусть будет допуск в 5 мм.
Плюс к этому еще 1.5 мм толщина стеклотекстолита платы, итого уже 6.5 мм. от верхней крышки тоже стоит отдалиться, скажем, на толщину прокладки в 0.5 мм. Итого 7 мм допуска.

Это означает, что для реальной конструкции осталось 30 мм.

↑ Конструкция

Откуда берётся такое предвзятое отношение к ИИП-ам? Рассказы об их ненадежности, недолговечности и нестабильности? Изучив тему импульсных источников более плотно, прошерстив форумы и пообщавшись с кучей людей я пришел к выводу, что все нити ведут к попыткам сделать «предельно просто и на чем-то, что мало подходит для серьезной работы».

Увы, как бы ни хотелось, так не получится. Многие пытаются создать что-то серьезное и мощное на IR2153 или, что ещё хуже, IR2161. Первый чип — самотактируемый полумостовой драйвер (даже не ШИМ), а второй — так вообще «мозг» для конвертеров к галогеновым лампам.

Такой подход обычно ведёт к провалу. Простые конструкции в условиях мастерской работают, но более серьезные нагрузки и условия эксплуатации чаще всего приводят к фейерверку. Потом долгие разбирательства и ярлык: «ИИП — хрень».
Не будем повторять такие ошибки, подойдем к вопросу ответственно!

С учетом всего этого за пару вечеров получилось это. Самое главное — получилось низкопрофильно.


Что же получилось? Это типичный полумост со средней точкой на выделенных конденсаторах (не являющихся конденсаторами фильтра входного выпрямителя).


В качестве ШИМа выбран чип SG3525, достаточно умный, давно опробованный и не такой капризный как более поздние модели. Несмотря на то, что у этого ШИМа есть свой собственный драйвер, я решил добавить еще и внешний драйвер IR2110. Это позволило гарантированно управлять более дешевыми ключами с  большой ёмкостью затворов.

Любители чипа IR2153 и других самопитающихся чудес самым большим минусом выбранного ШИМа называют необходимость отдельного (дежурного) питания, подающегося на ШИМ до запуска ИИП. Что-ж, плата за надежность. Такой источник нужен только при запуске ИИП, дальше можно организовать самопитание от отдельной обмотки трансформатора.

От такого источника питания требуется около 100-150 мА с запасом энергии в его фильтрующем конденсаторе, но лишь на непродолжительное время — при пуске нужно питать ШИМ, драйвер и иметь запас энергии на первые отпирания ключей.

Чаще всего это решается обычным силовым трансформатором относительно небольших габаритов. Но это не наш случай, ведь место надо экономить и вписаться в высоту.

Реже используют отдельный маломощный обратноходовой ИИП. Это так же печально, ведь хотелось меньше моточных деталей, а тут опять мотать.

Я прибегнул к третьему способу — использование готовых компактных DC-DC преобразователей MORNSUN LS03-05B12S с корпусом, рассчитанным на впаивание в плату.


Такие преобразователи надежны, мало нагреваются, имеют небольшие габариты и обладают достаточной мощностью (3 Вт) для дежурного питания.
Ещё один плюс MORNSUNа — цена. Хотя, конечно, никто не мешает использовать аналог от «peAk».

Тут сделаем техническое отступление: я не настаиваю именно на этих преобразователях, вместо них можно соорудить источник дежурного питания без гальванической развязки на микросхеме типа LNK306, что окажется доступнее и дешевле, хоть и чуть более сложно и менее надежно.



Я не рекомендую делать дежурку на гасящих резисторах и стабилитроне. Эта чудовищная идея пьяного инженера пожирает энергию, впустую перерабатывая её в тепло и способно при превышениях напряжения на входе удивить внезапным фейерверком или печальным испусканием духа как своего, так и всей конструкции в целом.

Сам трансформатор намотан на наборе типоразмера E 25/13/7(EF 25) от Epcos. Дроссели готовые, от дядюшки Ляо.

