Софт-старт или устройство мягкого включения усилителя

Плавное нарастание напряжения блока питания как средство борьбы за надёжность радиоэлектронной аппаратуры. Схемы устройств софт-старта от простейшего к простому: пассивные, на полевых и биполярных транзисторах

Как следует из названия, софт-старт (soft-start) – это устройство, осуществляющее плавное включение блока питания, а точнее, снижающее пусковые токи ИП в начальный момент его включения.
В основном оно используется с электронным оборудованием, потребляющим от сети значительную мощность. Причём, чем больше потребляемая мощность и чем выше номиналы сглаживающих конденсаторов, тем больше пользы от устройства плавного пуска.
Проблема состоит в том, что конденсаторы сглаживающего фильтра в первый момент включения полностью разряжены, их реактивное сопротивление крайне низко, а поэтому и ток, потребляемый ими при заряде, может достигать значительных величин. По мере заряда конденсаторов фильтра, ток снижается и снижается довольно быстро, поэтому перегрузка, вызываемая им, является кратковременной или другими словами – импульсной.

Эксперименты, описанные на сайте https://electroclub.info/ с трансформаторами различной мощности выявили 13-ти кратную импульсную перегрузку по току по отношению к номинальным токам вторичных обмоток.
Подобные импульсные перегрузки не сильно приятны ни трансформатору, ни выпрямительным диодам, ни электролитическим фильтрующим конденсаторам, т. к. пусковые импульсные токи через них могут значительно превышать значения предельно допустимых токов (длительных).
При этом, при правильном выборе компонентов, а также, учитывая импульсный характер перегрузки, такие пиковые токи не являются для элементов смертельными. Однако если мы хотим 100% уверенности в том, что и через несколько лет наш трансформатор в усилителе не загудит, а мощные электролиты останутся в полном здравии, то подобное устройство, осуществляющее плавное включение БП питания, будет совсем не лишним. Что, собственно говоря, и подтверждают некоторые производители аппаратуры.

На Рис.1 приведена схема простейшего устройства софтстарта, позволяющая повысить надежность аппаратуры и уменьшить помехи в сети в момент включения.

Рис.1 Схема простейшего устройства софт-старта

В начальный момент (при подаче питания) конденсаторы С2 и СЗ будут заряжаться через резисторы R2 и R3 – они ограничивают ток до безопасного для элементов выпрямителя значения. Для номиналов резисторов и напряжений, приведённых на схеме, максимальный ток будет ограничен уровнем I = E_пит/R2 = 3 А.
Напряжение на сглаживающих емкостях начинает плавно нарастать с постоянной времени τ = R2*C2 = R3*C3 = 0.22 сек.

Примерно через 1 секунду, после того как зарядится конденсатор С1 и напряжение на катушке реле Rel1 возрастет до величины срабатывания, оно своими контактами Rel1.1 и Rel1.2 зашунтирует ограничительные резисторы R2, R3. В этот момент выпрямитель переходит в рабочий режим, то есть его функционирование ничем не отличается от выпрямителя без софт-старта.

В схеме применено реле на 12 вольт. Его контакты должны быть рассчитаны на действующий в цепях питания усилителя максимальный ток, но лучше на ток, в пару-тройку раз превышающий его.

Устройство софт-старта может работать с любыми напряжениями, превышающими 25 вольт. При этом номинал сопротивления резистора R1 необходимо пересчитать под конкретные значения сопротивления обмотки реле и напряжения питания по формуле: R1 = R_обм(Е_пит/12 - 1).

Номиналы резисторов R2, R3 зависят от тока нагрузки, и их сопротивление может быть изменено как в сторону увеличения, так и уменьшения.

Для снижения коммутационных токов реле, его контактную группу можно перенести в цепь первичной обмотки трансформатора. Один из вариантов подобной переработки приведён на Рис.2.

Рис.2 Схема софт-старта с коммутацией в первичной обмотке тр-ра

Здесь токоограничивающий резистор R1, задействованный при подаче напряжения, лимитирует пиковый ток первичной обмотки на уровне I_перв ≈ 220v/R1 ≈ 1.5А.
При этом пиковый ток вторичных обмоток (в начальный момент включения) с учётом: коэффициента трансформации, сопротивления и индуктивности рассеяния обмоток, ёмкости конденсаторов, длительности питания через резистор и т. д. и т. п. составил около 4 А.
Приблизительная формула для расчёта балластного резистора R1 в зависимости от мощности трансформатора имеет вид: R1(Ом) = 48400/ Р_транс(Вт).

Время от начального момента подачи напряжения до замыкания реле для выходного напряжения выпрямителя 30 В составляет около 1 сек и определяется номиналами R2 и С3. Если это напряжение составляет 50 В, то R2 следует увеличить до 620 Ом.

Используемый тип реле следует выбирать, исходя из возможности коммутировать 2000 VA нагрузку.

Простейшие пассивные схемы софт-стартов, приведённые выше, помимо своих очевидных достоинств, имеют и один существенный недостаток – напряжение на обмотке реле при подаче напряжения нарастает плавно, а это может привести к искрению, а соответственно, повышенному износу контактных групп. Исправить ситуацию поможет введение в схему биполярного или полевого транзистора, работающего в ключевом режиме. Такой транзистор значительно увеличит скорость нарастания напряжения на обмотке, что, в свою очередь, повысит надёжность устройства.

На рисунке Рис.3 приведена схема софт-старта с транзистором и коммутацией токоограничивающих резисторов во вторичных обмотках трансформатора.

Рис.3 Схема софт-старта с коммутацией во вторичных обмотках тр-ра

В данном случае питание схемы коммутации реле лучше производить от отдельного источника, т. к. это обеспечит достаточно быстрое размыкание реле при выключении тумблера питания. В устройстве используется простейший бестрансформаторный источник питания на 12 В с балластным (гасящим) конденсатором.
В качестве выпрямительных диодов (Br2) в нём можно использовать либо любые высоковольтные выпрямительные диоды (например, 1N4007), либо какой-либо готовый мост, рассчитанный на напряжение сети.
Время от момента подачи напряжения до замыкания реле определяется номиналом конденсатора С5 и составляет около 1 сек.

На Рис.4 изображено устройство софт-старта с коммутацией токоограничивающего резистора в первичной обмотке трансформатора. Схема управления реле на транзисторе ничем не отличается от предыдущей.

Рис.4 Схема софт-старта с коммутацией в первичной обмотке тр-ра

Схема, приведённая на Рис.5, будет полезной для желающих использовать в цепи управления реле полевой транзистор.

Рис.5 Схема управления реле на полевом транзисторе

В качестве Т1 можно использовать любой MOSFET n-канальный транзистор с допустимым током стока свыше 200 мА.

ВНИМАНИЕ!!! Поскольку в приведённом бестрансформаторном источнике 12-V напряжения нет гальванической развязки от сети, в устройстве присутствует высокое напряжение. Поэтому при работе с платой ИП следует соблюдать осторожность, так как существует реальная опасность долбануться об неё током!