Principio di funzionamento degli alimentatori switching. Principio di funzionamento di un alimentatore switching

Quasi ogni dispositivo elettronico ha un alimentatore - elemento importante schema elettrico. I blocchi vengono utilizzati in dispositivi che richiedono bassa potenza. Il compito fondamentale dell'alimentatore è ridurre la tensione di rete. I primi alimentatori switching furono progettati dopo l'invenzione della bobina, che funzionava con corrente alternata.

L'uso dei trasformatori ha dato impulso allo sviluppo degli alimentatori. Dopo il raddrizzatore di corrente, viene eseguita l'equalizzazione della tensione. Nelle unità dotate di convertitore di frequenza, questo processo avviene in modo diverso.

L'unità ad impulsi si basa su un sistema inverter. Dopo aver raddrizzato la tensione, si formano impulsi rettangolari ad alta frequenza che vengono inviati al filtro di uscita a bassa frequenza. Gli alimentatori a commutazione convertono la tensione e forniscono energia al carico.

Dissipazione di energia da blocco degli impulsi non sta succedendo. Da sorgente di linea la dissipazione avviene sui semiconduttori (transistor). La sua compattezza e leggerezza gli conferiscono inoltre la superiorità rispetto ai trasformatori di pari potenza, motivo per cui viene spesso sostituito con unità a impulsi.

Principio operativo

Il funzionamento di un UPS dal design semplice è il seguente. Se la corrente in ingresso è variabile, come la maggior parte elettrodomestici, quindi prima la tensione viene convertita in costante. Alcuni modelli di unità sono dotati di interruttori che raddoppiano la tensione. Questo viene fatto per connettersi a una rete con tensioni nominali diverse, ad esempio 115 e 230 volt.

Il raddrizzatore equalizza la tensione alternata ed emette corrente continua, che entra nel filtro del condensatore. La corrente dal raddrizzatore esce sotto forma di piccoli impulsi ad alta frequenza. I segnali hanno un'energia elevata, che riduce il fattore di potenza del trasformatore di impulsi. Per questo motivo, le dimensioni dell'unità di impulso sono piccole.

Per correggere la diminuzione di potenza nei nuovi alimentatori, viene utilizzato un circuito in cui la corrente di ingresso è ottenuta sotto forma di seno. I blocchi vengono installati in computer, videocamere e altri dispositivi secondo questo schema. L'unità a impulsi funziona con una tensione costante che passa attraverso l'unità senza cambiare. Un tale blocco è chiamato flyback. Se serve 115 V, per funzionare a tensione costante sono necessari 163 volt, calcolati come (115 × √2).

Per un raddrizzatore, un tale circuito è dannoso, poiché la metà dei diodi non viene utilizzata durante il funzionamento, ciò provoca il surriscaldamento della parte operativa del raddrizzatore. In questo caso, la durata è ridotta.

Dopo che la tensione di rete è stata raddrizzata, l'inverter entra in azione e converte la corrente. Dopo aver attraversato un commutatore, che ha un'elevata energia di uscita, dalla corrente continua si ottiene la corrente alternata. Con un avvolgimento del trasformatore di diverse decine di giri e una frequenza di centinaia di hertz, l'alimentatore funziona come un amplificatore a bassa frequenza, risulta essere superiore a 20 kHz, non è accessibile all'udito umano. L'interruttore è realizzato utilizzando transistor con un segnale multistadio. Tali transistor hanno una bassa resistenza e un'elevata capacità di far passare correnti.

Schema di funzionamento dell'UPS

IN blocchi di rete l'ingresso e l'uscita sono isolati tra loro; nei blocchi di impulsi la corrente viene applicata all'avvolgimento primario ad alta frequenza. Il trasformatore crea la tensione richiesta sull'avvolgimento secondario.

Per tensioni di uscita superiori a 10 V vengono utilizzati diodi al silicio. A basse tensioni vengono installati diodi Schottky che presentano i seguenti vantaggi:

• Recupero rapido, che consente di avere piccole perdite.
• Bassa caduta di tensione. Per ridurre la tensione di uscita, viene utilizzato un transistor, al suo interno viene raddrizzata la parte principale della tensione.

Circuito di blocco impulsi di dimensioni minime

In un semplice circuito UPS, viene utilizzata un'induttanza al posto di un trasformatore. Si tratta di convertitori per abbassare o aumentare la tensione; appartengono alla classe più semplice; vengono utilizzati un interruttore e un'induttanza.

Tipi di UPS

• Un semplice UPS basato su IR2153, comune in Russia.
• Alimentatori switching basati su TL494.
• Alimentatori switching basati su UC3842.
• Di tipo ibrido, da una lampada a risparmio energetico.
• Per un amplificatore con dati aumentati.
• Dall'alimentatore elettronico.
• UPS regolabile, dispositivo meccanico.
• Per UMZCH, alimentazione altamente specializzata.
• UPS potente e ad alte prestazioni.
• A 200 V - per una tensione non superiore a 220 volt.
• UPS di rete da 150 watt, solo rete.
• Per 12 V: funziona normalmente a 12 volt.
• Per 24 V – funziona solo a 24 volt.
• Bridge: viene utilizzato un circuito a ponte.
• Per un amplificatore a valvole - caratteristiche delle valvole.
• Per LED: alta sensibilità.
• UPS bipolari, distinti dalla qualità.
• Flyback, ha aumentato voltaggio e potenza.

Peculiarità

Un semplice UPS può essere costituito da piccoli trasformatori, poiché all'aumentare della frequenza, l'efficienza del trasformatore è maggiore e i requisiti relativi alle dimensioni del nucleo sono inferiori. Questo nucleo è realizzato in leghe ferromagnetiche e l'acciaio viene utilizzato per le basse frequenze.

La tensione nell'alimentatore è stabilizzata da feedback valore negativo. La tensione di uscita viene mantenuta allo stesso livello e non dipende dal carico e dalle fluttuazioni di ingresso. Il feedback viene creato utilizzando metodi diversi. Se il blocco ha isolamento galvanico dalla rete, viene utilizzata la connessione di un avvolgimento del trasformatore in uscita o utilizzando un fotoaccoppiatore. Se il disaccoppiamento non è necessario, utilizzare un semplice divisore resistivo. Per questo motivo, la tensione di uscita è stabilizzata.

Caratteristiche dei blocchi da laboratorio

Il principio di funzionamento si basa sulla conversione attiva della tensione. Per rimuovere le interferenze, i filtri vengono posizionati alla fine e all'inizio del circuito. La saturazione dei transistor ha un effetto positivo sui diodi e c'è una regolazione della tensione. La protezione integrata blocca i cortocircuiti. I cavi di alimentazione sono utilizzati in serie non modulare, la potenza raggiunge i 500 watt.

Il case ha una ventola di raffreddamento, la velocità della ventola è regolabile. Carico più pesante il blocco è di 23 ampere, resistenza 3 ohm, frequenza massima 5 hertz.

Applicazione dei blocchi di impulsi

La portata del loro utilizzo è in costante crescita sia nella vita di tutti i giorni che nella produzione industriale.

Gli alimentatori a commutazione vengono utilizzati in gruppi di continuità, amplificatori, ricevitori, televisori, caricabatterie ah, per linee di illuminazione a bassa tensione, computer, apparecchiature mediche e altri vari dispositivi e dispositivi per scopi generali.

Vantaggi e svantaggi

L'UPS presenta i seguenti vantaggi e svantaggi:

• Peso leggero.
• Maggiore efficienza.
• Basso costo.
• L'intervallo della tensione di alimentazione è più ampio.
• Chiusure di sicurezza integrate.

Il peso e le dimensioni ridotti sono dovuti all'utilizzo di elementi con radiatori di raffreddamento in modalità lineare e controllo a impulsi al posto dei pesanti trasformatori. La capacità del condensatore viene ridotta aumentando la frequenza. Il circuito di rettifica è diventato più semplice circuito semplice– semionda.

I trasformatori a bassa frequenza perdono molta energia e dissipano calore durante le trasformazioni. In un UPS, le perdite massime si verificano durante i processi di commutazione transitoria. Altre volte i transistor sono stabili, sono chiusi o aperti. Sono state create le condizioni per il risparmio energetico, l'efficienza raggiunge il 98%.

Il costo dell'UPS è stato ridotto grazie all'unificazione di una vasta gamma di elementi nelle imprese robotiche. Gli elementi di potenza degli interruttori controllati sono costituiti da semiconduttori di potenza inferiore.

Le tecnologie a impulsi consentono di utilizzare reti elettriche con frequenze diverse, il che espande l'uso degli alimentatori in varie reti energetiche. I moduli a semiconduttore di piccole dimensioni e dotati di tecnologia digitale sono protetti corto circuito e altri incidenti.

Unità semplici con trasformatori di protezione sono realizzate su una base relè, sulla quale non ha senso nella tecnologia digitale. Solo in alcuni casi vengono utilizzate le tecnologie digitali:

• Per circuiti di controllo a bassa potenza.
• Dispositivi con piccola corrente di controllo ad alta precisione, nella tecnologia di misurazione, voltmetri, contatori di energia, nella metrologia.

Screpolatura

Gli alimentatori a commutazione funzionano convertendo impulsi ad alta frequenza e creano interferenze che entrano ambiente. È necessario sopprimere e combattere le interferenze utilizzando metodi diversi. A volte la soppressione del rumore non ha alcun effetto e l'uso dei blocchi di impulsi diventa impossibile per alcuni tipi di dispositivi.

Non è consigliabile collegare alimentatori a commutazione sia con carichi bassi che alti. Se la corrente di uscita scende improvvisamente al di sotto del limite impostato, l'avvio potrebbe non essere possibile e l'alimentatore presenterà distorsioni dei dati non adatte al campo operativo.

Come scegliere gli alimentatori switching

Per prima cosa devi decidere un elenco di attrezzature e dividerlo in gruppi:

• Consumatori abituali senza una propria fonte di energia.
• I consumatori con la loro fonte.
• Dispositivi con connessione periodica.

In ciascun gruppo è necessario sommare il consumo attuale di tutti gli elementi. Se ottieni più di 2 A, è meglio collegare più fonti.

Il secondo e il terzo gruppo possono essere collegati ad alimentatori economici. Successivamente, determiniamo il tempo di prenotazione richiesto. Per calcolare la capacità della batteria per garantire il funzionamento autonomo, moltiplichiamo per ore la corrente delle apparecchiature del 1° e 2° gruppo.

Da questa figura selezioniamo gli alimentatori a commutazione. Al momento dell'acquisto non si può trascurare l'importanza dell'alimentazione elettrica nell'impianto. Il funzionamento e la stabilità dell'apparecchiatura dipendono da questo.

• introduzione
• Conclusione

introduzione

Gli alimentatori a commutazione stanno ora sostituendo con sicurezza quelli lineari obsoleti. Motivo: inerente a queste fonti di energia alte prestazioni, compattezza e prestazioni di stabilizzazione migliorate.

Con i rapidi cambiamenti che hanno subito i principi della nutrizione tecnologia elettronica dietro Ultimamente, le informazioni sul calcolo, sulla costruzione e sull'uso degli alimentatori a commutazione stanno diventando sempre più rilevanti.

Recentemente, gli alimentatori a commutazione hanno guadagnato particolare popolarità tra gli specialisti nel campo dell'elettronica e dell'ingegneria radio, nonché nella produzione industriale. C'è stata la tendenza ad abbandonare le unità di trasformazione ingombranti standard e passare a progetti di piccole dimensioni di alimentatori a commutazione, convertitori di tensione, convertitori e invertitori.

