Dispozitiv de surse de alimentare pentru computer și metode de testare a acestora. Categorie - Surse de alimentare cu comutare

Spre deosebire de sursele de alimentare liniare tradiționale, care presupun amortizarea tensiunii excesive nestabilizate pe un element liniar prin intermediul, sursele de alimentare cu impulsuri folosesc 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 de conversie a energiei stocate în presiune constantă. Există trei scheme tipice pentru construirea surselor de alimentare cu impulsuri (vezi Fig. 3.4-1): creștere (tensiunea de ieșire este mai mare decât intrarea), descendente (tensiunea de ieșire este mai mică decât intrarea) și inversare (tensiunea de ieșire este opusă). polaritatea față de intrare). După cum se poate observa din figură, ele diferă doar prin modul de conectare a inductanței, în caz contrar, principiul de funcționare rămâne neschimbat, și anume.

Se aplică un element cheie (de obicei se folosesc tranzistori bipolari sau MOS), care funcționează la o frecvență de ordinul a 20-100 kHz, periodic pentru o perioadă scurtă de timp (nu mai mult de 50% din timp).

oferă inductorului tensiunea de intrare completă nereglată. curent de impuls. curgând prin bobină, asigură acumularea de energie în câmpul său magnetic 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 și apoi redresată), condensatorul filtrului de netezire a ieșirii asigură că tensiunea și curentul de ieșire sunt constante. Stabilizarea tensiunii de ieșire este asigurată prin reglarea automată a lățimii sau frecvenței impulsurilor pe elementul cheie (circuitul de feedback este proiectat pentru a monitoriza tensiunea de ieșire).

Această schemă, deși destul de complexă, poate crește semnificativ eficiența întregului dispozitiv. Cert 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 într-un mod cheie saturată (adică, căderea de tensiune pe ele este mică) și disipă puterea doar în intervale de timp destul de scurte (timpul impulsului). 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 IP-ului pulsat este posibilitatea de a construi pe baza lor IP de rețea de dimensiuni mici, cu izolație galvanică de rețea, pentru a alimenta o mare varietate de echipamente. Astfel de IP-uri sunt construite fără utilizarea unui transformator voluminos de putere de joasă frecvență conform circuitului convertor de înaltă frecvență. Acesta, de fapt, este un circuit tipic al unei surse de alimentare în impulsuri cu o reducere a tensiunii, în care o tensiune redresată de rețea este utilizată ca tensiune de intrare și un transformator de înaltă frecvență (de dimensiuni mici și cu eficiență ridicată) este utilizat ca un element de stocare, 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 unui nivel ridicat de 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 în cazul celei mai mici defecțiuni, eșuează cu ușurință „în masă” (cu aceasta, 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 un IP pulsat de rețea, deoarece multe elemente ale unor astfel de circuite sunt sub tensiune înaltă.

3.4.1 Regulator de comutare eficient cu sofisticare scăzută

Pe baza elementului, similar cu cel utilizat în stabilizatorul liniar descris mai sus (Fig. 3.3-3), puteți construi un regulator de tensiune de comutare. 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 unei scheme tipice cu o cădere de tensiune (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 rezistența inductivă 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 scrie prin feedback-ul pe R8

înaintea 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 la o frecvență de 20-30 kHz.

Lanțul R3. R4, C2 vor seta nivelul tensiunii de ieșire. Poate fi reglat fără probleme într-un interval mic, de la Uct DA1 la Uin. Cu toate acestea, dacă Vout este ridicat aproape de Vin, există o anumită instabilitate la sarcina maximă și un nivel crescut de ondulație. Pentru a suprima ondulațiile de înaltă frecvență, la ieșirea stabilizatorului este inclus un filtru L2, C5.

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

3.4.2 Dispozitiv de alimentare neîntreruptibilă bazat pe regulator de comutare

Pe fig. 3.4-3 se propune spre considerare un dispozitiv pt sursă de alimentare neîntreruptibilă sisteme de securitate și supraveghere video bazate pe un stabilizator de impuls combinat cu un încărcător. Stabilizatorul include sisteme de protecție împotriva suprasarcinii, supraîncălzirii, supratensiunilor de ieșire, scurtcircuitelor.

Stabilizatorul are următorii parametri:

Tensiune de intrare, Vvx - 20-30 V:

Tensiune de ieșire stabilizată, Uvyx-12V:

Curent nominal de sarcină, Isarcină nominală -5A;

Curentul de funcționare al sistemului de protecție împotriva suprasarcinii, Izasch - 7A;.

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

Curent maxim de incarcare a bateriei, acumulator Izar max - 0,7 A;

Nivel de ondulare. Uppulse - 100 mV

Temperatura de funcționare a sistemului de protecție împotriva supraîncălzirii, Тzasch - 120 Cu;

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

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

Dispozitiv crescut încărcător realizat pe elementele DA2, R7, R8, R9, R10, VD2, C7. Regulator de tensiune IC DA2 cu divizor de curent pe R7. R8 limitează curentul maxim de încărcare inițială, divizorul R9, R10 stabilește tensiunea de ieșire de încărcare, 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, dispozitivul de semnalizare sonoră asamblat pe IC DD 1 este pornit și, în același timp, sarcina este deconectată de la stabilizator, trecând la alimentarea bateriei. Termistorul este montat pe radiatorul tranzistorului VT1. Reglarea precisă a nivelului de funcționare a protecției la temperatură este realizată de rezistența R18.

Senzorul de tensiune este asamblat pe un divizor R13, R15. rezistența R15 stabilește nivelul exact de funcționare al protecției la supratensiune (13 V). Când tensiunea la ieșirea stabilizatorului este depășită (în cazul defecțiunii ultimului), releul S1 deconectează sarcina de la stabilizator și o conectează la baterie. În cazul unei căderi de curent, 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 putere a sarcinii, proiectată pentru consumul maxim de curent.

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

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

Diagrama structurală a unui convertor de impuls tipic alimentat de retea industriala prezentat în Figura 34-4.

Filtrul de intrare este conceput pentru a preveni pătrunderea zgomotului de impuls în rețea. Întrerupătoarele de alimentare asigură alimentarea cu impulsuri de înaltă tensiune la înfășurarea primară a unui transformator de înaltă frecvență (unic și

circuite duplex). Frecvența și durata impulsurilor sunt stabilite de un generator controlat (de obicei, se utilizează controlul lățimii impulsului, mai rar - frecvența). Spre deosebire de transformatoarele cu undă sinusoidală de joasă frecvență, sursele de alimentare cu impulsuri utilizează dispozitive de bandă largă pentru a oferi 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 a redresorului de ieșire este utilizarea diodelor de putere nu obișnuite, ci a diodelor Schottky de mare viteză, care se datorează frecvenței înalte a tensiunii redresate. Filtrul de ieșire netezește ondulația tensiunii de ieșire. Tensiunea de feedback este comparată cu tensiunea de referință și apoi controlează generatorul. Acordați atenție prezenței izolației galvanice în circuitul de feedback, care este necesară dacă dorim să asigurăm izolarea tensiunii de ieșire de la rețea.

În fabricarea unui astfel de IP, există cerințe serioase pentru componentele utilizate (ceea ce le crește costul față de cele tradiționale). În primul rând, se referă la tensiunea de funcționare a diodelor redresoare, a condensatoarelor de filtrare și a tranzistorilor cheie, care nu trebuie să fie mai mică de 350 V pentru a evita defecțiunile. În al doilea rând, ar trebui să se utilizeze tranzistoare cheie de înaltă frecvență (frecvență de operare 20-100 kHz) și condensatoare ceramice speciale (electroliții obișnuiți de oxid se vor supraîncălzi la frecvențe înalte datorită inductanței lor ridicate).

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

Pe fig. 3.4-5 prezintă o diagramă schematică a unui IP clasic bazat pe un convertor de înaltă frecvență. Filtrul, format din condensatoare C1, C2, C3 și bobine L1, L2, servește la protejarea sursei de alimentare împotriva interferențelor de înaltă frecvență de la convertor. Generatorul este construit după un circuit auto-oscilant și este combinat cu o treaptă 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 de inductie și transformator: L1-1. L2 este înfășurat pe inele din ferită 2000NM K12x8x3 în două fire cu un fir PELSHO 0,25: 20 de spire. TP1 - pe două inele puse împreună, ferită 2000NN KZ 1x18,5x7;

înfăşurare 1 - 82 spire cu sârmă PEV-2 0,5: înfăşurare II - 25 + 25 spire cu sârmă PEV-2 1,0: înfăşurare III - 2 spire cu sârmă 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 - câte 6 spire, 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 în jurul întregului inel și izolat 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 necesari alți parametri de funcționare, numărul de spire din înfășurarea 2 Tr1 ar trebui modificat corespunzător.

Circuitul descris are dezavantaje semnificative din cauza dorinței de a minimiza numărul de componente utilizate. Acesta este un „nivel scăzut de stabilizare a tensiunii de ieșire și o funcționare instabilă, nefiabilă și un curent de ieșire scăzut. Cu toate acestea, este destul de potrivit pentru alimentarea celor mai simple structuri. de putere diferită (când se utilizează componente adecvate), cum ar fi: calculatoare, apelanți, corpuri de iluminat etc.

Un alt circuit IP bazat pe un convertor de impulsuri de înaltă frecvență este prezentat în fig. 3.4-6. Principala diferență dintre acest circuit și structura standard prezentată în Fig. 3.4-4 este lipsa unei bucle de feedback. În acest sens, stabilitatea tensiunii la înfășurările de ieșire ale transformatorului RF Tr2 este destul de scăzută și este necesară utilizarea unor stabilizatori secundari (circuitul folosește stabilizatori universali integrati pe circuitele integrate din seria KR142).

