Principiul de funcționare a surselor de alimentare cu comutare. Principiul de funcționare al unei surse de alimentare cu comutație

Aproape fiecare dispozitiv electronic are o sursă de alimentare - element important schema electrică. Blocurile sunt folosite în dispozitive care necesită putere redusă. Sarcina de bază a sursei de alimentare este reducerea tensiunii rețelei. Primele surse de alimentare în comutație au fost proiectate după inventarea bobinei, care funcționa cu curent alternativ.

Utilizarea transformatoarelor a dat impuls dezvoltării surselor de alimentare. După redresorul de curent, se efectuează egalizarea tensiunii. În unitățile cu convertizor de frecvență, acest proces are loc diferit.

Unitatea de impulsuri se bazează pe un sistem invertor. După redresarea tensiunii, se formează impulsuri dreptunghiulare cu o frecvență înaltă și se alimentează filtrul de ieșire de joasă frecvență. Sursele de alimentare comutatoare convertesc tensiunea și furnizează putere sarcinii.

Disiparea energiei din blocarea pulsului nu se întâmplă. Din sursa liniei disiparea are loc pe semiconductori (tranzistori). Compactitatea și greutatea sa redusă îi conferă, de asemenea, superioritate față de unitățile transformatoare la aceeași putere, motiv pentru care este adesea înlocuită cu unități cu impulsuri.

Principiul de funcționare

Funcționarea unui UPS cu design simplu este următoarea. Dacă curentul de intrare este variabil, ca majoritatea aparate electrocasnice, apoi mai întâi tensiunea este convertită în constantă. Unele modele de unități au comutatoare care dublează tensiunea. Acest lucru se face pentru a vă conecta la o rețea cu tensiuni nominale diferite, de exemplu, 115 și 230 de volți.

Redresorul egalizează tensiunea alternativă și scoate curent continuu, care intră în filtrul condensatorului. Curentul de la redresor iese sub forma unor impulsuri mici de inalta frecventa. Semnalele au energie mare, ceea ce reduce factorul de putere al transformatorului de impulsuri. Din acest motiv, dimensiunile unității de impuls sunt mici.

Pentru a corecta scăderea puterii în noile surse de alimentare, se folosește un circuit în care curentul de intrare este obținut sub formă de sinus. Blocurile sunt instalate în computere, camere video și alte dispozitive conform acestei scheme. Unitatea de impulsuri funcționează de la o tensiune constantă care trece prin unitate fără schimbare. Un astfel de bloc se numește flyback. Dacă servește 115 V, este nevoie de 163 de volți pentru a funcționa la tensiune constantă, aceasta se calculează ca (115 × √2).

Pentru un redresor, un astfel de circuit este dăunător, deoarece jumătate dintre diode nu sunt utilizate în funcțiune, acest lucru provoacă supraîncălzirea părții de lucru a redresorului. În acest caz, durabilitatea este redusă.

După redresarea tensiunii de rețea, invertorul intră în acțiune și convertește curentul. După trecerea printr-un comutator, care are o energie de ieșire mare, din curent continuu se obține curent alternativ. Cu o înfășurare a transformatorului de câteva zeci de spire și o frecvență de sute de herți, sursa de alimentare funcționează ca un amplificator de joasă frecvență, se dovedește a fi mai mare de 20 kHz, nu este accesibilă auzului uman; Comutatorul se face folosind tranzistori cu semnal în mai multe etape. Astfel de tranzistori au rezistență scăzută și capacitate mare de a trece curenții.

Diagrama de funcționare a UPS-ului

ÎN blocuri de rețea intrarea și ieșirea sunt izolate una de cealaltă în blocuri de impulsuri, curentul este aplicat înfășurării primare de înaltă frecvență. Transformatorul creează tensiunea necesară pe înfășurarea secundară.

Pentru tensiuni de ieșire mai mari de 10 V se folosesc diode de siliciu. La tensiuni joase sunt instalate diode Schottky, care au următoarele avantaje:

• Recuperare rapidă, ceea ce face posibilă pierderi mici.
• Căderea de tensiune scăzută. Pentru a reduce tensiunea de ieșire, este utilizat un tranzistor; partea principală a tensiunii este redresată în el.

Circuit bloc de impulsuri de dimensiune minimă

Într-un circuit UPS simplu, în locul unui transformator se folosește o bobine de șocuri. Acestea sunt convertoare pentru scăderea sau creșterea tensiunii, aparțin clasei celei mai simple;

Tipuri de UPS

• Un UPS simplu bazat pe IR2153, comun în Rusia.
• Comutarea surselor de alimentare bazate pe TL494.
• Comutarea surselor de alimentare bazate pe UC3842.
• Tip hibrid, dintr-o lampă de economisire a energiei.
• Pentru un amplificator cu date crescute.
• Din balast electronic.
• UPS reglabil, dispozitiv mecanic.
• Pentru UMZCH, sursă de alimentare foarte specializată.
• UPS puternic cu performanță ridicată.
• La 200 V - pentru o tensiune de cel mult 220 de volți.
• UPS de rețea de 150 wați, numai în rețea.
• Pentru 12 V - funcționează normal la 12 volți.
• Pentru 24 V – funcționează doar la 24 volți.
• Bridge – se folosește un circuit de punte.
• Pentru un amplificator cu tuburi - caracteristici pentru tuburi.
• Pentru LED-uri – sensibilitate ridicată.
• UPS bipolar, distins prin calitate.
• Flyback, are tensiune și putere crescute.

Particularități

Un UPS simplu poate consta din transformatoare mici, deoarece pe măsură ce frecvența crește, eficiența transformatorului este mai mare și cerințele pentru dimensiunile miezului sunt mai mici. Acest miez este realizat din aliaje feromagnetice, iar oțelul este folosit pentru frecvențe joase.

Tensiunea din sursa de alimentare este stabilizată de feedback valoare negativă. Tensiunea de ieșire este menținută la același nivel și nu depinde de sarcina și fluctuațiile de intrare. Feedback-ul este creat folosind diferite metode. Dacă blocul are izolație galvanică de rețea, atunci conectarea unei înfășurări a transformatorului este utilizată la ieșire sau folosind un optocupler. Dacă decuplarea nu este necesară, atunci utilizați un simplu divizor rezistiv. Din acest motiv, tensiunea de ieșire este stabilizată.

Caracteristicile blocurilor de laborator

Principiul de funcționare se bazează pe conversia activă a tensiunii. Pentru a elimina interferența, filtrele sunt plasate la sfârșitul și începutul circuitului. Saturația tranzistoarelor are un efect pozitiv asupra diodelor și există o reglare a tensiunii. Protecția încorporată blochează scurtcircuite. Cablurile de alimentare sunt utilizate într-o serie nemodulară, puterea ajunge la 500 de wați.

Carcasa are un ventilator de racire, viteza ventilatorului este reglabila. Cea mai grea sarcină blocul este de 23 de amperi, rezistența de 3 ohmi, frecvența cea mai mare de 5 herți.

Aplicarea blocurilor de impulsuri

Domeniul de utilizare a acestora este în continuă creștere atât în ​​viața de zi cu zi, cât și în producția industrială.

Sursele de comutare sunt utilizate în surse de alimentare neîntreruptibile, amplificatoare, receptoare, televizoare, încărcătoare ah, pentru linii de iluminat de joasă tensiune, computer, echipamente medicale și alte diverse dispozitive și dispozitive de uz general.

Avantaje și dezavantaje

UPS-ul are următoarele avantaje și dezavantaje:

• Greutate ușoară.
• Eficiență crescută.
• Cost scăzut.
• Gama tensiunii de alimentare este mai larg.
• Încuietori de siguranță încorporate.

Greutatea și dimensiunile reduse se datorează utilizării elementelor cu radiatoare de răcire în mod liniar și control cu ​​impulsuri în locul transformatoarelor grele. Capacitatea condensatorului este redusă prin creșterea frecvenței. Circuitul de redresare a devenit mai simplu, cel mai mult circuit simplu– jumătate de undă.

Transformatoarele de joasă frecvență pierd multă energie și disipă căldura în timpul transformărilor. Într-un UPS, pierderile maxime apar în timpul proceselor de comutare tranzitorie. Alteori, tranzistoarele sunt stabile, sunt închise sau deschise. Au fost create condiții pentru conservarea energiei, eficiența ajunge la 98%.

Costul UPS-ului a fost redus datorită unificării unei game largi de elemente în întreprinderile robotice. Elementele de putere de la comutatoarele controlate constau din semiconductori de putere mai mică.

Tehnologiile Pulse fac posibilă utilizarea rețelelor de energie cu frecvențe diferite, ceea ce extinde utilizarea surselor de alimentare în diverse rețele de energie. Modulele semiconductoare cu dimensiuni reduse și tehnologie digitală sunt protejate împotriva scurt-circuit si alte accidente.

Unitățile simple cu transformatoare de protecție sunt realizate pe o bază de releu, pe care nu are sens în tehnologia digitală. Numai în unele cazuri sunt utilizate tehnologii digitale:

• Pentru circuite de control cu ​​putere redusă.
• Aparate cu curent mic de control de inalta precizie, in tehnologie de masura, voltmetre, contoare de energie, in metrologie.

Defecte

Sursele de alimentare comutate funcționează prin conversia impulsurilor de înaltă frecvență și creează interferențe care intră în mediu. Este necesară suprimarea și combaterea interferențelor folosind diferite metode. Uneori, suprimarea interferențelor nu are efect, iar utilizarea blocurilor de impulsuri devine imposibilă pentru unele tipuri de dispozitive.

Nu se recomandă conectarea surselor de alimentare în comutație atât cu sarcini mici, cât și cu sarcini mari. Dacă curentul de ieșire scade brusc sub limita setată, este posibil ca pornirea să nu fie posibilă, iar sursa de alimentare va avea distorsiuni de date care nu sunt potrivite pentru domeniul de funcționare.

Cum să alegi sursele de alimentare comutatoare

Mai întâi trebuie să decideți cu privire la o listă de echipamente și să o împărțiți în grupuri:

• Consumatorii obișnuiți fără sursă proprie de energie.
• Consumatorii cu sursa lor.
• Dispozitive cu conexiune periodică.

În fiecare grup, este necesar să se adună consumul de curent pentru toate elementele. Dacă obțineți mai mult de 2 A, atunci este mai bine să conectați mai multe surse.

Al doilea și al treilea grup pot fi conectate la surse de alimentare ieftine. În continuare, stabilim timpul necesar de rezervare. Pentru a calcula capacitatea bateriei pentru a asigura funcționarea autonomă, înmulțim curentul echipamentelor din grupele 1 și 2 cu ore.

Din această figură selectăm surse de alimentare comutatoare. La cumpărare, nu puteți neglija importanța sursei de alimentare în sistem. Funcționarea și stabilitatea echipamentului depind de aceasta.

• Introducere
• Concluzie

Introducere

Sursele de alimentare comutatoare le înlocuiesc acum cu încredere pe cele liniare învechite. Motivul - inerent acestor surse de energie performanta ridicata, compactitate și performanță îmbunătățită de stabilizare.

Odată cu schimbările rapide pe care le-au suferit principiile de nutriție tehnologie electronică pentru în ultima vreme, informațiile despre calculul, construcția și utilizarea surselor de alimentare în comutație devin din ce în ce mai relevante.

Recent, sursele de alimentare cu comutație au câștigat o popularitate deosebită în rândul specialiștilor din domeniul electronicii și ingineriei radio, precum și în producția industrială. A existat o tendință de a abandona unitățile standard de transformatoare voluminoase și de a trece la modele de dimensiuni mici ale surselor de alimentare cu comutare, convertoare de tensiune, convertoare și invertoare.

