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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Alimentatore switching flyback
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Alimentatori L'articolo descrive un alimentatore a commutazione controllato da un microcircuito specializzato. Il dispositivo utilizza un trasformatore di impulsi standard da apparecchi televisivi. Sembrerebbe che gli alimentatori (PS), che sono elementi integranti di assolutamente tutti i dispositivi radioelettronici, dovrebbero essere meno suscettibili ai rapidi cambiamenti - dopo tutto, esistono da più di mezzo secolo. Ma lo sviluppo di moderne soluzioni circuitali non esclude questo settore più vasto dell'elettronica radio. Inizialmente i tradizionali alimentatori a batteria sono stati sostituiti da alimentatori per lampade da rete con filtri LC, e poi da transistor e stabilizzatori di regolazione lineare integrati. La lotta per l'efficienza e il miglioramento dei parametri di peso e dimensioni hanno contribuito allo sviluppo e all'implementazione degli alimentatori a impulsi (PS). Insieme agli SMPS a mezzo e ponte intero, le sorgenti flyback si sono diffuse, poiché senza adottare misure speciali, il pericolo di corrente passante negli SMPS a ponte (a causa della fornitura di una tensione di apertura a uno dei bracci, quando, a causa di sue proprietà inerziali, l'altro braccio non è ancora completamente chiuso) è sempre portato al funzionamento degli elementi di commutazione in modalità cortocircuito e al guasto di costosi transistor ad alta tensione ad alta potenza. Queste misure speciali hanno complicato in modo significativo gli SMPS a ponte, e quindi gli SMPS flyback, sono diventati più diffusi negli elettrodomestici, in cui il transistor di commutazione nel primo ciclo garantisce l'accumulo di energia elettromagnetica negli avvolgimenti e nel circuito magnetico del trasformatore di accumulo, e nel secondo: la sua trasmissione al carico. Per convincersi della relativa complessità di tali SMPS, basta guardare gli schemi del modulo di alimentazione MP-403 dei televisori ZUSTST, 4USTST o la cassetta di scansione e alimentazione KRP-501 dei televisori 5USTST. E solo gli ultimi sviluppi di specialisti di Siemens e produttori nazionali, che hanno creato un microcircuito per il controllo dell'SMPS flyback TDA4605 (analogo domestico di KR1033EU5 - il cosiddetto controller PWM), hanno semplificato in modo significativo il compito di sviluppare SMPS altamente affidabili ed economici per la radio dilettanti. Sebbene il libro di riferimento [1], contenente informazioni sui controllori PWM, non sia esente da alcuni errori, va notato che è di grande valore per il progettista e lo sviluppatore dell'SMPS. Il manuale [2] descrive il funzionamento dell'SMPS nei televisori di sesta generazione utilizzando il microcircuito domestico KR6EU1033, ma non ci sono informazioni di riferimento (valori di tensione, oscillogrammi di segnale) che ne caratterizzino il funzionamento. Sfortunatamente nessuna delle fonti citate fornisce i parametri dell'avvolgimento del trasformatore di accumulo. Tuttavia, utilizzando le caratteristiche di riferimento disponibili, per scopi radioamatoriali è sempre possibile adattare i trasformatori di impulsi esistenti per creare i moderni SMPS necessari. I materiali dell'articolo pubblicato aiuteranno a risolvere questo problema, potrebbero anche essere utili per i radioamatori coinvolti nella modernizzazione e riparazione di apparecchiature video domestiche e importate. Le funzioni di servizio svolte dal microcircuito sono molto estese:
Lo scopo funzionale dei pin del microcircuito è riportato in Tabella. uno. Tabella 1
caratteristiche principali
L'amplificatore di controllo è l'elemento principale del microcircuito. Ricevendo un segnale dall'avvolgimento aggiuntivo del trasformatore e confrontandolo con la tensione di riferimento interna, genera impulsi di commutazione di varia durata, che sono determinati dai valori della corrente di carico e della tensione di rete raddrizzata. La durata degli impulsi viene modificata in modo tale da mantenere una tensione costante all'uscita dell'SMPS. L'elemento principale dell'SMPS è un trasformatore di impulsi di accumulo che, in linea di principio, può essere qualsiasi cosa. L'ampia gamma di regolazione della tensione di uscita fornita dal microcircuito, nonché un ampio set di avvolgimenti di uscita del trasformatore, facilitano il compito di creare un alimentatore con i parametri necessari. È opportuno, ad esempio, considerare l'utilizzo del trasformatore di impulsi TPI-8-1, descritto in precedenza nelle pagine della rivista Radio [3]. Il circuito SMPS, creato sulla base dei materiali da [1,2] e adattato all'uso del trasformatore specificato, è mostrato in Fig. 1 (non sono mostrati gli avvolgimenti inutilizzati del trasformatore; inizialmente mancavano i pin 4 e 10).