In generale, il tema degli alimentatori a commutazione è piuttosto rilevante e interessante ed è uno dei settori più importanti dell'elettronica di potenza. Questo settore dell'elettronica è promettente e in rapido sviluppo. E il suo obiettivo principale è sviluppare potenti dispositivi di potenza che soddisfino i moderni requisiti di affidabilità, qualità, durata, riducendo al minimo peso, dimensioni, consumo energetico e materiale. Va notato che quasi tutta l'elettronica moderna, compresi tutti i tipi di computer, apparecchiature audio, video e altri dispositivi moderni, è alimentata da alimentatori a commutazione compatti, il che conferma ancora una volta l'importanza ulteriori sviluppi area specificata degli alimentatori.

1. Principio di funzionamento degli alimentatori switching

Sorgente di impulsi la nutrizione è sistema inverter. Negli alimentatori a commutazione, la tensione di ingresso CA viene prima raddrizzata. Ricevuto pressione costante convertito in impulsi rettangolari maggiore frequenza e un determinato ciclo di lavoro, fornito ad un trasformatore (nel caso di alimentatori a impulsi con isolamento galvanico dalla rete di alimentazione) o direttamente al filtro passa-basso di uscita (in alimentatori a impulsi senza isolamento galvanico). Negli alimentatori a impulsi è possibile utilizzare trasformatori di piccole dimensioni: ciò è spiegato dal fatto che con l'aumentare della frequenza aumenta l'efficienza del trasformatore e diminuiscono i requisiti per le dimensioni (sezione) del nucleo necessarie per trasmettere la potenza equivalente. Nella maggior parte dei casi, tale nucleo può essere realizzato con materiali ferromagnetici, a differenza dei nuclei dei trasformatori a bassa frequenza, per i quali viene utilizzato l'acciaio elettrico.

Immagine 1 - Schema strutturale alimentazione elettrica commutabile

La tensione di rete viene fornita al raddrizzatore, dopodiché viene livellata da un filtro capacitivo. Dal condensatore del filtro, la cui tensione aumenta, la tensione raddrizzata attraverso l'avvolgimento del trasformatore viene fornita al collettore del transistor, che funge da interruttore. Il dispositivo di controllo garantisce l'accensione e lo spegnimento periodici del transistor. Per avviare in modo affidabile l'alimentazione, viene utilizzato un oscillatore principale realizzato su un microcircuito. Gli impulsi vengono forniti alla base del transistor di chiave e provocano l'avvio del ciclo di funzionamento dell'autogeneratore. Il dispositivo di controllo è responsabile del monitoraggio del livello di tensione in uscita, generando un segnale di errore e, spesso, controllando direttamente la chiave. Il microcircuito dell'oscillatore principale è alimentato da una catena di resistori direttamente dall'ingresso della capacità di accumulo, stabilizzando la tensione con la capacità di riferimento. L'oscillatore principale e il transistor chiave del circuito secondario sono responsabili del funzionamento dell'accoppiatore ottico. Più aperti sono i transistor responsabili del funzionamento dell'accoppiatore ottico, minore è l'ampiezza degli impulsi di feedback, prima si spegnerà il transistor di potenza e minore sarà l'energia accumulata nel trasformatore, che fermerà l'aumento della tensione in uscita della fonte. È arrivata la modalità operativa dell'alimentatore, dove un ruolo importante è svolto dal fotoaccoppiatore, come regolatore e gestore delle tensioni di uscita.

Le specifiche di un alimentatore industriale sono più rigorose di quelle di un normale alimentatore domestico. Ciò si esprime non solo nel fatto che all'ingresso dell'alimentatore è presente un'elevata tensione trifase, ma anche nel fatto che gli alimentatori industriali devono rimanere operativi anche con una deviazione significativa della tensione di ingresso dal valore nominale , compresi cali e picchi di tensione, nonché la perdita di una o più fasi.

Figura 2 - Schema schematico di un alimentatore switching.

Lo schema funziona come segue. L'ingresso trifase può essere realizzato a tre fili, quattro fili o anche monofase. Il raddrizzatore trifase è costituito dai diodi D1 - D8.

I resistori R1 - R4 forniscono protezione dalle sovratensioni. L'uso di resistenze di protezione con sgancio per sovraccarico rende superfluo l'uso di fusibili separati. La tensione raddrizzata in ingresso viene filtrata da un filtro a forma di U composto da C5, C6, C7, C8 e L1.

I resistori R13 e R15 equalizzano la tensione attraverso i condensatori del filtro di ingresso.

Quando il MOSFET del chip U1 si apre, il potenziale sorgente di Q1 diminuisce, la corrente di gate è fornita rispettivamente dai resistori R6, R7 e R8, la capacità delle transizioni VR1 ... VR3 sblocca Q1. Il diodo Zener VR4 limita la tensione source-gate applicata a Q1. Quando il MOSFET U1 si spegne, la tensione di drain è limitata a 450 volt dal circuito limitatore VR1, VR2, VR3. Qualsiasi tensione aggiuntiva all'estremità dell'avvolgimento verrà dissipata da Q1. Questa connessione distribuisce efficacemente la tensione raddrizzata totale tra Q1 e U1.

Il circuito di assorbimento VR5, D9, R10 assorbe la tensione in eccesso sull'avvolgimento primario derivante dalla dispersione di induzione del trasformatore durante la corsa inversa.

La rettifica dell'uscita viene eseguita dal diodo D1. C2 - filtro di uscita. L2 e C3 formano il secondo stadio del filtro per ridurre l'instabilità della tensione di uscita.

VR6 inizia a condurre quando tensione di uscita supera il calo su VR6 e fotoaccoppiatore. Una variazione della tensione di uscita provoca una variazione della corrente che scorre attraverso il diodo fotoaccoppiatore U2, che a sua volta provoca una variazione della corrente attraverso il transistor fotoaccoppiatore U2. Quando questa corrente supera la soglia sul pin FB di U1, il ciclo di lavoro successivo viene saltato. Il livello specificato di tensione di uscita viene mantenuto regolando il numero di cicli di lavoro mancati e completati. Una volta iniziato il ciclo di lavoro, terminerà quando la corrente attraverso U1 raggiunge il limite interno impostato. R11 limita la corrente attraverso il fotoaccoppiatore e imposta il guadagno di feedback. Il resistore R12 fornisce polarizzazione a VR6.

Questo circuito è protetto dalla rottura del circuito di retroazione, dal cortocircuito dell'uscita e dal sovraccarico grazie alle funzioni integrate in U1 (LNK304). Poiché il microcircuito è alimentato direttamente dal relativo perno di scarico, non è richiesto un avvolgimento di alimentazione separato.

Negli alimentatori switching la stabilizzazione della tensione è assicurata tramite feedback negativo. Il feedback consente di mantenere la tensione di uscita a un livello relativamente costante, indipendentemente dalle fluttuazioni della tensione di ingresso e delle dimensioni del carico. Il feedback può essere organizzato in diversi modi. Nel caso di sorgenti impulsive con isolamento galvanico dalla rete di alimentazione, i metodi più comuni prevedono l'utilizzo della comunicazione attraverso uno degli avvolgimenti di uscita del trasformatore o l'utilizzo di un fotoaccoppiatore. A seconda dell'entità del segnale di feedback (a seconda della tensione di uscita), cambia il ciclo di lavoro degli impulsi all'uscita del controller PWM. Se il disaccoppiamento non è richiesto, di norma viene utilizzato un semplice divisore di tensione resistivo. Pertanto, l'alimentatore mantiene una tensione di uscita stabile.

2. Parametri e caratteristiche fondamentali degli alimentatori switching

La classificazione degli alimentatori a commutazione (SMPS) viene effettuata in base a diversi criteri principali:

Per tipo di tensione di ingresso e di uscita;

Per tipologia;

Secondo la forma della tensione di uscita;

Per tipo di circuito di alimentazione;

Per tensione di carico;

Per potenza di carico;

Per tipo di corrente di carico;

Per numero di uscite;

In termini di stabilità della tensione attraverso il carico.

Per tipo di tensione di ingresso e di uscita

1. AC/DC si alternano a convertitori di tensione continua. Tali convertitori vengono utilizzati in una varietà di settori: automazione industriale, apparecchiature per le telecomunicazioni, apparecchiature di strumentazione, apparecchiature per l'elaborazione dei dati industriali, apparecchiature di sicurezza e apparecchiature per scopi speciali.

2. DC/DC sono convertitori DC/DC. Tali convertitori CC/CC utilizzano trasformatori di impulsi con due o più avvolgimenti e non vi è alcun collegamento tra i circuiti di ingresso e di uscita. I trasformatori di impulsi hanno una grande differenza di potenziale tra l'ingresso e l'uscita del convertitore. Un esempio della loro applicazione potrebbe essere un alimentatore (PSU) per flash fotografici a impulsi con una tensione di uscita di circa 400 V.

3. DC/AC sono convertitori DC-AC (inverter). Il principale campo di applicazione degli inverter è il lavoro nel materiale rotabile ferroviario e altro Veicolo, avendo un alimentatore CC integrato. Possono anche essere utilizzati come convertitori principali come parte di alimentatori di backup.

L'elevata capacità di sovraccarico consente l'alimentazione vasta gamma dispositivi e apparecchiature, compresi motori di condensatori per compressori di refrigerazione e condizionamento dell'aria.

Per tipologia Gli IIP sono classificati come segue:

convertitori flyback;

convertitori di impulsi diretti (forwardconverter);

convertitori con uscita push-pull;

convertitori con uscita a mezzo ponte (halfbridgeconverter);

convertitori con uscita a ponte (fullfbridgeconverter).

Secondo la forma della tensione di uscita Gli IIP sono classificati come segue:

1. Con onda sinusoidale modificata

2. Con una sinusoide della forma corretta.

Figura 3 – Forme d'onda di uscita

Per tipo di circuito di alimentazione:

SMPS utilizzando l'energia elettrica ottenuta da rete monofase corrente alternata;

SMPS utilizzando l'energia elettrica ottenuta da rete trifase corrente alternata;

SMPS che utilizza energia elettrica da fonte autonoma corrente continua.

Per tensione di carico:

Per potenza di carico:

SMPS a basso consumo (fino a 100 W);

SMPS di media potenza (da 100 a 1000 W);

IIP ad alta potenza(oltre 1000 W).

Per tipo di corrente di carico:

SMPS con uscita AC;

SMPS con uscita CC;

SMPS con uscita AC e DC.

Per numero di uscite:

SMPS a canale singolo con un'uscita CC o CA;

SMPS multicanale con due o più tensioni di uscita.

In termini di stabilità della tensione sul carico:

SMPS stabilizzato;

SMPS non stabilizzato.

3. Metodi di base per la costruzione di alimentatori a commutazione

La figura seguente mostra l'aspetto di un alimentatore switching.