În general, subiectul comutării surselor de alimentare este destul de relevant și interesant și este unul dintre cele mai importante domenii ale electronicii de putere. Această zonă a electronicii este promițătoare și se dezvoltă rapid. Iar scopul său principal este de a dezvolta dispozitive de putere puternice, care să îndeplinească cerințele moderne de fiabilitate, calitate, durabilitate, minimizarea greutății, dimensiunilor, consumului de energie și materiale. Trebuie remarcat faptul că aproape toate electronicele moderne, inclusiv toate tipurile de computere, echipamente audio, video și alte dispozitive moderne, sunt alimentate de surse de alimentare cu comutație compacte, ceea ce confirmă încă o dată relevanța. dezvoltare ulterioară zona specificată a surselor de alimentare.

1. Principiul de funcționare al comutației surselor de alimentare

Sursa de puls nutriția este sistem invertor. La comutarea surselor de alimentare, tensiunea de intrare AC este mai întâi rectificată. Primit tensiune constantă convertite în impulsuri dreptunghiulare frecventa crescutași un anumit duty cycle, fie alimentat la un transformator (în cazul surselor de alimentare cu impulsuri cu izolație galvanică de la rețeaua de alimentare), fie direct la filtrul trece jos de ieșire (în sursele de alimentare cu impulsuri fără izolație galvanică). În sursele de alimentare cu impulsuri, pot fi utilizate transformatoare de dimensiuni mici - acest lucru se explică prin faptul că, odată cu creșterea frecvenței, eficiența transformatorului crește și cerințele pentru dimensiunile (secțiunea) miezului necesare pentru a transmite o putere echivalentă scad. În cele mai multe cazuri, un astfel de miez poate fi realizat din materiale feromagnetice, spre deosebire de miezurile transformatoarelor de joasă frecvență, pentru care se folosește oțel electric.

Figura 1 - Diagrama bloc comutare de alimentare

Tensiunea de rețea este furnizată redresorului, după care este netezită de un filtru capacitiv. De la condensatorul de filtru, a cărui tensiune crește, tensiunea redresată prin înfășurarea transformatorului este furnizată colectorului tranzistorului, care acționează ca un comutator. Dispozitivul de control asigură pornirea și oprirea periodică a tranzistorului. Pentru a porni în mod fiabil sursa de alimentare, se folosește un oscilator principal realizat pe un microcircuit. Impulsurile sunt furnizate la baza tranzistorului cheie și provoacă începerea ciclului de funcționare a autogeneratorului. Dispozitivul de control este responsabil pentru monitorizarea nivelului tensiunii de ieșire, generarea unui semnal de eroare și, adesea, controlarea directă a cheii. Microcircuitul master oscilator este alimentat de un lanț de rezistențe direct de la intrarea condensatorului de stocare, stabilizând tensiunea cu capacitatea de referință. Oscilatorul principal și tranzistorul cheie al circuitului secundar sunt responsabili pentru funcționarea optocuplerului. Cu cât tranzistoarele responsabile de funcționarea optocuplerului sunt mai deschise, cu atât amplitudinea impulsurilor de feedback este mai mică, cu atât tranzistorul de putere se va opri mai repede și se va acumula mai puțină energie în transformator, ceea ce va opri creșterea tensiunii la ieșire. a sursei. A sosit modul de funcționare al sursei de alimentare, unde un rol important îl joacă optocuplerul, ca regulator și manager al tensiunilor de ieșire.

Specificațiile unei surse de alimentare industriale sunt mai stricte decât cele ale unei surse de alimentare obișnuite de uz casnic. Acest lucru se exprimă nu numai prin faptul că există o tensiune trifazată ridicată la intrarea sursei de alimentare, ci și prin faptul că sursele de alimentare industriale trebuie să rămână operaționale chiar și cu o abatere semnificativă a tensiunii de intrare de la valoarea nominală. , inclusiv scăderi de tensiune și supratensiuni, precum și pierderea uneia sau a mai multor faze.

Figura 2 - Schema schematică a unei surse de alimentare comutatoare.

Schema funcționează după cum urmează. Intrarea trifazata poate fi realizata in trei fire, patru fire sau chiar monofazate. Redresorul trifazat este format din diode D1 - D8.

Rezistoarele R1 - R4 asigură protecție la supratensiune. Utilizarea rezistențelor de protecție cu declanșare la suprasarcină face să nu fie necesară utilizarea unor siguranțe separate. Tensiunea redresată de intrare este filtrată de un filtru în formă de U format din C5, C6, C7, C8 și L1.

Rezistoarele R13 și R15 egalizează tensiunea pe condensatorii filtrului de intrare.

Când MOSFET-ul chipului U1 se deschide, potențialul sursei Q1 scade, curentul de poartă este furnizat de rezistențele R6, R7 și, respectiv, R8, capacitatea tranzițiilor VR1 ... VR3 deblochează Q1. Dioda Zener VR4 limitează tensiunea sursă-portă aplicată la Q1. Când MOSFET U1 se oprește, tensiunea de scurgere este limitată la 450 de volți de circuitul limitator VR1, VR2, VR3. Orice tensiune suplimentară la capătul înfășurării va fi disipată de Q1. Această conexiune distribuie efectiv tensiunea totală redresată între Q1 și U1.

Circuitul de absorbție VR5, D9, R10 absoarbe tensiunea în exces pe înfășurarea primară rezultată din scurgerea prin inducție a transformatorului în timpul cursei inverse.

Redresarea ieșirii este efectuată de dioda D1. C2 - filtru de ieșire. L2 și C3 formează a doua etapă de filtru pentru a reduce instabilitatea tensiunii de ieșire.

VR6 începe să conducă când tensiune de ieșire depășește scăderea pe VR6 și optocupler. O modificare a tensiunii de ieșire determină o modificare a curentului care curge prin dioda optocupler U2, care, la rândul său, provoacă o modificare a curentului prin tranzistorul optocupler U2. Când acest curent depășește pragul de la pinul FB al U1, următorul ciclu de lucru este omis. Nivelul specificat de tensiune de ieșire este menținut prin reglarea numărului de cicluri de lucru ratate și finalizate. Odată ce ciclul de funcționare a început, acesta se va încheia când curentul prin U1 atinge limita internă setată. R11 limitează curentul prin optocupler și setează câștigul de feedback. Rezistorul R12 oferă polarizare la VR6.

Acest circuit este protejat de ruperea buclei de feedback, scurtcircuit de ieșire și suprasarcină datorită funcțiilor integrate în U1 (LNK304). Deoarece microcircuitul este alimentat direct de la pinul său de scurgere, nu este necesară o înfășurare separată.

La comutarea surselor de alimentare, stabilizarea tensiunii este asigurată prin feedback negativ. Feedback-ul vă permite să mențineți tensiunea de ieșire la un nivel relativ constant, indiferent de fluctuațiile tensiunii de intrare și ale dimensiunii sarcinii. Feedback-ul poate fi organizat în diferite moduri. În cazul surselor de impulsuri cu izolație galvanică de la rețeaua de alimentare, cele mai comune metode sunt utilizarea comunicației printr-una dintre înfășurările de ieșire ale transformatorului sau utilizarea unui optocupler. În funcție de mărimea semnalului de feedback (în funcție de tensiunea de ieșire), ciclul de lucru al impulsurilor la ieșirea controlerului PWM se modifică. Dacă decuplarea nu este necesară, atunci, de regulă, se utilizează un simplu divizor de tensiune rezistiv. Astfel, sursa de alimentare menține o tensiune de ieșire stabilă.

2. Parametrii și caracteristicile de bază ale surselor de alimentare în comutație

Clasificarea surselor de alimentare în comutație (SMPS) se face în funcție de mai multe criterii principale:

După tipul tensiunii de intrare și de ieșire;

După tipologie;

În funcție de forma tensiunii de ieșire;

După tipul circuitului de alimentare;

După tensiunea de sarcină;

Prin puterea de sarcină;

După tipul de curent de sarcină;

După numărul de ieșiri;

În ceea ce privește stabilitatea tensiunii pe sarcină.

După tipul tensiunii de intrare și de ieșire

1. AC/DC sunt convertoare alternative cu tensiune continuă. Astfel de convertoare sunt utilizate într-o varietate de domenii - automatizări industriale, echipamente de telecomunicații, echipamente de instrumentare, echipamente industriale de procesare a datelor, echipamente de securitate, precum și echipamente speciale.

2. DC/DC sunt convertoare DC/DC. Astfel de convertoare DC/DC folosesc transformatoare de impulsuri cu două sau mai multe înfășurări și nu există nicio conexiune între circuitele de intrare și de ieșire. Transformatoarele de impulsuri au o diferență mare de potențial între intrarea și ieșirea convertorului. Un exemplu de aplicare a acestora ar putea fi o unitate de alimentare (PSU) pentru blițuri foto pulsate cu o tensiune de ieșire de aproximativ 400 V.

3. DC/AC sunt convertoare DC/AC (invertor). Domeniul principal de aplicare a invertoarelor este lucrul în materialul rulant de cale ferată și altele vehicule, având o sursă de alimentare DC la bord. Ele pot fi, de asemenea, utilizate ca convertoare principale ca parte a surselor de alimentare de rezervă.

Capacitatea mare de suprasarcină permite alimentarea cu energie gamă largă dispozitive și echipamente, inclusiv motoare de condensator pentru compresoare de refrigerare și aer condiționat.

După tipologie IIP-urile sunt clasificate după cum urmează:

convertoare flyback;

convertoare de impuls direct (forwardconverter);

convertoare cu ieșire push-pull;

convertoare cu ieșire semi-punte (halfbridgeconverter);

convertoare cu ieșire în punte (fullfbridgeconverter).

În funcție de forma tensiunii de ieșire IIP-urile sunt clasificate după cum urmează:

1. Cu undă sinusoidală modificată

2. Cu o sinusoidă de forma corectă.

Figura 3 - Forme de undă de ieșire

După tipul de circuit de alimentare:

SMPS care utilizează energia electrică obținută din retea monofazata AC;

SMPS care utilizează energia electrică obținută din retea trifazata AC;

SMPS care utilizează energie electrică dintr-o sursă autonomă DC.

După tensiunea de sarcină:

După puterea de sarcină:

SMPS de putere redusă (până la 100 W);

SMPS de putere medie (de la 100 la 1000 W);

IIP putere mare(peste 1000 W).

După tipul de curent de sarcină:

SMPS cu ieșire AC;

SMPS cu ieșire DC;

SMPS cu ieșire AC și DC.

După numărul de ieșiri:

SMPS cu un singur canal având o ieșire DC sau AC;

SMPS multicanal având două sau mai multe tensiuni de ieșire.

În ceea ce privește stabilitatea tensiunii pe sarcină:

SMPS stabilizat;

SMPS nestabilizat.

3. Metode de bază de construire a surselor de alimentare în comutație

Figura de mai jos arată aspectul unei surse de alimentare comutatoare.

Figura 4 - Comutare sursă de alimentare

Deci, pentru început, să descriem în termeni generali ce module principale sunt în orice unitate de alimentare cu comutație. Într-o versiune tipică, o sursă de alimentare comutată poate fi împărțită în trei părți funcționale. Acest:

1. Controler PWM (PWM), pe baza căruia se montează un oscilator master, de obicei cu o frecvență de aproximativ 30...60 kHz;

2. O cascadă de întrerupătoare de putere, al căror rol poate fi îndeplinit de tranzistoare puternice bipolare, cu efect de câmp sau IGBT (izolare cu poartă bipolară); această treaptă de putere poate include un circuit de control suplimentar pentru aceleași întrerupătoare care utilizează drivere integrate sau tranzistoare de putere redusă; Important este și circuitul de conectare a întrerupătoarelor de putere: punte (punte completă), semi punte (jumătate punte) sau cu punct de mijloc (push-pull);

3. Transformator de impulsuri cu înfășurare(e) primar(e) și secundar(e) și, în consecință, diode redresoare, filtre, stabilizatori etc. la ieșire; ferita sau alsiferul este de obicei aleasă ca miez; în general, acele materiale magnetice care sunt capabile să funcționeze la frecvențe înalte (în unele cazuri peste 100 kHz).

