Zariadenie počítačových zdrojov a spôsoby ich testovania. Kategória - Spínané napájacie zdroje

Na rozdiel od tradičných lineárnych zdrojov, ktoré predpokladajú tlmenie nadmerného nestabilizovaného napätia na lineárnom priechodnom prvku, pulzné zdroje využívajú na generovanie stabilizovaného napätia iné metódy a fyzikálne javy, a to: vplyv akumulácie energie v induktoroch, ako aj možnosť vysokofrekvenčnej transformácie a premeny uloženej energie na konštantný tlak. Existujú tri typické schémy pre konštrukciu impulzných napájacích zdrojov (pozri obr. 3.4-1): step-up (výstupné napätie je vyššie ako vstupné), step-down (výstupné napätie je nižšie ako vstupné) a invertujúce (výstupné napätie má opačné napätie). polarita vzhľadom na vstup). Ako je zrejmé z obrázku, líšia sa iba spôsobom pripojenia indukčnosti, inak princíp činnosti zostáva nezmenený, a to.

Používa sa kľúčový prvok (zvyčajne sa používajú bipolárne alebo MOS tranzistory), ktorý pracuje s frekvenciou rádovo 20-100 kHz, periodicky na krátky čas (nie viac ako 50% času).


dáva induktoru plné vstupné neregulované napätie. impulzný prúd. prúdiaci cez cievku, zabezpečuje akumuláciu energie vo svojom magnetickom poli 1/2LI^2 na každý impulz. Takto uložená energia z cievky sa prenáša do záťaže (buď priamo, pomocou usmerňovacej diódy, alebo cez sekundárne vinutie a následne usmernená), výstupný vyhladzovací filtračný kondenzátor zabezpečuje konštantné výstupné napätie a prúd. Stabilizácia výstupného napätia je zabezpečená automatickým nastavením šírky alebo frekvencie impulzov na kľúčovom prvku (obvod spätnej väzby je určený na sledovanie výstupného napätia).

Táto, aj keď pomerne zložitá schéma, môže výrazne zvýšiť účinnosť celého zariadenia. Faktom je, že v tomto prípade okrem samotného zaťaženia nie sú v obvode žiadne výkonové prvky, ktoré by rozptyľovali významný výkon. Kľúčové tranzistory pracujú v saturovanom kľúčovom režime (t.j. pokles napätia na nich je malý) a rozptyľujú energiu iba v pomerne krátkych časových intervaloch (čas impulzu). Navyše zvýšením konverznej frekvencie je možné výrazne zvýšiť výkon a zlepšiť hmotnostné a rozmerové charakteristiky.

Dôležitou technologickou výhodou pulzných IP je možnosť vybudovať na ich základe malú sieťovú IP s galvanickým oddelením od siete pre napájanie širokej škály zariadení. Takéto IP sú postavené bez použitia objemného nízkofrekvenčného výkonového transformátora podľa obvodu vysokofrekvenčného meniča. Toto je v skutočnosti typický obvod impulzného napájacieho zdroja s redukciou napätia, kde sa ako vstupné napätie používa usmernené sieťové napätie a ako vysokofrekvenčný transformátor (malý a s vysokou účinnosťou) akumulačný prvok, z ktorého sekundárneho vinutia je odvádzané výstupné stabilizované napätie (tento transformátor zároveň zabezpečuje galvanické oddelenie od siete).

Nevýhody impulzných napájacích zdrojov zahŕňajú: prítomnosť vysokej úrovne impulzného šumu na výstupe, vysokú zložitosť a nízku spoľahlivosť (najmä pri remeselnej výrobe), nutnosť použitia drahých vysokonapäťových vysokofrekvenčných komponentov, ktoré v v prípade najmenšej poruchy ľahko „hromadne“ zlyhá (čo zvyčajne vedie k veľkolepým pyrotechnickým efektom). Tí, ktorí sa radi ponoria do vnútra zariadení pomocou skrutkovača a spájkovačky, budú musieť byť veľmi opatrní pri navrhovaní sieťovej pulznej IP, pretože mnohé prvky takýchto obvodov sú pod vysokým napätím.

3.4.1 Efektívny nízko sofistikovaný spínací regulátor

Na základni prvkov, podobnej tej, ktorá sa používa v lineárnom stabilizátore popísanom vyššie (obr. 3.3-3), môžete postaviť spínací regulátor napätia. Pri rovnakých charakteristikách bude mať výrazne menšie rozmery a lepšie tepelné podmienky. Schematický diagram takéhoto stabilizátora je znázornený na obr. 3,4-2. Stabilizátor je zostavený podľa typickej schémy s poklesom napätia (obr. 3.4-1a).

Pri prvom zapnutí, keď je kondenzátor C4 vybitý a na výstup je pripojená dostatočne výkonná záťaž, prúd tečie cez lineárny regulátor IC DA1. Pokles napätia na R1 spôsobený týmto prúdom odblokuje kľúčový tranzistor VT1, ktorý okamžite prejde do režimu saturácie, pretože indukčný odpor L1 je veľký a tranzistorom preteká dostatočne veľký prúd. Pokles napätia na R5 otvára hlavný kľúčový prvok - tranzistor VT2. Aktuálne. rastie v L1, nabíja C4, zatiaľ čo prepisuje spätnú väzbu na R8



pred stabilizátorom a kľúčovým tranzistorom. Energia uložená v cievke poháňa záťaž. Keď napätie na C4 klesne pod stabilizačné napätie, otvorí sa DA1 a kľúčový tranzistor. Cyklus sa opakuje pri frekvencii 20-30 kHz.

Reťaz R3. R4, C2 nastaví úroveň výstupného napätia. Dá sa plynulo nastaviť v malom rozsahu, od Uct DA1 po Uin. Ak je však Vout zdvihnutý blízko k Vin, dochádza k určitej nestabilite pri maximálnom zaťažení a zvýšenej úrovni zvlnenia. Na potlačenie vysokofrekvenčného zvlnenia je na výstupe stabilizátora zaradený filter L2, C5.

Schéma je pomerne jednoduchá a najefektívnejšia pre túto úroveň zložitosti. Všetky výkonové prvky VT1, VT2, VD1, DA1 sú dodávané s malými radiátormi. Vstupné napätie nesmie presiahnuť 30 V, čo je maximum pre stabilizátory KR142EN8. Usmerňovacie diódy by sa mali používať pre prúd najmenej 3 A.

3.4.2 Zariadenie na nepretržité napájanie na báze spínacieho regulátora

Na obr. 3.4-3 sa navrhuje zvážiť zariadenie pre neprerušiteľný zdroj napájania bezpečnostné a video monitorovacie systémy založené na pulznom stabilizátore v kombinácii s nabíjačkou. Stabilizátor obsahuje ochranné systémy proti preťaženiu, prehriatiu, výstupným prepätiam, skratom.

Stabilizátor má nasledujúce parametre:

Vstupné napätie, Vvx - 20-30 V:

Výstupné stabilizované napätie, Uvyx-12V:

Menovitý zaťažovací prúd, Menovité zaťaženie -5A;

Prúd činnosti systému ochrany proti preťaženiu, Izasch - 7A;.

Prevádzkové napätie systému prepäťovej ochrany, ochrana Uout - 13 V;

Maximálny nabíjací prúd batérie, batéria Izar max - 0,7 A;

Úroveň zvlnenia. Nárast - 100 mV

Prevádzková teplota systému ochrany proti prehriatiu, Тzasch - 120 With;

Rýchlosť prepínania na napájanie z batérie, tswitch - 10ms (relé RES-b RFO.452.112).

Princíp činnosti spínacieho stabilizátora v opísanom zariadení je rovnaký ako pri vyššie uvedenom stabilizátore.

Zariadenie rozšírené nabíjačka vyrobené na prvkoch DA2, R7, R8, R9, R10, VD2, C7. Regulátor napätia IC DA2 s deličom prúdu na R7. R8 obmedzuje maximálny počiatočný nabíjací prúd, delič R9, R10 nastavuje výstupné nabíjacie napätie, dióda VD2 chráni batériu pred samovybíjaním pri absencii napájacieho napätia.

Ochrana proti prehriatiu využíva termistor R16 ako snímač teploty. Po spustení ochrany sa zapne zvukové signalizačné zariadenie namontované na IC DD 1 a súčasne sa záťaž odpojí od stabilizátora a prepne sa na napájanie z batérie. Termistor je namontovaný na radiátore tranzistora VT1. Presné nastavenie úrovne činnosti teplotnej ochrany sa vykonáva pomocou odporu R18.

Snímač napätia je namontovaný na delič R13, R15. odpor R15 nastavuje presnú úroveň činnosti prepäťovej ochrany (13 V). Pri prekročení napätia na výstupe stabilizátora (pri výpadku posledného) relé S1 odpojí záťaž od stabilizátora a pripojí ho k batérii. Pri výpadku prúdu prejde relé S1 do stavu "default" - t.j. pripája záťaž k batérii.

Tu zobrazený obvod nemá elektronickú ochranu batérie proti skratu. túto úlohu plní poistka v napájacom obvode záťaže, navrhnutá na maximálny odber prúdu.


3.4.3 Napájacie zdroje na báze vysokofrekvenčného impulzného meniča

Pomerne často sú pri navrhovaní zariadení prísne požiadavky na veľkosť zdroja energie. V tomto prípade je jediným východiskom použitie napájacieho zdroja založeného na vysokonapäťových vysokofrekvenčných impulzných meničoch. ktoré sú pripojené do siete ~220 V bez použitia celkového nízkofrekvenčného znižovacieho transformátora a dokážu poskytnúť vysoký výkon s malými rozmermi a odvodom tepla.

Štrukturálna schéma typického pulzného meniča napájaného z priemyselná sieť znázornené na obrázku 34-4.

Vstupný filter je navrhnutý tak, aby zabránil prenikaniu impulzného šumu do siete. Výkonové spínače zabezpečujú prívod vysokonapäťových impulzov do primárneho vinutia vysokofrekvenčného transformátora (jednotlivého resp.



duplexné obvody). Frekvencia a trvanie impulzov sú nastavené riadeným generátorom (zvyčajne sa používa riadenie šírky impulzov, menej často - frekvencia). Na rozdiel od nízkofrekvenčných sínusových transformátorov, pulzné napájacie zdroje využívajú širokopásmové zariadenia na zabezpečenie efektívneho prenosu energie na signáloch s rýchlymi hranami. To kladie značné požiadavky na typ použitého magnetického obvodu a konštrukciu transformátora. Na druhej strane s rastúcou frekvenciou sa požadované rozmery transformátora (pri zachovaní prenášaného výkonu) zmenšujú (moderné materiály umožňujú stavať výkonné transformátory s prijateľnou účinnosťou pri frekvenciách do 100-400 kHz). Vlastnosťou výstupného usmerňovača je použitie nie obyčajných výkonových diód, ale vysokorýchlostných Schottkyho diód, čo je spôsobené vysokou frekvenciou usmerneného napätia. Výstupný filter vyhladzuje zvlnenie výstupného napätia. Spätnoväzbové napätie sa porovnáva s referenčným napätím a potom riadi generátor. Dávajte pozor na prítomnosť galvanického oddelenia v spätnoväzbovom obvode, ktoré je potrebné, ak chceme zabezpečiť oddelenie výstupného napätia od siete.

Pri výrobe takéhoto IP existujú vážne požiadavky na použité komponenty (čo zvyšuje ich náklady v porovnaní s tradičnými). Po prvé, ide o prevádzkové napätie usmerňovacích diód, filtračných kondenzátorov a kľúčových tranzistorov, ktoré by nemalo byť menšie ako 350 V, aby sa predišlo poruchám. Po druhé, mali by sa použiť vysokofrekvenčné kľúčové tranzistory (pracovná frekvencia 20-100 kHz) a špeciálne keramické kondenzátory (bežné oxidové elektrolyty sa pri vysokých frekvenciách prehrievajú kvôli ich vysokej indukčnosti).


