Универсальный модульный источник питания SPS - версия 2

Список разделов РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Источники питания и цифровая техника

Описание: Конструкции любых блоков питания, источников тока для любых назначений. Микроконтроллеры и все, что с ними связано
Модераторы: Алаев Ян, poty

  • 1

#1 Алаев Ян » 26 января 2017, 16:04

Универсальный модульный источник питания SPS - Simple Power Supply
Авторская разработка Владислава Потапова ("poty")

Источник питания (блок питания) рекомендован к применению в звуковоспроизводящей технике высокого класса. В нем оптимально реализовано подавление пульсаций и помех. Отсутствие импульсных преобразователей, высокая степень фильтрации и стабилизации напряжения, а так же гибкость и универсальность в использовании позволяют применять его в различных схемах, начиная от дежурных блоков питания и заканчивая высокостабильными линейными блоками питания для аппаратуры классов Hi-Fi и High-End.

1.JPG
Модуль трансформатора и выпрямителей
2.JPG
Модуль трансформатора и выпрямителей


Меры предосторожности:
Спойлер
В блоке питания присутствует опасное для жизни и здоровья сетевое напряжение 110/220В переменного тока. При сборке и наладке блока питания необходимо проявлять крайнюю осторожность. Все работы должны выполняться квалифицированным техником. Во избежание поражения током или возгорания не подвергайте его воздействию дождя или влаги.

В устройстве присутствует высокое напряжение!
Будьте осторожны при работе с высоким напряжением, соблюдайте правила работы с электрическими цепями.


SPS собирается на базе двух печатных плат*:
Transformer and Rectifier.jpg
Плата трансформатора и выпрямителей
Filters and Regulator.jpg
Плата фильтров и регуляторов

* - дополнительно набор может содержать металлический экран из магнитной стали для исключения наводок от трансформатора и дросселей на другие элементы схемы, включая платы фильтров и регуляторов.

Габаритные размеры плат: 120 х 60 х 1.5 мм.
SPS.png
Габаритные размеры плат

SPS.frw
Размер: 35.61 КБ
Скачиваний: 22
SPS.dwg
Размер: 365.72 КБ
Скачиваний: 17
SPS.dxf
Размер: 739.96 КБ
Скачиваний: 17
SPS.cdr
Размер: 12.58 КБ
Скачиваний: 18


Принципиальная схема модулей:
image1.jpeg
Принципиальная схема модулей SPS


Содержание:
Спойлер
1. Отличия версий /viewtopic.php?f=79&t=313&p=13649#p13663
2. Порядок сборки модуля трансформатора и выпрямителей /viewtopic.php?p=13832#p13832
3. Новая партия экспериментальных трансформаторов /viewtopic.php?f=16&t=313&p=16824#p16824
4. Тестирование модуля накала на ТПГ-32 /viewtopic.php?f=16&t=313&p=18686#p18686
5. Результаты испытаний с входной емкостью 470 мкф /viewtopic.php?f=16&t=313&p=18841#p18841
6. В поисках "холодного" диода /viewtopic.php?f=16&t=313&p=18923#p18923
7. Все готово для проведения повторного эксперимента! /viewtopic.php?f=16&t=313&start=20#p19039
Стремление к совершенству рождает шедевры! http://www.alaev.org
Алаев Ян
Автор темы, Основатель Форума
Аватара
Возраст: 34
Откуда: Саратов
Репутация: 63 (+63/−0)
Лояльность: 177 (+178/−1)
Сообщения: 2284
Темы: 2
С нами: 4 года 6 месяцев


#41 Алаев Ян » 9 августа 2018, 11:28

Файлик для моделирования компоновки модуля SPS с установленными монтажными стойками.

Скриншот 2018-08-09 12.25.50.png


SPS_компоновка.frw
Размер: 39.09 КБ
Скачиваний: 1
Стремление к совершенству рождает шедевры! http://www.alaev.org
Алаев Ян
Автор темы, Основатель Форума
Аватара
Возраст: 34
Откуда: Саратов
Репутация: 63 (+63/−0)
Лояльность: 177 (+178/−1)
Сообщения: 2284
Темы: 2
С нами: 4 года 6 месяцев

#42 Алаев Ян » 10 сентября 2018, 16:14

Вчера выбрал время и, наверное, уже окончательно домучил этот БП...
Если кто не помнит (даже я уже не помню... :-) ) то я все подбираю оптимальные режимы работы то трансформатора, то диодов, то радиаторов, то пульсаций и так далее, в общем, из этого БП получился хороший тренировочный образец.

