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无线电电子与电气工程百科全书 网络开关电源
开关电源尚未在业余无线电实践中普及。 这主要是由于它们的高度复杂性和相应的成本。 然而，在某些情况下，与传统变压器单元相比，这些设备的优势——高效率、小尺寸和重量——可能具有决定性的重要性。 本文介绍了适用于各种负载的几种脉冲源。 为特定设备选择电源 (PS) 时的争议通常会倾向于采用连续方式稳定输出电压的传统变压器装置，因为这种装置最容易设计和制造。 而且它们的尺寸和重量增加、效率低、发热大等事实在实践中通常没有被考虑到。 最重要的论据是成本。 此外，还有一种观点认为，脉冲电源，尤其是网络电源，不可靠，会产生高频干扰，制造和调整比较困难，而且价格昂贵。 在首次设计设备，然后从市场上可用的 IP 中为其选择 IP 的情况下，这些论点通常是传统的。 同时，常常会发现所选的IP不太适合设备：要么很重，要么很热，设备不稳定。 如果 IP 是针对特定设备、设备类别而设计，并考虑到输入电压和负载的特性，则不会发生这种情况。 在这种情况下，IP的一些复杂性，例如，过渡到稳定输出电压的脉冲方法，为整个设备提供了新的品质，显着改善了其特性，从而增加了整个设备的消费价格并付出了代价使知识产权复杂化的成本。 下面考虑了针对特定设备设计的网络脉冲IP的几种方案，考虑到电压为220V、频率为50Hz的国内单相网络的特点。 经过 5 ... 7 年的运行结果，我们推荐熟悉电力电子学基本概念、脉冲控制原理和元件基础特性的无线电爱好者重复使用。 IP的工作原理、制造技术和元件基础都是经过专门选择的，因此基本IP将被最详细地考虑，而其余的将只具有其独特的特征。 上图。 图 1 显示了专为带有自动号码标识符 (ANI) 的电话机设计的单通道脉冲 IP 的示意图。 它还适用于分别为 5 ... 24 V 恒定电压和 3 ... 5 W 功率的其他数字和模拟设备供电，其电流消耗在运行期间变化不大。 电源具有输出短路保护功能，并在过载消除后自动返回工作模式。 当输入从 150 V 变为 240 V、负载电流在标称值的 20 ... 100% 范围内且环境温度为 5 ... 40 ℃ 时，输出电压的不稳定性°C不超过标称值的5%。
输入电压通过抗干扰滤波器L2L5C1和电阻R2、R2提供给整流器VD1-VD2，限制电源接通时的启动电流。 高频转换器本身由电容器 C200 上形成的 340 ... 4 V 恒定电压供电。 该转换器的基础是基于元件DD1.2-DD1.4、晶体管VT1和齐纳二极管VD6的受控脉冲发生器。 DD1.4 元件输出端的初始脉冲重复率为 25 ... 30 kHz，脉冲和暂停（高电平和低电平）的持续时间大致相等。 当电容器C1上的电压增加超过值UC1→UBEVT1+UVD6时，齐纳二极管VD6打开，晶体管VT1在脉冲期间轻微打开并快速对电容器C3放电，从而减少脉冲持续时间。 这可以让您稳定 IP 的输出电压。 发生器输出控制二极管VD9和晶体管VT2、VT3上的高压开关。 与基于单个双极晶体管的传统开关（其中控制信号施加到其基极）不同，这里使用两个晶体管的共源共栅连接 - 高压 VT2 和低压 VT3。 通常，高压双极晶体管频率较低，基极电流传输系数 h21E 较低，因此需要较大的控制电流。 这里，控制信号被馈送到低压晶体管的基极，该低压晶体管被选择为具有大h21E的高频。 当晶体管VT3开路时，电流通过电阻R2流入晶体管VT11的基极，使其开路并饱和。 当晶体管VT3截止时，晶体管VT2的发射极“开路”，其所有集电极电流均流经基极、二极管VD9流入电容器C1。 在这种情况下，多余的电荷很快被VT2晶体管的基极区域吸收，并被强制关闭。 除了提高速度之外，这种控制 VT2 晶体管（所谓的发射极开关）的方法还扩大了安全操作的范围。 元件C5、R9、VD8限制晶体管VT2集电极上的“浪涌”电压。 变压器 T1 在脉冲期间执行储能器件的功能，以及输入和输出电压之间的电流隔离元件的功能。 