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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA VIPER-100A e un caricatore tascabile basato su di esso
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Caricabatterie, batterie, celle galvaniche La nuova linea di microcircuiti è caratterizzata da tutti i vantaggi del suo predecessore, i controller PWM della serie UC384X, e presenta inoltre numerosi vantaggi significativi. Innanzitutto si tratta del numero di elementi discreti del microcircuito ridotto di circa la metà. Una circostanza importante è l'elevata affidabilità della protezione termica dell'SMPS con commutazione VIPer. In caso di scarso contatto termico tra il transistor di commutazione e il dissipatore di calore, un controller PWM posizionato separatamente risponderà solo al surriscaldamento del corpo del microcircuito. Il funzionamento pesante del transistor può portare alla sua rottura termica e durante un aumento simile a una valanga della corrente di scarico, il transistor diventa praticamente incontrollabile. La tensione di rete rettificata attraverso un transistor difettoso può danneggiare il controller PWM anche prima che scatti il fusibile. Per gli SMPS con commutazione VIPer questa situazione è esclusa. E il vantaggio più importante è la possibilità di progettazione automatizzata di SMPS. Il microcircuito VIPer-110A è realizzato in una custodia in metallo-plastica TO-220-5 a cinque pin con una disposizione dei pin a zigzag. Consideriamo l'algoritmo di funzionamento e lo schema funzionale semplificato del prodotto mostrato in Fig. undici].
Confrontando la Fig. 1 e lo schema funzionale del controller PWM UC384X [2], è facile notare la loro somiglianza. Lo scopo di molti nodi coincide assolutamente o differisce solo leggermente. In particolare, il comparatore della tensione di alimentazione in ingresso del chip A1 fornisce un livello di soglia quando l'interruttore VIPer entra nello stato "on" di circa 11 V, "off" - 8 V. La protezione termica funziona in modo simile. Quando la temperatura del cristallo sale a 140...170°C, il trigger della modalità sicura D1 blocca il funzionamento del PWM D2 sull'ingresso R1. Il funzionamento riprenderà automaticamente non appena la temperatura del cristallo scenderà di 40°C rispetto al livello di protezione termica. La corrente consumata dal microcircuito non supera 1 mA nello stato "Off" e 15 mA nello stato "On". Una delle caratteristiche del prodotto VIPer è che durante l'avvio, i pin 3 (DRAIN) e 2 (Vdd) all'interno del microcircuito sono collegati da un circuito di limitazione della corrente. Il livello limite è 3 mA. Questa corrente è distribuita tra il comparatore di tensione di ingresso A1 (1 mA) e il condensatore del filtro all'ossido collegato al pin 2 (la corrente di carica del condensatore è di circa 2 mA). Dopo un aumento relativamente lento, la tensione sul condensatore all'ossido raggiunge il livello di soglia per l'accensione del microcircuito (11 V), quindi il condensatore viene scaricato dalla corrente operativa del microcircuito di 15 mA. Se il microcircuito per qualche motivo (grande capacità del condensatore del filtro scarica prima dell'accensione o un cortocircuito nel carico) non riesce a passare dalla modalità di avvio alla modalità operativa, la tensione sul condensatore diminuisce rapidamente fino al livello di soglia di spegnimento , dopodiché il processo si ripete ciclicamente. Quando si tenta di passare alla modalità operativa, il microcircuito genera "pacchetti" di impulsi di attivazione. Il fattore di riempimento dei "pacchi" è determinato dal rapporto tra la corrente di carica del condensatore e la corrente di scarica ed è solo 2/15 "13%, il che impedisce danni ai raddrizzatori di ingresso e di uscita nella modalità di avviamento o durante brevi circuiti nel carico La formazione di diversi "pacchetti" nella modalità di avvio contribuisce ad un aumento graduale della tensione SMPS di uscita e ne caratterizza l'accensione "soft". Il processo di regolazione della tensione di uscita dell'SMPS è simile a quello considerato per il prototipo. I circuiti interni assicurano la stabilizzazione della tensione di alimentazione del microcircuito a 13 V utilizzando due anelli di controllo: interno ed esterno. Il circuito interno è uno stabilizzatore regolare per l'alimentazione di tutti i componenti del microcircuito. L'anello di controllo esterno è formato dall'avvolgimento ausiliario del trasformatore, collegato al pin 2 tramite un resistore esterno, e dall'amplificatore del segnale di errore A3 collegato a questo pin. La doppia stabilizzazione della tensione