Il dispositivo contiene un filtro di soppressione del rumore che impedisce l'ingresso di disturbi ad alta frequenza nella rete di alimentazione (L1, C1-C3); resistore limitatore di corrente che limita il picco di corrente quando l'SMPS è acceso (R1); ponte raddrizzatore tensione di rete (VD1); un partitore di tensione nel circuito di retroazione dell'amplificatore di controllo del microcircuito, che costituisce il livello di stabilizzazione della tensione di uscita dell'SMPS (R2, R6, R7, VD2); un filtro nel circuito di alimentazione dell'SMPS, che riduce il livello di ondulazione della tensione di ingresso (C4); partitore di tensione per monitorare le variazioni della tensione di rete e spegnere l'SMPS in caso di fluttuazioni inaccettabili (R3, R4); formatore di tensione a dente di sega per simulare le variazioni di corrente negli avvolgimenti di accumulo di un trasformatore di impulsi (R5, C5); formatore di impulsi nel circuito del segnale di feedback (VD3, C6); condensatore di integrazione nel circuito di controllo per l'avvio “soft” dell'SMPS (C7); condensatore di filtro nel circuito di alimentazione del microcircuito (C8); resistore di limitazione della corrente nella modalità di avvio del microcircuito prima che raggiunga la modalità operativa (R8); raddrizzatore di tensione che alimenta il microcircuito dall'avvolgimento di comunicazione (II) del trasformatore in modalità operativa (VD4); circuito di alimentazione a impulsi per il controllo del transistor di commutazione (R9-R11, VD5); circuito per limitare i picchi di tensione al drain del transistor (VD6, R12, C10); circuito smorzatore per eliminare le vibrazioni parassite (C11, R13); filtro di soppressione del rumore nel circuito per determinare l'inizio del ciclo di formazione dell'impulso di commutazione (la transizione dell'impulso della tensione di uscita attraverso lo zero) e il circuito di retroazione dell'amplificatore di controllo (R14, C9, R15, C12); raddrizzatore e filtro della tensione di uscita (VD7, C13); resistore di limitazione della corrente nel circuito della tensione di uscita (R16). I risultati del test di un dispositivo con diversi avvolgimenti di uscita e valori nominali degli elementi utilizzati, mostrati nel diagramma, per ottenere una tensione di uscita di 12 V con una corrente di carico di 1,25 A sono riportati nella tabella. 2. Tabella 2
Per selezionare l'avvolgimento di uscita utilizzare la tabella. 3, contenente i parametri dei fili di avvolgimento in rame, che vengono spesso utilizzati nei trasformatori di impulsi. L'avvolgimento III, progettato per una tensione di 24 V durante l'uso "standard", contiene 16 spire di tre conduttori PEVTL-0,35 collegati in parallelo. La loro sezione trasversale totale è di circa 0,3 mm2ed equivale ad un conduttore con diametro di 0,62 mm. Per densità di corrente 4,25 A/mm2, corrispondente ad un aumento della temperatura del trasformatore di 30 °C, la corrente consentita nell'avvolgimento è di 1,28 A, che soddisfa pienamente i requisiti (utilizzando una calcolatrice, è facile continuare la gamma di conduttori nella direzione dell'aumento e diminuendo il diametro). Se si utilizzano gli avvolgimenti V e VI (pin 14, 18 e 16, 20, rispettivamente [3]), collegandoli in parallelo, è possibile ottenere una corrente fino a 3,5 A all'uscita SMPS. Tabella 3
Come nel modulo di potenza MP-403, l'avvolgimento di accumulo è l'avvolgimento I (pin 1, 19). Particolare attenzione va posta al corretto collegamento (fasatura) dei terminali (solitamente negli schemi l'inizio dell'avvolgimento è sempre indicato con un punto). I numeri dei pin dell'avvolgimento di comunicazione aggiuntivo e dell'alimentazione del microcircuito sono mostrati in Fig. 1. Va tenuto presente che la corrente operativa nell'avvolgimento di comunicazione dipende dalla potenza totale del carico e non raggiunge necessariamente un valore massimo di 1,5 A. Quando si valuta la tensione operativa degli avvolgimenti, è necessario ricordare: la relazione proporzionale tra il numero di giri e la tensione si osserva solo per gli avvolgimenti secondari e non si applica all'avvolgimento primario, poiché funzionano in diversi semicicli (cicli) della tensione impulsiva e il rapporto tra le loro tensioni operative dipenderà dal ciclo di lavoro degli impulsi di commutazione. Il carico equivalente durante l'installazione è di tre resistori PEVT-25 collegati in parallelo con una resistenza di 30 Ohm ciascuno. Prima di applicare la tensione di rete è necessario inserire nel circuito aperto tra i punti A e B (fig. 1) un amperometro da 0,5 A. Qui viene utilizzato non solo come strumento di misurazione che mostra la risposta dell'apparecchio alle variazioni dei valori nominali (un aumento del consumo di corrente indicherà un aumento della corrente di carico o della tensione sugli avvolgimenti secondari), ma anche come indicatore affidabile dello stato di funzionamento di un SMPS silenzioso. Ciò eviterà shock accidentali durante la configurazione. È anche utile verificare la funzionalità del transistor di commutazione assemblando un semplice circuito di misurazione secondo lo schema di Fig. 2 (mostra anche la piedinatura dei transistor ad effetto di campo KP707V2, KP812B1 e dei loro analoghi stranieri IRFBC30, IRFBC40, BUZ90A, 2SK1221, ecc.). Aumentando la tensione di gate del transistor con incrementi di 0,1 V, ci assicuriamo che, a partire dalla tensione di soglia (1...5 V a seconda del tipo e dei parametri del transistor), la corrente nel circuito di drain aumenti gradualmente e raggiunga 500 μA dopo circa 0,5 B dopo l'apertura. È preferibile utilizzare alimentatori con protezione di corrente preimpostata a 1 mA. Ciò eviterà danni ai transistor anche in caso di errori di connessione dovuti alla loro piedinatura sconosciuta.
