Обратноходовой источник питания 5 В с входным напряжением 85-260 В AC

Hesam Moshiri, Радиолоцман №3-4/2024, ст.115

Ключевой частью любого электронного устройства является блок питания. Любая нестабильность или неисправность блока питания приводит к тому, что устройство пере­стает работать или демонстрирует странное поведение. В этой статье я представил им­пульсный AC/DC обратноходовой источник питания, преобразующий переменное напря­жение 85-260 В в постоянное напряжение 5 В при токе нагрузки до 2.5 А, который можно использовать в различных приложениях. Выбор выходного напряжения 5 В удобен для линейных регуляторов, преобразующих 5 В в более низкие напряжения.

Максимальная выходная мощность этого блока питания составляет около 12 Вт, что означает, что он способен обеспечить ток 2.5 А при выходном напряжении 5 В. Микросхема контроллера DK1203 не нуждается ни во внеш­нем питании, ни в пусковом резисторе, ни во вспомогательной обмотке трансформатора. Ферритовый сердечник трансформатора — EE20. Потенциометр позволяет регулировать выходное напряжение и устанавливать его точно на уровне 5.0 В. Я проверил плату на предмет падения напряжения, отдаваемого тока и выходных пульсаций .Для выполнения всех тестов я использовал нагрузку постоянного тока Siglent SDL1020X-E и осциллограф Siglent SDS2102X Plus. Я уверен, что создание этой схемы расширит ваши знания в области про­ектирования импульсных источников пита­ния, за исключением случаев их использова­ния в реальных приложениях.

Технические характеристики

• Входное напряжение: 85-265 В AC;
• Выходное напряжение: 5 В DC;
• Максимальный выходной ток: 2.5 А;
• Максимальный выходной ток (непрерыв­ный): 2 А;
• Пульсации выходного напряжения (без нагрузки): 1.5 мВ (с.к.з.), 4 мВ (пик-пик);
• Пульсации выходного напряжения (при нагрузке 2 А): 3 мВ (с.к.з.), 25 мВ (пик-пик);
• Максимальное падение напряжения (при нагрузке 2 А): 50 мВ;
• Тип трансформатора: EE20.

Описание схемы

На Рисунке 1 показана принципиальная схема импульсного источника питания. Как видно, микросхема контроллера — это DK1203. P1 — это входная клемма для входа пере­менного напряжения. F1 — небольшой предо­хранитель на 500 мА, а R1 — варистор 7D741 для поглощения высоковольтных бросков напряжения. Конденсатор C2 емкостью 100 нФ, предназначенный для снижения высокочастотных помех, должен быть класса X2. T1 — это синфазный дроссель. Сетевое напряже­ние выпрямляется мостовым выпрямителем MB6M компании Vishay (BR1) и сглаживается конденсатором C3 емкостью 22 мкФ/400 В.

Элементы R2, C4 и D2 относятся к снаб­берной цепи, предназначенной для гашения помех переключения. D2 — диод с быстрым восстановлением RS1M в корпусе SMA. Кон­троллер импульсного преобразователя типа DK1203. Оптопара OP1 типа PC817 обеспе­чивает интерфейс с контроллером IC1 для измерения выходного напряжения и его ста­билизации. REF — шунтовой регулятор TL431 для стабилизации выходного напряжения и передачи любых флуктуаций на оптопару.

Выходное напряжение выпрямляется диодом Шоттки D1 типа SS54 в корпусе SMC. Элементы C5, C5, C7 и L1 используют­ся для снижения выходных пульсаций. Резистор R4 сопротивлением 470 Ом, обес­печивающий предварительную нагрузку для стабилизации выходного напряжения, дол­жен быть типоразмера 1206. 3-милли­метровый зеленый светодиод D3 индициру­ет правильную работу источника питания. Конденсаторы C8 и C9 снижают уровень высокочастотных помех. Контрольная точка VT (один штыревой контакт) позволяет использовать мультиметр для измерения выходного напряжения, чтобы с помощью потенциометра R11 установить точное зна­чение 5.0 В.

USB — это разъем USB Type-C USB4135 для подключения кабеля USB Type-C, питаю­щего внешние устройства.

Разводка печатной платы

Разводка печатной платы импульсного источника питания показана на Рисунке 2. Это двухслойная печатная плата, в которой я использовал смесь компонентов для монта­жа на поверхность и в отверстия.

Трансформатор

Чтобы собрать трансформатор, выполни­те, пожалуйста, следующие действия. Снача­ла подготовьте эти материалы:

• Сердечник: феррит EE-20-10-6;
• Первичная обмотка: 2.88 мГн (124 витка провода 0.2 мм);
• Зазор: приблизительно 0.25 мм (расчетное значение);

• Вторичная обмотка: 6 витков провода 2х0.7 мм (два повода 0.7 мм в параллель);
• Каркас: 5+5, E20.

Обычно сердечники EE (Ш-образные) поставляются без зазора (зазора между двумя рабочими кернами сердечника). Поэто­му, чтобы образовался зазор, приходится оди­наково стачивать средние керны Ш-образного сердечника, но сделать такой зазор точно и намотать трансформатор вручную и без оши­бок сложно.

Простое решение — использовать LCR- метр. Сначала наматываем первичную обмотку и собираем трансформатор (без зазора). Затем измеряем индуктивность пер­вичной обмотки. Естественно, индуктивность будет больше 2.88 мГн. Поэтому нужно сошлифовать средний керн сердечника и создать зазор, затем снова собрать транс­форматор и измерить индуктивность первич­ной обмотки. Таким образом, просто увеличи­вайте зазор и постоянно измеряйте индуктив­ность первичной обмотки, пока она не станет максимально близкой к 2.88 мГн. Небольшое отклонение от 2.88 мГн вполне допустимо и не имеет никакого значения. На Рисунке 3 показаны сердечник EE и зазор. Это простей­ший обратноходовой трансформатор с одной первичной и одной вторичной обмоткой, поэ­тому проблем в этом процессе возникать не должно.

На Рисунке 4 показаны каркас и феррито­вый сердечник. На Рисунке 4 показаны ферритовый сердечник и каркас EF20, а на Рисун­ке 5 — способ намотки трансформатора

Сборка и испытание

Собранная печатная плата показана на Рисунке 6.

Я провел три теста для этого блока пита­ния: измерение падения выходного напряже­ния, нагрузочной способности и выходных пульсаций.

На Рисунках 7 и 8 показано поведение блока питания, сначала без нагрузки, а затем под максимальной непрерывной нагрузкой 2 А. Как подтверждает нагрузка постоянного тока, падение напряжения составляет всего около 50.

Аналогичным образом я протестировал выходные пульсации источника питания сна­чала без нагрузки (Рисунок 9), а затем под максимальной непрерывной нагрузкой 2 А (Рисунок 10). Если выходной диод и дроссель будут сильно нагреваться, с помощью тер­моклея установите на каждый из них небольшой радиатор. Такой радиатор показан на Рисунке 11. VT — это контрольная точка для подключения мультиметра и регулировки выходного напряжения до 5 В. Такое подклю­чение показано на Рисунке 12.