В предлагаемой вниманию читателей статье описаны импульсный стабилизированный сетевой выносной блок питания (в быту и, нередко, в технической литературе их называют адаптерами) на основе микросхемы серии VIPer и питаемое им "интеллектуальное" зарядное устройство на специализированной микросхеме MAX713CPE.

"Интеллектуальным" зарядным устройствам (ЗУ) на страницах "Радио" уделено весьма много внимания. Конечно, об интеллекте можно говорить только условно: обычно под ним подразумевают способность устройства анализировать состояние заряжаемого аккумулятора и на основе некоторых обязательных признаков выбирать тот или иной зарядный режим. Причем алгоритм зарядки определяется типом аккумулятора. Для литий-ионных (Li-Ion) он должен соответствовать описанному в статье [1], а никель-кадмиевых и никель-металлгидридных (Ni-Cd, Ni-MH) - [2].

В публикациях [1, 3] предложены конкретные варианты ЗУ. Несмотря на "интеллект" этих устройств и вопреки рекомендуемому методу зарядки аккумуляторов в начальный момент максимально возможным током (более 1 А), они используют ток всего 250...300 мА! Почему? Ответ, как кажется автору, прост. Если в качестве источника зарядного тока применять широко распространенные стабилизированные и нестабилизированные сетевые выносные блоки питания (БП) - их нередко называют адаптерами (по зарубежной терминологии - Wall Cube), в продаже весьма трудно найти экземпляр с максимальным током 1 А и более. К тому же рынок чрезвычайно наполнен подделками. Попытка автора использовать БП BPS 12-0,5, произведенный "загадочной" MAX Company, оказалась неудачной: адаптер с гарантируемым выходным током 0,5 А перегревался даже при токе нагрузки 300 мА. Но корпус устройства выполнен вполне эргономично, поэтому он был использован для собственной разработки импульсного стабилизированного сетевого БП.

• Интервал входного напряжения, В......150...250
• Номинальная частота преобразования, кГц......60
• Выходное напряжение, В......6
• Номинальный ток нагрузки, А......1
• Среднеквадратическое значение пульсаций выходного напряжения, мВ, не более......15
• КПД, %......82
• Габариты (без сетевой вилки), мм......70x48x36

БП защищен от замыканий в нагрузке. Его можно использовать для питания другой аппаратуры (переносные радиоприемники и магнитофоны, плейеры, телефонные автоответчики, цифровые устройства и т. п.), батарейный отсек которой рассчитан на четыре элемента питания типоразмера АА. При необходимости выходное стабилизированное напряжение можно изменить в интервале 3...9 В без перемотки импульсного трансформатора.

Схема БП показана на рис. 1. Основной элемент устройства - специализированная микросхема VIPer12A, производимая в корпусах DIP-8 и SO-8 (для поверхностного монтажа). О проектировании подобных импульсных источников питания подробно рассказано в статье [4].

(нажмите для увеличения)

Сведения о микросхеме можно найти в рекомендованном там программном обеспечении проектирования VIPer Designe Software/ Documentation/Datasheet/VIPerl 2A.

Особенности используемой микросхемы - встроенный генератор фиксированной частоты преобразования 60 кГц, что позволяет свести к минимуму число элементов "обвязки", а также узел регулирования предельного значения стокового тока в микросхеме внешним положительным напряжением. В отсутствие этого напряжения VIPer12A обеспечивает ограничение тока на уровне 0,4 А. В устройстве на вывод 3 FB (FeedBack - обратная связь) через стабилитрон VD2 подано напряжение питания микросхемы DA1 (приблизительно 24 В). Входной ток по входу FB не должен превышать 3 мА. Увеличение входного тока приводит к уменьшению амплитудного значения тока стока (и наоборот) с коэффициентом усиления около 320. В результате сравнения напряжения на обмотке связи II трансформатора Т1 с напряжением стабилизации стабилитрона VD2 коэффициент заполнения коммутирующих импульсов изменяется так, чтобы выходное напряжение оставалось стабильным. При изменении сетевого напряжения в интервале 150...250 В отклонение выходного напряжения от номинального не превышает 0,1 В.

Назначение остальных элементов БП ничем не отличается от аналогичных, в описанных ранее подобных устройствах.

Все детали смонтированы на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рис. 2. Чтобы уменьшить создаваемые БП помехи, со стороны печатных проводников через надежный изолятор прикрепляют электростатический экран из жести с размерами печатной платы, электрически соединенный с общим проводом (с минусовым выводом диодного моста VD1). Для этого можно использовать тот же односторонне фольгированный стеклотекстолит, из которого изготовлена печатная плата.