Защита от короткого замыкания здесь организована просто и надёжно: последовательно с трансформатором полумоста включен трансформатор тока, с двухполупериодным выпрямителем и нагрузкой в его вторичной цепи, с которой снимается напряжение. По достижении определенного уровня тока любого направления (в первичной цепи трансформатора) напряжения, снимаемого с нагрузки во вторичной обмотке, становится достаточно, чтобы заглушить работу ШИМа на определенное время.
За это время ток в первичной цепи уменьшается и все начинается сначала.

Для такой организации защиты я использовал трансформатор тока марки Talema. Их серия AS дешева и доступна, а характеристики замечательно подходят. Так зачем городить огород с шунтом в цепи только одного ключа, если можно контролировать оба за немного большие деньги?

В качестве ключей я использовал относительно недорогие IRFS840. Они обладают достаточными характеристиками и одной очень приятной особенностью- залитым в пластик фланцем. Это означает, что не нужно будет никаких прокладок между ними и радиатором.

Да, тут еще одно маленькое отступление. Несмотря на то, что при такой, достаточно небольшой нагрузке, ключи нагреваться будут слабо, я настоятельно не рекомендую оставлять их полностью без радиатора. Пусть будет хоть кусок Г-образного алюминиевого профиля!

Дело в том, что защита от КЗ в данной конструкции устроена достаточно просто, что накладывает определенные требования. При КЗ во вторичных цепях трансформатора, в первичной цепи возрастает ток. Пусть и не молниеносно, но достаточно быстро.
Появляется напряжение на выходе выпрямителя трансформатора тока, которое поступает на интегратор, который так же дает задержку до момента отключения импульсов управления. После отключения импульсов, ток в первичной цепи, разумеется, падает, как и напряжение на интеграторе. Это позволяет импульсам снова появиться на выходе ШИМа и, как я уже и говорил, все повторяется в цикле до ликвидации КЗ.

Вот в этот самый промежуток между началом резкого роста тока в первичной цепи и моментом реакции ШИМа, ключи находятся в весьма неприятном режиме, который заставляет их быстро нагреваться.
Конечно, конденсаторы средней точки не позволят войти трансформатору в насыщение, а их запасенной энергии не хватит для создания опасно большого тока для ключей. И данные ключи IRFS840 имеют хороший запас в параметрах, чтобы не произошло слишком высокого нагрева. Но риск, в данном случае, не оправдан.

В фильтре входного выпрямителя можно использовать как 2 параллельно включенных конденсатора с гибкими выводами и ёмкостью в пару-тройку десятков микрофарад, так и один большой (до 25 мм в диаметре) с жесткими выводами. Тут выбор лишь в том, у кого что будет и какой окончательной мощностью задаться. Емкость выбирается довольно упрощенно - 1 мкФ на каждый Вт максимальной мощности. Расчет этот довольно топорный, но достаточный.

↑ Особенности схемотехники

В целом, всё довольно типично для полумостовых ИИП, так что стандартный курс теории о ИИП вам поможет.
Остановлюсь только на нескольких моментах.

Резисторы R3 и R4 служат здесь для ускорения разрядки конденсаторов во входном выпрямителе. Чисто теоретически, ими можно пренебречь, и установить вместо них, скажем, керамический высоковольтные SMD конденсаторы. Однако уже после первого удара оставшимся зарядом во время настройки быстро меняют эту позицию.

Внутренние диоды ключей запараллелены снаружи диодами D1 и D2. В Сети бродит информация, что диоды в ключах бывают слабые и медленные, а таким образом мы этот вопрос снимаем радикально.

Пуск ИИП происходит при питании ШИМа, драйверов и ключей от 12 Вольт, дальнейшая работа- от стабилизатора на 15 Вольт. Это нужно для организации простого переключения питания на диодах D5 и D11.