3.4.4 Regulator de comutare cu un tranzistor MIS cheie cu senzor de curent.

Miniaturizarea și creșterea eficienței în dezvoltarea și proiectarea surselor de alimentare cu 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, diode ultra-rapide. , 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 de înaltă eficiență, convertoare, sisteme de aprindere pentru motoarele cu ardere internă (ICE), sisteme de pornire a lămpilor lumina zilei(LDS). De mare interes pentru dezvoltatori poate fi, de asemenea, o clasă de dispozitive de putere numite HEXSense - tranzistori MIS cu senzor de curent. Sunt elemente de comutare ideale pentru surse de comutare gata de operare. Capacitatea de a citi curentul tranzistorului de comutare poate fi utilizată în sursele de alimentare cu impulsuri pentru feedback-ul de curent cerut de controlerul PWM. Acest lucru realizează o simplificare a designului sursei de alimentare - excluderea rezistențelor de curent și a transformatoarelor din aceasta.

Pe fig. 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 VDC:

Curent de sarcină: 4,8 A:

Frecvența de comutare: 110 kHz:

Eficienta la sarcina maxima : 78%;

Eficiență la 1/3 sarcină: 83%.

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

Semnalul cheie de control al tranzistorului 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 DA1 este asigurată de lanțul VD5, C5, C6, R6. Rezistorul R6 este proiectat pentru a furniza tensiune în timpul pornirii generatorului; ulterior, feedback-ul de tensiune este activat prin LI, VD5. Acest feedback este obținut dintr-o înfășurare suplimentară în șocul de ieșire, care funcționează în modul flyback. Pe lângă alimentarea generatorului, tensiunea de feedback prin lanțul VD4, Cl, Rl, R2 este alimentată la intrarea de feedback DA1 (pin 2). Prin R3 și C2 se asigură o compensare care garantează stabilitatea buclei de feedback.

Pe baza acestei scheme, este posibil să se construiască stabilizatori de comutare cu alți parametri de ieșire.

Surse de alimentare liniare și comutatoare

Să începem cu elementele de bază. Sursa de alimentare a computerului îndeplinește trei funcții. In primul rand, curent alternativ de la o sursă de alimentare casnică trebuie transformată într-una permanentă. A doua sarcină a PSU este de a reduce tensiunea de 110-230 V, care este redundantă pentru electronica computerului, la valorile standard cerute de convertoarele de putere pentru componentele individuale ale PC-ului - 12 V, 5 V și 3,3 V (ca precum și tensiuni negative, despre care vom vorbi puțin mai târziu) . În cele din urmă, PSU joacă rolul unui stabilizator de tensiune.

Există două tipuri principale de surse de alimentare care îndeplinesc aceste funcții - liniare și comutatoare. Cea mai simplă PSU liniară se bazează pe un transformator, pe care tensiunea de curent alternativ este redusă la valoarea necesară, iar apoi curentul este redresat printr-o punte de diode.

Cu toate acestea, PSU este, de asemenea, necesar să stabilizeze tensiunea de ieșire, ceea ce se datorează atât instabilității tensiunii din rețeaua casnică, cât și căderii de tensiune ca răspuns la o creștere a curentului în sarcină.

Pentru a compensa căderea de tensiune, într-o sursă de alimentare liniară, transformatorul este dimensionat pentru a furniza puterea în exces. Apoi, la un curent mare în sarcină, se va respecta tensiunea necesară. Cu toate acestea, supratensiunea care va apărea fără niciun mijloc de compensare la curent scăzut în sarcina utilă este, de asemenea, inacceptabilă. Tensiunea excesivă este eliminată prin includerea unei sarcini neutile în circuit. În cel mai simplu caz, acesta este un rezistor sau un tranzistor conectat printr-o diodă Zener. Într-unul mai avansat, tranzistorul este controlat de un microcircuit cu un comparator. Oricum ar fi, puterea în exces este pur și simplu disipată sub formă de căldură, ceea ce afectează negativ eficiența dispozitivului.

În circuitul de alimentare în comutație, apare o altă variabilă, de care depinde tensiunea de ieșire, pe lângă cele două deja disponibile: tensiunea de intrare și rezistența de sarcină. În serie cu sarcina există o cheie (care în cazul care ne interesează este un tranzistor), controlată de un microcontroler în modul de modulare a lățimii impulsului (PWM). Cu cât durata stărilor deschise ale tranzistorului este mai mare în raport cu perioada lor (acest parametru se numește ciclu de lucru, în terminologia rusă se utilizează valoarea inversă - ciclul de funcționare), cu atât tensiunea de ieșire este mai mare. Datorită prezenței unei chei, o sursă de alimentare comutată se mai numește și sursă de alimentare în mod comutat (SMPS).

Niciun curent nu trece printr-un tranzistor închis, iar rezistența unui tranzistor deschis este în mod ideal neglijabilă. În realitate, un tranzistor deschis are rezistență și disipează o parte din putere sub formă de căldură. De asemenea, tranziția între stările tranzistorului nu este perfect discretă. Și totuși, eficiența unei surse de curent pulsat poate depăși 90%, în timp ce eficiența unui PSU liniar cu stabilizator ajunge la 50% în cel mai bun caz.

Un alt avantaj al comutării surselor de alimentare este o reducere radicală a dimensiunii și greutății transformatorului în comparație cu sursele de alimentare liniare de aceeași putere. Se știe că cu cât frecvența curentului alternativ în înfășurarea primară a transformatorului este mai mare, cu atât dimensiunea necesară a miezului și numărul de spire ale înfășurării sunt mai mici. Prin urmare, tranzistorul cheie din circuit este plasat nu după, ci înaintea transformatorului și, pe lângă stabilizarea tensiunii, este folosit pentru a produce curent alternativ de înaltă frecvență (pentru sursele de alimentare pentru computer, acesta este de la 30 la 100 kHz și mai mare, și de obicei aproximativ 60 kHz). Un transformator care funcționează la o frecvență de 50-60 Hz, pentru puterea necesară unui computer standard, ar fi de zece ori mai masiv.

PSU-urile liniare astăzi sunt utilizate în principal în cazul dispozitivelor de putere mică, când electronica relativ complexă necesară pentru o sursă de alimentare comutată este un element de cost mai sensibil în comparație cu un transformator. Acestea sunt, de exemplu, surse de alimentare de 9 V, care sunt folosite pentru pedalele de efecte de chitară și o dată - pentru console de jocuri etc. Dar încărcătoarele pentru smartphone-uri sunt deja complet pulsate - aici costurile sunt justificate. Datorită amplitudinii semnificativ mai mici a ondulației de tensiune la ieșire, sursele de alimentare liniare sunt, de asemenea, utilizate în zonele în care această calitate este solicitată.

⇡ Schema generală a sursei de alimentare standard ATX

Alimentatorul unui computer desktop este o sursă de alimentare cu comutație, a cărei intrare este alimentată cu tensiunea unei rețele electrice de uz casnic cu parametri de 110/230 V, 50-60 Hz și există un număr de linii la ieșire. curent continuu, dintre care principalele sunt evaluate la 12, 5 și 3,3 V. În plus, PSU oferă tensiunea de -12 V și uneori și tensiunea de -5 V necesară pentru magistrala ISA. Dar acesta din urmă a fost la un moment dat exclus din standardul ATX din cauza încetării suportului pentru ISA în sine.

În schema simplificată a unei surse de alimentare cu comutație standard prezentată mai sus, pot fi distinse patru etape principale. În aceeași ordine, luăm în considerare componentele surselor de alimentare în recenzii, și anume:

1. filtru EMI - interferență electromagnetică (filtru RFI);
2. circuit primar - redresor de intrare (redresor), tranzistori cheie (comutator) care creează curent alternativ de înaltă frecvență pe înfășurarea primară a transformatorului;
3. transformator principal;
4. circuit secundar - redresoare de curent din înfășurarea secundară a transformatorului (redresoare), filtre de netezire la ieșire (filtrare).

⇡ Filtru EMI

Filtrul de la intrarea PSU servește la suprimarea a două tipuri de interferențe electromagnetice: diferențială (mod diferențial) - când curentul de interferență curge în direcții diferite în liniile de alimentare și modul comun (mod comun) - când curentul curge în O singura directie.

Zgomotul diferențial este suprimat de un condensator CX (condensator de film galben mare în fotografia de mai sus) conectat în paralel cu sarcina. Uneori, pe fiecare fir este agățat suplimentar un șoc, care îndeplinește aceeași funcție (nu în diagramă).

Filtrul de mod comun este format din condensatoare CY (condensatoare ceramice în formă de lacrimă albastră din fotografie), într-un punct comun care conectează liniile de alimentare la masă și așa-numitele. șoc de mod comun (choke de mod comun, LF1 în diagramă), curentul în cele două înfășurări ale căruia curge în aceeași direcție, ceea ce creează rezistență la zgomotul de mod comun.

În modelele ieftine, este instalat un set minim de piese de filtrare; în cazul mai scumpe, schemele descrise formează legături repetate (în întregime sau parțial). În trecut, nu era neobișnuit să vezi unități de alimentare fără filtru EMI. Acum, aceasta este mai degrabă o excepție curioasă, deși atunci când cumpărați un PSU foarte ieftin, puteți încă să întâlniți o astfel de surpriză. Drept urmare, nu numai și nu atât de mult computerul în sine va avea de suferit, ci și alte echipamente incluse în rețeaua de uz casnic - sursele de alimentare cu impulsuri sunt o sursă puternică de interferență.

În zona filtrului unui PSU bun, puteți găsi mai multe detalii care protejează dispozitivul în sine sau proprietarul său de deteriorare. Există aproape întotdeauna o siguranță simplă pentru protecția la scurtcircuit (F1 în diagramă). Rețineți că atunci când siguranța se arde, obiectul protejat nu mai este sursa de alimentare. Dacă a avut loc un scurtcircuit, înseamnă că tranzistoarele cheie au spart deja și este important să preveniți cel puțin aprinderea cablurilor electrice. Dacă o siguranță se arde brusc în PSU, atunci este cel mai probabil inutil să o schimbați cu una nouă.