Dopo aver eseguito le misure preparatorie specificate, il resistore di sintonizzazione R7 deve essere impostato in posizione centrale e collegato alla rete SMPS. Durante l'installazione è meglio posizionare l'apparecchio sulla scrivania con gli elementi rivolti verso il basso: in questo modo il circuito stampato lo proteggerà da lesioni in caso di eventuale esplosione dei condensatori all'ossido a causa di un eccesso di tensione dovuto ad un errato collegamento degli avvolgimenti. Se la tensione negli avvolgimenti secondari non è sufficiente affinché l'SMPS entri in modalità operativa, si sentiranno i caratteristici clic del trasformatore insieme ad un tono alto ("clic"), a causa dell'attivazione periodica della modalità di avvio come tensione sul condensatore C8 aumenta al valore di soglia. Nel processo di creazione di un SMPS, prima di tutto, è necessario verificare l'influenza della posizione del contatto mobile del resistore di regolazione R7 sui parametri degli impulsi di uscita. Dovresti stare molto attento nella scelta dei parametri degli elementi del circuito di generazione della tensione a dente di sega (R5, C5), che determina la durata massima dello stato aperto del transistor di commutazione. La tensione sul condensatore C5 nel microcircuito viene confrontata con la tensione all'ingresso dell'amplificatore di controllo e l'impulso di commutazione si interrompe quando coincidono. Se questi elementi vengono selezionati in modo errato, quando l'SMPS viene disconnesso dalla rete, la diminuzione della tensione all'uscita del filtro di alimentazione di rete sarà compensata da un aumento della durata degli impulsi di commutazione e da un eccesso del valore consentito del drenare la corrente del transistor, che porterà al suo danneggiamento. Durante il processo di installazione, è necessario utilizzare elementi di commutazione affidabili (interruttori a levetta, interruttori e non spine e prese di alimentazione) per collegare l'SMPS alla rete, poiché il conseguente rimbalzo dei contatti può causare il guasto del transistor di commutazione. Al termine dell'installazione, il dispositivo dovrebbe tornare con sicurezza alla modalità operativa, come evidenziato dal funzionamento silenzioso dell'SMPS e dalle letture dell'amperometro di controllo nell'intervallo 100...350 mA, a seconda del carico. Se ciò non avviene significa che il dispositivo presenta parti difettose oppure sono stati commessi errori di installazione. Dopo le prime decine di secondi di funzionamento è opportuno scollegare l'SMPS dalla rete e verificare le condizioni termiche del transistor, trasformatore, diodi, per poi ripetere l'operazione dopo alcune decine di minuti di funzionamento. Se non c'è surriscaldamento, è necessario regolare la tensione di uscita e monitorare la forma dei segnali secondo la Fig. 3.
