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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Convertitore di tensione single-ended stabilizzato
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Convertitori di tensione, raddrizzatori, inverter L'articolo descrive i principi di costruzione e una versione pratica di un semplice convertitore di tensione stabilizzato a impulsi che fornisce il funzionamento su un'ampia gamma di variazioni della tensione di ingresso. Tra le varie fonti di alimentazione secondaria (PSPS) con ingresso senza trasformatore, il convertitore auto-oscillatore a ciclo singolo con collegamento “inverso” di un diodo raddrizzatore [1] (Fig. 1) si distingue per la sua estrema semplicità.
Consideriamo innanzitutto brevemente il principio di funzionamento di un convertitore di tensione non stabilizzato e quindi il metodo per stabilizzarlo. Trasformatore T1 - induttanza lineare; Gli intervalli di accumulo di energia in esso e il trasferimento dell'energia accumulata al carico sono distanziati nel tempo. Nella fig. 2 mostra: II - corrente dell'avvolgimento primario del trasformatore, III - corrente dell'avvolgimento secondario, tн - intervallo di accumulo di energia nell'induttore, tп - intervallo di trasferimento di energia al carico.
Quando la tensione di alimentazione Up è collegata, la corrente di base del transistor VT1 inizia a passare attraverso il resistore R1 (il diodo VD1 impedisce il flusso di corrente attraverso il circuito dell'avvolgimento di base e il condensatore C2 che lo devia aumenta il feedback positivo (POF) nello stadio formazione di fronti di tensione). Il transistor si apre leggermente, il circuito PIC si chiude attraverso il trasformatore T1, in cui avviene il processo rigenerativo di accumulo di energia. Il transistor VT1 entra in saturazione. La tensione di alimentazione viene applicata all'avvolgimento primario del trasformatore e la corrente II (corrente di collettore Ik del transistor VT1) aumenta linearmente. La corrente di base IB del transistor saturo è determinata dalla tensione sull'avvolgimento III e dalla resistenza del resistore R2. Nella fase di accumulo dell'energia, il diodo VD2 è chiuso (da cui il nome del convertitore - con inclusione "inversa" del diodo) e il consumo di energia dal trasformatore avviene solo dal circuito di ingresso del transistor attraverso l'avvolgimento di base. Quando la corrente di collettore Ik raggiunge il valore: IK max = h21EIB, (1) dove h21E è il coefficiente di trasferimento di corrente statico del transistor VT1, il transistor esce dalla modalità di saturazione e si sviluppa un processo rigenerativo inverso: il transistor si chiude, il diodo VD2 si apre e l'energia accumulata dal trasformatore viene trasferita al carico. Dopo che la corrente dell'avvolgimento secondario diminuisce, ricomincia la fase di accumulo dell'energia. L'intervallo di tempo tï è massimo quando il convertitore è acceso, quando il condensatore C3 è scarico e la tensione di carico è zero. In [1] è mostrato che l'alimentatore assemblato secondo il circuito di Fig. 1, - convertitore funzionale della sorgente di tensione di alimentazione Fino alla sorgente di corrente di carico In. È importante notare: poiché le fasi di accumulo e trasmissione dell'energia sono separate nel tempo, la corrente massima di collettore del transistor non dipende dalla corrente di carico, ovvero il convertitore è completamente protetto dai cortocircuiti in uscita. Tuttavia, quando il convertitore è acceso senza carico (modalità inattiva), un picco di tensione sull'avvolgimento del trasformatore nel momento in cui il transistor si chiude può superare il valore massimo consentito della tensione collettore-emettitore e danneggiarlo. Lo svantaggio del convertitore più semplice è la dipendenza della corrente di collettore IK max, e quindi della tensione di uscita, dal coefficiente di trasferimento di corrente statico del transistor VT1. Pertanto, i parametri di alimentazione varieranno in modo significativo quando si utilizzano istanze diverse. Un convertitore che utilizza un transistor di commutazione "autoprotetto" ha caratteristiche molto più stabili (Fig. XNUMX).
