Блок питания для одно- и трехфазной сети с широким диапазоном входных напряжений на LNK304

Автор: KomSoft, kom_soft@ukr.net
Опубликовано 09.07.2015
Создано при помощи КотоРед.

Для питания маломощной аппаратуры, не требующей гальванической развязки, от сети переменного тока 220В часто применяются бестрансформаторные источники питания с гасящим конденсатором. Их преимущество - простота, минимум деталей и отсутствие моточных изделий (трансформаторов). Недостатки - малый ток, низкий КПД и нестабильность выходного напряжения и тока нагрузки. Пример такого блока показан на рисунке.

Рис. Типовая схема бестрансформаторного источника питания с гасящим конденсатором

Тем не менее они достаточно широко находят применение даже в заводских устройствах. Я вдоволь намучался с реле напряжения РН-40, которое начало чудить после двух лет работы, причина - блок питания, выполненый по варианту а). В более продвинутом РН-40А блок собран уже по варианту б). Затем как приличный кот из семьи радиолюбителей для себя, любимого, я собрал аналогичное устройство на МК - "Устройство защиты от критических изменений сети 220 Вольт" [1], но блок питания сделал уже по варианту б). Затем был собран"Трехканальный вольтметр на контроллере от Eddy71" [2] с запиткой от одной фазы. При установке в трехфазную розетку конденсаторный блок питания с питанием от одной фазы вызывал срабатывание УЗО. Запитка от трех фаз потребовала бы трех габаритных конденсаторов типа 1мкФ*630В и кучи диодов, т.к. для нормальной работы конденсатору нужен двухполупериодный выпрямитель. Опять чувство неудовлетворенности осталось.

Тут в городскую квартиру пришла беда - 380В, а все эти реле напряжения стоят на даче. Чтобы не воевать с ЖЭКом, купил заводские DigiTOP V-protector. Заявленое индицируемое (а значит и рабочее) напряжение 50-400В. Почему-то в интернет читать про них полез уже после покупки и был непрятно удивлен - там также стоит источник питания с гасящим конденсатором [3], выполненый судя по всему по варианту б), хотя я ожидал чего-то более серьезного.

На форумах прозвучала очень разумная фраза о том, что все устройства защиты должны выдерживать максимальное напряжение, чтобы на сгореть самим, а после возврата напряжения в норму снова включить нагрузку. А моя возня с конденсаторными блоками очень сильно уронила уровень доверия к ним.

Теоретическая часть.

Итак, нужен относительно простой, недорогой, компактный блок питания с выходным током до 100-150мА. Блок будет применяться в приборах с изолированым корпусом, не требующих частого контакта с человеком - типа щитовых вольтметров, реле напряжений и аналогичных устройств. (Для устройств, требующих гальваниченкую развязку или больший ток будем применять трансформаторные / импульсные блоки). Современная элементная база предлагает нам серию микросхем LinkSwitch-TN LNK304-306, но у них заявленый диапазон входных напряжений - 85-265VAC. Применение их в источниках питания описано, например в "Недорогой вариант импульсного источника питания для электросчетчика" [4], там же приводится сравнение с конденсаторными блоками.

А нам нужен блок питания со входным напряжением 40-400VAC!

Заинтересовала статья "Устройство защиты от перенапряжения 220В" [5], но два конденсатора по 3,3мкФ*450В это многовато по объему, да и сама входная часть вызвала вопросы, ответов на которые чтение форумов не дало. Первичный поиск радиолюбительских конструкций (т.е. собраных дома своими руками) также ничего не дал.

К счастью, на помощь пришли производители микросхем для источников питания. Более глубокий поиск дал Design Example Report, а именно - технологиию StackFET (добавление последовательно с ключом микросхемы внешнего МОП-транзистора). Статья называется "3 W Wide Range Flyback Power Supply using LNK304P" [6], и она же на русском - "Разработка источника питания с широким диапазоном входного напряжения для промышленной трехфазной сети" [7]. Заявлены параметры: Input: 57 VAC - 580 VAC; Output: 12 V, 250 mA.