činnosť). A po tretie, frekvencia saturácie vysokofrekvenčného transformátora, určená typom použitého magnetického obvodu (spravidla sa používajú toroidné jadrá), musí byť výrazne vyššia ako pracovná frekvencia meniča.

Na obr. 3.4-5 je schematický diagram klasickej IP na báze vysokofrekvenčného meniča. Filter zložený z kondenzátorov C1, C2, C3 a tlmiviek L1, L2 slúži na ochranu napájacieho zdroja pred vysokofrekvenčným rušením z meniča. Generátor je zostavený podľa samooscilačného obvodu a je kombinovaný s kľúčovým stupňom. Kľúčové tranzistory VT1 a VT2 pracujú v protifáze, postupne sa otvárajú a zatvárajú. Spustenie generátora a spoľahlivú prevádzku zabezpečuje tranzistor VT3, ktorý pracuje v režime lavínového rozpadu. Keď napätie na C6 stúpne cez R3, tranzistor sa otvorí a kondenzátor sa vybije na základňu VT2, čím sa spustí generátor. Spätnoväzbové napätie je odstránené z prídavného (III) vinutia výkonového transformátora Tpl.

Tranzistory VT1. VT2 sa inštaluje na doskové radiátory s priemerom najmenej 100 cm ^ 2. Diódy VD2-VD5 so Schottkyho bariérou sú umiestnené na malom radiátore 5 cm ^ 2. Údaje o tlmivke a transformátore: L1-1. L2 je navinutý na krúžkoch z feritu 2000NM K12x8x3 v dvoch drôtoch s drôtom PELSHO 0,25: 20 otáčok. TP1 - na dvoch zložených krúžkoch, ferit 2000NN KZ 1x18,5x7;

vinutie 1 - 82 otáčok drôtom PEV-2 0,5: vinutie II - 25 + 25 otáčok drôtom PEV-2 1,0: vinutie III - 2 otáčky drôtom PEV-2 0,3. TP2 je navinutý na feritovom krúžku 2000NN K10x6x5. všetky vinutia sú vyrobené s drôtom PEV-2 0,3: vinutie 1 - 10 otáčok:

vinutia II a III - po 6 otáčok, obe vinutia (II a III) sú navinuté tak, že zaberajú 50% plochy na krúžku bez toho, aby sa dotýkali alebo prekrývali, vinutie I je navinuté rovnomerne okolo celého krúžku a izolované vrstvou lakovanej látky. Cievky usmerňovacieho filtra L3, L4 sú navinuté na feritovom 2000NM K 12x8x3 s drôtom PEV-2 1.0, počet závitov je 30. KT809A je možné použiť ako kľúčové tranzistory VT1, VT2. KT812, KT841.

Menovité hodnoty prvkov a údaje vinutia transformátorov sú uvedené pre výstupné napätie 35 V. V prípade, že sú potrebné iné prevádzkové parametre, je potrebné zodpovedajúcim spôsobom zmeniť počet závitov vinutia 2 Tr1.

Opísaný obvod má značné nevýhody vzhľadom na túžbu minimalizovať počet použitých komponentov. Ide o nízku úroveň stabilizácie výstupného napätia a nestabilnú nespoľahlivú prevádzku a nízky výstupný prúd. Je však celkom vhodný na napájanie najjednoduchších štruktúr. rôzneho výkonu (pri použití vhodných komponentov), ​​ako sú: kalkulačky, voladlá, svietidlá atď.


Ďalší IP obvod založený na vysokofrekvenčnom pulznom meniči je znázornený na obr. 3,4-6. Hlavný rozdiel medzi týmto obvodom a štandardnou štruktúrou znázornenou na obr. 3.4-4 je nedostatok spätnej väzby. V tomto ohľade je stabilita napätia na výstupných vinutiach RF transformátora Tr2 dosť nízka a je potrebné použiť sekundárne stabilizátory (obvod používa univerzálne integrované stabilizátory na IC série KR142).

3.4.4 Spínací regulátor s kľúčovým MIS tranzistorom so snímaním prúdu.

Miniaturizáciu a zvýšenie efektivity pri vývoji a návrhu spínaných zdrojov uľahčuje použitie novej triedy polovodičových meničov - tranzistorov MOS, ako aj: vysokovýkonné diódy s rýchlou reverznou obnovou, Schottkyho diódy, ultrarýchle diódy , tranzistory s efektom poľa s izolovaným hradlom, integrované obvody na ovládanie kľúčových prvkov. Všetky tieto prvky sú dostupné na domácom trhu a možno ich použiť pri navrhovaní vysokoúčinných napájacích zdrojov, meničov, zapaľovacích systémov pre spaľovacie motory (ICE), štartovacích systémov lámp denné svetlo(LDS). Veľkým záujmom vývojárov môže byť aj trieda výkonových zariadení s názvom HEXSense - MIS tranzistory so snímaním prúdu. Sú ideálnymi spínacími prvkami pre spínané zdroje pripravené na prevádzku. Schopnosť čítať prúd spínacieho tranzistora je možné využiť v impulzných zdrojoch pre prúdovú spätnú väzbu požadovanú PWM regulátorom. Tým sa dosiahne zjednodušenie konštrukcie napájacieho zdroja - vylúčenie prúdových odporov a transformátorov z neho.

Na obr. 3.4-7 je znázornená schéma spínaného zdroja s výkonom 230 W. Jeho hlavné výkonnostné charakteristiky sú nasledovné:

Vstupné napätie: -110V 60Hz:

Výstupné napätie: 48 V DC:

Záťažový prúd: 4,8 A:

Spínacia frekvencia: 110 kHz:

Účinnosť pri plnom zaťažení : 78%;

Účinnosť pri 1/3 záťaži: 83 %.


Základom obvodu je modulátor šírky impulzov (PWM) s vysokofrekvenčným meničom na výstupe. Princíp činnosti je nasledujúci.

Kľúčový riadiaci signál tranzistora pochádza z výstupu 6 PWM regulátora DA1, pracovný cyklus je obmedzený na 50% rezistorom R4, R4 a SZ sú časovacie prvky generátora. Napájanie DA1 je zabezpečené reťazou VD5, C5, C6, R6. Rezistor R6 je určený na napájanie napätia pri štarte generátora, následne sa aktivuje spätná väzba napätia cez LI, VD5. Táto spätná väzba sa získava z prídavného vinutia vo výstupnej tlmivke, ktorá pracuje v režime spätného chodu. Okrem napájania generátora je spätnoväzbové napätie cez reťaz VD4, Cl, Rl, R2 privádzané na vstup napäťovej spätnej väzby DA1 (vývod 2). Prostredníctvom R3 a C2 je zabezpečená kompenzácia, ktorá zaručuje stabilitu spätnej väzby.

Na základe tejto schémy je možné postaviť spínacie stabilizátory s inými výstupnými parametrami.

Lineárne a spínané zdroje

Začnime od základov. Napájací zdroj v počítači plní tri funkcie. po prvé, striedavý prúd z domáceho napájacieho zdroja musí byť prevedený na trvalý. Druhou úlohou zdroja je znížiť napätie 110-230 V, ktoré je pre elektroniku počítača redundantné, na štandardné hodnoty požadované výkonovými meničmi pre jednotlivé komponenty PC - 12 V, 5 V a 3,3 V (ako ako aj záporné napätia, o ktorých budeme hovoriť o niečo neskôr). Nakoniec PSU hrá úlohu stabilizátora napätia.

Existujú dva hlavné typy napájacích zdrojov, ktoré vykonávajú tieto funkcie - lineárne a spínacie. Najjednoduchší lineárny PSU je založený na transformátore, na ktorom sa striedavé napätie zníži na požadovanú hodnotu a potom sa prúd usmerní diódovým mostíkom.

Zdroj je však tiež potrebný na stabilizáciu výstupného napätia, čo je spôsobené nestabilitou napätia v domácej sieti a poklesom napätia v reakcii na zvýšenie prúdu v záťaži.

Na kompenzáciu poklesu napätia v lineárnom napájacom zdroji je transformátor dimenzovaný tak, aby poskytoval nadmerný výkon. Potom pri vysokom prúde v záťaži bude dodržané požadované napätie. Neprijateľné je však aj prepätie, ku ktorému dôjde bez akýchkoľvek kompenzačných prostriedkov pri nízkom prúde v užitočnom zaťažení. Nadmerné napätie je eliminované zahrnutím neužitočnej záťaže do obvodu. V najjednoduchšom prípade ide o rezistor alebo tranzistor pripojený cez Zenerovu diódu. V pokročilejšom je tranzistor riadený mikroobvodom s komparátorom. Nech je to akokoľvek, prebytočný výkon sa jednoducho rozptýli vo forme tepla, čo negatívne ovplyvňuje účinnosť zariadenia.

V obvode spínaného napájacieho zdroja sa objaví ďalšia premenná, od ktorej závisí výstupné napätie, okrem dvoch už dostupných: vstupné napätie a odpor záťaže. V sérii so záťažou je kľúč (čo je v prípade nášho záujmu tranzistor), riadený mikrokontrolérom v režime pulzne-šírkovej modulácie (PWM). Čím vyššie je trvanie otvorených stavov tranzistora v pomere k ich perióde (tento parameter sa nazýva pracovný cyklus, v ruskej terminológii sa používa inverzná hodnota - pracovný cyklus), tým vyššie je výstupné napätie. Kvôli prítomnosti kľúča sa spínaný zdroj nazýva aj napájací zdroj so spínaným režimom (SMPS).

Uzavretým tranzistorom netečie žiadny prúd a odpor otvoreného tranzistora je v ideálnom prípade zanedbateľný. V skutočnosti má otvorený tranzistor odpor a rozptýli časť energie vo forme tepla. Tiež prechod medzi stavmi tranzistora nie je dokonale diskrétny. Napriek tomu môže účinnosť impulzného zdroja prúdu prekročiť 90%, zatiaľ čo účinnosť lineárneho zdroja napájania so stabilizátorom dosahuje v najlepšom prípade 50%.


Ďalšou výhodou spínaných zdrojov je radikálne zníženie veľkosti a hmotnosti transformátora v porovnaní s lineárnymi zdrojmi rovnakého výkonu. Je známe, že čím vyššia je frekvencia striedavého prúdu v primárnom vinutí transformátora, tým menšia je požadovaná veľkosť jadra a počet závitov vinutia. Preto je kľúčový tranzistor v obvode umiestnený nie za, ale pred transformátorom a okrem stabilizácie napätia sa používa na výrobu vysokofrekvenčného striedavého prúdu (pre počítačové PSU je to od 30 do 100 kHz a vyššie, a zvyčajne okolo 60 kHz). Transformátor pracujúci na frekvencii 50-60 Hz, pre výkon požadovaný bežným počítačom, by bol desaťkrát masívnejší.

Lineárne PSU sa dnes používajú najmä v prípade zariadení s nízkym výkonom, kedy relatívne zložitá elektronika potrebná pre spínaný zdroj je v porovnaní s transformátorom citlivejšou nákladovou položkou. Sú to napríklad 9 V napájacie zdroje, ktoré sa používajú pre pedále gitarových efektov a raz - pre herné konzoly atď. Ale nabíjačky pre smartfóny sú už úplne pulzné - tu sú náklady oprávnené. Vzhľadom na výrazne nižšiu amplitúdu zvlnenia napätia na výstupe sa lineárne napájacie zdroje používajú aj v oblastiach, kde je táto kvalita žiadaná.

