Malý síťový spínaný zdroj
Small switch mode power supply

Tento zdroj jsem použil již ve dvou zařízeních - pro napájení malého FM přijímače a jako nabíječku hermetického olověného akumulátoru. Spínané zdroje se většinou používají až pro větší výkony - ukázalo se však, že může být zajímavé použít je i v malých zdrojích. Zdroj pro malé výkony lze značně zjednodušit, čímž se dále zmenší jeho rozměry a sníží cena. Protože jsem byl příjemně překvapen vlastnostmi zdroje, rozhodl jsem se s ním vás seznámit. Při konstrukci jsem vyšel ze zapojení zdroje z AR B4/94 (str. 147, obr. 5), které jsem upravil. Zapojení zdroje je na obr. 1. Základem zdroje je oscilátor s tranzistorem T1, pracujícím jako jednočinný samokmitající blokující měnič.

Technické údaje

Obr. 1. Malý síťový spínaný zdroj
Fig. 1. Small switching power supply

Popis funkce

Předpokládejme, že tranzistor T1 je právě otevřen. Primárním vinutím V1 transformátoru teče proud, který se zvětšuje. Na pomocném vinutí V2 na primární straně se indukuje kladné napětí, které přes diodu D1 a rezistor R5 otevírá T1. Napětí na bázi T1 je omezeno součtem napětí na D2 a D3, případně součtem napětí na D2 a C5. Dosáhne-li proud tekoucí tranzistorem takové velikosti, že úbytek napětí na rezistoru R6 způsobí přivření T1, zmenší se napětí indukované ve vinutí V2. To dále zmenší kolektorový proud a tranzistor se skokem uzavře. Rychlému uzavření tranzistoru napomáhá záporné napětí, indukované nyní ve V2. Energie nashromážděná v jádře transformátoru ve formě magnetického pole vybudí ve vinutí V3 proud, kterým se přes diody D5 a D6 nabíjejí výstupní kondenzátory zdroje. Po zániku magnetického pole v jádře zanikne i záporné napětí na V2 a tranzistor se otvírá proudem procházejícím rezistory R2 a R3. Kladné napětí, nyní indukované na V2 zajistí rychlé otevření tranzistoru a celý cyklus se opakuje.

V měniči jsem použil tranzistor BUT11AF, i když se pro tento zdroj zdá značně předimenzovaný. Tranzistor je poměrně levný a dosti odolný. Zesilovací činitel je pro malé proudy 20 až 25, což je zcela dostatečné. Menší typy tranzistorů se totiž běžně nevyrábějí na dostatečné napětí (alespoň 500 V). Tranzistor ve zdroji se jen málo zahřívá a nevadí-li jeho vyšší teplota (asi 50 °C), není třeba jej chladit. Dioda D4 spolu s článkem RC R7, C6 omezuje překmity na kolektoru tranzistoru a zmenšuje jeho napěťové namáhání.

Výstupní napětí zdroje je stabilizováno zpětnou vazbou přes optron. Ke stabilizaci jsem použil integrovaný obvod TL431C, jehož popis najdete v AR A5/93, s. 15. Odporový dělič R9/R10 je navržen tak, aby při správném výstupním napětí bylo na vstupu R IO1 napětí právě 2,5 V. Zvětší-li se z nějakého důvodu výstupní napětí, zvětší se napětí na vstupu R nad 2,5 V a výstupní tranzistor v IO se více otevře. Zvětší se proud procházející LED optronu, fototranzistor se více otevře a zmenší napětí na kondenzátoru C5. Tím se zmenší i největší dosažitelné napětí na bázi T1, který se pak překlopí do nevodivého stavu při menším kolektorovém proudu. Energie dodaná do jádra transformátoru je menší, čímž se výstupní napětí vyrovná.

Při zmenšení výstupního napětí (např. při větší zátěži) pracuje regulace obráceně. Největší napětí na kondenzátoru C5 je však omezeno diodou D3. Výkon zdroje je tak omezen na asi 6 W. Při zkratu na výstupu je omezen kolektorový proud T1 a zdroj zkratem nijak netrpí - může trvat libovolně dlouho. Při pokusech se zdrojem jsem odpojil diodu D3. Zdroj pak dával napětí 12 V ještě do zátěže 10 Ohmů, což představuje výkon asi 15 W. Uvážíme-li velikost použitého jádra (EE o délce 19 mm, střední sloupek jen 5 x 5 mm), je to výkon více než úctyhodný. Napětí na C5 dosáhlo 40 V. S odpojenou D3 jsem se neodvážil zdroj zkratovat - protože není kolektorový proud tranzistoru omezen, mohl by se zdroj zničit.

