L'inclusione di carichi non lineari nella rete CA, ad esempio lampade con lampade a scarica di gas, motori elettrici controllati, alimentatori a commutazione porta al fatto che la corrente consumata da questi dispositivi ha un carattere pulsato con una grande percentuale di alta armoniche. Per questo motivo, possono sorgere problemi di compatibilità elettromagnetica durante il funzionamento di varie apparecchiature. Porta anche a una diminuzione della potenza attiva della rete.

Al fine di prevenire tali effetti negativi sulle reti di alimentazione in Europa e negli Stati Uniti, lo standard IEC IEC 1000-3-2, che determina le norme per le componenti armoniche del consumo di corrente e del fattore di potenza per i sistemi di alimentazione con potenza superiore a 50 W e tutti i tipi di apparecchi di illuminazione. A partire dagli anni '80 del secolo scorso fino ai giorni nostri, questi standard sono stati costantemente rafforzati, il che ha causato la necessità di misure speciali e ha spinto gli sviluppatori di apparecchiature a sviluppare varie opzioni per schemi che forniscono un aumento del fattore di potenza.

A partire dagli anni '80 del secolo scorso, nei suddetti paesi, i microcircuiti hanno iniziato a essere attivamente sviluppati e utilizzati, sulla base dei quali è possibile creare facilmente semplici correttori di fattore di potenza per raddrizzatori e reattori elettronici.

In Unione Sovietica, e successivamente nella Federazione Russa, tali restrizioni non sono state imposte ai consumatori di elettricità. Per questo motivo, il miglioramento del fattore di potenza ha ricevuto poca attenzione nella letteratura tecnica. Negli ultimi anni, la situazione è leggermente cambiata, in gran parte a causa della disponibilità di componenti elettronici importati, il cui utilizzo consente di creare circuiti correttori attivi affidabili nel funzionamento e poco costosi.

Potere di distorsione e fattore di potenza generalizzato

L'impatto negativo sulla rete di alimentazione è determinato da due componenti: distorsione della forma della corrente della rete di alimentazione e consumo di potenza reattiva. Il grado di influenza del consumatore sulla rete di fornitura dipende dalla sua potenza.

La distorsione della forma della corrente è dovuta al fatto che la corrente all'ingresso del convertitore della valvola non è sinusoidale (Figura 1). Le correnti non sinusoidali creano cadute di tensione non sinusoidali sulla resistenza interna della rete di alimentazione, provocando una distorsione della forma della tensione di alimentazione. Le tensioni di rete non sinusoidali vengono scomposte in una serie di Fourier in componenti sinusoidali dispari di armoniche superiori. Il primo è il principale (quello che idealmente dovrebbe essere), il terzo, il quinto, ecc. Le armoniche più elevate hanno un effetto estremamente negativo su molti consumatori, costringendoli a utilizzare misure speciali (spesso molto costose) per neutralizzarli.

Riso. uno.

Il consumo di potenza reattiva porta a un ritardo della corrente dalla tensione di un angolo (Figura 2). La potenza reattiva viene consumata dai raddrizzatori che utilizzano tiristori a operazione singola, che ritardano il momento dell'accensione rispetto al punto di commutazione naturale, il che fa sì che la corrente sia in ritardo rispetto alla tensione. Ma ancora più potenza reattiva viene consumata dai motori elettrici asincroni, che hanno una natura prevalentemente induttiva del carico. Ciò comporta perdite colossali di potenza utile, per le quali, inoltre, nessuno vuole pagare: i contatori elettrici domestici contano solo la potenza attiva.

Riso. 2.

Per descrivere l'effetto del convertitore sulla rete di alimentazione si introduce il concetto di potenza totale:

, dove:

- valore effettivo dello stress primario,

- valore effettivo della corrente primaria,

, - valori effettivi di tensione e corrente dell'armonica primaria,

Valori effettivi di tensioni e correnti di armoniche superiori.

Se la tensione primaria è sinusoidale - , poi:

,

,

1 è l'angolo di fase tra la tensione sinusoidale e la prima armonica della corrente.

N è il potere di distorsione causato dal flusso di correnti armoniche superiori nella rete. La potenza media nel periodo dovuta a queste armoniche è zero, poiché le frequenze delle armoniche e della tensione primaria non coincidono.

Armoniche di corrente più elevate causano interferenze nelle apparecchiature sensibili e ulteriori perdite di correnti parassite nei trasformatori di rete.

Per i convertitori a valvole viene introdotto il concetto di fattore di potenza χ, che caratterizza l'effetto della potenza reattiva e del potere di distorsione:

,

è il fattore di distorsione della corrente primaria.

Pertanto, è ovvio che il fattore di potenza dipende dall'angolo del ritardo di corrente rispetto alla tensione e dall'ampiezza delle armoniche superiori della corrente.

Tecniche di miglioramento del fattore di potenza

Esistono diversi modi per ridurre l'influenza negativa del convertitore sulla rete di alimentazione. Ecco qui alcuni di loro:

Utilizzo del controllo di fase multistadio (Figura 3).

Riso. 3.

L'uso di un raddrizzatore con prese da un trasformatore porta ad un aumento del numero di pulsazioni per periodo. Maggiore è il numero di prese dal trasformatore, maggiore è il numero di increspature per periodo, più la forma d'onda della corrente di ingresso è vicina a quella sinusoidale. Uno svantaggio significativo di questo metodo è l'alto costo e le dimensioni di un trasformatore con un numero sufficiente di prese (per ottenere l'effetto, devono essercene di più rispetto alla figura). Realizzare un elemento di avvolgimento di tale complessità è un compito molto difficile che non si presta bene all'automazione - da qui il prezzo. E se la fonte di alimentazione secondaria sviluppata è su piccola scala, questo metodo è inequivocabilmente inaccettabile.

Riso. 4.

Aumento della fase del raddrizzatore. Il metodo porta ad un aumento del numero di pulsazioni per periodo. Lo svantaggio di questo metodo è un design del trasformatore molto complesso, un raddrizzatore costoso e ingombrante. Inoltre, non tutti i consumatori dispongono di una rete trifase.

utilizzo correttori di fattore di potenza (PFC)... Esistono PFC elettronici e non elettronici. I compensatori di potenza reattiva elettromagnetica sono ampiamente utilizzati come KKM non elettronici - motori sincroni che generano potenza reattiva nella rete. Ovviamente, per ovvie ragioni, tali sistemi non sono adatti ad un consumatore domestico. Il KKM elettronico - un sistema di soluzioni circuitali progettate per aumentare il fattore di potenza - è, forse, la soluzione più ottimale per il consumo domestico.