Figura 4 – Commutazione dell'alimentazione

Quindi, per cominciare, delineamo in termini generali quali sono i moduli principali in qualsiasi alimentatore a commutazione. In una versione tipica, un alimentatore switching può essere suddiviso in tre parti funzionali. Questo:

1. Controller PWM (PWM), sulla base del quale viene assemblato un oscillatore master, solitamente con una frequenza di circa 30...60 kHz;

2. Una cascata di interruttori di potenza, il cui ruolo può essere svolto da potenti transistor bipolari, ad effetto di campo o IGBT (insulated gate bipolar); tale stadio di potenza può comprendere un circuito aggiuntivo di controllo degli stessi interruttori utilizzando driver integrati o transistor a bassa potenza; Importante è anche il circuito per il collegamento degli interruttori di potenza: a ponte (full bridge), a mezzo ponte (half bridge) o con punto medio (push-pull);

3. Trasformatore di impulsi con avvolgimento (i) primario (i) e secondario (i) e, di conseguenza, diodi raddrizzatori, filtri, stabilizzatori, ecc. all'uscita; come nucleo viene solitamente scelta la ferrite o l'alsifer; in generale quei materiali magnetici in grado di funzionare ad alte frequenze (in alcuni casi superiori a 100 kHz).

Esistono tre modi principali per costruire alimentatori a impulsi (vedere Fig. 3): step-up (la tensione di uscita è superiore alla tensione di ingresso), step-down (la tensione di uscita è inferiore alla tensione di ingresso) e inversione (la la tensione di uscita ha la polarità opposta a quella di ingresso). Come si può vedere dalla figura, differiscono solo per il modo in cui collegano l'induttanza, per il resto il principio di funzionamento rimane invariato, vale a dire.

commutazione della tensione di alimentazione

Figura 5 – Schemi a blocchi tipici di alimentatori switching

Elemento chiave (solitamente bipolare o Transistor MOS), operando con una frequenza dell'ordine di 20-100 kHz, periodicamente per un breve periodo (non più del 50% delle volte) applica l'intera tensione non stabilizzata in ingresso all'induttore. La corrente pulsata che scorre attraverso la bobina garantisce l'accumulo di riserve di energia nel suo campo magnetico di 1/2LI^2 ad ogni impulso. L'energia immagazzinata in questo modo dalla bobina viene trasferita al carico (direttamente, utilizzando un diodo raddrizzatore, o attraverso l'avvolgimento secondario con successivo rettificamento), il condensatore del filtro di livellamento di uscita garantisce una tensione e una corrente di uscita costanti. La stabilizzazione della tensione di uscita è assicurata dalla regolazione automatica dell'ampiezza dell'impulso o della frequenza a elemento chiave(un circuito di feedback è progettato per monitorare la tensione di uscita).

Questo schema, sebbene piuttosto complesso, può aumentare significativamente l'efficienza dell'intero dispositivo. Il fatto è che in questo caso, oltre al carico stesso, nel circuito non sono presenti elementi di potenza che dissipano una potenza significativa. I transistor chiave funzionano in modalità di commutazione saturata (ovvero, la caduta di tensione ai loro capi è piccola) e dissipano potenza solo in intervalli di tempo abbastanza brevi (durata dell'impulso). Inoltre, aumentando la frequenza di conversione, è possibile aumentare sensibilmente la potenza e migliorare le caratteristiche di peso e dimensioni.

Un importante vantaggio tecnologico degli alimentatori a impulsi è la capacità di costruire sulla base alimentatori di rete di piccole dimensioni con isolamento galvanico dalla rete per alimentare un'ampia varietà di apparecchiature. Tali IP sono costruiti senza l'uso di ingombranti frequenze basse trasformatore di potenza secondo il circuito del convertitore ad alta frequenza. Si tratta infatti di un tipico circuito di alimentatore switching con riduzione di tensione, dove come tensione di ingresso viene utilizzata la tensione di rete raddrizzata, ed un trasformatore ad alta frequenza (di piccole dimensioni e con alta efficienza), dal cui avvolgimento secondario viene rimossa la tensione stabilizzata in uscita (questo trasformatore fornisce anche l'isolamento galvanico dalla rete).

Gli svantaggi degli alimentatori pulsati includono: la presenza alto livello rumore impulsivo in uscita, elevata complessità e bassa affidabilità (soprattutto nella produzione artigianale), la necessità di utilizzare costosi componenti ad alta tensione e alta frequenza, che, in caso di minimo malfunzionamento, si guastano facilmente “in massa” (in questo caso , di regola si possono osservare impressionanti effetti pirotecnici). Coloro che amano approfondire l'interno dei dispositivi con un cacciavite e un saldatore dovranno prestare la massima attenzione durante la progettazione degli alimentatori a commutazione di rete, poiché molti elementi di tali circuiti sono sotto alta tensione.

4. Varietà di soluzioni circuitali per alimentatori a commutazione

Il diagramma SMPS degli anni '90 è mostrato in Fig. 6. L'alimentatore contiene un raddrizzatore di rete VD1-VD4, un filtro di soppressione del rumore L1C1-SZ, un convertitore basato su un transistor di commutazione VT1 e un trasformatore di impulsi T1, un raddrizzatore di uscita VD8 con un filtro C9C10L2 e un'unità di stabilizzazione realizzata sullo stabilizzatore DA1 e fotoaccoppiatore U1.

Figura 6 – Alimentatori switching degli anni ’90

Il diagramma SMPS è mostrato in Fig. 7. Il fusibile FU1 protegge gli elementi da situazioni di emergenza. Il termistore RK1 limita l'impulso corrente di carica condensatore C2 ad un valore sicuro per il ponte a diodi VD1 e insieme al condensatore C1 forma un filtro RC, che serve a ridurre rumore impulsivo, penetrando dall'IPS nella rete. Il ponte a diodi VD1 raddrizza la tensione di rete, il condensatore C2 è di livellamento. I picchi di tensione nell'avvolgimento primario del trasformatore T1 vengono ridotti dal circuito di smorzamento R1C5VD2. Il condensatore C4 è un filtro di potenza da cui vengono alimentati gli elementi interni del chip DA1.

Il raddrizzatore di uscita è assemblato su un diodo Schottky VD3, l'ondulazione della tensione di uscita viene attenuata dal filtro LC C6C7L1C8. Gli elementi R2, R3, VD4 e U1, insieme al microcircuito DA1, forniscono la stabilizzazione della tensione di uscita quando cambiano la corrente di carico e la tensione di rete. Il circuito di indicazione dell'accensione è realizzato utilizzando il LED HL1 e il resistore di limitazione della corrente R4.

Figura 7 – Alimentatori switching degli anni 2000

Nella Fig. 8, un alimentatore switching push-pull con collegamento a semiponte di uno stadio terminale di potenza costituito da due MOSFET di potenza IRFP460. Come controller PWM è stato scelto il microcircuito K1156EU2R.

Inoltre, utilizzando un relè e un resistore limitatore R1 all'ingresso, viene implementato un avvio graduale che evita improvvisi picchi di corrente. Il relè può essere utilizzato per tensioni sia di 12 che di 24 volt selezionando il resistore R19. Il varistore RU1 protegge il circuito di ingresso da impulsi di ampiezza eccessiva. I condensatori C1-C4 e l'induttore a due avvolgimenti L1 formano un filtro di soppressione del rumore di rete che impedisce la penetrazione delle ondulazioni ad alta frequenza create dal convertitore nella rete di alimentazione.

Il resistore trimmer R16 e il condensatore C12 determinano la frequenza di conversione.

Per ridurre la fem di autoinduzione del trasformatore T2, i diodi smorzatori VD7 e VD8 sono collegati in parallelo ai canali del transistor. I diodi Schottky VD2 e VD3 proteggono i transistor di commutazione e le uscite del chip di tensione inversa DA2 dagli impulsi.

Figura 8 – Moderno alimentatore switching

Conclusione

Nel corso del mio lavoro di ricerca, ho condotto uno studio sugli alimentatori a commutazione, che mi ha permesso di analizzare i circuiti esistenti di questi dispositivi e trarre le conclusioni appropriate.

Gli alimentatori a commutazione hanno molto grandi vantaggi Rispetto ad altri, hanno un'efficienza maggiore, hanno una massa e un volume significativamente più piccoli, inoltre hanno un costo molto più basso, che alla fine porta al loro prezzo relativamente basso per i consumatori e, di conseguenza, ad una forte domanda sul mercato.

Molti componenti elettronici moderni utilizzati nei moderni dispositivi e sistemi elettronici richiedono Alta qualità nutrizione. Inoltre, la tensione di uscita (corrente) deve essere stabile, avere la forma richiesta (ad esempio per gli inverter) e anche livello minimo pulsazioni (ad esempio, per i raddrizzatori).

Pertanto, gli alimentatori a commutazione sono parte integrante di qualsiasi dispositivo e sistema elettronico alimentato sia da una rete industriale a 220 V che da altre fonti di energia. Inoltre, l'affidabilità del dispositivo elettronico dipende direttamente dalla qualità della fonte di alimentazione.

Pertanto, lo sviluppo di circuiti di alimentazione a commutazione nuovi e migliorati migliorerà le caratteristiche tecniche e operative dei dispositivi e dei sistemi elettronici.

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Calcolo del trasformatore e parametri dello stabilizzatore di tensione integrato. Fondamentale schema elettrico Alimentazione elettrica. Calcolo dei parametri di un raddrizzatore non controllato e di un filtro livellatore. Selezione dei diodi raddrizzatori, selezione delle dimensioni del circuito magnetico.

lavoro del corso, aggiunto il 14/12/2013


Analisi del sistema di alimentazione secondaria del sistema missilistico antiaereo Strela-10. Caratteristiche degli stabilizzatori di impulsi schematici. Analisi del funzionamento di uno stabilizzatore di tensione modernizzato. Calcolo dei suoi elementi e parametri principali.

tesi, aggiunta il 07/03/2012


Il principio di funzionamento di un generatore di energia inverter per un arco di saldatura, i suoi vantaggi e svantaggi, circuiti e design. Efficienza di funzionamento degli alimentatori inverter in termini di risparmio energetico. Elemento base di raddrizzatori con inverter.

lavoro del corso, aggiunto il 28/11/2014


La sequenza di assemblaggio di un amplificatore invertente contenente un generatore di funzioni e un misuratore di risposta in ampiezza-frequenza. Oscillogramma dei segnali di ingresso e uscita alla frequenza di 1 kHz. Circuito di misurazione della tensione di uscita e sue deviazioni.

lavoro di laboratorio, aggiunto il 07/11/2015


Analisi del circuito elettrico: designazione dei nodi, correnti. Determinazione dei segnali di ingresso e di uscita, caratteristiche di trasferimento di una rete a quattro terminali. Schema a blocchi del sistema di controllo. Risposte del sistema a un impatto a passo singolo in condizioni zero.

6) Ho intenzione di implementare il trasformatore di potenza su un nucleo Epcos di tipo ETD44/22/15 realizzato in materiale N95. Forse la mia scelta cambierà ulteriormente quando calcolerò i dati di avvolgimento e la potenza complessiva.

7) Ho esitato a lungo tra la scelta del tipo di raddrizzatore sull'avvolgimento secondario tra un doppio diodo Schottky e un raddrizzatore sincrono. Puoi installare un doppio diodo Schottky, ma questo è P = 0,6 V * 40 A = 24 W in calore, con una potenza SMPS di circa 650 W, si ottiene una perdita del 4%! Quando si utilizza il più comune IRF3205 in un raddrizzatore sincrono, la resistenza del canale termico verrà rilasciata P = 0,008 Ohm * 40 A * 40 A = 12,8 W. Si scopre che vinciamo 2 volte o il 2% di efficienza! Tutto andava bene finché non ho assemblato una soluzione basata su IR11688S su una breadboard. Alle perdite statiche sul canale si sono aggiunte le perdite di commutazione dinamica, e alla fine è quello che è successo. La capacità dei lavoratori sul campo per le correnti elevate è ancora ampia. Questo problema può essere risolto con driver come HCPL3120, ma ciò aumenta il prezzo del prodotto e complica eccessivamente la progettazione del circuito. In realtà, per questi motivi, si è deciso di installare un doppio Schottky e dormire sonni tranquilli.

