Для создания AC/DC источников питания есть две микросхемы, которые можно назвать «народными» – IR2153 и TL494. Настолько много на них радиолюбители и профессиональные разработчики электроники создали источников питания. Но и из-за этой их популярности в интернете целая куча схем с ошибками: то пин микросхемы не туда подключен, то номинал элемента неверный…
В этой статье рассмотрю простейшее включение микросхемы IR2153 на примере источника питания лампового усилителя, который я делал в школьные годы. Эту схему можно будет брать за основу как одного из наиболее простых и дешёвых гальванически развязанных нестабилизированных источников питания. Добавлю, что работу выпрямителей и фильтров тут рассматривать не буду, это отдельная большая тема.
Но сразу хочу предупредить людей, что схема может быть опасна, так как имеет и высокие напряжения, и части, которые связаны с сетью 220 В.
Для начала расскажу про микросхему
IR2153 – это потомок более старых микросхем от фирмы IR (сейчас куплена Infineon) IR2155 и IR2151. Имеет несколько вариантов исполнения: IR2153 или IR2153S и IR2153D. В версию с буквой D в конце названия производитель добавил диод заряда бутстрепной ёмкости (экономия одного компонента для разработчика). Оба типа микросхем выпускаются в корпусах SOIC-8 и в DIP-8.
Микросхема внутри имеет стабилитрон, который позволяет питать её нестабилизированным напряжением или даже просто через токоограничивающий резистор, который вместе с внутренним стабилитроном образует параметрический стабилизатор.
Микросхема имеет встроенный генератор типа таймера 555, который с помощью двух внешних элементов запускается на необходимой частоте. Также имеет все необходимые блоки задержки, мёртвого времени и сдвигов уровней для работы драйвера верхнего плеча.
Для задания частоты можно воспользоваться таблицей выбора номиналов резистора и конденсатора. А можно найти в интернете калькулятор, их достаточно много.
Ну и, наверное, главное и то, за что все её любят – напряжение драйвера верхнего ключа до 600 В. Это позволяет её использовать в сетевых источниках питания.
Вообще, даташит достаточно простой, понятный и недлинный, всем рекомендую 
.
Теперь немного про мой блок
На этой микросхеме можно сделать много интересных схем. И с защитами, и с разными включениями трансформатора, и с самопитанием, и со схемами ускоренного закрытия транзисторов полумоста... Но я специально представлю самое простое решение, а дальше уже можно фантазировать и развиваться. Ещё это решение было продиктовано годами, когда я учился в школе, и почти все элементы для него были взяты из разной разобранной аппаратуры.
История блока
Мне требовалось запитать очередной ламповый усилитель. И после намотки одного выходного трансформатора и одного анодного дросселя что-то я понял, что уже не хочу мотать ещё и анодно-накальный, а ТАНы на тот момент у меня закончились. Прикинув возможность сделать неплохую фильтрацию и накального, и анодного напряжений (тогда ходили легенды, что импульсник в ламповой технике вообще нельзя использовать), решил сделать что-то простое для экспериментов. Именно поэтому на фотографиях и в схеме будут не совсем стандартные выходные выпрямительные и фильтрующие элементы.
Схема
Для начала выпрямил сетевое в 310 В. Так как компоненты были взяты те, которые были под рукой, то решил заложить в сетевой выпрямитель возможность установить разные электролиты. И именно от входного фильтра был продиктован вариант схемы с питанием трансформатора от средней точки входного фильтра.
Тогда почти во всех компьютерных БП были электролиты на напряжение не более 200 В, что и продиктовало такой концепт.
После этого был изучен даташит и найденные в интернете схемы подобных конструкций. Была нарисована такая схема полумоста. Всего 22 элемента, не считая трансформатора.
Так как задействован стабилитрон, расположенный внутри микросхемы для стабилизации питания, необходимо учитывать его мощность, мощность, рассеиваемую корпусом микросхемы, и номиналы внешних резисторов для её питания. Кстати, было бы неплохо запитать её тоже от средней точки фильтрующих конденсаторов, и тем самым выиграть в мощности резисторов, тогда этого не заметил.
Вторым важным моментом является, если применяем микросхему без внутреннего диода, необходимость использовать не простой выпрямительный, а быстродействующий высоковольтный диод. Такими могут быть, например, 1N4937. Это критично, так как с медленными диодами, которые не будут успевать восстанавливаться, бутстрепный конденсатор просто может не успевать перезаряжаться, и верхнее плечо работать не будет.
