Трансформаторный линейный блок питания на 13,8V и 20A со стабилизатором на мощных MOSFET транзисторах

Аватара пользователя
AZM.SU
Сообщения: 136
Зарегистрирован: 17 окт 2019, 21:00
Город: Новосибирск
Благодарил (а): 29 раз
Поблагодарили: 34 раза

Трансформаторный линейный блок питания на 13,8V и 20A со стабилизатором на мощных MOSFET транзисторах

Сообщение AZM.SU » 18 окт 2019, 23:21

Задача получения мощного стабилизированного и главное не "шумного" питания встаёт перед каждым, кто приобретает себе более-менее вменяемый аппарат зарубежного производства, особенно, если работать предполагается на КВ диапозонах.
Прикупив себе Yaesu FT-857 для прослушивания эфира и нагрева эквивалента нагрузки, я озадачился блоком питания для аппарата. Если на УКВ, на 446МГц не сильно портят картину шумы от импульсного блока питания, то на 27МГц и тем более ниже, резкие фронты и спады мощных импульсов в импульсных блоках питания уже портят "картинку" даже если сильно помучаться, всё экранировать и по входу/выходу блока питания повешать LC фильтры.
Решено было сделать линейный блок питания на старом добром БЖТ (большом железном трансформаторе), но в качестве мощного элемента стабилизатора применить мощные силовые MOSFET транзисторы, заставив их работать в линейном режиме.

Схему этого блока я переделывал несколько раз улучшая его работу, и вот его финальная схема:
схема блока питания с линейным стабилизатором на мощных MOSFET транзисторах на 13,8 вольта и 20 ампер
схема блока питания с линейным стабилизатором на мощных MOSFET транзисторах на 13,8 вольта и 20 ампер
Как это работает?

Красным отмечена часть схемы, которая отвечает за "плавный пуск", формирует задержку перед включением реле К1, которое замыкает своими контактами резистор на 100 Ом, необходимый для ограничения тока зарядки конденсатора после выпрямителя. 54400мкф это значительная ёмкость, которая в разряженном состоянии практически короткое замыкание и без этой схемы, весь зарядный ток, а фактически полный ток, который может пропустить через себя сетевой трансформатор протекал бы через диоды выпрямителя, от чего даже 40-ка мперным диодам могло бы стать плохо, а при очень хороших диодах и трансформаторе, можно было бы получить "бабах" по сетевому напряжению.

Синим цветом выделен формирователь ещё одной задержки, которая необходима чтобы пока заряжаются конденсаторы выходной стабилизатор не работал, то есть нагрузка была бы отключена, что необходимо для успешного заряда ёмкостей. Если нагрузку подключить сразу, то конденсаторы просто не смогут зарядиться, ведь нагрузка будет просаживать напряжение, а ток будет ограничен резистором по входу, который 100 Ом и в итоге резистор перегреется и задымит.

Зелёным цветом на схеме выделен регулирующий элемент стабилизатора. Он составлен из 4 штук IRFP044N. Из 4 штук потому, что несмотря на заявленные производителем жуткие токи и рассеиваемые мощности, эти транзисторы предназначены для работы в импульсных схемах и рассеить 100 ватт тепла в линейном режиме одному не под силу. Пусть тепловое сопротивление кристалл-корпус транзистора 1W/C, то есть если рассеивать на 1 транзисторе 100 ватт тепла, то корпус будет холоднее кристалла на 100 градусов и это только корпус. Если принять что переходное сопротивление корпус транзистора-радиатор ещё хотя бы 0,5 W/C, а предельная температура кристалла у них 175 градусов, то получится что радиатор не должен нагреваться больше чем до 25 градусов цельсия, а так не бывает даже если обдувать вентилятором, особенно летом!
Итого я решил применить 4 транзистора, но позволить радиатору нагреваться вплоть до 100 градусов (надёжность лишней не бывает, учитывая что транзисторы стоят не так и дорого).

Желтым цветом выделена часть схемы являющаяся выпрямителем-умножителем, необходимым для формирования напряжения используемого для управления выходными транзисторами стабилизатора. MOSFET для полного "открывания" требуют напряжения на затворах порядка 12-15 вольт по отношению к истоку. К истоку! А если на истоке, то есть на выходе стабилизатора уже 13,8 вольта, то на затвор придётся подавать на 15 вольт выше, то есть по отношению к "земле" это будет порядка 30 вольт или чуть больше. По сути это напряжение ограничено лишь максимальным напряжением на котором может работать управляемый стабилитрон TL431, который и является элементом управления стабилизатора, открываясь он снижает напряжение на затворах до тех пор, пока не достингуто напряжение установленное подключенным к нему делителем, в данной схеме это резисторы на 15кОм и 5,1кОм висящие на выходе.

