Схемы импульсных блоков питания для шуруповертов

Источники питания />Блоки питания импульсные />Импульсный блок питания для шуруповерта

Импульсный блок питания для шуруповерта

Щеглов В.Н.
Шуруповерт, или аккумуляторная дрель очень удобный инструмент, но есть и существенный недостаток, при активном использовании аккумулятор разряжается очень быстро, — за несколько десятков минут, а на зарядку требуются часы. Не спасает даже наличие запасного аккумулятора. Хорошим выходом из положения при проведении работ в помещении с рабочей электросетью 220V был бы внешний источник для питания шуруповерта от сети, который можно было бы использовать вместо аккумулятора. Но, к сожалению, промышленно не выпускаются специализированные источники для питания шуруповертов от электросети (только зарядные устройства для аккумуляторов, которые невозможно использовать как сетевой источник из-за недостаточного выходного тока, а только как зарядное устройство).

В литературе и интернете встречаются предложения в качестве источника питания для шуруповерта с номинальным напряжением 13V использовать автомобильные зарядные устройства на основе силового трансформатора, а также блоки питания от персональных компьютеров и для галогенных осветительных ламп. Все это возможно неплохие варианты, но не претендуя на оригинальность, я предлагаю сделать специальный блок питания самостоятельно. Тем более, на основе приводимой мною схемы можно сделать и блок питания другого назначения. Схема частично заимствована из Л.1, вернее, сама идея, сделать нестабилизированный импульсный источник питания по схеме блокинг-генератора на основе трансформатора блока питания телевизора.
Напряжение от сети поступает на мост на диодах VD1-VD4. На конденсаторе С1 выделяется постоянное напряжение около 300V. Этим напряжением питается импульсный генератор на транзисторе VT1 с трансформатором Т1 на выходе.
Схема на VT1 — типичный блокинг-генератор. В коллекторной цепи транзистора включена первичная обмотка трансформатора Т1 (1-19). На неё поступает напряжение 300V с выхода выпрямителя на диодах VD1-VD4. Для запуска блокинг-генератора и обеспечения его стабильной работы на базу транзистора VT1 поступает напряжение смещения от цепи R1-R2-R3-VD6. Положительная обратная связь, необходимая для работы блокинг-генератора обеспечивается одной из вторичных катушек импульсного трансформатора Т1 (7-11). Переменное напряжение с неё через конденсатор С4 поступает в базовую цепь транзистора. Диоды VD6 и VD9 служат для формирования импульсов на базе транзистора.
Диод VD5 совместно с цепью C3-R6 ограничивает выбросы положительного напряжения на коллекторе транзистора величиной напряжения питания, Диод VD8совместно с цепью R5-R4-C2 ограничивает выбросы отрицательного напряжения на коллекторе транзистора VT1.
Вторичное напряжение 14V (на холостом ходу 15V под полной нагрузкой 11V) берется с обмотки 14-18. Выпрямляется диодом VD7 и сглаживается конденсатором С5.
Режим работы выставляется подстроечным резистором R3. Его регулировкой можно не только достигнуть уверенной работы блока питания, но в некоторых пределах отрегулировать выходное напряжение.
Транзистор VT1 должен быть установлен на радиатор. Можно использовать радиатор от блока питания МП-403 или любой другой аналогичный.
Импульсный трансформатор Т1 — готовый ТПИ-8-1 от модуля питания МП-403 цветного отечественного телевизора типа 3-УСЦТ или 4-УСЦТ. Эти телевизоры некоторое время назад шли на разборку либо вообще выбрасывались. Да и трансформаторы ТПИ-8-1 в продаже присутствуют. На схеме номера выводов обмоток трансформатора показаны соответственно маркировке на нем и на принципиальной схеме модуля питания МП-403.
У трансформатора ТПИ-8-1 есть и другие вторичные обмотки, так что можно получить еще 14V используя обмотку 16-20 (либо 28V включив последовательно 16-20 и 14-18), 18V с обмотки 12-8, 29V с обмотки 12-10 и 125V с обмотки 12-6. Таким образом, можно получить источник питания для питания какого-либо электронного устройства, например УНЧ с предварительным каскадом.
На втором рисунке показано как можно сделать выпрямители на вторичных обмотках трансформатора ТПИ-8-1.