Separat, protecție împotriva Pe termen scurt supratensiuni folosind un varistor (MOV - Metal Oxide Varistor). Dar nu există mijloace de protecție împotriva creșterii prelungite a tensiunii în sursele de alimentare ale computerelor. Această funcție este îndeplinită de stabilizatori externi cu transformator propriu în interior.

Condensatorul din circuitul PFC după redresor poate păstra o încărcare semnificativă după ce a fost deconectat de la sursa de alimentare. Pentru ca o persoană neglijentă care își pune degetul în conectorul de alimentare să nu fie șocată, între fire este instalat un rezistor de descărcare de mare valoare (rezistor de purtare). Într-o versiune mai sofisticată - împreună cu un circuit de control care previne scurgerea încărcăturii atunci când dispozitivul este în funcțiune.

Apropo, prezența unui filtru în sursa de alimentare a computerului (și este, de asemenea, în alimentatorul unui monitor și aproape orice echipament de computer) înseamnă că cumpărarea unui „filtru de supratensiune” separat în locul unui prelungitor convențional este, în general , inutil. El are la fel înăuntru. Singura condiție în orice caz este cablarea normală cu trei pini cu împământare. În caz contrar, condensatorii CY conectați la masă pur și simplu nu își vor putea îndeplini funcția.

⇡ Redresor de intrare

După filtru, curentul alternativ este convertit în curent continuu folosind o punte de diode - de obicei sub forma unui ansamblu într-o carcasă comună. Un radiator separat pentru răcirea podului este binevenit. Un pod asamblat din patru diode discrete este un atribut al surselor de alimentare ieftine. De asemenea, puteți întreba ce curent este proiectat puntea pentru a determina dacă se potrivește cu puterea alimentatorului în sine. Deși acest parametru, de regulă, există o marjă bună.

⇡ Bloc PFC activ

Într-un circuit de curent alternativ cu o sarcină liniară (cum ar fi o lampă cu incandescență sau o sobă electrică), curentul care curge urmează aceeași sinusoidă ca și tensiunea. Dar nu este cazul dispozitivelor care au un redresor de intrare, cum ar fi comutarea surselor de alimentare. Sursa de alimentare trece curentul în impulsuri scurte, care coincid aproximativ în timp cu vârfurile undei sinusoidale de tensiune (adică, tensiunea maximă instantanee), atunci când condensatorul de netezire a redresorului este reîncărcat.

Semnalul de curent distorsionat este descompus în mai multe oscilații armonice în total cu o sinusoidă de o amplitudine dată (un semnal ideal care ar apărea cu o sarcină liniară).

Puterea folosită pentru a efectua lucrări utile (care, de fapt, este încălzirea componentelor PC-ului) este indicată în caracteristicile PSU și se numește activă. Restul puterii generate de oscilațiile curentului armonic se numește putere reactivă. Nu face nicio lucrare utilă, dar încălzește firele și pune presiune pe transformatoare și alte echipamente de alimentare.

Suma vectorială a puterii reactive și active se numește putere aparentă. Iar raportul dintre puterea activă și puterea maximă se numește factor de putere (factor de putere) - nu trebuie confundat cu eficiența!

Un PSU cu comutare are un factor de putere destul de scăzut inițial - aproximativ 0,7. Pentru un consumator privat, puterea reactivă nu este o problemă (din fericire, nu este luată în calcul de contoarele de energie electrică), decât dacă folosește un UPS. Sursa de alimentare neîntreruptibilă suportă doar puterea completă a sarcinii. La scara unei rețele de birouri sau a unei rețele de oraș, puterea reactivă în exces generată de comutarea surselor de alimentare deja reduce semnificativ calitatea sursei de alimentare și provoacă costuri, așa că este combatată activ.

În special, marea majoritate a PSU-urilor computerelor sunt echipate cu circuite de corecție activă a factorului de putere (Active PFC). Unitatea cu PFC activ este ușor de identificat prin singurul condensator mare și inductor instalat după redresor. În esență, Active PFC este un alt convertor de comutație care menține o încărcare constantă a condensatorului de aproximativ 400 V. În acest caz, curentul de la rețea este consumat de impulsuri scurte, a căror lățime este aleasă astfel încât semnalul să fie aproximat cu o sinusoidă - care este necesară pentru a simula o sarcină liniară . Pentru a sincroniza semnalul de cerere curent cu unda sinusoidală de tensiune, controlerul PFC are o logică specială.

Circuitul activ PFC conține una sau două tranzistoare cheie și o diodă puternică, care sunt plasate pe același radiator cu tranzistoarele cheie ale convertorului principal de alimentare. De regulă, controlerul PWM al cheii convertizorului principal și cheia PFC activă sunt un singur cip (Combo PWM/PFC).

Factorul de putere al comutării surselor de alimentare cu PFC activ ajunge la 0,95 și mai mult. În plus, au un avantaj suplimentar - nu necesită un întrerupător de rețea de 110/230 V și un dublator de tensiune corespunzător în interiorul alimentatorului. Majoritatea circuitelor PFC digeră tensiuni de la 85 la 265 V. În plus, sensibilitatea PSU la căderile de tensiune pe termen scurt este redusă.

Apropo, pe lângă corecția PFC activă, există și una pasivă, care presupune instalarea unui inductor de inductanță mare în serie cu sarcina. Eficacitatea sa este scăzută și este puțin probabil să găsiți acest lucru într-un PSU modern.

⇡ Traductor principal

Principiul general de funcționare pentru toate sursele de alimentare cu impulsuri ale unei topologii izolate (cu un transformator) este același: tranzistorul cheie (sau tranzistoarele) creează un curent alternativ pe înfășurarea primară a transformatorului, iar controlerul PWM controlează ciclul de funcționare. a comutării lor. Cu toate acestea, circuitele specifice diferă atât în ​​ceea ce privește numărul de tranzistori cheie și alte elemente, cât și în caracteristicile calitative: eficiență, forma semnalului, interferență etc. Dar aici prea mult depinde de implementarea specifică pe care merită să ne concentrăm. Pentru cei interesați, vă prezentăm un set de diagrame și un tabel care le va permite să fie identificate în dispozitive specifice prin compoziția pieselor.

	tranzistoare	Diode	Condensatoare	Picioarele înfășurării primare a transformatorului
Un singur tranzistor înainte	1	1	1	4
Înainte cu două tranzistoare	2	2	0	2
jumătate de pod	2	0	2	2
Podul plin	4	0	0	2
împingere-tragere	2	0	0	3

Pe lângă topologiile de mai sus, în PSU-urile scumpe există versiuni rezonante (rezonante) ale Half Bridge, care sunt ușor de identificat printr-un inductor suplimentar mare (sau două) și un condensator care formează un circuit oscilator.