2018-09-09 23.10.04.jpg
Общий вид


Немножко мыслей применительно к модулю трансформатора и выпрямителей, скажем так, небольшой вывод.
1. Понравилась идея установки RC-цепочки для демпфирования обмотки трансформатора и помех переключения диодов. Я эту методику многократно проверил на разных трансформаторах и схемах и результат всегда радовал, где-то ранее по тексту можно найти и соответствующие осциллограммы, поэтому здесь однозначное ДА и для дальнейших схем.
2. Трансформаторы ТПГ от Трансвит зарекомендовали себя очень хорошо, я испытывал около десятка разных моделей их производства и ни с одним из них проблем не было, ни гудений, ни вибраций, ничего плохого в их адрес не могу сказать, все работают на ура. Единственным огорчением стало известие, что больше с частниками они не работают, продажи возможны только ИП или ООО. Выход, конечно, найдем, но это дополнительное неудобство. Выходное напряжение трансформатора 12В переменки немного избыточно для последующего стабилизатора накала на 6.3В, но зато это стандартное напряжение, на которое можно заказать трансформатор без наценки за спецзаказ. 9В переменки недостаточно для стабилизатора накала на 6.3В, поэтому в будущем планирую использовать либо трансформаторы со стандартным напряжением 12В, либо сделанные под заказ напряжением порядка 10.5-11В.
3. Дальше у нас идут балансные резисторы/конденсаторы/индуктивности (универсальное посадочное место). Работа с индуктивностями в целом мне не очень понравилась, скорее всего это связано с тем, что мои рабочие токи сильно выше тех токов, на которые изначально были закуплены индуктивности, поэтому почти всегда они входили в насыщение и становились отличными источниками тепла. Установка конденсаторов на эти посадочные места приводила к весьма ожидаемому результату, скажем так, блок питания как блок питания, ничего особенного, можно использовать в тех цепях, где требуется нестабилизированное напряжение с хорошей фильтрующей емкостью. Больше всего мне понравилась идея установки керамических цементных резисторов с радиальными выводами. Я устанавливал их номиналом 0,5 Ом и полагал, что этого будет недостаточно, но, учитывая показания тепловизора, понял, что в моих условиях применений это самый оптимальный номинал. Резистор уже достаточно горячий, но не настолько, чтобы переживать за его сохранность. Установка резисторов снижает импульсные токи, облегчает режимы работы выпрямительных диодов, лучше "развязывает" от выпрямительного трансформатора. В целом, я считаю, что включение ограничительных резисторов номиналом 0,5 Ом самое интересное решение в моих условиях применения данного БП.
4. Дальше у нас идут выпрямительные диоды, для себя решил, что точно не сторонник диодов в корпусах DO-15, DO-41 для режима выпрямления накалов ламп. Да, эти диоды работают, но их кристаллы раскаляются так, что внутри очень жарко. Результаты их работы под глазом тепловизора тоже есть где-то ранее по тексту. Для себя я выбрал диоды Шоттки VS-20TQ045-N3, которые показали себя очень хорошо в моих экспериментах, правда и корпус у них TO-220 и прямое падение напряжения у них одно из самых маленьких для подобных применений. В общем, к ним у меня претензий тоже нет.

Несколько фоток рабочего процесса.
2018-09-09 23.39.21.jpg
Модуль трансформатора и выпрямителей
2018-09-09 23.39.30.jpg
Модуль трансформатора и выпрямителей


продолжение следует...
Стремление к совершенству рождает шедевры! http://www.alaev.org
Алаев Ян
Автор темы, Основатель Форума
Аватара
Возраст: 34
Откуда: Саратов
Репутация: 63 (+63/−0)
Лояльность: 177 (+178/−1)
Сообщения: 2284
Темы: 2
С нами: 4 года 6 месяцев

#43 poty » 11 сентября 2018, 0:22

Алаев Ян писал(а):Трансвит ... больше с частниками они не работают
"И ты, Брут!" :-( Только свет забрезжил...
Я считаю, что эта пара плат имеет право на жизнь, но, к несчастью, за кажущейся простотой не видно удобства. Наверное, нет "вишенки". Проблема, всё-таки, в том, что изначально конструкцию затачивали под двухканальность, под существующую конструкцию трансформаторов.
Я не очень понимаю любовь к ТО-220, хоть сам часто эти корпуса использую, потому что очевидно, что использовать конструкцию для тока больше 1,5А на канал вряд ли разумно (хотя бы с точки зрения предельной мощности трансформатора), хотя и возможно. 1,5А даже на 0,7В - это в районе ватта рассеяния, пусть используем коэффициент х2 - 2Вт. Это - не критичный уровень.
Но стоит признать, что вторая версия должна быть более "красивой".
Владислав
poty
Профи
Профи
Аватара
Возраст: 52
Откуда: Россия, Москва
Репутация: 79 (+79/−0)
Лояльность: 42 (+43/−1)
Сообщения: 3217
Темы: 1
С нами: 4 года 5 месяцев

#44 Алаев Ян » 12 сентября 2018, 11:17

2018-09-09 23.12.18.jpg
Общая картина распределения температур


2018-09-09 23.13.32.jpg
Распределение температур на модуле трансформатора и выпрямителей


По последнему снимку видно, что основное тепло на себя отобрали балансные резисторы (0.5 Ом 5Вт). Для данного типа резисторов (керамические цементные) работа при такой температуре не представляет опасности и вреда. Температурный режим работы выпрямительных диодов очень хороший, даже в условиях подогрева от близко расположенных балансных резисторов - диоды не более, чем теплые.

Будем считать, что с модулем трансформатора и выпрямителей мы закончили, я получил все необходимые данные для различных применений этого модуля в различных проектах.

