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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Alimentazione di rete con parametri specifici elevati
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Alimentatori L'articolo portato all'attenzione dei lettori descrive un convertitore di impulsi per l'alimentazione di dispositivi elettronici con una tensione di 5 V da una rete di corrente alternata. Il convertitore non contiene elementi scarsi e costosi, è facile da produrre e regolare. L'alimentatore è dotato di protezione contro le sovratensioni e le sovracorrenti in uscita con ritorno automatico alla modalità di funzionamento dopo la sua eliminazione. Principali parametri tecnici
Sulla fig. 1 mostra uno schema del dispositivo.
L'unità di controllo implementa il principio dell'ampiezza dell'impulso per stabilizzare la tensione di uscita. Gli elementi DD1.1, DD1.2 contengono un oscillatore principale che funziona ad una frequenza di circa 100 kHz con un ciclo di lavoro vicino a due. Impulsi con una durata di circa 5 μs vengono forniti attraverso il condensatore C11 all'ingresso dell'elemento DD1.3, e quindi amplificati in corrente dagli elementi DD1.4 - DD1.6 collegati in parallelo. Per stabilizzare la tensione di uscita dell'alimentatore, la durata dell'impulso viene ridotta durante la regolazione. Il transistor VT1 “accorcia” gli impulsi. Aprendo ogni periodo di funzionamento del generatore, forza l'ingresso dell'elemento DD1.3 ad un livello basso. Questo stato viene mantenuto fino alla fine del periodo successivo dal condensatore C11 scarico. Un potente amplificatore di corrente è realizzato sui transistor VT2, VT3, fornendo la commutazione forzata del transistor di commutazione VT4. I diagrammi di tensione sugli elementi principali della fonte di alimentazione durante il suo avvio sono mostrati in Fig. 2.
Quando il transistor VT4 è aperto, la corrente che lo attraversa e l'avvolgimento I del trasformatore T1 aumenta linearmente (Fig. 2b). La tensione impulsiva dal sensore di corrente R11 attraverso il resistore R7 viene fornita alla base del transistor VT1. Per evitare false aperture del transistor, i picchi di corrente vengono attenuati dal condensatore C12. Per i primi periodi dopo l'avvio, la tensione istantanea alla base del transistor VT1 rimane inferiore alla tensione di apertura Ube aperto - 0,7 V (Fig. 2, c). Non appena la tensione istantanea durante il periodo successivo raggiunge la soglia di 0,7 V, il transistor VT1 si aprirà, il che, a sua volta, porterà alla chiusura del transistor di commutazione VT4. Pertanto, la corrente nell'avvolgimento I, e quindi nel carico, non può superare un certo valore predeterminato dalla resistenza del resistore R11. Ciò protegge l'alimentatore dalla sovracorrente. La fasatura degli avvolgimenti del trasformatore T1 è impostata in modo tale che durante lo stato aperto del transistor VT4, i diodi VD7 e VD9 siano chiusi dalla tensione inversa. Quando il transistor di commutazione si chiude, la tensione su tutti gli avvolgimenti cambia segno e aumenta fino all'apertura di questi diodi. Quindi l'energia accumulata durante l'impulso nel campo magnetico del trasformatore T1 viene diretta a caricare i condensatori del filtro di uscita C15-C17 e il condensatore C9. Si noti che poiché la fasatura degli avvolgimenti II e III coincide, anche la tensione ai capi del condensatore C9 nella modalità di stabilizzazione della tensione di uscita viene stabilizzata indipendentemente dal valore della tensione di ingresso della fonte di alimentazione. L'elemento di regolazione dell'alimentatore è un microcircuito DA2 KR142EN19A. Quando la tensione sul pin di controllo 1 del microcircuito raggiunge 2,5 V„, una corrente inizia a fluire attraverso di esso e attraverso il diodo emettitore dell'accoppiatore ottico, aumentando all'aumentare della tensione di uscita. Il fototransistor dell'accoppiatore ottico si apre e la corrente che scorre attraverso i resistori R5, R7 e R11 crea una caduta di tensione ai loro capi, che aumenta anche all'aumentare della tensione di uscita. La tensione istantanea alla base del transistor VT1, pari alla somma della caduta di tensione sul resistore R7 e sul sensore di corrente R11, non può superare 0,7 V. Pertanto, all'aumentare della corrente del fototransistor dell'accoppiatore ottico, la tensione costante sul resistore R7 aumenta e diminuisce l'ampiezza della componente dell'impulso sul resistore R11, il che, a sua volta, si verifica solo a causa di una diminuzione della durata dello stato aperto del transistor di commutazione VT4. Se la durata