Настройка своидится к установке выходного напряжение подстроечным резистором (тот самый делитель из резисторов 15кОм и 5,1кОм висящие на выходе).

В готовом виде, как и все мои конструкции, это выглядит ужасающе, но работает успешно уже много лет:
DSC_0109.jpg
DSC_0110.jpg
DSC_0111.jpg
DSC_0112.jpg
Собрано у меня это всё в корпусе от какого-то промышленного блока питания, правда он был чахлый, мог выдавать не более 10 ампер.
В моём блоке питания работают два трансформатора на тороидах. В двух трансформаторах нет никакого особого смысла, просто они были у меня в наличии и влезли в корпус.
Кроме того, в моей версии блока питания сбоку как-то там прикручен вентилятор, запускается он через термореле, которое купил в китае, как-то так найти можно "60C 2A термостат нормально разомкнутый"". Реально если жарить на передачу пол часа, то вентилятор запускается, если не жарить то не запускается.

Ещё немного о работе схемы.

Большая часть деталей (биполярные транзисторы) это схема "плавного пуска", то есть что бы плавно зарядить ёмкость в 50 тысяч микрофарад.

Запуск блока питания происходит следующим образом:
Сетевое напряжение на первичную обмотку трансформатора сначала подаётся через резистор на 100 Ом, при достижении на сглаживающем конденсаторе напряжения примерно 15 вольт (определено как напряжение стабилитрона + напряжение открывания транзистора) срабатывает реле и замыкает резистор, так же этот сигнал начинает зарядку конденсатора на 100мкф при достижении на нём некого напряжения (примерно через 2 секунды) перебрасывается вторая часть схемы и разрешает работу стабилизатора пуская ток в нагрузку.
При отключении источника от сети, при падении напряжения на накопительной ёмкости до уровня примерно 11 вольт (задано резистором на 100кОм который определяет гистерезис триггера Шмидта на двух первых биполярах) отпускает реле и почти мгновенно закрывается стабилизатор.
Стабилитрон в цепи затвора транзистора включающего реле нужен что бы затвор не пробило напряжением выше 15 вольт.
Схема построена так, что стабилизатор не может быть включен если реле ещё не сработало (это необходимо, что бы через резистор на 100 Ом мощностью всего 10 ватт не пошел основной ток потребления, что вызвало бы много дыма и шума).

Выбирая трансформатор для блока питания, нужно помнить:
напряжение на входе стабилизатора (на сглаживающем конденсаторе) должно быть по крайней мере на 0,2 вольта больше выходного при максимальном токе нагрузки (лучше больше на 0,5 вольта), иначе стабилизатор выйдет из режима стабилизации и перестанет сглаживать пульсации.

Если потребуется ввести защиту, например от КЗ, то подавая лог1 на базу транзистора который замыкает затворы силового элемента (на схеме отмечено +V=OFF) можно безболезненно и не навязчиво отключать выходное напряжение.
Защиту от КЗ можно сделать, включив токовый шунт в разрыв +13.8V и применив rail-to-rail операционник или аналоговые входы микроконтроллера.

Если будут вопросы - спрашивайте. Всегда рад ответить.

P.S. Прошу прощения за коряво нарисованную схему, обычно я вообще схемы не рисую, а собираю сразу "из головы", по этому не имею специализированных программ для рисования схем.

R2AON
Сообщения: 57
Зарегистрирован: 13 окт 2019, 19:30
Откуда: Москва
Позывной: R2AON
Благодарил (а): 10 раз
Поблагодарили: 22 раза

Трансформаторный линейный блок питания на 13,8V и 20A со стабилизатором на мощных MOSFET транзисторах

Сообщение R2AON » 19 окт 2019, 00:39

Я для питания трансивера использую БП по схеме от UA3VFS, всем она хороша. И простая, и КЗ не боится. Причем при КЗ отключает выход просто, а не начинает работать в режиме ограничения тока выдавая ток 20А и жаря транзисторы.