La tensione a dente di sega dal resistore R3, proporzionale alla corrente dell'avvolgimento primario del trasformatore, viene applicata alla base del transistor ausiliario VT2. Non appena la tensione ai capi del resistore R3 raggiunge la soglia di apertura del transistor VT2 (circa 0,6 V), si aprirà e limiterà la corrente di base del transistor VT1, che interromperà il processo di accumulo di energia nel trasformatore. Corrente massima dell'avvolgimento primario del trasformatore II max \u0,6d IK max \u3d 2 / RXNUMX (XNUMX) risulta essere poco dipendente dai parametri di una particolare istanza del transistor. Naturalmente, il valore limite di corrente calcolato dalla formula (2) deve essere inferiore alla corrente determinata dalla formula (1) per il valore peggiore del coefficiente di trasferimento di corrente statico. Consideriamo ora la possibilità di regolare (stabilizzare) la tensione di uscita dell'alimentatore. In [1] viene mostrato che l'unico parametro del convertitore che può essere modificato per regolare la tensione di uscita è la corrente IК max, o, che è lo stesso, il tempo di accumulo di energia tн nel trasformatore, e il controllo (stabilizzazione ) l'unità può solo ridurre la corrente rispetto al valore calcolato utilizzando la formula (2). Formulando il principio di funzionamento dell'unità di stabilizzazione del convertitore, possiamo determinarne i seguenti requisiti:
Gli schemi delle unità di controllo che implementano questo algoritmo riportati in [1] contengono un comparatore K521SAZ, sette resistori, un transistor, un diodo, due diodi zener e un trasformatore. Anche altri dispositivi noti, compresi gli alimentatori televisivi, sono piuttosto complessi. Nel frattempo, utilizzando un transistor di commutazione autoprotetto, è possibile costruire un convertitore stabilizzato molto più semplice (vedere lo schema in Fig. 4).
L'avvolgimento di feedback (OS) III e il circuito VD3C4 formano una tensione di feedback proporzionale alla tensione di uscita del convertitore. La tensione di stabilizzazione di riferimento del diodo zener VD4 viene sottratta dalla tensione di retroazione e il segnale di disadattamento risultante viene applicato al resistore R5. Dal motore del resistore di regolazione R5, la somma di due tensioni viene fornita alla base del transistor VT2: una tensione di controllo costante (parte della tensione di disadattamento) e una tensione a dente di sega dal resistore R3, proporzionale alla corrente dell'avvolgimento primario di il trasformatore. Poiché la soglia di apertura del transistor VT2 è costante, un aumento della tensione di controllo (ad esempio, con un aumento della tensione di alimentazione Upit e, di conseguenza, un aumento della tensione di uscita del convertitore) porta ad una diminuzione della corrente II, al quale si apre il transistor VT2 e ad una diminuzione della tensione di uscita. Pertanto, il convertitore viene stabilizzato e la sua tensione di uscita viene regolata entro piccoli limiti dal resistore R5. Il coefficiente di stabilizzazione del convertitore dipende dal rapporto tra la variazione della tensione di uscita del convertitore e la corrispondente variazione della componente di tensione costante basata sul transistor VT2. Per aumentare il coefficiente di stabilizzazione, è necessario aumentare la tensione di retroazione (il numero di spire dell'avvolgimento III) e selezionare il diodo zener VD4 in base alla tensione di stabilizzazione, che è inferiore alla tensione OS di circa 0,5 V. Il ampiamente utilizzato i diodi zener della serie D814 con una tensione OS di circa 10 V sono praticamente adatti. Va notato che per ottenere una migliore stabilità della temperatura del convertitore, è necessario utilizzare un diodo zener VD4 con un TKN positivo, che compensa la diminuzione della caduta di tensione attraverso la giunzione dell'emettitore del transistor VT2 quando riscaldato. Pertanto, i diodi Zener della serie D814 sono più adatti dei diodi Zener di precisione D818. Il numero di avvolgimenti di uscita del trasformatore (simile all'avvolgimento II) può essere