⇡ Všeobecná schéma štandardného napájacieho zdroja ATX

PSU stolného počítača je spínaný zdroj, ktorého vstup je napájaný napätím domácej elektrickej siete s parametrami 110/230 V, 50-60 Hz a na výstupe je niekoľko vedení. priamy prúd, ktorých hlavné sú dimenzované na 12, 5 a 3,3 V. Okrem toho PSU poskytuje napätie -12 V a niekedy aj napätie -5 V potrebné pre zbernicu ISA. Ten však bol v určitom okamihu vylúčený zo štandardu ATX z dôvodu ukončenia podpory samotného ISA.


Vo vyššie uvedenom zjednodušenom diagrame štandardného spínaného zdroja je možné rozlíšiť štyri hlavné stupne. V rovnakom poradí zvažujeme komponenty napájacích zdrojov v recenziách, a to:

  1. EMI filter - elektromagnetické rušenie (RFI filter);
  2. primárny okruh - vstupný usmerňovač (usmerňovač), kľúčové tranzistory (prepínač), ktoré vytvárajú vysokofrekvenčný striedavý prúd na primárnom vinutí transformátora;
  3. hlavný transformátor;
  4. sekundárny okruh - prúdové usmerňovače zo sekundárneho vinutia transformátora (usmerňovače), vyhladzovacie filtre na výstupe (filtrovanie).


⇡ Filter EMI

Filter na vstupe zdroja slúži na potlačenie dvoch typov elektromagnetického rušenia: diferenciálny (diferenciálny režim) - keď rušivý prúd tečie rôznymi smermi v silových vedeniach, a bežný režim (bežný režim) - keď prúd preteká v jeden smer.

Diferenciálny šum je potláčaný CX kondenzátorom (veľký žltý filmový kondenzátor na fotografii vyššie) zapojeným paralelne so záťažou. Niekedy je na každom drôte dodatočne zavesená tlmivka, ktorá vykonáva rovnakú funkciu (nie je v schéme).

Spoločný režimový filter tvoria kondenzátory CY (na fotografii modré keramické kondenzátory v tvare slzy), v spoločnom bode spájajúce elektrické vedenia so zemou, a tzv. spoločná tlmivka (common-mode choke, v schéme LF1), ktorej prúd v dvoch vinutiach tečie rovnakým smerom, čo vytvára odolnosť proti spoločnému šumu.


V lacných modeloch je nainštalovaná minimálna sada častí filtra, v drahších tvoria opísané schémy opakujúce sa (úplne alebo čiastočne) prepojenia. V minulosti nebolo nezvyčajné vidieť PSU bez filtra EMI. Teraz je to skôr kuriózna výnimka, aj keď pri kúpe veľmi lacného zdroja stále môžete naraziť na takéto prekvapenie. V dôsledku toho utrpí nielen a nie tak samotný počítač, ale aj ďalšie zariadenia zahrnuté v domácej sieti - pulzné napájacie zdroje sú silným zdrojom rušenia.

V oblasti filtra dobrého PSU nájdete niekoľko detailov, ktoré chránia samotné zariadenie alebo jeho majiteľa pred poškodením. Takmer vždy existuje jednoduchá poistka na ochranu proti skratu (F1 v schéme). Všimnite si, že keď sa poistka prepáli, chránený objekt už nie je zdrojom napájania. Ak došlo ku skratu, znamená to, že kľúčové tranzistory už prerazili a je dôležité aspoň zabrániť zapáleniu elektrického vedenia. Ak sa poistka náhle prepáli v PSU, potom je s najväčšou pravdepodobnosťou zbytočné ju vymeniť za novú.

Samostatne, ochrana proti krátkodobý napäťové rázy pomocou varistora (MOV - Metal Oxide Varistor). Neexistujú však žiadne prostriedky ochrany pred dlhodobým zvýšením napätia v počítačových zdrojoch. Túto funkciu vykonávajú externé stabilizátory s vlastným transformátorom vo vnútri.

Kondenzátor v obvode PFC za usmerňovačom si môže po odpojení od napájania udržať značný náboj. Aby neopatrná osoba, ktorá vloží prst do napájacieho konektora, nebola šokovaná, je medzi drôty nainštalovaný vysokohodnotný vybíjací odpor (odpor). V sofistikovanejšej verzii - spolu s riadiacim obvodom, ktorý zabraňuje úniku náplne pri prevádzke zariadenia.

Mimochodom, prítomnosť filtra v napájacom zdroji PC (a je tiež v PSU monitora a takmer akéhokoľvek počítačového vybavenia) znamená, že nákup samostatného „prepäťového filtra“ namiesto bežného predlžovacieho kábla je vo všeobecnosti , zbytočné. Vnútri má to isté. Jedinou podmienkou je v každom prípade normálne trojkolíkové vedenie s uzemnením. V opačnom prípade kondenzátory CY pripojené k zemi jednoducho nebudú môcť vykonávať svoju funkciu.

⇡ Vstupný usmerňovač

Po filtri sa striedavý prúd premení na jednosmerný prúd pomocou diódového mostíka – zvyčajne vo forme zostavy v spoločnom puzdre. Samostatný chladič na chladenie mosta je veľmi vítaný. Mostík zostavený zo štyroch diskrétnych diód je atribútom lacných napájacích zdrojov. Môžete sa tiež opýtať, aký prúd je most navrhnutý, aby ste zistili, či zodpovedá výkonu samotného zdroja napájania. Aj keď tento parameter má spravidla dobrú rezervu.

⇡ Aktívny blok PFC

V obvode striedavého prúdu s lineárnou záťažou (ako je napríklad žiarovka alebo elektrický sporák) prúdiaci prúd sleduje rovnakú sínusoidu ako napätie. Ale to nie je prípad zariadení, ktoré majú vstupný usmerňovač, ako sú spínané zdroje. Napájací zdroj prechádza prúdom v krátkych impulzoch, ktoré sa približne časovo zhodujú s vrcholmi sínusoidy napätia (t. j. maximálnym okamžitým napätím), keď sa vyhladzovací kondenzátor usmerňovača dobíja.


Skreslený prúdový signál sa celkovo rozloží na niekoľko harmonických kmitov so sínusoidou danej amplitúdy (ideálny signál, ktorý by nastal pri lineárnej záťaži).

Výkon použitý na vykonanie užitočnej práce (čo je v skutočnosti ohrev komponentov PC) je uvedený v charakteristikách PSU a nazýva sa aktívny. Zvyšok energie generovanej osciláciami harmonického prúdu sa nazýva jalový výkon. Nevykonáva žiadnu užitočnú prácu, ale zahrieva vodiče a zaťažuje transformátory a iné energetické zariadenia.

Vektorový súčet jalového a činného výkonu sa nazýva zdanlivý výkon. A pomer činného výkonu k plnému výkonu sa nazýva účinník (účinník) – nezamieňať s účinnosťou!

Spínaný zdroj má spočiatku pomerne nízky účinník - asi 0,7. Pre súkromného spotrebiteľa jalový výkon nie je problém (našťastie ho nezohľadňujú elektromery), pokiaľ nepoužíva UPS. Neprerušiteľný napájací zdroj len nesie celý výkon záťaže. V meradle kancelárie alebo mestskej siete už prebytok jalového výkonu generovaný spínanými zdrojmi výrazne znižuje kvalitu napájania a spôsobuje náklady, preto sa proti nemu aktívne bojuje.


Najmä veľká väčšina počítačových PSU je vybavená obvodmi aktívnej korekcie účinníka (Active PFC). Jednotku s aktívnym PFC je možné ľahko identifikovať podľa jedného veľkého kondenzátora a induktora inštalovaného za usmerňovačom. Active PFC je v podstate ďalší spínací menič, ktorý na kondenzátore udržiava konštantný náboj cca 400 V. V tomto prípade je prúd zo siete spotrebovaný krátkymi impulzmi, ktorých šírka je zvolená tak, aby sa signál približoval sínusoida - ktorá je potrebná na simuláciu lineárneho zaťaženia. Na synchronizáciu signálu aktuálnej potreby so sínusovým priebehom napätia má regulátor PFC špeciálnu logiku.

Aktívny obvod PFC obsahuje jeden alebo dva kľúčové tranzistory a výkonnú diódu, ktoré sú umiestnené na rovnakom radiátore s kľúčovými tranzistormi hlavného napájacieho meniča. PWM radič hlavného kľúča prevodníka a aktívneho PFC kľúča sú spravidla jeden čip (PWM/PFC Combo).

Účiník spínaných zdrojov s aktívnym PFC dosahuje 0,95 a vyššie. Okrem toho majú jednu výhodu navyše - nevyžadujú sieťový vypínač 110/230 V a zodpovedajúci zdvojovač napätia vo vnútri zdroja. Väčšina obvodov PFC spracováva napätie od 85 do 265 V. Okrem toho je znížená citlivosť zdroja na krátkodobé poklesy napätia.

Mimochodom, okrem aktívnej korekcie PFC existuje aj pasívna, ktorá zahŕňa inštaláciu induktora s vysokou indukčnosťou v sérii so záťažou. Jeho účinnosť je nízka a je nepravdepodobné, že by ste to našli v modernom PSU.

⇡ Hlavný prevodník

Všeobecný princíp činnosti pre všetky impulzné napájacie zdroje izolovanej topológie (s transformátorom) je rovnaký: kľúčový tranzistor (alebo tranzistory) vytvára striedavý prúd na primárnom vinutí transformátora a regulátor PWM riadi pracovný cyklus. ich prepínania. Špecifické obvody sa však líšia tak počtom kľúčových tranzistorov a ďalších prvkov, ako aj kvalitatívnymi charakteristikami: účinnosť, tvar signálu, rušenie atď. Tu však príliš závisí od konkrétnej implementácie, na ktorú sa oplatí zamerať. Pre záujemcov uvádzame súbor schém a tabuľku, ktorá ich umožní identifikovať v konkrétnych zariadeniach podľa zloženia dielov.

tranzistory Diódy Kondenzátory Nohy primárneho vinutia transformátora
Single Transistor Forward 1 1 1 4
Dvojtranzistorový vpred 2 2 0 2
polovičný most 2 0 2 2
Úplný most 4 0 0 2
tlačiť ťahať 2 0 0 3

Okrem vyššie uvedených topológií existujú v drahých PSU rezonančné (rezonančné) verzie Half Bridge, ktoré sa dajú ľahko identifikovať pomocou ďalšej veľkej tlmivky (alebo dvoch) a kondenzátora tvoriaceho oscilačný obvod.

sekundárny okruh

Sekundárny obvod je všetko, čo je za sekundárnym vinutím transformátora. Vo väčšine moderných napájacích zdrojov má transformátor dve vinutia: z jedného sa odstráni 12 V a z druhého 5 V. Prúd sa najskôr usmerní pomocou zostavy dvoch Schottkyho diód - jednej alebo viacerých na zbernicu (na najviac zaťažovaná zbernica - 12 V - sú štyri zostavy vo výkonných zdrojoch). Účinnejšie z hľadiska účinnosti sú synchrónne usmerňovače, ktoré namiesto diód využívajú tranzistory s efektom poľa. To je však výsadou skutočne vyspelých a drahých PSU, ktoré si nárokujú certifikát 80 PLUS Platinum.

3,3V koľajnica je zvyčajne odvodená z rovnakého vinutia ako 5V koľajnica, iba napätie je znížené pomocou saturovateľnej tlmivky (Mag Amp). Špeciálne vinutie na 3,3 V transformátore je exotická možnosť. Zo záporných napätí v súčasnom štandarde ATX zostáva len -12 V, ktoré sa odvádzajú zo sekundárneho vinutia pod 12 V zbernicou cez samostatné nízkoprúdové diódy.