Эти обмотки можно использовать для отдельных выпрямителей либо включать их последовательно для получения большего напряжения. Кроме того, в некоторых пределах можно регулировать вторичные напряжения, изменяя число витков первичной обмотки 1-19 используя для этого её отводы.
Впрочем, этим дело и ограничивается, потому что перематывать трансформатор ТПИ-8-1, — довольно неблагодарная работа. Его сердечник плотно склеен, и при попытке его разделить ломается совсем не там, где ожидаешь. Так что вообще любое напряжение от этого блока получить не выйдет, разве что с помощью вторичного понижающего стабилизатора.
Диод КД202 можно заменить любым более современным выпрямительным диодом на прямой ток не ниже 10А.
В качестве радиатора для транзистора VT1 можно использовать имеющийся на плате модуля МП-403 радиатор ключевого транзистора, немного переделав его.
Литература:
1 Компаненко Я «Простой импульсный преобразователь напряжения для БП телевизора», ж, Радио, 2008, №3, с.12.

Схема импульсного блока питания для шуруповёрта

В наше время, одним из самых распространенных инструментов среди радиолюбителей, да и прочих самодельщиков стал шуруповерт. Он становится незаменим если нужно закрутить десяток-другой шурупов, или когда нет мочи таскать тяжелую электродрель ради пары отверстий, не говоря уже о его тихой работе и какой либо потребности в розетке. Однако, как водится, все хорошее когда нибудь заканчивается, и в случаи с шуруповертами заканчивается срок службы встроенных аккумуляторов.

После выхода их из строя некогда необходимый инструмент, как правило отправляется в шкафов, так как замена отработавших аккумуляторов требует наличия доступа к точечной сварки, да и стоит под час как новый шуруповерт. И вот, рано или поздно обладатель такого исправного, но не рабочего инструмента задумывается, а от чего бы его такого запитать, окромя дорогих и дефицитных аккумуляторов?

Попытки подключиться к компьютерным блокам питания или к новомодным модулям питания светодиодов как правило приводят к уходу в защиту оных. Дело тут в высоком токе потребления коллекторного электродвигателя, который может достигать нескольких десятков ампер.

Одним из самых надежных решений подобной задачи является применение схемы линейного источника питания на трансформаторе. Вот тут нам и пригодится отслуживший свое бесперебойник, достать который не составит проблем.

В подобном источнике бесперебойного питания есть почти все необходимые узлы, а в частности готовый корпус, силовой трансформатор и даже мощные полевые транзисторы для синхронного выпрямителя. Помимо различной мелочевки обязательным компонентом подобного источника питания является конденсатор, причем внушительной емкости.

В экспериментальных целях в описываемом устройстве применен, внезапно, ионистор на пол фарады. А почему собственно нет? Огромных импульсных токов в схеме нет, те пара десятков ампер для ионистора не ток, тем более что простаивает шуруповерт явно больше чем крутит. Ограниченное число включенийвыключений тоже не страшит, тем более если прикинуть сколько раз он будет включатся, да и что произойдет после превышения этого лимита, полная потеря емкости? Тоже нет, значит можно применять, особенно если сравнить цену на ионистор и мало мальский приличную батарею конденсаторов, а нужна тут емкость внушительная, никак не меньше пары десятков тысяч микрофарад.

Тех, кто отважится поставить в выпрямитель какие нибудь скромные 3300 мкФ, может внезапно порадовать небольшой взрыв с дымом и серпантином, ибо конденсатор не предназначен для работы с такими большими втекающими и вытекающими токами!

Использование вместо обычных диодов синхронного выпрямителя обусловлено его несравненно меньшим падением напряжения, и следовательно значительно лучшим КПД. Сама идея схемы была позаимствована и немного преобразована для однообмоточного трансформатора.

Схема импульсного БП к шуруповёрту

Итак, схема представляет собой классический мостовой выпрямитель, только в качестве диодов применяются их аналоги на полевых транзисторах, это хорошо различимо на приведенной схеме. Так как транзисторы должны открываться только когда напряжение на выходе трансформатора больше, чем напряжение на конденсаторе применяется компаратор. В момент запуска, когда конденсаторы питания компаратора и затворов разряжен, ток протекает по встроенным в транзистор защитным диодам, и только после того, как выпрямительный конденсатор зарядится до некоторого напряжения (порядка 5 вольт), начинают открываться транзисторы и выпрямитель выходит в рабочий режим. С учетом данного факта и помня о большой емкости выпрямительного конденсатора, становится необходимо применение так называемого мягкого старта.

Мягкий старт реализован по типичной схеме на основе балластного резистора замыкаемом при помощи реле. Управляет всем пара симисторов. После нажатия на кнопку пуска открывается симистор Т2 и через резистор R8 начинает протекать ток. Цепь VD1, R9, D2, C4 образуют выпрямитель для питания звукового излучателя, который сигнализирует о запуске устройства.