dell'impulso diminuisce, si riduce anche la “porzione” di energia pompata ogni periodo dal trasformatore T1 nel carico. Pertanto, se la tensione di uscita dell'alimentatore è inferiore al valore nominale, ad esempio durante il suo avvio, la durata dell'impulso e l'energia trasferita all'uscita sono massime. Quando la tensione di uscita raggiunge il livello nominale, viene visualizzato un segnale di feedback, a seguito del quale la durata dell'impulso diminuisce fino a un valore in cui la tensione di uscita si stabilizza. Se per qualche motivo la tensione di uscita aumenta, ad esempio quando la corrente di carico diminuisce improvvisamente, aumenta anche il segnale di feedback e la durata dell'impulso diminuisce fino a zero e la tensione di uscita dell'alimentatore torna al valore nominale. Il chip DA1 ospita l'unità di lancio del convertitore. Il suo scopo è quello di bloccare il funzionamento dell'unità di controllo se la tensione di alimentazione è inferiore a 7,3 V. Questa circostanza è dovuta al fatto che l'interruttore - transistor ad effetto di campo IRFBE20 - non si apre completamente quando la tensione di gate è inferiore a 7 V. Il nodo di lancio funziona come segue. Quando la fonte di alimentazione è accesa, il condensatore C9 inizia a caricarsi attraverso il resistore R8. Mentre la tensione sul condensatore è di pochi volt, l'uscita (pin 3) del microcircuito DA1 viene mantenuta bassa e il funzionamento dell'unità di controllo è bloccato. In questo momento, il microcircuito DA1 sul pin 1 consuma una corrente di 0,2 mA e la caduta di tensione sul resistore R1 è di circa 3 V. Dopo circa 0,15...0,25 s, la tensione sul condensatore raggiungerà 10 V, a cui il la tensione sul pin 1 del chip DA1 è uguale al valore di soglia (7,3 V). Alla sua uscita appare un livello alto, che consente il funzionamento dell'oscillatore principale e dell'unità di controllo. L'inverter inizia ad avviarsi. In questo momento la centralina è alimentata dall'energia immagazzinata nel condensatore C9. La tensione all'uscita del convertitore inizierà ad aumentare, il che significa che aumenterà anche sull'avvolgimento II durante la pausa. Quando diventa maggiore della tensione sul condensatore C9, il diodo VD7 si aprirà e il condensatore verrà successivamente ricaricato ad ogni periodo dall'avvolgimento ausiliario II. Qui, tuttavia, dovresti prestare attenzione a una caratteristica importante dell'alimentazione. La corrente di carica del condensatore attraverso la resistenza R8, a seconda della tensione di ingresso della fonte di alimentazione, è 1...1,5 mA e il consumo dell'unità di controllo durante il funzionamento è 10...12 mA. Ciò significa che durante l'avvio il condensatore C9 è scarico. Se la sua tensione scende al livello di soglia del chip DA1, l'unità di controllo si spegne e poiché nello stato spento non consuma più di 0,3 mA, la tensione sul condensatore C9 aumenterà fino alla riaccensione. Ciò accade durante un sovraccarico o durante un carico capacitivo elevato, quando la tensione di uscita non ha il tempo di aumentare fino al valore nominale durante il tempo di avviamento di 20...30 ms. In questo caso è necessario aumentare la capacità del condensatore C9. A proposito, questa caratteristica del funzionamento dell'unità di controllo consente al generatore di essere in modalità di sovraccarico per un tempo illimitato, poiché in questo caso funziona in modalità pulsante e il tempo di funzionamento (avvio) è 8. ..10 volte inferiore al tempo di non funzionamento. Gli elementi di commutazione non si riscaldano nemmeno! Un'altra caratteristica dell'alimentatore è la protezione del carico dalle sovratensioni, che si verificano, ad esempio, quando qualsiasi elemento nel circuito di retroazione si guasta. In modalità operativa, la tensione sul condensatore C9 è di circa 10 V e il diodo zener VD1 è chiuso. In caso di interruzione del circuito di retroazione, la tensione di uscita aumenta oltre il valore nominale. Ma insieme ad esso, la tensione sul condensatore C9 aumenta e ad un valore di circa 13 V si apre il diodo zener VD1. Il processo dura 50...500 ms, durante i quali la corrente attraverso il diodo zener aumenta gradualmente, superando molte volte il suo valore massimo. In questo caso, il cristallo dell'elemento si riscalda e si scioglie: il diodo zener si trasforma praticamente in un ponticello con una resistenza da poche a diverse decine di ohm. La tensione sul condensatore C9 diminuisce a valori insufficienti per accendere la centralina. La tensione di uscita, dopo aver ricevuto un aumento di 1,3...1,8 volte a seconda