8) Il circuito LC in uscita, in primo luogo, ridurrà l'ondulazione di corrente e, in secondo luogo, consentirà di "tagliare" tutte le armoniche. L'ultimo problema è estremamente rilevante quando si alimentano dispositivi che operano nella gamma delle radiofrequenze e incorporano circuiti analogici ad alta frequenza. Nel nostro caso, stiamo parlando di un ricetrasmettitore HF, quindi qui un filtro è semplicemente vitale, altrimenti l'interferenza "striscerà" nell'aria. Idealmente, puoi anche mettere uno stabilizzatore lineare in uscita e ottenere ondulazioni minime di unità di mV, ma in realtà la velocità del sistema operativo ti consentirà di ottenere ondulazioni di tensione entro 20-30 mV anche senza "caldaia"; all'interno Nel ricetrasmettitore, i nodi critici sono alimentati tramite i rispettivi LDO, quindi la sua ridondanza è ovvia.

Bene, abbiamo esaminato la funzionalità e questo è solo l'inizio)) Ma va bene, poi andrà più vigorosamente perché inizia la parte più interessante: i calcoli di tutto!

Calcolo di un trasformatore di potenza per un convertitore di tensione a mezzo ponte

Ora vale la pena pensare un po’ al design e alla topologia. Ho intenzione di usare transistor ad effetto di campo, e non IGBT, quindi la frequenza operativa può essere scelta più alta, per ora penso a 100 o 125 kHz; tra l'altro la stessa frequenza sarà sul PFC. Aumentando la frequenza sarà possibile ridurre leggermente le dimensioni del trasformatore. D’altro canto non voglio alzare troppo la frequenza perché... Utilizzo il TL494 come controller, dopo 150 kHz non funziona più così bene e le perdite dinamiche aumenteranno.

Sulla base di questi input, calcoliamo il nostro trasformatore. Ho diversi set di ETD44/22/15 in magazzino e quindi per ora mi sto concentrando su quello, L'elenco dei dati di origine è il seguente:

1) Materiale N95;
2) Tipo nucleo ETD44/22/15;
3) Frequenza operativa - 100 kHz;
4) Tensione di uscita - 15 V;
5) Corrente di uscita - 40 A.

Per calcolare i trasformatori fino a 5 kW, utilizzo il programma "Old Man", è conveniente e calcola in modo abbastanza accurato. Dopo 5 kW inizia la magia, le frequenze aumentano fino a ridurne le dimensioni, e le densità di campo e di corrente raggiungono valori tali che anche l'effetto pelle può cambiare i parametri quasi 2 volte, quindi per potenze elevate utilizzo il vecchio stile metodo “con formule e disegno a matita su carta”. Inserendo i dati di input nel programma si è ottenuto il seguente risultato:

Figura 2 - Risultato del calcolo di un trasformatore per semiponte

La figura a sinistra mostra i dati di input, che ho descritto sopra. Centrato viola vengono evidenziati i risultati che più ci interessano, Li esaminerò brevemente:

1) La tensione di ingresso è 380 V CC, è stabilizzata, perché Il semiponte è alimentato dal PFC. Tale potenza semplifica la progettazione di molti componenti, perché L'ondulazione di corrente è minima e il trasformatore non deve assorbire tensione quando la tensione di rete in ingresso è 140 V.

2) La potenza consumata (pompata attraverso il nucleo) è risultata essere di 600 W, ovvero 2 volte inferiore alla potenza complessiva (quella che il nucleo può pompare senza andare in saturazione), il che significa che tutto va bene. Non ho trovato il materiale dell'N95 nel programma, ma sul sito Epcos nella scheda tecnica ho notato che N87 e N95 daranno risultati molto simili, controllando sul pezzo di carta ho scoperto che la differenza di 50 W nella potenza complessiva non è un errore terribile.

3) Dati sull'avvolgimento primario: avvolgiamo 21 spire in 2 fili con un diametro di 0,8 mm, penso che qui sia tutto chiaro? La densità di corrente è di circa 8 A/mm2, il che significa che gli avvolgimenti non si surriscaldano: va tutto bene.

4) Dati sull'avvolgimento secondario: avvolgiamo 2 avvolgimenti da 2 spire ciascuno con lo stesso filo da 0,8 mm, ma già a 14 - la corrente è ancora 40A! Successivamente, colleghiamo l'inizio di un avvolgimento e la fine dell'altro, spiegherò come farlo più tardi, per qualche motivo le persone spesso cadono in uno stato di torpore durante l'assemblaggio in questo momento. Sembra che non ci sia magia neanche qui.

5) L'induttanza dell'induttanza di uscita è 4,9 μH, la corrente è rispettivamente 40 A. Ne abbiamo bisogno in modo che non ci siano enormi increspature di corrente all'uscita del nostro blocco. Durante il processo di debug mostrerò su un oscilloscopio come lavorare con e senza di esso, tutto diventerà chiaro.

Il calcolo ha richiesto 5 minuti, se qualcuno ha domande, chiedi nei commenti o in privato: te lo dirò. Per evitare di cercare il programma stesso, suggerisco di scaricarlo dal cloud utilizzando il collegamento. E la mia profonda gratitudine al Vecchio per il suo lavoro!

Il prossimo passo logico sarà calcolare l'induttanza di uscita per il semiponte, questa è esattamente quella a 4,9 μH.

Calcolo dei parametri di avvolgimento per l'induttanza di uscita

Abbiamo ricevuto i dati di input in paragrafo precedente quando si calcola il trasformatore, Questo:

1) Induttanza - 4,9 µH;
2) Corrente nominale-40A;
3) Ampiezza prima dell'acceleratore - 18 V;
4) Tensione dopo l'induttore - 15 V.

Usiamo anche il programma di Old Man (tutti sono nel link sopra) e otteniamo i seguenti dati:

Figura 3 - Dati calcolati per l'avvolgimento dell'induttanza di uscita

Ora diamo un'occhiata ai risultati:

1) Secondo i dati di input, ci sono 2 sfumature: la frequenza selezionata è la stessa su cui funziona il convertitore, penso che sia logico. Il secondo punto è legato alla densità di corrente, lo noterò subito - l'acceleratore dovrebbe riscaldarsi! Stiamo già determinando quanto sia forte, ho scelto una densità di corrente di 8 A/mm 2 per ottenere una temperatura di 35 gradi, questo può essere visto nei dati di output (contrassegnati in verde). Dopotutto, come ricordiamo, in base ai requisiti in uscita, è necessario un "SMPS freddo". Vorrei anche sottolineare un punto, forse non del tutto ovvio per i principianti: l'induttore si scalderà di meno se una grande corrente lo attraversa, cioè con un carico nominale di 40 A, l'induttore avrà un riscaldamento minimo. Quando la corrente è inferiore alla corrente nominale, inizia a funzionare per parte dell'energia carico attivo(resistore) e trasforma tutta l'energia in eccesso in calore;

2) Induzione massima, questo è un valore che non può essere superato, altrimenti il ​​campo magnetico saturerà il nucleo e tutto andrà malissimo. Questo parametro dipende dal materiale e dalle sue dimensioni complessive. Per i moderni nuclei di ferro atomizzato, il valore tipico è 0,5-0,55 T;

3) Dati di avvolgimento: 9 spire vengono avvolte con un obliquo di 10 trefoli di filo con un diametro di 0,8 mm. Il programma indica anche approssimativamente quanti livelli saranno necessari per questo. Avvolgerò con 9 core, perché... poi converrà dividere la treccia grossa in 3 “trecce” da 3 fili ciascuna e saldarle sulla scheda senza problemi;

4) In realtà l'anello stesso su cui lo avvolgerò ha dimensioni di 40/24/14,5 mm, basta con una riserva. Materiale n. 52, penso che molte persone abbiano visto anelli giallo-blu nei blocchi ATX, sono spesso utilizzati negli induttanze di stabilizzazione di gruppo (GS).

Calcolo del trasformatore di alimentazione di riserva

SU diagramma funzionale Si può vedere che voglio utilizzare il "classico" flyback sul TOP227 come alimentatore di standby; tutti i controller PWM, i display e le ventole del sistema di raffreddamento saranno alimentati da esso. Mi sono reso conto che i ventilatori sarebbero stati alimentati dalla sala di controllo solo dopo un po' di tempo, quindi questo momento non è mostrato nel diagramma, ma va bene, questo è lo sviluppo in tempo reale))

Regoliamo leggermente i nostri dati di input per vedere di cosa abbiamo bisogno:

1) Avvolgimenti di uscita per PWM: 15V 1A + 15V 1A;
2) Avvolgimento di uscita autoalimentato: 15 V 0,1 A;
3) Avvolgimento di uscita per il raffreddamento: 15V 1A.

Abbiamo la necessità di un alimentatore con potenza totale - 2*15 W + 1,5 W + 15 W = 46,5 W. Questa è la potenza normale per TOP227, la uso in piccoli SMPS fino a 75 W per tutti i tipi di ricarica di batterie, cacciaviti e altri rifiuti, per molti anni è strano che nessuno si sia ancora bruciato.

Andiamo in un altro programma del Vecchio e calcoliamo il trasformatore per il trasformatore di riga:

Figura 4 – Dati di calcolo per il trasformatore di potenza di riserva

1) La scelta del core è giustificata semplicemente: ce l'ho nella quantità di una scatola e consuma gli stessi 75 W)) Dati sul core. È realizzato in materiale N87 e presenta uno spazio di 0,2 mm su ciascuna metà o il cosiddetto spazio intero di 0,4 mm. Questo nucleo è destinato direttamente alle induttanze e per i convertitori flyback questa induttanza è proprio l'induttanza, ma non entrerò ancora nelle erbacce. Se non c'era spazio vuoto nel trasformatore a semiponte, è necessario per il convertitore flyback, altrimenti, come qualsiasi induttore, andrà semplicemente in saturazione senza spazi vuoti.

2) I dati sull'interruttore drain-source da 700 V e sulla resistenza del canale da 2,7 Ohm sono presi dalla scheda tecnica su TOP227; questo controller ha un interruttore di alimentazione integrato nel microcircuito stesso.

3) Ho preso la tensione di ingresso minima un po 'con un margine - 160 V, questo è stato fatto in modo che se l'alimentatore stesso viene spento, il servizio e l'indicazione rimarranno in funzione, segnaleranno una tensione di alimentazione anormalmente bassa.

4) Il nostro avvolgimento primario è costituito da 45 spire di filo da 0,335 mm in un nucleo. Gli avvolgimenti di potenza secondari hanno 4 spire e 4 nuclei con un filo di 0,335 mm (diametro), l'avvolgimento di autoalimentazione ha gli stessi parametri, quindi tutto è uguale, solo 1 nucleo, perché la corrente è un ordine di grandezza inferiore.

Calcolo dell'induttanza di potenza del correttore di potenza attiva

Penso che la parte più interessante di questo progetto vale a dire il correttore del fattore di potenza, perché Ci sono molte informazioni su di loro su Internet e ci sono ancora meno schemi funzionanti e descritti.