Термостат призван для отключения схемы в случаи перегрева балластного резистора, вещь совершенно бесполезная, однако стоит на всякий пожарный. После того как выпрямительный конденсатор зарядится до установленного напряжения (порядка 10 вольт на схеме, для 14,4 В рабочих шуруповерта), сработает компаратор на D1, тем самым открыв симистор Т1, который в свою очередь подаст напряжение на реле, контакты которого шунтируют балластный резистор. Свечение светодиода и молчание звукового излучается поведают нам о готовности прибора к работе. Схема в Lay прилагается.

Конструкция блока питания шуруповёрта

Как уже было сказано ранее, в качестве корпуса удобно применить родной корпус от бесперебойника. Выпрямитель оказался настолько эффективным, что транзисторы при работе даже не нагреваются, хотя изначально планировалось установить их с нижней стороны платы на радиатор. Компоновка разъемов на плате оказалась далеко не самой удачной, как можно видеть по фото провода от трансформатора пришлось пропустить под конденсатором фильтра. Сам выпрямитель не критичен к номиналам деталей, это хорошо видно если сравнить номиналы установленных компонентов с таковыми на схеме.

Схема коммутации была разбита на две платы, малосигнальную и силовую, как показала практика, довольно сомнительное решение, по этой причине трассировок для этих плат не сохранилось.

Отдельно хотелось бы поведать о резисторах балласта. Изначально был установлен один большой «белый кирпич» мощностью в 10 Вт. Его видно на фотографии платы. Он ушел в обрыв при первых тестах схемы, после чего был выкушен и заменен на пару включенных в параллель резисторов по 42 Ома из мягкого старта микроволновки, которые сгорели при первом же включении даже не успев зарядить конденсатор. Из этого можно сделать вывод что применение одного мощного резистора плохая затея, а параллельное включение высокоомных резисторов гарантия провала.

Причина в том, что чем более высокоомен резистор, тем тоньше провод которым он намотан, поэтому балласт нужно составлять из нескольких низкоомных резисторов включенных последовательно, а еще лучше применить большой советский ПЭВ. Но плата уже была собрана и иного места для установки ПЭВа не нашлось, поэтому были применены пара резисторов по 15 ом включеных последовательно.

При подключении всей обмотки к выпрямителю, выходное напряжение в режиме холостого хода составляет порядка 20 вольт. Так как шуруповерт, к которому разрабатывался данный блок питания рассчитан на 14,4 вольта, от трансформатора был сделан отвод, в результате в режиме холостого хода напряжение стало порядка 16 вольт, однако при полной остановке патрона напряжение на выходе проседает на столько, что начинает срабатывать схема мягкого старта, что говорит о полном использовании мощности трансформатора. В случаи когда требуется существенно меньшее напряжение на выходе, скажем 10 или 7,2 В, то целесообразно в этом случаи применить не мостовую схему, а двухполупериодную, соответствующим образом переделав плату.

Небольшую доработку следуют произвести и с самим шуруповертом. ШИМ, который управляет скоростью вращения электродвигателя, генерирует мощные импульсы тока, прохождение которых по длинному соединительному кабелю может стать причиной снижения КПД, да и вообще сбоям работы этого самого ШИМа, вплоть до выхода его из строя.

Дабы этого всего не случилось, у ввода кабеля требуется установить электролитический конденсатор емкостью в несколько тысяч микрофарад.

При этом банки аккумуляторов отключаются, но извлекать их всех не обязательно, они отлично обеспечивают баланс и не дают шуруповерту упасть, если он конечно вообще может быть установлен стоя.

ИИП для шуруповерта

В статье рассматривается схема импульсного источника питания, основой которого является контроллер TL494. Номинальное выходное напряжение ИИП — 14 вольт при максимальном токе нагрузки 15 ампер. В схеме предусмотрена комплексная защита по току нагрузки, включающая в себя ограничение максимального рабочего тока шуруповерта и дублирующую защиту по превышению длительности рабочего импульса.