aumentato, ovvero il convertitore può essere reso multicanale. Costruito secondo lo schema di Fig. 4 convertitori forniscono una buona stabilizzazione delle tensioni di uscita quando la tensione di ingresso cambia entro un intervallo molto ampio (150...250 V). Tuttavia, quando si opera con un carico variabile, soprattutto nei convertitori multicanale, i risultati sono leggermente peggiori, poiché quando la corrente di carico cambia in uno degli avvolgimenti, l'energia viene ridistribuita tra tutti gli avvolgimenti. In questo caso, la variazione della tensione di retroazione riflette con minore precisione la variazione della tensione di uscita del convertitore. È possibile migliorare la stabilizzazione quando si opera con un carico variabile se la tensione OS viene generata direttamente dalla tensione di uscita. Il modo più semplice per farlo è utilizzare un ulteriore convertitore di tensione del trasformatore a bassa potenza assemblato secondo uno qualsiasi dei circuiti noti [2]. Anche nel caso di una fonte di alimentazione multicanale è giustificato l'utilizzo di un convertitore di tensione aggiuntivo. Il convertitore ad alta tensione fornisce una delle tensioni stabilizzate (la più alta delle quali - ad alte tensioni, il filtro del condensatore all'uscita del convertitore è più efficiente [1]), e le tensioni rimanenti, inclusa la tensione OS, vengono generate da un convertitore aggiuntivo. Per la fabbricazione di un trasformatore, è preferibile utilizzare un nucleo magnetico in ferrite armato con uno spazio nell'asta centrale, che garantisce una magnetizzazione lineare. Se non è presente un circuito magnetico di questo tipo, è possibile utilizzare una guarnizione spessa 0,1...0,3 mm in PCB o anche in carta per creare uno spazio vuoto. È anche possibile utilizzare nuclei magnetici anulari. Sebbene la letteratura indichi che per i convertitori con connessione a diodo “inversa” considerati in questo articolo, il filtro di uscita può essere puramente capacitivo, l’uso di filtri LC può ridurre ulteriormente il ripple della tensione di uscita. Per un funzionamento sicuro dell'IVEP, è necessario utilizzare un resistore di regolazione (R5 in Fig. 4) con un buon isolamento del motore. Gli avvolgimenti del trasformatore, collegati galvanicamente alla tensione di rete, devono essere isolati in modo affidabile dall'uscita. Lo stesso vale per altri radioelementi. Come ogni generatore con conversione di frequenza, il generatore descritto deve essere dotato di uno schermo elettromagnetico e di un filtro di ingresso. La sicurezza dell'impianto del convertitore sarà garantita da un trasformatore di rete con rapporto di trasformazione pari all'unità. Tuttavia, è meglio utilizzare un LATR collegato in serie e un trasformatore di isolamento. L'accensione del convertitore senza carico porterà molto probabilmente alla rottura del potente transistor di commutazione. Pertanto, prima di iniziare la configurazione, collegare il carico equivalente. Dopo l'accensione, dovresti prima controllare la tensione sul resistore R3 con un oscilloscopio: dovrebbe aumentare linearmente nella fase tn. Se la linearità viene interrotta significa che il circuito magnetico sta entrando in saturazione e occorre ricalcolare il trasformatore. Usando una sonda ad alta tensione, controlla il segnale sul collettore del transistor di commutazione: la diminuzione dell'impulso dovrebbe essere piuttosto ripida e la tensione sul transistor aperto dovrebbe essere piccola. Se necessario, regolare il numero di giri dell'avvolgimento di base e la resistenza del resistore R2 nel circuito di base del transistor. Successivamente, puoi provare a modificare la tensione di uscita del convertitore con il resistore R5; se necessario, regolare il numero di giri dell'avvolgimento del sistema operativo e selezionare un diodo zener VD4. Controllare il funzionamento del convertitore quando la tensione di ingresso e il carico cambiano. Nella fig. La Figura 5 mostra un diagramma IVEP per un programmatore ROM come esempio di utilizzo di un convertitore costruito sulla base del principio proposto.