Selezioniamo il programma per il calcolo: PFC_ring (PFC è KKM in basurmaniano), utilizziamo i seguenti input:

1) Tensione di alimentazione in ingresso - 140 - 265 V;
2) Potenza nominale - 600 W;
3) Tensione di uscita: 380 V CC;
4) Frequenza operativa - 100 kHz, a causa della scelta del controller PWM.

Figura 5 – Calcolo dell'induttanza di potenza di un PFC attivo

1) A sinistra, come al solito, inseriamo i dati iniziali, impostando 140V come soglia minima, otteniamo un blocco che può funzionare con una tensione di rete di 140V, quindi otteniamo uno “stabilizzatore di tensione integrato”;

La circuiteria della parte di potenza e di controllo è abbastanza standard; se avete domande, sentitevi liberi di chiedere nei commenti o in messaggi personali. Cercherò di rispondere e spiegare a tutti, se possibile.

Progettazione PCB di alimentatori switching

Così sono arrivato alla fase che per molti rimane qualcosa di sacro: la progettazione/sviluppo/tracciatura di un circuito stampato. Perché preferisco il termine “design”? È più vicino all’essenza di questa operazione; per me “cablare” una tavola è sempre un processo creativo, come un artista che dipinge un quadro, e sarà più facile per le persone di altri paesi capire cosa stai facendo.

Il processo di progettazione della scheda in sé non contiene insidie; sono contenute nel dispositivo a cui è destinato. In effetti, l'elettronica di potenza non propone un gran numero di regole e requisiti sullo sfondo degli stessi bus dati analogici a microonde o digitali ad alta velocità.

Elencherò i requisiti di base e le regole relative specificamente ai circuiti di potenza, ciò consentirà di implementare il 99% dei progetti amatoriali. Non ti parlerò delle sfumature e dei "trucchi": ognuno deve acquisire le proprie competenze, acquisire esperienza e quindi operare con essa. E così siamo andati:

Un po' di densità di corrente nei conduttori stampati

Le persone spesso non pensano a questo parametro e ho visto situazioni in cui sezione di potenza realizzato con conduttori da 0,6 mm con l'80% dell'area della scheda semplicemente vuota. Perché questo è un mistero per me personalmente.

Quindi quale densità di corrente può essere presa in considerazione? Per un filo normale il valore standard è 10A/mm 2, questa limitazione è legata al raffreddamento del filo. Puoi far passare più corrente, ma prima mettila nell'azoto liquido. I conduttori piatti, come quelli di un circuito stampato, ad esempio, hanno una superficie maggiore, che li rende più facili da raffreddare, il che significa che puoi permetterti densità di corrente più elevate. Per condizioni normali con raffreddamento passivo o ad aria, è consuetudine considerare 35-50 A/mm 2, dove 35 è per raffreddamento passivo,50 - in presenza di circolazione d'aria artificiale (mio caso). C'è un'altra cifra: 125 A/mm 2, questa è una cifra davvero grande, non tutti i superconduttori possono permetterselo, ma è ottenibile solo con il raffreddamento a liquido sommergibile.

Mi sono imbattuto in quest'ultimo mentre lavoravo con un'azienda coinvolta nell'ingegneria delle comunicazioni e nella progettazione di server; è stato il design che è toccato a me scheda madre, ovvero la parte con alimentazione multifase e switching. Sono rimasto molto sorpreso quando ho visto una densità di corrente di 125 A/mm 2, ma mi hanno spiegato questa possibilità e me l'hanno mostrata allo stand - poi ho capito perché interi rack di server sono immersi in enormi pozze d'olio)) )

Nel mio hardware tutto è più semplice, 50 A/mm 2 è una cifra abbastanza adeguata, con uno spessore del rame di 35 micron, i poligoni forniranno senza problemi la sezione richiesta. Il resto serviva per lo sviluppo generale e la comprensione del problema.

2) Lunghezza dei conduttori - pollici a questo punto non è necessario allineare le linee con una precisione di 0,1 mm come avviene, ad esempio, quando si “distende” il bus dati DDR3. Sebbene sia ancora altamente desiderabile rendere la lunghezza delle linee di segnale approssimativamente uguale alla lunghezza. Sarà sufficiente +-30% della lunghezza, l'importante è non rendere l'HIN 10 volte più lungo del LIN. Ciò è necessario affinché i fronti del segnale non si spostino l'uno rispetto all'altro, perché anche a una frequenza di soli cento kilohertz una differenza di 5-10 volte può causare una corrente passante negli interruttori. Ciò è particolarmente vero quando il valore del “tempo morto” è basso, anche al 3% per il TL494 questo è vero;

3) Lo spazio tra i conduttori - è necessario ridurre le correnti di dispersione, soprattutto per i conduttori dove scorre un segnale RF (PWM), perché il campo nei conduttori è forte e il segnale RF, a causa dell'effetto pelle, tende a fuoriuscire sia sulla superficie del conduttore che oltre i suoi limiti. Solitamente è sufficiente uno spazio di 2-3 mm;

4) Lo spazio di isolamento galvanico è lo spazio tra le sezioni galvanicamente isolate della scheda, solitamente il requisito di rottura è di circa 5 kV. Per sfondare 1 mm d'aria sono necessari circa 1-1,2 kV, ma nel nostro caso la rottura è possibile non solo attraverso l'aria, ma anche attraverso il PCB e una maschera. In fabbrica vengono utilizzati materiali sottoposti a test elettrici e si può dormire sonni tranquilli. Quindi il problema principale è l'aria e dalle condizioni sopra descritte possiamo concludere che saranno sufficienti circa 5-6 mm di spazio libero. Fondamentalmente, la separazione dei poligoni sotto il trasformatore, perché è il principale mezzo di isolamento galvanico.

Passiamo ora direttamente alla progettazione della lavagna, non entrerò nei dettagli in questo articolo, e in generale non ho molta voglia di scrivere un intero libro di testo. Se ce ne sono abbastanza grande gruppo Se qualcuno è interessato (farò un sondaggio alla fine), mi limiterò a realizzare video sul “cablaggio” di questo dispositivo, sarà più veloce e più informativo.

Fasi della creazione di un circuito stampato:

1) Prima di tutto, devi decidere le dimensioni approssimative del dispositivo. Se disponi di una custodia già pronta, dovresti misurare il sedile al suo interno e basare su questo le dimensioni della tavola. Ho intenzione di realizzare una custodia su misura in alluminio o ottone, quindi cercherò di realizzare il dispositivo più compatto possibile senza perdere le caratteristiche di qualità e prestazioni.

Figura 9 - Creazione di uno spazio vuoto per la futura scheda

Ricorda: le dimensioni della tavola devono essere multipli di 1 mm! O almeno 0,5 mm, altrimenti ricorderai ancora la mia testimonianza di Lenin quando assemblerai tutto in un pannello e realizzerai pezzi grezzi per la produzione, e i designer che creeranno una custodia per la tua tavola ti inonderanno di maledizioni. Non è necessario creare una tavola con dimensioni ala “208.625 mm” a meno che non sia assolutamente necessario!
PS grazie compagno Lunkov per il fatto che mi ha ancora trasmesso questo pensiero brillante))

Qui ho fatto 4 operazioni:

R) Ho realizzato la tavola stessa con dimensioni complessive di 250x150 mm. Anche se questa è una dimensione approssimativa, penso che si ridurrà notevolmente;
b) Angoli arrotondati, perché durante il processo di consegna e assemblaggio, quelli taglienti verranno uccisi e spiegazzati + la tavola avrà un aspetto migliore;
c) Fori di montaggio posizionati, non metallizzati, con un diametro del foro di 3 mm per elementi di fissaggio e cremagliere standard;
d) Ho creato una classe "NPTH", in cui ho definito tutti i fori non placcati e ho creato una regola per essa, creando uno spazio di 0,4 mm tra tutti gli altri componenti e componenti della classe. Questo è il requisito tecnologico di Rezonit per la classe di precisione standard (4a).

Figura 10 – Creazione di un filetto per fori non placcati

2) Il passo successivo è disporre i componenti tenendo conto di tutti i requisiti; dovrebbe essere già molto vicino alla versione finale, perché Nella maggior parte dei casi, le dimensioni finali della scheda e il suo fattore di forma verranno determinati ora.

Figura 11 – Posizionamento primario dei componenti completato

Ho installato i componenti principali, molto probabilmente non si muoveranno e quindi sono state finalmente determinate le dimensioni complessive della scheda: 220 x 150 mm. Lo spazio libero sulla scheda è lasciato per un motivo: i moduli di controllo e altri piccoli componenti SMD verranno posizionati lì. Per ridurre il costo della scheda e facilitare l'installazione, tutti i componenti saranno solo sullo strato superiore e di conseguenza ci sarà un solo strato serigrafato.

Figura 13 - Vista 3D della scheda dopo la disposizione dei componenti

3) Ora, determinata la posizione e la struttura generale, sistemiamo i restanti componenti e “separamo” la scheda. La progettazione della scheda può essere eseguita in due modi: manualmente e utilizzando un autorouter, avendo precedentemente descritto le sue azioni con un paio di dozzine di regole. Entrambi i metodi sono buoni, ma farò comunque questa tavola a mano, perché... ci sono pochi componenti e requisiti speciali In termini di allineamento della linea e integrità del segnale, non esiste e non dovrebbe esistere. Questo sarà sicuramente più veloce, l'autorouting è buono quando ci sono molti componenti (da 500 in poi) e la parte principale del circuito è digitale. Tuttavia, se qualcuno è interessato, posso mostrarti come “separare” le schede automaticamente in 2 minuti. È vero, prima dovrai scrivere le regole tutto il giorno, eh.

Dopo 3-4 ore di “stregoneria” (per la metà del tempo ho disegnato i modelli mancanti) con la temperatura e una tazza di tè, ho finalmente cablato la scheda. Non ho nemmeno pensato a risparmiare spazio, molti diranno che si potevano ridurre le dimensioni del 20-30% e avrebbero ragione. Ne ho una copia in un unico pezzo e perdere tempo, che è chiaramente più costoso di 1 dm2 per una tavola a due strati, è stato semplicemente un peccato. Parlando del prezzo del pannello: quando si ordina da Rezonit, 1 dm 2 di un pannello a due strati di classe standard costa circa 180-200 rubli, quindi non puoi risparmiare molto qui a meno che tu non abbia un lotto di oltre 500 pezzi, di corso. Sulla base di ciò, posso consigliare: non essere pervertito nel ridurre l'area se è di classe 4 e non ci sono requisiti per le dimensioni. E questo è l'output:

Figura 14 – Progetto della scheda per un alimentatore switching

In futuro progetterò una custodia per questo dispositivo e ho bisogno di conoscerne le dimensioni complete, oltre a poterlo “provare” all'interno della custodia in modo che nella fase finale non diventi chiaro, ad esempio, che la scheda principale interferisce con i connettori sul case o sul display. Per fare questo cerco sempre di disegnare tutti i componenti in forma 3D, l'output è questo risultato e un file in formato .step per il mio Inventore dell'Autodesk:

Figura 15 - Vista tridimensionale del dispositivo risultante

Figura 16 - Vista tridimensionale del dispositivo (vista dall'alto)

La documentazione è ora pronta. Ora devo creare il pacchetto di file necessario per ordinare i componenti, ho già tutte le impostazioni registrate in Altium, quindi tutto viene caricato con un pulsante. Abbiamo bisogno di file Gerber e di un file NC Drill, il primo memorizza le informazioni sugli strati e il secondo memorizza le coordinate di perforazione. Puoi visualizzare il file per scaricare la documentazione alla fine dell'articolo nel progetto; assomiglia a questo:

Figura 17 - Formazione di un pacchetto di documentazione per l'ordinazione di circuiti stampati

Una volta che i file sono pronti, puoi ordinare le tavole. Produttori specifici Non lo consiglio; probabilmente ce ne sono di migliori e più economici specifici per i prototipi. Ordino tutti i pannelli della classe standard 2,4,6 strati da Rezonit, dove ordino pannelli a 2 e 4 strati della 5a classe. Schede di classe 5, dove ci sono 6-24 strati in Cina (ad esempio pcbway), ma le schede HDI e classe 5 con 24 o più strati sono già solo a Taiwan, dopotutto, la qualità in Cina è ancora scarsa, e dove il prezzo non è scadente, non è così carino. È tutta una questione di prototipi!