Principio di funzionamento KKM

Il compito principale del KKM è ridurre a zero il ritardo della corrente consumata dalla tensione nella rete mantenendo la forma sinusoidale della corrente. Per fare ciò, è necessario prelevare corrente dalla rete non a brevi intervalli, ma durante l'intero periodo di funzionamento. La potenza prelevata dalla sorgente deve rimanere costante anche al variare della tensione di rete. Ciò significa che quando la tensione di rete diminuisce, la corrente di carico deve essere aumentata e viceversa. A tal fine sono adatti convertitori con accumulo induttivo e trasferimento di energia su un percorso di ritorno.

I metodi di correzione possono essere suddivisi approssimativamente in bassa frequenza e alta frequenza. Se la frequenza del correttore è molto più alta della frequenza di rete, si tratta di un correttore ad alta frequenza, altrimenti è a bassa frequenza.

Consideriamo il principio di funzionamento di un tipico correttore di potenza (Figura 5). Sulla semionda positiva, nel momento in cui la tensione di rete attraversa lo zero, il transistor VT1 si apre, la corrente scorre attraverso il circuito L1-VD3-VD8. Dopo aver spento il transistor VT1, l'induttanza inizia a cedere l'energia immagazzinata in esso, attraverso i diodi VD1 e VD6 nel condensatore di filtraggio e nel carico. Con una semionda negativa, il processo è simile, funzionano solo altre coppie di diodi. Come risultato dell'utilizzo di un tale correttore, il consumo di corrente ha un carattere pseudo-sinusoidale e il fattore di potenza raggiunge 0,96 ... 0,98. Lo svantaggio di questo schema sono le grandi dimensioni dovute all'uso di un'induttanza a bassa frequenza.

Riso. 5.

L'aumento della frequenza del KKM consente di ridurre le dimensioni del filtro (Figura 6). Quando l'interruttore di alimentazione VT1 è aperto, la corrente nell'induttanza L1 aumenta linearmente - mentre il diodo VD5 è chiuso e il condensatore C1 viene scaricato sul carico.

Riso. 6.

Quindi il transistor si spegne, la tensione ai capi dell'induttanza L1 accende il diodo VD5 e l'induttanza fornisce l'energia immagazzinata al condensatore, fornendo contemporaneamente il carico (Figura 7). Nel caso più semplice, il circuito funziona con un ciclo di lavoro costante. Esistono modi per aumentare l'efficienza della correzione modificando dinamicamente il ciclo di lavoro (ovvero adattando il ciclo all'inviluppo di tensione del raddrizzatore di rete).

Riso. 7. Forme di tensioni e correnti di PFC ad alta frequenza: a) con frequenza di commutazione variabile, b) con frequenza di commutazione costante

Microcircuiti per la costruzione di correttori ad alte prestazioni di STMicroelectronics

Considerando le capacità della moderna industria elettronica, i PFC ad alta frequenza sono la scelta migliore. Le prestazioni integrali dell'intero correttore di potenza o della sua parte di controllo sono diventate, infatti, lo standard. Attualmente, esiste una maggiore varietà di microcircuiti di controllo per la costruzione di circuiti PFC prodotti da vari produttori. Tra tutta questa varietà, vale la pena prestare attenzione ai microcircuiti L6561 / 2/3 prodotti da STMicroelectronics (www.st.com).

L6561, L6562 e L6563- una serie di microcircuiti appositamente progettati dagli ingegneri di STMicroelectronics per realizzare correttori di fattore di potenza ad alta efficienza (Tabella 1).

Tabella 1. Microcircuiti correttori di fattore di potenza

Nome	Voltaggio alimentazione, V	Attuale inclusioni, μA	Consumo di corrente in modalità attiva, mA	Consumo di corrente in standby, mA	Corrente di polarizzazione in uscita, μA	Tempo di salita della corrente dell'interruttore di alimentazione, ns	Tempo di decadimento della corrente dell'interruttore di alimentazione, ns
L6561	11…18	50	4	2,6	-1	40	40
L6562	10,3…22	40	3,5	2,5	-1	40	30
L6563	10,3…22	50	3,8	3	-1	40	30

Sulla base dell'L6561 / 2/3, è possibile costruire un correttore economico ma efficace (Figura 8). Grazie al sistema di controllo predittivo integrato, gli sviluppatori sono riusciti a ottenere un'elevata precisione della regolazione della tensione di uscita (1,5%), controllata dall'amplificatore di disadattamento integrato.

Riso. otto.

E' prevista la possibilità di interazione con un convertitore DC/DC collegato al correttore. Questa interazione consiste nello spegnimento del convertitore da parte del microcircuito (se supporta tale possibilità) in caso di condizioni esterne sfavorevoli (surriscaldamento, sovratensione). D'altra parte, il convertitore può anche avviare l'accensione e lo spegnimento del microcircuito. Il driver integrato consente di pilotare potenti MOSFET o IGBT. Secondo il produttore, sulla base dell'LP6561 / 2/3, è possibile realizzare un alimentatore con una potenza fino a 300 W.

A differenza degli analoghi di altri produttori, LP6561 / 2/3 sono dotati di circuiti speciali che riducono la conduttività della distorsione della corrente di ingresso che si verifica quando la tensione di ingresso raggiunge lo zero. La causa principale di questa interferenza è la "zona morta" che si verifica durante il funzionamento di un ponte a diodi, quando tutti e quattro i diodi sono chiusi. Una coppia di diodi operanti su una semionda positiva risulta chiusa a causa di un cambiamento nella polarità della tensione di alimentazione e l'altra coppia non è ancora riuscita ad aprirsi a causa della propria capacità di barriera. Questo effetto è potenziato dalla presenza di un condensatore di filtro posto dietro il ponte a diodi, che, quando si inverte la polarità dell'alimentazione, trattiene una certa tensione residua, che non permette ai diodi di aprirsi in tempo. Quindi, è ovvio che la corrente non scorre in questi momenti, la sua forma è distorta. L'uso di nuovi controller PFC può ridurre significativamente il tempo della "zona morta", riducendo così la distorsione.