circuit secundar Circuitul secundar este tot ceea ce este după înfășurarea secundară a transformatorului. În majoritatea surselor de alimentare moderne, transformatorul are două înfășurări: 12 V este îndepărtat de la una dintre ele și 5 V este îndepărtat de la cealaltă. Curentul este mai întâi redresat folosind un ansamblu de două diode Schottky - una sau mai multe pe magistrală (pe magistrala cea mai puternic încărcată - 12 V - există patru ansambluri în surse de alimentare puternice). Mai eficiente din punct de vedere al eficienței sunt redresoarele sincrone, care folosesc tranzistori cu efect de câmp în loc de diode. Dar aceasta este prerogativa surselor de alimentare cu adevărat avansate și scumpe care revendică certificatul 80 PLUS Platinum. Sina de 3,3 V este de obicei derivată din aceeași înfășurare ca și șina de 5 V, doar tensiunea este redusă cu o bobine saturabilă (Mag Amp). O înfășurare specială pe un transformator de 3,3 V este o opțiune exotică. Dintre tensiunile negative din standardul actual ATX, rămâne doar -12 V, care este îndepărtat din înfășurarea secundară sub magistrala de 12 V prin diode separate de curent scăzut. Controlul cu cheie PWM al convertorului modifică tensiunea pe înfășurarea primară a transformatorului și, prin urmare, pe toate înfășurările secundare simultan. În același timp, consumul de curent de către computer nu este în niciun caz distribuit uniform între magistralele PSU. În hardware-ul modern, magistrala cea mai încărcată este 12-V. Sunt necesare măsuri suplimentare pentru stabilizarea separată a tensiunii pe diferite magistrale. Metoda clasică presupune utilizarea unui sufoc de stabilizare a grupului. Trei anvelope principale sunt trecute prin înfășurările sale și, ca urmare, dacă curentul crește pe o magistrală, atunci tensiunea scade pe celelalte. Să presupunem că curentul a crescut pe magistrala de 12 V și, pentru a preveni căderea de tensiune, controlerul PWM a redus ciclul de lucru al tranzistoarelor cheie. Ca urmare, tensiunea de pe magistrala de 5 V ar putea depăși limitele permise, dar a fost suprimată de inductorul de stabilizare a grupului. Tensiunea șinei de 3,3 V este reglată suplimentar de un alt șoc saturabil. Într-o versiune mai avansată, stabilizarea separată a magistralelor de 5 și 12 V este furnizată datorită șocurilor saturabile, dar acum acest design în PSU-uri scumpe de înaltă calitate a făcut loc convertoarelor DC-DC. În acest din urmă caz, transformatorul are o singură înfășurare secundară cu o tensiune de 12 V, iar tensiunile de 5 V și 3,3 V sunt obținute datorită convertoarelor DC. Această metodă este cea mai favorabilă pentru stabilitatea tensiunii. Filtru de ieșire Etapa finală pe fiecare magistrală este un filtru care netezește ondulația de tensiune cauzată de tranzistoarele cheie. În plus, pulsațiile redresorului de intrare, a căror frecvență este egală cu dublul frecvenței rețelei, trec într-un grad sau altul în circuitul secundar al PSU. Filtrul de ondulare include un șoc și condensatoare mari. Sursele de alimentare de înaltă calitate se caracterizează printr-o capacitate de cel puțin 2.000 de microfaradi, dar producătorii de modele ieftine au o rezervă pentru economii atunci când instalează condensatoare, de exemplu, de jumătate din valoare, ceea ce afectează inevitabil amplitudinea ondulației. ⇡ Alimentare în standby +5VSB O descriere a componentelor sursei de alimentare ar fi incompletă fără a menționa tensiunea de așteptare de 5 V, care face posibilă dormirea computerului și asigură funcționarea tuturor dispozitivelor care trebuie pornite tot timpul. „Camera de serviciu” este alimentată de un convertor separat de impulsuri cu un transformator de putere redusă. În unele surse de alimentare, există și un al treilea transformator utilizat în circuitul de feedback pentru a izola controlerul PWM de circuitul primar al convertorului principal. În alte cazuri, această funcție este realizată de optocuplere (LED și fototranzistor într-un singur pachet). ⇡ Metodologia de testare a sursei de alimentare Unul dintre principalii parametri ai PSU este stabilitatea tensiunii, care se reflectă în așa-numitul. caracteristica de sarcină încrucișată. KHX este o diagramă în care curentul sau puterea de pe magistrala de 12 V este reprezentată pe o axă, iar curentul total sau puterea de pe magistralele de 3,3 și 5 V este reprezentată pe cealaltă. La punctele de intersecție la sensuri diferite ambele variabile determină abaterea tensiunii de la valoarea nominală pe o anumită magistrală. În consecință, publicăm două KNX diferite - pentru magistrala de 12 V și pentru magistrala de 5 / 3,3 V. Culoarea punctului înseamnă procentul de abatere: verde: ≤ 1%; verde deschis: ≤ 2%; galben: ≤ 3%; portocaliu: ≤ 4%; roșu: ≤ 5%. alb: > 5% (nu este permis de standardul ATX). Pentru a obține CNC, se folosește un banc de testare a sursei de alimentare personalizat, care creează o sarcină datorită disipării căldurii pe tranzistoare puternice cu efect de câmp. Un alt test la fel de important este determinarea intervalului de ondulații la ieșirea PSU. Standardul ATX permite ondulații în intervalul de 120 mV pentru o magistrală de 12 V și 50 mV pentru o magistrală de 5 V. Există ondulații de înaltă frecvență (la o frecvență dublă a tastei convertizorului principal) și ondulații de joasă frecvență (la de două ori frecvența rețelei). ). Măsurăm acest parametru utilizând osciloscopul USB Hantek DSO-6022BE la sarcina maximă a sursei de alimentare specificată de specificații. În oscilograma de mai jos, graficul verde corespunde unei magistrale de 12 V, galben - 5 V. Se poate observa că ondulațiile sunt în limite normale și chiar cu o marjă. Pentru comparație, prezentăm o imagine a ondulațiilor la ieșirea sursei de alimentare a unui computer vechi. Acest bloc nu a fost grozav inițial, dar în mod clar nu s-a îmbunătățit în timp. Judecând după intervalul de ondulații de joasă frecvență (rețineți că diviziunea de bază a tensiunii este crescută la 50 mV pentru a se potrivi cu oscilațiile de pe ecran), condensatorul de netezire de la intrare a devenit deja inutilizabil. Ondularea de înaltă frecvență pe magistrala de 5 V este în pragul unui 50 mV acceptabil. Următorul test determină eficiența unității atunci când este încărcată de la 10 la 100% din puterea nominală (comparând puterea de ieșire cu puterea de intrare măsurată cu un wattmetru de uz casnic). Pentru comparație, graficul arată criteriile pentru diferite categorii de 80 PLUS. Cu toate acestea, nu trezește prea mult interes în zilele noastre. Graficul arată rezultatele topului Corsair PSU în comparație cu Antec-ul foarte ieftin, iar diferența nu este atât de mare. O problemă mai presantă pentru utilizator este zgomotul de la ventilatorul încorporat. Este imposibil să o măsuram direct lângă standul de testare al sursei de alimentare, așa că măsuram viteza de rotație a rotorului cu un tahometru laser - tot la putere de la 10 la 100%. În graficul de mai jos, puteți vedea că la sarcină scăzută pe acest PSU, ventilatorul de 135 mm menține un RPM scăzut și nu se aude deloc. La sarcina maximă, zgomotul poate fi deja distins, dar nivelul este încă destul de acceptabil.

O clasă de master despre crearea unei surse de alimentare comutatoare de casă cu propriile mâini.

Autorul designului (Sergey Kuznetsov, site-ul său este classd.fromru.com) a dezvoltat această sursă de alimentare de rețea de casă
pentru alimentarea unui puternic UMZCH (Audio Frequency Power Amplifier). Beneficiile comutării surselor de alimentareîn fața surselor de alimentare convenționale cu transformatoare sunt evidente:

• Greutatea produsului rezultat este mult mai mică
• Dimensiunile sursei de alimentare comutatoare sunt mult mai mici.
• Eficiența produsului și, în consecință, disiparea căldurii este mai mică
• Gama de tensiuni de alimentare (supratensiuni în rețea) la care sursa de alimentare poate funcționa stabil este mult mai largă.

Cu toate acestea, realizarea unei surse de alimentare cu comutare necesită mult mai mult efort și cunoștințe decât realizarea unei surse de alimentare convenționale de joasă frecvență de 50 Hz. Sursa de alimentare de joasă frecvență constă dintr-un transformator de rețea, o punte de diode și condensatoare cu filtru de netezire, în timp ce o sursă de alimentare cu impulsuri are o structură mult mai complexă.

Principalul dezavantaj al comutării surselor de alimentare din rețea este prezența interferențelor de înaltă frecvență, care va trebui depășită dacă placa de circuit imprimat este trasată incorect sau dacă baza componentelor este aleasă incorect. Când porniți UPS-ul, de regulă, se observă o scânteie puternică în priză. Acest lucru se datorează curentului de pornire de vârf mare al sursei de alimentare, datorită încărcării condensatoarelor filtrului de intrare. Pentru a elimina astfel de supratensiuni actuale, dezvoltatorii proiectează diverse sisteme„pornire moale” care în prima fază de funcționare încarcă condensatoarele de filtru cu un curent scăzut, iar la sfârșitul încărcării organizează alimentarea cu tensiunea de rețea completă a UPS-ului. În acest caz, se utilizează o versiune simplificată a unui astfel de sistem, care este un rezistor conectat în serie și un termistor care limitează curentul de încărcare al condensatorilor.

Circuitul se bazează pe controlerul IR2153 PWM într-un circuit de comutare standard. Tranzistoarele cu efect de câmp IRFI840GLC pot fi înlocuite cu IRFIBC30G, autorul nu recomandă instalarea altor tranzistoare, deoarece acest lucru va atrage după sine necesitatea reducerii ratingurilor lui R2, R3 și, în consecință, la o creștere a căldurii generate. Tensiunea de pe controlerul PWM trebuie să fie de cel puțin 10 volți. Funcționarea microcircuitului de la o tensiune de 11-14 volți este de dorit. Componentele L1 C13 R8 îmbunătățesc modul de funcționare al tranzistoarelor.

Inductoarele situate la ieșirea sursei de alimentare de 10 μg sunt înfășurate cu sârmă de 1 mm pe gantere din ferită cu o permeabilitate magnetică de 600 NN. Puteți înfășura pe lansete de la receptoare vechi, sunt suficiente 10-15 spire. Condensatorii din sursa de alimentare trebuie să aibă impedanță scăzută pentru a reduce zgomotul RF.

Transformatorul a fost calculat folosind programul Transformer 2. Inducția ar trebui să fie aleasă cât mai mică posibil, de preferință nu mai mult de 0,25. Frecvență în regiunea 40-80k. Autorul nu recomandă utilizarea inelelor de producție internă, având în vedere neidentitatea parametrilor de ferită și pierderile semnificative în transformator. Placa de circuit imprimat a fost proiectată pentru un transformator de dimensiunea 30x19x20. La reglarea sursei de alimentare, este interzisă conectarea pământului osciloscopului la punctul de conectare al tranzistorilor. Este indicat să porniți pentru prima dată alimentarea cu o lampă de 220V cu o putere de 25-40W conectată în serie cu sursa, în timp ce UPS-ul nu poate fi încărcat puternic. Placa de circuit imprimat a blocului în format LAY poate fi descărcată

MODULUL 3.

Capitolul 4. Noduri și circuite funcționale
convertoare de tensiune de impuls IVEP

Destul de des, la proiectarea dispozitivelor electronice, există cerințe stricte pentru parametrii de greutate și dimensiune ai sursei secundare de alimentare (SEP). În acest caz, singura cale de ieșire este să utilizați IVEP bazat pe convertoare de tensiune în impulsuri de înaltă frecvență care sunt conectate la o rețea de ~220 V cu o frecvență curentă de 50 Hz sau 115 V și o frecvență curentă de 400 Hz fără utilizarea unui transformator general de joasă frecvență, iar tensiunea este convertită de un convertor de înaltă frecvență la frecvențe de 20-400 kHz și poate oferi putere mare cu dimensiuni mici și disipare a căldurii. Astfel de surse de alimentare au caracteristici de greutate și dimensiune cu un ordin de mărime mai bune în comparație cu cele liniare. IVEP cu un convertor de înaltă frecvență în impulsuri îmbunătățește semnificativ multe caracteristici ale dispozitivelor alimentate de aceste surse. Motivele pentru utilizarea PVEC în impulsuri bazate pe un convertor de înaltă frecvență pot fi: probabilitatea fluctuațiilor tensiunii de intrare în ~100-300 V, capacitatea de a crea PVEC cu o putere de la zeci de wați la sute de kilowați pentru orice tensiune de ieșire, apariția unor soluții high-tech la prețuri accesibile, bazate pe circuite integrate și alte componente moderne.