在晶体管VT2开启状态期间，绕组I连接到能量源——电容器C4，其中的电流线性增加。 绕组II和III上的电压极性使得二极管VD10和VD11闭合。 当晶体管VT2截止时，变压器所有绕组上的电压极性反转，其磁场中存储的能量通过VD6二极管进入输出平滑滤波器C3L7C11，并通过VD1二极管进入电容器C10。 变压器 T1 的设计必须使绕组 II 和 III 之间的磁耦合尽可能高。 在这种情况下，所有绕组上的电压具有相同的形状，并且瞬时值与相应绕组的匝数成正比。 如果由于某种原因 IP 输出端的电压降低，电容 C1 上的电压也会降低，从而导致晶体管 VT2 开路状态的持续时间增加，从而导致能量部分增加每个周期转移到负载 - 输出电压返回到其原始值。 随着IP输出电压的增加，会发生相反的过程。 因此，输出电压稳定。 在元件DD1.1上，制作了用于打开转换器的控制单元。 当施加输入电压时，电容器C1通过电阻器R5充电。 齐纳二极管 VD1 首先闭合，在 DD2 元件的较低（根据该方案）输入（引脚 1.1）处，电压高于其开关阈值，并且在 DD1.1 输出处为低电平。 该信号阻止所有转换器节点的操作； 晶体管VT3截止。 当电压值UC1达到一定值时，稳压二极管VD1打开，2脚电压稳定。 微电路的电源电压继续增加，并且当UC1=Uon时，施密特触发器的引脚2处的电压变得低于开关阈值。 在元件DD1.1的输出处，突然设置高电平电压，这允许所有转换器节点的操作。 当 UC1 = Uoff < Uon 时，会关闭相同的 IP，因为施密特触发器在输入端具有滞后现象。 该作品的这一特性用于在 IP 输出端构建一个防短路保护节点。 随着负载电流的过度增加，脉冲持续时间增加，这导致电阻器R12两端的压降增加。 当达到UR12=UVD7+UBE VT1 C 1,2V时，晶体管VT1打开，晶体管VT3关闭。 脉冲持续时间减少，因此传输到输出的能量减少。 每个时期都会发生这种情况。 输出电压降低，导致电容器C1两端的电压降低。 分配 UC1 = Uoff，元件 DD1.1 切换并关闭 IP。 转换器控制装置对电容器 C1 的能量消耗几乎停止，并开始通过电阻器 R5 充电，导致 UC1 = Uon 时 IP 自动接通。 此外，以2…4s的周期重复这些过程，直到消除短路。 由于过载期间转换器的运行时间约为 30 ... 50 ms，因此这种运行模式并不危险，并且可以持续任意长的时间。 元件的类型和额定值如图所示。 电容器 C2 - K73-17、C5 - K10-62b（以前的名称 KD-2b）。 电感器 L1、L2 和 L3 缠绕在由冲压坡莫合金 MP10 制成的环形磁芯 K6（3 (140)）上。电感器绕组 L1、L2 包含 20 匝直径为 0,35 mm 的 PETV 线，并且各自位于其自己的一半上。线圈之间间隙至少为 1 mm 的环 电感器 L3 用直径为 0,63 mm 的 PETV 线绕一层（沿着环的内周）。变压器 T1 是最关键的部分IP、电压、IP效率和干扰水平，所以让我们更详细地讨论其制造技术。它是在由M2NM22铁氧体制成的B2000磁芯上制成的。所有绕组都绕在标准或家用绕组上-用PETV线制成可折叠框架，匝对匝，浸渍BF-1胶水，2匝，第一层用直径260mm的线绕数层。其结论必须相互隔离，其余部分必须隔离。绕组采用 0,12 ... 0,05 mm 厚的漆布，以避免故障。 在绕组的上层涂BF-0,08胶水，并用一层宽度略超过绕组宽度的漆布绝缘，使上层绕组的匝与下层绕组的匝不接触。一。 接下来，用同样的导线绕制具有一个端子2的屏蔽绕组，涂上BF-7胶水并用一层同样的漆布包裹。 绕组III由直径为0,56毫米的导线缠绕。 对于 5 V 的输出电压，它包含 13 匝。 该绕组的匝数紧密地放置，有轻微的干涉，如果可能的话，放置一层，涂上胶水并用一层漆布绝缘。 上弦 II 最后上弦。 它包含 22 匝直径为 0,15 ... 0,18 mm 的导线，均匀地敷设在线圈的整个表面上，尽可能靠近绕组 III。 