(нажмите для увеличения)

С целью уменьшения габаритов в устройстве применены импортные оксидные конденсаторы. Конденсаторы С1-C3, 07, С8 - керамические или пленочные на номинальное напряжение не менее 630 В, остальные - керамические на напряжение не менее 50 В. Резисторы - МЛТ или подобные. Дроссель L2 - высокочастотный малогабаритный ДПМ-2,4. Диодный мост S1WB40 (VD1) с предельным током 1 А и допустимым обратным напряжением 400 В заменим любым другим с аналогичными параметрами, при этом потребуется изменить конфигурацию печатных проводников или соответствующим образом отформовать выводы моста. Диод FR207 (VD3) допустимо заменить отечественным КД257Д. При подборе аналога рекомендуемого диода КД212АМ (VD4) следует учитывать, что для него обратное напряжение в устройстве заметно превышает 100 В.

В выходном выпрямителе использован диод Шотки 1 N5822 (VD5) с максимальным током 3 А и допустимым обратным напряжением 40 В. Он вполне заменим отечественным с подобными параметрами. Эффективность стабилизации выходного напряжения обеспечивается параметрами стабилитрона. Вместо указанного на схеме можно применить стабилитрон КС224Ж. Если использовать составной стабилитрон из отечественных серии Д814 и подобных, стабильность напряжения будет занижена. Изменять выходное напряжение БП можно простым подбором стабилитрона или его переключением.

В устройстве применена микросхема VIPer12A в корпусе SO-8. По техническим условиям все четыре стоковых вывода 5-8 должны быть припаяны к медной фольге печатной платы площадью не менее 200 мм2. При окружающей температуре 25 °С расчетная температура корпуса микросхемы не будет превышать 72 °С. Чтобы уменьшить тепловую нагрузку на микросхему в условиях плотного монтажа, автор использовал медный фланец неисправного транзистора в корпусе ТО-220, который установлен на штыревой теплоотвод размерами 13,5x16x23 мм. Стоковые выводы припаивают к фланцу. Корпус микросхемы, смазанный теплопроводящей пастой, пружинящей пластиной прижимают к фланцу. К остальным выводам микросхемы припаивают отрезки проводников МГТФ, которые затем впаивают в плату. Электрическое соединение стоковых выводов с печатными проводниками обеспечивает один из монтажных винтов МЗ, прикрепляющих фланец к плате. Для него предусмотрена соответствующая контактная площадка. Второй винт устанавливают через изолирующую шайбу. При монтаже следует учесть, что теплоотвод микросхемы не должен соприкасаться с близко расположенным магнитопроводом дросселя L1, электрически соединенным с общим проводом питания.

Дроссель сетевого фильтра L1 изготовлен на основе броневого магнитопровода Б14 с магнитной проницаемостью 1500...2000. Обмотки дросселя имеют одинаковое число витков. Их наматывают проводом ПЭВ-2 0,41 в двухсекционном каркасе (каждая - в своей секции) до заполнения.

Импульсный трансформатор рассчитан с помощью программы VIPer Designe Software [4]. Для него используют магнитопровод КВ8 из феррита М2500НМС1 со стандартными каркасом и монтажными клипсами. С каркаса удаляют щеку, свободную от выводов, и половину выводов. Обмотку III, содержащую пять витков провода ПЭВ-2 диаметром 1 мм, наматывают отдельно на оправке подходящего диаметра, а затем одевают на обмотку 1.1, состоящую из 31 витка провода ПЭВ-2 0,41. Поверх обмотки III наматывают обмотку I.2 из 27 витков провода ПЭВ-2 0,41 и самую верхнюю - обмотку II из 19 витков провода ПЭВ-2 0,12. Слои витков полуобмоток 1.1 и I.2 изолируют одним слоем, а обмотки - двумя-тремя слоями пленки, используемой в высоковольтных конденсаторах, или другого, желательно термостойкого изоляционного материала.

Трансформатор собирают с зазором 0,02 мм на боковых стенках, который обеспечен прокладкой из той же самой пленки. Расчетное значение индуктивности обмотки I трансформатора Т1 - 3210 мкГн, измеренное - около 3530 мкГн. Обмотку III выводом 8 впаивают в плату, а свободный вывод 7 соединяют навесным способом с анодом диода VD5, установленного перпендикулярно плате (как и большинство остальных элементов). Выводы 2 и 3 обмоток 1.1 и I.2 трансформатора Т1 подпаивают к одному из выводов каркаса. Затем этот вывод каркаса укорачивают на 1,5...2 мм и изолируют нитрокраской. В плату его не запаивают.