Trecerea la utilizarea surselor de alimentare predominant comutatoare se datorează unui număr de factori tehnici și economici, dintre care cei mai importanți sunt următorii:

· Sursele de alimentare fără transformator (UPS) de până la 500 W au caracteristici de greutate și dimensiune semnificativ mai mari în comparație cu analogii realizati pe baza transformatoarelor de rețea;

· înfășurările transformatoarelor de fluctuații HF ale UPS-ului au o densitate de curent mai mare, la fabricarea lor se utilizează mult mai puțin metal neferos, ceea ce duce la costuri mai mici pentru producție și pentru materii prime;

· inducția cu saturație ridicată și pierderile specifice reduse ale materialelor miezurilor transformatoarelor de înaltă frecvență fac posibilă crearea UPS-ului cu o eficiență totală care depășește 80%, ceea ce este de neatins în sursele convenționale;

· oportunități ample de ajustare automată a valorilor tensiunilor secundare de ieșire prin influențarea circuitelor primare ale convertorului RF.

Să luăm în considerare câteva exemple de diagrame bloc pentru construirea unui UPS cu o tensiune primară de 220 V, 50 Hz.

Pe fig. 74, A este prezentată o schemă bloc a unei surse de alimentare în comutație, realizată după o schemă destul de tradițională.

Redresor, filtru și stabilizator disponibile în circuit secundar din această sursă de alimentare sunt construite pe baza componentelor găsite în sursele de alimentare convenționale. Numele acestor noduri dezvăluie scopul lor și nu au nevoie de explicații. Modul în care este implementat stabilizatorul (liniar sau puls) în acest caz nu este atât de important în comparație cu prezența sa ca unitate funcțională separată. Circuitul de alimentare secundară în diferite versiuni ale sursei poate fi completat cu un alt filtru, care este instalat între stabilizator și sarcină. Componentele principale ale circuitului primar sunt: ​​un filtru de intrare, un redresor de tensiune de rețea și un convertor RF al unei tensiuni de alimentare redresate cu un transformator TV.

Necesitatea utilizării unui filtru de intrare se datorează faptului că, în primul rând, acest filtru trebuie să elimine supratensiunile de alimentare pe termen scurt și zgomotul de impuls cauzat de funcționarea din apropiere. dispozitive de impuls(interferență HF) sau care apar în momentul conectării sau deconectării sarcinilor adiacente de la rețea. În al doilea rând, filtrul trebuie să elimine efectiv interferențele care intră în rețea direct de la sursa de alimentare utilizată.

Într-o sursă de alimentare comutată (Fig. 74, A) se utilizează o cascadă a unui convertor RF de tip auto-oscilant, al cărui mod de auto-oscilații este determinat numai de valoarea valorilor propriilor elemente și nu este reglementat.

Alimentarea, realizată după schema prezentată în fig. 74, A, poate include suplimentar un senzor de suprasarcină care acționează fie asupra stabilizatorului, fie asupra convertorului RF, blocând funcționarea acestuia până la eliminarea cauzei defecțiunii.

Odată cu selectarea corectă a bazei elementului, sursa fabricată conform acestei scheme este ușor de implementat - acesta este principalul său avantaj, cu toate acestea, datorită eficienței relativ scăzute, este rar utilizată. O scădere a eficienței va avea loc cu o creștere a numărului de canale secundare de diferite tensiuni, deoarece fiecare dintre ele va necesita un regulator de tensiune separat. Un dezavantaj semnificativ al circuitului poate fi, de asemenea, sensibilitatea foarte mare a auto-oscilatoarelor combinată cu treapta de putere a IP-ului la sarcină. Modificarea acestuia poate duce la întreruperea oscilațiilor RF și la instabilitatea sursei de alimentare de acest fel.

Schema bloc a sursei de alimentare a rețelei, construită ținând cont de principiile optime de reglare a tensiunii de ieșire, este prezentată în fig. 74, b.

Fig.74, b

Diferența fundamentală dintre această diagramă bloc și cea anterioară este absența unui stabilizator de tensiune secundar. În plus, i s-au adăugat un circuit de măsurare, un oscilator principal, un circuit de control, iar funcțiile cascadei convertorului RF au fost modificate. Etapa de putere funcționează în modul amplificator de putere a oscilațiilor provenite din circuitul de comandă. Sarcina sa este un transformator RF. Aici, un convertor RF poate fi numit un set de următoarele noduri: un oscilator principal, un circuit de control, un amplificator de putere RF, un transformator RF ( televizor). Sursa, realizată în conformitate cu schema bloc prezentată în fig. 74, b, îndeplinește simultan două funcții - conversie și stabilizare a tensiunii. Circuitul de control include un modulator de lățime a impulsului și determină complet modul de funcționare al PA. Tensiune de ieșire circuitul de control are forma unor impulsuri dreptunghiulare. Modificarea duratei pauzei între aceste impulsuri reglează fluxul de energie în circuitul secundar. Parametrii inițiali pentru funcționarea circuitului de comandă sunt semnalele de eroare provenite din circuitul de măsurare, în care valoarea tensiunii de referință este comparată cu cea reală prezentă în prezent pe sarcină. La un semnal de eroare, circuitul de control modifică durata pauzei dintre impulsuri în direcția creșterii sau scăderii acesteia, în funcție de mărimea abaterii valorii reale a tensiunii față de cea nominală. În special, circuitul de control poate include o unitate pentru protejarea cascadei PA de suprasarcină și scurtcircuit.

Prezența unei tensiuni transmise PWM impune anumite cerințe privind parametrii și construcția unui filtru de netezire pentru tensiunea secundară redresată. Primul element al acestui filtru după redresor trebuie să fie un inductor în fiecare canal de tensiune secundar.

Prezentat în fig. 74, b circuitul este o structură a unui sistem de alimentare cu un singur canal, în timp ce sursele reale, de regulă, au mai multe canale secundare cu capacități de încărcare diferite.

Pe fig. 75 prezintă o diagramă bloc a unui convertor de tensiune multicanal pulsat. Circuitul de măsurare în astfel de cazuri este conectat la canalul cu cel mai mare consum. Restul canalelor sunt stabilizate folosind stabilizatori separati sau metode de control bazate pe interactiunea fluxurilor magnetice.

În alte cazuri, se folosesc circuite de filtru de ieșire, care sunt realizate pe un circuit magnetic comun tuturor canalelor de ieșire. Reglarea tensiunii pentru canalele non-principale poate fi efectuată într-un interval mic și cu modificări de sarcină relativ mici. Când descrii scheme practice implementarea IP, problemele stabilizării tensiunilor secundare simultan prin mai multe canale vor fi luate în considerare mai detaliat.

O caracteristică a redresorului de ieșire este utilizarea diodelor de putere nu obișnuite, ci a diodelor Schottky de mare viteză, care se datorează frecvenței înalte a tensiunii redresate. Filtrul de ieșire netezește ondulația tensiunii de ieșire. Tensiunea de reacție este comparată cu tensiunea de referință folosind sistemul de măsurare, iar apoi semnalul de diferență este transmis controlerului de lățime a impulsului (modulator). Tensiunea sub formă de impulsuri dreptunghiulare de înaltă frecvență de la ieșirea controlerului PWM este alimentată la intrarea tranzistoarelor dispozitivului de potrivire, care controlează funcționarea amplificatorului de putere de înaltă frecvență. Modulatorul PWM este implementat în prezent pe un microcircuit, care este alimentat de o sursă de alimentare suplimentară. De regulă, în convertoarele de rețea există o izolație galvanică în circuitul de feedback. Este necesar dacă este necesar să se asigure decuplarea tensiunii de ieșire de la rețea.

Nodul principal al convertorului de tensiune este partea sa de putere (etapă de ieșire puternică - amplificator de putere).

Etapele de ieșire ale tuturor convertoarelor de tensiune pot fi împărțite în două clase mari în funcție de numărul de impulsuri transmise sarcinii într-o perioadă: un singur ciclu și push-pull. Dacă se transmite un impuls, atunci convertorul se numește cu un singur ciclu, dacă două, atunci cu două cicluri. Eficiența primului este mai mică decât a celui de-al doilea, prin urmare, cele cu un singur ciclu sunt folosite pentru a crea IVEP, cu o putere mai mică de 10 ... 200 W. Convertoarele push-pull vă permit să obțineți o putere mare de ieșire cu o eficiență ridicată. Convertoarele cu un singur ciclu pot fi construite în funcție de circuitul direct (cu conexiune directă a diodei) sau flyback (cu conexiunea inversă a diodei). Convertoarele push-pull pot fi în punte, semipunte sau cu punctul de mijloc al înfășurării primare a transformatorului.

Am spus că voi continua povestea despre lucrul cu senzori actuali bazați pe efectul Hall. A trecut destul de mult timp de la acel moment, lansarea sequelului a fost amânată și nu sunt un fan al scrierii unei „teorii plictisitoare”, așa că așteptam o sarcină practică.

Un alt motiv pentru lipsa articolelor a fost munca mea într-o „companie modernă de hardware IT de succes”, acum am părăsit-o în sfârșit și am trecut în sfârșit la freelance, așa că a fost timp pentru un articol))

Am fost abordat recent de vechiul meu mentor și doar foarte om bun. Desigur, nu am putut refuza ajutorul, dar totul s-a dovedit a fi destul de simplu - mi s-a cerut să fac o sursă de alimentare pentru transceiver-ul FT-450 HF, care să fie mai stabilă în funcționare, mai ales la o tensiune de intrare mai mică, decât cea deja Mean Well existent. Vă rugăm să rețineți, nu spun că Mean Well este o companie proastă, doar că în acest caz încărcătura este destul de specifică, așa că produsele lor sunt destul de bune.

Diagnosticul este cam asa:

- Se declara un curent de iesire de 40A, de fapt, cu un consum de 30-35A (in transmisie), unitatea intra in protectie;
- Există o încălzire puternică când sarcina continua;
- Devine complet prost cand il foloseste in tara, unde tensiunea in retea este de 160-180V;
- Tensiunea maximă este de 13,2-13,4V, dar aș dori 13,8-14V cu capacitatea de a ajusta + -20%.