将绕好的卷轴涂上BF-2胶水，用两层漆布包裹，在6℃的温度下干燥60小时。 将干燥后的线圈插入杯中，杯端也涂上胶水，并通过0,05毫米厚的环形纸垫片连接。 例如，用木制衣夹将杯子两侧的边缘压紧，然后以相同的方式再次干燥。 因此，在杯之间形成非磁性间隙。 线圈引线与磁路小心隔离。 安装时必须记住冲击电流通过的电路必须尽可能短。 如果实际工作条件下VT2晶体管在器件中的发热不超过60℃，则无需在散热器上安装VT5晶体管。 否则，最好将指定的晶体管安装在面积为10 ... 2 cm XNUMX 的散热器上。 如果所有元素都处于良好状态，调整 IP 并不困难。 输出端连接一个阻值为 8 ... 10 欧姆、功率为 5 W 的电阻，电阻器 R5 闭合，可调电压源根据其极性连接到电容器 C1，并预先设置好它至Uout→0。入口处将分频器为2：1的示波器连接到晶体管VT10的集电极。 电源打开，通过增加其电压，电源打开的值是固定的。 示波器屏幕上应出现频率为 25 ... 30 kHz 的信号，其形状如图 2 所示。 1. 通过选择齐纳二极管 VD3 和电阻器 R7,3，将 IP 控制装置的接通电压设置在 7,7 ... 0,4 V 范围内。同时，负载应具有 0,6 ... 的恒定电压，拆下电阻器 R5 上的跳线并将电源电压施加到 IP 输入。 延迟 2 ... 5 s 后，电源打开，然后测量输出电压，选择电阻器 R6 将其值设置为 5 V。接下来，在额定负载下打开电源，确保在实际工作条件下 VT2 晶体管和 VD11 二极管的温度不会超过 60 °C。 到此调整也算是完成了。
IP 的设计可能会有所不同，具体取决于受电设备的要求。 作者开发了一种专门用于 AON 电话机的最小尺寸和重量的设计。 电源采用Weston和Rubicon氧化物电容。 除电容器 C4 外，所有元件均垂直于电路板安装。 IP (50 (42,5 (15 mm))) 的尺寸使其可以插入电话机“Tekhnika”的电池盒中，并对电话机稍加修改。IP 印刷电路板图如图3所示。
该IP是作者专门制造的，用于替代传统的B3-38电源，该电源经常出现故障。 更换后，他们就停下来了，手机已经工作了近六年没有关机。 测试表明，在输入100V左右时，电源的输出电压开始下降。另外，在AON的应用中，不需要抗干扰电感L1、L2。 例如，如果IP的输出电压值要更大（在保持输出功率的前提下），则必须按比例增加绕组III的匝数，并且其导线的横截面和电容器的电容值C6、C7应减少。 这些电容器的额定电压应比输出高 30 ... 50%。 在指定的印刷电路板上安装IP时，VT2晶体管（如果需要）的散热器是尺寸为48（10（0,5毫米））的马口铁。它沿着印刷电路的长边安装电路板通过云母垫片靠近VT2晶体管，并焊接到专门为此提供的接触垫上，使其与晶体管有良好的热接触。此时，还需要使用导热膏KPT-8。请记住，散热器处于高压状态。 上图。 图4示出了功率为10 ... 15 W、输出电压为5 ... 24 V的IP电路的一部分。IP的操作和参数与之前考虑的没有太大区别。 改变输出电压的调整和方法也类似。 在这些差异中，我们注意到以下几点。 在此版本的器件中，使用晶体管 VT2 - KT859A、VT3 - KT972A； 二极管VD11 - KD2994A，电容器C2 - 0,015 uF（630 V，C4 - 10 uF（350 V，C5 - K15-5；安装两个6 uF电容器代替C1000（16 V；电阻器R1，R2 - 33 Ohm） 1 W，R6 - 200 Ohm，R10 - 1 kOhm，R11 - 200 Ohm 0,25 W，R12 - 3,9 Ohm 0,25 W。所有其他元件与图 1 中相同。电感器 L3 包含 20 匝，用 PETV 线缠绕直径为0,63毫米，T1变压器组装在M8NMS2500铁氧体制成的KV-1磁路上，绕线框架为标准，线圈干燥后安装在磁路中，与在前一种情况下，通过厚度为 0,2 mm 的纸板垫圈粘合。按相同顺序仔细缠绕绕组。对于 12 V 1 A 选项，绕组 I 包含 240 匝直径为 0,2 mm 的导线，绕组 II 包含 22 匝直径为 0,15 mm 的导线。 - 28 匝直径为 0,56 mm 的导线，绕组 III - 7 匝直径为 0,15 mm 的导线 输出 5 的屏蔽绕组用直径为 2 mm 的导线逐层绕制一层11 V 238 A 选项，VD6 二极管必须是 KD045VS 或 13TQ0,56（国际整流器），并用直径为 XNUMX mm 的两根线绕 III - XNUMX 匝。