Seguendo le mie convinzioni vado a Rezonit, oh, quanti nervi hanno logorato e quanto sangue hanno bevuto... ma ultimamente sembrano essersi corretti e hanno cominciato a lavorare in modo più adeguato, anche se a calci. Effettuo gli ordini tramite il mio account personale, inserisco i dettagli di pagamento, carico i file e invio. Mi piace il loro account personale, tra l'altro calcolano subito il prezzo e possono ottenerlo modificando i parametri prezzi migliori senza perdita di qualità.

Ad esempio, ora volevo una scheda su PCB da 2 mm con rame da 35 micron, ma si è scoperto che questa opzione è 2,5 volte più costosa dell'opzione con PCB da 1,5 mm e 35 micron, quindi ho scelto quest'ultima. Per aumentare la rigidità della tavola, ho aggiunto ulteriori fori per i supporti: il problema è stato risolto, il prezzo è stato ottimizzato. A proposito, se la tavola andasse in serie, da qualche parte intorno ai 100 pezzi questa differenza di 2,5 volte scompariva e i prezzi diventavano uguali, perché poi veniva acquistato per noi un foglio non standard e speso senza avanzi.

Figura 18 - Vista finale del calcolo del costo del consiglio di amministrazione

Il costo finale è determinato: 3618 rubli. Di questi 2100 sono di preparazione, si paga una sola volta per progetto, tutte le successive ripetizioni dell'ordine procedono senza di esso e pagherai solo la zona. In questo caso, 759 rubli per una tavola con una superficie di 3,3 dm2, più grande è la serie, minore sarà il costo, anche se ora è di 230 rubli/dm2, il che è abbastanza accettabile. Naturalmente era possibile realizzare una produzione urgente, ma ordino spesso, lavoro con un manager e la ragazza cerca sempre di portare a termine l'ordine più velocemente se la produzione non è occupata - alla fine, anche con le "piccole serie" " Opzione, il tempo di consegna è di 5-6 giorni, basta solo comunicare educatamente e non essere scortese con le persone. E non ho fretta, quindi ho deciso di risparmiare circa il 40%, il che almeno è carino.

Epilogo

Bene, sono giunto alla logica conclusione dell'articolo: ottenere la progettazione del circuito, la progettazione della scheda e ordinare le schede in produzione. Ci saranno 2 parti in totale, la prima è davanti a te e nella seconda ti dirò come ho installato, assemblato ed eseguito il debug del dispositivo.

Come promesso, condivido il codice sorgente del progetto e altri prodotti:

1) Sorgente del progetto in Altium Designer 16 - ;
2) File per ordinare circuiti stampati - . E se vuoi ripetere e ordinare, ad esempio, dalla Cina, questo archivio è più che sufficiente;
3) Schema del dispositivo in pdf - . Per coloro che non vogliono perdere tempo nell'installazione di Altium da un telefono o per la revisione (alta qualità);
4) Ancora una volta, per chi non vuole installare software pesante, ma è interessato a far roteare l'hardware, pubblico un modello 3D in pdf - . Per visualizzarlo è necessario scaricare il file; quando lo si apre, fare clic su “attendibile il documento solo una volta” nell'angolo in alto a destra, quindi fare clic al centro del file e lo schermo bianco si trasforma in un modello.

Vorrei anche chiedere l'opinione dei lettori... Adesso le schede sono state ordinate, così come i componenti - infatti mancano 2 settimane, su cosa dovrei scrivere un articolo? Oltre a questi “mutanti” come questo, a volte vuoi scolpire qualcosa di miniaturizzato ma utile, ho presentato diverse opzioni nei sondaggi, o magari suggerisco la tua opzione in un messaggio privato, per non confondere i commenti.

Solo gli utenti registrati possono partecipare al sondaggio. Entrare prego.

A differenza degli alimentatori lineari tradizionali, che comportano l'estinzione della tensione non stabilizzata in eccesso su un elemento lineare passante, gli alimentatori a impulsi utilizzano altri metodi e fenomeni fisici per generare una tensione stabilizzata, vale a dire: l'effetto dell'accumulo di energia negli induttori, nonché la possibilità di trasformazione ad alta frequenza e conversione dell'energia accumulata in pressione costante. Esistono tre circuiti tipici per la costruzione di alimentatori a impulsi (vedere Fig. 3.4-1): step-up (la tensione di uscita è superiore alla tensione di ingresso), step-down (la tensione di uscita è inferiore alla tensione di ingresso) e inversione (la tensione di uscita ha la polarità opposta rispetto all’ingresso). Come si può vedere dalla figura, differiscono solo per il modo in cui collegano l'induttanza, per il resto il principio di funzionamento rimane invariato, vale a dire.

L'elemento chiave (solitamente vengono utilizzati transistor bipolari o MOS), operante con una frequenza dell'ordine di 20-100 kHz, viene applicato periodicamente per un breve periodo (non più del 50% delle volte)

fornisce l'intera tensione non stabilizzata in ingresso all'induttore. Corrente impulsiva. il flusso attraverso la bobina garantisce l'accumulo di riserve di energia nel suo campo magnetico di 1/2LI^2 ad ogni impulso. L'energia immagazzinata in questo modo dalla bobina viene trasferita al carico (direttamente, utilizzando un diodo raddrizzatore, o attraverso l'avvolgimento secondario con successivo rettificamento), il condensatore del filtro di livellamento di uscita garantisce una tensione e una corrente di uscita costanti. La stabilizzazione della tensione di uscita è assicurata dalla regolazione automatica dell'ampiezza o della frequenza dell'impulso sull'elemento chiave (un circuito di feedback è progettato per monitorare la tensione di uscita).

Questo schema, sebbene piuttosto complesso, può aumentare significativamente l'efficienza dell'intero dispositivo. Il fatto è che in questo caso, oltre al carico stesso, nel circuito non sono presenti elementi di potenza che dissipano una potenza significativa. I transistor chiave funzionano in modalità di commutazione saturata (ovvero, la caduta di tensione ai loro capi è piccola) e dissipano potenza solo in intervalli di tempo abbastanza brevi (durata dell'impulso). Inoltre, aumentando la frequenza di conversione, è possibile aumentare sensibilmente la potenza e migliorare le caratteristiche di peso e dimensioni.

Un importante vantaggio tecnologico degli alimentatori a impulsi è la capacità di costruire sulla base alimentatori di rete di piccole dimensioni con isolamento galvanico dalla rete per alimentare un'ampia varietà di apparecchiature. Tali alimentatori sono costruiti senza l'uso di un ingombrante trasformatore di potenza a bassa frequenza utilizzando un circuito convertitore ad alta frequenza. Si tratta infatti di un tipico circuito di alimentatore switching con riduzione di tensione, dove come tensione di ingresso viene utilizzata la tensione di rete raddrizzata e come elemento di accumulo un trasformatore ad alta frequenza (di piccole dimensioni e ad alta efficienza), da l'avvolgimento secondario da cui viene rimossa la tensione stabilizzata in uscita (questo trasformatore fornisce anche l'isolamento galvanico dalla rete).

Gli svantaggi degli alimentatori a impulsi includono: la presenza di un elevato livello di rumore pulsato in uscita, elevata complessità e bassa affidabilità (soprattutto nella produzione artigianale), la necessità di utilizzare costosi componenti ad alta frequenza ad alta tensione, che in caso del minimo malfunzionamento falliscono facilmente “in massa” (con In questo caso, di regola, si possono osservare impressionanti effetti pirotecnici). Coloro che amano approfondire l'interno dei dispositivi con un cacciavite e un saldatore dovranno prestare la massima attenzione durante la progettazione degli alimentatori a commutazione di rete, poiché molti elementi di tali circuiti sono sotto alta tensione.

3.4.1 Efficiente regolatore di commutazione a bassa complessità

Su una base di elementi simile a quella utilizzata nello stabilizzatore lineare sopra descritto (Fig. 3.3-3), è possibile costruire uno stabilizzatore di tensione a impulsi. A parità di caratteristiche avrà dimensioni nettamente inferiori e condizioni termiche migliori. Un diagramma schematico di tale stabilizzatore è mostrato in Fig. 3.4-2. Lo stabilizzatore è assemblato secondo un circuito di riduzione della tensione standard (Fig. 3.4-1a).

Alla prima accensione, quando il condensatore C4 è scarico e un carico sufficientemente potente è collegato all'uscita, la corrente scorre attraverso il regolatore lineare IC DA1. La caduta di tensione su R1 causata da questa corrente sblocca il transistor chiave VT1, che entra immediatamente in modalità saturazione, poiché la reattanza induttiva di L1 è grande e una corrente sufficientemente grande scorre attraverso il transistor. La caduta di tensione su R5 apre l'elemento chiave principale: il transistor VT2. Attuale. aumentando in L1 si carica C4, mentre tramite retroazione su R8 avviene la registrazione

Danni allo stabilizzatore e al transistor chiave. L'energia immagazzinata nella bobina alimenta il carico. Quando la tensione su C4 scende al di sotto della tensione di stabilizzazione, DA1 e il transistor della chiave si aprono. Il ciclo si ripete con una frequenza di 20-30 kHz.

Circuito R3. R4, C2 imposteranno il livello di tensione di uscita. Può essere regolato agevolmente entro piccoli limiti, da Uct DA1 a Uin. Tuttavia, se Uout viene aumentata vicino a Uin, si verifica una certa instabilità al carico massimo e livello aumentato pulsazioni. Per sopprimere le ondulazioni ad alta frequenza, all'uscita dello stabilizzatore è incluso il filtro L2, C5.

Lo schema è abbastanza semplice e più efficace per questo livello di complessità. Tutti gli elementi di potenza VT1, VT2, VD1, DA1 sono dotati di piccoli radiatori. La tensione in ingresso non deve superare i 30 V, che è il massimo per gli stabilizzatori KR142EN8. Utilizzare diodi raddrizzatori per una corrente di almeno 3 A.

3.4.2 Gruppo di continuità basato su uno stabilizzatore di commutazione

Nella fig. 3.4-3 proponiamo in considerazione un dispositivo per l'alimentazione ininterrotta di sistemi di sicurezza e videosorveglianza basato su uno stabilizzatore di impulsi combinato con un caricabatterie. Lo stabilizzatore include sistemi di protezione contro sovraccarico, surriscaldamento, picchi di tensione in uscita e cortocircuiti.

Lo stabilizzatore ha i seguenti parametri:

Tensione in ingresso, Uvx - 20-30 V:

Tensione stabilizzata in uscita, Uvyx-12V:

Corrente di carico nominale, Icarico nominale -5A;

Corrente di intervento del sistema di protezione da sovraccarico, Iprotect - 7A;.

