Yserogo.ru

Все своими руками

Реклама
Новое на сайте
Реклама
Публикации по теме

Импульсный блок питания для шуруповерта

Универсальный блок питания шуруповерта в корпусе батареи

На просторах интернета встречается множество схем импульсных блоков питания для шуруповертов. Они или сложны и врятли поместятся в батарейный отсек, или слишком сырые, недоработанные и ненадежные. Глядя на подобные схемы возникает много вопросов, ответов на которые нет.

Данный блок питания адаптируется под любой батарейный шуруповерт путем подбора вторичной обмотки, помещается в корпус батарейного NiCd отсека и самое главное - уверенно переносит "холодный" старт двигателя. Известно, что двигатель шуруповерта имеет значительный стартовый ток, который способен вывести из строя даже мощные ИБП или как минимум спровоцировать срабатывание защиты. Описываемое устройство справляется с большими импульсами тока, обладая при этом довольно простой конструкцией.

Схема

Вот несложная схема блока, схема была нарисована на скорую руку, может позже уделю ей время и перерисую в более понятный вид. Картинка увеличивается по нажатию.

Схема универсального блока питания для шуруповерта

Прототипом взята схема из советских времен и усовершенствована с помощью советов обитателей форума "Радиокот". По сути это схема электронного трансформатора с "лишними" для китайских производителей деталями. Добавлен узел обратной связи по напряжению, он выделен красным. В идеале эта часть схемы не задействована, но это в процессе наладки.

Транзисторы взяты SBW13009 с запасом, это повышает надежность блока в целом. Схема обладает весьма полезным свойством: благодаря резисторам в эмиттерных цепях, блок во время холодных пусков, когда токи значительно превышают номинальные - повышает частоту преобразования. Благодаря этому импульсы больших токов ему не страшны. Запуск выполнен на VS1 и блокируется диодом VD5, когда устройство выходит на автогенераторный режим. В процессе опытов с блоком было решено отказаться от узла защиты, которая блокирует запуск при перегрузке - с шуруповертом она будет только мешать.

По совету "радиокотов" был введен снаббер C5R3, он снижает обший уровень помех от блока, уменьшает потери на коммутацию транзисторов и предотвращает появление сквозных токов. Выпрямление во вторичной цепи происходит по схеме со средней точкой, благодаря такому решению количество диодов уменьшено до 2 (диодная сборка) и уменьшены потери на тепло. Так же, для уменьшения потерь взята сборка из диодов Шоттки.

В отличие от электронного трансформатора (ЭТ) в схеме реализованы две обратные связи, по току и по напряжению. Благодаря этому блок запускается без нагрузки. Однако практика показывает, при работе вхолостую нагреваются силовые ключи, поэтому если удается добиться уверенного пуска шуруповерта без ОС по напряжению - C15 попросту не впаивается в схему.

Конденсаторный баян на выходе, вместо одного электролита необходим по причине тех же больших пусковых токов. Когда у меня стоял один конденсатор, его выводы плавились при определенном положении кнопки шурика. То есть выводы одного конденсатора не рассчитаны на такие токи, в принципе, как и сам одиночный конденсатор.

Резистор R8 выполняет две роли: первая - это не позволяет на холостом ходу развиться напряжению выше номинального, вторая - с отключенной ОС по напряжению дает пусковой ток во вторичной цепи и позволяет запуститься ШИМ-у шуруповерта.

Перемычка "П" используется в процессе наладки блока, при первом пуске и настройке вместо нее подключается лампа накаливания 100Вт, при испытании на шуруповерте просто замыкается перемычкой или предохранителем.

Детали

Рассмотрим используемые детали и возможность их замены.

Транзисторы

Транзистор SBW13009

В качестве силовых ключей VT1-VT2 использованы биполярные n-p-n транзисторы SBW13009 в корпусе TO-3PN. Встречаются они в качественных АТХ-блоках, иных мощных импульсниках. В компьютерных АТХ обычного качества чаще встречаются MJE13009 в корпусах TO-220, их токовые параметры в два раза меньше. Их так же можно использовать, но нужно 4 транзистора вместо 2 и включать их нужно попарно, с индивидуальным резистором в эмиттере.

Данные транзисторы используются в мощных ИБП, поэтому снять их откуда-либо получится редко. А использовать MJE13009 как замену я бы не рекомендовал. Лучше раскошелиться на мощные, стоимость их в районе ста рублей за штуку.

