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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Trasformatori elettronici per lampade alogene 12 V. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Alimentatori L'articolo descrive i cosiddetti trasformatori elettronici, che in realtà sono convertitori step-down di impulsi per l'alimentazione di lampade alogene a 12 V. Vengono proposte due versioni dei trasformatori: su elementi discreti e utilizzando un microcircuito specializzato. Le lampade alogene sono, infatti, una modifica più avanzata di una lampada a incandescenza convenzionale. La differenza fondamentale sta nell'aggiunta di vapori di composti alogenati al bulbo della lampada, che bloccano l'evaporazione attiva del metallo dalla superficie del filamento durante il funzionamento della lampada. Ciò consente di riscaldare il filamento a temperature più elevate, con conseguente maggiore emissione luminosa e uno spettro di emissione più uniforme. Inoltre, la durata della lampada è estesa. Queste ed altre caratteristiche rendono la lampada alogena molto attraente per l'illuminazione domestica, ma non solo. Viene prodotta commercialmente una vasta gamma di lampade alogene di varie potenze per 230 e 12 V. Le lampade con tensione di alimentazione a 12 V hanno migliori caratteristiche tecniche e una maggiore durata rispetto alle lampade a 230 V, per non parlare della sicurezza elettrica. Per alimentare tali lampade da una rete a 230 V, è necessario ridurre la tensione. Ovviamente puoi utilizzare un trasformatore step-down di rete convenzionale, ma è costoso e poco pratico. La soluzione migliore è utilizzare un convertitore step-down 230V/12V, spesso indicato in questi casi come trasformatore elettronico o convertitore alogeno. In questo articolo verranno discusse due varianti di tali dispositivi, entrambe progettate per una potenza di carico di 20 ... 105 watt. Una delle soluzioni circuitali più semplici e comuni per trasformatori elettronici step-down è un convertitore a mezzo ponte con retroazione di corrente positiva, il cui circuito è mostrato in fig. 1. Quando il dispositivo è collegato alla rete, i condensatori C3 e C4 vengono caricati rapidamente alla tensione di ampiezza della rete, formando metà della tensione nel punto di connessione. Il circuito R5C2VS1 genera un impulso di trigger. Non appena la tensione ai capi del condensatore C2 raggiunge la soglia di apertura del dinistor VS1 (24.32 V), si aprirà e verrà applicata una tensione di polarizzazione diretta alla base del transistor VT2. Questo transistor si aprirà e la corrente scorrerà attraverso il circuito: il punto comune dei condensatori C3 e C4, l'avvolgimento primario del trasformatore T2, l'avvolgimento III del trasformatore T1, la sezione collettore-emettitore del transistor VT2, il terminale negativo del ponte a diodi VD1. Sull'avvolgimento II del trasformatore T1 apparirà una tensione che mantiene il transistor VT2 nello stato aperto, mentre la tensione inversa dall'avvolgimento I verrà applicata alla base del transistor VT1 (gli avvolgimenti I e II sono accesi in antifase). La corrente che scorre attraverso l'avvolgimento III del trasformatore T1 lo porterà rapidamente in saturazione. Di conseguenza, la tensione sugli avvolgimenti I e II T1 tenderà a zero. Il transistor VT2 inizierà a chiudersi. Quando è quasi completamente chiuso, il trasformatore inizierà a uscire dalla saturazione.