Tensione operativa del sistema di protezione da sovratensione, protezione Uout - 13 V;

Corrente massima di carica della batteria, Icharge batteria max - 0,7 A;

Livello di ondulazione. Uimpulso - 100 mV,

Temperatura di funzionamento del sistema di protezione dal surriscaldamento, Tzasch - 120 C;

Velocità di passaggio all'alimentazione a batteria, tswitch - 10 ms (relè RES-b RFO.452.112).

Il principio di funzionamento dello stabilizzatore di impulsi nel dispositivo descritto è lo stesso dello stabilizzatore presentato sopra.

Il dispositivo è integrato con un caricabatterie realizzato sugli elementi DA2, R7, R8, R9, R10, VD2, C7. Stabilizzatore di tensione IC DA2 con divisore di corrente su R7. R8 limita la corrente di carica iniziale massima, il divisore R9, R10 imposta la tensione di carica in uscita, il diodo VD2 protegge la batteria dall'autoscarica in assenza di tensione di alimentazione.

La protezione dal surriscaldamento utilizza il termistore R16 come sensore di temperatura. Quando interviene la protezione, l'allarme sonoro, montato sul DD 1 IC, si attiva e, contemporaneamente, il carico viene scollegato dallo stabilizzatore, passando all'alimentazione dalla batteria. Il termistore è montato sul radiatore del transistor VT1. La regolazione fine del livello di risposta della protezione termica viene effettuata dalla resistenza R18.

Il sensore di tensione è montato sul divisore R13, R15. la resistenza R15 imposta il livello esatto di protezione da sovratensione (13 V). Se la tensione all'uscita dello stabilizzatore supera (se quest'ultimo si guasta), il relè S1 disconnette il carico dallo stabilizzatore e lo collega alla batteria. Se la tensione di alimentazione viene disattivata, il relè S1 passa allo stato "predefinito", ovvero collega il carico alla batteria.

Il circuito mostrato qui non dispone di protezione elettronica da cortocircuito per la batteria. Questo ruolo è svolto da un fusibile nel circuito di alimentazione del carico, progettato per il massimo consumo di corrente.

3.4.3 Alimentatori basati su convertitore di impulsi ad alta frequenza

Molto spesso, durante la progettazione dei dispositivi, esistono requisiti rigorosi per le dimensioni della fonte di alimentazione. In questo caso l'unica soluzione è utilizzare un alimentatore basato su convertitori di impulsi ad alta tensione e ad alta frequenza. che sono collegati a una rete da ~220 V senza l'uso di un grande trasformatore step-down a bassa frequenza e possono fornire elevata potenza con dimensioni ridotte e dissipazione del calore.

Lo schema a blocchi di un tipico convertitore di impulsi alimentato da una rete industriale è mostrato nella Figura 34-4.

Il filtro di ingresso è progettato per impedire l'ingresso nella rete di rumore impulsivo. Gli interruttori di potenza forniscono impulsi ad alta tensione all'avvolgimento primario di un trasformatore ad alta frequenza (singolo e

circuiti push-pull). La frequenza e la durata degli impulsi sono impostate da un generatore controllato (di solito viene utilizzato il controllo dell'ampiezza dell'impulso, meno spesso - la frequenza). A differenza dei trasformatori di segnale sinusoidali a bassa frequenza, gli alimentatori a impulsi utilizzano dispositivi a banda larga che forniscono un trasferimento di potenza efficiente su segnali con fronti veloci. Ciò impone requisiti significativi sul tipo di circuito magnetico utilizzato e sulla progettazione del trasformatore. D'altra parte, con l'aumentare della frequenza, le dimensioni richieste del trasformatore (pur mantenendo la potenza trasmessa) diminuiscono (i materiali moderni consentono di costruire trasformatori potenti con efficienza accettabile a frequenze fino a 100-400 kHz). Una particolarità del raddrizzatore di uscita è l'utilizzo di diodi Schottky ad alta velocità anziché diodi di potenza convenzionali, ciò è dovuto all'elevata frequenza della tensione raddrizzata. Il filtro di uscita attenua l'ondulazione della tensione di uscita. La tensione di feedback viene confrontata con una tensione di riferimento e quindi controlla l'oscillatore. Da segnalare la presenza dell'isolamento galvanico nel circuito di retroazione, necessario se vogliamo garantire l'isolamento della tensione in uscita dalla rete.

Nella produzione di tale IP sorgono seri requisiti per i componenti utilizzati (che ne aumentano il costo rispetto a quelli tradizionali). Innanzitutto, ciò riguarda la tensione operativa dei diodi raddrizzatori, dei condensatori di filtro e dei transistor chiave, che non deve essere inferiore a 350 V per evitare guasti. In secondo luogo, transistor chiave ad alta frequenza ( frequenza operativa 20-100 kHz) e speciali condensatori ceramici(Gli elettroliti ossidati convenzionali si surriscaldano alle alte frequenze a causa della loro elevata induttanza

attività). In terzo luogo, la frequenza di saturazione del trasformatore ad alta frequenza, determinata dal tipo di nucleo magnetico utilizzato (di norma vengono utilizzati nuclei toroidali) deve essere significativamente superiore alla frequenza operativa del convertitore.

Nella fig. 3.4-5 mostra un diagramma schematico di un alimentatore classico basato su un convertitore ad alta frequenza. Il filtro, costituito dai condensatori C1, C2, SZ e dalle induttanze L1, L2, serve a proteggere la rete di alimentazione dalle interferenze ad alta frequenza provenienti dal convertitore. Il generatore è costruito secondo un circuito auto-oscillante ed abbinato ad uno stadio chiave. I transistor chiave VT1 e VT2 funzionano in antifase, aprendosi e chiudendosi a turno. L'avvio del generatore e il funzionamento affidabile sono garantiti dal transistor VT3, che funziona in modalità di guasto a valanga. Quando la tensione su C6 aumenta attraverso R3, il transistor si apre e il condensatore si scarica alla base di VT2, avviando il generatore. La tensione di retroazione viene rimossa dall'avvolgimento aggiuntivo (III) del trasformatore di potenza Tpl.

Transistor VT1. VT2 si installa su radiatori a piastre di almeno 100 cm^2. I diodi VD2-VD5 con barriera Schottky sono posti su un piccolo radiatore di 5 cm^2. Dati delle induttanze e dei trasformatori: L1-1. L2 è avvolto su anelli di ferrite 2000NM K12x8x3 in due fili utilizzando filo PELSHO 0,25: 20 giri. TP1 - su due anelli piegati insieme, ferrite 2000NN KZ 1x18,5x7;

avvolgimento 1 - 82 giri con filo PEV-2 0,5: avvolgimento II - 25+25 giri con filo PEV-2 1,0: avvolgimento III - 2 giri con filo PEV-2 0,3. TP2 è avvolto su un anello di ferrite 2000NN K10x6x5. tutti gli avvolgimenti sono realizzati con filo PEV-2 0,3: avvolgimento 1 - 10 giri:

avvolgimenti II e III - 6 giri ciascuno, entrambi gli avvolgimenti (II e III) sono avvolti in modo tale da occupare il 50% dell'area sull'anello senza toccarsi o sovrapporsi, l'avvolgimento I è avvolto uniformemente su tutto l'anello e isolato con uno strato di tela verniciata. Le bobine del filtro raddrizzatore L3, L4 sono avvolte su ferrite 2000NM K 12x8x3 con filo PEV-2 1.0, il numero di spire è 30. KT809A può essere utilizzato come transistor chiave VT1, VT2. KT812, KT841.

I valori nominali degli elementi e i dati degli avvolgimenti dei trasformatori sono forniti per una tensione di uscita di 35 V. Nel caso in cui siano richiesti altri valori dei parametri operativi, il numero di spire nell'avvolgimento 2 Tr1 deve essere modificato di conseguenza.

Il circuito descritto ha carenze significative, a causa del desiderio di ridurre estremamente il numero dei componenti utilizzati. Questi includono un basso livello di stabilizzazione della tensione di uscita, un funzionamento instabile e inaffidabile e una bassa corrente di uscita. Tuttavia, è abbastanza adatto per alimentare i progetti più semplici di diversa potenza (se appropriato componenti utilizzati), quali: calcolatrici, ID chiamante, apparecchi di illuminazione, ecc.

Un altro circuito di alimentazione basato su un convertitore di impulsi ad alta frequenza è mostrato in Fig. 3.4-6. La differenza principale tra questo schema e la struttura standard mostrata in Fig. 3 .4-4 è l'assenza di un circuito di retroazione. A questo proposito, la stabilità della tensione sugli avvolgimenti di uscita del trasformatore HF Tr2 è piuttosto bassa ed è richiesto l'uso di stabilizzatori secondari (il circuito utilizza stabilizzatori integrati universali basati sull'IC della serie KR142).

3.4.4 Stabilizzatore di commutazione con transistor MIS chiave con lettura di corrente.

La miniaturizzazione e l'aumento dell'efficienza nello sviluppo e nella costruzione di alimentatori a commutazione sono facilitati dall'uso di una nuova classe di inverter a semiconduttore: transistor MOS, nonché: diodi ad alta potenza con recupero inverso rapido, diodi Schottky, ultraveloci diodi, transistor ad effetto di campo con gate isolato, circuiti integrati per il controllo di elementi chiave. Tutti questi elementi sono disponibili sul mercato nazionale e possono essere utilizzati nella progettazione di alimentatori, convertitori, sistemi di accensione per motori a combustione interna (ICE) e sistemi di avviamento per lampade fluorescenti (LDL) ad alta efficienza. Anche una classe di dispositivi di potenza chiamati HEXSense (transistor MOS con rilevamento di corrente) potrebbe essere di grande interesse per gli sviluppatori. Sono elementi di commutazione ideali per alimentatori switching pronti al controllo. La capacità di leggere la corrente del transistor di commutazione può essere utilizzata negli alimentatori a commutazione per fornire il feedback di corrente richiesto da un controller di modulazione di larghezza di impulso. Ciò consente di semplificare la progettazione della fonte di alimentazione, escludendo da essa resistori e trasformatori di corrente.

Nella fig. La Figura 3.4-7 mostra lo schema di un alimentatore switching da 230 W. Le sue principali caratteristiche prestazionali sono le seguenti:

Voltaggio in ingresso: -110V 60Hz:

Voltaggio in uscita: 48 Vcc:

Corrente di carico: 4,8 A:

Frequenza di commutazione: 110 kHz:

Efficienza a pieno carico : 78%;

Efficienza a 1/3 del carico: 83%.

Il circuito è costruito sulla base di un modulatore di larghezza di impulso (PWM) con un convertitore ad alta frequenza in uscita. Il principio di funzionamento è il seguente.

Il segnale di controllo per il transistor chiave proviene dall'uscita 6 del controller PWM DA1, il ciclo di lavoro è limitato al 50% dal resistore R4, R4 e SZ sono gli elementi di temporizzazione del generatore. L'alimentazione per DA1 è fornita dalla catena VD5, C5, C6, R6. Il resistore R6 è progettato per fornire la tensione di alimentazione durante l'avvio del generatore; successivamente viene attivato il feedback di tensione attraverso LI, VD5. Questo feedback è ottenuto dall'avvolgimento aggiuntivo della bobina di uscita, che funziona in modalità inversa. Oltre ad alimentare il generatore, la tensione di feedback attraverso la catena VD4, Cl, Rl, R2 viene fornita all'ingresso di feedback di tensione DA1 (pin 2). Attraverso R3 e C2 viene fornita la compensazione, che garantisce la stabilità del circuito di feedback.