Există trei modalități principale de a construi surse de alimentare cu impulsuri (vezi Fig. 3): creștere (tensiunea de ieșire este mai mare decât tensiunea de intrare), reducerea (tensiunea de ieșire este mai mică decât tensiunea de intrare) și inversare (tensiunea de ieșire este mai mare decât tensiunea de intrare). tensiunea de ieșire are polaritatea opusă celei de intrare). După cum se poate observa din figură, ele diferă doar prin modul în care conectează inductanța, în caz contrar, principiul de funcționare rămâne neschimbat;

comutarea tensiunii de alimentare

Figura 5 - Diagrame bloc tipice ale surselor de alimentare comutate

Element cheie (de obicei bipolar sau tranzistoare MOS), care funcționează cu o frecvență de ordinul a 20-100 kHz, periodic pentru o perioadă scurtă de timp (nu mai mult de 50% din timp) aplică tensiunea nestabilizată de intrare completă la inductor. Curentul pulsat care circulă prin bobină asigură acumularea de rezerve de energie în câmpul său magnetic de 1/2LI^2 la fiecare impuls. Energia stocată în acest fel din bobină este transferată în sarcină (fie direct, folosind o diodă de redresare, fie prin înfășurarea secundară cu redresare ulterioară), condensatorul filtrului de netezire a ieșirii asigură o tensiune și curent constant de ieșire. Stabilizarea tensiunii de ieșire este asigurată prin reglarea automată a lățimii sau frecvenței impulsului la element cheie(un circuit de feedback este proiectat pentru a monitoriza tensiunea de ieșire).

Această schemă, deși destul de complexă, poate crește semnificativ eficiența întregului dispozitiv. Faptul este că, în acest caz, pe lângă sarcina în sine, nu există elemente de putere în circuit care să disipeze o putere semnificativă. Tranzistoarele cheie funcționează în modul de comutare saturată (adică, căderea de tensiune pe ele este mică) și disipă puterea doar în intervale de timp destul de scurte (timp de impuls). În plus, prin creșterea frecvenței de conversie, este posibilă creșterea semnificativă a puterii și îmbunătățirea caracteristicilor de greutate și dimensiune.

Un avantaj tehnologic important al surselor de alimentare cu impulsuri este capacitatea de a construi pe baza lor surse de alimentare de rețea de dimensiuni mici, cu izolație galvanică de rețea, pentru a alimenta o mare varietate de echipamente. Astfel de IP sunt construite fără utilizarea de joasă frecvență voluminoasă transformator de putere conform circuitului convertor de înaltă frecvență. Acesta este, de fapt, un circuit obișnuit de alimentare cu comutație cu reducere a tensiunii, în care tensiunea de rețea redresată este utilizată ca tensiune de intrare și un transformator de înaltă frecvență (de dimensiuni mici și cu randament ridicat), din înfășurarea secundară a cărei tensiune stabilizată de ieșire este îndepărtată (acest transformator asigură și izolarea galvanică de rețea).

Dezavantajele surselor de alimentare cu impulsuri includ: prezența nivel înalt zgomot de impuls la ieșire, complexitate ridicată și fiabilitate scăzută (în special în producția artizanală), necesitatea de a utiliza componente scumpe de înaltă tensiune, de înaltă frecvență, care, în cazul celei mai mici defecțiuni, eșuează cu ușurință „în masă” (în acest caz , de regulă, se pot observa efecte pirotehnice impresionante). Celor cărora le place să se adâncească în interiorul dispozitivelor cu o șurubelniță și un fier de lipit vor trebui să fie extrem de atenți atunci când proiectează surse de alimentare cu impulsuri de rețea, deoarece multe elemente ale unor astfel de circuite sunt sub tensiune înaltă.

4. Varietăți de soluții de circuit pentru comutarea surselor de alimentare

Diagrama SMPS din anii '90 este prezentată în Fig. 6. Sursa de alimentare conține un redresor de rețea VD1-VD4, un filtru de suprimare a zgomotului L1C1-SZ, un convertor bazat pe un tranzistor de comutare VT1 și un transformator de impuls T1, un redresor de ieșire VD8 cu un filtru C9C10L2 și o unitate de stabilizare realizată pe stabilizatorul DA1 și optocupler U1.

Figura 6 - Sursă de alimentare comutată din anii 1990

Diagrama SMPS este prezentată în Fig. 7. Siguranța FU1 protejează elementele de situatii de urgenta. Termistorul RK1 limitează pulsul curent de încărcare condensatorul C2 la o valoare sigură pentru puntea de diode VD1, iar împreună cu condensatorul C1 formează un filtru RC care servește la reducerea zgomot de impuls, pătrunzând din IPS în rețea. Puntea de diode VD1 redresează tensiunea rețelei, condensatorul C2 este unul de netezire. Creșterile de tensiune în înfășurarea primară a transformatorului T1 sunt reduse de circuitul de amortizare R1C5VD2. Condensatorul C4 este un filtru de putere de la care sunt alimentate elementele interne ale cipul DA1.

Redresorul de ieșire este asamblat pe o diodă Schottky VD3, ondularea tensiunii de ieșire este netezită de filtrul LC C6C7L1C8. Elementele R2, R3, VD4 și U1, împreună cu microcircuitul DA1, asigură stabilizarea tensiunii de ieșire atunci când curentul de sarcină și tensiunea de rețea se modifică. Circuitul de indicare a pornirii este realizat folosind LED-ul HL1 și rezistența de limitare a curentului R4.

Figura 7 - Sursă de alimentare comutată din anii 2000

În fig. 8, o sursă de alimentare comutată push-pull cu o conexiune în jumătate de punte a unei trepte terminale de putere constând din două MOSFET-uri de putere IRFP460. Microcircuitul K1156EU2R a fost ales ca controler PWM.

În plus, folosind un releu și un rezistor de limitare R1 la intrare, este implementată o pornire ușoară, care evită supratensiunile bruște de curent. Releul poate fi utilizat pentru tensiuni de 12 și 24 de volți cu selecția rezistenței R19. Varistorul RU1 protejează circuitul de intrare de impulsuri de amplitudine excesivă. Condensatorii C1-C4 și inductorul cu două înfășurări L1 formează un filtru de suprimare a zgomotului de rețea care împiedică pătrunderea ondulațiilor de înaltă frecvență create de convertor în rețeaua de alimentare.

Rezistorul trimmer R16 și condensatorul C12 determină frecvența de conversie.

Pentru a reduce EMF de auto-inducție a transformatorului T2, diodele amortizoare VD7 și VD8 sunt conectate în paralel la canalele tranzistorului. Diodele Schottky VD2 și VD3 protejează tranzistoarele de comutare și ieșirile chipului de tensiune inversă DA2 de impulsuri.

Figura 8 - Sursă de alimentare comutată modernă

Concluzie

În cursul activității mele de cercetare, am realizat un studiu de comutare a surselor de alimentare, ceea ce mi-a permis să analizez circuitele existente ale acestor dispozitive și să trag concluziile adecvate.

Sursele de alimentare comutatoare au multe mari avantajeÎn comparație cu altele, au o eficiență mai mare, au o masă și un volum semnificativ mai mici, în plus, au un cost mult mai mic, ceea ce duce în cele din urmă la prețul lor relativ scăzut pentru consumatori și, în consecință, la cererea mare pe piață.

Multe componente electronice moderne utilizate în dispozitivele și sistemele electronice moderne necesită calitate superioară nutriţie. În plus, tensiunea de ieșire (curent) trebuie să fie stabilă, să aibă forma necesară (de exemplu, pentru invertoare) și nivel minim ondulații (de exemplu, pentru redresoare).

Astfel, sursele de alimentare în comutație sunt parte integrantă a oricăror dispozitive și sisteme electronice alimentate atât de la o rețea industrială de 220 V, cât și din alte surse de energie. Mai mult, fiabilitatea dispozitivului electronic depinde direct de calitatea sursei de alimentare.

Astfel, dezvoltarea de noi și îmbunătățite circuite de alimentare cu comutație va îmbunătăți caracteristicile tehnice și operaționale ale dispozitivelor și sistemelor electronice.

Lista literaturii folosite

1. Gurevici V.I. Fiabilitatea dispozitivelor cu microprocesor protecția releului: mituri și realitate. - Probleme energetice, 2008, Nr. 5-6, p. 47-62.

2. Alimentare [ Resursa electronica] // Wikipedia. - Mod de acces: http://ru. wikipedia.org/wiki/Power_source

3. Sursă secundară de alimentare [Resursă electronică] // Wikipedia. - Mod de acces: http://ru. wikipedia.org/wiki/Secondary_power_source

4. Surse de înaltă tensiune [Resursă electronică] // Optosystems LLC - Mod de acces: http://www.optosystems.ru/power _supplies_about. php

5. Efimov I.P. Surse de energie - Universitatea Tehnică de Stat Ulyanovsk, 2001, pp. 3-13.

6. Domenii de aplicare a surselor de alimentare [Resursa electronica] - Mod de acces: http://www.power2000.ru/apply_obl.html

7. Blocuri computerizate putere [Resurse electronice] - Mod de acces: http://offline.computerra.ru/2002/472/22266/

8. Evoluția surselor de alimentare în comutație [Resursa electronică] - Mod de acces: http://www.power-e.ru/2008_4_26. php

9. Principiul de funcționare al comutației surselor de alimentare [Resursa electronică] - Mod de acces: http://radioginn. ucoz.ru/publ/1-1-0-1

Documente similare

Conceptul, scopul și clasificarea surselor secundare de energie. Schema structurală și de circuit a unei surse de alimentare secundare care funcționează dintr-o rețea de curent continuu și care produce tensiune alternativă la ieșire. Calculul parametrilor sursei de energie.

lucrare de curs, adăugată 28.01.2014


Surse de alimentare secundare ca parte integrantă a oricărui dispozitiv electronic. Luarea în considerare a convertoarelor semiconductoare care conectează sistemele AC și DC. Analiza principiilor de construire a circuitelor de surse pulsate.

teză, adăugată 17.02.2013


Sursa de alimentare ca dispozitiv destinat aprovizionării echipamentelor energie electrica. Transformarea tensiunii de frecvență a puterii de curent alternativ în tensiune de curent continuu pulsatoriu folosind redresoare. Stabilizatoare de tensiune DC.

rezumat, adăugat 02.08.2013


Stabilizarea tensiunii medii de ieșire a sursei secundare de alimentare. Factorul minim de stabilizare a tensiunii. Stabilizator de tensiune de compensare. Curentul maxim de colector al tranzistorului. Coeficient de filtru anti-aliasing.

test, adaugat 19.12.2010


Combinarea funcțiilor de redresare cu reglarea sau stabilizarea tensiunii de ieșire. Dezvoltarea unui circuit structural electric pentru o sursă de alimentare. Transformator coborâtor și selecția elementelor de alimentare. Calculul unui transformator de putere redusă.

lucrare curs, adaugat 16.07.2012


Calculul transformatorului și parametrii stabilizatorului de tensiune integrat. Fundamental schema electrica alimentare electrică. Calculul parametrilor unui redresor necontrolat și filtru de netezire. Selectarea diodelor redresoare, selectarea dimensiunilor circuitelor magnetice.

lucrare curs, adaugat 14.12.2013


Analiza sistemului de alimentare secundară a sistemului de rachete antiaeriene Strela-10. Caracteristicile stabilizatorilor schematici de impuls. Analiza funcționării unui stabilizator de tensiune modernizat. Calculul elementelor sale și al parametrilor principali.

teză, adăugată 03.07.2012


Principiul de funcționare al unei surse de alimentare cu invertor pentru un arc de sudare, avantajele și dezavantajele acesteia, circuite și design. Eficiența funcționării surselor de alimentare cu invertor în ceea ce privește economisirea energiei. Element de bază redresoare cu invertor.

lucrare curs, adăugată 28.11.2014


Secvența de asamblare a unui amplificator inversor care conține un generator de funcții și un contor de răspuns amplitudine-frecvență. Oscilograma semnalelor de intrare și de ieșire la o frecvență de 1 kHz. Circuitul de măsurare a tensiunii de ieșire și abaterile acestuia.

munca de laborator, adaugat 07.11.2015


Analiza circuitului electric: desemnarea nodurilor, curenților. Determinarea semnalelor de intrare și de ieșire, caracteristicile de transfer ale unei rețele cu patru terminale. Schema bloc a sistemului de control. Răspunsurile sistemului la un singur pas impact în condiții zero.