In alcuni casi sarebbe molto comodo controllare la tensione di uscita fornita al convertitore DC/DC tramite un PFC. L6561 / 2/3 consentono questo controllo, chiamato "controllo boost tracking". Per fare ciò, installa semplicemente un resistore tra il pin TBO e GND.

Va notato che tutti e tre i microcircuiti sono compatibili con i pin tra loro. Ciò può semplificare notevolmente la progettazione del circuito stampato del dispositivo.

Pertanto, si possono distinguere le seguenti caratteristiche dei microcircuiti L6561 / 2/3:

protezione da sovratensione configurabile;

corrente di avviamento ultra bassa (inferiore a 50 μA);

bassa corrente di riposo (inferiore a 3 mA);

ampia gamma di tensioni di ingresso;

filtro integrato che aumenta la sensibilità;

la capacità di disconnettersi dal carico;

la capacità di controllare la tensione di uscita;

la possibilità di interagire direttamente con il convertitore.

Conclusione

Attualmente, ci sono requisiti rigorosi per il rispetto delle misure di sicurezza e dell'economia dei moderni dispositivi elettronici. In particolare, quando si progettano moderni alimentatori a commutazione, è necessario tenere conto degli standard ufficialmente adottati. IEC 1000-3-2 è lo standard per qualsiasi alimentatore switching ad alta potenza perché definisce i limiti della corrente armonica e del fattore di potenza per i sistemi di alimentazione superiori a 50 W e tutti i tipi di apparecchiature di illuminazione. La presenza di un correttore del fattore di potenza aiuta a soddisfare i requisiti di questo standard, ad es. la sua presenza in un potente alimentatore è una semplice necessità. L6561 / 2/3 è la scelta ottimale per realizzare un rifasatore efficace e allo stesso tempo economico.

Ottenere informazioni tecniche, ordinare campioni, consegna - e-mail:

Informazioni su ST Microelectronics

I.P. Sidorov Yu.A.

Attenzione. Alta tensione, pericolo di vita.

Attenzione quando si implementa il diagramma sopra del correttore del fattore di potenza, è necessario avere esperienza di lavoro con tensioni pericolose per la vita ed essere estremamente attenti.

il circuito funziona con una tensione pericolosa per la vita di 400 volt

Se si commettono errori durante il montaggio, la tensione nel circuito può raggiungere i 1000 o più volt.

Al momento dell'accensione e del controllo del circuito assemblato, è necessario utilizzare occhiali protettivi.

Lo schema elettrico (corretto) del correttore del fattore di potenza è mostrato in Fig. uno.

Riso. 1.Correttore del fattore di potenza - diagramma. aperto di grandi dimensioni
Il diagramma precedente è aperto di grandi dimensioni

Nello schema le unità funzionali sono contrassegnate da blocchi colorati:

• Marrone - filtro antirumore;
• Blu - modulo di avvio graduale;
• Rosso - alimentatore interno;
• Verde - correttore del fattore di potenza;
• Blu - modulo per il monitoraggio dei parametri di funzionamento;
• Giallo - modulo attivazione ventola raffreddamento forzato.

Sulla versione rivista del diagramma si nota (disponibile in grande formato):
rettangolo rosso - nuovi elementi del circuito;
ovale verde - nuovi punti di connessione dei condensatori C3 e C4.

Un filtro di interferenza protegge la rete di alimentazione dalle interferenze generate dalla commutazione dei transistor chiave. Il filtro protegge inoltre il circuito dai disturbi di rete e dalle sovratensioni di rete.

Il modulo soft start limita il consumo di corrente dalla rete di alimentazione al momento della carica iniziale dei condensatori elettrolitici di uscita. Questo modulo genera un segnale KKM_SUCCESS invertito. Quando appare un segnale (poiché il segnale è invertito - il momento in cui la tensione scende al di sotto di 1V), è possibile accendere il carico collegato all'uscita del correttore del fattore di potenza. Se questo segnale viene ignorato, alcuni elementi del circuito potrebbero guastarsi.

L'alimentatore interno genera una tensione costante di 15V (sono ammesse tolleranze +/- 2V). Questa tensione viene utilizzata per alimentare i circuiti PFC interni.

Il correttore del fattore di potenza è la parte principale del circuito. Il KKM è realizzato sul controller ir1155s, la frequenza operativa in questo circuito è 160 kHz (le deviazioni sono +/- 5 kHz). Per amplificare le correnti di controllo dei transistor di commutazione, viene utilizzato un driver tc4420 a canale singolo, il driver fornisce una corrente di segnali di controllo fino a 6A.

Il modulo di controllo dei parametri di funzionamento controlla il livello della tensione di alimentazione ridotta; temperatura di esercizio del KKM, il momento in cui si raggiunge la tensione nominale all'uscita del KKM

Il modulo di abilitazione delle ventole per il raffreddamento forzato accende le ventole quando viene visualizzato il segnale corrispondente.

Tabelle delle denominazioni degli elementi dello schema KKM.

Per il montaggio del rifasatore utilizzare solo accessori originali. In caso di utilizzo di componenti non originali (contraffatti, contraffatti, ecc.), il KKM non funzionerà o non funzionerà correttamente, ecc.

Fase 1. tutti gli elementi devono essere installati ad eccezione di:
R3 - varistore;
L3 - starter KKM
C25.2-C25.4 - condensatori elettrolitici di uscita, installarne solo uno.

La piastra di montaggio è progettata tenendo conto dell'installazione nella custodia dal profilo del radiatore. In questo caso, le pareti della custodia per gli elementi D1, D9, Q5, Q6 fungono da dissipatore di calore e la rimozione del calore dallo starter L3 sarà difficile. La temperatura dell'induttanza, in questo caso, funge da indicatore del riscaldamento dell'intero dispositivo e quindi il termistore R40 è installato sotto l'induttanza.

Nel caso di utilizzo di un caso di una struttura in cui il ruolo di un dissipatore di calore per gli elementi D1, D9, Q5, Q6 sarà un radiatore, il termistore R40 deve essere installato sulla superficie del radiatore. È necessario fornire un isolamento elettrico per l'alloggiamento del radiatore e il termistore.