Коммутирующий трансформатор

Коммутирующий трансформатор на плате

Трансформатор Тр2 намотан на колечке из феррита с прямоугольной петлей намагничивания. Такие кольца встречаются в подобных автогенераторных преобразователях - ЭТ, балласт энергосберегающей люминесцентной лампы. В светодиодных лампах таких колец нет! Категорически не рекомендую использовать обычный феррит, блок будет работать, но очень ненадежно, на транзисторах будет рассеиваться много тепла, сквозные токи будут обычным делом. Желтые кольца из компьютерной техники так же не подойдут!

Разобранная ЛДС-лампа Внутренности ЛДС-лампы Ферритовое кольцо для коммутирующего трансформатора

Вариант извлечения из ЛДС энергосберегающей лампы мне кажется самым доступным - колечко можно взять из сгоревшей лампы. Так как обмотки будут выполнены обмоточным эмалированным проводом, нужно покрыть кольцо парой слоев цапонлака, на крайняк лаком для ногтей без блесток. Главное проследить чтобы лак попал на всю поверхность, в том числе на внутреннюю сторону. Лак выступает в качестве дополнительной изоляции.

Все обмотки выполнены эмалированным проводом ПЭЛ или подобным, если имеется ПЭЛШО (в дополнительной шелковой оплетке) это еще лучше. Обмотка 1 содержит один законченный виток провода не тоньше 0.8 мм. Для дополнительной изоляции его лучше поместить в отрезок изоляции монтажного провода. Обмотки 2,3,4 содержат по 4 витка 0.3-0.4 мм. Очень важно мотать все обмотки в одну сторону и помечать начало, и конец!

Силовой трансформатор

Силовой трансформатор ИБП

Трансформатор Тр1 намотан на двух сложенных вместе ферритовых кольцах К31х18.5х7 М2000НМ. Первичная обмотка содержит 82 витка провода 0.6 мм. Обмотка намотана по всей окружности кольца. Кольца изначально изолированы от обмотки, так же между обмотками следует выполнить надежную изоляцию. Я использовал изоленту, но лучше использовать более термостойкую, например лакоткань.

Намотка первичной обмотки Сетевую обмотку следует аккуратно уложить виток к витку по всей окружности. Если провод не влез в один слой - нужно изолировать первый и домотать вторым слоем. Для намотки удобно использовать челнок-мотовило из более толстой проволоки.

Данные вторичной обмотки зависят от рабочего напряжения шуруповерта, для 12-вольтового 8+8 витков (16 витков в одну сторону с отводом от середины) провода не тоньше 1.4 мм. Вообще диаметр провода вторичной обмотки следует брать максимально возможный. Лучше мотать жгутом из нескольких жил (4-5 шт) провода 0.8-1 мм. Главное, чтобы обмотка уместилась в окно колец. Я к примеру, взял провод с дросселя АТХ. Про точный подбор витков для шуруповертов более 12 В или меньше немного ниже.

Во время намотки вторичной обмотки следует оставить свободное место под 2 витка обмотки номер три. Выполнить ее можно как эмалевым проводом 0.3, так и монтажным. Обмотки один и три следует помечать, где начала.

Обмотка три Два витка обмотки 3 должны находиться на свободном от вторичной обмотки месте.

Для трансформатора можно использовать ферритовые кольца проницаемостью 2000 других, близких размеров, главное, чтобы площадь поперечного сечения колец была не меньше. В магазине я нашел кольцо R36x23x15 PC40, в недалеком будущем испытаю его. Такое колечко может заменить два К31х18.5х7. Аналогично коммутирующему трансу, желтые комповские кольца неприменимы!

Некоторые умельцы на форумах утверждают, что мотали данный трансформатор на кольце К28Х15Х11. Возможно так и было с другими намоточными данными (первичка 100+ витков), я не рекомендую рассматривать такой вариант - нужно обладать нехилым мастерством, чтобы уложить все обмотки на маленькое кольцо!

Если для обмоток используется б/у-шный провод, следует пристально следить, чтобы лаковая изоляция не была повреждена!

Дроссель

А вот для дросселя L1 желтое колечко наоборот в самый раз! Точнее не любое желтое, а именно с дросселя групповой стабилизации (ДГС) из компьютерного блока питания. Я применил кольцо с внешним диаметром 27 мм. Намотать нужно не менее 20 витков проводом, сечением не ниже, чем у вторичной обмотки Тр1.