PWM kľúčové ovládanie meniča mení napätie na primárnom vinutí transformátora, a teda na všetkých sekundárnych vinutiach naraz. Súčasne spotreba prúdu počítača nie je v žiadnom prípade rovnomerne rozdelená medzi zbernice PSU. V modernom hardvéri je najviac zaťažená zbernica 12-V.

Na oddelenú stabilizáciu napätia na rôznych zberniciach sú potrebné ďalšie opatrenia. Klasická metóda zahŕňa použitie skupinovej stabilizačnej tlmivky. Cez jeho vinutia prechádzajú tri hlavné pneumatiky a v dôsledku toho, ak sa prúd zvýši na jednom autobuse, napätie na ostatných klesne. Povedzme, že prúd sa zvýšil na 12 V zbernici a aby sa zabránilo poklesu napätia, PWM regulátor znížil pracovný cyklus kľúčových tranzistorov. V dôsledku toho mohlo napätie na 5 V zbernici prekročiť prípustné limity, ale bolo potlačené induktorom skupinovej stabilizácie.

Napätie koľajnice 3,3V je navyše regulované ďalšou saturovateľnou tlmivkou.

V pokročilejšej verzii je zabezpečená samostatná stabilizácia 5 a 12 V zberníc vďaka saturovateľným tlmivkám, ale teraz tento dizajn v drahých vysokokvalitných PSU ustúpil DC-DC meničom. V druhom prípade má transformátor jedno sekundárne vinutie s napätím 12 V a napätia 5 V a 3,3 V sa získavajú vďaka jednosmerným meničom. Táto metóda je najpriaznivejšia pre stabilitu napätia.

Výstupný filter

Posledným stupňom na každej zbernici je filter, ktorý vyhladzuje zvlnenie napätia spôsobené kľúčovými tranzistormi. Okrem toho pulzácie vstupného usmerňovača, ktorých frekvencia sa rovná dvojnásobku frekvencie siete, prenikajú do sekundárneho okruhu PSU v tej či onej miere.

Zvlnený filter obsahuje tlmivku a veľké kondenzátory. Kvalitné zdroje sa vyznačujú kapacitou minimálne 2000 mikrofarád, no výrobcovia lacných modelov majú rezervu na úsporu, keď osadia kondenzátory napríklad polovičnej hodnoty, čo nevyhnutne ovplyvňuje amplitúdu zvlnenia.

⇡ Pohotovostné napájanie +5VSB

Opis komponentov zdroja by bol neúplný bez uvedenia pohotovostného napätia 5 V, ktoré umožňuje uspať PC a zabezpečuje chod všetkých zariadení, ktoré musia byť neustále zapnuté. "Duty room" je napájaný samostatným pulzným meničom s transformátorom s nízkym výkonom. V niektorých napájacích zdrojoch je v obvode spätnej väzby použitý aj tretí transformátor na izoláciu regulátora PWM od primárneho okruhu hlavného meniča. V ostatných prípadoch túto funkciu plnia optočleny (LED a fototranzistor v jednom balení).


⇡ Metodika testovania napájania

Jedným z hlavných parametrov zdroja je stabilita napätia, ktorá sa prejavuje tzv. charakteristika krížového zaťaženia. KHX je diagram, v ktorom je na jednej osi vynesený prúd alebo výkon na zbernici 12 V a na druhej celkový prúd alebo výkon na zbernici 3,3 a 5 V. V priesečníkoch na rôzne významy obe veličiny určujú odchýlku napätia od nominálnej hodnoty na konkrétnej zbernici. V súlade s tým uverejňujeme dva rôzne KNX - pre 12 V zbernicu a pre 5 / 3,3 V zbernicu.

Farba bodky znamená percento odchýlky:

  • zelená: < 1 %;
  • svetlozelená: ≤ 2 %;
  • žltá: < 3 %;
  • oranžová: < 4 %;
  • červená: ≤ 5 %.
  • biela: > 5 % (nie je povolené štandardom ATX).

Na získanie CNC sa používa na zákazku vyrobená testovacia stolica napájacieho zdroja, ktorá vytvára záťaž v dôsledku rozptylu tepla na výkonných tranzistoroch s efektom poľa.


Ďalším rovnako dôležitým testom je určenie rozsahu vlnenia na výstupe zdroja. Štandard ATX umožňuje zvlnenie v rozmedzí 120 mV pre zbernicu 12 V a 50 mV pre zbernicu 5 V. Existujú vysokofrekvenčné zvlnenia (na dvojnásobku frekvencie kľúča hlavného meniča) a nízkofrekvenčné zvlnenie (na dvojnásobok frekvencie siete ).

Tento parameter meriame pomocou USB osciloskopu Hantek DSO-6022BE pri maximálnej záťaži napájacej jednotky určenej špecifikáciami. Na nižšie uvedenom oscilograme zelený graf zodpovedá 12 V zbernici, žltá - 5 V. Je vidieť, že vlnky sú v normálnych medziach a dokonca aj s rezervou.

Pre porovnanie uvádzame obrázok vlnenia na výstupe PSU starého počítača. Tento blok nebol spočiatku skvelý, ale časom sa zjavne nezlepšil. Súdiac podľa rozsahu nízkofrekvenčného zvlnenia (všimnite si, že delenie napäťovej bázy je zvýšené na 50 mV, aby sa zmestili oscilácie na obrazovku), vyhladzovací kondenzátor na vstupe sa už stal nepoužiteľným. Vysokofrekvenčné zvlnenie na 5 V zbernici je na hranici prijateľných 50 mV.



Nasledujúci test určuje účinnosť jednotky pri zaťažení od 10 do 100 % menovitého výkonu (porovnaním výstupného výkonu s príkonom nameraným domácim wattmetrom). Pre porovnanie, graf ukazuje kritériá pre rôzne kategórie 80 PLUS. V dnešnej dobe však nevzbudzuje veľký záujem. V grafe sú výsledky top Corsair PSU v porovnaní s veľmi lacným Antecom a rozdiel nie je až taký veľký.


Naliehavejším problémom pre používateľa je hluk zo vstavaného ventilátora. Priamo to zmerať v blízkosti burácajúceho zdroja nie je možné, preto meriame rýchlosť otáčania obežného kolesa laserovým tachometrom - aj pri výkone od 10 do 100%. V nižšie uvedenom grafe môžete vidieť, že pri nízkej záťaži tohto zdroja si 135 mm ventilátor udržiava nízke otáčky a nie je takmer vôbec počuť. Pri maximálnej záťaži sa už hluk dá rozlíšiť, no úroveň je stále celkom prijateľná.

Majstrovská trieda na vytvorenie domáceho spínacieho zdroja vlastnými rukami.

Autor dizajnu (Sergey Kuznetsov, jeho webová stránka je classd.fromru.com) vyvinul tento domáci sieťový zdroj
pre napájanie výkonného UMZCH (Audio Frequency Power Amplifier). Výhody spínaných zdrojov pred konvenčnými transformátorovými napájacími zdrojmi sú zrejmé:

  • Hmotnosť výsledného produktu je oveľa nižšia
  • Rozmery spínaného zdroja sú oveľa menšie.
  • Účinnosť produktu a tým aj odvod tepla je nižší
  • Rozsah napájacích napätí (napäťových rázov v sieti), pri ktorých môže zdroj stabilne pracovať, je oveľa širší.

Výroba spínaného zdroja si však vyžaduje oveľa viac úsilia a vedomostí ako výroba klasického nízkofrekvenčného zdroja s frekvenciou 50 Hz. Nízkofrekvenčný zdroj pozostáva zo sieťového transformátora, diódového mostíka a vyhladzovacích filtračných kondenzátorov, zatiaľ čo impulzný zdroj má oveľa zložitejšiu štruktúru.

Hlavnou nevýhodou spínaných sieťových zdrojov je prítomnosť vysokofrekvenčného rušenia, ktoré bude potrebné prekonať pri nesprávnom obkresľovaní dosky plošných spojov alebo pri nesprávnom výbere súčiastky. Keď zapnete UPS, spravidla je v zásuvke pozorovaná silná iskra. Je to spôsobené veľkým špičkovým rozbehovým prúdom napájacieho zdroja v dôsledku nabíjania vstupných filtračných kondenzátorov. Na odstránenie takýchto prúdových rázov vývojári navrhujú rôzne systémy„soft start“, ktoré v prvej fáze prevádzky nabíjajú filtračné kondenzátory nízkym prúdom a na konci nabíjania organizujú dodávku plného sieťového napätia do UPS. V tomto prípade sa používa zjednodušená verzia takéhoto systému, ktorým je sériovo zapojený odpor a termistor, ktoré obmedzujú nabíjací prúd kondenzátorov.

Obvod je založený na regulátore IR2153 PWM v štandardnom spínacom obvode. Tranzistory s efektom poľa IRFI840GLC je možné nahradiť IRFIBC30G, autor neodporúča inštalovať ďalšie tranzistory, pretože to bude mať za následok potrebu znížiť hodnotenie R2, R3 a tým aj zvýšenie generovaného tepla. Napätie na regulátore PWM musí byť aspoň 10 voltov. Je žiaduce, aby mikroobvod fungoval pri napätí 11-14 voltov. Komponenty L1 C13 R8 zlepšujú režim činnosti tranzistorov.

Induktory umiestnené na výstupe 10 μg zdroja sú navinuté 1 mm drôtom na feritových činkách s magnetickou permeabilitou 600 NN. Môžete navíjať na tyče zo starých prijímačov, stačí 10-15 otáčok. Kondenzátory v napájacom zdroji by mali mať nízku impedanciu, aby sa znížil RF šum.

Transformátor bol vypočítaný pomocou programu Transformer 2. Indukcia by mala byť zvolená čo najmenšia, najlepšie nie viac ako 0,25. Frekvencia v oblasti 40-80k. Autor neodporúča použitie krúžkov domácej výroby, vzhľadom na nezhodnosť parametrov feritu a značné straty v transformátore. Doska plošných spojov bola navrhnutá pre transformátor veľkosti 30x19x20. Pri nastavovaní napájania je zakázané pripájať zem osciloskopu k pripojovaciemu bodu tranzistorov. Napájanie je vhodné prvýkrát spustiť 220V lampou s výkonom 25-40W zapojenou do série so zdrojom, pričom UPS nemožno silne zaťažovať. Plošný spoj bloku vo formáte LAY je možné stiahnuť

MODUL 3.

Kapitola 4. Funkčné uzly a obvody
impulzné meniče napätia IVEP

Dosť často pri navrhovaní elektronické zariadenia existujú prísne požiadavky na parametre hmotnosti a veľkosti sekundárneho zdroja energie (SWEP). V tomto prípade je jediným východiskom použiť IVEP na báze vysokonapäťových vysokofrekvenčných impulzných meničov napätia, ktoré sú pripojené k sieti ~220 V s prúdovou frekvenciou 50 Hz alebo 115 V a prúdovou frekvenciou 400 Hz bez použitie celkového nízkofrekvenčného zostupného transformátora a napätie je prevedené vysokofrekvenčným meničom na frekvencie 20-400 kHz a môže poskytnúť vysoký výkon s malými rozmermi a rozptylom tepla. Takéto napájacie zdroje majú v porovnaní s lineárnymi rádovo lepšie hmotnostné a veľkostné charakteristiky. IVEP s impulzným vysokofrekvenčným meničom výrazne zlepšuje mnohé charakteristiky zariadení napájaných týmito zdrojmi. Dôvody pre použitie pulzného PVEC na báze vysokofrekvenčného meniča môžu byť: pravdepodobnosť kolísania vstupného napätia v rozmedzí ~100-300 V, schopnosť vytvárať PVEC s výkonom od desiatok wattov do stoviek kilowattov pre akékoľvek výstupné napätie, vznik cenovo dostupných high-tech riešení založených na integrovaných obvodoch a iných moderných komponentoch.