della corrente di carico, diminuisce fino a zero. Un filtro aggiuntivo è realizzato sugli elementi L2C19, che riduce l'ampiezza delle ondulazioni della tensione di uscita. Per ridurre la penetrazione delle interferenze ad alta frequenza nella rete, all'ingresso è installato un filtro C1 - C3L1C4 - C7, che attenua anche la corrente impulsiva consumata durante il funzionamento con una frequenza di 100 Hz. Il termistore RK1 (TP-10) ha una resistenza relativamente alta allo stato freddo, che limita la corrente di spunto del convertitore all'accensione e protegge i diodi raddrizzatori. Durante il funzionamento, il termistore si riscalda, la sua resistenza diminuisce più volte e praticamente non influisce sull'efficienza dell'alimentatore. Quando il transistor VT4 è chiuso, sull'avvolgimento I del trasformatore T1 appare un impulso di tensione (in Fig. 2d è mostrato come una linea tratteggiata nei primi tre periodi di tensione UcVT4), la cui ampiezza è determinata dall'induttanza di dispersione. Per ridurlo, nel convertitore è installato il circuito VD8R9C14. Elimina il rischio di rottura del transistor di commutazione e riduce i requisiti per la tensione massima sul suo drain, aumentando l'affidabilità del convertitore nel suo insieme. La fonte di energia è costituita principalmente da elementi standard nazionali e importati, ad eccezione dei prodotti per l'avvolgimento. Le strozzature L1 e L2 sono avvolte su anelli K10x6x4,5 in permalloy MP140. I nuclei magnetici vengono prima isolati con uno strato di tessuto di cotone. Ciascun avvolgimento è avvolto con filo PETV da 0,35 giri per girare in due strati sulla sua metà dell'anello e deve esserci uno spazio di almeno 1 mm tra gli avvolgimenti dell'induttore L1. Gli avvolgimenti dell'induttore L1 contengono 26 spire e l'induttore L2 - sette spire, ma con otto conduttori ciascuno. Gli strozzatori della ferita vengono impregnati con colla BF-2 ed essiccati ad una temperatura di circa 60°C. Il trasformatore è la parte principale e più critica della fonte di alimentazione. L'affidabilità e la stabilità del convertitore, le sue caratteristiche dinamiche e il funzionamento in modalità inattiva e di sovraccarico dipendono dalla qualità della sua fabbricazione. Il trasformatore è realizzato su un anello K17x10x6,5 in permalloy MP140. Prima dell'avvolgimento il circuito magnetico viene isolato con due strati di tela verniciata. Il filo è teso, ma senza tensione. Ogni strato di avvolgimento è rivestito con colla BF-2 e quindi avvolto con un panno verniciato. Viene avvolto per primo l'avvolgimento I. Contiene 228 giri di filo PETV 0,2 ... 0,25, avvolto in due strati, tra i quali viene posato uno strato di tessuto verniciato. L'avvolgimento è isolato con due strati di tela verniciata. L'avvolgimento III viene avvolto successivamente. Contiene sette spire di filo PETV 0,5 in sei conduttori distribuiti uniformemente lungo il perimetro dell'anello. Sopra di esso viene posato uno strato di tessuto verniciato. E infine, l'avvolgimento II è avvolto per ultimo, contenente 13 giri di PETV 0,15 ... Successivamente, il trasformatore finito viene avvolto con due strati di tessuto verniciato, rivestito esternamente con colla BF-0,2 e asciugato a una temperatura di 2 ° C. Al posto del transistor VT4 è possibile utilizzarne un altro con una tensione di drain consentita di almeno 800 V e una corrente massima di 3...5 A, ad esempio BUZ80A, KP786A e al posto del diodo VD8 qualsiasi diodo ad alta velocità con tensione inversa consentita di almeno 800 V e corrente 1...3 A, ad esempio FR106. L'alimentazione è realizzata su una scheda di dimensioni 95x50 mm e spessore 1,5 mm. Negli angoli della scheda e al centro dei lati lunghi sono presenti sei fori attraverso i quali la scheda viene avvitata al dissipatore di calore. Da un lato della scheda, il transistor VT4 e il diodo VD9 sono saldati con le flange rivolte verso l'esterno e dall'altro sono installate le parti rimanenti. Per ridurre le dimensioni della scheda, tutti gli elementi, ad eccezione dei condensatori C8, C9, del microcircuito DD1, del resistore R9, del trasformatore e dell'accoppiatore ottico, sono installati verticalmente in modo che la loro altezza massima sopra la scheda non superi i 20 mm. Il dissipatore di calore è collegato al punto comune dei condensatori C1 e C2. In questo caso, è meglio collegare l'alimentatore a una presa con messa a terra a tre poli. Queste misure possono ridurre notevolmente il rumore emesso dal convertitore. Il dissipatore di calore del convertitore è una staffa a forma di U con una lunghezza di 95, una