Sulla base di questo circuito è possibile costruire stabilizzatori di impulsi con altri parametri di uscita.

Il campo di applicazione degli alimentatori a commutazione nella vita di tutti i giorni è in continua espansione. Tali fonti vengono utilizzate per alimentare tutte le moderne apparecchiature domestiche e informatiche, per implementare gruppi di continuità, caricabatterie per batterie per vari scopi, per implementare sistemi di illuminazione a bassa tensione e per altre esigenze.

In alcuni casi, l'acquisto di un alimentatore già pronto non è molto accettabile dal punto di vista economico o tecnico e assemblare una fonte di commutazione con le proprie mani è la migliore via d'uscita da questa situazione. Questa opzione è semplificata anche dall'ampia disponibilità di componenti moderni a prezzi bassi.

Le più apprezzate nella vita di tutti i giorni sono le fonti pulsate alimentate da rete standard AC e potente uscita a bassa tensione. Lo schema a blocchi di tale sorgente è mostrato in figura.

Il raddrizzatore di rete CB converte la tensione alternata della rete di alimentazione in tensione continua e attenua le ondulazioni della tensione raddrizzata in uscita. Il convertitore VChP ad alta frequenza converte la tensione raddrizzata in tensione alternata o unipolare, che ha la forma di impulsi rettangolari dell'ampiezza richiesta.

Successivamente, questa tensione, direttamente o dopo il raddrizzamento (VN), viene fornita ad un filtro livellatore, all'uscita del quale è collegato un carico. Il VChP è controllato da un sistema di controllo che riceve un segnale di feedback dal raddrizzatore di carico.

Questa struttura del dispositivo può essere criticata per la presenza di più stadi di conversione, che riducono l'efficienza della sorgente. Tuttavia, quando la scelta giusta elementi semiconduttori e calcolo e produzione di alta qualità delle unità di avvolgimento, il livello di perdite di potenza nel circuito è basso, il che consente di ottenere valori di efficienza reali superiori al 90%.

Diagrammi schematici degli alimentatori switching

Le soluzioni per i blocchi strutturali includono non solo la logica per la scelta delle opzioni di implementazione del circuito, ma anche raccomandazioni pratiche per la selezione degli elementi di base.

Per raddrizzare la tensione di rete monofase utilizzare uno dei tre schemi classici riportati in figura:

• semionda;
• zero (onda intera con un punto medio);
• ponte a semionda.

Ognuno di essi presenta vantaggi e svantaggi che determinano l'ambito di applicazione.

Circuito a semiondaÈ caratterizzato dalla facilità di implementazione e da un numero minimo di componenti a semiconduttore. I principali svantaggi di un tale raddrizzatore sono una quantità significativa di ondulazione della tensione di uscita (nel rettificato c'è solo una semionda della tensione di rete) e un basso coefficiente di rettifica.

Fattore di rettifica Kv determinato dal rapporto tra la tensione media all'uscita del raddrizzatore Udк valore efficace della tensione di rete di fase Su.

Per un circuito a semionda Kv=0,45.

Per attenuare l'ondulazione all'uscita di un tale raddrizzatore, sono necessari filtri potenti.

Circuito zero o ad onda intera con punto medio, sebbene richieda il doppio del numero di diodi raddrizzatori, tuttavia, questo svantaggio è ampiamente compensato da un numero maggiore basso livello increspature della tensione raddrizzata e un aumento del coefficiente di rettifica a 0,9.

Lo svantaggio principale di un tale schema da utilizzare in condizioni domestiche è la necessità di organizzare il punto medio della tensione di rete, che implica la presenza di un trasformatore di rete. Le sue dimensioni e il suo peso risultano incompatibili con l'idea di una sorgente pulsata artigianale di piccole dimensioni.

Circuito a ponte a onda intera il rettificatore ha gli stessi indicatori in termini di livello di ondulazione e coefficiente di rettifica del circuito zero, ma non richiede una connessione di rete. Ciò compensa anche lo svantaggio principale: il numero raddoppiato di diodi raddrizzatori, sia in termini di efficienza che di costi.

Per attenuare le ondulazioni di tensione raddrizzate la migliore soluzione consiste nell'utilizzare un filtro capacitivo. Il suo utilizzo permette di aumentare il valore della tensione raddrizzata fino a valore di ampiezza rete (a Uf=220V Ufm=314V). Gli svantaggi di un tale filtro sono considerati grandi quantità correnti impulsive elementi raddrizzatori, ma questo inconveniente non è critico.

La selezione dei diodi raddrizzatori viene effettuata in base al valore della media corrente continua Ia e tensione inversa massima U BM.

Prendendo il valore del coefficiente di ondulazione della tensione di uscita Kp = 10%, otteniamo il valore medio della tensione raddrizzata Ud = 300V. Tenendo conto della potenza del carico e dell'efficienza del convertitore RF (per il calcolo viene preso l'80%, ma in pratica sarà più alto, ciò consentirà un certo margine).

Ia è la corrente media del diodo raddrizzatore, Рн è la potenza del carico, η è l'efficienza del convertitore RF.

La massima tensione inversa dell'elemento raddrizzatore non supera il valore di ampiezza della tensione di rete (314 V), il che consente con un margine significativo l'utilizzo di componenti con valore U BM =400 V. È possibile utilizzare sia diodi discreti che ponti raddrizzatori già pronti di vari produttori.

Per garantire una determinata ondulazione (10%) all'uscita del raddrizzatore, la capacità dei condensatori del filtro viene presa alla velocità di 1 μF per 1 W di potenza di uscita. Vengono utilizzati condensatori elettrolitici con una tensione massima di almeno 350 V. Nella tabella sono riportate le capacità dei filtri per le varie potenze.

Convertitore ad alta frequenza: sue funzioni e circuiti

Il convertitore ad alta frequenza è un convertitore con interruttore push-pull o a ciclo singolo (inverter) con un trasformatore di impulsi. Le varianti dei circuiti del convertitore RF sono mostrate nella figura.

Circuito a terminazione singola. Nonostante il numero minimo di elementi di potenza e la facilità di implementazione, presenta numerosi svantaggi.

1. Il trasformatore presente nel circuito opera in un ciclo di isteresi privato, che richiede un aumento delle sue dimensioni e della potenza complessiva;
2. Per garantire la potenza di uscita, è necessario ottenere un'ampiezza significativa della corrente impulsiva che scorre attraverso l'interruttore a semiconduttore.

Il circuito ha trovato la sua maggiore applicazione nei dispositivi a bassa potenza, dove l'influenza di questi svantaggi non è così significativa.

Per cambiare o installare da soli un nuovo contatore, non sono richieste competenze speciali. Scegliere quello giusto garantirà una corretta misurazione del consumo di corrente e aumenterà la sicurezza della rete elettrica domestica.

Nelle moderne condizioni di fornitura di illuminazione sia all'interno che all'esterno, i sensori di movimento vengono sempre più utilizzati. Ciò non solo aggiunge comfort e comodità alle nostre case, ma ci consente anche di risparmiare notevolmente. Sapere Consiglio pratico a seconda della scelta del luogo di installazione e degli schemi di collegamento, è possibile.

Circuito push-pull con il punto centrale del trasformatore (push-pull). Il suo secondo nome deriva dalla versione inglese (push-pull) della descrizione del lavoro. Il circuito è esente dagli svantaggi della versione a ciclo singolo, ma ha il suo: un design complicato del trasformatore (è richiesta la produzione di sezioni identiche dell'avvolgimento primario) e maggiori requisiti per tensione massima chiavi. Per il resto la soluzione merita attenzione ed è ampiamente utilizzata negli alimentatori switching, realizzati a mano e non solo.

Circuito a semiponte push-pull. I parametri del circuito sono simili al circuito con un punto medio, ma non richiedono una configurazione complessa degli avvolgimenti del trasformatore. Lo svantaggio intrinseco del circuito è la necessità di organizzare il punto medio del filtro raddrizzatore, che comporta un aumento di quattro volte del numero di condensatori.

Grazie alla sua facilità di implementazione, il circuito è ampiamente utilizzato negli alimentatori a commutazione con potenza fino a 3 kW. A potenze elevate, il costo dei condensatori di filtro diventa inaccettabilmente elevato rispetto agli interruttori degli inverter a semiconduttore e il circuito a ponte risulta essere il più redditizio.

Circuito a ponte push-pull. I parametri sono simili ad altri circuiti push-pull, ma non è necessario creare “punti medi” artificiali. Il prezzo per questo è il doppio del numero di interruttori di alimentazione, il che è vantaggioso dal punto di vista economico e punti tecnici visione per la realizzazione di potenti sorgenti pulsate.

La selezione degli interruttori dell'inverter viene effettuata in base all'ampiezza della corrente del collettore (scarico) I KMAX e alla tensione massima collettore-emettitore U KEMAKH. Per il calcolo vengono utilizzate la potenza del carico e il rapporto di trasformazione del trasformatore di impulsi.

Tuttavia, prima è necessario calcolare il trasformatore stesso. Il trasformatore di impulsi è realizzato su un nucleo di ferrite, permalloy o ferro del trasformatore attorcigliato in un anello. Per potenze fino a diversi kW sono particolarmente adatti i nuclei di ferrite del tipo ad anello o a W. Il trasformatore viene calcolato in base alla potenza richiesta e alla frequenza di conversione. Per eliminare la comparsa di rumore acustico, si consiglia di spostare la frequenza di conversione al di fuori della gamma audio (portarla sopra i 20 kHz).

Va ricordato che a frequenze vicine a 100 kHz le perdite nei nuclei magnetici di ferrite aumentano in modo significativo. Il calcolo del trasformatore stesso non è difficile e può essere facilmente reperito in letteratura. Alcuni risultati per varie sorgenti di potenza e circuiti magnetici sono riportati nella tabella seguente.

Il calcolo è stato effettuato per una frequenza di conversione di 50 kHz. Vale la pena notare che quando si lavora alta frequenza c'è un effetto di spostamento della corrente sulla superficie del conduttore, che porta ad una diminuzione zona effettiva avvolgimenti Per evitare questo tipo di problemi e ridurre le perdite nei conduttori, è necessario realizzare un avvolgimento di più conduttori di sezione minore. Ad una frequenza di 50 kHz, il diametro consentito del filo di avvolgimento non supera 0,85 mm.

Conoscendo la potenza del carico e il rapporto di trasformazione, è possibile calcolare la corrente nell'avvolgimento primario del trasformatore e la corrente massima del collettore tasto d'accensione. La tensione sul transistor nello stato chiuso viene selezionata superiore alla tensione raddrizzata fornita all'ingresso del convertitore RF con un certo margine (U KEMAKH >=400 V). Sulla base di questi dati, vengono selezionate le chiavi. Attualmente, l'opzione migliore è utilizzare transistor di potenza IGBT o MOSFET.

Per i diodi raddrizzatori sul lato secondario è necessario seguire una regola: la loro frequenza operativa massima deve superare la frequenza di conversione. Altrimenti, l'efficienza del raddrizzatore di uscita e del convertitore nel suo insieme diminuirà in modo significativo.

Video sulla realizzazione di un semplice dispositivo di alimentazione a impulsi