Prechod na používanie prevažne spínaných zdrojov je spôsobený množstvom technických a ekonomických faktorov, z ktorých najdôležitejšie sú tieto:

· Beztransformátorové napájacie zdroje (UPS) do 500 W majú výrazne vyššie hmotnostné a rozmerové charakteristiky v porovnaní s analógmi vyrobenými na báze sieťových transformátorov;

· vinutia transformátorov VF kolísania UPS majú vyššiu prúdovú hustotu, pri ich výrobe sa používa oveľa menej neželezných kovov, čo vedie k nižším nákladom na výrobu a suroviny;

· vysoká saturačná indukcia a nízke špecifické straty materiálov jadier vysokofrekvenčných transformátorov umožňujú vytvárať UPS s celkovou účinnosťou presahujúcou 80%, čo je v konvenčných zdrojoch nedosiahnuteľné;

· dostatok možností pre automatickú úpravu menovitých výstupných sekundárnych napätí ovplyvňovaním primárnych obvodov RF prevodníka.

Uvažujme niekoľko príkladov blokových schém na zostavenie UPS s primárnym napätím 220 V, 50 Hz.

Na obr. 74, a je uvedená bloková schéma spínaného zdroja energie, vyrobená podľa pomerne tradičnej schémy.

Usmerňovač, filter a stabilizátor dostupný v sekundárny okruh tohto napájacieho zdroja sú postavené na základe komponentov nachádzajúcich sa v konvenčných napájacích zdrojoch. Názvy týchto uzlov prezrádzajú ich účel a nepotrebujú vysvetlenie. Spôsob implementácie stabilizátora (lineárny alebo impulzný) v tomto prípade nie je až taký dôležitý v porovnaní s jeho prítomnosťou ako samostatnej funkčnej jednotky. Sekundárny napájací obvod v rôznych verziách zdroja je možné doplniť ďalším filtrom, ktorý sa inštaluje medzi stabilizátor a záťaž. Hlavnými komponentmi primárneho okruhu sú: vstupný filter, usmerňovač sieťového napätia a RF prevodník usmerneného napájacieho napätia s TV transformátorom.

Potreba použitia vstupného filtra je spôsobená tým, že v prvom rade musí tento filter eliminovať prudké krátkodobé rázy napájacieho napätia a impulzný šum spôsobený prevádzkou blízkeho impulzné zariadenia(HF rušenie) alebo vyskytujúce sa v čase pripájania alebo odpájania susedných záťaží od siete. Po druhé, filter musí účinne eliminovať rušenie, ktoré vstupuje do siete priamo z použitého zdroja energie.

V spínanom zdroji (obr. 74, a) používa sa kaskáda samooscilačného typu RF prevodníka, ktorého režim samokmitov je určený iba hodnotou hodnôt vlastných prvkov a nie je regulovaný.

Napájací zdroj vyrobený podľa schémy znázornenej na obr. 74, a, môže navyše obsahovať snímač preťaženia, ktorý pôsobí buď na stabilizátor alebo na RF prevodník a blokuje jeho činnosť, kým sa neodstráni príčina poruchy.

Pri správnom výbere základne prvkov je zdroj vyrobený podľa tejto schémy ľahko realizovateľný - to je jeho hlavná výhoda, avšak vzhľadom na relatívne nízku účinnosť sa používa zriedka. Zníženie účinnosti nastane so zvýšením počtu sekundárnych kanálov rôznych napätí, pretože každý z nich bude vyžadovať samostatný regulátor napätia. Významnou nevýhodou obvodu môže byť aj veľmi vysoká citlivosť samooscilátorov v kombinácii s výkonovým stupňom IP na záťaž. Jeho zmena môže viesť k narušeniu RF oscilácií a nestabilite napájania tohto druhu.

Bloková schéma sieťového zdroja, zostaveného s ohľadom na optimálne princípy regulácie výstupného napätia, je na obr. 74, b.


Obr. 74, b

Zásadným rozdielom medzi touto blokovou schémou a predchádzajúcou je absencia sekundárneho stabilizátora napätia. Okrem toho do nej pribudol merací obvod, hlavný oscilátor, riadiaci obvod a zmenili sa funkcie kaskády RF prevodníkov. Výkonový stupeň pracuje v režime výkonového zosilňovača kmitov vychádzajúcich z riadiaceho obvodu. Jeho záťažou je RF transformátor. Tu možno RF prevodník nazvať súborom nasledujúcich uzlov: hlavný oscilátor, riadiaci obvod, RF výkonový zosilňovač, RF transformátor ( TV). Zdroj vyrobený v súlade s blokovou schémou znázornenou na obr. 74, b, súčasne vykonáva dve funkcie - konverziu a stabilizáciu napätia. Riadiaci obvod obsahuje modulátor šírky impulzu a úplne určuje režim prevádzky PA. Výstupné napätie riadiaci obvod má tvar pravouhlých impulzov. Zmenou trvania prestávky medzi týmito impulzmi sa reguluje tok energie do sekundárneho okruhu. Počiatočnými parametrami pre činnosť riadiaceho obvodu sú chybové signály prichádzajúce z meracieho obvodu, v ktorých sa porovnáva referenčná hodnota napätia so skutočnou aktuálne prítomnou na záťaži. Pri chybovom signáli riadiaci obvod mení dĺžku prestávky medzi impulzmi v smere jej zvyšovania alebo znižovania v závislosti od veľkosti odchýlky skutočnej hodnoty napätia od nominálnej. Riadiaci obvod môže obsahovať najmä jednotku na ochranu PA kaskády pred preťažením a skratom.

Prítomnosť PWM prenášaného napätia kladie určité požiadavky na parametre a konštrukciu vyhladzovacieho filtra pre usmernené sekundárne napätie. Prvým prvkom tohto filtra za usmerňovačom musí byť tlmivka v každom sekundárnom napäťovom kanáli.

Znázornené na obr. 74, b obvod je štruktúrou jednokanálového napájacieho systému, zatiaľ čo skutočné zdroje majú spravidla niekoľko sekundárnych kanálov s rôznou nosnosťou.

Na obr. 75 znázorňuje blokovú schému impulzného viackanálového meniča napätia. Merací obvod je v takýchto prípadoch pripojený ku kanálu s najväčším odberom. Zvyšné kanály sú stabilizované pomocou samostatných stabilizátorov alebo metód riadenia založených na interakcii magnetických tokov.


V ostatných prípadoch sa používajú výstupné filtračné obvody, ktoré sú vyrobené na magnetickom obvode spoločnom pre všetky výstupné kanály. Nastavenie napätia pre nehlavné kanály je možné vykonať v malom rozsahu a s relatívne malými zmenami zaťaženia. Pri opise praktické schémy implementácii IP budú podrobnejšie zvážené otázky stabilizácie sekundárnych napätí súčasne cez niekoľko kanálov.

Vlastnosťou výstupného usmerňovača je použitie nie obyčajných výkonových diód, ale vysokorýchlostných Schottkyho diód, čo je spôsobené vysokou frekvenciou usmerneného napätia. Výstupný filter vyhladzuje zvlnenie výstupného napätia. Spätnoväzbové napätie sa porovnáva s referenčným napätím pomocou meracieho systému a potom sa rozdielový signál privádza do impulzného regulátora (modulátora). Napätie vo forme vysokofrekvenčných pravouhlých impulzov z výstupu PWM regulátora sa privádza na vstup tranzistorov prispôsobovacieho zariadenia, ktoré riadi činnosť vysokofrekvenčného výkonového zosilňovača. Modulátor PWM je v súčasnosti implementovaný na mikroobvode, ktorý je napájaný prídavným zdrojom napájania. V sieťových meničoch je spravidla galvanické oddelenie spätnoväzbového obvodu. Je potrebné, ak je potrebné zabezpečiť oddelenie výstupného napätia od siete.

Hlavným uzlom meniča napätia je jeho výkonová časť (výkonný koncový stupeň - výkonový zosilňovač).

Koncové stupne všetkých meničov napätia možno rozdeliť do dvoch veľkých tried podľa počtu impulzov prenesených do záťaže za jednu periódu: jednocyklové a push-pull. Ak sa prenáša jeden impulz, potom sa prevodník nazýva jednocyklový, ak dva, potom dvojcyklový. Účinnosť prvej je nižšia ako druhá, preto sa na vytvorenie IVEP používajú jednocyklové s výkonom menším ako 10 ... 200 W. Push-pull meniče umožňujú získať vysoký výstupný výkon s vysokou účinnosťou. Jednocyklové meniče môžu byť postavené podľa dopredného (s priamym zapojením diódy) alebo flyback obvodu (so spätným zapojením diódy). Push-pull meniče môžu byť mostíkové, polomostíkové alebo so stredným bodom primárneho vinutia transformátora.

Povedal som, že budem pokračovať v príbehu o práci so súčasnými senzormi založenými na Hallovom efekte. Od toho momentu ubehlo dosť času, vydanie pokračovania sa oneskorilo a ja nie som zástancom písania „nudnej teórie“, takže ma čakala praktická úloha.

Ďalším dôvodom nedostatku článkov bola moja práca v jednej “modernej úspešnej IT hardvérovej firme”, teraz som ju konečne opustil a presedlal som na voľnú nohu, takže bol čas na článok))

Nedávno ma oslovil môj starý mentor a veľmi dobrý človek. Prirodzene, nemohol som odmietnuť pomoc, ale všetko sa ukázalo byť celkom jednoduché - bol som požiadaný, aby som vyrobil napájací zdroj pre FT-450 HF transceiver, ktorý by bol stabilnejší v prevádzke, najmä pri nižšom vstupnom napätí, ako už existujúca stredná studňa. Upozorňujem, nehovorím, že Mean Well je zlá firma, len je v tomto prípade náklad dosť špecifický, a tak sú ich produkty celkom dobré.

Diagnóza je asi takáto:


- Deklarovaný je výstupný prúd 40A, v skutočnosti pri spotrebe 30-35A (pri prenose) jednotka prejde do ochrany;
- Pri silnom ohreve nepretržité zaťaženie;
- Stáva sa úplne zlým, keď ho používa v krajine, kde je napätie v sieti 160-180V;
- Maximálne napätie je 13,2-13,4V, ale chcel by som 13,8-14V s možnosťou ladenia + -20%.

Charakteristickým rysom tohto článku bude, že projekt sa pohybuje spolu s ním. Práve som si k tomu sadol, a preto vám môžem povedať o všetkých fázach vývoja: od technických špecifikácií až po hotový prototyp. Nenašiel som články v tomto formáte s úletom na geeka, zvyčajne ľudia píšu potom, čo spravia všetku prácu a zabudnú na polovicu maličkostí, ktoré často nesú hlavný záujem. Chcem tiež napísať tento článok v jazyku dostupnom pre začiatočníkov, takže miestni guru by mali mať o niečo jednoduchšie vzťah k „neakademickým“ mojím štýlom.

Technické požiadavky

Každý projekt vždy začína technickou úlohou a diskusiami. Prešli sme diskusiami, TOR zostáva. Môj projekt nie je komerčný, ale open source, takže nebudem míňať veľké množstvočas a obmedziť sa na zoznam technické požiadavky.

Načo to je? Tí, ktorí pracujú v spoločnostiach súvisiacich s vývojom niečoho, mi pochopia - „bez technických špecifikácií sa projekt nerozbehne“, ale pre ľudí, ktorí nesúvisia s priemyselným rozvojom, tento bod nemusí byť zrejmý. Dovoľte mi teda trochu vysvetliť...