Proud, tekoucí LED optronu, je (podle CTR) asi 5 až 15 mA a se změnou zátěže se jen málo mění. Pouze při velké zátěži, pracuje-li zdroj na „doraz“, se zmenšuje až k nule. Zmenší-li se odpor rezistoru R5 nebo R6, což je nutné pro konstrukci zdroje s větším výkonem, rychle se zvětší proud tekoucí LED optronu, který je nutný pro regulaci napětí. Např. při zmenšení odporu R6 z 27 na 18 Ohm se proud tekoucí LED zvětšil asi třikrát. Zdá se tedy, že toto jednoduché zapojení nelze bez úprav pro větší zdroje použít. Použitá regulace výkonu zdroje je velmi účinná.

Zdroj pracuje od nulové po maximální zátěž bez sklonu k relaxačním kmitům, přičemž výstupní napětí se prakticky nemění. Kmitočet měniče se přitom mění od asi 150 kHz při nulové zátěži po 50 kHz při 6 W.

K dalším součástkám

Měnič je napájen napětím získaným přímým usměrněním napětí sítě. K usměrnění slouží diodový můstek DB1. Napájecí napětí je filtrováno kondenzátorem C3. Kapacita kondenzátoru je pro tak malý zdroj zcela dostatečná. Rezistor R1 omezuje proudový náraz při zapnutí zdroje. Na tomto místě je vhodné použít drátový rezistor, vrstvový se může proudovými nárazy časem přerušit. Ještě lepší by bylo použít speciální termistor - tyto termistory však žádný z prodejců součástek (pokud vím) nenabízí. Kondenzátor C1 zmenšuje rušení působené zdrojem a lze jej většinou vypustit. Naopak, při vypuštění kondenzátoru C2 se podstatně zvětší zvlnění výstupního napětí (brum).

Protože mezi bází T1 a kladným napájecím napětím je rozdíl napětí větší než 300 V, jsou pro buzení tranzistoru použity dva rezistory v sérii (R2 a R3). Zmenší se tak jejich napěťové namáhání. Při nadměrném napěťovém namáhání se může rezistor bez zjevné příčiny přerušit, a to i když je výkon ztracený na rezistoru velmi malý. Diody BA159 použité na sekundární straně zdroje (D5 a D6) jsou vhodné jen pro menší proudy (do 0,5 A). Pro větší proudy (např. zdroj 5 V) použijte např. BY399 nebo ještě lépe Schottkyho diodu. Filtrace výstupního napětí je zlepšena členy L1C9 a L2C10. Tlumivky volíme s co největší indukčností, avšak tak, aby nebyl překročen maximální přípustný proud a s ohledem na odpor vinutí. Potřebné údaje zjistíte např. v katalogu GM electronic. Není-li nutná dokonalá filtrace, lze tyto členy vypustit. Cívky L1 a L2 pak nahradíme propojkou. Filtr odstraňuje zvlnění na vyšších kmitočtech, způsobené činností zdroje. Zvlnění způsobené nedostatečnou filtrací napájecího napětí na primární straně (brum 100 Hz) je potlačeno zpětnou vazbou. Brum je ovšem dokonale potlačen jen na výstupu, z něhož se snímá napětí pro TL431C. Zatížíme-li druhý výstup (v mém případě 7,5 V) větším proudem, objeví se na něm brum, který bude tím větší, čím je vazba mazi vinutími volnější.

Transformátor (obr. 4) je důležitou součástí zdroje a je třeba jej pečlivě navinout. Použitý transformátor jsem získal z vraku zdroje pro počítač PC, kde sloužil původně jako budicí transformátor. Vhodné malé transformátory lze také nalézt ve vracích TV přijímačů nebo počítačových monitorů. Seženete-li transformátor tímto způsobem, bývá problémem jej rozebrat bez poškození jádra. Při rozebírání se mi osvědčil tento postup: Transformátor vložíme do kastrolu se studenou nebo vlažnou vodou a vodu pomalu přivedeme k varu. Epoxidová pryskyřice, kterou je transformátor slepen, změkne a peanem (příp. pinzetou) jádro snadno rozebereme. Celou operaci provádíme ve vroucí vodě, kterou pak - i s jádrem - necháme pomalu vychladnout. Při prudkých změnách teploty hrozí popraskání feritového jádra. Pokud se tak stane, slepíme jej sekundovým lepidlem. Rozebráním použitého transformátoru získáte zároveň vhodnou kostřičku. Použitý transformátor se skládal z E jader o délce 19 mm. Z tuzemských jader (Pramet Šumperk) by byla vhodná jádra E20, E25, EF16, EF 20 a EF 25 z materiálu H21 - viz taktéž AR B4/94. Bohužel jsem je neviděl nikde prodávat.