6) Intenționez să implementez transformatorul de putere pe un miez Epcos de tip ETD44/22/15 din material N95. Poate că alegerea mea se va schimba în continuare când calculez datele de înfășurare și puterea totală.

7) Am ezitat mult timp intre alegerea tipului de redresor pe infasurarea secundara intre o dioda Schottky duala si un redresor sincron. Puteți instala o diodă Schottky dublă, dar aceasta este P = 0,6V * 40A = 24 W în căldură, cu o putere SMPS de aproximativ 650 W, se obține o pierdere de 4%! Când utilizați cel mai comun IRF3205 într-un redresor sincron, rezistența canalului de căldură va fi eliberată P = 0,008 Ohm * 40A * 40A = 12,8 W. Se dovedește că câștigăm de 2 ori sau 2% eficiență! Totul a fost în regulă până când am asamblat o soluție bazată pe IR11688S pe o placă. Pierderile de comutare dinamică au fost adăugate la pierderile statice de pe canal și, în cele din urmă, asta s-a întâmplat. Capacitatea lucrătorilor de câmp pentru curenți mari este încă mare. Acest lucru poate fi tratat cu drivere precum HCPL3120, dar acest lucru crește prețul produsului și complică excesiv proiectarea circuitului. De fapt, din aceste motive, s-a decis instalarea unui Schottky dublu și dormitul liniștit.

8) Circuitul LC de la ieșire, în primul rând, va reduce ondulația curentului și, în al doilea rând, vă va permite să „decupați” toate armonicile. Ultima problemă este extrem de relevantă atunci când alimentează dispozitive care funcționează în domeniul de frecvență radio și încorporează circuite analogice de înaltă frecvență. În cazul nostru, vorbim despre un transceiver HF, așa că un filtru este pur și simplu vital aici, altfel interferența se va „târâi” în aer. În mod ideal, puteți instala și un stabilizator liniar la ieșire și puteți obține ondulații minime de unități de mV, dar, în realitate, viteza sistemului de operare vă va permite să obțineți ondulații de tensiune în intervalul de 20-30 mV chiar și fără un „boiler” în interior transceiver-ul, nodurile critice sunt alimentate prin LDO-urile lor, astfel încât redundanța sa este evidentă.

Ei bine, am trecut peste funcționalitate și acesta este doar începutul)) Dar este în regulă, va merge mai viguros pentru că începe cea mai interesantă parte - calculele tuturor!

Calculul unui transformator de putere pentru un convertor de tensiune în jumătate de punte

Acum merită să ne gândim puțin la design și topologie. Intenționez să folosesc tranzistoare cu efect de câmp, și nu IGBT, deci frecvența de operare poate fi aleasă mai mare, în timp ce mă gândesc la 100 sau 125 kHz, apropo, aceeași frecvență va fi și pe PFC. Creșterea frecvenței va face posibilă reducerea ușor a dimensiunilor transformatorului. Pe de altă parte, nu vreau să ridic prea mult frecvența, pentru că... Eu folosesc TL494 ca controler, dupa 150 kHz nu mai functioneaza atat de bine, iar pierderile dinamice vor creste.

Pe baza acestor intrări, să ne calculăm transformatorul. Am mai multe seturi de ETD44/22/15 în stoc și, prin urmare, mă concentrez pe el pentru moment, Lista datelor sursă este următoarea:

1) material N95;
2) Miez tip ETD44/22/15;
3) Frecventa de operare - 100 kHz;
4) Tensiune de ieșire - 15V;
5) Curent de ieșire - 40A.

Pentru a calcula transformatoare de până la 5 kW, folosesc programul „Omul bătrân”, este convenabil și calculează destul de precis. După 5 kW începe magia, frecvențele cresc pentru a reduce dimensiunea, iar câmpul și densitățile de curent ajung la astfel de valori încât până și efectul pielii poate schimba parametrii de aproape 2 ori, așa că pentru puteri mari folosesc demoda veche. metoda „cu formule și desen în creion pe hârtie”. Prin introducerea datelor introduse în program, s-a obținut următorul rezultat:

Figura 2 - Rezultatul calculului unui transformator pentru semipunte

Figura din partea stângă arată datele de intrare, pe care le-am descris mai sus. Centrat violet sunt evidențiate rezultatele care ne interesează cel mai mult, Voi trece peste ele pe scurt:

1) Tensiunea de intrare este de 380V DC, este stabilizată, deoarece Semi-podul este alimentat de PFC. O astfel de putere simplifică proiectarea multor componente, deoarece Ondularea curentului este minimă și transformatorul nu trebuie să tragă tensiune atunci când tensiunea de intrare a rețelei este de 140V.

2) Puterea consumată (pompată prin miez) s-a dovedit a fi de 600 W, care este de 2 ori mai mică decât puterea totală (cantitatea pe care miezul o poate pompa fără să intre în saturație), ceea ce înseamnă că totul este bine. Nu am gasit in program materialul N95, dar pe site-ul Epcos din fisa tehnica am observat ca N87 si N95 vor da rezultate foarte asemanatoare, verificand pe bucata de hartie am aflat ca diferenta de 50 W in puterea totala nu este o eroare groaznică.

3) Date despre înfășurarea primară: înfășurăm 21 de spire în 2 fire cu diametrul de 0,8 mm, cred că totul este clar aici? Densitatea de curent este de aproximativ 8A/mm2, ceea ce înseamnă că înfășurările nu se vor supraîncălzi - totul este în regulă.

4) Date despre înfășurarea secundară: înfășurăm 2 înfășurări de 2 spire fiecare cu același fir de 0,8 mm, dar deja la 14 - totuși curentul este de 40A! Apoi, conectăm începutul unei înfășurări și sfârșitul celeilalte, voi explica cum se face acest lucru mai târziu, din anumite motive, oamenii cad adesea într-o stupoare în timpul asamblarii în acest moment. Se pare că nici aici nu există magie.

5) Inductanța bobinei de ieșire este de 4,9 μH, respectiv curentul este de 40 A. Avem nevoie de el, astfel încât să nu existe ondulații uriașe de curent la ieșirea blocului nostru În timpul procesului de depanare, voi arăta pe un osciloscop cum să lucrez cu și fără el, totul va deveni clar.

Calculul a durat 5 minute, dacă cineva are întrebări, întrebați în comentarii sau PM - vă spun eu. Pentru a evita căutarea programului în sine, vă sugerez să îl descărcați din cloud folosind linkul. Și recunoștința mea profundă către Bătrân pentru munca sa!

Următorul pas logic va fi să se calculeze șocul de ieșire pentru semi-punte, acesta este exact cel la 4,9 µH.

Calculul parametrilor de înfășurare pentru bobina de ieșire

Am primit datele de intrare în paragraful anterior la calcularea transformatorului, Acest:

1) Inductanță - 4,9 µH;
2) Curent nominal- 40A;
3) Amplitudine înainte de accelerație - 18V;
4) Tensiune după inductor - 15V.

Folosim și programul de la Old Man (toate sunt în linkul de mai sus) și obținem următoarele date:

Figura 3 - Date calculate pentru înfășurarea bobinei de ieșire

Acum să ne uităm la rezultate:

1) Conform datelor de intrare, există 2 nuanțe: frecvența selectată este aceeași la care funcționează convertorul, cred că este logic. Al doilea punct este legat de densitatea curentului, voi observa imediat - clapeta de accelerație ar trebui să se încălzească! Cam atat de puternici determinam deja, am ales o densitate de curent de 8A/mm 2 pentru a obtine o temperatura de 35 de grade, asta se vede in datele de iesire (marcate cu verde). La urma urmei, după cum ne amintim, în conformitate cu cerințele de la ieșire, este nevoie de un „SMPS rece”. Aș dori, de asemenea, să subliniez un punct poate nu în totalitate evident pentru începători - inductorul se va încălzi mai puțin dacă trece un curent mare prin el, adică, cu o sarcină nominală de 40A, inductorul va avea o încălzire minimă. Când curentul este mai mic decât curentul nominal, atunci pentru o parte din energie începe să funcționeze ca sarcina activa(rezistor) și transformă toată energia în exces în căldură;

2) Inducția maximă, aceasta este o valoare care nu poate fi depășită, altfel câmpul magnetic va satura miezul și totul va fi foarte rău. Acest parametru depinde de material și de dimensiunile sale generale. Pentru miezurile de fier atomizate moderne, valoarea tipică este 0,5-0,55 T;

3) Date de înfășurare: 9 spire sunt înfășurate cu un oblic de 10 fire de sârmă cu diametrul de 0,8 mm. Programul indică chiar și aproximativ de câte straturi vor fi necesare pentru aceasta. Voi vânt cu 9 nuclee, pentru că... atunci va fi convenabil să împărțiți împletitura mare în 3 „împletituri” a câte 3 fire fiecare și să le lipiți pe placă fără probleme;

4) De fapt, inelul in sine pe care il voi infasura are dimensiuni de 40/24/14,5 mm, este suficient cu rezerva. Materialul nr. 52, cred că mulți au văzut inele galben-albastre în blocurile ATX, acestea sunt adesea folosite în choke de stabilizare de grup (GSC).

Calculul transformatorului de alimentare de rezervă

Pe diagrama functionala Se poate vedea că vreau să folosesc flyback-ul „clasic” pe TOP227 ca sursă de alimentare în standby toate controlerele PWM, afișajele și ventilatoarele sistemului de răcire vor fi alimentate de la acesta. Mi-am dat seama că ventilatoarele vor fi alimentate din camera de control numai după ceva timp, așa că acest moment nu este afișat în diagramă, dar este în regulă, aceasta este o dezvoltare în timp real))

Să ne ajustăm puțin datele de intrare pentru a vedea de ce avem nevoie:

1) Înfășurări de ieșire pentru PWM: 15V 1A + 15V 1A;
2) Înfășurare auto-putere de ieșire: 15V 0.1A;
3) Înfășurare de ieșire pentru răcire: 15V 1A.

Avem nevoie de o sursă de alimentare cu putere totală - 2*15 W + 1,5 W + 15 W = 46,5 W. Aceasta este o putere normală pentru TOP227, o folosesc în SMPS mici de până la 75 W pentru tot felul de încărcare a bateriei, șurubelnițe și alte gunoaie, de mulți ani este ciudat că nici unul nu s-a ars încă.

Să mergem la alt program Old Man și să calculăm transformatorul pentru flyback:

Figura 4 - Date de calcul pentru transformatorul de putere de rezervă

1) Alegerea miezului este justificată simplu - îl am în cantitate de cutie și trage la fel de 75 W)) Date pe miez. Este realizat din material N87 și are un spațiu de 0,2 mm pe fiecare jumătate sau 0,4 mm așa-numitul spațiu complet. Acest miez este destinat direct pentru șocuri, iar pentru convertoarele flyback, această inductanță este tocmai o șoc, dar încă nu voi intra în buruieni. Dacă nu a existat un spațiu în transformatorul cu jumătate de punte, atunci este necesar pentru convertorul flyback, altfel, ca orice inductor, va intra pur și simplu în saturație fără decalaj.

2) Datele despre comutatorul sursă de scurgere de 700 V și rezistența canalului de 2,7 ohmi sunt preluate din fișa de date de pe TOP227, acest controler are un comutator de alimentare încorporat în microcircuit.