Ak sa počas procesu vývoja nespoliehate na technické špecifikácie, potom s pravdepodobnosťou asi 100% zanecháte pôvodne požadovaný výsledok. Napríklad ste najprv chceli získať 1000 W energie z napájacieho zdroja, ale nenašli ste vhodný transformátor a dali ste ten, ktorý vám prišiel pod ruku. V dôsledku toho sa kus železa stal 700 wattmi a vy ste plánovali 1 000! Pre amatéra to nie je smrteľné, jednoducho zabije veľa peňazí a času bez výsledku. Pre zamestnávateľa inžiniera je to finančná katastrofa, oneskorený projekt a pre inžiniera je to často len kopanec do zadku na ulici. A bude tam more takýchto nuancií, okrem transformátora nebude nič iné, na hlavu vám padne jablko a vy sa rozhodnete pridať nejaké „svetlá“ a tak ďalej.

Ako sa tomu vyhnúť? Práve na to prišiel ponurý sovietsky génius "GOST 34. Vývoj automatizovaného riadiaceho systému (ACS)". Stačí urobiť TK podľa tohto GOST, čo zaberie 30-50 strán a váš projekt vo fáze nápadu bude zodpovedať konečnému výsledku vo forme kusu železa, stačí prejsť bodov. Ak je napísané „transformátor na 1 000 W“, potom ho hľadáte / získavate na 1 000 W a nie náhodne trvá „o niečo menej“. Pracoval som vo vojensko-priemyselnom komplexe aj v súkromných spoločnostiach: tí prví sa modlia za primerané technické špecifikácie a technické požiadavky. projekty, ktoré zvyčajne vyzerajú ako zväzok Vojna a mier, takže naše tanky sú najlepšie. Druhí sú zabití „za hlúpe poškodenie lesa“, preto sú civilné elektronické výrobky na výstupe v Rusku vo väčšine prípadov „guano na arduino“.

A tak, aby sme sa vyhli „odpadu“ na výstupe, urobíme zoznam technických požiadaviek, ktoré by náš prototyp mal mať. Kým ich nedosiahne, projekt sa považuje za nedokončený. Všetko sa zdá byť jednoduché.

Požiadavky na spínaný zdroj:

- Výstupné napätie nastaviteľné v rozsahu 10-15V DC;
- Vstupné sieťové napätie: 160-255V AC;
- Prúd sekundárnych obvodov: 40A
- Prítomnosť filtra spoločného režimu;
- Dostupnosť korektora účinníka (PFC);
- Kosínus phi: nie menej ako 0,9;
- Galvanické oddelenie vstupu od výstupu;
- Ochrana proti skratu v sekundárnom okruhu;
- Doba odozvy prúdovej ochrany: nie viac ako 1 ms;
- Stabilita výstupného napätia: nie horšia ako 0,1%;
- Teplota výkonových prvkov zariadenia: nie viac ako 55 stupňov pri 100% zaťažení;
- Všeobecná účinnosť zariadenia: nie menej ako 90%;
- Existencia indikátora napätia a prúdu.

Chcel by som tiež poznamenať jednu vlastnosť navrhnutého SMPS - je úplne analógový. Bola to dosť dôležitá požiadavka, pretože. ja posledné roky hlavne navrhnutý s použitím DSP procesory ako kontrolný „mozog“, ale to „zákazníka“ desí. Momentálne býva 2500 km odo mňa a v prípade poruchy sa oprava dlho oneskorí, preto je potrebné vyrobiť zariadenie s maximálnou udržiavateľnosťou. Zákazník je osoba, ktorá má skúsenosti s analógovými obvodmi a v prípade problémov opraví bez akýchkoľvek prenosov, maximálne bude musieť zavolať a prediskutovať problém.

Aby som to zhrnul: keď vyvíjam, vyrábam a potom testujem SMPS a ako výsledok testov získam výkonnostné charakteristiky, ktoré sú aspoň také dobré ako tie, ktoré sú opísané vyššie, bude možné považovať projekt za úspešný, blok je možné odovzdať majiteľovi a ja sám sa teším z ďalšieho vydareného železa. Ale toto všetko je ešte ďaleko...

Funkčná schéma

Zvyčajne som bojoval s úradmi na tému, že funkčné schémy pre figuríny a odmietol som kresliť, ale preto clanok je zatial urceny pre zaciatocnikov v elektronike a aby bol pre vsetkych zaujimavy na citanie, tak ho este nakreslim a zapisem co robi ten blok. Áno, a pri absencii plnohodnotného TK mi táto schéma umožní neodchýliť sa od pôvodnej myšlienky v procese práce.


Obrázok 1 - Funkčná schéma SMPS

Teraz stručne prejdem každý blok a tieto riešenia podrobnejšie rozoberieme už vo fáze vývoja obvodov. A tak samotné moduly:

1) Filter spoločného režimu - je navrhnutý tak, aby chránil sieť a k nej pripojené domáce spotrebiče pred rušením generovaným naším napájaním. Nezľaknite sa – produkuje ich akýkoľvek spínaný zdroj, takže 90 % SMPS má filter spoločného režimu. Tiež chráni náš blok pred rušením pochádzajúcim zo siete. Nedávno som narazil na niečiu bakalársku prácu na túto tému, všetko je tam jasne vysvetlené -. Autorom diplomu je Kurinkov A.V., za čo mu úprimne ďakujeme, aspoň jeden bakalársky titul na tomto svete sa bude hodiť))

2) „Klasické“ pohotovostné napájanie na čipe TOP227, obvod bude s najväčšou pravdepodobnosťou prevzatý priamo z datasheetu s pridaním galvanického oddelenia od siete cez optočlen. Výstup bude realizovaný vo forme 2 od seba oddelených vinutí s napätím 15V a 1A každé. Jeden bude napájať regulátor PWM korektora, druhý PWM regulátor polovičného mostíka.

3) Usmerňovač je vyrobený na diódovom mostíku. Pôvodne som chcel použiť synchrónny na N-kanálovom Mosfete, ale pri takýchto napätiach a prúde 3-4A by to bolo plytvanie zdrojmi.

4) Korektor aktívneho výkonu - bez neho nikde, ak hovoríme o dobrej účinnosti a podľa požiadaviek zákona je použitie KKM povinné. KKM je v skutočnosti obyčajný zosilňovací menič, ktorý uzavrie 2 problémy: nízke vstupné napätie, pretože. na svojom výstupe bude stabilne produkovať 380V a umožní vám rovnomerne odoberať energiu zo siete. Použil som veľmi populárny mikroobvod, do ktorého ho Číňania (nielen) radi vkladajú zvárací invertor na rovnaký účel - ICE2PCS01 . Nebudem to skrývať - ​​bral som to ako osvedčené riešenie, zostavil som na ňom KKM pre 6 kVA pre poloautomatické zariadenie a už viac ako rok nie sú žiadne problémy, spoľahlivosť ma uchváti.

5) Samotný menič napätia je implementovaný podľa topológie - „polovičný most“, odporúčam vám prečítať si kapitolu v Semenovovej knihe „Výkonová elektronika: od jednoduchej po zložitú“, aby ste sa s ňou oboznámili. Ovládač polovičného mostíka je implementovaný na „klasickom“ mikroobvode TL494 ako Čajkovskij: lacný, funkčný, spoľahlivý, overený časom - čo ešte je potrebné? Tí, ktorí to považujú za staré, môžu obrátiť svoju pozornosť na niečo z Texasu zo série UCC38xxx. Tento modul implementuje napäťovú spätnú väzbu na TL431 + PC817, ako aj prúdovú ochranu na Hallovom snímači -.

6) Plánujem realizovať výkonový transformátor na jadre typu Epcos ETD44/22/15 z materiálu N95. Možno sa môj výber ešte zmení, keď vypočítam údaje o vinutí a celkový výkon.

7) Dlho som váhal medzi výberom typu usmerňovača na sekundárnom vinutí medzi duálnou Schottkyho diódou a synchrónnym usmerňovačom. Môžete dať duálnu Schottkyho diódu, ale toto je P \u003d 0,6V * 40A \u003d 24 W v teple, s výkonom SMPS asi 650 W sa dosiahne strata 4%! Pri použití najbežnejšieho IRF3205 v synchrónnom usmerňovači s odporovým kanálom sa uvoľňuje teplo P = 0,008 ohm * 40A * 40A = 12,8W. Ukázalo sa, že vyhráme 2-krát alebo 2% účinnosť! Všetko bolo krásne, kým som neposkladal riešenie na doske na IR11688S. Dynamické spínacie straty sa pridali k statickým stratám na kanáli a nakoniec sa tak stalo. Kapacita terénnych pracovníkov pre vysoké prúdy je stále veľká. toto je riešené ovládačmi ako HCPL3120, ale to je zvýšenie ceny produktu a nadmerná komplikácia obvodov. Vlastne z týchto úvah bolo rozhodnuté dať dvojitého Schottkyho a pokojne spať.

8) LC obvod na výstupe po prvé zníži zvlnenie prúdu a po druhé vám umožní „odrezať“ všetky harmonické. Posledný problém je mimoriadne dôležitý pri napájaní zariadení pracujúcich v rádiovom frekvenčnom rozsahu a zahŕňajúcich vysokofrekvenčné analógové obvody. V našom prípade hovoríme o HF transceiveri, takže tu je filter jednoducho životne dôležitý, inak sa rušenie „plazí“ do vzduchu. V ideálnom prípade môžete na výstup stále umiestniť lineárny stabilizátor a získať minimálne zvlnenie v jednotkách mV, ale v skutočnosti vám rýchlosť operačného systému umožní dosiahnuť zvlnenie napätia v rozmedzí 20-30 mV bez „kotla“ vo vnútri transceiver, kritické uzly sú napájané cez ich LDO, takže jeho redundancia je zrejmá.

No, prebehli sme funkcionalitu a toto je len začiatok)) Ale nič, pôjde to veselšie, pretože začína tá najzaujímavejšia časť - výpočty všetkého a všetkých!

Výpočet výkonového transformátora pre polomostíkový menič napätia

Teraz stojí za to sa trochu zamyslieť nad konštrukciou a topológiou. Plánujem použiť tranzistory s efektom poľa, nie IGBT, takže si môžete zvoliť väčšiu pracovnú frekvenciu, zatiaľ čo ja uvažujem o 100 alebo 125 kHz, mimochodom rovnaká frekvencia bude na KKM. Zvýšením frekvencie sa mierne zmenší rozmery transformátora. Na druhej strane nechcem veľmi zvyšovať frekvenciu, pretože Ako regulátor používam TL494, po 150 kHz sa to tak dobre neukazuje a dynamické straty sa zvýšia.

Na základe týchto vstupov vypočítame náš transformátor. Na sklade mám niekoľko sád ETD44/22/15 a preto sa zatiaľ zameriavam naň, zoznam vstupov je nasledovný:

1) materiál N95;
2) Typ jadra ETD44/22/15;
3) Pracovná frekvencia - 100 kHz;
4) Výstupné napätie - 15V;
5) Výstupný prúd - 40A.

Na výpočty transformátorov do 5 kW používam program Old Man, je pohodlný a počíta celkom presne. Po 5 kW začína mágia, frekvencie sa zvyšujú, aby sa zmenšila veľkosť a hustota poľa a prúdu dosahujú také hodnoty, že aj skin efekt je schopný zmeniť parametre takmer 2-krát, takže pre vysoké výkony používam staré -módna metóda "so vzorcami a kresbou ceruzkou na papier." Po zadaní vstupných údajov do programu sme získali nasledujúci výsledok:



Obrázok 2 - Výsledok výpočtu transformátora pre polovičný mostík

Na obrázku na ľavej strane sú označené vstupné údaje, popísal som ich vyššie. V strede sú výsledky, ktoré nás najviac zaujímajú, zvýraznené fialovou, Stručne ich prejdem:

1) Vstupné napätie je 380V DC, je stabilizované, pretože polovičný most je napájaný z KKM. Takáto sila zjednodušuje návrh mnohých uzlov, pretože. zvlnenie prúdu je minimálne a transformátor pri vstupnom sieťovom napätí 140V nemusí odoberať napätie.

