В настольном станке изначально был установлен мотор небольшой мощности, который вскоре пришлось заменить на более производительный двигатель постоянного тока с характеристиками 160 В и 3 А. Я установил его на свой токарный станок и временно подключил через блок питания типа трансформатор с выпрямителем и фильтром. Однако габариты трансформатора оказались настолько велики, что пришлось разместить блок питания снаружи станка. Чтобы решить эту проблему, я спроектировал и собрал компактный импульсный источник питания, который поместился в основании токарного станка. Этот источник питания автоматически включается и выключается вместе с двигателем и обладает функцией ограничения тока, что особенно важно для защиты магнитов двигателя от размагничивания при запуске или перегрузке.
Схема принципиальная БП на 160V
Схема нового блока питания получилась нестандартной. Для мощности порядка 500 Вт большинство радиолюбителей выбрали бы полумостовую или полную мостовую топологию. Но в моем случае гальваническая изоляция постоянного тока от сети 220 В была не обязательна. Поэтому реализовал простую схему понижающего преобразователя с одним MOSFET, управляемым популярным контроллером UC3842. Интересной особенностью является размещение MOSFET на отрицательной стороне схемы, что позволило использовать доступный N-канальный транзистор, напрямую управляемый микросхемой. По сути, это обычный понижающий регулятор, пусть и с некоторыми нюансами.
Один из вызовов при создании этой схемы связан с тем, что выходное напряжение привязано к положительной шине, а это усложняет обратную связь с управляющим контроллером. Многие используют оптопары для решения этой проблемы, что влечет за собой трудности с их нестабильностью. Я же выбрал альтернативное решение — передатчик тока с использованием недорогого высоковольтного PNP-транзистора. Благодаря его высокому выходному сопротивлению удалось добиться чистой и пропорциональной передачи сигнала обратной связи на UC3842. Это решение оказалось не только эффективным, но и максимально простым.
Поскольку понижающий преобразователь работает с рабочими циклами, превышающими 50%, пришлось применить компенсацию наклона, реализованную на транзисторе Q2. Это обеспечило устойчивость контура при любых режимах работы.
Ключевое отличие этого источника питания от большинства других заключается в его способности быстро запускаться при полной нагрузке и оперативно перезапускаться вскоре после выключения. Эта особенность была крайне важна для встраивании источника питания в токарный станок, оборудованный переключателем переменного тока. На входе схемы после выпрямителя использовал относительно небольшой фильтрующий конденсатор. Высокий уровень пульсации на нём не влияет на работу схемы, а компактный конденсатор дополнительно улучшает коэффициент мощности на входе. Кроме того, его небольшая ёмкость способствует быстрому разряду источника питания после отключения, предотвращая вращение двигателя в течение заметного времени после выключения. Для ограничения пускового тока используется резистор на 2,7 Ом, который замыкается после достижения источником питания нормального рабочего напряжения.
Для работы UC3842 необходимо быстрое повышение питающего напряжения, а также наличие достаточного запаса энергии, чтобы поддерживать работу чипа с момента срабатывания блокировки низкого напряжения до достижения нормального уровня питания. Для этого конденсатор C2 имеет ёмкость 330 мкФ, что значительно превышает стандартное значение. Он заряжается через резистор на 15 кОм от выпрямленного напряжения сети, обеспечивая быстрое нарастание напряжения. Чтобы избежать перегрева резистора, он отключается реле, которое также замыкает резистор R1 после запуска источника питания. Как это обычно бывает с UC3842, в нормальном режиме работы микросхема питается от вспомогательной обмотки, размещённой на выходном дросселе (или трансформаторе, если он используется).
Выходной дроссель рассчитан на индуктивность 8,5 миллигенри и не должен насыщаться при токах до 4,5 А. Я изготовил индуктор на пластиковом каркасе, выточенном на токарном станке, используя ферритовый сердечник от строчного трансформатора старого ЭЛТ-монитора с обязательным наличием воздушного зазора. Провод для основной обмотки был выбран с учётом непрерывного тока в 3 А, а вспомогательная обмотка, питающая UC3842, имеет 1/12 числа витков основной обмотки, из более тонкого провода.
Обратите внимание, что в схеме указан фильтр электромагнитных помех. В моём токарном станке уже установлен встроенный фильтр, предназначенный для подавления искровых помех, возникающих в пусковой цепи асинхронного двигателя. Поэтому в конструкции блока питания не добавлял дополнительных фильтров. Но если вы планируете использовать подобный блок в другом устройстве, обязательно включите входной фильтр помех!
Для создания компактного и надёжного блока питания разработал печатную плату. Все компоненты размещены на односторонней плате, где предусмотрены необходимые соединения. Однако стоит отметить, что моя компоновка платы сильно зависит от размеров и формы конкретных компонентов. Поэтому её универсальность может быть ограничена. Тем не менее, предоставляю конструкцию платы, показанную со стороны установки компонентов. Расположение элементов позволяет легко понять, какая часть куда подключается, хотя обозначения деталей указаны условно, без идентификации. Размер платы составляет 112 x 115 мм.
Обратите внимание на несколько неподключённых контактных площадок на плате. Они предусмотрены исключительно в качестве направляющих для сверления отверстий. Они нужны для закрепления дросселя, а также для подключения входных и выходных проводов.