В-третьих, у меня на схеме бутстрепный конденсатор на 250 В, но это из-за того, что был только такой. На самом деле достаточно будет любого от 25 В и выше. Но желательно достаточно качественного исполнения. Ёмкость его можно рассчитать, зная суммарный заряд включения и выключения силового ключа, сумму токов в цепи затвора (ток утечки диода, ток схемы сдвига уровня, ток питания драйвера, ток утечки затвора), частоту переключений, скважность и требуемую величину пульсаций на конденсаторе. Для начала это может показаться сложным, поэтому формулу и конкретный разбор не привожу. В следующих статьях, я, надеюсь, дойду и до этого.
VD4 и VD6 применены для более быстрого разряда и, соответственно, закрытия ключа, так как через токоограничивающий резистор заряда затвора они будут разряжаться медленнее.
Про частоту. В даташите есть таблица, по которой отлично можно подобрать частотозадающий резистор в зависимости от ёмкости используемого конденсатора. Или более точно посчитать по формуле: f = 1/(1.4 × (R + 75) × C. А ещё есть неплохие онлайн калькуляторы. В моём случае частота задана в районе 58 кГц. Под неё и рассчитывался трансформатор.
Странные цепочки из резистора, диода и конденсатора (R2 - VD3 - C12, R8 - VD5 - C17), а также С13. Это то, что называется снаббер. Очень много про это все слышали разного, и сколько копий сломано на форумах… Попробую в нескольких предложениях описать его. Во всех цепях есть паразитные составляющие: индуктивности, ёмкости, сопротивления. При быстрых переключениях даже самые малые индуктивности (выводы транзисторов, топология платы, выводы конденсаторов) могут вызывать достаточно большие выбросы напряжения и тока. Эти импульсы без проблем выводят из строя, казалось бы, с большим запасом по напряжению выбранные транзисторы. А также могут влиять на спонтанное открытие или отнюдь – не открытие транзистора. Главный параметр для понимания этих выбросов – изменение тока от времени (скорость его) di/dt. Многие производители силовых транзисторов указывают индуктивность их выводов с учётом внутренней разварки до кристалла. Но остаётся ещё много всего (плата и прочие компоненты схемы), на что не даны такие параметры, и измерить тяжело. Тут есть несколько способов. Можно включить и измерить, а можно примерно посчитать, а уже потом при пусконаладке подобрать уже оптимальные номиналы. Сопротивление часто подбирают раз в 10-100 больше сопротивления открытого канала ключа, а конденсатор либо считается по формуле, зная di/dt и все индуктивности (супер редкий случай), либо подбирается на прототипе с контролем гашения паразитных импульсов и времени закрытия – открытия. Есть интересная статья про эти цепи. Кстати, в ней высказано мнение о ненужности диодов, которые у меня на схеме установлены.
Далее сделал выпрямители с возможностью установки разных индуктивностей фильтров анодного и накальных напряжений.
Накальные были сделаны на двух диодных сборках из тех же компьютерных БП.
В принципе вот и всё. Далее был рассчитан трансформатор. Феррит был также использован от компьютерного БП.
Плата
Плата была сделана самая простая в один слой для лазерно-утюжного метода. К габаритам тоже особых требований не имел.
Вот так получилось. Тут совершенно не претендую на верность топологии. И даже рекомендовал бы не брать её за референс. Сейчас, спустя годы, вижу не очень грамотные моменты в ней.
На самом деле очень здорово, что догадался тогда сделать фото этого блока. Именно найдя эти фото, и решил написать эту заметку про IR2153.
Что нужно сказать. Фильтры для накала не сильно-то и критичны. А вот фильтры для анодного мне пришлось попаять разные на эту плату. И потом ещё стабилизатор сделал в самом уже усилителе. Тут на фото можно увидеть несколько дросселей, резистор и электролиты.
На фото запаяно всё, что было под рукой и это too much по электролитам. На самом деле достаточно одной пары в входном фильтре. Причём самой маленькой. С таким набором, как на фото, нужно иметь плавный старт для их заряда. А вот по выходу стоит ставить конденсаторов побольше и в параллель. Это обосновано уменьшением их ESR, что уже заметно влияет на пульсации выходного напряжения.
Важным моментом является подбор номиналов снабберных цепей. Например, конденсаторы должны быть примерно 330-1000 пФ. Про точный рассчёт и подбор номиналов расскажу в следующих статьях.
Надеюсь, эта статья пригодится в качестве концепта и для знакомства с данной микросхемой. А также даст желание углубиться в эту тему и почитать в интернете другие источники.
