Блок питания на полевом транзисторе: схема и принцип работы

Блоки питания - незаменимые устройства для питания радиоаппаратуры. В данной статье речь пойдет о мощных блоках питания на полевых транзисторах: их схемах, принципах работы, достоинствах и недостатках. Узнайте, как собрать надежный блок питания для своих радиоустройств.

1. Общие сведения о блоках питания на полевых транзисторах

Блоки питания на полевых транзисторах используются для создания источников стабилизированного напряжения большой мощности. В отличие от ламповых схем, такие блоки питания отличаются высоким КПД, компактностью и надежностью. Основным элементом в них служит мощный полевой транзистор, работающий в ключевом режиме.

По сравнению с блоками питания на биполярных транзисторах, на полевых транзисторах можно получить бо́льшую выходную мощность при тех же габаритах. Это обусловлено высоким быстродействием и малым сопротивлением открытого канала у полевых транзисторов.

Основные области применения блоков питания на полевых транзисторах:

• Питание мощных усилителей звуковой частоты
• Источники питания для радиопередатчиков большой мощности
• Лабораторные блоки питания регулируемого напряжения

2. Принцип работы блока питания на полевом транзисторе

Рассмотрим работу блока питания на полевом транзисторе на примере упрощенной структурной схемы:

Переменное сетевое напряжение сначала преобразуется выпрямителем в постоянное пульсирующее напряжение. Затем оно сглаживается фильтром и поступает на регулируемый стабилизатор напряжения, выполненный на полевом транзисторе. Стабилизатор поддерживает постоянное выходное напряжение при изменении нагрузки и входного напряжения.

При включении блока питания происходит следующее:

1. Выпрямитель преобразует переменное напряжение в пульсирующее постоянное
2. Конденсатор фильтра сглаживает пульсации напряжения на выходе выпрямителя
3. Стабилизатор стабилизирует напряжение на заданном уровне

Таким образом, на выходе блока питания получается стабильное постоянное напряжение, пригодное для питания радиоаппаратуры.

3. Типовые схемы блоков питания на полевых транзисторах

Рассмотрим несколько типовых схем блоков питания на полевых транзисторах.

Простейший вариант на одном полевом транзисторе

Самая простая схема стабилизатора напряжения выполняется на одном полевом транзисторе в сочетании с микросхемой-компаратором. Пример:

Здесь полевой транзистор VT1 работает как регулирующий элемент. Микросхема DA1 сравнивает выходное напряжение с опорным и управляет транзистором VT1 таким образом, чтобы выходное напряжение оставалось постоянным.

Схема на двух полевых транзисторах

Чтобы увеличить максимальный выходной ток, применяют схему со следующими изменениями:

• Добавлен второй полевой транзистор VT2
• Транзисторы VT1 и VT2 включены параллельно
• Добавлен драйвер DD1 для усиления тока управления транзисторами

Такая схема позволяет удвоить максимальный выходной ток блока питания.

Схема блока питания с регулируемым напряжением

Чтобы сделать выходное напряжение регулируемым, в схему вносят следующие изменения:

• Добавлен делитель напряжения на переменном резисторе R2
• Резистор R2 позволяет плавно менять опорное напряжение на входе компаратора

Теперь, вращая ручку резистора R2, можно плавно менять выходное напряжение в нужных пределах.

4. Рекомендации по выбору компонентов для блока питания

При разработке блока питания на полевом транзисторе особое внимание нужно уделить выбору следующих компонентов:

Полевой транзистор

Полевой транзистор выбирают исходя из:

• Необходимой выходной мощности блока питания
• Максимального выходного тока
• Падения напряжения в открытом состоянии (чем меньше, тем лучше)

Популярные серии полевых транзисторов: IRFZ44, IRF840, IRF1404 и др.

Выпрямительный диод

Для выпрямителя напряжения сети нужно использовать быстродействующие диоды со следующими параметрами:

• Обратное напряжение - 400-1000В
• Прямой ток - не менее тока нагрузки блока питания
• Малое время восстановления (менее 100 нс)

Можно использовать диоды серий КД212, Д226 и т.п.

Конденсатор фильтра

Для сглаживающего фильтра следует выбирать электролитические конденсаторы с рабочим напряжением 1,5-2 выше выходного напряжения блока питания. Емкость конденсатора рассчитывается исходя из требуемого коэффициента пульсаций.

Трансформатор

Требования к трансформатору:

• Мощность трансформатора должна быть на 20-30% выше мощности нагрузки
• Напряжение обмотки соответствовать максимальному напряжению блока питания
• Наличие экрана между первичной и вторичной обмотками

Для блоков питания часто используют тороидальные силовые трансформаторы.

5. Сборка и настройка блока питания на полевом транзисторе

Последовательность сборки блока питания:

1. Установить радиатор на полевой транзистор
2. Установить выпрямительный мост и конденсаторы фильтра
3. Смонтировать трансформатор и другие элементы схемы
4. Собрать печатную плату блока питания
5. Проверить качество монтажа и отсутствие "холодных" паяных соединений

Особое внимание следует уделить надежности соединения радиатора полевого транзистора. При больших токах транзистор может сильно нагреваться, поэтому требуется качественный теплоотвод.

После сборки нужно проверить работоспособность блока питания и отрегулировать выходные параметры:

• Замерить выходное напряжение в холостом режиме и при нагрузке
• Проверить точность стабилизации выходного напряжения
• Убедиться в отсутствии самовозбуждения и паразитных колебаний

При необходимости следует подстроить номиналы резисторов в цепи ООС, чтобы получить требуемые параметры выходного напряжения.

6. Типовые неисправности блоков питания на полевых транзисторах

Рассмотрим наиболее характерные неисправности блоков питания на полевых транзисторах.

Нестабильное или пульсирующее выходное напряжение

Возможные причины:

• Неисправность или сухой пайки конденсаторов сглаживающего фильтра
• Неправильно подобран параметр резисторов или конденсаторов в цепи ООС
• Неисправен блок питания микросхемы-компаратора

Повышенный нагрев полевого транзистора

Вероятные причины:

• Недостаточное сечение проводов в силовой цепи или плохой контакт
• Маленький радиатор охлаждения
• Высокое падение напряжения на полевом транзисторе из-за большого R_on

Для устранения перегрева нужно улучшить теплоотвод, заменить радиатор на более эффективный, увеличить сечение проводов.

Отсутствует выходное напряжение

Поиск неисправностей:

1. Проверить исправность предохранителя в первичной цепи
2. Замерить напряжение на вторичной обмотке трансформатора
3. Проверить диоды выпрямительного моста
4. Измерить напряжение после конденсатора фильтра
5. Проверить полевой транзистор и микросхему стабилизатора

Поочередная проверка узлов поможет локализовать и устранить неисправность.