Вот так выглядит температурное распределение внешних балансных резисторов, которые необходимы для того, чтобы понизить избыточное напряжение до регулятора, который находится на модуле стабилизаторов.

2018-09-09 23.14.50.jpg
Внешние балансные резисторы


Внешние балансные резисторы - это плата за использование трансформатора со стандартным выходным напряжением 12В. Ранее я уже писал об этом, что приходится либо гасить избыточное напряжение и воспользоваться возможностью купить трансформатор по низкой цене, либо можно обойтись без балансных резисторов, но придется переплатит с коэффициентом х2 за трансформатор с нестандартным питающим напряжением, которое требуется порядка 10.5-11В для моих условий применения.
На фрезерном ЧПУ я сделаю печатную плату для балансных резисторов и красиво размещу их в корпусе устройства. В данный момент там применены резисторы 0,51Ом 10Вт, найденные где-то в старых запасах.

Скриншот 2018-09-12 11.48.59.png
Схема ПП с балансными резисторами
Скриншот 2018-09-12 11.45.47.png
3D-вид печатной платы
Скриншот 2018-09-12 11.48.36.png
Top
Скриншот 2018-09-12 11.48.48.png
Bottom


Можно, конечно, поставить огромный радиатор на модуле стабилизаторов, который будет рассеивать всю избыточную мощность в тепло, но я предпочитаю максимально распределить тепло по узлам, чтобы минимизировать нагревы локальных участков модулей, именно поэтому часть мощности рассеивается на балансных резисторах модуля трансформатора и выпрямителей, часть тепла рассеивается на внешних балансных резисторах, а к модулю стабилизаторов подводится напряжение, минимально необходимое для его работы (с учетом худших условий эксплуатации, а именно, мы задаемся допуском 10% для сетевого питающего напряжения, которое определяет нам минимальное рабочее напряжение в 198В, и уровнем пульсаций, определяемым фильтрующими емкостями и током нагрузки). В нашем случае в модуле стабилизаторов мы применили LD1084V - LDO-стабилизатор с низким падением напряжения (по datasheet не более 1.5В при токе 5А). Поэтому, учитывая, что выходное напряжение стабилизации накалов у нас составляет 6.3В, входное напряжение с учетом пульсаций и минимального входного сетевого напряжения не должно быть ниже 8В (с небольшим запасом). Поскольку для подбора выходного напряжения с модуля трансформатора и выпрямителей использовались резисторы стандартных номиналов (0,47 Ом, 0,51 Ом, 1 Ом и так далее), то ближайшим значением сопротивления, которым удалось максимально приблизиться к поставленному уровню напряжения стало сопротивление 0,51 Ом, обеспечивающее входное напряжение до регулятора порядка 8.4В. Эксперименты с входной емкостью показали следующие результаты - приблизительно с 2200 мкФ удается добиться необходимого входного напряжения для модуля стабилизаторов, но при этом размах пульсаций составляет несколько вольт и совсем нет запаса на старение конденсатора и его высыхание с течением времени, сопровождающееся уменьшением емкости и выходу модуля стабилизаторов за допустимые режимы работы. Поэтому, после ряда проведенных испытаний, входную емкость было решено поставить 10 000 мкФ, это уменьшило входные пульсации до уровня не более 500 мВ и обеспечило хороший запас емкости на будущее старение конденсатора. Так же данный уровень пульсаций позволяет использовать емкость на рабочее напряжение 16В, в то время как конденсатор с меньшей емкостью выходит за данный диапазон и требуется применение конденсаторов с рабочим напряжением не менее 25В. Выходные пульсации после стабилизатора напряжения находятся за пределами чувствительности осциллографа и неразличимы на общем уровне его шумов.

Ниже привожу снимки тепловизором модуля стабилизаторов напряжения

2018-09-09 23.15.08.jpg
Стабилизатор напряжения
2018-09-09 23.15.50.jpg
Стабилизатор напряжения


Принципиальная схема модуля стабилизаторов обсуждалась ранее по тексту. Опорное напряжение стабилизаторов задается с помощью TL431. Из доработок только установка емкостей 1000 мкФ@16В для обеспечения плавной подачи питающего напряжения на цепи накала. Время задержки порядка 10-15 секунд (схема и файл моделирования где-то выше по тексту).

2018-09-09 23.39.10.jpg
2018-09-09 23.38.47.jpg


При желании, можно применить охлаждающие радиаторы чуть большего размера, что понизит температуру модуля стабилизаторов еще сильнее. В данный момент установлены весьма малогабаритные радиаторы.
Стремление к совершенству рождает шедевры! http://www.alaev.org
Алаев Ян
Автор темы, Основатель Форума
Аватара
Возраст: 34
Откуда: Саратов
Репутация: 63 (+63/−0)
Лояльность: 177 (+178/−1)
Сообщения: 2284
Темы: 2
С нами: 4 года 6 месяцев

Пред.

Вернуться в Источники питания и цифровая техника



Кто сейчас на форуме (по активности за 5 минут)

Сейчас этот раздел просматривают: 1 гость

cron