Устройство налаживания не требует, но перед первым включением желательно убедиться в качественном изготовлении импульсного трансформатора (эту операцию выполняют до монтажа микросхемы DA1 в БП), а также в правильности монтажа и исправности используемых элементов. Для этого можно использовать универсальный прибор для проверки импульсных источников питания [5]. Чтобы обеспечить частоту коммутирующих импульсов 60 кГц, параллельно конденсатору С4 в приборе подпаивают еще один емкостью 160... 180 пФ. Параллельно резистору R9 (рис. 1 в [5]) подсоединяют осциллограф. Прибор подключают к импульсному трансформатору. К выходу БП подсоединяют эквивалент нагрузки. Плавно увеличивая с помощью лабораторного автотрансформатора сетевое напряжение на входе устройства, наблюдают осциллограмму. При сетевом напряжении 220 В на эквиваленте нагрузки должно быть примерно 6 В, а амплитуда наблюдаемых на экране осциллографа пилообразных импульсов тока не должна превышать 0,25 А. Увеличивая сетевое напряжение до 250 В, убеждаются в отсутствии насыщения магнитопровода.

Кроме того, проверяют фазировку обмотки II, для чего измеряют напряжение на конденсаторе С6 БП, которое должно соответствовать примерно 25 В. Контролируя форму импульсов на стоке транзистора VT2 в приборе, убеждаются в эффективности функционирования демпфирующей цепи VD3C7R1 БП, после чего прибор отключают, а на плату БП устанавливают микросхему DA1. Устройство готово к использованию.

(нажмите для увеличения)

Стабилизированное напряжение 6 В через разъем XS1 подают на вход ЗУ, схема которого показана на рис. 3. Поскольку обычно используют только один конкретный тип аккумуляторов, не имеет особого смысла выполнять устройство универсальным. Описываемый вариант "интеллектуального" ЗУ рассчитан на зарядку Ni-Cd аккумуляторов емкостью 1000 мА-ч. Основа устройства - специализированная микросхема МАХ713СРЕ фирмы Maxim. Функциональное назначение ее выводов приведено в таблице.

(нажмите для увеличения)

Как отмечено выше, подобное устройство описано в статье [3]. Однако оно предназначено для зарядки шести аккумуляторов током 0,25 А. Кроме того, совершенно непонятно, почему автор конструкции соединил у микросхемы выводы 1 и 15, тем самым нарушая рекомендации разработчика и исключая одно из "интеллектуальных" свойств ЗУ - прекращать быструю зарядку аккумулятора, когда напряжение на его выводах достигнет некоторого заданного значения. А такое явление весьма возможно, если использовать эксплуатировавшийся несколько лет аккумулятор, и в этом случае дальнейшая его быстрая зарядка небезопасна.

В предлагаемом устройстве можно быстро заряжать один или два аккумулятора (в зависимости от положения переключателя SA1) током 1,1 А, который приблизительно численно равен его емкости. Таймер устройства ограничивает время быстрой зарядки до 66 мин. Погрешность установки таймера - ±15%, она определяется конструктивными особенностями микросхемы.

По мнению автора, одновременная зарядка двух аккумуляторов целесообразна только в экстренных случаях, когда важно хотя бы частично их зарядить, не добиваясь полной заряженности. Связано это с используемым в микросхеме методом обнаружения окончания зарядки по уменьшению напряжения на аккумуляторе на 2,5 мВ по отношению к его максимальному значению (так называемый метод AV). Очевидно, что даже специальным подбором весьма трудно достичь абсолютно равную емкость элементов в батарее. Если емкость заряжаемых аккумуляторов значительно отличается, уменьшение напряжения на одном из них, с меньшей емкостью, может быть воспринято микросхемой, как момент окончания быстрой зарядки. В этом случае для достижения действительно полной заряженности батарею необходимо еще в течение нескольких часов дозаряжать малым током.

Кроме того, микросхема позволяет за 22 мин проводить так называемую сверхбыструю зарядку током, в 4 раза превышающим емкость аккумулятора. Но здесь следует учитывать тот факт, что ни один производитель не гарантирует длительное сохранение технических характеристик аккумуляторов при такой зарядке. Поэтому объективно обоснованным максимальным можно считать зарядный ток, численно равный емкости аккумулятора.