Подробно ознакомиться с принципами работы защиты по превышению длительности рабочего импульса можно в статье «Защита импульсных блоков питания от КЗ». Схема данного импульсного блока питания классическая, с самовозбуждением, применяемая в блоках питания компьютеров, практически идентичная схеме рассмотренной в статье «Блок питания для инкубатора». В данной схеме лишь появилась возможность ограничения максимального тока нагрузки. Для этого задействован второй внутренний усилитель ошибки. В качестве датчика тока в схеме используется низкоомный резистор R39, он самодельный, сделан из отрезка константановой проволоки. Вновь введенные элементы схемы: R12 и C9 – корректирующая цепочка усилителя (частотозависимая ООС), работающего в схеме ограничения тока. Резисторы R20 и R21 представляют собой делитель опорного напряжения, с выхода которого на инвертирующий вход усилителя, вывод 15 микросхемы DD1, подается напряжение соответствующей величины. Величина этого напряжения находится в районе 0,1 вольта. Резистор R39 является датчиком тока нагрузки, сигнал с которого через резистор R23, поступает на неинвертирующий вход усилителя, вывод 16 микросхемы DD1. Работает схема ограничения тока нагрузки следующим образом. При прохождении тока нагрузки через датчик тока R39, на нем возникает падение напряжения, величина которого пропорциональна величине проходящего тока. Это напряжение через резистор R23 подается на неинвертирующий вход (вывод 16 микросхемы DD1) усилителя ошибки и сравнивается с опорным напряжением на инвертирующем входе – вывод 15 DD1. Как только падение напряжения на датчике тока начнет превышать опорное напряжение, так сразу же контроллер начнет уменьшать длительность выходных управляющих импульсов на выводах 8 и 11 DD1. Таким образом, при уменьшении сопротивления нагрузки контроллер будет уменьшать выходное напряжение — уменьшая длительность рабочих импульсов. Я не буду в рамках этой статьи повторяться, так как более подробно о работе узлов данной схемы описано в вышеупомянутых статьях.

Все элементы схемы расположены на печатной плате, рисунок которой расположен ниже.

Дроссель входного фильтра Др1 использован готовый от старого ИИП. Выходной дроссель фильтра Др2 намотан на сердечнике из распыленного железа – желто-белый, Т130-26, размер 33×20х11. При использовании данного источника питания для работы с шуруповертом уровень напряжения пульсаций на выходе схемы не имеет большого значения, и электрические данные дросселя могут быть менее критичны. Поэтому количество витков не рассчитывалось… — сколько уместилось при необходимой толщине жгута, столько и есть. Я рассчитывал параметры жгута на ток 16А: Диаметр провода D = 0,7√I = 0,7 • 4 = 2,8мм. S = π•D²/4 = 6,16мм². У меня был провод 0,64мм; S = 0,32мм²; Количество жил равно 6,16 / 0,32 = 19. Уместилось 10 витков.

Согласующий трансформатор Тр2 взят готовый от старого блока питания ПК. Можно его изготовить самостоятельно, как это сделать, можно узнать из статьи «Блок питания для инкубатора». Трансформатор Тр1, входящий в схему защиты по превышению длительности импульсов самодельный. Как изготовить его, написано в статье «Защита импульсных блоков питания от КЗ». Выходной трансформатор рассчитывался на мощность большую, чем необходимо для питания шуруповерта. Плотность тока в его обмотках выбрана равной 6А/мм². Это позволяет не применять принудительное охлаждение радиаторов. Габаритная мощность трансформатора на примененном сердечнике Ш12×20 при частоте 30кГц чуть больше пол киловатта. В то же время мощность нагрузки при напряжении питания 14В и токе 16А равна 224Вт. Все это позволяет смонтировать ИИП в герметичном корпусе, учитывая условия эксплуатации. Обмотка 1-2 содержит 29 витков провода D = 0,71мм, вторична обмотка 3-4-5 содержит 5×2 витков жгута 0,71×5. Первичная обмотка мотается за два раза. Сначала наматывается 15 витков провода D=0,71мм. Начало провода припаивается в контактной ножке на каркасе, а конец выводится через прорезь в противоположной щечке каркаса. Затем мотается 5 витков плоским жгутом, состоящим из 5 жил такого же провода первой половины вторичной обмотки. Начала жил припаиваются к ножкам, концы выводятся также через прорезь, но с другой стороны щечки. Затем еще 5 витков, таким же жгутом, второй половины вторичной обмотки. Начало жил припаивают к выведенным концам, а концы припаивают к ножкам. Намотка ведется в ту же сторону. Далее продолжаем доматывать в ту же сторону остальную часть первичной обмотки – 14 витков провода 0,71мм. Начало провода припаиваем к ранее выведенному концу половины первичной обмотки, конец припаиваем в ножке. Лучше применять провода марки ПЭТВ-2. Изоляционный лак провода такой марки выдерживает температуру +130°С. В качестве изоляции между слоями обмоток я использовал стеклолакоткань. После намотки каждой из обмоток произвожу пропитку бакелитовым лаком. Выпрямительные диоды VD14 и VD15 — MBRF20100CT. Каждый из диодов данной сборки имеет рабочий ток, равный 10А при допустимом обратном напряжении 100В. Если будет возможность, то лучше поставить MBR30100PT – 15А на диод и Uобр – 100В.