Quindi il circuito deve essere pulito dal flusso residuo e da altri contaminanti.

Il circuito stampato dopo questa fase di assemblaggio sarà simile a questo

Riso. 2. La parte superiore del circuito KKM.

Su questa scheda, il termistore e il cavo di uscita sono avvolti in una pellicola termoretraibile. Poiché il termistore sarà fissato meccanicamente al radiatore, viene posizionato in un ulteriore isolamento termoretraibile per aumentare la resistenza dell'isolamento elettrico.

Riso. 3. La parte inferiore della piastra di montaggio KKM.

Alla scheda KKM deve essere collegato un ventilatore da 12V con una corrente non superiore a 0,2A.

ATTENZIONE!!! Il dispositivo funziona con una tensione letale di 400 volt.

La scheda KKM deve essere collegata ad una sorgente regolata di tensione alternata 220V 50 Hz con limitazione di corrente di 0,05 A.

Dopo aver applicato l'alimentazione, il LED D8 dovrebbe essere acceso, la tensione al diodo Zener D5 dovrebbe essere compresa tra 14-17 volt. In assenza di tensione, è necessario controllare la tensione ai capi del condensatore C12, dovrebbe essere di circa 310 volt. Se è presente tensione, ciò significa l'inoperabilità della fonte di alimentazione in standby. Una causa comune di inoperabilità è l'errato montaggio del trasformatore di impulsi T1.

La tensione al pin 4 di U1 (ir1155s) dovrebbe essere di circa 3,62 V, la tensione al pin 6 è di circa 3,75 V.

Utilizzando un oscilloscopio, è necessario verificare il funzionamento del modulo PFC. Per fare ciò, la sonda dell'oscilloscopio deve essere collegata al pin 6 o 7 del chip U3 (tc4420). Gli impulsi sul pin dovrebbero corrispondere all'immagine seguente.

Riso. 4. Grafico dei segnali all'uscita del microcircuito driver tc4420.

La frequenza degli impulsi dovrebbe essere 160kHz (+/- 5kHz). La frequenza degli impulsi è impostata dal condensatore C10. Un aumento della capacità porta ad una diminuzione della frequenza.

L'ampiezza dei segnali ai pin SG dei transistor di potenza sarà leggermente inferiore rispetto al pin del loro driver (Fig. 5).

Riso. 5. Grafico dei segnali alle uscite dei transistor di potenza SG.

In questo caso, il grafico del segnale ai capi dei resistori Rg (R17, R18) sarà il seguente (Fig. 6).

Riso. 6. Grafico del segnale ai capi dei resistori Rg (R17, R18).

Inoltre, durante il monitoraggio dei segnali all'uscita del driver, è necessario ridurre gradualmente la tensione. Con una tensione di ingresso di 150-155 volt, la generazione di impulsi dovrebbe interrompersi. Dopo aver interrotto la generazione di impulsi, la tensione di ingresso deve essere gradualmente aumentata, con una tensione di ingresso di 160-165 volt, la generazione di impulsi deve riprendere.

Continuando ad aumentare dolcemente la tensione, quando vengono raggiunti 270-280 volt (CA), i relè dovrebbero funzionare (puoi determinare dal loro suono caratteristico). La tensione del segnale KKM_SUCCESS non deve essere superiore a 1 volt. Quindi la tensione deve essere gradualmente ridotta, quando la tensione scende a 250-260 volt, i relè devono spegnersi, il segnale all'uscita KKM_SUCCESS deve essere superiore a 5 volt.

Usando una pistola ad aria calda, è necessario riscaldare il termistore, quando la temperatura raggiunge i 45-50 C °, la ventola dovrebbe accendersi, quando la temperatura raggiunge i 75-85 C °, la generazione di impulsi dovrebbe interrompersi. Mentre il termistore si sta raffreddando, la generazione di impulsi dovrebbe essere ripresa in sequenza e la ventola dovrebbe essere spenta.

Scollegare l'alimentazione.

ATTENZIONE!!! dopo aver scollegato l'alimentazione, una tensione pericolosa per la vita rimarrà nel circuito per qualche tempo (alcuni minuti).

Fase 3.È necessario installare i restanti elementi del circuito: R3, L3, C25.2-C25.4 e un dissipatore di calore per gli elementi D1, D9, Q5, Q6. È necessario installare un termistore sul dissipatore di calore, garantendo una bassa resistenza termica tra di loro. È inoltre necessario garantire una bassa resistenza termica tra D1, D9, Q5, Q6 e il dissipatore. In caso di difficile trasferimento di calore al radiatore, questi elementi falliranno.

La qualità dell'installazione del radiatore, dal punto di vista della dissipazione del calore, è convenientemente controllata con una termocamera.

Il dissipatore di calore deve essere collegato al bus di terra (ci sono fori di montaggio sulla scheda accanto ai condensatori Y).

È indispensabile verificare l'isolamento elettrico tra la Terra e le sbarre N o L (le sbarre N-L sono utilizzate per l'alimentazione). La tensione di rottura dell'isolamento elettrico deve essere di almeno 1000 Volt. La tensione di rottura dell'isolamento superiore a 1000 Volt non deve essere verificata. Questa procedura può essere eseguita utilizzando un dispositivo speciale: un tester di isolamento elettrico.

ATTENZIONE!!!. In caso di violazione dell'isolamento elettrico testato, durante il controllo, alcuni elementi del circuito potrebbero non funzionare.

Un esempio di montaggio di un rifasatore è mostrato nelle immagini seguenti.

Fase 4. Collegare il KKM alla rete, limitando la corrente consumata a 10A. Dopo l'accensione, la tensione all'uscita del KKM dovrebbe essere di circa 385-400 V. Si dovrebbe sentire anche il suono dell'accensione del relè. Collegare un carico resistivo di 300 Ohm all'uscita KKM. La tensione all'uscita del PFC dovrebbe rimanere all'interno dello stesso intervallo. PF deve essere almeno 0,7.

Collegare il KKM alla rete senza limitatore di corrente. Aumentando il carico a 2000 watt, anche il PF dovrebbe aumentare ad un valore di almeno 0,95. Il grafico PF in funzione del carico è mostrato in Fig. 7.

Riso. 7. Grafico della dipendenza di PF dal carico.