3) Am luat puțin tensiunea de intrare minimă cu rezervă - 160V, acest lucru s-a făcut astfel încât, dacă sursa de alimentare în sine este oprită, sarcina și indicația vor rămâne în funcțiune, vor raporta o tensiune de alimentare anormal de scăzută.

4) Înfășurarea noastră primară constă din 45 de spire de sârmă de 0,335 mm într-un singur miez. Înfășurările secundare de putere au 4 spire și 4 miezuri cu un fir de 0,335 mm (diametru), înfășurarea cu autoalimentare are aceiași parametri, deci totul este la fel, doar 1 miez, deoarece curentul este cu un ordin de mărime mai mic.

Calculul inductiei de putere a corectorului de putere activă

Cred că partea cea mai interesantă a acestui proiect anume corectorul factorului de putere, deoarece Există destul de multe informații despre ele pe Internet și există și mai puține scheme de lucru și descrise.

Selectăm programul pentru calcul - PFC_ring (PFC este KKM în basurmană), folosim următoarele intrări:

1) Tensiune de alimentare de intrare - 140 - 265V;
2) Putere nominală - 600 W;
3) Tensiune de ieșire - 380V DC;
4) Frecvența de operare - 100 kHz, datorită alegerii controlerului PWM.

Figura 5 - Calculul inductiei de putere a unui PFC activ

1) În stânga, ca de obicei, introducem datele inițiale, setând 140V ca prag minim, obținem un bloc care poate funcționa la o tensiune de rețea de 140V, deci obținem un „stabilizator de tensiune încorporat”;

Circuitul părții de alimentare și control este destul de standard dacă aveți întrebări, nu ezitați să întrebați în comentarii sau în mesaje personale. Voi încerca să răspund și să explic tuturor dacă se poate.

Designul PCB al sursei de alimentare cu comutare

Așa că am ajuns la stadiul care rămâne ceva sacru pentru mulți - proiectarea/dezvoltarea/urmărirea unei plăci de circuit imprimat. De ce prefer termenul „design”? Este mai aproape de esența acestei operațiuni pentru mine, „cablarea” unei plăci este întotdeauna un proces creativ, ca un artist care pictează o imagine, și va fi mai ușor pentru oameni din alte țări să înțeleagă ceea ce faci.

Procesul de proiectare a plăcii în sine nu conține capcane, acestea sunt conținute în dispozitivul pentru care este destinat. De fapt, electronica de putere nu propune niciun număr sălbatic de reguli și cerințe pe fundalul acelorași magistrale de date analogice cu microunde sau digitale de mare viteză.

Voi enumera cerințele și regulile de bază referitoare în mod specific la circuitele de alimentare, acest lucru va permite implementarea a 99% din proiectele de amatori. Nu vă voi spune despre nuanțe și „trucuri” - fiecare trebuie să-și ia propriile cotlete, să câștige experiență și apoi să opereze cu ea. Și așa am mers:

Câteva despre densitatea curentului în conductorii imprimați

Oamenii adesea nu se gândesc la acest parametru și am văzut situații în care sectiunea de putere realizat cu conductori de 0,6 mm cu 80% din suprafața plăcii pur și simplu goală. De ce fac asta este un mister pentru mine personal.

Deci ce densitate de curent poate fi luată în considerare? Pentru un fir obișnuit, cifra standard este 10A/mm 2, această limitare este legată de răcirea firului. Puteți trece mai mult curent, dar mai întâi puneți-l în azot lichid. Conductoarele plate, precum cele de pe o placă de circuit imprimat, de exemplu, au o suprafață mai mare și sunt mai ușor de răcit, ceea ce înseamnă că vă puteți permite densități de curent mai mari. Pentru conditii normale cu racire pasiva sau cu aer, se obisnuieste sa se ia in calcul 35-50 A/mm 2, unde 35 este pentru răcire pasivă, 50 - în prezența circulației artificiale a aerului (cazul meu). Există o altă cifră - 125 A/mm 2, aceasta este o cifră cu adevărat mare, nu toți supraconductorii își pot permite, dar este realizabilă doar cu răcire lichidă submersibilă.

L-am întâlnit pe acesta din urmă în timp ce lucram cu o companie implicată în inginerie de comunicații și design de servere; placa de baza, si anume piesa cu alimentare multifazata si comutare. Am fost foarte surprins când am văzut o densitate de curent de 125 A/mm 2, dar mi-au explicat această posibilitate și mi-au arătat această posibilitate la stand - apoi am înțeles de ce rafturi întregi de servere sunt scufundate în bazine uriașe de ulei)) )

În piesa mea de hardware totul este mai simplu, 50 A/mm2 este o cifră destul de adecvată cu o grosime de cupru de 35 de microni, poligoanele vor asigura secțiunea transversală necesară; Restul a fost pentru dezvoltarea generală și înțelegerea problemei.

2) Lungimea conductorilor - in în acest moment nu este nevoie să aliniați liniile cu o precizie de 0,1 mm, așa cum se face, de exemplu, atunci când „așezați” magistrala de date DDR3. Deși este încă foarte de dorit ca lungimea liniilor de semnal să fie aproximativ egală cu lungimea. +-30% din lungime va fi suficient, principalul lucru este să nu faceți HIN de 10 ori mai lung decât LIN. Acest lucru este necesar pentru ca fronturile de semnal să nu se deplaseze unul față de celălalt, deoarece chiar și la o frecvență de numai o sută de kiloherți, o diferență de 5-10 ori poate provoca un curent de trecere în comutatoare. Acest lucru este valabil mai ales când valoarea „timp mort” este scăzută, chiar și la 3% pentru TL494, acest lucru este adevărat;

3) Decalajul dintre conductori - este necesar să se reducă curenții de scurgere, în special pentru conductorii în care circulă un semnal RF (PWM), deoarece câmpul din conductori apare puternic și semnalul RF, din cauza efectului de piele, tinde să scape. atât pe suprafaţa conductorului cât şi dincolo de limitele acestuia. De obicei este suficient un decalaj de 2-3 mm;

4) Intervalul de izolare galvanică este decalajul dintre secțiunile izolate galvanic ale plăcii, de obicei, cerința de defalcare este de aproximativ 5 kV. Pentru a sparge 1 mm de aer aveți nevoie de aproximativ 1-1,2 kV, dar în cazul nostru defalcarea este posibilă nu numai prin aer, ci și prin PCB și o mască. În fabrică se folosesc materiale care sunt supuse testării electrice și poți dormi liniștit. Prin urmare, principala problemă este aerul și din condițiile descrise mai sus putem concluziona că aproximativ 5-6 mm de spațiu liber vor fi suficiente. Practic, separarea poligoanelor sub transformator, deoarece este principalul mijloc de izolare galvanică.

Acum să trecem direct la designul plăcii, nu voi intra în super detalii în acest articol și, în general, nu prea am chef să scriu o carte întreagă de text. Dacă sunt destui grup mare Dacă cineva este interesat (voi face un sondaj la sfârșit), voi face doar videoclipuri despre „cablare” a acestui aparat, va fi mai rapid și mai informativ.

Etapele creării unei plăci de circuit imprimat:

1) În primul rând, trebuie să decideți asupra dimensiunilor aproximative ale dispozitivului. Dacă aveți o carcasă gata făcută, atunci ar trebui să măsurați scaunul în ea și să bazați dimensiunile plăcii pe aceasta. Plănuiesc să fac o carcasă la comandă din aluminiu sau alamă, așa că voi încerca să fac cel mai compact dispozitiv posibil fără a pierde calitatea și caracteristicile de performanță.

Figura 9 - Crearea unui spațiu liber pentru viitoarea tablă

Amintiți-vă - dimensiunile plăcii trebuie să fie un multiplu de 1 mm! Sau cel puțin 0,5 mm, altfel vă veți aminti în continuare testamentul meu de la Lenin când veți asambla totul într-un panou și vă pregătiți pentru producție, iar designerii care vor crea o carcasă pentru placa voastră vă vor plimba cu blesteme. Nu este nevoie să creați o placă cu dimensiunile ala „208.625 mm” decât dacă este absolut necesar!
P.S. multumesc camarade Lunkov pentru faptul că încă mi-a transmis acest gând strălucitor))

Aici am facut 4 operatii:

A) Am realizat placa în sine cu dimensiunile totale de 250x150 mm. Deși aceasta este o dimensiune aproximativă, atunci cred că se va micșora considerabil;
b) Colțurile rotunjite, pentru că în timpul procesului de livrare și asamblare, cele ascuțite vor fi ucise și șifonate + placa arată mai frumos;
c) Găuri de montaj amplasate, nemetalizate, cu diametrul orificiului de 3 mm pentru elemente de fixare și rafturi standard;
d) Am creat o clasă „NPTH”, în care am definit toate găurile neplacate și am creat o regulă pentru aceasta, creând un spațiu de 0,4 mm între toate celelalte componente și componente ale clasei. Aceasta este cerința tehnologică Rezonit pentru clasa de precizie standard (a 4-a).

Figura 10 - Crearea unei reguli pentru găurile neplacate

2) Următorul pas este aranjarea componentelor ținând cont de toate cerințele ar trebui să fie deja foarte aproape de versiunea finală, deoarece De cele mai multe ori, acum vor fi determinate dimensiunile finale ale plăcii și factorul de formă.

Figura 11 - Amplasarea primară a componentelor finalizată

Am instalat componentele principale, cel mai probabil nu se vor mișca și, prin urmare, dimensiunile totale ale plăcii au fost determinate în sfârșit - 220 x 150 mm. Spațiul liber de pe placă este lăsat dintr-un motiv acolo vor fi amplasate module de control și alte componente SMD mici. Pentru a reduce costul plăcii și ușurința instalării, toate componentele vor fi doar pe stratul superior și, în consecință, va exista un singur strat de serigrafie.

Figura 13 - Vedere 3D a plăcii după aranjarea componentelor

3) Acum, după ce am stabilit locația și structura generală, aranjam componentele rămase și „separăm” placa. Proiectarea plăcii poate fi realizată în două moduri: manual și folosind un autorouter, după ce a descris anterior acțiunile sale cu câteva zeci de reguli. Ambele metode sunt bune, dar voi face totuși această placă manual, pentru că... sunt puţine componente şi cerințe specialeÎn ceea ce privește alinierea liniei și integritatea semnalului, nu există și nu ar trebui să existe. Acest lucru va fi cu siguranță mai rapid, autoroutingul este bun atunci când există o mulțime de componente (de la 500 încolo) și partea principală a circuitului este digitală. Deși dacă cineva este interesat, vă pot arăta cum să „separați” plăcile automat în 2 minute. Adevărat, înainte de asta va trebui să scrii regulile toată ziua, heh.

După 3-4 ore de „vrăjitorie” (în jumătate din timp am desenat modelele lipsă) cu temperatura și o ceașcă de ceai, am conectat în sfârșit tabla. Nici nu m-am gândit să economisesc spațiu, mulți vor spune că dimensiunile ar fi putut fi reduse cu 20-30% și ar fi corect. Am o copie dintr-o singură bucată și a-mi pierde timpul, care este clar mai scump decât 1 dm2 pentru o placă cu două straturi, a fost pur și simplu păcat. Apropo de prețul plăcii - la comanda de la Rezonit, 1 dm 2 dintr-o placă cu două straturi de clasă standard costă aproximativ 180-200 de ruble, așa că nu poți economisi prea mult aici decât dacă ai un lot de peste 500 de bucăți, de curs. Pe baza acestui lucru, vă pot sfătui - nu vă pervertiți cu reducerea zonei dacă este clasa 4 și nu există cerințe pentru dimensiuni.