L'analisi del funzionamento del dispositivo ha dimostrato che quando si utilizza un trasformatore di impulsi già pronto, è meglio lasciare invariato l'avvolgimento di accumulo e selezionare l'avvolgimento di comunicazione per una tensione di 8...9 V durante l'uso "standard", ad es. per il trasformatore TPI-8-1 è richiesto un avvolgimento di comunicazione contenente sei spire (avvolgimento con numeri di pin 14 - 18). È possibile che il trasformatore selezionato non fornisca i parametri SMPS richiesti, per cui sarà necessario sostituire gli avvolgimenti secondari. Tecnologia di produzione rigida per trasformatori di impulsi (distribuzione degli avvolgimenti in un ordine rigorosamente specificato, mantenendo gli spazi tra il bordo dell'avvolgimento e il lato esterno del telaio, scegliendo il diametro dei fili in base alla corrente operativa, distribuendo una "scarica" incompleta strato su tutta la larghezza dell'avvolgimento per creare un campo magnetico uniforme all'interno del volume di corrente operativa del trasformatore) richiede particolare cura durante la fabbricazione e precisione nell'assemblaggio. Ma smontare un trasformatore incollato con colla epossidica è praticamente impossibile senza l'utilizzo di attrezzature di fresatura (dopo aver tagliato il trasformatore con una fresa, sarà necessario ripristinare la luce di lavoro sull'asta centrale riducendola dello spessore del taglio) . Pertanto, l'unica via d'uscita in questa situazione è dissaldare lo schermo elettrostatico (protettivo dalle interferenze) dal foglio di rame, rimuovere gli avvolgimenti non necessari e avvolgere l'avvolgimento richiesto al loro posto utilizzando il metodo "navetta" e invece di un filo di grande diametro , è preferibile utilizzare più conduttori paralleli di diametro inferiore e di sezione totale equivalente. Il dispositivo utilizza parti non rare. Condensatori C1 K73-17, C2, C3, C10, SP - K73-9, tutti per una tensione nominale di 630 V, C4 - K50-32. Se il carico SMPS supera i 50 W, è necessario collegarne un altro simile in parallelo al condensatore C4 o utilizzare K50-35B con una capacità di 220 μF (o 330 μF) per una tensione di 350 V. Condensatore C6 - K53-30 o altro . Condensatori all'ossido C8, C13 K50-35. Il resto sono ceramici con una tensione nominale di 63...100 V. Tutti i resistori fissi sono MLT, ad eccezione di R16 C5-16MV. Resistenza trimmer R7 - SPZ-386. Sostituiremo il ponte di diodi con KTs405B, KTs405V o singoli diodi con una tensione inversa consentita di almeno 400 V e una corrente operativa di 1 A. I diodi VD6 e VD7 sono diodi a impulsi con una frequenza nominale di almeno 35 kHz e il il primo ha una tensione nominale di almeno 600 V e una corrente di 1 A, il secondo - 100 V e 5 A (per alimentatori a bassa tensione). Invece di un induttore industriale per il filtro di linea L1, possiamo usarne uno fatto in casa: utilizziamo un anello di ferrite da 1500NM-2000NM con un diametro esterno di circa 20 mm su cui sono avvolti avvolgimenti di diverse dozzine di spire di due conduttori MGTF-0,35. Tutti gli elementi SMPS sono montati su un circuito stampato realizzato in laminato di fibra di vetro rivestito con pellicola su un solo lato con uno spessore di 1,5 mm (Fig. 4). Un ponticello viene saldato nei fori A e B della scheda una volta completata l'installazione del dispositivo. Il condensatore C4 è fissato parallelamente alla scheda mediante un morsetto montato su una rientranza nella parte terminale della custodia; Le estremità del morsetto sono sigillate nei fori corrispondenti. Per garantire un contatto elettrico affidabile, il terminale negativo del condensatore è collegato alla scheda tramite una rondella con un petalo e un dado sulla parte filettata dell'alloggiamento. Il condensatore SI e il resistore R13 sono collegati mediante montaggio a cerniera, il secondo terminale del condensatore con una linguetta di montaggio saldata è collegato direttamente alla piastra metallica del corpo del transistor montato sul dissipatore di calore. Ciò ridurrà significativamente il livello di interferenza irradiata. Allo stesso scopo, l'SMPS è inserito in una custodia metallica con fori di ventilazione per il raffreddamento.
Il dispositivo si collega alla rete tramite un cavo di montaggio flessibile: un interruttore e un fusibile sono saldati nell'intercapedine di un conduttore con una corrente operativa doppia rispetto alla corrente operativa misurata con un amperometro durante la configurazione (come notato in precedenza, dipenderà dal carico). L'avvolgimento secondario è collegato con conduttori flessibili isolati in base al valore di tensione richiesto all'uscita dell'SMPS. Il transistor VT1 è spostato verso il bordo della scheda in modo da poter essere fissato tramite una piastra di mica direttamente al corpo metallico del dispositivo o ad un dissipatore di calore con un'area di raffreddamento effettiva di 100...200 cm2. È opportuno ricordare che l'SMPS è collegato galvanicamente alla rete: se maneggiato incautamente può causare scosse elettriche. Secondo le norme di sicurezza elettrica, durante l'installazione dell'SMPS è necessario collegarsi alla rete tramite un trasformatore di isolamento con una potenza di almeno 300 W. Letteratura
Autori: V.Kosenko, S.Kosenko, V.Fedorov, Voronezh
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