larghezza di 60 e un'altezza di 30 mm, piegata in lamiera di alluminio con uno spessore di almeno 2 mm. Il convertitore è installato sul "fondo" di questo "trogolo" con le flange metalliche degli elementi VT4 e VD9 rivolte verso il basso e serrate con viti M0,05 attraverso i fori nella scheda. Le flange sono preisolate con guarnizioni termoconduttrici, ad esempio di Noma-kon, Bergquist o, in casi estremi, mica di XNUMX mm di spessore. Pertanto, strutturalmente, il convertitore appare racchiuso in un involucro metallico che lo protegge dalle sollecitazioni meccaniche. Per aumentare l'affidabilità, si consiglia di coprire la scheda del convertitore con 2 - 3 strati di vernice per eliminare la probabilità di rottura in caso di elevata umidità ambientale. Se tutti gli elementi della fonte di alimentazione sono in buone condizioni, fabbricati correttamente e collegati secondo lo schema, l'installazione non è difficile. Un oscilloscopio è collegato in parallelo al resistore R10. Una fonte di alimentazione da laboratorio, ad esempio B9-5, con una corrente massima impostata non superiore a 45...15 mA è collegata al condensatore C17 nella polarità appropriata e la tensione inizia ad aumentare lentamente, partendo da zero. A una tensione di 9,5...10,5 V, la tensione logica viene impostata all'uscita del microcircuito DA1, l'oscillatore principale è acceso e dovrebbero essere generati impulsi rettangolari con una frequenza di circa 100 kHz e un ciclo di lavoro di circa 2 appaiono sullo schermo dell'oscilloscopio (Fig. 2, a). La tensione non deve essere aumentata ulteriormente, poiché con un valore di circa 13 V il diodo zener VD1 potrebbe aprirsi. La corrente consumata dall'unità di controllo non deve superare il massimo specificato. Se ora riduciamo la tensione di alimentazione, a 7,2...7,6 V la generazione scomparirà. Ciò significa che l'unità di controllo dell'inverter funziona correttamente. Successivamente, un carico con una resistenza di 4...5 Ohm e una potenza di 10...15 W viene collegato all'uscita del convertitore e la tensione viene fornita all'ingresso dalla seconda fonte di alimentazione da laboratorio B5-49 e , con la centralina in funzione, iniziano ad aumentare la tensione in ingresso. Per prima cosa impostarlo ad un livello di 7...10 V e utilizzare un oscilloscopio per verificare il corretto collegamento degli avvolgimenti del trasformatore T1. Inoltre, viene monitorata la forma della tensione allo scarico del transistor VT4 (Fig. 2d) e la tensione all'uscita del convertitore viene controllata con un voltmetro. Con una tensione di ingresso di 150...170 V, la tensione di uscita raggiunge 5 V e si stabilizza. Successivamente l'alimentazione dell'unità di controllo viene disattivata e continua a funzionare su un ingresso. Un ulteriore aumento della tensione di ingresso dovrebbe portare ad una diminuzione della larghezza dell'impulso di controllo (Fig. 2, a), che dovrebbe essere controllato anche dal resistore R10. Successivamente, con una tensione di ingresso di 200 V, la corrente di carico viene aumentata (ma non più di 7 A) e il suo valore viene fissato, al quale la tensione di uscita del convertitore inizia a diminuire. Se ciò non è possibile con una corrente fino a 7 A, aumentare la resistenza del resistore R11. Come risultato della regolazione, la sua potenza dovrebbe essere impostata in modo tale che con una corrente di carico di 6,5...7 A e la tensione di ingresso minima consentita, la tensione di uscita del convertitore inizi a diminuire. Questo completa la regolazione della fonte di alimentazione. Se la qualità dell'avvolgimento del trasformatore T1 è scarsa, i picchi di tensione sul transistor VT4 aumentano, il che può causare un funzionamento instabile dell'alimentatore e persino la rottura del transistor di commutazione. Se hai bisogno di una sorgente con una tensione di uscita diversa, devi fare quanto segue: cambiare la resistenza dei resistori R13, R14, tenendo conto che la tensione di soglia del chip DA2 è 2,5 V; variazione direttamente proporzionale al numero di spire e inversamente proporzionale alla sezione dei conduttori dell'avvolgimento III; selezionare il diodo VD9 e i condensatori C15 - C17, C19 per la tensione appropriata; installare il resistore R16 con una resistenza (in ohm) calcolata con la formula R16=100(Uout - 4). Attenzione! Quando si configura e si lavora con il convertitore, ricordare che i suoi elementi sono ad alta tensione, pericolosi per la vita. Sii attento e attento! Autore: A.Mironov, Lyubertsy, Regione di Mosca
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