Se il valore PF non aumenta a 0,95 con l'aumento del carico, ciò indica il funzionamento errato del PFC. Probabili ragioni per tale errato possono essere: un sensore di corrente resistivo, un'induttanza, errori nella fabbricazione di un circuito stampato, elementi contraffatti D9, Q5, Q6, C18.1, C18.2, un'alimentazione interna di potenza insufficiente .

Oscillogrammi delle correnti consumate e del ripple di uscita.

Nel corso degli stress test è stata determinata l'efficienza (Fig. 8). Se si tiene conto dell'errore degli strumenti di misura, è probabile che l'efficienza effettiva sia inferiore dell'1-2%. L'efficienza è stata misurata quando il PFC è stato collegato alla rete utilizzando due filtri aggiuntivi di modo comune.

Riso. 8. Efficienza del rifasatore.

I dati per entrambi i grafici sono stati ottenuti con tensioni di alimentazione di 200 e 240 volt.

Fase 5. Dopo tutti i controlli, è possibile rimuovere la resistenza di scarica R23. L'assemblaggio e l'ispezione della stampante POS in questa fase possono considerarsi completati.

Domande e suggerimenti scrivere all'indirizzo e-mail contrassegnato con KKM o PFC.

Contenuto del carrello

1. PERCHÉ È NECESSARIO?

Diciamo subito che, contrariamente ad affermazioni superficiali, la presenza di un correttore di fattore di potenza di per sé non migliora le caratteristiche formali del dispositivo in cui viene applicato. Al contrario, l'introduzione di KKM come dispositivo piuttosto complesso finora porta a un notevole aumento del prezzo e alla complicazione del prodotto nel suo insieme (ovviamente, con lo sviluppo della tecnologia, il prezzo diminuirà). Tuttavia, anche ora l'introduzione del PFC negli amplificatori di potenza offre una serie di vantaggi molto importanti che compensano ampiamente questa complicazione.

Il primo e più importante vantaggio è il fatto che quando si utilizzano amplificatori con PFC con lo stesso cablaggio, senza violare alcuno standard, è possibile utilizzare amplificatori almeno tre o quattro volte più potenti. A proposito, non vi è alcuna violazione delle leggi fisiche (e legali) qui, e perché ciò accade - lo diremo ulteriormente.

Il secondo vantaggio, non meno importante, ma raramente menzionato, è che è molto più facile fornire un elevato consumo energetico di un alimentatore con un PFC rispetto a uno tradizionale. La capacità energetica è una misura della capacità dell'alimentatore di erogare potenza al carico per un certo periodo di tempo senza "sprecare" la rete e senza ridurre di molto la tensione di uscita. Da un punto di vista pratico, la mancanza di intensità energetica porta al fatto che la potenza di uscita dell'amplificatore alle basse frequenze (dove è più necessaria!) è molto inferiore, e la distorsione degli altri segnali in presenza di un basso la frequenza è molto più alta rispetto a quando si misura a una frequenza di 1 kHz, i risultati che (a volte solo quelli desiderati) sono pubblicizzati nella descrizione. In poche parole, con una mancanza di capacità energetica, l'amplificatore inizia a "soffocare" e distorcere il segnale durante i suoni forti a bassa frequenza, ad esempio, quando viene colpita una cassa. Sfortunatamente, per gli amplificatori con alimentazione tradizionale, questo effetto indesiderato è la regola piuttosto che l'eccezione. Pertanto, se era necessario garantire una buona qualità, era necessario scegliere un amplificatore con una grande riserva di potenza.

Il terzo vantaggio è che l'alimentatore con KKM, secondo il principio di funzionamento, stabilizza la tensione di uscita. Pertanto, la potenza di uscita dell'amplificatore cessa di dipendere rigidamente dalla tensione di rete - anche con una rete "cedente", viene fornita la piena potenza.

Un altro vantaggio del tutto inaspettato è che lo sfondo della rete (lo stesso), quando si utilizzano solo amplificatori con PFC, è, di norma, inferiore di 10 decibel.

2. CHE COS'È E COME FUNZIONA?

Nonostante la varietà di dispositivi realmente esistenti, il principio di funzionamento del PFC può essere considerato nel seguente semplice esempio (vedi Fig. 1).

Un rifasatore non è altro che un pressoché ordinario regolatore a commutazione, alimentato da una tensione di rete raddrizzata ma non livellata e stabilizzante la tensione al condensatore di accumulo di uscita C2. Il principio di base del suo funzionamento è abbastanza semplice ed è il seguente. Innanzitutto, la chiave S1 viene chiusa per un breve periodo e la corrente nell'induttore L1, in piena conformità con il libro di testo di fisica, inizia ad accumularsi. Dopo qualche tempo, l'interruttore si apre e l'energia immagazzinata nella bobina passa attraverso il diodo al condensatore di accumulo di uscita. Questo ciclo si ripete continuamente, a seguito del quale vengono fornite porzioni di energia al condensatore di accumulo, il cui valore dipende dalla tensione di ingresso, dall'ampiezza dell'induttanza e dal tempo dello stato chiuso dell'interruttore. Affinché le dimensioni della bobina e le perdite in essa siano piccole, il valore dell'induttanza viene scelto piccolo e, di conseguenza, la frequenza di ripetizione di tali cicli è sufficientemente elevata: decine e centinaia di migliaia di volte al secondo . Va notato che ad una frequenza eccessivamente alta, le perdite di commutazione del transistor utilizzato come interruttore diventano molto

essenziale. La cosa più importante qui è che con un controllo adeguato, l'ingresso di un tale convertitore dal lato della rete assomiglierà a una resistenza (la corrente in ogni momento è proporzionale alla tensione) e, allo stesso tempo, una certa tensione costante sarà essere mantenuto sul condensatore di uscita, che è praticamente indipendente dal carico e dalla tensione di rete (!). In questo caso, non ci sarà sfasamento (cos j 1) * o violazione della proporzionalità tra la tensione nella rete e la corrente da essa prelevata.