I parametri di origine sono riportati nella tabella. uno. Tabella 1
Quando la tensione di rete cambia da 140 a 240 V, la tensione all'uscita della sorgente a 28 V rientra nell'intervallo 27,6...28,2 V; sorgente +5 V - 4,88...5 V. I condensatori C1-C3 e l'induttore L1 formano un filtro di rete in ingresso che riduce l'emissione di disturbi ad alta frequenza da parte del convertitore. Il resistore R1 limita l'impulso della corrente di carica del condensatore C4 quando il convertitore è acceso. Il circuito R3C5 attenua i picchi di tensione sul transistor VT1 (un circuito simile non è mostrato nelle figure precedenti). Un convertitore convenzionale è assemblato sui transistor VT3, VT4, generandone altri due dalla tensione di uscita +28 V: +5 V e -5 V, nonché la tensione OS. In generale, l'IVEP fornisce una tensione stabilizzata di +28 V. La stabilità delle altre due tensioni di uscita è assicurata alimentando un convertitore aggiuntivo da una sorgente di +28 V e un carico abbastanza costante su questi canali. L'IVEP fornisce protezione contro il superamento della tensione di uscita da +28 V a 29 V. In caso di superamento, il triac VS1 apre e chiude la sorgente +28 V. L'alimentatore emette un forte cigolio. La corrente che attraversa il triac è 0,75 A. Il transistor VT1 è installato su un piccolo dissipatore di calore costituito da una piastra di alluminio di 40 (30 mm) Invece del transistor KT828A, è possibile utilizzare altri dispositivi ad alta tensione con una tensione di almeno 600 V e una corrente superiore a 1 A, ad esempio KT826B, KT828B, KT838A. Invece del transistor KT3102A, puoi utilizzare qualsiasi serie KT3102; I transistor KT815G possono essere sostituiti con KT815V, KT817V, KT817G. I diodi raddrizzatori (eccetto VD1) devono essere utilizzati con alte frequenze, ad esempio la serie KD213, ecc. Si consiglia di utilizzare condensatori di filtro all'ossido della serie K52, ETO. Il condensatore C5 deve avere una tensione di almeno 600 V. Il triac TS106-10 (VS1) viene utilizzato esclusivamente per le sue dimensioni ridotte. È adatto quasi ogni tipo di SCR in grado di sopportare una corrente di circa 1 A, inclusa la serie KU201. Tuttavia, il tiristore dovrà essere selezionato in base alla corrente di controllo minima. Va notato che in un caso particolare (con un consumo di corrente dalla sorgente relativamente piccolo) sarebbe possibile fare a meno di un secondo convertitore costruendo un convertitore secondo il circuito di Fig. 4 con avvolgimenti aggiuntivi per canali +5 V e -5 V e stabilizzatori lineari della serie KR142. L'uso di un convertitore aggiuntivo è causato dal desiderio di condurre studi comparativi di vari IVEP e assicurarsi che l'opzione proposta fornisca una migliore stabilizzazione della tensione di uscita. I parametri dei trasformatori e delle induttanze sono riportati in tabella. 2. Tabella 2
Il nucleo magnetico per il trasformatore T1 viene utilizzato dall'induttanza del filtro dell'alimentazione dell'azionamento su dischi magnetici rimovibili della serie di computer ES. I tipi di circuiti magnetici delle induttanze L1-L4 non sono critici. La sorgente è impostata secondo il metodo sopra descritto, ma prima la protezione da sovratensione deve essere disattivata spostando il cursore del resistore R10 nella posizione inferiore secondo lo schema. Dopo aver impostato l'IVEP, è necessario utilizzare il resistore R5 per impostare la tensione di uscita a +29 V e, ruotando lentamente lo slider del resistore R10, raggiungere la soglia di apertura del triac VS1. Quindi spegnere la sorgente, ruotare il cursore del resistore R5 verso la diminuzione della tensione di uscita, accendere la sorgente e utilizzare il resistore R5 per impostare la tensione di uscita su 28 V. Va notato: poiché le tensioni sulle uscite +5 V e -5 V dipendono dalla tensione +28 V e non sono regolate separatamente da essa, a seconda dei parametri degli elementi utilizzati e della corrente di un particolare carico, esso potrebbe essere necessario selezionare il numero di spire degli avvolgimenti del trasformatore T2. Letteratura
Autore: Yu.Vlasov, Murom, Regione di Vladimir
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