di alimentazione del microcircuito garantisce una deviazione minima della frequenza degli impulsi di commutazione. In [1] si afferma che quando la tensione di alimentazione cambia nell'intervallo 9...15 V, così come i valori del resistore e del condensatore di impostazione della frequenza non corrispondono ai valori calcolati entro ± 1% e ±5%, rispettivamente, la deviazione della frequenza di ripetizione dell'impulso non supererà ±10%. L'instabilità termica della frequenza non supererà il -4% se la temperatura del cristallo aumenta da 25 a 125°C. Proprio come nel controller PWM UC384X, lo stesso nome e il pin 5 (COMP) funzionalmente equivalente del microcircuito VIPer con una tensione su di esso in modalità operativa di circa 4,5 V possono essere utilizzati per spegnere forzatamente l'SMPS. All'interno del microcircuito, questo pin può essere collegato al filo comune tramite il transistor ad effetto di campo V2 sotto l'influenza del trigger della modalità sicura D1, che risponde ai segnali di blocco dell'unità di protezione termica A2 e del comparatore di tensione di ingresso A1. Se il collegamento forzato del pin 5 al filo comune avviene durante l'azione di un impulso di commutazione, l'impulso successivo è possibile non prima di 1,7...5 μs, sebbene il generatore continui a funzionare per tutto questo tempo. Un condensatore collegato al pin 5 ritarderà per un certo tempo l'aumento della tensione al livello di soglia di 0,5 V e verrà perso almeno un impulso di commutazione. Modificando il numero di impulsi trasmessi è possibile regolare anche la tensione di uscita dell'SMPS. Il ritardo temporale degli impulsi di commutazione viene effettuato dall'elemento A5, collegato all'uscita del comparatore di controllo corrente A4. Di particolare interesse nel prodotto VIReg è l'attuale metodo di controllo utilizzato, per il quale tutti gli elementi necessari vengono formati sul cristallo. Un segnale proporzionale alla corrente viene fornito dal terminale aggiuntivo del transistor di commutazione V3 al convertitore corrente-tensione U1 e quindi amplificato nell'amplificatore del sensore di corrente A9. Il livello di tensione all'ingresso R3 del PWM D2 è proporzionale alla corrente di drenaggio e quando viene raggiunto un determinato livello di soglia, la durata dell'impulso di commutazione sarà limitata. Una speciale unità di soppressione sopprime, entro 0,25 μs dall'inizio dell'impulso di commutazione, le sovratensioni sul lato anteriore causate dalla corrente di ritorno inversa del diodo raddrizzatore nell'avvolgimento secondario e dalla capacità distribuita dell'avvolgimento di accumulo. Questi picchi possono causare una limitazione prematura dell’ampiezza dell’impulso. Durante il normale funzionamento dell'SMPS, la durata degli impulsi di commutazione è limitata dall'ingresso PWM R2. In caso di cortocircuito nel carico dopo l'accensione dell'SMPS, la corrente di uscita aumenterà inizialmente lentamente in base alle caratteristiche dinamiche del circuito di controllo e quando il valore limite per VIPer-100A raggiunge 3 A, la corrente aumenterà essere limitato in ogni impulso di commutazione. Si dovrebbe prestare attenzione al fatto che la corrente massima 4 A indicata nei libri di consultazione è il minimo dell'intervallo possibile per i singoli campioni. Il valore di corrente tipico per la maggior parte è 5,4 A e i singoli microcircuiti funzionano anche a un livello limite di 5 A. È possibile limitare la corrente attraverso il transistor di commutazione a un livello inferiore se si utilizza un convertitore corrente-tensione esterno, l'uscita di che è collegato al pin XNUMX (COMP ). Tutto ciò garantisce la prevenzione di danni all'SMPS in situazioni estreme. L'aspetto del microcircuito VIPer-100A ci consente di adottare un approccio completamente nuovo al problema della creazione di un caricabatterie semplice e affidabile per batterie di automobili. La maggior parte dei caricabatterie carica la batteria con una corrente stabile. Tuttavia, in tutti i veicoli, comprese le autovetture, la ricarica avviene a tensione costante. Nella rete di bordo, i regolatori relè mantengono la tensione al livello di 14±0,5 V. Pertanto, lo scaricamento della batteria in modalità di avviamento con una corrente di diverse decine di ampere è accompagnato da un successivo breve periodo di tempo in cui la corrente di carica può raggiungere i 30 ampere o più, per poi diminuire rapidamente fino a unità e frazioni di ampere. Una modalità di ricarica simile può essere utilizzata dagli appassionati di auto per risolvere un diverso tipo di problema. Se hai urgentemente bisogno di