L'elevata tensione ai capi del condensatore di accumulo rende più facile garantire la capacità di potenza dell'alimentatore, poiché il contenuto di energia nel condensatore è proporzionale al quadrato della tensione, mentre le dimensioni e il peso dei condensatori di uguale capacità sono approssimativamente proporzionali a la tensione. Di conseguenza, un condensatore con una capacità di 2200 μF a una tensione di 430 V contiene più di 200 J di energia e lo stesso condensatore a una tensione di 60 V contiene solo circa 4 J, o 50 (!) volte meno. Il volume di questi condensatori differisce solo da sei a otto volte. Pertanto, per ottenere la stessa capacità energetica a basse tensioni, sono necessari condensatori di enorme capacità, in questo caso più di 100.000 microfarad. Allo stesso tempo, per il perfetto funzionamento di un amplificatore di alta qualità esemplare, il consumo energetico del suo alimentatore dovrebbe essere di almeno 0,5 ... 0,8 J per W di potenza di uscita totale; per amplificatori da concerto (eccetto subwoofer), 0,2 ... 0,4 J per mar Cioè, l'amplificatore 2x1000 W deve avere una capacità energetica dell'alimentatore di almeno 400 J, o 200000 uF a 60 V, e preferibilmente tre volte di più.

In pratica, il consumo energetico degli alimentatori tradizionali nella stragrande maggioranza degli amplificatori è molto più basso, e la ragione di ciò non è solo il banale risparmio dei produttori su trasformatori e condensatori. Non meno importante è il fatto che un raddrizzatore con condensatori ad alta capacità è un circuito che carica la rete solo in brevi periodi di tempo (durante le "cime" delle sinusoidi), ma con grandi correnti (vedi Fig. 2), dove, tra l'altro, si può vedere che la forma della tensione di rete è gravemente distorta da tali raddrizzatori). Inoltre, migliore è il trasformatore e maggiore è la capacità, più pronunciato è questo fenomeno. È possibile collegare un tale alimentatore alla rete solo se sono presenti soft starter, altrimenti i fusibili si bruceranno. Inoltre, qualsiasi, anche un piccolo salto nella tensione di rete verso l'alto provoca un forte aumento dell'ampiezza di questi impulsi di corrente, che porta al guasto dei raddrizzatori. Ecco perché la capacità dei condensatori (e, di conseguenza, il consumo di energia degli alimentatori) nella maggior parte degli amplificatori con alimentazione tradizionale viene scelta molto meno di quella necessaria per garantire un'adeguata riserva di potenza alle basse frequenze.

Dando un'occhiata alla fig. 3, si possono notare altre due circostanze.

Il primo è che il consumo di corrente di picco è parecchie volte superiore alla media. Ma la potenza utile è determinata dalla corrente media, mentre la caduta di tensione sui fili è quella di picco. E risulta essere molto più della media.

La seconda circostanza è che la corrente consumata da impulsi brevi ha un alto tasso di variazione e, di conseguenza, crea più rumore.

Un altro problema sorge nelle reti trifase. A causa del fatto che le fasi delle tensioni in una rete trifase vengono spostate di un tempo molto più lungo della durata di questi impulsi di corrente, cessano di essere compensate nel filo neutro. Inoltre, la corrente nel filo neutro sarà approssimativamente uguale alla somma delle correnti di fase, mentre in una situazione normale la corrente che lo attraversa non lo fa affatto

dovrebbe fluire, e il filo neutro è solitamente reso più sottile di quelli di fase. Considerando che la corrente che lo attraversa diventa maggiore di quella di fase, e anche il fatto che è vietata l'installazione di fusibili nel filo neutro, è facile intuire che non è lontano da qui un incendio. Pertanto, il valore delle armoniche del consumo di corrente è limitato da standard internazionali piuttosto stringenti. Gli alimentatori tradizionali con potenza superiore a 150 ... 200 W sono fondamentalmente incapaci di soddisfare questi standard. Ciò porterà al fatto che ad alte capacità, gli alimentatori tradizionali sono semplicemente "fuorilegge".

Tutti questi problemi possono essere evitati se dal lato rete l'alimentatore si presenta come una resistenza puramente attiva, come un ferro da stiro o una lampadina ad incandescenza.

Questo è esattamente il funzionamento di un alimentatore con correttore del fattore di potenza. I problemi associati all'instabilità della rete scompaiono e diventa anche possibile fornire il consumo energetico necessario dell'alimentatore.

Diventa abbastanza ovvio che l'uso di un correttore di fattore di potenza non è solo obbligatorio (dal punto di vista della legge), ma anche assolutamente necessario per il funzionamento "onesto" di amplificatori professionali di alta qualità.

* Piccola aggiunta: cos j e fattore di potenza sono spesso confusi, anche se non sono la stessa cosa. Cos j è una misura di quanta corrente che scorre nei fili entra effettivamente nel carico (e fa un lavoro utile), mentre si presume che sia la tensione che la corrente siano strettamente sinusoidali. Se non c'è sfasamento, cos j = 1. Se lo sfasamento raggiunge i 90 gradi, indipendentemente dal segno, cos j diventa zero: la potenza utile semplicemente non viene trasferita al carico.

Il fattore di potenza è uguale al cos j solo nel caso di correnti e tensioni puramente sinusoidali. Se la corrente o la tensione non è sinusoidale, resta applicabile solo il fattore di potenza, che mostra quanta corrente che è passata attraverso i fili e li riscalda è utilmente immessa nel carico. Il fattore di potenza di un raddrizzatore convenzionale non supera 0,25 ... 0,3, mentre per un buon PFC è almeno 0,92 ... 0,95, ovvero 3-4 volte di più (ecco da dove viene la differenza di tre quadruple!).

V. Dyakonov, A. Remnev, V. Smerdov

Di recente, sul mercato delle apparecchiature elettroniche radio domestiche e per ufficio (CEA), compaiono sempre più apparecchiature, le cui fonti di alimentazione includono nuove unità: correttori di potenza (KM). L'articolo tratta l'uso di CM, il principio del loro funzionamento, la diagnostica e la riparazione.

La maggior parte degli alimentatori moderni per apparecchiature elettroniche commutano alimentatori secondari con un raddrizzatore a ponte senza trasformatore e un filtro capacitivo. Insieme ai vantaggi (alta efficienza, buon peso e dimensioni), hanno un fattore di potenza relativamente basso (0,5 ... 0,7) e un maggiore livello di armoniche della corrente assorbita dalla rete (> 30%). La forma della corrente consumata da tali sorgenti è mostrata in Fig. 1 con linee continue.