Obr. 4. Transformátor
Fig. 4. Transformer

Pro zmenšení parazitní kapacity a zvětšení vazby mezi vinutími je primární vinutí rozděleno do dvou částí. Vinout transformátor doporučuji v tomto pořadí: Nejdříve navineme asi polovinu primárního vinutí (V1a). Pak navineme sekundární vinutí (V3a a V3b), dále pomocné vinutí (V2) a nakonec zbytek primárního vinutí (V1b). Vineme pečlivě, závit vedle závitu - ne na „divoko“. Vzhledem k nevelkému počtu závitů to lze celkem snadno zvládnout. Za každou vrstvou následuje proklad - stačí jeden závit lepší lepicí pásky. Pro spolehlivou izolaci použijeme mezi primárním a sekundárním vinutím pro proklad transformátorový papír nebo lakovanou textilní pásku.

Transformátor je navržen pro výstupní napětí 7,5 a 12 V. Pro mírně odlišné napětí (např. 7 až 15 V místo 12 V) stačí upravit odporový dělič R10/R11. Pro jiná napětí změníme úměrně počet závitů sekundárního vinutí. Je třeba si uvědomit, že poměr závitů neodpovídá napájecímu napětí primární strany k výstupnímu napětí, ale poměru napětí, o které překmitne napětí kolektoru T1 (UCEM) napájecí napětí (UCC) v poměru k napětí výstupnímu. U tohoto typu zdroje je optimální překmit napětí na kolektoru T1 80 až 150 V (UP=UCEM-UCC; toto napětí můžeme naměřit na R7). Z tohoto důvodu není také třeba dodržet přesně počet závitů.

Stavba a oživení

Obr. 5. Deska s plošnými spoji síťového spínaného zdroje. Kliknutím získáte obrázek v rozlišení 600 dpi
Fig. 5. Switching power supply PCB layout. Click to get 600 dpi resolution image

Obr. 6. Rozmístění součástek na desce
Fig. 6. Locations of components on the board

Zdroj jsem postavil na desce s plošnými spoji podle obr. 5 a 6. Pokud zůstal vodivý rámeček kolem spojů (obrys desky), je nutné jej opilovat nebo strhnout. Pro zmenšení rozměrů desky jsou rezistory umístěny „nastojato“. Vývody optronu jsou upraveny na rozteč 10 mm pro zvětšení bezpečné vzdálenosti mezi spoji na primární a sekundární straně zdroje. Součástky doporučuji pájet pečlivě, případný cínový můstek mezi některými spoji může mít vážné následky.

Zdroj oživíme nejlépe při menším napájecím napětí. Ideální je zdroj stejnosměrného nebo střídavého napětí asi 30 V s omezením výstupního proudu. Vyhoví většina laboratorních zdrojů, případně použijeme transformátor na 24 V a proud omezíme vhodnou žárovkou (např. 24 V/100 mA). Laboratorní zdroj nebo transformátor zkoušený zdroj galvanicky oddělí od sítě a umožní měřit či odstraňovat závady bez rizika úrazu elektrickým proudem. I závada způsobující zkrat nemívá následky díky omezení napájecího proudu. Aby se zdroj při tak malém napájecím napětí vůbec rozkmital, připojíme paralelně k R2 a R3, tj. od kladného napájecího napětí k bázi T1 rezistor s odporem asi 100 kOhm. Je-li vše v pořádku, objeví se po připojení napájecího napětí na výstupu zdroje napětí. Vzhledem k účinné regulaci a stabilizaci by při nezatíženém zdroji již mělo být na výstupu správné napětí. Je-li vše v pořádku, odpojíme pomocný rezistor a vyzkoušíme zdroj při plném napětí sítě. Pro informaci můžeme změřit odběr zdroje na primární straně. Za tím účelem nahradíme kondenzátor C3 jiným, s kapacitou 1 µF a zdroj napájíme z odděleného usměrňovače. Nevadí-li vám určité estetické znehodnocení desky s plošnými spoji, použijte při měření jeho vlastní usměrňovač. Na vhodném místě přeškrábněte spoj a kondenzátor 1 µF (na 350 nebo 450 V) připájejte k desce ze strany spojů. U měřeného vzorku byl odběr naprázdno asi 3,5 mA, při zatížení zdroje se zvětšil asi na 15 mA.

Obr. 7. Malý síťový spínaný zdroj
Fig. 7. Small switching power supply

Závěr

Po vlastních zkušenostech mohu čtenářům spínané zdroje jen doporučit. Máte-li možnost získat transformátor z nějakého vraku, vyjde popsaný zdroj levněji, než byste zaplatili jen za klasický transformátor pro daný výkon. Kromě nižší ceny dosáhnete i lepší účinnosti při menších rozměrech a hmotnosti zdroje. Praktické zkušenosti navíc ukazují, že rušení způsobené činností zdroje je pro většinu aplikací zcela zanedbatelné. Určitou nevýhodou je nutnost použít transformátor, který musíme sami pracně navinout.

Seznam součástek

Jaroslav Belza

Otisknuto v Amatérském radiu 5/1995 s. 19 pod pseudonymem Vladimír Hejtmánek

11. 7. 2000