La chiusura del transistor VT2 e l'uscita dalla saturazione del trasformatore T1 comporterà un cambiamento nella direzione dell'EMF e un aumento della tensione sugli avvolgimenti I e II. Ora, una tensione diretta verrà applicata alla base del transistor VT1 e la tensione inversa verrà applicata alla base di VT2. Il transistor VT1 inizierà ad aprirsi. La corrente scorrerà attraverso il circuito: il terminale positivo del ponte a diodi VD1, la sezione collettore-emettitore VT1, l'avvolgimento III T1, l'avvolgimento primario del trasformatore T2, il punto comune dei condensatori C3 e C4. Inoltre, il processo viene ripetuto e nel carico si forma la seconda semionda di tensione. Dopo l'avvio, il diodo VD4 mantiene il condensatore C2 in uno stato di scarica. Poiché il convertitore non utilizza un condensatore di ossido di livellamento (non è necessario quando si lavora su una lampada ad incandescenza, anzi, la sua presenza peggiora il fattore di potenza del dispositivo), quindi alla fine del semiciclo della rete raddrizzata tensione, la generazione si fermerà. Con l'avvento del prossimo mezzo ciclo, il generatore si riavvierà. Come risultato del funzionamento di un trasformatore elettronico, alla sua uscita si formano oscillazioni di forma simile a quelle sinusoidali con una frequenza di 30 ... 35 kHz (Fig. 2), che seguono a raffiche con una frequenza di 100 Hz (Fig. 3).
Una caratteristica importante di un tale convertitore è che non si avvierà senza carico, poiché in questo caso la corrente attraverso l'avvolgimento III T1 sarà troppo piccola e il trasformatore non entrerà in saturazione, il processo di autogenerazione fallirà. Questa funzione rende superflua la protezione inattiva. Il dispositivo con indicato in fig. 1 inizia stabilmente con una potenza di carico di 20 watt o più. Sulla fig. 4 mostra uno schema di un trasformatore elettronico migliorato, in cui sono aggiunti un filtro di soppressione del rumore e un'unità di protezione da cortocircuito nel carico. L'unità di protezione è assemblata su un transistor VT3, un diodo VD6, un diodo zener VD7, un condensatore C8 e resistori R7-R12. Un forte aumento della corrente di carico aumenterà la tensione sugli avvolgimenti I e II del trasformatore T1 da 3...5 V in modalità nominale a 9...10 V in modalità cortocircuito. Di conseguenza, sulla base del transistor VT3 apparirà una tensione di polarizzazione di 0,6 V. Il transistor si aprirà e shunterà il condensatore del circuito di avviamento C6. Di conseguenza, con il successivo mezzo ciclo della tensione rettificata, il generatore non si avvia. Il condensatore C8 fornisce un ritardo di spegnimento della protezione di circa 0,5 s.
La seconda versione del trasformatore step-down elettronico è mostrata in fig. 5. È più facile da ripetere perché non ha un trasformatore, pur essendo più funzionale. Anche questo è un convertitore a mezzo ponte, ma controllato da un chip IR2161S specializzato. Tutte le funzioni di protezione necessarie sono integrate nel microcircuito: dalla bassa e alta tensione di rete, dalla modalità inattiva e dal cortocircuito nel carico, dal surriscaldamento. L'IR2161S ha anche una funzione di avvio graduale, che consiste in un aumento graduale della tensione di uscita all'accensione da 0 a 11,8 V per 1 s. Ciò elimina un forte aumento di corrente attraverso il filamento freddo della lampada, che in modo significativo, a volte più volte, ne aumenta la durata.