Кольца из распыленного железа

Конденсаторы

Все конденсаторы "горячей" части схемы должны быть рассчитаны не менее чем на 400В. В качестве C3-C4 я применил пленочные из АТХ, они на 250В, терпимо, но лучше ставить на 400. Емкость их может быть ниже, но тогда может произойти снижение мощности. Так же можно снизить C2 с 200 мкф до 100, возможно, тогда падение напряжения на нагрузке будет более крутым.

Конденсатор снаббера C5 минимум на 1000В, изначально берется 3.3n и подбирается по нагреву резистора. C15 достаточно на напряжение 50В.

В низковольтной части C6-C7 не ниже 50В, электролитические C8-C14 не ниже 25В. Количество электролитических кондеров не принципиально, главное не меньше 5 шт, номиналом 100-1000 мкф.

Резисторы

Резисторы берутся согласно указанных на схеме номиналов и мощностей. R3 взят из снаббера АТХ, габариты его несколько больше стандартных 2ВТ, поэтому не могу сказать о его мощности точно. Данный резистор может прилично греться, поэтому мощность его лучше брать побольше.

Терморезистор

В качестве R1 взят термистор из того же АТХ, он очень малогабаритный. В крайнем случае его можно заменить на резистор 3-5 Ом 5Вт, но он занимает много места.

Диоды

Диодный мост VDS1 на 3-4А из полюбившегося АТХ, можно заменить на четыре диода 400В 3А. Диоды FR107 взяты оттуда же, меняются на любые другие с обратным напряжением не менее 1000В. Динистор VS1 можно взять из сгоревшей лампы вместе с кольцом, как правило, динистор целый.

Диодная сборка Шоттки S30D40C

Диодная сборка из двух диодов Шоттки VD3-VD4 - S30D40C взята с 5-вольтовой шины АТХ. Держит она 40В и 30А. Вообще, эти диоды можно взять на свое усмотрение, напряжение должно превышать рабочее в два раза и ток 15-20А. Для не слишком мощных шуруповертов можно брать сборку с 12-вольтовой шины АТХ, это актуально, когда напряжение питания шуруповерта превышает 20В, 40-вольтовая S30D40C становится не так надежна. Запас по напряжению необходим, ибо на выходе силового трансформатора могут присутствовать выбросы, превышающие номинальные значения.




Налаживание

Для налаживания следует собрать схему на макетной плате, категорически не советую собирать сразу рабочую конструкцию. Слишком большой разброс параметров трансформаторов может потребовать дополнительных решений.

Первый пуск

Для первого включения вместо перемычки "П" подключается лампа накаливания 220В 100Вт. Так же, на выход нужно подключить лампу 20-30Вт, автомобильную или галогенку 12В. Перед пуском C15 выпаивается. Правильно собранный блок начинает работать сразу: при включении галогенка на выходе светится (напряжение около 14В), защитная лампа слабо тлеет. При включении без нагрузки в трансформаторе Тр1 слышен слабый писк - это попытки пуска VS1. Защитная лампа не должна вспыхивать при включении, без нагрузки на выходе блока лампа даже не тлеет.

Макет блока питания с защитной лампой накаливания

Работа без нагрузки

Если все совпадает с описанным - можно продолжать, если нет - ищем ошибки в монтаже или неисправные компоненты. Далее нужно определить надобность ОС по напряжению - на выход следует подключить шуруповерт. При включении шура, он должен запускаться, защитная лампа вспыхивать. Возможно, пусковых импульсов будет недостаточно для старта электроники шуруповерта. На выход подключают вольтметр и контролируют напряжение, оно должно быть в районе рабочего. При напруге в 2-3В следует уменьшить сопротивление R8, чтобы на выходе появилось устойчивое 13-15В. Резистор R8 не должен греться, максимум чуть теплым, для меньшего нагрева можно увеличить его рассеиваемую мощность. Если удалось подобрать резистор и шурик работает без дополнительной нагрузки - ОС по напряжению не нужна и C15 не понадобится вообще. При включенном блоке и не нажатой кнопке шуруповерта из блока слышен слабый писк.

При работе на галогенку транзисторы практически не греются, при работе без нагрузки нагрева нет. Максимум, что должно греться во всей схеме - резистор снаббера R3, но это пока не важно.