O caracteristică a acestui articol va fi că proiectul se mișcă odată cu el. Tocmai m-am așezat pentru asta și, prin urmare, vă pot spune despre toate etapele de dezvoltare: de la specificațiile tehnice până la prototipul finit. Nu am găsit articole în acest format cu o lovitură pe tocilar, de obicei oamenii scriu după ce au făcut toată munca și au uitat jumătate din lucrurile mărunte care de multe ori poartă interesul principal. De asemenea, vreau să scriu acest articol într-o limbă accesibilă pentru începători, așa că guru-ul local ar trebui să fie puțin mai ușor să se relaționeze cu „non-academicul” stilului meu.

Cerinte tehnice

Orice proiect începe întotdeauna cu o sarcină tehnică și discuții. Am trecut de discuții, TOR rămâne. Proiectul meu nu este comercial, ci open source, așa că nu voi cheltui un numar mare de timp și mă limitez la o listă cerinte tehnice.

Pentru ce este? Cei care lucrează în companii legate de dezvoltarea a ceva mă vor înțelege - „fără specificații tehnice, proiectul nu decolează”, dar pentru persoanele care nu au legătură cu dezvoltarea industrială, acest punct poate să nu fie evident. Deci hai sa explic putin...

În timpul procesului de dezvoltare, dacă nu vă bazați pe specificațiile tehnice, atunci cu o probabilitate de aproximativ 100% veți lăsa rezultatul dorit inițial. De exemplu, la început ai vrut să obții 1000 W de putere de la sursa de alimentare, dar nu ai găsit un transformator potrivit și l-ai pus pe cel care a venit la îndemână. Drept urmare, bucata de fier a devenit 700 de wați, iar tu ai plănuit pentru 1000! Pentru un amator, acest lucru nu este fatal, pur și simplu va ucide mulți bani și timp fără a obține un rezultat. Pentru angajatorul unui inginer, acesta este un dezastru financiar, un proiect întârziat, iar pentru un inginer este adesea doar o lovitură în fund pe stradă. Și va fi o mare de astfel de nuanțe, nu va mai fi nimic altceva în afară de transformator, un măr îți va cădea pe cap și te decizi să adaugi un fel de „lumini” și așa mai departe.

Cum să o evite? Tocmai pentru asta a venit sumbru geniu sovietic „GOST 34. Dezvoltarea unui sistem de control automat (ACS)”. Este suficient doar să faceți TK în conformitate cu acest GOST, care va dura 30-50 de pagini, iar proiectul dvs. în stadiul de idee va corespunde rezultatului final sub forma unei bucăți de fier, trebuie doar să parcurgeți puncte. Dacă scrie „transformator pentru 1000 W”, atunci îl căutați / obțineți pentru 1000 W, și nu la întâmplare durează „puțin mai puțin”. Am lucrat atât în ​​complexul militar-industrial, cât și în companii private: primii se roagă pentru specificații tehnice și cerințe tehnice adecvate. proiecte care de obicei arată ca un volum de Război și pace, așa că tancurile noastre sunt cele mai bune. Cele doua sunt sacrificate „pentru pagube stupide aduse pădurii”, prin urmare, produsele electronice civile la ieșirea din Rusia sunt în majoritatea cazurilor „guano pe arduino”.

Și astfel, pentru a evita „gunoaiele” la ieșire, vom face o listă de cerințe tehnice pe care ar trebui să le aibă prototipul nostru. Până să ajungă la ei, proiectul este considerat incomplet. Totul pare a fi simplu.

Cerințe pentru o sursă de alimentare comutată:

- Tensiune de iesire reglabila intre 10-15V DC;
- Tensiune de intrare la rețea: 160-255V AC;
- Curentul circuitelor secundare: 40A
- Prezența unui filtru de mod comun;
- Disponibilitatea corectorului factorului de putere (PFC);
- Cosinus phi: nu mai puțin de 0,9;
- Izolarea galvanică a intrării de la ieșire;
- Protectie impotriva scurtcircuitului in circuitul secundar;
- Timp de răspuns la protecția curentă: nu mai mult de 1 ms;
- Stabilitatea tensiunii de ieșire: nu mai slabă de 0,1%;
- Temperatura elementelor de putere ale dispozitivului: nu mai mult de 55 de grade la 100% sarcină;
- Eficiența generală a dispozitivului: nu mai puțin de 90%;
- Existenta indicatorului de tensiune si curent.

De asemenea, aș dori să remarc o caracteristică a SMPS proiectat - este complet analogic. Aceasta a fost o cerință destul de importantă, pentru că. eu anul trecut concepute în principal folosind DSP procesoarele ca un „creier” de control, dar acest lucru sperie „clientul”. Căci momentan locuiește la 2500 km de mine și în cazul unei avarii reparația va fi amânată mult timp, așa că este necesar să se realizeze dispozitivul cu mentenanță maximă. Clientul este o persoană cu experiență în circuite analogice și va repara în caz de probleme fără nici un transfer, maxim va trebui să sune și să discute problema.

Pentru a rezuma: atunci când dezvolt, produc și apoi testez SMPS și, în urma testelor, obțin caracteristici de performanță care sunt cel puțin la fel de bune ca cele descrise mai sus, se va putea considera că proiectul este de succes, blocul poate fi dat proprietarului, iar eu insumi ma voi bucura de inca o bucata de fier reusita. Dar toate acestea sunt mult înainte...

Diagrama functionala

De obicei, m-am certat cu autoritățile pe tema diagramelor funcționale pentru manechine și am refuzat să desenez, dar pentru că articolul este încă destinat începătorilor în electronică, iar pentru a-l face interesant de citit pentru toată lumea, îl voi desena în continuare și voi scrie ce face fiecare bloc. Da, și în absența unui TK cu drepturi depline, această schemă îmi va permite să nu mă abat de la ideea originală în procesul de lucru.

Figura 1 - Diagrama funcțională a SMPS

Acum voi trece pe scurt peste fiecare bloc și vom analiza aceste soluții mai detaliat deja în stadiul de dezvoltare a circuitelor. Și astfel modulele în sine:

1) Filtru de mod comun - este conceput pentru a salva rețeaua și aparatele de uz casnic conectate la aceasta de interferențele generate de sursa noastră de alimentare. Nu vă alarmați - orice sursă de alimentare comutată le produce, așa că 90% din SMPS are un filtru de mod comun. De asemenea, ne protejează blocul de interferențele provenite din rețea. Am dat de curând peste munca cuiva de licență pe această temă, totul este explicat clar acolo -. Autorul diplomei este Kurinkov A.V., pentru care îi mulțumim sincer, cel puțin o diplomă de licență în această lume va fi utilă))

2) Putere de așteptare „clasică” pe cipul TOP227, circuitul va fi luat cel mai probabil direct din fișa de date cu adăugarea de izolație galvanică de la rețea printr-un optocupler. Ieșirea va fi implementată sub forma a 2 înfășurări decuplate una de cealaltă cu o tensiune de 15V și 1A fiecare. Unul va alimenta controlerul PWM al corectorului, al doilea controler PWM semi-bridge.

3) Redresorul este realizat pe o punte de diode. Inițial, am vrut să folosesc sincron pe Mosfet N-channel, dar la astfel de tensiuni și la un curent de 3-4A ar fi o risipă de resurse.

4) Un corector de putere activă - fără el, nicăieri de îndată ce vorbim de eficiență bună, iar conform cerințelor legii, utilizarea KKM este obligatorie. KKM este de fapt un convertizor booster obișnuit, care va închide 2 probleme: tensiune de intrare scăzută, deoarece. la ieșire, va produce în mod constant 380V și vă va permite să luați energie uniform din rețea. Am folosit un microcircuit foarte popular, chinezilor (și nu numai) le place să-l pună invertor de sudareîn același scop - ICE2PCS01 . Nu o voi ascunde - am luat-o ca pe o soluție testată în timp, am asamblat un KKM pentru 6 kVA pentru un dispozitiv semiautomat pe el și nu au fost probleme de mai bine de un an, fiabilitatea mă captivează.

5) Convertorul de tensiune în sine este implementat conform topologiei - „half-bridge”, vă sfătuiesc să citiți capitolul din cartea lui Semenov „Electronica de putere: de la simplu la complex” pentru a vă familiariza cu acesta. Controlerul cu jumătate de punte este implementat pe un microcircuit TL494 „clasic” precum Ceaikovski: ieftin, funcțional, fiabil, testat în timp - ce altceva este necesar? Cei care îl consideră vechi își pot îndrepta atenția către ceva din Texas din seria UCC38xxx. Acest modul implementează feedback-ul de tensiune pe TL431 + PC817, precum și protecția curentului pe senzorul cu efect Hall -.

6) Intenționez să implementez un transformator de putere pe un miez tip Epcos 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 pune o diodă Schottky dublă, dar aceasta este P \u003d 0,6V * 40A \u003d 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 cu un canal de rezistență, căldura va fi eliberată P = 0,008 ohmi * 40A * 40A = 12,8W. Se dovedește că câștigăm de 2 ori sau 2% eficiență! Totul a fost frumos până când am pus împreună o soluție pe placa de breadboard de pe IR11688S. Pierderile de comutare dinamică au fost adăugate la pierderile statice de pe canal și, în final, așa s-a întâmplat. Capacitatea lucrătorilor de câmp pentru curenți mari este încă mare. acest lucru este tratat cu drivere precum HCPL3120, dar aceasta este o creștere a prețului produsului și o complicație excesivă a circuitelor. De fapt, din aceste considerente, s-a decis să punem un Schottky dublu și să dormim 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 aici filtrul este pur și simplu vital, altfel interferența se va „târa” în aer. În mod ideal, puteți încă pune un stabilizator liniar pe ieșire și puteți obține ondulații minime în unități de mV, dar, de fapt, viteza sistemului de operare vă va permite să obțineți ondulații de tensiune în intervalul de 20-30 mV fără un „cazan”, în interiorul transceiver, nodurile critice sunt alimentate prin LDO-urile lor, astfel încât redundanța sa este evidentă.