Și aceasta este rezultatul:

Figura 14 - Proiectarea plăcii pentru o sursă de alimentare comutată În viitor, voi proiecta o carcasă pentru acest dispozitiv și trebuie să-i cunosc dimensiunile complete, precum și să o pot „proba” în interiorul carcasei, astfel încât în ​​etapa finală să nu devină clar, de exemplu, că placa principală interferează cu conectorii de pe carcasă sau de pe afișaj. Pentru a face acest lucru, încerc întotdeauna să desenez toate componentele în formă 3D, rezultatul este acest rezultat și un fișier în format .step pentru mine.:

Autodesk Inventor

Figura 15 - Vedere tridimensională a dispozitivului rezultat

Documentația este acum gata. Acum trebuie să creez pachetul necesar de fișiere pentru a comanda componente, am toate setările deja înregistrate în Altium, așa că totul este încărcat cu un singur buton. Avem nevoie de fișiere Gerber și un fișier NC Drill, primul stochează informații despre straturi, iar al doilea stochează coordonatele de foraj. Puteți vizualiza fișierul pentru descărcarea documentației la sfârșitul articolului din proiect, totul arată cam așa:

Figura 17 - Formarea unui pachet de documentație pentru comandarea plăcilor cu circuite imprimate

Odată ce fișierele sunt gata, puteți comanda plăcile. Producători specifici Nu îl voi recomanda, probabil că există altele mai bune și mai ieftine special pentru prototipuri. Comand toate plăcile din clasa standard 2,4,6 straturi de la Rezonit, unde comand plăci cu 2 și 4 straturi din clasa a 5-a. Plăcile de clasa 5, unde există 6-24 de straturi în China (de exemplu, pcbway), dar plăcile HDI și clasa 5 cu 24 sau mai multe straturi sunt deja doar în Taiwan, la urma urmei, calitatea în China este încă șchiopătă și unde eticheta de preț nu este șchioapă nu atât de frumos. Totul este despre prototipuri!

În urma convingerilor mele, merg la Rezonit, a, câți nervi s-au zdrobit și cât sânge au băut... dar recent parcă s-au corectat și au început să lucreze mai adecvat, deși cu lovituri. Plasez comenzi prin contul meu personal, introduc detalii de plată, încarc fișiere și trimit. Apropo, îmi place contul lor personal, calculează imediat prețul și îl pot realiza prin modificarea parametrilor preturi mai bune fara pierderi de calitate.

De exemplu, acum îmi doream o placă pe PCB de 2 mm cu cupru de 35 microni, dar s-a dovedit că această opțiune este de 2,5 ori mai scumpă decât opțiunea cu PCB de 1,5 mm și 35 microni - așa că am ales-o pe cea din urmă. Pentru a crește rigiditatea plăcii, am adăugat găuri suplimentare pentru suporturi - problema a fost rezolvată, prețul a fost optimizat. Apropo, dacă placa a intrat în serie, atunci undeva în jur de 100 de bucăți această diferență de 2,5 ori a dispărut și prețurile au devenit egale, pentru că atunci ne-au cumpărat o foaie non-standard și au cheltuit-o fără resturi.

Figura 18 - Vedere finală a calculului costului plăcii

Costul final este determinat: 3618 ruble. Dintre acestea, 2100 este pregătire, se plătește o singură dată pe proiect, toate repetările ulterioare ale comenzii decurg fără ea și vei plăti doar pentru zonă. În acest caz, 759 de ruble pentru o placă cu o suprafață de 3,3 dm2, cu cât seria este mai mare, cu atât costul va fi mai mic, deși acum este de 230 de ruble/dm2, ceea ce este destul de acceptabil. Desigur, a fost posibil să fac producție urgentă, dar comand des, lucrez cu un singur manager, iar fata încearcă întotdeauna să împingă comanda mai repede dacă producția nu este ocupată - în cele din urmă, chiar și cu „seria mică ” opțiune, timpul de răspuns este de 5-6 zile, este suficient doar să comunicați politicos și să nu fiți nepoliticos cu oamenii. Și nu mă grăbesc, așa că am decis să economisesc aproximativ 40%, ceea ce este cel puțin frumos.

Epilog

Ei bine, am ajuns la concluzia logică a articolului - obținerea designului de circuite, proiectarea plăcii și comandarea plăcilor în producție. Vor fi 2 piese in total, prima este in fata ta, iar in a doua iti voi spune cum am instalat, asamblat si depanat dispozitivul.

După cum am promis, împărtășesc codul sursă al proiectului și alte produse ale activității noastre:

1) Sursa proiectului în Altium Designer 16 - ;
2) Fișiere pentru comanda plăci cu circuite imprimate - . Dacă doriți să repetați și să comandați, de exemplu, din China, această arhivă este mai mult decât suficientă;
3) Diagrama dispozitivului în pdf - . Pentru cei care nu doresc să petreacă timp instalând Altium de pe un telefon sau pentru revizuire (de înaltă calitate);
4) Din nou, pentru cei care nu doresc să instaleze software grele, dar sunt interesați să învârtească hardware-ul, postez un model 3D în pdf - . Pentru a-l vizualiza, trebuie să descărcați fișierul când îl deschideți, faceți clic pe „încredere în document doar o dată” în colțul din dreapta sus, apoi faceți clic pe centrul fișierului și ecranul alb se transformă într-un model.

As vrea sa cer si parerea cititorilor... Acum s-au comandat placile, si componente - de fapt sunt 2 saptamani despre ce sa scriu un articol? Pe lângă astfel de „mutanți” ca acesta, uneori vrei să sculptezi ceva în miniatură dar util, am prezentat mai multe opțiuni în sondaje, sau poate sugerez opțiunea ta într-un mesaj privat, pentru a nu aglomera comentariile.

Numai utilizatorii înregistrați pot participa la sondaj. Vă rugăm să vă conectați.

Spre deosebire de sursele de alimentare liniare tradiționale, care implică stingerea tensiunii nestabilizate în exces pe un element liniar de trecere, sursele de alimentare cu impulsuri utilizează alte metode și fenomene fizice pentru a genera o tensiune stabilizată, și anume: efectul acumulării de energie în inductori, precum și posibilitatea de transformare de înaltă frecvență și conversie a energiei acumulate în tensiune constantă. Există trei circuite tipice pentru construirea surselor de alimentare cu impulsuri (vezi Fig. 3.4-1): creșterea (tensiunea de ieșire este mai mare decât tensiunea de intrare), tensiunea de reducere (tensiunea de ieșire este mai mică decât tensiunea de intrare) și inversare (tensiunea de ieșire are polaritatea opusă față de intrare). După cum se poate observa din figură, ele diferă doar prin modul în care conectează inductanța, în caz contrar, principiul de funcționare rămâne neschimbat;

Elementul cheie (de obicei sunt utilizați tranzistori bipolari sau MOS), care funcționează cu o frecvență de ordinul 20-100 kHz, se aplică periodic pentru o perioadă scurtă de timp (nu mai mult de 50% din timp)

oferă inductorului tensiunea nestabilizată de intrare completă. Curent de impuls. curgând prin bobină asigură acumularea de rezerve de energie în câmpul său magnetic de 1/2LI^2 la fiecare impuls. Energia stocată în acest fel din bobină este transferată în sarcină (fie direct, folosind o diodă de redresare, fie prin înfășurarea secundară cu redresare ulterioară), condensatorul filtrului de netezire a ieșirii asigură o tensiune și curent constant de ieșire. Stabilizarea tensiunii de ieșire este asigurată prin reglarea automată a lățimii sau frecvenței impulsului pe elementul cheie (un circuit de feedback este proiectat pentru a monitoriza tensiunea de ieșire).

Această schemă, deși destul de complexă, poate crește semnificativ eficiența întregului dispozitiv. Faptul este că, în acest caz, pe lângă sarcina în sine, nu există elemente de putere în circuit care să disipeze o putere semnificativă. Tranzistoarele cheie funcționează în modul de comutare saturată (adică, căderea de tensiune pe ele este mică) și disipă puterea doar în intervale de timp destul de scurte (timp de impuls). În plus, prin creșterea frecvenței de conversie, este posibilă creșterea semnificativă a puterii și îmbunătățirea caracteristicilor de greutate și dimensiune.

Un avantaj tehnologic important al surselor de alimentare cu impulsuri este capacitatea de a construi pe baza lor surse de alimentare de rețea de dimensiuni mici, cu izolație galvanică de rețea, pentru a alimenta o mare varietate de echipamente. Astfel de surse de alimentare sunt construite fără utilizarea unui transformator de putere voluminos de joasă frecvență, folosind un circuit convertor de înaltă frecvență. Acesta este, de fapt, un circuit obișnuit de alimentare în comutație cu reducere a tensiunii, în care tensiunea de rețea redresată este utilizată ca tensiune de intrare și un transformator de înaltă frecvență (de dimensiuni mici și cu randament ridicat) este utilizat ca element de stocare, de la înfășurarea secundară a cărei tensiune stabilizată de ieșire este îndepărtată (acest transformator asigură și izolarea galvanică de rețea).

Dezavantajele surselor de alimentare cu impulsuri includ: prezența unui nivel ridicat de zgomot pulsat la ieșire, complexitate ridicată și fiabilitate scăzută (în special în producția de artizanat), necesitatea de a utiliza componente scumpe de înaltă tensiune, de înaltă frecvență, care în eventualitatea cea mai mică defecțiune eșuează cu ușurință „în masă” (cu În acest caz, de regulă, se pot observa efecte pirotehnice impresionante). Celor cărora le place să se adâncească în interiorul dispozitivelor cu o șurubelniță și un fier de lipit vor trebui să fie extrem de atenți atunci când proiectează surse de alimentare cu impulsuri de rețea, deoarece multe elemente ale unor astfel de circuite sunt sub tensiune înaltă.

3.4.1 Regulator de comutare eficient cu complexitate redusă

Pe o bază de element similară cu cea utilizată în stabilizatorul liniar descris mai sus (Fig. 3.3-3), este posibil să se construiască un stabilizator de tensiune de impuls. Cu aceleasi caracteristici, va avea dimensiuni semnificativ mai mici si conditii termice mai bune. O diagramă schematică a unui astfel de stabilizator este prezentată în Fig. 3.4-2. Stabilizatorul este asamblat conform unui circuit standard de reducere a tensiunii (Fig. 3.4-1a).

Când este pornit pentru prima dată, când condensatorul C4 este descărcat și o sarcină suficient de puternică este conectată la ieșire, curentul trece prin regulatorul liniar IC DA1. Căderea de tensiune pe R1 cauzată de acest curent deblochează tranzistorul cheie VT1, care intră imediat în modul de saturație, deoarece reactanța inductivă a lui L1 este mare și un curent suficient de mare trece prin tranzistor. Căderea de tensiune pe R5 deschide elementul cheie principal - tranzistorul VT2. Actual. crescând în L1, încarcă C4, în timp ce prin feedback pe R8 are loc înregistrarea

Deteriorarea stabilizatorului și a tranzistorului cheie. Energia stocată în bobină alimentează sarcina. Când tensiunea la C4 scade sub tensiunea de stabilizare, DA1 și tranzistorul cheie se deschid. Ciclul se repetă cu o frecvență de 20-30 kHz.

Circuitul R3. R4, C2 vor seta nivelul tensiunii de ieșire. Poate fi reglat fără probleme în limite mici, de la Uct DA1 la Uin. Cu toate acestea, dacă Uout este ridicat aproape de Uin, apare o oarecare instabilitate la sarcina maximă și nivel crescut pulsatii. Pentru a suprima pulsațiile de înaltă frecvență, filtrul L2, C5 este inclus la ieșirea stabilizatorului.

Schema este destul de simplă și cea mai eficientă pentru acest nivel de complexitate. Toate elementele de putere VT1, VT2, VD1, DA1 sunt echipate cu calorifere mici. Tensiunea de intrare nu trebuie să depășească 30 V, care este maximul pentru stabilizatorii KR142EN8. Utilizați diode redresoare pentru un curent de cel puțin 3 A.