Если все-таки шуруповерт не запускается из-за низкого начального напряжения и подбор R8 ничего не дал, в пределах разумного, без нагрева - придется делать ОС по напряжению. Следует подключить цепь с C15, и включить блок без нагрузки. Напряжение на выходе должно быть 13-14В (при указанных намоточных данных вторички). Если блок не хочет запускаться, следует увеличить емкость C15. Так же, следует попробовать поменять местами выводы обмотки 3 силового транса. В итоге нужно добиться стабильного пуска без нагрузки с минимальной емкостью C15. При включениях защитная лампа не должна вспыхивать и даже тлеть. Недостатком ОС по напряжению может стать небольшой нагрев транзисторов на холостом ходу. Нужно погонять блок 5-10 минут для определения приемлемости нагрева.

Альтернативой для холостого запуска может стать дроссель от ЛДС энергосберегайки, включенный параллельно первичной обмотке силового трансформатора. Данный метод обладает высокой стабильностью, однако на предмет нагрева мной не исследовался.

Результатом налаживаний должен стать стабильный пуск блока (с ОС по напр.) или попытки пуска с напряжением на выходе, достаточным для запуска электроники кнопки. На холостом ходу ничего не должно греться, ну или греться незначительно. Исключение может составлять резистор снаббера R3, но это уже следующим этапом.

Вольтаж шуруповерта

Намоточные данные вторичной обмотки 8+8 витков рассчитаны на шуруповерт 12В. Могу с уверенностью сказать, что данная обмотка подойдет к профессиональны моделям 14,4В. Я подключал блок к своему рабочему шуруповерту 14,4В на литиевой батарее, который без проблем закручивает саморезы 4Х80 мм в сырое дерево без предварительного сверления. Такие саморезы от блока конечно не закручивал, но кожу подсодрал, пытаясь остановить вал.

Шуруповерт 14,4В

Если вольтаж вашего отличается от 12В, то следует подкорректировать намоточные данные обмотки 2. Доматывая или отматывая витки, нужно мерить напряжение с нагрузкой - галогенной лампой 30Вт, без нагрузки напряжение будет немного больше. Я ориентировался на напряжение питания (12В) + 1В на просадку (можно не учитывать). Вообще, если шуруповерт 14,4В, не следует сразу мотать лишние витки, возможно все будет работать с должной мощностью без добавления витков. Так же хочу отметить 18В шуруповерты - несмотря на надписи на корпусе, зачастую там стоят двигатели на 12В. Про испытания на мощность немного ниже.

Так же нужно иметь в виду, что без нагрузки блок может развивать немного большее напряжение, поэтому хорошим делом будет поискать датащиты на кнопку и максимальное напряжение ее ШИМ-а. Самое главное, чтобы напруга на ХХ не превышала этот максимум. Между прочим, на аккумуляторной батарее шуруповерта без нагрузки так же напряжение немного выше номинального, для 14,4В батареи это 16 с небольшим вольт. Однако, из-за сложности подобрать напряжение обмотки точно, блок может выдавать немного больше или меньше, чем на батарее. В общем здесь все подбирается экспериментально и с головой, а если вы собрали макетный блок - голова работает.

Рабочий пуск

Теперь следует снять защитную лампу и заменить ее перемычкой или предохранителем 3-4А. Не уверен, что от предохранителя есть толк, я его ставил для самоуспокоения. Попробовать пуск с галогенкой на выходе, холостом ходу - все должно быть стабильно и без перегрева.

Теперь можно подключать шуруповерт и оценить мощность вращения. Мой зеленый бош работал так, что наверное с новой батареей было меньше мощности, при этом не перегревался. Для защиты шуруповетра от слишком больших токов в разрыв цепи можно воткнуть ограничительный шунт, заодно и померить токи. Защиту на полевом транзисторе делать я не стал, да и толку от нее не вижу: напряжение падает пропорционально увеличению тока, импульсы тока при слабом нажатии кнопки огромны (хоть и очень короткие) и будут заставлять защиту включаться.

Необходимо проверить конденсаторный баян на выходе на нагрев при больших нагрузках. У меня фиксировалась самая большая нагрузка в момент слабого нажатия кнопки, когда двигатель пищит. При этом ноги одиночного конденсатора обгорали.

Я не смог остановить шуруповерт рукой никак! Зато натер приличные мозоли! Все-таки ограничительный шунт не помешает в рабочем блоке, здесь следует руководствоваться ощущением силы вращения, а не измерениями, и контролировать нагрев двигателя. Я шунт не поставил в конечную версию, слишком много места он занимает. Ориентировочно, шунт, ограничивающий ток в 20А это: 12В(по факту просядет ниже)/20А=0,6 Ом. Взять щунт 0,6 Ом и ориентируясь на мощность вращения корректировать в сторону уменьшения, пока не появится излишнего нагрева.