安装时，三极管VT2和二极管VD11必须安装在面积至少为50cm 2 的散热片上，三极管VT1和二极管VD6的距离至少为20mm来自运行期间加热的变压器 T1。 其余要求与之前的 IP 相同。 作者开发了最小尺寸的IP设计，使其可以安装在分叉箱中。 该选件的印刷电路板图如图5所示。 2. 元件与前一种情况一样，垂直于电路板安装，VT11 晶体管和 VDXNUMX 二极管从带有凸缘的印刷导体一侧位于电路板上。
经过组装和调整后，电源通过绝缘云母垫片安装在2毫米厚的铝制U型散热器上。 在电路板和散热器之间，在螺钉上放置 5 毫米高的圆柱形衬套。 氧化物电容器由“Weston”和“Rubicon”选择，可以减小尺寸。 工作时，可通过电容器 K2-15 5 pF（3300 V）将 VT1600 晶体管的散热片（或共用散热片）连接至每个输入端子，此措施有助于减少辐射 IP 干扰。但请注意，散热器处于高压状态。 IP调整的方式与前一种情况相同，但在额定负载下，IP不能长时间开启。 事实上，如果VT2晶体管和VD11二极管在没有散热器的情况下工作，它们会很快升温。 输出电压为 12 V 的 IP 用于为电子挂钟供电，输出电压为 5 V 的 IP 用于为 Sinclair 家用计算机供电。 当输入电压在120...240 V范围内变化时，设备运行没有出现故障。 确实，与传统同类产品相比，该 IP 的尺寸和重量令人印象深刻。 在所考虑的MT中，变压器辅助绕组II上的脉冲电压的幅值在暂停间隔内是稳定的，因此，随着负载电流的变化和不稳定因素的显着影响，输出电压的稳定性为相对较低。 如果这是不可接受的，则需要使用具有稳定的直流输出电压的电源。
上图。 图6显示了一个三通道IP的图，其主通道的输出电压通过基于该通道的电压与标称值的偏差生成控制信号来稳定，以及另外两个通道，与上面考虑的来源类似。 SP 设计用于通过 220 V 50 Hz 单相交流网络和 300 V 电压直流网络为数字和模拟无线电电子设备供电。它具有自动保护功能，可防止每个输出出现短路。当过载消除后返回工作模式。 IP 采用自然冷却方式运行的环境温度范围为 0...50 °C。 IP主要参数：输入电压 - 150...240 V； 输出电压 - 负载电流为 5...0 A 时为 3 V，输入、负载电流和环境温度最大变化时输出电压的不稳定性为标称值的 1%； 12V（0,02...0,2A，5%）； 12V（0,1...1A，7%）。 IP 是从与前面描述的设备相同的节点构建的。 主通道 (5 V 3 A) 中的输出电压使用 DA1 芯片上的受控参考电压源进行稳定。 电阻器 R13-R15 上的分压器的部分输出电压被馈送到控制输入（引脚 17）。 当该电压超过2,5V时，阳极（2脚）开始有电流流过，光耦U1的LED点亮光电晶体管，流经电阻R5、R7、R9、R10的集电极电流增大。 三极管VT1基极电压由两部分组成：流经变压器T9 I绕组和三极管VT10、VT1的电流在电阻R2、R3两端的压降，以及电阻R7两端的压降。来自光耦合器U1的光电晶体管的电流。 当这些电压之和达到约0,7V时，晶体管VT1打开，晶体管VT2、VT3关闭，脉冲结束。 如果主通道的输出电压由于任何原因超过5V，则光耦合器的光电晶体管打开，电阻器R7两端的电压增加。 由于开路晶体管 VT1 基极的电压是恒定的，因此电阻器 R9、R10 上的压降以及脉冲持续时间都会减少。 结果，输出电压返回到其原始值。 