Al primo momento, e anche con l'arrivo di ogni successivo semiciclo della tensione raddrizzata, il microcircuito viene alimentato tramite il diodo VD3 dallo stabilizzatore parametrico sul diodo zener VD2. Se l'alimentazione viene fornita direttamente dalla rete 230 V senza utilizzare un regolatore di potenza di fase (dimmer), il circuito R1-R3C5 non è necessario. Dopo essere entrato nella modalità operativa, il microcircuito viene ulteriormente alimentato dall'uscita del semiponte attraverso il circuito d2VD4VD5. Immediatamente dopo l'avvio, la frequenza del generatore di clock interno del microcircuito è di circa 125 kHz, che è molto più alta della frequenza del circuito di uscita C13C14T1, di conseguenza la tensione sull'avvolgimento secondario del trasformatore T1 sarà piccola. L'oscillatore interno del microcircuito è controllato dalla tensione, la sua frequenza è inversamente proporzionale alla tensione ai capi del condensatore C8. Immediatamente dopo l'accensione, questo condensatore inizia a caricarsi dalla sorgente di corrente interna del microcircuito. In proporzione all'aumento della tensione su di esso, la frequenza del generatore di microcircuiti diminuirà. Quando la tensione sul condensatore raggiunge i 5 V (circa 1 s dopo l'accensione), la frequenza scenderà a un valore operativo di circa 35 kHz e la tensione all'uscita del trasformatore raggiungerà un valore nominale di 11,8 V. Questo è così che viene implementato un soft start, dopo che è stato completato, il microcircuito DA1 entra in modalità operativa in cui il pin 3 di DA1 può essere utilizzato per controllare la potenza di uscita. Se colleghi un resistore variabile con una resistenza di 8 kOhm in parallelo al condensatore C100, puoi, modificando la tensione sul pin 3 di DA1, controllare la tensione di uscita e regolare la luminosità della lampada. Quando la tensione al pin 3 del chip DA1 cambia da 0 a 5 V, la frequenza di generazione cambierà da 60 a 30 kHz (60 kHz a 0 V è la tensione di uscita minima e 30 kHz a 5 V è la massima). L'ingresso CS (pin 4) del chip DA1 è l'ingresso dell'amplificatore del segnale di errore interno e viene utilizzato per controllare la corrente di carico e la tensione all'uscita del semiponte. In caso di un forte aumento della corrente di carico, ad esempio durante un cortocircuito, la caduta di tensione attraverso il sensore di corrente - i resistori R12 e R13, e quindi sul pin 4 di DA1, supererà 0,56 V, il comparatore interno commuterà e fermare il generatore di clock. In caso di interruzione del carico, la tensione all'uscita del semiponte può superare la tensione massima consentita dei transistor VT1 e VT2. Per evitare ciò, un partitore resistivo-capacitivo C7R10 è collegato all'ingresso CS attraverso il diodo VD9. Quando viene superato il valore di soglia della tensione ai capi del resistore R9, anche la generazione si arresta. Le modalità operative del chip IR2161S sono discusse più dettagliatamente in [1]. È possibile calcolare il numero di spire degli avvolgimenti del trasformatore di uscita per entrambe le opzioni, ad esempio, utilizzando un semplice metodo di calcolo [2], è possibile scegliere un circuito magnetico adatto per la potenza complessiva utilizzando il catalogo [3]. Secondo [2], il numero di giri dell'avvolgimento primario è NI = (uc max·T0 max) / (2 S Bmax), dove seic max - tensione di rete massima, V; t0 max - tempo massimo dello stato aperto dei transistor, µs; S - area della sezione trasversale del circuito magnetico, mm2; Bmax- massima induzione, Tl. Numero di giri dell'avvolgimento secondario NII = NI / K dove k è il rapporto di trasformazione, nel nostro caso possiamo assumere k = 10. Un disegno del circuito stampato della prima versione del trasformatore elettronico (vedi Fig. 4) è mostrato in fig. 6, l'ubicazione degli elementi - in fig. 7. L'aspetto della scheda assemblata è mostrato in fig. 8. copertine. Il trasformatore elettronico è montato su una scheda in fibra di vetro laminata su un lato con uno spessore di 1,5 mm. Tutti gli elementi per il montaggio superficiale sono installati sul lato dei conduttori stampati, gli elementi di uscita sono sul lato opposto della scheda. La maggior parte delle parti (transistor VT1, VT2, trasformatore T1, dinistor VS1, condensatori C1-C5, C9, C10) proverrà da reattori elettronici di massa economici per lampade fluorescenti di tipo T8, ad esempio Tridonic PC4x18 T8, Fintar 236/418, Cimex CSVT 418P, Komtex EFBL236 / 418, TDM Electric EB-T8-236 / 418, ecc., Poiché hanno circuiti e base di elementi simili. I condensatori C9 e C10 sono in polipropilene a film metallico, progettati per corrente pulsata elevata e tensione alternata di almeno 400 V. Diodo VD4 - qualsiasi diodo ad alta velocità con una tensione inversa consentita di almeno 11 V in Fig. 150.