partire e l'auto non è stata guidata per molto tempo, molto probabilmente, a causa dell'autoscarica della batteria, i tentativi di avviare il motore, soprattutto in inverno, non avranno successo. In questi casi, alcuni appassionati di auto utilizzano la ricarica della batteria a lungo termine (mezza giornata o più) con bassa corrente, accelerando così la corrosione dei gruppi di elettrodi positivi [3] e accelerando il guasto della batteria. In questo caso è più razionale utilizzare un caricabatterie che carica la batteria a tensione costante per 15...30 minuti. Un resistore con una piccola resistenza (una frazione di ohm) collegato in serie alla batteria limiterà la corrente di carica nel momento iniziale e, man mano che la carica procede, la tensione sulla batteria aumenterà e la corrente diminuirà. Il caricabatterie con interruttore VIPer può essere trasportato in garage senza problemi, anche in tasca, grazie alle sue dimensioni e al peso ridotti. D'altro canto può essere utilizzato non solo come caricabatterie a tutti gli effetti, ma anche come fonte di energia per altri scopi. Poiché un tale SMPS è protetto dai cortocircuiti, può essere collegato a una batteria parzialmente o completamente scarica. A seconda del grado di scarica, l'SMPS “pomperà” nella batteria un'energia limitata a una potenza di circa 100 W, ovvero la corrente di carica verrà regolata automaticamente, senza andare oltre la modalità operativa sicura dell'SMPS. Il caricabatterie consente di caricare la batteria con una corrente di almeno 6 A all'inizio e di aumentare la tensione su di essa a 15 V al termine della carica. La frequenza di conversione operativa dell'SMPS utilizzato è 100 kHz. L'efficienza del dispositivo è almeno dell'87%. Dimensioni dell'SMPS senza alloggiamento: 55x80x42,5 mm. Le funzioni di servizio della memoria sono determinate dalle proprietà del microcircuito VIPer-100A utilizzato. Sono già stati menzionati: protezione da cortocircuiti e interruzioni del carico, implementazione di modalità operative sicure, protezione termica, regolazione automatica della corrente di carica in base al grado di scarica della batteria. L'unico inconveniente della memoria, da prendere molto sul serio, è la sua vulnerabilità all'inversione di polarità. Se la batteria è collegata in modo errato, il trasformatore e altri elementi del caricabatterie potrebbero danneggiarsi, quindi è necessario collegarlo con molta attenzione. Il circuito di memoria, sviluppato con l'ausilio del SOFTWARE DESIGNE ("Evoluzione degli alimentatori a impulsi flyback" in "Radio", 2002, n. 8), è mostrato in Fig. 2. La metodologia di progettazione è stata descritta in dettaglio in precedenza. I parametri della tensione di rete non sono cambiati, la frequenza di conversione è stata scelta pari a 100 kHz, i parametri di uscita corrispondono a una tensione di 15 V con una corrente di 6 A. Il nucleo magnetico del trasformatore è stato scelto RM10 (analogo domestico di KB 10 ) da materiale N67 (analogico - M2500NMS1).
Grazie ad un'analisi dettagliata dell'algoritmo di funzionamento del prodotto VIPer-100A utilizzato nella memoria, non ha senso descrivere ripetutamente lo scopo dei singoli elementi del dispositivo. Il disegno del circuito stampato è mostrato in Fig. 3.
Nonostante il numero minimo di elementi utilizzati, l'installazione si è rivelata molto stretta, il che si spiega con il desiderio dell'autore di utilizzare come finito un condensatore ad alta tensione difettoso K41-1a con una capacità di 0,1 μF per una tensione di 10 kV alloggiamento del dispositivo. Chip VIPer-100A viene installato su un dissipatore a pin con area effettiva di circa 60 cm2 tramite una piastra di mica con pasta termoconduttrice, collegata ad un filo comune. Il ponte a diodi è importato, progettato per una corrente diretta di 1,5 A e una tensione inversa di 1000 V. Il gruppo diodi VD4-VD7 è costituito da tre piastre di duralluminio collegate da due viti (lo spessore di quelle esterne è 1,5 mm, quella centrale uno è 2 mm) con dimensioni di 30x40 mm, tra i quali, a coppie su ciascun lato della piastra centrale, sono fissati quattro diodi KD213B senza isolante utilizzando pasta termoconduttiva con il catodo verso il centro. Durante l'installazione prestare attenzione all'isolamento di tutti i terminali dell'anodo. Il resistore limitatore di corrente R6 - C5-16MV con una potenza di 5 W è installato perpendicolarmente alla scheda. Microamperometro RA1 - M4283 o qualsiasi altro, utilizzato nei registratori portatili per indicare il livello di registrazione. Durante la configurazione, è collegato a una sorgente di tensione stabilizzata