Алгоритм функционирования зарядного устройства весьма прост. После присоединения заряжаемой аккумуляторной батареи и включения напряжения питания загорается светодиод HL1 "Питание". Микросхема DA1 включает таймер зарядки и измеряет напряжение, приведенное к одному элементу батареи. Если оно менее 0,4 В, включается режим дозарядки малым током, приблизительно равным 30 мА. Как только измеряемое напряжение превысит указанный порог, автоматически включается режим быстрой зарядки током 1,1 А (это значение определяется сопротивлением резистора R5), открывается полевой транзистор в микросхеме, сток которого подключен к выводу 8, и загорается светодиод HL2 "Быстрая зарядка". И при дозарядке, и в случае быстрой зарядки микросхема измеряет падение напряжения на датчике - резисторе R5 и открывает регулирующий транзистор VT1 ровно настолько, насколько это требуется для создания необходимого падения напряжения (при быстрой зарядке - 0,25 В) на датчике тока. Стабилизация тока, таким образом, допускает некоторую нестабильность напряжения питания устройства, но "провалы" напряжения ниже допустимого уровня должны быть исключены, поскольку это может нарушить нормальное функционирование микросхемы.

В процессе зарядки через каждые 42 с ток зарядки выключается на 5 мс и микросхема измеряет напряжение на заряжаемой батарее, "запоминая" динамику его изменения во времени. При подходе к моменту, соответствующему полной зарядке, напряжение на батарее перестает увеличиваться, а затем начинает уменьшаться. Как только напряжение, приведенное к одному аккумулятору, уменьшится на 2,5 мВ, быстрая зарядка сменяется режимом дозарядки. То же самое произойдет, если истечет установленное таймером время или напряжение на аккумуляторе превысит 2 В. Это значение задают напряжением на выводе 1 микросхемы DA1, в нашем случае на него подано образцовое напряжение с вывода 16, равное 2 В. В режиме дозарядки батарея может находиться сколь угодно долго.

Описанное зарядное устройство можно модифицировать. Например, ввести тепловой мониторинг корпуса заряжаемого аккумулятора, что настоятельно рекомендует производитель при сверхбыстрой зарядке. Вместо линейного допустимо применить импульсный режим работы транзистора, регулирующего ток зарядки аккумулятора. Если необходимо, с помощью дополнительных элементов можно снизить ток дозарядки менее 30 мА. Эти и некоторые другие усовершенствования несложно провести, если воспользоваться сведениями о микросхеме МАХ713СРЕ.

С микросхемой следует обращаться осторожно. Несмотря на отсутствие в фирменной документации каких-либо предупреждений об опасности воздействия статического электричества, практика показала, что она ему подвержена в очень большой степени. Более того, некоторые радиолюбители, использовавшие ранее КМОП микросхемы с защитными диодами на входах, могли привыкнуть к тому, что их можно впаивать паяльником с рабочим напряжением 220 В. Однако следует помнить, что микросхема МАХ71ЗСРЕ, по сути, - микроконтроллер и прикосновение к выводам паяльником с рабочим напряжением 220 В из-за наводок сетевого напряжения может оказаться для нее убийственным! Поэтому целесообразно микросхему устанавливать на плату через переходную панель после окончательного завершения всех монтажных работ. Если потребуется изменить подключение выводов программирования или положение переключателя SA1, делать это следует только при выключенном напряжении питания.

ЗУ налаживания не требует, поэтому более подробно охарактеризуем его конструктивные особенности. Смонтировано оно на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рис. 4. Проволочные перемычки впаивают до монтажа микросхемы DA1 или переходной панели для нее. Готовый корпус использован от зарядного устройства ХМ-508. Из него же взяты светодиоды зеленого (HL1) и красного цвета свечения - HL2 (на схеме указаны возможные отечественные аналоги), а также переключатель SA1.

(нажмите для увеличения)

Резистор R5 - импортный, остальные - МЛТ-0,125 или подобные. Оксидные конденсаторы - любые отечественные или импортные, керамические конденсаторы С2, C3 на номинальное напряжение 50 В и более. Кроме указанного на схеме, можно использовать любой другой транзистор с коэффициентом передачи тока не менее 50, допустимым током коллектора не менее 3 А и напряжением насыщения не более 1,5 В при токе 1 А. Установлен он на теплоотводе размерами 40x32x8 мм, изготовленном из отрезка охлаждающего радиатора от процессора Реп-tium-100. Когда заряжают один аккумулятор, на транзисторе рассеивается мощность около 4 Вт, поэтому для облегчения его теплового режима в корпус устройства встроен малогабаритный вентилятор обдува процессора Pentium-100 модели DF1204SM, который при напряжении питания 6 В вращается бесшумно, но весьма эффективно. Если устройство использовать всегда для зарядки двух аккумуляторов, вентилятор можно не устанавливать. Конечно, допустимо обойтись вообще без вентилятора, но размеры теплоотвода и соответственно корпуса устройства в этом случае придется увеличить.

При зарядке одного аккумулятора в отсек вместо другого устанавливают замыкающую заглушку либо к свободным зарядным клеммам подключают амперметр на 2...3 А.

Автор: С.Косенко, г.Воронеж