Резонансный блок питания своими руками. LLC резонанс

Приветствую, Самоделкины!
Из данной статьи Вы узнаете, как своими руками собрать резонансный преобразователь.

Тема довольно-таки сложноватая, но Роман (автор данной самоделки, YouTube канал «Open Frime TV») постарался объяснить все это максимально простым языком.
Вообще, идея собрать резонансный блок питания, давненько зародилась в голове автора, но постоянно отталкивала мысль о том, что данная топология достаточно сложная. И вот, собравшись с силами, было решено все-таки заняться этим блоком.
Итак, давайте посмотрим, что же представляет из себя данный блок питания.

На первый взгляд он ничем не отличается от обыкновенного шимака, кроме вот этого дросселя:

Вот в нем то как раз и кроется вся прелесть данной топологии. Этот дроссель вместе с конденсатором создают резонансный контур, который способен творить, на первый взгляд, невозможные вещи, но обо всем по порядку.

Теперь по поводу дросселя.

Устанавливать его нужно не всегда. В трансформаторах есть такое понятие, как индуктивность рассеяния.

Это индуктивность, которая появляется вследствие намотки трансформатора и не относится к индуктивности первичной или вторичной обмотки, а выступает как отдельный контур, включенный последовательно с первичной обмоткой.
Ничего не напоминает? Правильно, это похоже именно на тот дроссель, который необходим для создания резонансного контура.
В общем сейчас же нам нужно увеличить индуктивность рассеивания трансформатора. Сделать это можно намотав трансформатор немного непривычным способом, а именно разделив каркас на две части.

На одной из них мотаем первичку, а на другой вторичку. Такое разделение в разы повышает индуктивность рассеяния. Стоит предупредить, что не имея осциллографа и измерителя индуктивности вряд ли получится повторить данный проект.

Интересно в данном блоке питания и то, что форма тока через трансформатор не прямоугольная как шимаках, а синусоидальная.

Такая разница обуславливается работой резонансного контура. Также за счет выброса самоиндукции транзисторы могут переключаться в нуле напряжения, тем самым снижая потери при коммутации и вследствие чего нагрев.
Если контур грамотно настроен, то ключи можно оставить даже без радиатора, так как их нагрев в таком случае минимальный.
Теперь давайте разберем плюсы и минусы такой топологии. Сперва поговорим о минусах.
1. Диапазон выходных напряжений меньше чем у ШИМ. Это обуславливается тем, что регулировка происходит частотой, поэтому получать на выходе широкий диапазон напряжений просто невозможно, так как при выходе из определенной области частоты мы можем просто свалиться в режим переключения при нулевом токе. Или же наоборот, при слишком большом увеличении частоты переведем блок в режим постоянного тока, при котором диоды перейдут в жесткое переключение.
2. В изготовлении и настройке сложнее ШИМ. Чтобы собрать и настроить данный блок питания скорее всего придется провозиться и возможно не один день.

Плюсы:

На изображении ниже представлена схема будущего устройства, давайте ее рассмотрим.

Как видим, тут у нас всем знакомая IR2153. Почему именно она? Все дело в ее простоте. Более продвинутые микросхемы имеют множество защит, которые могут сыграть злую шутку при первом опыте сборки и запуска проекта такого рода. Поэтому для сборки первого резонансного блока питания данная микросхема хороший выбор.

В обвязке самой микросхемы в принципе все стандартно. Стоит обратить внимание только на обратную связь.

Она здесь работает следующим образом: при повышении выходного напряжения (выше напряжение пробоя стабилитрона) происходит засвечивании внутреннего диода, а это в свою очередь приоткрывает транзистор. Когда через него начинает протекать ток, транзистор как бы выступает в роли шунта, соединяющим частотозадающий резистор со вторым резистором.

Таким образом общее сопротивление снижается и соответственно растет частота. Данные диоды необходимы для полноценной работы резистора, так как именно через него происходит зарядка и разрядка частотозадающего конденсатора.

Номинал резистора (изображен со звездочкой) необходимо определить методом подбора в зависимости от минимальной частоты работы.

Таким же образом под конкретную нагрузку подбирается и резистор защиты по току.

Формула расчета представлена на изображении ниже.

Далее можно приступать к изготовлению печатной платы. Здесь автор предлагает 2 варианта. Первый вариант был сделан под меньший сердечник, да и предназначался чисто для ознакомления с принципом работы.

Второй же вариант, это уже более мощная платка, которая позволяет гонять довольно большие токи.

Также автор не советует устанавливать транзисторы и диоды на один радиатор, так как транзисторы начинают нагреваться от диода. Если будете разводить самостоятельно, то не повторяйте эту ошибку.
Далее методом ЛУТ была изготовлена печатная плата и запаяны все компоненты кроме трансформатора, его еще предстоит намотать.

И на последок осталось самое сложное — намотка трансформатора. Это безусловно один из самых сложных моментов в данном проекте. Для расчета трансформатора потребуется программа Старичка (ссылка).
В окне программы вводим необходимые данные такие как, входные/выходные напряжения и мощность. А дальше необходимо подбирать частоту и зазор таким образом, чтобы получить стандартное значение ёмкости конденсатора, так как это единственное на что мы не можем повлиять.

Более подробно о процессе сборки БП, расчета и намотке трансформатора смотрите в оригинальном видеоролике автора:

Итак, каркас намотан, теперь необходимо подобрать зазор. Он подбирается таким образом, чтобы индуктивность первичной обмотки совпадала с расчетным значением полной индуктивности. Для этого пользуемся измерителем индуктивности.

Когда зазор подобран замыкаем все выходные обмотки между собой и замеряем индуктивность еще раз, это и будет как раз индуктивность рассеяния. Если она отличается от расчетной больше чем на 5-10%, то придется начинать сначала и перематывать трансформатор. Это действие будет необходимо повторять до тех пор, пока не угадаете с намоткой.
Когда все готово, запаиваем трансформатор на свое место и на этом сборка завершена.

Немного про компоненты. Входной дроссель был выпаян из старого блока питания, вот из этого:

Второй дроссель выпаян из выходной части старого компьютерного блока питания.

Все готово, можно приступать к тестам. Первое включение самодельного резонансного блока желательно производить от лабораторного источника тока, подав на него не более 30В и запаяв вместо вот этих двух резисторов (смотри изображение ниже), резистор поменьше, Ом на 500.

Также при желании посмотреть, на что способен собранный своими руками резонансный блок питания, можно заменить частотозадающий резистор переменным.

Когда мы близко подбираемся к резонансной частоте, то можно наблюдать резкий скачек выходного напряжение, такое в блоках ШИМ получить невозможно.
Теперь подключим осциллограф и посмотрим, что у нас происходит в контуре.

Как можете наблюдать тут у нас долгожданный синус. Испытание электронной нагрузкой тоже прошло успешно. Во всем диапазоне токов напряжение плюс/минус стабильное, это все потому, что на выходе был применен стабилитрон, а не tl431, с ней результат был бы лучше, но не стоит забывать, что это у нас самый простой блок.

Благодарю за внимание. До новых встреч!

Источник (Source)

Источник: usamodelkina.ru