di 0,6 V e selezionando il resistore R5, posizionare la freccia sul bordo del settore verde. I condensatori all'ossido vengono importati, poiché quelli domestici non "si adattano" alle dimensioni specificate dell'SMPS. Il condensatore C7 è saldato in parallelo al resistore R3, quindi quest'ultimo è saldato con un terminale perpendicolare alla scheda, e il secondo è collegato in modo incernierato al terminale libero di un diodo VD2 installato in modo simile. Particolare attenzione dovrebbe essere prestata alla produzione e all'installazione del trasformatore di impulsi. Il suo nucleo magnetico deve avere uno spazio non magnetico di 0,7 mm. Gli avvolgimenti del trasformatore sono avvolti su un telaio fatto in casa. Utilizzando un bisturi o un coltello affilato, sbucciare una piccola lastra di fibra di vetro e separarne uno strato di spessore 0,1...0,15 mm. Dopo aver ritagliato una striscia della misura desiderata, utilizzando colla nitro senza distorsioni, avvolgerla in 2-3 strati su un tondino di diametro adeguato, e rimuoverla dopo che la colla si sarà asciugata. Sul telaio così ottenuto viene avvolto il primo strato - 11 spire di filo PEV-2 0,41 in due conduttori, quindi l'isolamento interstrato in pellicola lavsan o tessuto verniciato e il secondo strato - 9 spire. Quindi l'isolamento dell'avvolgimento viene avvolto. L'avvolgimento III, costituito da 7 spire di filo PEV-2 1,5, è avvolto su un'asta di diametro leggermente maggiore in modo che si adatti all'avvolgimento I. Su ciascun lato della bobina vengono lasciati conduttori lunghi 8...10 mm. L'avvolgimento III risultante viene posizionato con cura sulla prima sezione dell'avvolgimento I in modo che i loro terminali siano diametralmente opposti, centrati e uno strato di isolamento tra gli avvolgimenti sia fissato con colla. Successivamente è utile verificare la posizione della bobina nel circuito magnetico e, se entrambe le piastre sono collegate liberamente, la bobina viene rimossa e le sue estremità vengono riempite con colla per fissare e sigillare gli avvolgimenti. Dopo che la colla si è asciugata sulla bobina, la seconda sezione dell'avvolgimento I viene avvolta in due strati di 8 e 7 spire ciascuno.L'avvolgimento viene completato con l'avvolgimento II di 6 spire “scaricato” del filo PEV-2 0,15 e dopo un posizionamento di prova della bobina nel circuito magnetico, le estremità della bobina vengono nuovamente sigillate con colla. L'induttanza misurata dell'avvolgimento I del trasformatore coincideva con quella calcolata nel SOFTWARE DESIGNE ed era pari a 225 μH. Il trasformatore finito è coperto lungo la superficie laterale con uno schermo elettrostatico - uno strato di lamina di rame e fissato sulla scheda mediante una staffa. Tra il trasformatore e la staffa viene posta una striscia di gomma spessa 1 mm. Non è necessario incollare insieme le piastre dei circuiti magnetici durante il montaggio. Tutti i pin del trasformatore, tranne 7, 2 e 3, sono saldati nei fori corrispondenti sulla scheda. I pin 2 e 3 sono collegati in modo incernierato, isolati e quindi “nascosti” sotto uno schermo elettrostatico. Il pin 7 è collegato alla scheda con un breve pezzo di cavo coassiale con conduttore centrale a trefoli. Sul coperchio del dispositivo è presente un interruttore di alimentazione, un portafusibile da 2 A, un microamperometro e due terminali per il collegamento della batteria. Inoltre, per facilitare il regime termico dell'SMPS, sul coperchio dell'alloggiamento è fissata una ventola di piccole dimensioni, utilizzata per soffiare i microprocessori, preferibilmente con le massime prestazioni possibili, e per essa sono previste aperture per l'aspirazione dell'aria. I terminali della ventola, progettati per una tensione di 12 V, sono collegati al condensatore C9 tramite un resistore limitatore di corrente MLT-0,125 con una resistenza di 8,2 Ohm. A seconda del modello e delle prestazioni, la corrente consumata dalla ventola varierà da 40...50 mA a 12 V a 55...65 mA a 15 V. Se il caricabatterie è assemblato con parti riparabili senza errori e la deviazione della frequenza operativa dal valore calcolato non è superiore al 10%, non è necessaria la regolazione del dispositivo. Nella fig. La Figura 4 mostra la dipendenza della tensione di uscita (linea continua) e della potenza di uscita (linea tratteggiata) dalla corrente di carico. Le misure sono state effettuate con la resistenza R6 chiusa.
Per ridurre l'ondulazione in uscita, è stato collegato un condensatore all'ossido con una capacità di 22000 μF. Letteratura
Autore: S. Kosenko, Voronezh
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