Очень круто, но для моих применений слишком сложная (в том числе требует намотки трансформатора), хотя идея прекрасная и есть гальваническая развязка.

Дальнейшие изыскания показали другое решение - "Импульсные источники питания ST для однофазных и трехфазных счетчиков электроэнергии" [8] на VIPer17. Тут заявлено входное напряжение 90…440В, также есть гальваническая развязка (что снова требует намотки трансформатора), но зато для снижения прикладываемого к микросхеме напряжения применено более простое решение - линейный ограничитель-стабилизатор напряжения.

Чтобы избежать излишнего цитирования, выдержки из статей приводить не буду, но категорически советую почитать - познавательно и нужно для понимания вопроса.

Практическая часть.

И вот то, "ради чего все и писалось". Практическая схема бестрансформаторного импульсного блока питания от одно- и трехфазной сети с широким диапазоном входного напряжения.

Скомбинируем эти схемы. Преобразователь возьмем на LNK304 по стандартной схеме из даташита. Добавим к нему линейный ограничитель-стабилизатор напряжения, построенный на N-канальном транзисторе как в [8]. А вот выпрямитель сделаем однополупериодным, чтобы обеспечить прямое прохождение "нуля". Дело в том, что сборка [1] показала, что при отпускании реле (т.е. уменьшении потребляемого тока) измеренное напряжение подскакивает вольт на 10. Скорее всего это происходит из-за изменения падения напряжения на нижних диодах мостового выпрямителя.

Конечно, такая схема не обеспечит функционирование в случае пропадания нейтрали, но для правильности измерения так лучше. Для питания устройства, которое не требует прямой связи с "нулем", нужно использовать полноценную трехфазную четырехпроводную схему выпрямителя на двух мостиках, как в [6]-[8].

Расчет программой PIXls Designer 9 для LinkSwitch-TN LNK304: при VACmin=85V, VACmax=265V, FL=50, topology - Buck,

Расчет Rfb по стандартной формуле (для Vfb=1.65V) дает несколько другие результаты.

Плата разведена под конкретный корпус, поэтому сильно отличается от референсного дизайна, что не сказалось на работоспособности. От 220В (однофазного) запустилась сразу. При номиналах R3=2K, R1+R2=6K5 (4K7+1K8) выдает 6,7В на выходе (по расчетам - 7,01). Для проверки вначале нагружена на резистор 160 Ом (42мА), затем подключен вольтметр [2] с током потребления 36-40мА. С каждой из нагрузок по отдельности и с двумя нагрузками одновременно работает нормально.

Файл с платой не привожу, т.к схема очень простая (посмотрите как изящен референсный дизайн в даташите на LNK304) - развести под свои корпус и детали не составит труда.

Детали.

Все описано в даташите на микросхему [9]. "Любой стандартный дроссель подходит. Рекомендуется на гантельке". Дроссель L2 в целях экономии взят от БП АТХ, L1 - покупной, но я думаю, что при наличии L-метра можно и перемотать на гантельке. Конденсаторы C6-C7 пленочные на напряжение не менее 400В. C5 - на напряжение 400-450В, конденсатор C2 - LowESR, диод D1 обязательно UltraFast (UF4005), остальные диоды - дешевые медленные 1N4005-4007 (падение напряжения на D1 и D2 должно совпадать). Резисторы R1-R3 желательно (но не обязательно) прецезионные, т.к. есть возможность составить из двух. Транзистор Q1 - высоковольтный (2 Ом/600 В).

Испытания.

Испытания проводились на таком полигоне: выход ЛАТРа подключаем к половинке первичной обмотки (т.е. 110В) ТС-180. С полной первички (220В) снимаем напряжение на схему (вторичка ТС-180 не истпользуется). Т.е. ТС-180 включен как автотрансформатор с коэффициентом 1:2.