Резистор R7 установлен для защиты от сверхтоков. Вообще, теоретически, высокоскоростного диода D10 должно хватить для того, чтобы успеть быстро закрыться и «не пущщать» ничего лишнего. А если всё же не успеет? Признаю, это подход не из моего опыта, я с таким не сталкивался и не хотелось бы начинать.

Постоянная времени снаббера (успокоителя) R9-C12 в 38 нс может показаться странной для выбранных ключей (тут надо, скорее, к 100-120 нс двигаться), но тем не менее снаббер неплохо отрабатывает и не перегревается. Лучше просто взять осциллограф, подбирать детали и смотреть результат. Но если еосцилла нет, просто примите на веру, мой вариант работает достаточно хорошо.

Высоковольтный стабилизатор капризный. И даже не просто капризный, а склонный к самовозбуждению. Вся его проблема в затворном резисторе R23. Лучше его впаивать не целиком в плату, а только с одной стороны. А вывод идущий к затвору транзистора Q3 припаять напрямую к затвору, удалив дорожку. А вообще идеально, если резистор будет не индуктивный. Лучше всё это опять наблюдать осциллографом — в случае проблем самовозбуждение будет заметно сразу.

В общем, уважаемые новички, если осциллографа нет, страшно к нему подойти или просто лень — лучше не устанавливайте компоненты анодного стабилизатора, а вместо Q3 впаяйте перемычку между истоком и стоком.

↑ Особенности сборки

Вся конструкция располагается на плате размерами 160 мм х 92 мм. Начать надо с SMD деталей на нижней стороне платы, потому как после установки выводных деталей паять станет тяжеловато:

Далее устанавливаются выводные детали.

На интегральный стабилизатор IC2 желательно установить небольшой радиатор. Такой же радиатор нужно обязательно установить на транзистор Q3, если будет высоковольтный стабилизатор.

Интегральные стабилизаторы IC3 и IC4 могут быть установлены на кусочек Г-образного алюминиевого профиля, который должен немного возвышаться над фильтрующими конденсаторами.
То же касается диодов D20, D28, D29 и D30 в корпусах TO-220F.

Не стоит забывать от проволочных перемычках! На чертеже платы они обозначены красным цветом, якобы на верхнем слое металла. Но плата у нас односторонняя.

↑ Трансформатор

Стандартный каркас выбранного типоразмера имеет 10 выводов, по 5 на каждой стороне. Я мотал следующим образом:

• 1-2: первичная обмотка- 86 витков проводом ПЭВ-2 0,335 мм
  
• 3-4-5: обмотка самопитания со средней точкой 4- 2×15 витков ПЭВ-2 0,335 мм
  
• 6-7-8: обмотка двухполярного источника, средняя точка 7- 2×15 витков ПЭВ-2 0,335 мм
  
• 9-10: анодная обмотка- 186 витков (или 200 для стабилизатора) ПЭВ-2, 0,112 мм
  
• Отдельными выводами: обмотка накала- 6 витков ПЭВ-2, 0,6 мм
  

Порядок намотки прямой, как здесь указано. Между каждой обмоткой (а лучше и каждым слоем) должна прокладываться изоляция. Я, к примеру, использую такую вот самоклеящуюся полиэстерную ленту:


Настоятельно советую именно ее. Ну или лакоткань. С осторожностью можно использовать фторопласт (оно же тефлон) или ФУМ-ленту, потому как фторопласт текуч и при сильном усилии в намотке просто расползется между витками. А при слабом усилии не останется места под сами обмотки. В общем, ориентируемся на полиэстер или лакоткань.

Обмотка накала мотается поверх всех обмоток, но концы делаются подлиннее и не вниз, а вверх. После этого трансформатор собирается и скрепляется скобами.

Традиционно принято разделять первичную обмотку на 2 части, и мотать одну часть первой, а вторую- последней, после остальных обмоток. В целом- это верно, так уменьшается индуктивность рассеивания и увеличивает магнитное сцепление. Но это не наш выбор.