2) Spotrebovaný výkon (čerpaný cez jadro) sa ukázal byť 600 W, čo je 2-krát menej ako celkový výkon (ten, ktorý jadro dokáže pumpovať bez toho, aby došlo k saturácii), čiže je všetko v poriadku. Materiál N95 som v programe nenašiel, ale na stránke Epcosu som v datasheete nahliadol, že N87 a N95 by dali veľmi podobné výsledky, pri kontrole na papieri som zistil, že rozdiel 50 W celkovej sily nie je hrozná chyba.

3) Údaje o primárnom vinutí: navíjame 21 závitov na 2 drôty s priemerom 0,8 mm, myslím, že je tu všetko jasné? Prúdová hustota je asi 8A / mm2, čo znamená, že vinutia sa nebudú prehrievať - ​​všetko je v poriadku.

4) Údaje o sekundárnom vinutí: navíjame 2 vinutia po 2 závity v každom s rovnakým drôtom 0,8 mm, ale už pri 14 - rovnako, prúd je 40A! Ďalej spájame začiatok jedného vinutia a koniec druhého, ako to urobiť, vysvetlím ďalej, z nejakého dôvodu ľudia na tomto mieste počas montáže často upadnú do stuporov. Ani tu nie je kúzlo.

5) Indukčnosť výstupnej tlmivky je 4,9 μH, prúd je 40A, resp. Potrebujeme to, aby na výstupe nášho bloku neboli žiadne obrovské prúdové zvlnenia, v procese ladenia ukážem prácu s a bez neho na osciloskope, všetko bude jasné.

Výpočet trval 5 minút, ak má niekto otázky, pýtajte sa v komentároch alebo PM - poviem vám. Aby ste nehľadali samotný program, navrhujem ho stiahnuť z cloudu pomocou odkazu. A moja hlboká vďaka Starcovi za jeho prácu!

Ďalším logickým krokom je výpočet výstupného induktora pre polovičný mostík, ktorý je presne ten, ktorý má 4,9 uH.

Výpočet parametrov vinutia pre výstupnú tlmivku

Vstupné údaje sme dostali v predchádzajúcom odseku pri výpočte transformátora, toto je:

1) Indukčnosť - 4,9 uH;
2) Menovitý prúd - 40A;
3) Amplitúda pred škrtiacou klapkou - 18V;
4) Napätie za plynom - 15V.

Používame aj program od Starého muža (všetky sú v odkaze vyššie) a získavame nasledujúce údaje:



Obrázok 3 - Vypočítané údaje pre vinutie výstupnej tlmivky

Teraz si prejdeme výsledky:


1) Podľa vstupných údajov existujú 2 nuansy: frekvencia je zvolená rovnaká, na ktorej pracuje prevodník, myslím, že je to logické. Druhý bod súvisí s aktuálnou hustotou, okamžite si všimnem - plyn by mal byť horúci! Presne toľko sme už určili, zvolil som prúdovú hustotu 8A / mm 2, aby som dostal teplotu 35 stupňov, je to vidieť na výstupe (označené zelenou farbou). Koniec koncov, ako si pamätáme, podľa požiadaviek na výstupe je potrebný „studený SMPS“. Pre začiatočníkov by som ešte rád poznamenal možno nie úplne zrejmý bod - tlmivka sa bude menej zahrievať, ak ňou preteká veľký prúd, čiže pri menovitom zaťažení 40A bude mať tlmivka minimálne zahrievanie. Keď je prúd menší ako menovitý prúd, potom pre časť energie začne pracovať ako aktívna záťaž (rezistor) a premení všetku prebytočnú energiu na teplo;

2) Maximálna indukcia, to je hodnota, ktorá sa nesmie prekročiť, inak magnetické pole nasýti jadro a všetko bude veľmi zlé. Tento parameter závisí od materiálu a jeho celkových rozmerov. Pre moderné jadrá z práškového železa je typická hodnota 0,5-0,55 T;

3) Údaje o navíjaní: 9 závitov je navinutých kosákom z 10 prameňov drôtu s priemerom 0,8 mm. Program dokonca zhruba udáva, koľko vrstiev zaberie. Naviniem v 9 jadrách, lebo. potom bude vhodné rozdeliť veľký oplet na 3 „pigtaily“ po 3 jadrách a bez problémov ich prispájkovať na dosku;

4) Vlastne samotný prsteň, na ktorý ho namotám, má rozmery - 40/24/14,5 mm, stačí aj s rezervou. Materiál č.52, myslím, že mnohí videli žlto-modré krúžky v ATX blokoch, často sa používajú v skupinových stabilizačných tlmivkách (DGS).

Výpočet záložného napájacieho transformátora

Funkčná schéma ukazuje, že chcem použiť „klasický“ flyback na TOP227 ako pohotovostný zdroj, z neho budú napájané všetky PWM regulátory, indikácie a ventilátory chladiaceho systému. Uvedomil som si, že ventilátory budú napájané zo služobnej miestnosti až po určitom čase, takže tento moment sa na diagrame nezobrazuje, ale nič nie je vývoj v reálnom čase))

Upravme trochu naše vstupné údaje, čo potrebujeme:


1) Výstupné vinutia pre PWM: 15V 1A + 15V 1A;
2) Výstupné vinutie s vlastným napájaním: 15V 0,1A;
3) Výstupné vinutie pre chladenie: 15V 1A.

Dostaneme potrebu napájacieho zdroja s celkovým výkonom - 2*15W + 1,5W + 15W = 46,5W. To je normálny výkon pre TOP227, používam ho v malých SMPS do 75 W na všelijaké nabíjačky akumulátorov, skrutkovače a iné svinstvá, dlhé roky, čo je zvláštne, ešte ani jeden nevyhorel.

Ideme do iného programu Starého muža a uvažujeme o transformátore pre spätný chod:



Obrázok 4 - Vypočítané údaje pre záložný výkonový transformátor

1) Výber jadra je opodstatnený jednoducho - mám ho v množstve krabice a odoberá rovnako 75 W)) Údaje o jadre. Je vyrobený z materiálu N87 a má medzeru 0,2 mm na každej polovici alebo 0,4 mm takzvanej plnej medzery. Toto jadro je priamo určené pre tlmivky a pre flyback meniče je táto indukčnosť len tlmivka, ale do divočiny sa zatiaľ nedostanem. Ak v transformátore polovičného mostíka nebola žiadna medzera, potom je to povinné pre konvertor spätného chodu, inak, ako každý induktor, jednoducho prejde do saturácie bez medzery.

2) Údaje o kľúči 700V "drain-source" a 2,7 Ohm kanálovom odpore sú prevzaté z údajového listu na TOP227, tento ovládač má vypínač zabudovaný v samotnom mikroobvode.

3) Minimálne vstupné napätie som zobral trochu s rezervou - 160V, robí sa to tak, že ak sa vypne samotné napájanie, pracovňa a indikácia ostanú v prevádzke, hlásia núdzové nízke napájacie napätie.

4) Naše primárne vinutie pozostáva zo 45 závitov drôtu 0,335 mm do jedného jadra. Sekundárne výkonové vinutia majú 4 závity a 4 žily s drôtom 0,335 mm (priemer), samonapájacie vinutie má rovnaké parametre, takže všetko je rovnaké, len 1 jadro, pretože prúd je rádovo nižší.

Výpočet výkonovej tlmivky korektora činného výkonu

Myslím, že najzaujímavejšou časťou tohto projektu je korektor účinníka, pretože. na internete je o nich dosť málo informácií a funkčných a popísaných schém je ešte menej.

Vyberieme program na výpočet - PFC_ring (PFC je v Basurmansk KKM), používame nasledujúce vstupy:

1) Vstupné napájacie napätie - 140 - 265V;
2) Menovitý výkon - 600 W;
3) Výstupné napätie - 380V DC;
4) Pracovná frekvencia - 100 kHz, kvôli voľbe PWM regulátora.



Obrázok 5 - Výpočet výkonovej tlmivky aktívneho PFC

1) Vľavo, ako obvykle, zadáme počiatočné údaje, nastavíme minimálnu prahovú hodnotu na 140 V, dostaneme jednotku, ktorá môže pracovať pri sieťovom napätí 140 V, takže dostaneme „zabudovaný regulátor napätia“;

Obvody výkonovej časti a ovládania sú celkom štandardné, ak máte zrazu otázky, pokojne sa pýtajte v komentároch alebo súkromných správach. Pokúsim sa čo najlepšie odpovedať a vysvetliť.

Návrh dosky plošných spojov spínaného zdroja

Tak som sa dostal do fázy, ktorá zostáva pre mnohých posvätná – návrh / vývoj / obkresľovanie dosky plošných spojov. Prečo uprednostňujem výraz „dizajn“? Je to bližšie k podstate tejto operácie, pre mňa je „káblovanie“ dosky vždy tvorivý proces, ako keď umelec maľuje obraz, a pre ľudí z iných krajín bude ľahšie pochopiť, čo robíte.

Samotný proces návrhu dosky neobsahuje žiadne úskalia, sú obsiahnuté v zariadení, pre ktoré je určená. V skutočnosti výkonová elektronika nepredkladá nejaké divoké množstvo pravidiel a požiadaviek na pozadí rovnakých mikrovlnných analógových alebo vysokorýchlostných digitálnych dátových zberníc.

Uvediem základné požiadavky a pravidlá týkajúce sa konkrétne výkonových obvodov, čo umožní realizáciu 99% amatérskych návrhov. Nebudem hovoriť o nuansách a „trikoch“ - každý musí vyplniť svoje vlastné hrbole, získať skúsenosti a už s tým pracovať. A tak sme išli:

Trochu o hustote prúdu v tlačených vodičoch

Často sa nad týmto parametrom ľudia nezamýšľajú a videl som, kde je výkonová časť vyrobená s 0,6 mm vodičmi s 80% plochy dosky jednoducho prázdnych. Prečo to robím, je mi záhadou.

Akú hustotu prúdu teda možno vziať do úvahy? Pre obyčajný drôt je štandardná hodnota 10A / mm 2, toto obmedzenie je viazané na chladenie drôtu. Môžete prejsť aj väčším prúdom, ale predtým ho spustite do tekutého dusíka. Ploché vodiče, ako napríklad na doske plošných spojov, majú veľkú plochu, ľahšie sa chladia, čo znamená, že si môžete dovoliť vysoké prúdové hustoty. Pre bežné podmienky s pasívnym alebo vzduchovým chladením je zvykom brať do úvahy 35-50 A / mm 2, kde 35 je pre pasívne chladenie, 50 je za prítomnosti umelej cirkulácie vzduchu (môj prípad). Je tu ešte jeden údaj - 125 A/mm 2 , to je naozaj veľký údaj, nie všetky supravodiče si ho môžu dovoliť, ale je dosiahnuteľný iba ponorným kvapalinovým chladením.

S tým druhým som sa stretol, keď som pracoval so spoločnosťou, ktorá sa zaoberala inžinierskou komunikáciou a dizajnom serverov, a dizajn pripadol na mňa. základná doska, a to časť s viacfázovým napájaním a spínaním. Bol som veľmi prekvapený, keď som videl prúdovú hustotu 125 A / mm 2, ale vysvetlili mi a ukázali túto možnosť na stánku - potom som si uvedomil, prečo sú celé stojany so servermi ponorené do obrovských bazénov oleja)))

V mojom kuse železa je všetko jednoduchšie, údaj 50 A / mm 2 je sám o sebe celkom primeraný, s hrúbkou medi 35 mikrónov polygóny poskytnú požadovaný prierez bez problémov. Zvyšok bol pre všeobecný rozvoj a pochopenie problematiky.