Китайским мультиметром и шунтом я намерял максимальный ток где-то между 15 и 20А, это при торможении, на сколько хватало сил и руки. При слабо нажатой кнопке, когда двигатель пищит еще не запускаясь, токи были более 20А. Стоит отметить, что измерения очень приблизительные и могут сильно отличаться от реальности - цифровой мультиметр не в состоянии адекватно измерить пульсирующее напряжение на шунте. Если вы совсем новичок и не знаете, как измерить большой ток шунтом и мультиметром - про это будет небольшой обзорчик, а пока... Зачем оно вам надо?

Снаббер

Как я писал выше, цепочка C5R3 может сильно греться, точнее именно резистор. И даже если нагрева нет на ХХ или малых нагрузках, при большой нагрузке резистор может аж вонять. Объясняется это повышением частоты преобразования с повышением выходного тока, следовательно, сопротивление конденсатора уменьшается. Изначально C5 следует брать 3.3 нанофарада (3300 пФ) и подбирать по нагреву резистора, уменьшая емкость. Я остановился на 1000 пФ. Обратите внимание, что щупать детали следует на выключенном блоке и разряженном конденсаторе C2. Выпрямленное и отфильтрованное сетевое напряжение составляет около 310В!

Не стоит уменьшать емкость конденсатора с запасом, чтобы нагрева не было вообще! Тогда от него будет мало толку. Нагрев должен быть терпимым для длительного использования.

Печатная плата

Плата блока питания шуруповерта

Я плохой проектировщик печаток, поэтому плата у меня получилась громоздкой, двухэтажной. Если кто будет разрабатывать свою печатную плату - буду благодарен если предоставите рисунок, контакты в подвале сайта.

Два уровня платы сделаны из двух кусков стеклотекстолита 70Х70 мм. На первом этаже находятся фильтрующие конденсаторы, силовой трансформатор и мягкими проводами подпаяны транзисторы. Печатка прорезана острым резаком без всякого травления. Монтаж деалей обычный, в отверстие, рисунок со стороны медной фольги. Подпаянные транзисторы находятся на радиаторе под платой вместе с диодной сборкой Шоттки VD3, VD4.

Печатная плата силовой части

Платы соединены между собой медным одножильным монтажным проводом, перемычка с эмиттера VT1 лишняя, она задумывалась для работы защиты, от которой я отказался.

Плата силовой части

Вторая плата выполнена поверхностным монтажем. У меня влезли не все выходные конденсаторы, пришлось их добавлять в корпус батареи.

Печатная плата выходной части и выпрямления

На вторую плату подается сетевое напряжение, с нее же берется выходное. С диодной сборки приходит +, на которую в свою очеред приходят крайние выводы вторички Тр1. При уверенной работе без ОС по напряжению, цепь с С15 не нужна, как и соответствующие этой цепи обмотки.

Плата выходной части и выпрямления

На плату не влезли все конденсаторы выходного конденсаторного баяна, поэтому несколько конденсаторов пришлось расположить в клеммном углублении батарейного отсека.

Плата блока питания в батарейном отсеке

Дно батарейного корпуса пришлось вырезать, так как плата не влезла полностью, к тому же для надежности был использован радиатор. В конечном итоге у меня получился такой блок:

Универсальный блок питания шуруповерта в корпусе батареи

При грамотном проектировании и использовании подходящих компонентов, блок все-таки можно поместить в родной корпус батареии не вылазия за его пределы. Мне это почти удалось. С другой стороны, если использовать блок отдельно от шуруповерта, можно вообще не переживать за габариты. Однако в таком случае придется использовать провод от преобразователя до шурика сечением не менее 2,5 мм2. На 4-х метровом проводе 1,5 мм2 мощность немного падает.

Данное решение является интересным с точки зрения применения: никаких ШИМ-ов и сложных схем, его можно применять для питания различных мощных приборов. Не зря ведь эту схему широко используют для питания галогенных ламп!

На этом мы закончим описание, позднее здесь же дам объективную оценку использования блока в реальных, рабочих условиях стройки. Предварительная оценка по мощности вращения: 5+!

Переделанный шуруповерт от сети

Смотрите так же другие статьи

Вернуться в раздел "Электроника"



© Yserogo.ru Все права защищены.
Дизайн : ® Творческая мастерская Федора Рашпиля.