在暂停期间，当来自所有次级绕组的能量转移到相应的负载时，V绕组两端的电压实际上略有变化（由于流过VD11二极管和绕组线的电流变化时，它们两端的压降发生变化） 。 因此，在该时间间隔内，绕组III和IV上的电压变化较小，但比主通道中的变化更大。 因此，仅使用一个反馈，就可以稳定多个通道的输出电压。 如果主通道的电流变化不超过最大值的两倍，则附加通道在恒定负载下的输出电压变化通常不超过5%，这通常是可以接受的。 与之前考虑的 IP 没有其他差异。 从结构上讲，IP 是在尺寸为 110x60 mm 的印刷电路板上制成的，该印刷电路板由厚度为 1,5 ... 2 mm 的双面箔玻璃纤维制成。 印刷电路板图如图所示。 7、晶体管VT3和二极管VD9-VD11从印制导线有法兰的一侧向外安装在板上。 还有一根跳线连接电容C1、C2的公共点和主通道的“负”输出。 在电源的最终组装过程中，将此点连接到安装板的散热器非常有用。 散热器是一个 U 形铝支架，IP 板通过 5 毫米高的塑料圆柱形衬套固定在该支架上。 上述晶体管和二极管的金属法兰通过用 KPT-8 膏润滑的云母垫片与散热器隔离。
热敏电阻 RK1 - TR-10，电流至少为 2 A。微调电阻器 R14 - SP3-38a。 电容器C1、C2——K15-5； C4、C20——K73-17； C6、C7、C9、C10 - K10-62b（原型号 KD-2b）； C8 - K50-29。 电感器L1-L5缠绕在由MP10坡莫合金制成的环形磁芯K6x4,5x140上。 扼流圈 L1、L2 - 与之前考虑的 IP 中的相同。 每个扼流圈 L2-L5 包含 18 ... 20 匝直径为 1 mm 的 PETV 线。 变压器 T1 采用 M10NMS2500 铁氧体 KV-1 磁路制成。 其所有绕组均采用PETV线制成。 绕组 I 包含 140 匝（4 层）直径为 0,28 毫米的导线，绕组 II - 12 匝直径为 0,15 毫米的导线，屏蔽 - 一层匝到匝的同一根导线。 绕组 III 和 IV 包含 13 匝直径为 0,63 mm 的导线，绕组 V - 6 匝由两根相同直径的导线组成。 首先缠绕绕组I，然后屏蔽。 接下来 - 绕组 V，然后同时绕组 III 和 IV（用两根线）。 上弦 II 最后上弦。 每个绕组（或层）都用一层漆布隔离并用BF-2胶水浸渍。 干燥后，将线圈插入磁路，其两半通过 0,3 毫米厚的纸板垫片（也用 BF-2 胶水）粘合，或用作为磁路一部分的特殊夹子固定。 IP 的监管如下。 首先，电阻器 R1 将控制器件的开启电压设置为 10 ... 10,5 V。之后，标称负载连接到 IP 的输出，通过保险丝提供 220 V 的输入电压，用于电流14A，主通道电压通过电阻R5设置为XNUMXV，附加通道电压自动设置。 IP 也可以用于单通道版本。 那么它应该是反馈所涵盖的主要内容。 所考虑的电源的设计使得在操作期间它们必须安装在某种外壳中，例如，安装在受电设备的外壳内。 最后一个所考虑的 IP 也应通过电流为 1 ... 3 A 的 VP4 保险丝连接到网络。 还应该注意的是，当所有描述的 MT 空载导通时，具有参数稳定功能的通道的输出电压可能会显着超过标称值，因此，如果在操作期间可能出现这种情况，则需要将齐纳二极管与向输出端施加高于额定输出的 0,7 ... 1 V 稳定电压，或使用阻值为额定负载电阻 25 ... 50 倍的电阻器。 由于在最后一个 IP 中，所有通道都是电隔离的，因此任何输出引脚都可以共用。 所描述的IP在两个版本中长期使用：三通道为Sinclair计算机供电，输出参数为+5 V 12 A； +1V 12A； -0,2 V 18 A 和单通道，用于在工作模式和内置电池充电模式下为笔记本电脑供电，电压为 2 V，电流为 XNUMX A。 与“品牌”IP 的操作相比，计算机的操作没有出现任何故障、显示器屏幕干扰或任何其他差异。 作者：A.Mironov, Lyubertsy, 莫斯科州
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