La forma non sinusoidale della corrente porta al verificarsi di interferenze elettromagnetiche, intasamento della rete CA e guasto di un'altra apparecchiatura elettronica.

Gli alimentatori sopra descritti, essendo consumatori monofase, con un gran numero di apparecchiature elettroniche e la sua connessione irrazionale a una rete di alimentazione trifase, possono causare uno squilibrio di fase. In questo caso, una parte dell'apparecchiatura elettronica funzionerà a una tensione aumentata e l'altra a una tensione ridotta, il che è sempre indesiderabile. Per eliminare lo squilibrio di fase, di solito viene introdotto un filo neutro in una rete trifase, che equalizza la tensione in tutte le fasi. Tuttavia, con una natura pulsata della corrente consumata e un gran numero delle sue componenti armoniche, è possibile il sovraccarico del filo neutro. Ciò è dovuto al fatto che la sua sezione trasversale è solitamente 2 ... 2,5 volte inferiore a quella dei fili di fase. Per motivi di sicurezza, non proteggere questo cavo con fusibili o interruttori automatici. Ovviamente, in condizioni sfavorevoli, il filo neutro può bruciarsi e, di conseguenza, il verificarsi di uno sbilanciamento di fase.

A questo proposito, i requisiti per la compatibilità elettromagnetica delle sorgenti di impulsi secondari con la rete stanno diventando più severi e il livello di armoniche più elevate della corrente consumata dalla rete per tutti i consumatori monofase è nettamente limitato. Attualmente, i nuovi standard europei richiedono un miglioramento della forma della corrente consumata solo a potenze dei consumatori superiori a 200 W e nel prossimo futuro questi requisiti saranno introdotti per i consumatori con una potenza fino a 50 ... 70 W.

Attualmente viene utilizzata la correzione passiva e attiva della forma della corrente consumata.

I circuiti di correzione passiva, costituiti da induttori e condensatori, forniscono un fattore di potenza che mostra la differenza nella forma della corrente consumata da una sinusoide (non peggio 0,9 ... 0,95). Con semplicità costruttiva e affidabilità, i circuiti di correzione passiva hanno dimensioni relativamente grandi e sono sensibili alle variazioni della frequenza della tensione di alimentazione e dell'ampiezza della corrente di carico.

Più promettente è l'uso di CM attivi, che formano un consumo di corrente sinusoidale all'ingresso di un alimentatore a commutazione, che coincide in fase e frequenza con la tensione di alimentazione. Tali CM hanno dimensioni ridotte grazie al lavoro con frequenze di conversione di diverse decine di kilohertz e forniscono un fattore di potenza di 0,95 ... 0,99.

È possibile formare una corrente sinusoidale all'ingresso di un raddrizzatore a ponte di un alimentatore a commutazione utilizzando uno dei circuiti del convertitore da CC a CC utilizzando il principio del tracciamento della modulazione dell'ampiezza dell'impulso ad alta frequenza (PWM). In questo caso, vengono spesso utilizzati convertitori step-up, che presentano i seguenti vantaggi:
... il transistor di potenza ha una connessione di sorgente con un filo comune, che facilita la costruzione del suo circuito di controllo;
... la tensione massima ai capi del transistor è uguale alla tensione di uscita;
... la presenza di un'induttanza collegata in serie al carico provvede al filtraggio dei componenti ad alta frequenza.

Considera il principio di funzionamento di un CM attivo, implementato su un convertitore boost con un PWM di tracciamento (Fig. 2).

Innanzitutto, considera il funzionamento del circuito CM senza nodi di moltiplicazione (PA) e un sensore di tensione di carico (DNV), il cui ruolo è descritto di seguito. La tensione di riferimento della forma sinusoidale, ricavata dal sensore di tensione raddrizzata (DVN), è alimentata ad uno degli ingressi del circuito di controllo (CS) da un interruttore di potenza implementato sul transistore MOS VT. Il secondo ingresso del sistema di controllo riceve un segnale proporzionale alla corrente del tasto. Mentre la tensione dal DVN è maggiore della tensione generata dal sensore di corrente (DT), il transistor è aperto e l'energia si accumula nell'induttanza (Fig. 3 a). Il diodo VD è chiuso in questo intervallo (Ti).

Quando i segnali che arrivano al sistema di controllo sono uguali, la chiave viene chiusa e l'energia accumulata nell'induttanza viene trasferita al carico. Dopo che la corrente nell'induttanza scende a zero durante il tempo tP, il transistor si riaccende. La frequenza di commutazione del transistor è molte volte superiore alla frequenza della rete di alimentazione, il che consente di ridurre significativamente le dimensioni dell'induttanza. In questo caso, per un semiperiodo della tensione di rete, l'inviluppo dei valori di ampiezza della corrente di induttanza (Fig. 3 b) cambia secondo una legge sinusoidale. Il valore medio della corrente cambia allo stesso modo. Di conseguenza, la corrente consumata è sinusoidale e in fase con la tensione di alimentazione.

Tuttavia, l'entità della tensione ai capi del carico dipende fortemente dalle variazioni della tensione di ingresso e della corrente di carico. Per stabilizzare la tensione di carico, nel sistema di controllo viene inoltre introdotto un circuito di retroazione per questa tensione. La possibilità di ottenere una forma sinusoidale della corrente consumata con contemporanea stabilizzazione della tensione di carico si realizza mediante moltiplicazione analogica (nodo PA) dei segnali provenienti dal DVN e dal DNV.
Il segnale aggiuntivo così ottenuto diventa in questo caso la tensione di riferimento per il sistema di controllo.

Il principio considerato del controllo CM viene utilizzato a potenze di carico fino a 300 W. Ad alte potenze, è necessario formare una curva più uniforme delle variazioni della corrente consumata. Questo può essere fatto quando la corrente nell'induttore non scende a zero (Fig. 3 c e 3d). Se in un CM di potenza relativamente bassa il transistor entra in funzione quando la corrente di induttanza raggiunge lo zero, allora in un potente CM - a un dato valore di questa corrente.

Consideriamo il lavoro del CM usando l'esempio di un circuito pratico mostrato in Fig. 4. Il circuito di controllo è implementato su un microcircuito specializzato L6560, il cui schema a blocchi è mostrato in Fig. 5,

E lo scopo delle conclusioni è nella tabella. uno.