Внешний вид платы ИИП показан ниже.

На печатной плате предусмотрены контакты, на которые одеты перемычки J1 и J2. Вместо перемычек можно подсоединить переменные резисторы для регулировки выходного напряжения и величины тока ограничения. С установленными перемычками выходное напряжение находится в районе 13 вольт, а ток ограничения в пределах 8А. Для получения иных выходных параметров ИИП необходимо подобрать величину резисторов делителя R20 и R21 для тока стабилизации, и R7 и R16 для изменения выходного напряжения.

Внимание. Первое включение – только через лампу накаливания 60…100Вт.

Импульсный блок питания для шуруповерта

И так, схема источника показана на рисунке в тексте статьи.

Это классический обратноходовый AC-DC преобразователь на основе ШИМ генератора UC3842.

Напряжение от сети поступает на мост на диодах VD1-VD4. На конденсаторе С1 выделяется постоянное напряжение около 300V. Этим напряжением питается импульсный генератор с трансформатором Т1 на выходе. Первоначально запускающее напряжение поступает на вывод питания 7 ИМС А1 через резистор R1. Включается генератор импульсов микросхемы и выдает импульсы на выводе 6. Они подаются на затвор мощного полевого транзистора VT1 в стоковой цепи которого включена первичная обмотка импульсного трансформатора Т1. Начинается работа трансформатора и появляются на вторичных обмотках вторичные напряжения. Напряжение с обмотки 7-11 выпрямляется диодом VD6 и используется для питания микросхемы А1, которая перейдя на режим постоянной генерации начинает потреблять ток, который не способен поддерживать пусковой источник питания на резисторе R1. Поэтому при неисправности диода VD6 источник пульсирует, — через R1 конденсатор С4 заряжается до напряжения, необходимого для запуска генератора микросхемы, а когда генератор запускается повышенный ток С4 разряжает, и генерация прекращается. Затем процесс повторяется. При исправности VD6 схема сразу после запуска переходит на питание от обмотки 11 -7 трансформатора Т1.

Вторичное напряжение 14V (на холостом ходу 15V, под полной нагрузкой 11V) берется с обмотки 14-18. Выпрямляется диодом VD7 и сглаживается конденсатором С7.
В отличие от типовой схемы здесь не используется схема защиты выходного ключевого транзистора VT1 от повышенного тока сток-исток. А вход защиты -вывод 3 микросхемы просто соединен с общим минусом питания. Причина данного решения в отсутствии у автора в наличии необходимого низкоомного резистора (все-таки приходится делать из того что есть в наличии). Так что транзистор здесь не защищен от перегрузки по току, что конечно не очень хорошо. Впрочем, схема уже долго работает и без данной защиты. Однако, при желании можно легко сделать защиту, следуя типовой схеме включения ИМС UC3842.

Детали.

Импульсный трансформатор Т1 — готовый ТПИ-8-1 от модуля питания МП-403 цветного отечественного телевизора типа 3-УСЦТ или 4-УСЦТ. Эти телевизоры сейчас частенько идут на разборку либо вообще выбрасываются. Да и трансформаторы ТПИ-8-1 в продаже присутствуют. На схеме номера выводов обмоток трансформатора показаны соответственно маркировке на нем и на принципиальной схеме модуля питания МП-403.

У трансформатора ТПИ-8-1 есть и другие вторичные обмотки, так что можно получить еще 14V используя обмотку 16-20 (либо 28V включив последовательно 16-20 и 14-18), 18V с обмотки 12-8, 29V с обмотки 12-10 и 125V с обмотки 12-6. Таким образом можно получить источник питания для питания какого-либо электронного устройства, например УНЧ с предварительным каскадом.

Впрочем этим дело и ограничивается, потому что перематывать трансформатор ТПИ-8-1, — довольно неблагодарная работа. Его сердечник плотно склеен и при попытке его разделить ломается совсем не там, где ожидаешь. Так что вообще любое напряжение от этого блока получить не выйдет, разве что с помощью вторичного понижающего стабилизатора.

Транзистор IRF840 можно заменить на IRFBC40 (что в принципе тоже самое), либо на BUZ90, КП707В2.

Диод КД202 можно заменить любым более современным выпрямительным диодом на прямой ток не ниже 10А.

В качестве радиатора для транзистора VT1 можно использовать имеющийся на плате модуля МП-403 радиатор ключевого транзистора, немного переделав его.