Ei bine, am parcurs funcționalitatea și acesta este doar începutul)) Dar nimic, va merge mai vesel, pentru că începe cea mai interesantă parte - calculele tuturor și tuturor!

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

Acum merită să ne gândim puțin la construcție și topologie. Plănuiesc să folosesc tranzistori cu efect de câmp, nu IGBT, astfel încât să puteți alege o frecvență de operare mai mare, în timp ce mă gândesc la 100 sau 125 kHz, aceeași frecvență va fi și pe KKM de altfel. Creșterea frecvenței va reduce ușor dimensiunile transformatorului. Pe de altă parte, nu vreau să măresc prea mult frecvența, pentru că Eu folosesc TL494 ca controler, după 150 kHz nu se arată atât de bine, iar pierderile dinamice vor crește.

Pe baza acestor intrări, vom calcula transformatorul nostru. Am mai multe seturi de ETD44/22/15 în stoc și, prin urmare, mă concentrez pe el pentru moment, lista de intrări 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 calculele transformatoarelor de până la 5 kW, folosesc programul Old Man, este convenabil și calculează destul de precis. După 5 kW, începe magia, frecvențele cresc pentru a reduce dimensiunea, iar câmpul și densitățile de curent ating astfel de valori încât până și efectul pielii este capabil să modifice parametrii de aproape 2 ori, așa că pentru puteri mari folosesc vechiul -metoda la modă „cu formule și desen în creion pe hârtie”. Introducând datele introduse în program, s-a obținut următorul rezultat:

Figura 2 - Rezultatul calculului transformatorului pentru semipunte

În figura din partea stângă, datele de intrare sunt marcate, le-am descris mai sus. În centru, rezultatele care ne interesează cel mai mult sunt evidențiate cu violet, Voi trece peste ele pe scurt:

1) Tensiunea de intrare este de 380V DC, este stabilizată deoarece semi-podul este alimentat de la KKM. O astfel de putere simplifică proiectarea multor noduri, deoarece. ondulațiile de curent sunt minime 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, adică de 2 ori mai mică decât puterea totală (cea pe care miezul o poate pompa fără să intre în saturație), ceea ce înseamnă că totul este în regulă. Nu am gasit in program materialul N95, dar am spionat pe site-ul Epcos in datasheet ca N87 si N95 ar da rezultate foarte asemanatoare, verificandu-l pe o bucata de hartie, am aflat ca diferenta de 50 W a puterii generale nu este o eroare teribilă.

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 în fiecare cu același fir de 0,8 mm, dar deja la 14 - la fel, curentul este de 40A! Apoi, conectăm începutul unei înfășurări și sfârșitul celeilalte, cum să faceți acest lucru, voi explica în continuare, din anumite motive, oamenii cad adesea într-o stupoare în timpul asamblarii în acest moment. 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 procesul de depanare, voi arăta lucrul cu și fără el pe osciloscop, totul va deveni clar.

Calculul a durat 5 minute, dacă cineva are întrebări, atunci întrebați în comentarii sau PM - vă spun eu. Pentru a nu căuta programul în sine, vă sugerez să îl descărcați din cloud folosind link-ul. Și recunoștința mea profundă către Bătrân pentru munca sa!

Următorul pas logic este să se calculeze inductorul de ieșire pentru semi-punte, care este exact cel la 4,9 uH.

Calculul parametrilor de înfășurare pentru bobina de ieșire

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

1) Inductanță - 4,9 uH;
2) Curent nominal - 40A;
3) Amplitudinea in fata clapetei de acceleratie - 18V;
4) Tensiune după accelerație - 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 haideți să parcurgem rezultatele:

1) Conform datelor de intrare, există 2 nuanțe: frecvența este aleasă la fel pe care funcționează convertorul, cred că acest lucru este logic. Al doilea punct este legat de densitatea curentului, voi observa imediat - accelerația ar trebui să fie fierbinte! Cam atât determinăm deja, am ales o densitate de curent de 8A/mm 2 pentru a obține o temperatură de 35 de grade, asta se vede la ieșire (marcat cu verde). La urma urmei, după cum ne amintim, în conformitate cu cerințele de la ieșire, este nevoie de un „SMPS rece”. De asemenea, aș dori să remarc pentru începători un punct poate nu în întregime evident - șocul se va încălzi mai puțin dacă trece un curent mare prin el, adică la o sarcină nominală de 40A, șocul va avea o încălzire minimă. Când curentul este mai mic decât curentul nominal, atunci pentru o parte din energie începe să funcționeze ca o sarcină activă (rezistor) și transformă toată energia în exces în căldură;

2) Inducția maximă, aceasta este o valoare care nu trebuie 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 moderne de fier pulverizat, valoarea tipică este de 0,5-0,55 T;

3) Date de înfășurare: 9 spire sunt înfășurate cu o coasă din 10 fire de sârmă cu diametrul de 0,8 mm. Programul indică chiar și aproximativ câte straturi va dura. Voi înfăşura în 9 nuclee, pentru că. atunci va fi convenabil să împărțiți o împletitură mare în 3 „pigtails” din 3 nuclee și să le lipiți pe placă fără probleme;

4) De fapt, inelul în sine pe care îl voi înfășura are dimensiuni - 40/24/14,5 mm, este suficient cu o marjă. Materialul nr. 52, cred că mulți au văzut inele galben-albastre în blocurile ATX, ele sunt adesea folosite în choke de stabilizare de grup (DGS).

Calculul transformatorului de alimentare de rezervă

Diagrama funcțională arată că vreau să folosesc flyback-ul „clasic” pe TOP227 ca sursă de alimentare de așteptare, toate controlerele PWM, indicațiile și ventilatoarele sistemului de răcire vor fi alimentate de la acesta. Mi-am dat seama că ventilatoarele vor fi alimentate din camera de serviciu numai după ceva timp, așa că acest moment nu este afișat pe diagramă, dar nimic nu este dezvoltare în timp real))

Să ne ajustăm puțin datele de intrare, de ce avem nevoie:

1) Înfășurări de ieșire pentru PWM: 15V 1A + 15V 1A;
2) Înfășurare de ieșire cu putere proprie: 15V 0,1A;
3) Înfășurare de ieșire pentru răcire: 15V 1A.

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

Mergem la un alt program al Bătrânului și luăm în considerare transformatorul pentru flyback:

Figura 4 - Date calculate pentru transformatorul de putere de rezervă

1) Alegerea miezului este justificată simplu - îl am în cantitatea cutiei și trage la fel de 75 W)) Date pe miez. Este confectionat din material N87 si are un decalaj de 0,2 mm pe fiecare jumatate sau 0,4 mm din asa numitul gol. Acest nucleu este destinat direct pentru șocuri, iar pentru convertoarele flyback, această inductanță este doar o șoc, dar nu voi intra încă în sălbăticie. Dacă nu a existat un spațiu în transformatorul cu jumătate de punte, atunci este obligatoriu pentru convertorul flyback, altfel, ca orice inductor, va intra pur și simplu în saturație fără decalaj.

2) Datele de pe cheia „drain-source” de 700V 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 microcircuitul însuși.

3) Am luat puțin tensiunea de intrare minimă cu o marjă - 160V, acest lucru se face astfel încât, dacă sursa de alimentare în sine este oprită, camera de serviciu și indicația rămân în funcțiune, vor raporta o tensiune de alimentare scăzută de urgență.

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 cea mai interesantă parte a acestui proiect este corectorul factorului de putere, pentru că. există destul de puține informații despre ele pe Internet și există și mai puține scheme de lucru și descrise.

Alegem un program pentru calcul - PFC_ring (PFC este în Basurmansk KKM), 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 PFC activ

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

Circuitul secțiunii de alimentare și control este destul de standard, dacă brusc aveți întrebări, atunci nu ezitați să întrebați în comentarii sau în mesaje private. Voi face tot posibilul să răspund și să explic.

Proiectarea plăcii de circuite de alimentare cu comutare

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

Procesul de proiectare a plăcii în sine nu conține capcane, ele sunt conținute în dispozitivul pentru care este destinat. De fapt, electronica de putere nu propune un 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 modelele de amatori. Nu voi vorbi despre nuanțe și „trucuri” - fiecare ar trebui să-și umple propriile denivelări, să câștige experiență și să opereze deja cu ea. Și așa am mers:

Câteva despre densitatea de curent în conductorii imprimați

Adesea oamenii nu se gândesc la acest parametru și am văzut unde partea de putere este realizată cu conductori de 0,6 mm cu 80% din suprafața plăcii pur și simplu goală. De ce fac asta este un mister pentru mine.

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. De asemenea, puteți trece un curent mai mare, dar înainte de asta, coborâți-l în azot lichid. Conductoarele plate, ca pe o placă de circuit imprimat, de exemplu, au o suprafață mare, este mai ușor să le răcești, ceea ce înseamnă că îți poți permite densități mari de curent. Pentru condiții normale cu răcire pasivă sau cu aer, se obișnuiește să se ia în considerare 35-50 A / mm 2, unde 35 este pentru răcire pasivă, 50 este în prezența circulației artificiale a aerului (cazul meu). Mai există o 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 prin imersie.

L-am întâlnit pe acesta din urmă în timp ce lucram cu o companie care era angajată în inginerie de comunicații și proiectare de servere, iar designul mi-a revenit. 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 și au arătat această posibilitate la stand - apoi mi-am dat seama de ce rafturile întregi cu servere sunt scufundate în bazine uriașe de ulei)))

În bucata mea de fier, totul este mai simplu, cifra de 50 A / mm 2 este destul de adecvată pentru sine, cu o grosime de cupru de 35 de microni, poligoanele vor oferi fără probleme secțiunea transversală dorită. Restul a fost pentru dezvoltare generalăși înțelegerea problemei.