Еще очень желательно для любого линейного бп - добавление на выход тиристорной защиты. Гуглится как Thyristor crowbar. Перед ней ставится предохранитель, и в случае пробоя силового транзистора БП и попытке вбахать в трансивер полное напряжение батареи конденсаторов которая сразу после диодного моста тиристор откроется и намертво закоротит выход, спалив предохранитель, и может быть даже сам сдохнет) Но главное что это отключит трансивер от опасного напряжения тем самым спасая его
Вложения
BP13.jpg


Аватара пользователя
AZM.SU
Сообщения: 136
Зарегистрирован: 17 окт 2019, 21:00
Город: Новосибирск
Благодарил (а): 29 раз
Поблагодарили: 34 раза

Трансформаторный линейный блок питания на 13,8V и 20A со стабилизатором на мощных MOSFET транзисторах

Сообщение AZM.SU » 19 окт 2019, 02:01

R2AON, в моей схеме сам стабилизатор не сложнее, а вот ограничитель пускового тока и формирователь задержки включения, это большая часть схемы. Если к схеме, которую вы привели добавить эти узлы она станет тоже не такой простой, а без них, тыркать в сеть трансформатор с КЗ по вторичке, наверно не совсем хорошая идея (а ёмкости в 100 тыс мкф это КЗ на некоторое время).

Защита от выгорания ключей, наверное нужна. Защита по току наверное тоже.
Наверное - потому, что лично я аппараты к блоку питания не тыкаю какие попало, а от явного перехлёста проводов спасёт 40А предохранитель.
В целом у меня этот блок питания работает уже больше 10 лет без нареканий.

Ещё момент, в схеме, которую вы привели в регулирующем элементе указаны 2 штуки КТ819Г, максимально допустимый постоянный ток коллектора которых 10А, а импульсный 15А, мощность рассеивания максимальная 60 ватт, у транзисторов в моей схеме (IRFP044N) максимальный ток стока 37А и это при 100 градусах на кристалле, при 25 градусах 53А, максимальная рассеиваемая мощность 120 ватт и я их применил 4 штуки по причинам, которые описал в первичном сообщении. Кроме того, так как MOSFET транзисторы управляются напряжением, а не током, как биполярные и допускают параллельное включение, то их можно повешать и 5 и 10 штук при этом энергии на их управление больше не потребуется.
Ещё плюс MOSFET в качестве регулирующего элемента проистекает из малой энергии нужной для управления ими: единственные детали, которые греются в моей схеме, это транзисторы регулятора, те самые 4 штуки, всё остальное потребляет милливатт или меньше и всегда холодное, значит нет причин для деградации и выхода из строя.
В общем это вопросы надёжности. Я всегда выбираю жирнее :)

R2AON
Сообщения: 57
Зарегистрирован: 13 окт 2019, 19:30
Откуда: Москва
Позывной: R2AON
Благодарил (а): 10 раз
Поблагодарили: 22 раза

Трансформаторный линейный блок питания на 13,8V и 20A со стабилизатором на мощных MOSFET транзисторах

Сообщение R2AON » 19 окт 2019, 02:34

AZM.SU писал(а):
19 окт 2019, 02:01
2 штуки КТ819Г, максимально допустимый постоянный ток коллектора которых 10А, а импульсный 15А, мощность рассеивания максимальная 60 ватт
Тут ошибочка, транзисторы у меня стоят 819ГМ. Думаю и по схеме само собой ГМ имелось ввиду.
Защита там вообще гениальная - начинает работать схема после зарядки выходной емкости через R1 VD1, при том силовой транзистор в это время закрыт. При КЗ та же ситуация - напряжение на выходе садится, через закороченный выход течет ток только от этой цепочки!
А с плавным пуском я особо не парился, термистор как в импульсниках поставил и хватит. А вообще с плавным пуском у вас чего-то заморочено все, можно было по сети все то же самое как у вас сделать, т.е. резистор ом 100 и параллельно контакты реле. Обмотка же реле на выход БП, там где уже 13.8. Получается, пока на выходе не появится пороговое для сработки реле напряжение, БП будет подключен через 100 Ом резистор. А там уж от работы БП зависит - рядовое реле при 8 вольтах щелкнет, то есть все таки какой-то бросок тока получится, но можно и этого избежать, сделав задержку появления опорного напряжения, что в свою очередь замедлит появление напряжения на выходе

Аватара пользователя
AZM.SU
Сообщения: 136
Зарегистрирован: 17 окт 2019, 21:00
Город: Новосибирск
Благодарил (а): 29 раз
Поблагодарили: 34 раза

Трансформаторный линейный блок питания на 13,8V и 20A со стабилизатором на мощных MOSFET транзисторах

Сообщение AZM.SU » 19 окт 2019, 02:44

R2AON, хорошо, 819ГМ, 15 ампер постоянного и 20 импульсного, против 37 и 53, 100 ватт рассеиваемой против 120.