Все дело в накалах ламп- при старте они холодные и требуют очень большой пусковой ток. Таких борзых приколов выпрямительные диоды и ключи могут не понять и взорваться. Потому лучше намотать первичную обмотку первой и не делить её. Индуктивность рассеивания увеличится, зато магнитное сцепление ослабится и ВАХ станет более крутой. В результате на старте во время резкого увеличения тока, столь же резкого возрастания тока в ключах не будет.

Затем поверх обмоток и сердечника сделать 1 короткозамкнутый виток из медной фольги, т.е. этот экран делает не поверх только обмоток, а поверх всего трансформатора! Нелишнем будет этот экран позже подключить к общей шине вторичных цепей.

Далее занимаемся выводами: сначала припаиваются концы обмоток с выводами, после чего трансформатор запаивается в плату. Затем концы накальной обмотки отмеряются по длине достаточной для соединения с двумя площадками около трансформатора (ST1 и ST2), кончики зачищаются и облуживаются, и сами концы одеваются в термоусадочную трубку. После концы впаиваются в плату.
На фото трансформатор без медного экрана.

↑ Настройка

После окончания сборки конструкция тщательно проверяется на предмет наплывов припоя, непропаев, ошибок в номиналах и расположении деталей.

Первый пуск производится по методикам, многократно описанным на Датагоре, прошу в поиск. От себя же напомню: включать через лампочку, зажмуриться и молиться. Почти шутка.

Если пуск прошёл нормально, и ИП «завёлся», на выходе появились напряжения и никаких проблем в виде нагрева нет, то можно включить его через предохранитель (заметьте, на плате его нет, рассчитано, что он будет либо на задней стенке готового устройства либо по-модному интегрирован в гнездо питания!).

Если всё прошло нормально, то щупы мультиметра ставят на гнезда Х3-1 — Х3-2 и подстроечным резистором R21 добиваются получения напряжения 6.3 Вольта. Далее контролируются напряжения на остальных выходах. В случае, если нет стабилизатора анодного напряжения, напряжение на высоковольтном выходе может быть низким, порядка 230 Вольт. Сделано это умышлено, при увеличении нагрузки в цепи накала (например, при подключении накала 2-3 ламп) напряжение возрастет. Происходит это по причине того, что при возрастании тока в цепи накала происходит падение напряжения на выпрямительных диодах и самой накальной обмотке. Дабы компенсировать упавшее напряжение, ШИМ увеличивает скважность, что приводит к возрастанию напряжения по всех вторичных обмотках, в том числе и тех, где этого падения не было.

Затем, для настройки защиты от КЗ, блок питания нагружаем до номинального значения выдаваемой мощности и, контролируя напряжение на канале накала, начинаем регулировать многооборотный резистор R22. Как только напряжение на выходе начинает падать, останавливаемся и делаем 1 оборот подстроечного резистора в обратном направлении.
Всё, ИИП настроен!

↑ Заключение

Сборка этого ИИП по уже готовой схеме не займет и одного вечера. Многие элементы каждый уважающий себя паятель найдёт у себя на полке или добудет из старых мониторов и др. оргтехники.

Ключи и диоды можете подобрать из имеющихся простым методом «подходит-не подходит по напряжению и скорости». Принимайте во внимание не только статические характеристики, но и динамические и температурное сопротивление.

Мощности этого ИИП вполне достаточно для питания серьезных ламповых предусилителей и даже усилителей для наушников. А выбор надежной схемотехники и подготовленной платы избавит от мучений с разгребанием кучи всевозможных косяков.

↑ Файлы

Схема + плата в формате Eagle
🎁smps.zip  96.74 Kb ⇣ 145

Список деталей
🎁bom.zip  6.33 Kb ⇣ 124

Всем приятной пайки и с Наступающим 2017!
Спасибо за внимание.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации