Un dispositivo universale per il controllo degli SMPS. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Durante lo sviluppo e il test degli alimentatori a commutazione, i radioamatori spesso incontrano una situazione in cui un alimentatore apparentemente assemblato correttamente "rifiuta" di funzionare. È sufficiente modificare erroneamente la polarità di almeno uno dei numerosi diodi raddrizzatori all'uscita del dispositivo o interrompere la fase di qualsiasi avvolgimento del trasformatore e le conseguenze possono essere le più imprevedibili, compresi i danni a controller PWM molto costosi e transistor di commutazione. Un tester universale, di cui parleremo in questo articolo, aiuterà a prevenire un fenomeno così spiacevole.

È necessario prestare attenzione al fatto che durante il test SMPS vengono utilizzate due fonti di alimentazione indipendenti. Uno di questi, a bassa corrente (Imax=0,2 A), con una tensione di uscita di 10...15 V, dopo ulteriore stabilizzazione da parte del microcircuito DA1 a un livello di 8 V, alimenta i circuiti di controllo, indicazione e protezione del dispositivo. La seconda, ad alta corrente (Imax=5A), è una fonte di tensione di prova per gli elementi da testare. A questo scopo è conveniente utilizzare un raddrizzatore di rete SMPS standard. Pertanto, sebbene il trasformatore T1 e il fotoaccoppiatore U1 nel dispositivo forniscano un isolamento galvanico tra queste fonti, durante il test, per evitare scosse elettriche, è necessario ricordare che il circuito collegato al transistor VT2 e al resistore R9 è sotto tensione di rete.

Se l'ampiezza della tensione degli impulsi a dente di sega sul resistore R9 supera un certo valore di soglia al quale la corrente del diodo emettitore del fotoaccoppiatore U1 sarà sufficiente per aprire il suo fototransistor, il segnale di sovraccarico proveniente dal collettore di quest'ultimo ne impedirà il passaggio di impulsi dal generatore. Un piccolo condensatore C3 collegato in parallelo alla sezione collettore-emettitore del fototransistor aumenta l'immunità al rumore del dispositivo.

Il tester descritto utilizza un transistor di commutazione IRFBC40, che ha una corrente di drain massima di 6,2 A e una tensione da drain a source di 600 V. Il livello di corrente di soglia è 5 A e la tensione di risposta della protezione è 0,33 Ohm x 5 A = 1,65, 9 V. La potenza dissipata dal sensore di corrente (R1) con un duty cycle di D - 1,65 deve essere almeno (2)0,33/8,25 - 0,2 W. Quando il dispositivo viene utilizzato per valutare la capacità di carico dell'SMPS (D=8,25), il livello di potenza deve essere almeno 0,2x1,65 = 1,65 W. Se il tester è destinato solo a testare gli elementi induttivi dell'SMPS, come nel nostro caso, tenendo conto della forma a dente di sega degli impulsi di corrente, la potenza del resistore dovrebbe essere almeno 0,5x0,825 = XNUMX W.

(clicca per ingrandire)

Naturalmente, il transistor importato può essere sostituito con un KP707V2 domestico o simile, ma per loro i parametri del sensore di corrente dovranno essere ricalcolati secondo i rapporti sopra indicati e presi in considerazione durante la configurazione del dispositivo.

Considera il lavoro dei circuiti di protezione sugli elementi DD2.1 e DD2.2.

Il circuito R8C2, la cui costante di tempo è 3 ms, è collegato all'ingresso superiore del trigger RS ​​(pin 2 di DD8,2). Fornisce un ritardo temporaneo nella comparsa di un livello alto all'ingresso, necessario per riportare il trigger del nodo di protezione al suo stato iniziale.

Questa caratteristica è illustrata in Fig. 2 la presenza di un intervallo di tempo tmin tra l'accensione del dispositivo e l'inizio del test SMPS.

In pratica, ciò impone restrizioni sull'ordine di accensione delle due fonti di alimentazione indipendenti nominate: prima si dovrebbe accendere quella a bassa corrente, poi quella ad alta corrente e spegnerla nell'ordine inverso, prima quella ad alta corrente. quello attuale, poi quello a bassa corrente. Il rispetto di questa regola eviterà danni al transistor di commutazione VT2 già dal primo impulso all'accensione del dispositivo. Inoltre, quando si accende l'SMPS per la prima volta, consiglio di non applicare l'intera tensione di rete, ma di aumentarla gradualmente, ad esempio utilizzando un autotrasformatore da laboratorio.

Se il transistor di commutazione è sovraccarico, il trigger RS ​​passa allo stato zero. Ai pin 1, 13 degli elementi DD1.3 e DD1.4, il livello alto viene sostituito da un livello basso e l'ulteriore passaggio degli impulsi viene bloccato. Il trigger RS ​​commutato spegne il LED "Verifica" HL2 e accende il LED "Sovraccarico" HL1. Il generatore sugli elementi DD2.3 e DD2.4 produce un segnale acustico di avviso. Dopo aver tolto l'alimentazione ed eliminato il sovraccarico, dopo il tempo necessario per scaricare i condensatori C1 e C2, il dispositivo è pronto per essere riacceso.

L'uso di un dispositivo per la stima della corrente di saturazione dell'induttore utilizzato nel filtro di uscita SMPS ha le sue caratteristiche. Diamo un'occhiata più da vicino a loro.

Sulla fig. 3 mostra lo schema di collegamento del tester in questo caso.

L'alimentatore (PSU) è ad alta corrente: la sua corrente massima deve superare il valore di soglia selezionato per i circuiti di protezione del dispositivo di 5 A. Un diodo VD1 è collegato in parallelo all'induttore in prova. Qui è consentito utilizzare KD212A o simili. La frequenza di commutazione può essere molto elevata, soprattutto per induttanze con induttanza di centinaia e migliaia di microhenry. Pertanto, durante la misurazione dei parametri dell'acceleratore, potrebbe essere necessario ridurre significativamente la frequenza operativa con una durata dell'impulso costante (o regolabile). Le prestazioni possono essere aumentate anche introducendo un diodo zener VD2 con una tensione di funzionamento leggermente superiore alla tensione di misura. È anche auspicabile che la tensione all'uscita dell'alimentatore sia regolabile.

Un oscilloscopio è collegato in parallelo al resistore R9 del tester. Le possibili opzioni A e B dei diagrammi osservati della caduta di tensione sul sensore di corrente Ur9, nonché la tensione U3 al gate del transistor di commutazione sono mostrate in Fig. 4.

Come è noto, la tensione U applicata all'induttore provoca in esso un aumento lineare della corrente D1. Questa dipendenza è espressa matematicamente dall'equazione AI = (U/L)Δt ovvero, in altre parole, una tensione di 1 V applicata ad una induttanza con induttanza di 1 H provocherà, dopo 1 s, un aumento della corrente in di 1 A. Se il numeratore e il denominatore della frazione sono sul lato destro uguaglianze moltiplicate per un fattore 10-6, otteniamo un importante corollario: per determinare la variazione della corrente D1 in ampere, possiamo sostituire l'induttanza in microhenry e il tempo in microsecondi nella formula, che utilizzeremo nelle misurazioni.

Supponiamo che la tensione all'uscita dell'alimentatore sia impostata su U = 20 V e con un determinato induttore selezionato il diagramma di tensione UR9 assume la forma A (Fig. 4). Valutiamo le proprietà dell'acceleratore.

È ovvio che il valore di picco della corrente I = U/R = 0,4/0,33 - 1,2 A, e possiamo concludere che l'induttore valutato sarà abbastanza funzionale quando filtra la corrente fino a 1,2 A. Inoltre, con Con l'aiuto di con un tester è possibile valutare l'induttanza dell'induttore, per la quale è necessario utilizzare la relazione L = (U/AI)At. Sostituendo i valori corrispondenti otteniamo L = (20/1,2)2 - 33 μH. Naturalmente, l'accuratezza della determinazione è influenzata da molti indicatori: la tolleranza del valore del resistore di misurazione della corrente, l'errore nella misurazione della tensione e dell'intervallo di tempo utilizzando un oscilloscopio, l'effetto di limitazione della corrente nel circuito di misurazione causato da la resistenza attiva dell'induttore e del resistore R9 e alcuni altri fattori. Ma secondo le stime più approssimative, l'errore totale nella misurazione dell'induttanza dell'induttore utilizzando questo metodo non supererà il 20%. Questa precisione è abbastanza sufficiente per valutare le proprietà di filtraggio dell'induttore come parte del filtro di uscita SMPS.

Ora, senza cambiare l'induttore, aumenteremo la tensione in uscita dall'alimentatore a 40 V e contemporaneamente otterremo l'opzione B dello schema mostrato in Fig. 4. È importante che il valore della tensione di picco UR9 non superi il livello di soglia impostato per i circuiti di protezione, altrimenti le misurazioni non saranno possibili. Come si può vedere dalla figura, questa condizione è soddisfatta. Calcoli simili ai precedenti ci permettono di trarre le seguenti conclusioni:

• il limite di corrente (corrente di saturazione) è 1,5 A;
• l'induttanza dell'induttore è 34,5 μH.

Una leggera discrepanza tra i risultati indica un errore di misurazione maggiore, che è associato a difficoltà nel determinare il punto di flesso sulla curva B. Tipicamente, a questo scopo viene utilizzato uno stencil di carta, applicato all'immagine della curva sullo schermo dell'oscilloscopio, come illustrato dalla linea B nella fig. 4. Pertanto, durante le misurazioni, è consigliabile ridurre la tensione all'uscita dell'alimentatore ad un valore per il quale il diagramma assume una forma strettamente lineare, simile alla linea A, e utilizzare i risultati ottenuti per stimare l'induttanza dell'alimentatore induttore e la corrente di saturazione in esso.

Un aumento della probabilità di saturazione che si verifica nell'induttore a bassa corrente è associato all'uso di circuiti magnetici chiusi realizzati con materiale ad elevata permeabilità magnetica (più di 200). Per evitare la saturazione, dovrebbero essere utilizzati anelli magnetodielettrici a base di alsifer o leghe di molibdeno-permalloy, oppure dovrebbe essere introdotto un traferro non magnetico. Se confrontiamo l'anello di ferrite, i nuclei magnetici a forma di W e quelli armati, va riconosciuto che questi ultimi due sono tecnologicamente più avanzati in termini di creazione di un traferro non magnetico, sebbene sia possibile utilizzare sezioni di barre di ferrite utilizzate nei ricevitori radio per antenne magnetiche come nuclei magnetici debolmente saturabili (minore è la permeabilità magnetica, tanto meglio).

E l'ultima opzione per utilizzare il dispositivo durante il test SMPS è come equivalente di carico regolabile, inoltre, un carico pulsato, che è particolarmente importante per gli alimentatori utilizzati come parte dell'UMZCH. Picco, massimo, medio, musicale, termico e una serie di altri termini che caratterizzano la potenza derivata dalle influenze pulsate non sono stati invano inventati dagli specialisti per valutare questa classe di dispositivi radio. Naturalmente in questo caso il generatore del tester deve essere adattato alla gamma di frequenze audio e il ciclo di lavoro degli impulsi di commutazione deve essere adattato, come raccomandato all'inizio dell'articolo. Quando si effettuano misurazioni, è necessario prestare attenzione alle condizioni termiche del microcircuito DA1 e del transistor VT1. È possibile che quando il ciclo di lavoro degli impulsi è vicino a 1, sarà necessario sostituirli con elementi più potenti.

A seconda della potenza di uscita e della tensione di uscita dell'SMPS, saranno necessari diversi resistori con una resistenza da poche a decine di ohm con una dissipazione di potenza di 30...50 W. In loro assenza, come carico equivalente, è consentito utilizzare lampade per automobili con una tensione operativa di 12 V, e tra questi è facile selezionare esemplari progettati per una corrente nominale da frazioni a decine di ampere. Se la massima dissipazione di potenza con una corrente attraverso il transistor di commutazione di 5 A non è sufficiente per il pieno carico dell'SMPS, il transistor ad effetto di campo ad alta tensione IRFBC40 può essere sostituito con uno a bassa tensione, ad esempio IRFZ48N, che ha una corrente massima costante (media) di 45 A e una corrente pulsata fino a 210 A.

Lo schema di collegamento quando si utilizza il dispositivo come equivalente regolabile di un carico a impulsi è mostrato in Fig. 5.

Un amperometro collegato al circuito di misurazione mostrerà il valore medio della corrente. Se le letture dell'amperometro vengono divise per il ciclo di lavoro dell'impulso, otteniamo il valore di ampiezza (picco) della corrente nel circuito di carico. Quando il ciclo di lavoro dell'impulso è vicino a 1, il carico per l'SMPS è massimo.

Il transistor di commutazione VT2 nel tester deve essere installato su un dissipatore di calore con una superficie di 100...200 cm2. Sostituiremo lo stabilizzatore del microcircuito KR1157EN802A con un analogo straniero 78L82 o domestici regolati più potenti KR142EN12A, KR142EN12B. Il microcircuito K561TL1 può essere sostituito con K561LA7. Invece di KT505B, puoi utilizzare qualsiasi transistor di media potenza ad alta frequenza con la struttura appropriata. Emettitore sonoro piezoceramico HA1 - qualsiasi disponibile. I diodi KD522B sono sostituibili con qualsiasi diodo al silicio a bassa potenza, ad esempio le serie KD521, KD522, optoaccoppiatore - qualsiasi serie AOT127, AOT128. LED: qualsiasi con un bagliore chiaramente visibile a una corrente di circa 5 mA. Il condensatore C1 è qualsiasi condensatore all'ossido della capacità specificata, il resto è qualsiasi ceramico. Tutti i resistori sono MLT, C1-4, C2-23, ad eccezione dell'R9 importato.

Trasformatore T1 - impulso FIT-5. Se non è possibile trovarne uno, il trasformatore viene realizzato in modo indipendente. Il suo nucleo magnetico è formato da due anelli di ferrite K10x6x3 piegati insieme con una permeabilità magnetica di 1500...2000. Gli spigoli vivi degli anelli vengono arrotondati con una lima, il circuito magnetico viene ricoperto con vernice isolante e, dopo che si asciuga, vengono avvolti 100 spire in due fili PELSHO 0,12. Il trasformatore deve essere collegato tenendo conto della fasatura degli avvolgimenti I e II, mostrata in Fig. 1.

Il trasformatore può essere realizzato anche sulla base di nuclei magnetici corazzati B14 o B18. In questo caso, gli avvolgimenti, contenenti 50...70 spire di filo PEV-2 0,12-0,17, dovrebbero essere isolati in modo affidabile l'uno dall'altro.

La configurazione del dispositivo inizia con il controllo dei parametri degli impulsi all'uscita del generatore (pin 10 DD1). Se necessario, vengono regolati selezionando la capacità del condensatore C4 e la resistenza dei resistori R4 e R6. Quindi scollegare il terminale superiore del resistore R10 nello schema e collegarlo al terminale positivo della fonte di alimentazione regolata, il cui terminale negativo è collegato al terminale 2 del fotoaccoppiatore U1. Aumentando gradualmente la tensione, viene registrato il momento della perdita di impulsi alle uscite degli elementi DD1.3, DD1.4. Selezionando il resistore R10, si ottiene l'assenza di impulsi ad una tensione di 1,65 ± 0,05 V, dopodiché la connessione viene ripristinata.

Nella fase successiva, selezionando il resistore R5, la corrente dei LED HL1, HL2 viene impostata su circa 5 mA. Infine, controlla la polarità degli impulsi al gate del transistor VT2. Se non corrispondono alla Fig. 2, cambiare la fase di uno degli avvolgimenti del trasformatore T1.

La fase finale sta monitorando le prestazioni del transistor di commutazione VT2, per il quale il dispositivo è collegato al raddrizzatore di rete dell'SMPS testato secondo la Fig. 5. L'SMPS deve avere un interruttore di tensione di rete, un fusibile da 2 A e un circuito di limitazione della corrente di avviamento. Come carico viene utilizzata una lampada con una tensione di 220 V e una potenza di 60 W. È consigliabile, ma non necessario, includere nel circuito un amperometro CC con limite di misurazione di 0,5 A. Dopo aver acceso il raddrizzatore di rete, al tester viene applicata e rimossa più volte una tensione di alimentazione di 10...15 V. Quando il generatore è in funzione, la lampada si illuminerà alla massima intensità e l'amperometro mostrerà una corrente di circa 0,08 A. Facendo attenzione, utilizzare un oscilloscopio per monitorare gli impulsi allo scarico del transistor VT2. Se il transistor è difettoso, la lampada si illuminerà con la metà della luminosità normale e non risponderà quando la tensione di alimentazione al dispositivo viene disattivata. Il transistor difettoso deve essere sostituito e dopo ulteriori test il dispositivo è pronto per il funzionamento.

Per espandere le capacità, il dispositivo può essere integrato con due interruttori che commutano set di resistori R4, R6 e condensatore C4 di valori diversi, con l'aiuto dei quali vengono impostati diversi valori fissi della frequenza e del ciclo di lavoro degli impulsi.

Autore: S. Kosenko, Voronezh

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