Что касается задержки, то вот совсем нет проблем, если надо убрать "лишние детали" из моей схемы и уподобиться китайцам, типа было слишком много деталей, мы 80% выкинем, тоже ведь работает, то смело лишние детали можно выбросить, то есть все узлы отвечающие за задержку, реле тоже выкинуть, вкорячить термистор и нормааААААаально же! :)

Дело то личное.

P.S. Надесь вы понимаете, что перед тем как разрабатывать себе блок питания я изучил все имеющиеся на тот момент другие разработки, включая схему которую вы привели. И по тем или иным соображениям разработали именно эту схему. Впрочем, если очень хочется в теме с моим проектом обсуждать чужую разработку, даже не вашу, то я за вас только рад.

r6lch
Сообщения: 4
Зарегистрирован: 14 окт 2019, 00:23
Благодарил (а): 1 раз
Поблагодарили: 1 раз

Трансформаторный линейный блок питания на 13,8V и 20A со стабилизатором на мощных MOSFET транзисторах

Сообщение r6lch » 19 окт 2019, 08:11

Два раза собирал эту схему работает очень хорошо и ток хороший держит!
Вложения
Документ.rar
(70.32 КБ) 442 скачивания
ps_modul2.gif
Модуль стабилизатора напряжения-.jpg
Модуль стабилизатора напряжения.jpg

R2AON
Сообщения: 57
Зарегистрирован: 13 окт 2019, 19:30
Откуда: Москва
Позывной: R2AON
Благодарил (а): 10 раз
Поблагодарили: 22 раза

Трансформаторный линейный блок питания на 13,8V и 20A со стабилизатором на мощных MOSFET транзисторах

Сообщение R2AON » 19 окт 2019, 15:33

AZM.SU писал(а):
19 окт 2019, 02:44
Впрочем, если очень хочется в теме с моим проектом обсуждать чужую разработку, даже не вашу, то я за вас только рад.
Окей, дело ваше. Не хотите обсуждать другие схемы и заимствовать из них хорошие решения - не надо. Сидите в углу со своей.
Тем более, авторство себе я не приписывал, на самой схеме и в сообщении 100 раз было написано что она от UA3VFS)

Аватара пользователя
AZM.SU
Сообщения: 136
Зарегистрирован: 17 окт 2019, 21:00
Город: Новосибирск
Благодарил (а): 29 раз
Поблагодарили: 34 раза

Трансформаторный линейный блок питания на 13,8V и 20A со стабилизатором на мощных MOSFET транзисторах

Сообщение AZM.SU » 19 окт 2019, 15:43

R2AON, повторюсь: прежде чем начать сборку своего блока питания и одновременно разработку его схемы я изучил все имеющиеся на тот момент (2008 год) другие разработки по этой теме.
Хотите обсудить со мной другие разработки, создайте тему по той разработке, а не плодите оффтопик. Банхаммер по вам плачет, рыдает просто :)
Причём оффтопик зверский, то есть ладно не по моей разработке, как бы без разницы, но нет же, даже глобально пыжите схему со стабилизатором на биполярах в тему "со стабилизатором на мощных MOSFET транзисторах". Если вы не отличаете биполярные транзисторы от полевых или не знаете что означает "MOSFET", то это печально.

Аватара пользователя
AZM.SU
Сообщения: 136
Зарегистрирован: 17 окт 2019, 21:00
Город: Новосибирск
Благодарил (а): 29 раз
Поблагодарили: 34 раза

Трансформаторный линейный блок питания на 13,8V и 20A со стабилизатором на мощных MOSFET транзисторах

Сообщение AZM.SU » 19 окт 2019, 16:27

R2AON писал(а):
19 окт 2019, 15:33
Не хотите обсуждать другие схемы и заимствовать из них хорошие решения - не надо.
Давайте обсудим!
Обсуждение мощных линейных стабилизаторов (регулирующий элемент на биполярных транзисторах или на MOSFET?)

Yuri
Сообщения: 19
Зарегистрирован: 14 окт 2019, 22:31
Город: Псков
Поблагодарили: 3 раза
Контактная информация:

Трансформаторный линейный блок питания на 13,8V и 20A со стабилизатором на мощных MOSFET транзисторах

Сообщение Yuri » 28 окт 2019, 17:23

AZM.SU, добрый день. началь читать статью и остановился...много лирики и нет логики...если есть желание обсудить, предлагаю на форуме (очень долго), по почте (E-mail) а лучше по Skype (jmilovanov).

Ответить

Вернуться в «Трансформаторные и линейные»