3.4.2 Dispozitiv de alimentare neîntreruptibilă bazat pe un stabilizator de comutare

În fig. 3.4-3 propunem spre considerare un dispozitiv de alimentare neîntreruptibilă a sistemelor de securitate și supraveghere video bazat pe un stabilizator de impuls combinat cu un încărcător. Stabilizatorul include sisteme de protecție împotriva suprasarcinii, supraîncălzirii, supratensiunii de ieșire și scurtcircuitelor.

Stabilizatorul are următorii parametri:

Tensiune de intrare, Uvx - 20-30 V:

Tensiune de ieșire stabilizată, Uvyx-12V:

Curent nominal de sarcină, Iload nom -5A;

Curentul de declanșare al sistemului de protecție la suprasarcină, Iprotect - 7A;.

Tensiunea de funcționare a sistemului de protecție la supratensiune, protecție Uout - 13 V;

Curent maxim de încărcare a bateriei, Icharge bateria max - 0,7 A;

Nivel de ondulare. Impuls - 100 mV,

Temperatura de funcționare a sistemului de protecție împotriva supraîncălzirii, Tzasch - 120 C;

Viteza de comutare la puterea bateriei, tswitch - 10ms (releu RES-b RFO.452.112).

Principiul de funcționare al stabilizatorului de impuls în dispozitivul descris este același cu cel al stabilizatorului prezentat mai sus.

Dispozitivul este completat cu un încărcător realizat pe elemente DA2, R7, R8, R9, R10, VD2, C7. Stabilizator de tensiune IC DA2 cu divizor de curent pe R7. R8 limitează curentul maxim de încărcare inițială, divizorul R9, R10 stabilește tensiunea de încărcare de ieșire, dioda VD2 protejează bateria de autodescărcare în absența tensiunii de alimentare.

Protecția la supraîncălzire folosește termistorul R16 ca senzor de temperatură. Când protecția este declanșată, alarma sonoră, asamblată pe DD 1 IC, pornește și, în același timp, sarcina este deconectată de la stabilizator, trecând la alimentare de la baterie. Termistorul este montat pe radiatorul tranzistorului VT1. Reglarea fină a nivelului de răspuns al protecției la temperatură se realizează prin rezistența R18.

Senzorul de tensiune este asamblat pe divizorul R13, R15. rezistența R15 stabilește nivelul exact de protecție la supratensiune (13 V). Dacă tensiunea la ieșirea stabilizatorului depășește (dacă acesta din urmă eșuează), releul S1 deconectează sarcina de la stabilizator și o conectează la baterie. Dacă tensiunea de alimentare este oprită, releul S1 intră în starea „implicit” - adică. conectează sarcina la baterie.

Circuitul prezentat aici nu are protecție electronică la scurtcircuit pentru baterie. Acest rol este îndeplinit de o siguranță în circuitul de alimentare cu sarcină, proiectată pentru consumul maxim de curent.

3.4.3 Surse de alimentare bazate pe convertor de impulsuri de înaltă frecvență

Destul de des, la proiectarea dispozitivelor, există cerințe stricte pentru dimensiunea sursei de alimentare. În acest caz, singura soluție este utilizarea unei surse de alimentare bazate pe convertoare de impulsuri de înaltă tensiune și frecvență înaltă. care sunt conectate la o rețea de ~220 V fără utilizarea unui transformator mic de frecvență mare și pot furniza putere mare cu dimensiuni mici și disipare a căldurii.

Schema bloc a unui convertor de impuls tipic alimentat de la o rețea industrială este prezentată în Figura 34-4.

Filtrul de intrare este conceput pentru a preveni intrarea zgomotului de impuls în rețea. Întrerupătoarele de alimentare furnizează impulsuri de înaltă tensiune înfășurării primare a unui transformator de înaltă frecvență (unic și

circuite push-pull). Frecvența și durata impulsurilor sunt stabilite de un generator controlat (de obicei se utilizează controlul lățimii impulsului, mai rar - frecvența). Spre deosebire de transformatoarele de semnal sinusoidale de joasă frecvență, sursele de alimentare cu impulsuri utilizează dispozitive de bandă largă care asigură un transfer eficient de putere pe semnale cu margini rapide. Acest lucru impune cerințe semnificative privind tipul de circuit magnetic utilizat și designul transformatorului. Pe de altă parte, odată cu creșterea frecvenței, dimensiunile necesare ale transformatorului (în timp ce se menține puterea transmisă) scad (materialele moderne fac posibilă construirea de transformatoare puternice cu eficiență acceptabilă la frecvențe de până la 100-400 kHz). O caracteristică specială a redresorului de ieșire este utilizarea diodelor Schottky de mare viteză, mai degrabă decât a diodelor de putere convenționale, ceea ce se datorează frecvenței înalte a tensiunii redresate. Filtrul de ieșire netezește ondularea tensiunii de ieșire. Tensiunea de feedback este comparată cu tensiunea de referință și apoi acţionează oscilatorul. Vă rugăm să rețineți prezența izolației galvanice în circuitul de feedback, care este necesară dacă dorim să asigurăm izolarea tensiunii de ieșire de la rețea.

La fabricarea unui astfel de IP apar cerințe serioase pentru componentele utilizate (ceea ce crește costul acestora față de cele tradiționale). În primul rând, aceasta se referă la tensiunea de funcționare a diodelor redresoare, a condensatoarelor de filtru și a tranzistorilor cheie, care nu trebuie să fie mai mică de 350 V pentru a evita defecțiunile. În al doilea rând, tranzistoarele cheie de înaltă frecvență ( frecventa de functionare 20-100 kHz) și speciale condensatoare ceramice(Electroliții de oxid convenționali se vor supraîncălzi la frecvențe înalte datorită inductanței lor ridicate

activitate). Și în al treilea rând, frecvența de saturație a transformatorului de înaltă frecvență, determinată de tipul de miez magnetic utilizat (de regulă, se folosesc miezuri toroidale) trebuie să fie semnificativ mai mare decât frecvența de funcționare a convertorului.

În fig. 3.4-5 prezintă o diagramă schematică a unei surse de alimentare clasice bazată pe un convertor de înaltă frecvență. Filtrul, format din condensatoare C1, C2, SZ și bobine L1, L2, servește la protejarea rețelei de alimentare împotriva interferențelor de înaltă frecvență de la convertor. Generatorul este construit conform unui circuit auto-oscilant și combinat cu o etapă cheie. Tranzistoarele cheie VT1 și VT2 funcționează în antifază, deschizându-se și închizându-se pe rând. Pornirea generatorului și funcționarea fiabilă este asigurată de tranzistorul VT3, care funcționează în modul de avalanșă. Când tensiunea pe C6 crește prin R3, tranzistorul se deschide și condensatorul este descărcat la baza VT2, pornind generatorul. Tensiunea de reacție este îndepărtată din înfășurarea suplimentară (III) a transformatorului de putere Tpl.

Tranzistoare VT1. VT2 este instalat pe radiatoare cu placă de cel puțin 100 cm^2. Diodele VD2-VD5 cu o barieră Schottky sunt plasate pe un radiator mic de 5 cm^2. Date bobine și transformatoare: L1-1. L2 este înfășurat pe inele de ferită 2000NM K12x8x3 în două fire folosind firul PELSHO 0,25: 20 de spire. TP1 - pe două inele pliate împreună, ferită 2000NN KZ 1x18,5x7;

infasurare 1 - 82 spire cu fir PEV-2 0,5: infasurare II - 25+25 spire cu fir PEV-2 1,0: infasurare III - 2 spire cu fir PEV-2 0,3. TP2 este înfășurat pe un inel de ferită 2000NN K10x6x5. toate înfășurările sunt realizate cu fire PEV-2 0,3: înfășurare 1 - 10 spire:

înfășurările II și III - 6 spire fiecare, ambele înfășurări (II și III) sunt înfășurate astfel încât să ocupe 50% din suprafața inelului fără să se atingă sau să se suprapună, înfășurarea I este înfășurată uniform pe întregul inel și izolată cu un strat de pânză lăcuită. Bobinele filtru redresor L3, L4 sunt înfășurate pe ferită 2000NM K 12x8x3 cu fir PEV-2 1.0, numărul de spire este de 30. KT809A poate fi folosit ca tranzistori cheie VT1, VT2. KT812, KT841.

Valorile nominale ale elementelor și datele de înfășurare ale transformatoarelor sunt date pentru o tensiune de ieșire de 35 V. În cazul în care sunt necesare alte valori ale parametrilor de funcționare, numărul de spire în înfășurarea 2 Tr1 ar trebui modificat corespunzător.

Circuitul descris are neajunsuri semnificative, datorită dorinței de a reduce extrem de numărul de componente utilizate, acestea includ un nivel scăzut de stabilizare a tensiunii de ieșire, o funcționare instabilă și un curent de ieșire scăzut. Cu toate acestea, este destul de potrivit pentru alimentarea celor mai simple modele de putere diferită sunt utilizate componente), cum ar fi calculatoare, corpuri de iluminat etc.

Un alt circuit de alimentare bazat pe un convertor de impulsuri de înaltă frecvență este prezentat în Fig. 3.4-6. Principala diferență dintre această schemă și structura standard prezentată în Fig. 3 .4-4 este absența unui circuit de feedback. În acest sens, stabilitatea tensiunii pe înfășurările de ieșire ale transformatorului HF Tr2 este destul de scăzută și este necesară utilizarea unor stabilizatori secundari (circuitul folosește stabilizatori universali integrati bazați pe seria KR142 IC).

3.4.4 Stabilizatorul de comutare cu un tranzistor MOS cheie cu citirea curentului.

Miniaturizarea și eficiența sporită în dezvoltarea și construcția surselor de alimentare în comutație este facilitată de utilizarea unei noi clase de invertoare semiconductoare - tranzistoare MOS, precum și: diode de mare putere cu recuperare rapidă inversă, diode Schottky, viteză ultra-înaltă. diode, tranzistoare cu efect de câmp cu poartă izolată, circuite integrate pentru controlul elementelor cheie. Toate aceste elemente sunt disponibile pe piața internă și pot fi utilizate în proiectarea surselor de alimentare, convertoare, sisteme de aprindere pentru motoarele cu ardere internă (ICE) și sisteme de pornire pentru lămpi fluorescente (FLL) foarte eficiente. O clasă de dispozitive de putere numită HEXSense - tranzistori MOS cu senzor de curent - poate fi, de asemenea, de mare interes pentru dezvoltatori. Sunt elemente de comutare ideale pentru surse de comutare gata de control. Capacitatea de a citi curentul tranzistorului comutator poate fi utilizată în comutarea surselor de alimentare pentru a furniza feedback-ul de curent necesar de un controler de modulare a lățimii impulsului. Acest lucru realizează simplificarea designului sursei de alimentare - excluderea rezistențelor de curent și a transformatoarelor din aceasta.

În fig. Figura 3.4-7 prezintă o diagramă a unei surse de alimentare comutatoare de 230 W. Principalele sale caracteristici de performanță sunt următoarele:

Tensiune de intrare: -110V 60Hz:

Tensiune de ieșire: 48 V DC:

Curent de sarcină: 4,8 A:

Frecvența de comutare: 110 kHz:

Eficienta la sarcina maxima : 78%;

Eficiență la 1/3 sarcină: 83%.

Circuitul este construit pe baza unui modulator de lățime a impulsurilor (PWM) cu un convertor de înaltă frecvență la ieșire. Principiul de funcționare este următorul.

Semnalul de control pentru tranzistorul cheie vine de la ieșirea 6 a controlerului PWM DA1, ciclul de lucru este limitat la 50% de rezistența R4, R4 și SZ sunt elementele de sincronizare ale generatorului. Alimentarea pentru DA1 este asigurată de lanțul VD5, C5, C6, R6. Rezistorul R6 este proiectat pentru a furniza tensiunea de alimentare în timpul pornirii generatorului, ulterior, feedback-ul de tensiune prin LI, VD5 este activat. Acest feedback este obținut din înfășurarea suplimentară a bobinei de ieșire, care funcționează în modul invers. Pe lângă alimentarea generatorului, tensiunea de feedback prin lanțul VD4, Cl, Rl, R2 este furnizată la intrarea de feedback DA1 (pin 2). Prin R3 și C2 se asigură compensarea, care garantează stabilitatea buclei de feedback.