Il trasformatore T1 è avvolto su un circuito magnetico anulare con una permeabilità magnetica di 2300 ± 15%, il suo diametro esterno è di 10,2 mm, il suo diametro interno è di 5,6 mm e il suo spessore è di 5,3 mm. L'avvolgimento III (5-6) contiene un giro, gli avvolgimenti I (1-2) e II (3-4) - tre giri di filo con un diametro di 0,3 mm. L'induttanza degli avvolgimenti 1-2 e 3-4 dovrebbe essere 10...15 µH. Il trasformatore di uscita T2 è avvolto su un circuito magnetico EV25/13/13 (Epcos) senza traferro amagnetico, materiale N27. Il suo avvolgimento primario contiene 76 spire di filo 5x0,2 mm. L'avvolgimento secondario contiene otto spire di filo litz da 100x0,08 mm. L'induttanza dell'avvolgimento primario è di 12 ±10% mH. L'induttore del filtro antidisturbo L1 è avvolto su un nucleo magnetico E19/8/5, materiale N30, ogni avvolgimento contiene 130 spire di filo con un diametro di 0,25 mm. È possibile utilizzare un'induttanza standard a due avvolgimenti con un'induttanza di 30 ... 40 mH di dimensioni adeguate. Condensatori C1, C2, è preferibile utilizzare la classe X. Un disegno del circuito stampato della seconda versione del trasformatore elettronico (vedi Fig. 5) è mostrato in fig. 9, l'ubicazione degli elementi - in fig. 10. La scheda è anch'essa realizzata in fibra di vetro sventata su un lato, gli elementi per il montaggio superficiale si trovano sul lato dei conduttori stampati, gli elementi di uscita sono sul lato opposto. L'aspetto del dispositivo finito è mostrato in fig. 11 e fig. 12. Il trasformatore di uscita T1 è avvolto su un circuito magnetico ad anello R29.5 (Epcos), materiale N87. L'avvolgimento primario contiene 81 giri di filo con un diametro di 0,6 mm, il secondario - 8 giri di filo 3x1 mm. L'induttanza dell'avvolgimento primario è 18 ±10% mH, il secondario è 200 ±10% mH. Il trasformatore T1 è stato calcolato per una potenza massima fino a 150 W, per collegare un tale carico, i transistor VT1 e VT2 devono essere installati su un dissipatore di calore: una piastra di alluminio con un'area di 16 ... 18 mm2, 1,5 ... 2 mm di spessore. In questo caso, tuttavia, sarà necessaria una corrispondente modifica del circuito stampato. Inoltre, il trasformatore di uscita può essere utilizzato dalla prima versione del dispositivo (sarà necessario aggiungere fori sulla scheda per una diversa disposizione dei pin). I transistor STD10NM60N (VT1, VT2) possono essere sostituiti con IRF740AS o simili. Il diodo zener VD2 deve avere una potenza di almeno 1 W, la tensione di stabilizzazione è 15,6 ... 18 V. Il condensatore C12 è preferibilmente un disco ceramico per una tensione CC nominale di 1000 V. I condensatori C13, C14 sono in polipropilene a film metallico, progettato per alta corrente di impulso e tensione CA non inferiore a 400 V. Ciascuno dei circuiti di resistenza R4-R7, R14-R17, R18-R21 può essere sostituito con un resistore di uscita della resistenza e della potenza appropriate, ma ciò richiederà la sostituzione del circuito stampato.
Letteratura
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Commenti sull'articolo: Nicholas Bene.
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