2) Lungimea conductorilor - în acest paragraf nu este necesară egalizarea liniilor cu o precizie de 0,1 mm, așa cum se face, de exemplu, la „cablarea” magistralei de date DDR3. Deși este încă foarte de dorit să se facă lungimea linii de semnal cam aceeasi lungime. +-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 semnalelor 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 taste. Acest lucru este valabil mai ales cu o valoare mică a „timp mort”, chiar și la 3% pentru TL494, acest lucru este adevărat;

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

4) Decalaj de izolare galvanică - acesta este decalajul dintre secțiunile izolate galvanic ale plăcii, de obicei, cerința de defecțiune este de aproximativ 5 kV. Pentru a sparge 1 mm de aer, este nevoie de aproximativ 1-1,2 kV, dar la noi o defalcare este posibilă nu numai prin aer, ci și prin textolit 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 de mai sus, putem concluziona că aproximativ 5-6 mm de spațiu liber va fi suficient. Practic, împărțirea poligoanelor sub transformator, pentru că. este principalul mijloc de izolare galvanică.

Acum să trecem direct la designul plăcii, nu voi vorbi în acest articol în detaliu și, în general, nu este mult să scrii o carte întreagă de text de dorință. Daca exista grup mare cei care doresc (voi face un sondaj la final), apoi pur și simplu voi filma videoclipuri pe „cablarea” acestui dispozitiv, va fi și mai rapid și mai informativ.

Etapele creării unei plăci de circuit imprimat:

1) Primul pas este determinarea dimensiunilor aproximative ale dispozitivului. Dacă aveți o carcasă gata făcută, atunci ar trebui să măsurați amprenta în ea și să începeți de la ea în dimensiunile plăcii. Plănuiesc să realizez o carcasă la comandă din aluminiu sau alamă, așa că voi încerca să fac cel mai compact dispozitiv fără a pierde calitatea și caracteristicile de performanță.

Figura 9 - Creăm un gol 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 încă de testamentul meu despre Lenin, când veți asambla totul în panouri și faceți un semifabricat pentru producție, iar designerii care vor crea carcasa conform plăcii voastre vă vor plia cu blesteme. Nu creați o placă cu dimensiunile ala „208.625 mm” decât dacă este absolut necesar!
P.S. multumesc lui. Lunkov pentru faptul că mi-a transmis totuși această idee strălucitoare))

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 procesul 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 a „Rezonit” pentru clasa de precizie standard (a 4-a).

Figura 10 - Crearea unei reguli pentru găurile neplacate

2) Următorul pas este să faci aranjarea componentelor, ținând cont de toate cerințele, ar trebui să fie deja foarte aproape de versiunea finală, deoarece cea mai mare parte va fi determinată acum de dimensiunile finale ale plăcii și de factorul de formă a acesteia.

Figura 11 - Amplasarea primară a componentelor finalizată

Instalate componentele principale, cel mai probabil nu se vor mișca și, prin urmare dimensiuni plăcile sunt definite 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, respectiv, există un singur strat de serigrafie.

Figura 13 - Vedere 3D a plăcii după plasarea componentelor

3) Acum, după ce am stabilit locația și structura de ansamblu aranjam componentele rămase și „împărțim” placa. Proiectarea plăcii se poate face în două moduri: manual și cu ajutorul unui autorouter, după ce a descris anterior acțiunile sale cu câteva zeci de reguli. Ambele metode sunt bune, dar voi face această placă cu mâinile, pentru că. există puține componente și nu există cerințe speciale pentru alinierea liniei și integritatea semnalului aici și nu ar trebui să fie. 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 „creați” plăcile automat în 2 minute. Adevărat, înainte de asta va fi necesar să scrieți regulile toată ziua, heh.

După 3-4 ore de „vrăjitorie” (în jumătate din timp am desenat modelele lipsă) cu temperatură și o ceașcă de ceai, am despărțit în sfârșit tabla. Nici nu m-am gândit să economisesc spațiu, mulți vor spune că dimensiunile ar putea fi reduse cu 20-30% și vor avea dreptate. Am o bucată de copie și pierderea de timp, care este clar mai scumpă decât 1 dm 2 pentru o placă cu două straturi, a fost doar păcat. Apropo, despre prețul plăcii - atunci când comandați la Resonit, 1 dm 2 dintr-o placă cu două straturi dintr-o clasă standard costă aproximativ 180-200 de ruble, așa că nu puteți economisi mult aici, cu excepția cazului în care, desigur, au un lot de peste 500 de bucăți. Pe baza acestui lucru, pot sfătui - nu pervertiți cu o scădere a suprafeței, dacă clasa 4 și fără cerințe pentru dimensiuni. Și iată 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 iasă, de exemplu , că placa principală interferează cu conectorii de pe carcasă sau indicație. Pentru a face acest lucru, încerc întotdeauna să desenez toate componentele într-o formă 3D, rezultatul este acest rezultat și un fișier în formatul .step pentru mine. Autodesk Inventor:

Figura 15 - Vedere 3D a dispozitivului rezultat

Figura 16 - Vedere 3D a dispozitivului (vedere de sus)

Acum documentația este gata. Acum este necesar să generez pachetul de fișiere necesar pentru comandarea componentelor, am toate setările deja înregistrate în Altium, așa că totul se descarcă cu un singur buton. Avem nevoie de fișiere Gerber și un fișier NC Drill, primul stochează informații despre straturi, al doilea stochează coordonatele de foraj. Puteți vedea fișierul pentru încărcarea documentației la sfârșitul articolului din proiect, totul arată cam așa:

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

După ce fișierele sunt gata, puteți comanda plăci. Nu o să recomand anumiți producători, cu siguranță există alții mai buni și mai ieftini pentru prototipuri. Comand toate plăcile din clasa standard de 2,4,6 straturi în Rezonit, în același loc plăci de 2 și 4 straturi de clasa a 5-a. Plăcile din clasa 5, în care 6-24 de straturi sunt în China (de exemplu, pcbway), dar plăcile HDI și clasa 5 cu 24 sau mai multe straturi sunt deja doar în Taiwan, la fel, calitatea în China este încă șchiopătă și unde eticheta de preț nu este șchioapă deja nu atât de plăcută. Totul este despre prototipuri!

După convingerile mele, mă duc la Rezonit, o, câți nervi s-au zdrobit și au băut sânge... dar în timpuri recente ca corectat și a început să lucreze mai adecvat, deși cu lovituri. Formez comenzi prin contul meu personal, introduc date despre taxă, încarc fișiere și trimit. Îmi place contul lor personal, apropo, ia în considerare imediat prețul și prin modificarea parametrilor poți obține un preț mai bun fără a pierde calitatea.

De exemplu, acum îmi doream o placă pe un PCB de 2 mm cu cupru de 35 µm, dar s-a dovedit că această opțiune este de 2,5 ori mai scumpă decât opțiunea cu PCB de 1,5 mm și 35 µm - așa că am ales-o pe cea din urmă. Pentru a crește rigiditatea plăcii, am adăugat găuri suplimentare pentru rafturi - problema este rezolvată, prețul este optimizat. Apropo, dacă placa intra într-o serie, atunci undeva pe 100 de bucăți această diferență ar dispărea de 2,5 ori și prețurile ar deveni egale, pentru că atunci ne-a fost cumpărată o foaie non-standard și a fost cheltuită fără reziduuri.

Figura 18 - Vederea finală a calculului costului plăcilor

Costul final este determinat: 3618 ruble. Dintre acestea, 2100 este pregătire, se plătește o singură dată pe proiect, toate repetările ulterioare ale comenzii merg fără ea și plătesc doar suprafața. În acest caz, 759 de ruble pentru o placă cu o suprafață de 3,3 dm 2, cu cât seria este mai mare, cu atât costul este mai mic, deși acum este de 230 de ruble / dm 2, ceea ce este destul de acceptabil. Desigur, a fost posibil să fac producție urgentă, dar comand des, lucrez cu un singur manager și fata încearcă întotdeauna să împingă comanda mai repede dacă producția nu este încărcată - ca urmare, cu opțiunea „serie mică”, durează 5-6 zile, e suficient doar să comunici politicos și să nu fii nepoliticos cu oamenii. Și nu am de unde să mă grăbesc, așa că am decis să economisesc vreo 40%, ceea ce este cel puțin frumos.

Epilog

Ei bine, am ajuns la concluzia logică a articolului - obținerea circuitelor, designul plăcilor și comandarea plăcilor în producție. În total vor fi 2 părți, prima este în fața ta, iar în a doua vă voi spune cum am instalat, asamblat și depanat dispozitivul.

După cum am promis, împărtășesc codul sursă al proiectului și alte produse de activitate:

1) Sursa proiectului în Altium Designer 16 - ;
2) Fișiere pentru comanda plăci de circuite imprimate - . Dintr-o dată vrei să repete și să comanzi, de exemplu, în China, această arhivă este mai mult decât suficientă;
3) Diagrama dispozitivului în pdf - . Pentru cei care nu vor să piardă timpul instalând Altium pe telefon sau pentru familiarizare (de înaltă calitate);
4) Din nou, pentru cei care nu vor să instaleze software grele, dar este interesant să răsucească bucata de fier, postez un model 3D în pdf - . Pentru a-l vizualiza, trebuie să descărcați fișierul, când îl deschideți în colțul din dreapta sus, faceți clic pe „trust the document only once”, apoi băgăm în centrul fișierului și ecranul alb se transformă într-un model.

As vrea sa cer si parerea cititorilor... Acum placile sunt comandate, componentele sunt si - de fapt sunt 2 saptamani, despre ce sa scriu un articol? Pe lângă astfel de „mutanți” precum acesta, uneori vrei să faci ceva în miniatură, dar util, am prezentat mai multe opțiuni în sondaje, sau oferi o opțiune proprie, probabil într-un mesaj personal, pentru a nu aglomera comentariile. .

Ce subiect să alegi pentru următorul articol?