Pe baza acestui circuit, este posibil să construiți stabilizatori de impulsuri cu alți parametri de ieșire.

Domeniul de aplicare al surselor de alimentare cu comutare în viața de zi cu zi este în continuă extindere. Astfel de surse sunt folosite pentru a alimenta toate echipamentele moderne de uz casnic și informatic, pentru a implementa surse de alimentare neîntreruptibile, încărcătoare pentru baterii în diverse scopuri, pentru a implementa sisteme de iluminat de joasă tensiune și pentru alte nevoi.

În unele cazuri, achiziționarea unei surse de alimentare gata făcută nu este foarte acceptabilă din punct de vedere economic sau tehnic, iar asamblarea unei surse de comutare cu propriile mâini este cea mai bună cale de ieșire din această situație. Această opțiune este simplificată și de disponibilitatea largă a componentelor moderne la prețuri mici.

Cele mai populare în viața de zi cu zi sunt sursele de impulsuri alimentate de rețea standard AC și ieșire puternică de joasă tensiune. Schema bloc a unei astfel de surse este prezentată în figură.

Redresorul rețelei CB transformă tensiunea alternativă a rețelei de alimentare în tensiune continuă și netezește ondulațiile tensiunii redresate la ieșire. Convertorul VChP de înaltă frecvență transformă tensiunea redresată în tensiune alternativă sau unipolară, care are forma unor impulsuri dreptunghiulare de amplitudinea necesară.

Ulterior, această tensiune, fie direct, fie după redresare (VN), este furnizată unui filtru de netezire, la ieșirea căruia este conectată o sarcină. VChP este controlat de un sistem de control care primește un semnal de feedback de la redresorul de sarcină.

Această structură a dispozitivului poate fi criticată datorită prezenței mai multor etape de conversie, ceea ce reduce eficiența sursei. Cu toate acestea, când alegerea corectă elementele semiconductoare și calculul și fabricarea de înaltă calitate a unităților de înfășurare, nivelul pierderilor de putere în circuit este scăzut, ceea ce vă permite să obțineți valori reale de eficiență de peste 90%.

Scheme schematice ale surselor de alimentare comutate

Soluțiile pentru blocurile structurale includ nu numai rațiunea alegerii opțiunilor de implementare a circuitului, ci și recomandări practice pentru alegerea elementelor de bază.

Pentru a rectifica tensiunea de rețea monofazată, utilizați una dintre cele trei scheme clasice prezentate în figură:

• jumătate de undă;
• zero (undă plină cu un punct de mijloc);
• pod cu jumătate de val.

Fiecare dintre ele are avantaje și dezavantaje care determină domeniul de aplicare.

Circuit cu jumătate de undă Se caracterizează prin ușurință în implementare și un număr minim de componente semiconductoare. Principalele dezavantaje ale unui astfel de redresor sunt o cantitate semnificativă de ondulare a tensiunii de ieșire (în cel rectificat există doar o jumătate de undă a tensiunii de rețea) și un coeficient de redresare scăzut.

Factorul de rectificare Kv determinat de raportul tensiunii medii la ieșirea redresorului Udк valoarea efectivă a tensiunii rețelei de fază Uph.

Pentru un circuit cu semiundă Kv=0,45.

Pentru a netezi ondularea la ieșirea unui astfel de redresor, sunt necesare filtre puternice.

Circuit zero sau cu undă completă cu punct de mijloc, deși necesită un număr de două ori mai mare de diode redresoare, totuși, acest dezavantaj este compensat în mare măsură de mai multe nivel scăzut ondulații ale tensiunii redresate și o creștere a coeficientului de redresare la 0,9.

Principalul dezavantaj al unei astfel de scheme de utilizare în condiții casnice este necesitatea de a organiza punctul de mijloc al tensiunii de rețea, ceea ce implică prezența unui transformator de rețea. Dimensiunile și greutatea sa se dovedesc a fi incompatibile cu ideea unei surse de pulsuri de casă de dimensiuni mici.

Circuit de punte cu val întreg rectificarea are aceiași indicatori în ceea ce privește nivelul de ondulare și coeficientul de rectificare ca și circuitul zero, dar nu necesită o conexiune la rețea. Acest lucru compensează și principalul dezavantaj - numărul dublat de diode redresoare, atât din punct de vedere al eficienței, cât și al costului.

Pentru a netezi ondulațiile de tensiune redresate cea mai buna solutie este de a folosi un filtru capacitiv. Utilizarea acestuia face posibilă creșterea valorii tensiunii redresate la valoarea amplitudinii retea (la Uf=220V Ufm=314V). Dezavantajele unui astfel de filtru sunt considerate a fi cantitati mari curenti de impuls elemente redresoare, dar acest dezavantaj nu este critic.

Selectarea diodelor redresoare se efectuează în funcție de valoarea mediei curent continuu Ia şi tensiunea inversă maximă U BM.

Luând valoarea coeficientului de ondulare a tensiunii de ieșire Kp = 10%, obținem valoarea medie a tensiunii redresate Ud = 300V. Luând în considerare puterea de sarcină și eficiența convertorului RF (pentru calcul, se ia 80%, dar în practică va fi mai mare, acest lucru va permite o anumită marjă).

Ia este curentul mediu al diodei redresoare, Рн este puterea de sarcină, η este randamentul convertorului HF.

Tensiunea maximă inversă a elementului redresor nu depășește valoarea amplitudinii tensiunii de rețea (314V), ceea ce permite utilizarea componentelor cu o valoare de U BM =400V cu o marjă semnificativă. Puteți folosi atât diode discrete, cât și punți redresoare gata făcute de la diverși producători.

Pentru a asigura o ondulație dată (10%) la ieșirea redresorului, capacitatea condensatoarelor filtrului este luată la o rată de 1 μF per 1 W de putere de ieșire. Se folosesc condensatoare electrolitice cu o tensiune maximă de cel puțin 350V. Capacitățile de filtrare pentru diferite puteri sunt prezentate în tabel.

Convertor de înaltă frecvență: funcțiile și circuitele sale

Convertorul de înaltă frecvență este un convertor (invertor) cu un singur ciclu sau push-pull cu un transformator de impulsuri. Variante ale circuitelor convertoare RF sunt prezentate în figură.

Circuit cu un singur capăt. În ciuda numărului minim de elemente de putere și a ușurinței de implementare, are mai multe dezavantaje.

1. Transformatorul din circuit funcționează într-o buclă de histerezis privată, ceea ce necesită o creștere a dimensiunii și a puterii generale;
2. Pentru a asigura puterea de ieșire, este necesar să se obțină o amplitudine semnificativă a curentului de impuls care curge prin comutatorul semiconductor.

Circuitul și-a găsit cea mai mare aplicație în dispozitivele de putere redusă, unde influența acestor dezavantaje nu este atât de semnificativă.

Pentru a schimba sau instala singur un nou contor, nu sunt necesare abilități speciale. Alegerea celui potrivit va asigura contorizarea corectă a consumului de curent și va crește securitatea rețelei electrice de acasă.

În condițiile moderne, senzorii de mișcare sunt din ce în ce mai folosiți pentru a oferi iluminare atât în ​​interior, cât și în exterior. Acest lucru nu numai că adaugă confort și comoditate caselor noastre, dar ne permite și să economisim semnificativ. A sti sfaturi practiceîn funcție de alegerea locației de instalare și a schemelor de conectare, puteți.

Circuit push-pull cu punctul central al transformatorului (push-pull). A primit al doilea nume din versiunea în limba engleză (push-pull) a fișei postului. Circuitul nu are dezavantajele versiunii cu un singur ciclu, dar are propriile sale - un design complicat al transformatorului (este necesară fabricarea de secțiuni identice ale înfășurării primare) și cerințe crescute pentru tensiune maxima chei. În rest, soluția merită atenție și este utilizată pe scară largă în comutarea surselor de alimentare, realizată manual și nu numai.

Circuit de jumătate de punte push-pull. Parametrii circuitului sunt similari cu circuitul cu un punct de mijloc, dar nu necesită o configurație complexă a înfășurărilor transformatorului. Dezavantajul inerent al circuitului este necesitatea de a organiza punctul de mijloc al filtrului redresor, ceea ce presupune o creștere de patru ori a numărului de condensatori.

Datorită ușurinței sale de implementare, circuitul este cel mai utilizat în comutarea surselor de alimentare cu putere de până la 3 kW. La puteri mari, costul condensatorilor de filtru devine inacceptabil de mare în comparație cu comutatoarele cu invertor cu semiconductor, iar un circuit de punte se dovedește a fi cel mai profitabil.

Circuit de punte push-pull. Parametrii sunt similari cu alte circuite push-pull, dar nu este nevoie să se creeze „puncte medii” artificiale. Prețul pentru aceasta este dublu față de numărul de întrerupătoare de alimentare, ceea ce este benefic din punct de vedere economic și puncte tehnice viziune pentru construirea de surse puternice pulsate.

Selectarea comutatoarelor cu invertor se realizează în funcție de amplitudinea curentului colector (de scurgere) I KMAX și a tensiunii maxime colector-emițător U KEMAKH. Pentru calcul se utilizează puterea de sarcină și raportul de transformare al transformatorului de impulsuri.

Cu toate acestea, mai întâi este necesar să se calculeze transformatorul în sine. Transformatorul de impulsuri este realizat pe un miez din ferită, permalloy sau fier transformator răsucit într-un inel. Pentru puteri de până la câțiva kW, miezurile de ferită de tip inel sau în formă de W sunt destul de potrivite. Transformatorul este calculat pe baza puterii necesare și a frecvenței de conversie. Pentru a elimina aspectul zgomotului acustic, este recomandabil să mutați frecvența de conversie în afara domeniului audio (faceți-o peste 20 kHz).

Trebuie amintit că la frecvențe apropiate de 100 kHz, pierderile în miezurile magnetice de ferită cresc semnificativ. Calculul transformatorului în sine nu este dificil și poate fi găsit cu ușurință în literatură. Câteva rezultate pentru diferite surse de putere și circuite magnetice sunt prezentate în tabelul de mai jos.

Calculul a fost făcut pentru o frecvență de conversie de 50 kHz. Este demn de remarcat faptul că atunci când lucrați frecventa inalta există un efect de deplasare a curentului la suprafața conductorului, ceea ce duce la o scădere zona eficientaînfăşurări Pentru a preveni acest tip de probleme și pentru a reduce pierderile în conductori, este necesar să se facă o înfășurare a mai multor conductori cu o secțiune transversală mai mică. La o frecvență de 50 kHz, diametrul admisibil al firului de înfășurare nu depășește 0,85 mm.

Cunoscând puterea de sarcină și raportul de transformare, puteți calcula curentul în înfășurarea primară a transformatorului și curentul maxim al colectorului tasta de pornire. Tensiunea de pe tranzistor în stare închisă este selectată mai mare decât tensiunea redresată furnizată la intrarea convertorului RF cu o anumită marjă (U KEMAKH >=400V). Pe baza acestor date, sunt selectate cheile. În prezent, cea mai bună opțiune este utilizarea tranzistoarelor de putere IGBT sau MOSFET.

Pentru diodele redresoare de pe partea secundară, trebuie respectată o regulă - frecvența lor maximă de funcționare trebuie să depășească frecvența de conversie. În caz contrar, eficiența redresorului de ieșire și a convertizorului în ansamblu va scădea semnificativ.

Videoclip despre realizarea unui dispozitiv simplu de alimentare cu impulsuri