Выставляем на ЛАТРе 110В - на ТС-180 и входе схемы будет около 220В, на C5 - около 300В. Плавно повышаем, с какого-то момента (около 250-260В на входе блока) напряжение на конденсаторе на C5 застабилизировалось на 350В, что говорит о правильной работе линейного ограничителя-стабилизатора.

Затем подключаем блок напрямую к ЛАТРу и снижаем напряжение. У меня блок работал до напряжения на входе 60В, выдавая стабильное выходное 6.7В. Выход достаточно чистый, пульсации минимальные.

Таким образом диапазон входного напряжения составляет 60-400VAC! Что полностью меня устраивает.

Возможно, будет работать и при более высоком напряжении - не проверял. При более низком, как я понимаю будет зависеть от экземпляра LNK30х, т.к PIXls Designer 9 намекает, что минимальное входное постоянное напряжение должно быть более 70В. Кто сможет более квалифицировано протестировать этот блок - милости прошу!

Микросхемы LNK304-306 позволяют строить блоки с выходным током до 360мА, что недостижимо для источников с гасящим конденсатором, т.к там действует эмпирическая формула - 1мкФ гасящей емкости на 60мА выходного тока. Представьте себе для 360мА пленочный конденсатор 6мкФ*630В!

Да и КПД вместе с потребляемым от сети током впечатляет, даже с учетом возможной погрешности измерения тестером DT-5808

Т.е. у блока на LNK304 потребляемая мощность практически неизменна (как и должно быть), а у конденсаторного - растет с повышением напряжения, т.к. излишки гасятся параллельным стабилизатором (на стабилитроне, транзисторе или тиристоре).

Единственным существенным недостатком является отсутствие гальванической развязки, но для устройств, полностью изолированых от корпуса, это непринципиально. А удорожание конструкции за счет приобретения микросхемы и транзистора полностью компенсируется огромным диапазоном входных напряжений, увеличенным выходным током и стабильным выходом.

Теперь понятие "бестрансформаторный источник питания с гасящим конденсатором" для меня больше не существует.

Внимание! Схема не имеет гальванической развязки с сетью, при тестировании и наладке будьте предельно осторожны!

А вот собственно и трехфазный вольтметр, для которого блок питания и собирался (да, такое вот напряжение на даче по фазам):

 Литература.

1. "Устройство защиты от критических изменений сети 220 Вольт" - https://radioded.ru/skhema-na-mikrokontrollere/ustroystvo-zaschity-ot-kriticheskih-izmeneniy-seti-220-v
2. "Трехканальный вольтметр на контроллере от Eddy71" - https://vrtp.ru/index.php?act=categories&CODE=article&article=2461
3. "Реле напряжения DigiTOP V-protector 40A. Испытания" - https://www.mastercity.ru/forums/elektrika-i-slabotochka/elektrika/t123766-rele-napryazheniya-digitop-v-protector-40a-ispytaniya/
4. "Недорогой вариант импульсного источника питания для электросчетчика" - https://www.qrz.ru/schemes/contribute/power/integrations/10.shtml
5. "Устройство защиты от перенапряжения 220В" https://radiokot.ru/circuit/digital/security/05/ или https://electromost.com/index/0-19, форумы https://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=25&t=95164&p=2237202#p2237202 и https://electromost.com/forum/2-12-3.
6. "3 W Wide Range Flyback Power Supply using LNK304P" - DER-58 datasheet, в интернете.
7. "Разработка источника питания с широким диапазоном входного напряжения для промышленной трехфазной сети" - например, здесь https://www.terraelectronica.ru/show_pdf.php?pdf=/files/mail/01.pdf
8. "Импульсные источники питания ST для однофазных и трехфазных счетчиков электроэнергии" - https://www.compel.ru/producer/st-microelectronics/
9. LNK304-306 LinkSwitch-TN Family datasheet.

Файлы:
Разработка источника питания с широким диапазоном входного напряжения для промышленной трехфазной сети

Все вопросы в Форум.