La tensione del DVN, formata dal partitore resistivo R1 R2, viene alimentata al pin. 3 microcircuiti L6560. Il condensatore C1 all'uscita del raddrizzatore funge da filtro ad alta frequenza e non da condensatore di livellamento, come nei circuiti tradizionali. Pertanto, il suo valore non supera le centinaia di nanofarad - unità microfarad con potenze di carico di 100 ... 200 W. Filtraggio aggiuntivo delle interferenze RF sul pin. 3 è realizzato da un condensatore C2.
Il resistore R5 funge da sensore di corrente chiave, la cui tensione viene alimentata al pin attraverso il filtro ad alta frequenza R4 C4. 4 microcircuiti. L'interruttore di alimentazione è controllato da un segnale ricevuto dal pin. 7. Tenendo conto delle peculiarità dell'operazione dei tasti KM (un ampio intervallo dinamico dei valori di ampiezza della corrente), i transistor MIS vengono spesso utilizzati come loro. Alle alte frequenze di conversione tipiche dei CM, questi transistor hanno basse perdite dinamiche e sono facilmente controllabili direttamente dai microcircuiti. Per ridurre la probabilità di eccitazione del circuito, nel circuito di gate del transistor MIS viene introdotto un resistore a bassa resistenza.

Il segnale di retroazione della tensione di uscita viene rimosso dal partitore resistivo R6 R7 e inviato al pin. 1. Per ridurre l'influenza del rumore impulsivo che si verifica nel circuito di uscita, tra il pin. 1 e 2 del microcircuito include un condensatore integratore C3, la cui capacità è di centinaia di nanofarad.

Quando il CM è connesso alla rete per la prima volta, il microcircuito viene alimentato attraverso il resistore R3. Non appena il CM entra nella modalità operativa, viene rimossa una tensione dall'avvolgimento aggiuntivo dell'induttore L, che, da un lato, viene utilizzato come tensione di alimentazione del microcircuito e, dall'altro, è un segnale per determinare la corrente di induttanza nulla.

All'uscita del CM è necessariamente presente un condensatore di filtro C5, poiché l'energia viene trasmessa al carico in impulsi. La capacità di questo condensatore, di regola, è determinata alla velocità di 1,5 ... 2 μF per 1 W di potenza nel carico.

Di recente, aziende leader hanno prodotto un gran numero di circuiti integrati per sistemi di controllo di correttori di potenza. Un tale numero di microcircuiti è associato a funzioni aggiuntive che sono in grado di svolgere, sebbene il principio di costruzione di CM su questi microcircuiti sia praticamente lo stesso. Le caratteristiche aggiuntive includono:
... protezione contro le sovratensioni durante i processi transitori;
... protezione contro lanci ripetuti;
... protezione contro i danni all'avvio su un carico chiuso;
... miglioramento della composizione armonica a zero crossing della tensione di rete;
... blocco di sottotensione;
... protezione contro gli sbalzi accidentali di tensione in ingresso.

Il correttore di alimentazione, di regola, non è un dispositivo indipendente, ma fa parte degli alimentatori a commutazione. Per ottenere i livelli e le polarità richiesti delle tensioni di uscita, tali alimentatori contengono convertitori. A questo proposito, gli sviluppatori di microcircuiti spesso combinano due cascate di circuiti di controllo in un caso: per il CM stesso e anche per il convertitore di tensione.

Tavolo 2 mostra i principali parametri dei microcircuiti di controllo di varie aziende, destinati agli alimentatori a commutazione secondari con correzione dell'alimentazione.

Il criterio principale per il funzionamento del CM è il livello di tensione di uscita. Con una tensione alternata della rete di alimentazione di 220 V, la tensione di uscita del KM è costante e dovrebbe essere 340,360 V. Se la tensione è inferiore a 300 V, ciò indica un malfunzionamento. È necessario un oscilloscopio per controllare ulteriormente il CM. Con il suo aiuto, gli oscillogrammi vengono controllati nei nodi caratteristici del CM a un carico nominale, che può essere un resistore equivalente.

Tensione al gate del transistor. Con un microcircuito funzionante, la sua tensione di uscita è costituita da impulsi rettangolari ad alta frequenza, molto più alti della frequenza di rete. Con un transistor MIS funzionante, la differenza di tensione all'uscita del microcircuito e il gate del transistor è praticamente zero. Se il gate del transistor è rotto, appare una differenza in queste tensioni di diversi volt.

La tensione alla sorgente del transistor, che è la tensione prelevata dal sensore di corrente. Durante il normale funzionamento del CM, la forma d'onda della tensione dovrebbe essere simile alla forma d'onda della corrente chiave mostrata in Fig. 3. La differenza indicherà un possibile malfunzionamento del transistor MIS. La diagnostica dei loro malfunzionamenti è dettagliata in.

Tensione su DVN. La forma di questa tensione è una sinusoide rettificata. Con un raddrizzatore normalmente funzionante, il divisore resistivo potrebbe non funzionare correttamente.

Per testare il microcircuito stesso, è necessaria un'ulteriore sorgente di tensione costante con regolazione della tensione da 3 a 15 V. Questa tensione viene fornita agli ingressi del circuito di alimentazione del microcircuito quando il KM è scollegato dalla rete. Quando la tensione della sorgente regolata cambia, viene monitorata la tensione di uscita del microcircuito. Finché la tensione di alimentazione è inferiore a 12..13 V, la tensione di uscita è zero. Con una tensione più elevata all'uscita del microcircuito, viene visualizzato un segnale di uscita con un livello che monitora la tensione di alimentazione. Quando la tensione di alimentazione scende al di sotto di 7 V, questo segnale di uscita scende bruscamente a zero. In assenza di tale schema, è altamente probabile che il microcircuito sia difettoso.

Letteratura
1. Bachurin V.V., Dyakonov V.P., Remnev A.M., Smerdov V.Yu. Circuiti di dispositivi basati su potenti transistor ad effetto di campo. Elenco. M.: Radio e comunicazione, 1994.
2. V. Dyakonov, A. Remnev, V. Smerdov. Caratteristiche della riparazione di unità di apparecchiature elettroniche radio su transistor MIS. Riparazione e assistenza, 1999, n. 11, p. 57-60.
[e-mail protetta]