2) Dĺžka vodičov - v tomto odseku nie je potrebné vyrovnávať vedenia s presnosťou 0,1 mm, ako sa to robí napríklad pri "káblovaní" dátovej zbernice DDR3. Aj keď je stále veľmi žiaduce, aby sa dĺžka signálne linky približne rovnakej dĺžky. +-30% dĺžky bude stačiť, hlavné je nerobiť HIN 10x dlhší ako LIN. Je to potrebné, aby sa predné strany signálov navzájom neposúvali, pretože aj pri frekvencii iba sto kilohertzov môže rozdiel 5-10 krát spôsobiť priechodný prúd v klávesoch. To platí najmä pri malej hodnote „mŕtveho času“, dokonca aj pri 3 % pre TL494 to platí;

3) Medzera medzi vodičmi - je potrebné znížiť zvodové prúdy, najmä pri vodičoch, kde prúdi RF signál (PWM), pretože pole vo vodičoch je silné a RF signál má v dôsledku skinefektu tendenciu uniknúť. ako na povrch vodiča, tak aj za jeho hranice. Zvyčajne je dostatočná medzera 2-3 mm;

4) Galvanická izolačná medzera - je to medzera medzi galvanicky oddelenými časťami dosky, zvyčajne je požiadavka na poruchu asi 5 kV. Na prerazenie 1 mm vzduchu je potrebné asi 1-1,2 kV, ale u nás je prieraz možný nielen vzduchom, ale aj textolitom a maskou. V továrni sa používajú materiály, ktoré prechádzajú elektrickým testovaním a vy môžete pokojne spávať. Preto je hlavným problémom vzduch a z vyššie uvedených podmienok môžeme usúdiť, že bude stačiť asi 5-6 mm. V podstate rozdelenie polygónov pod transformátor, pretože. je hlavným prostriedkom galvanickej izolácie.

Teraz poďme priamo k dizajnu dosky, v tomto článku nebudem hovoriť veľmi podrobne a vo všeobecnosti nie je moc napísať celú knihu túžob. Ak existuje veľká skupina tí, ktorí si želajú (na konci urobím prieskum), potom jednoducho natočím videá na „káblovanie“ tohto zariadenia, bude to rýchlejšie a informatívnejšie.

Etapy vytvárania dosky plošných spojov:

1) Prvým krokom je určenie približných rozmerov zariadenia. Ak máte hotové puzdro, potom by ste si v ňom mali zmerať stopu a vychádzať z nej v rozmeroch dosky. Plánujem vyrobiť puzdro na objednávku z hliníka alebo mosadze, takže sa pokúsim vyrobiť čo najkompaktnejšie zariadenie bez straty kvality a výkonových vlastností.



Obrázok 9 - Vytvárame polotovar pre budúcu dosku

Pamätajte - rozmery dosky musia byť násobkom 1 mm! Alebo aspoň 0,5 mm, inak si ešte spomeniete na môj testament Lenina, keď všetko poskladáte do panelov a vyrobíte prírez na výrobu a dizajnéri, ktorí vám vytvoria puzdro podľa vašej dosky, vás zasypú nadávkami. Nevytvárajte dosku s rozmermi ala "208,625 mm", pokiaľ to nie je absolútne nevyhnutné!
P.S. vďaka tov. Lunkovovi za to, že mi napriek tomu sprostredkoval túto skvelú myšlienku))

Tu som urobil 4 operácie:

A) Samotnú dosku som vyrobil s celkovými rozmermi 250x150 mm. Aj keď je to približná veľkosť, potom si myslím, že sa výrazne zmenší;
b) Zaoblené rohy, pretože v procese dodávky a montáže sa ostré zabijú a pokrčia + doska vyzerá krajšie;
c) umiestnené montážne otvory, nepokovované, s priemerom otvoru 3 mm pre štandardné upevňovacie prvky a stojany;
d) Vytvoril som triedu „NPTH“, v ktorej som definoval všetky nepokovené otvory a vytvoril pre ňu pravidlo, čím som medzi všetkými ostatnými komponentmi a komponentmi triedy vytvoril medzeru 0,4 mm. Toto je technologická požiadavka "Rezonit" pre štandardnú triedu presnosti (4.).



Obrázok 10 - Vytvorenie pravidla pre nepokovované otvory

2) Ďalším krokom je usporiadanie komponentov, berúc do úvahy všetky požiadavky, malo by byť už veľmi blízko finálnej verzii, pretože väčšia časť bude teraz určená konečnými rozmermi dosky a jej tvarovým faktorom.



Obrázok 11 - Primárne umiestnenie komponentov dokončené

Nainštalované hlavné komponenty, s najväčšou pravdepodobnosťou sa nebudú pohybovať, a preto rozmery dosky sú konečne definované - 220 x 150 mm. Voľný priestor na doske je z nejakého dôvodu ponechaný, budú tam umiestnené riadiace moduly a iné drobné SMD súčiastky. Aby sa znížili náklady na dosku a uľahčila sa inštalácia, všetky komponenty budú iba na vrchnej vrstve a existuje iba jedna vrstva sieťotlače.



Obrázok 13 - 3D pohľad na dosku po umiestnení komponentov

3) Teraz, keď sme určili miesto a celková štruktúra usporiadame zvyšné komponenty a „rozdelíme“ dosku. Dizajn dosky je možné vykonať dvoma spôsobmi: ručne a pomocou autoroutera, ktorý predtým opísal svoje činnosti niekoľkými desiatkami pravidiel. Oba spôsoby sú dobré, ale túto dosku urobím rukami, pretože. je tu málo komponentov a nie sú tu žiadne špeciálne požiadavky na zarovnanie linky a integritu signálu a nemali by byť. Toto bude urcite rychlejsie, autorouting je dobry ked je vela komponentov (od 500 vyssie) a hlavna cast obvodu je digitalna. Aj keď ak by mal niekto záujem, môžem vám ukázať, ako sa dosky automaticky "odchovajú" za 2 minúty. Pravda, predtým bude treba celý deň písať pravidlá, heh.

Po 3-4 hodinách „čarovania“ (polovica času, keď som kreslil chýbajúce modely) s teplotou a šálkou čaju, som dosku konečne rozdelil. Ani som nepomyslel na úsporu miesta, mnohí povedia, že rozmery by sa dali zmenšiť o 20-30% a budú mať pravdu. Mám kusovú kópiu a strácať čas, ktorý je jednoznačne drahší ako 1 dm 2 pri dvojvrstvovej doske, bola len škoda. Mimochodom, o cene dosky - pri objednávke v Resonite stojí 1 dm 2 dvojvrstvovej dosky štandardnej triedy asi 180 - 200 rubľov, takže tu nemôžete veľa ušetriť, pokiaľ samozrejme mať dávku 500+ kusov. Na základe toho môžem poradiť - neperverzovať s úbytkom plochy, ak trieda 4 a žiadne požiadavky na rozmery. A tu je výstup:



Obrázok 14 - Návrh dosky pre spínaný zdroj

V budúcnosti budem navrhovať puzdro pre toto zariadenie a potrebujem poznať jeho plné rozmery, ako aj možnosť si ho „vyskúšať“ vo vnútri puzdra, aby mi v konečnej fáze nevyšiel napr. , že základná doska zasahuje do konektorov na skrinke alebo indikácii. K tomu sa vždy snažím nakresliť všetky komponenty v 3D podobe, výstupom je tento výsledok a súbor vo formáte .step pre moje Autodesk Inventor:



Obrázok 15 - 3D pohľad na výsledné zariadenie



Obrázok 16 - 3D pohľad na zariadenie (pohľad zhora)

Teraz je dokumentácia pripravená. Teraz je potrebné vygenerovať potrebný balík súborov na objednanie komponentov, všetky nastavenia mám už zaregistrované v Altiu, takže sa všetko vyloží jedným tlačidlom. Potrebujeme súbory Gerber a súbor NC Drill, v prvom sú uložené informácie o vrstvách, v druhom sú súradnice vŕtania. Súbor na nahrávanie dokumentácie si môžete pozrieť na konci článku v projekte, celé to vyzerá asi takto:


Obrázok 17 - Vytvorenie balíka dokumentácie pre objednanie dosiek plošných spojov

Keď sú súbory pripravené, môžete si objednať dosky. Konkrétnych výrobcov nebudem odporúčať, určite existujú lepší a lacnejší na prototypy. Objednávam všetky dosky štandardnej triedy 2,4,6 vrstiev v Rezonite, na rovnakom mieste 2 a 4-vrstvové dosky 5. triedy. Dosky triedy 5, kde 6-24 vrstiev je v Číne (napríklad pcbway), ale dosky HDI a dosky triedy 5 s 24 a viac vrstvami sú už len na Taiwane, rovnako, kvalita v Číne stále pokulháva a kde cenovka nie je chromá už nie je taká príjemná. Všetko je to o prototypoch!

Nasledujúc svoje presvedčenie, idem do Rezonitu, ach, koľko nervov poškriabali a pili krv ... ale v r. nedávne časy rád napravil a začal pracovať adekvátnejšie, aj keď s kopancami. Objednávky robím cez svoj osobný účet, zadávam údaje o poplatku, nahrávam súbory a odosielam. Páči sa mi ich osobný účet, mimochodom hneď zvažuje cenu a zmenou parametrov dosiahnete lepšiu cenu bez straty kvality.

Napríklad teraz som chcel dosku na 2 mm PCB s 35 µm meďou, ale ukázalo sa, že táto možnosť je 2,5-krát drahšia ako možnosť s 1,5 mm DPS a 35 µm - tak som si vybral druhú. Na zvýšenie tuhosti dosky som pridal ďalšie otvory pre stojany - problém je vyriešený, cena je optimalizovaná. Mimochodom, ak by doska šla do série, niekde na 100 kusoch by tento rozdiel zmizol 2,5-krát a ceny by sa vyrovnali, pretože potom bol pre nás zakúpený neštandardný list a bezo zvyšku použitý.



Obrázok 18 - Konečný pohľad na výpočet nákladov na dosky

Konečné náklady sa určujú: 3618 rubľov. Z toho 2100 je príprava, platí sa len raz za projekt, všetky ďalšie opakovania zákazky idú bez nej a platia sa len za plochu. V tomto prípade 759 rubľov za dosku s plochou 3,3 dm 2, čím väčšia séria, tým nižšie náklady, aj keď teraz je to 230 rubľov / dm 2, čo je celkom prijateľné. Samozrejme, že sa dala urobiť urgentná výroba, ale objednávam často, pracujem s jedným manažérom a dievča sa vždy snaží dotlačiť objednávku rýchlejšie, ak nie je načítaná výroba - výsledkom je možnosť „malá séria“, trvá to 5-6 dní, stačí len slušne komunikovať a nebuď na ľudí hrubý. A nemám sa kam ponáhľať, tak som sa rozhodol ušetriť asi 40%, čo je aspoň fajn.

Epilóg

No a dostal som sa k logickému záveru článku - získanie obvodov, návrh dosky a objednanie dosiek vo výrobe. Celkovo budú 2 časti, prvá je pred vami a v druhej vám poviem, ako som zariadenie nainštaloval, zložil a odladil.

Ako som sľúbil, zdieľam zdrojový kód projektu a ďalšie produkty činnosti:

1) Zdroj projektu v Altium Designer 16 - ;
2) Súbory na objednávanie dosiek plošných spojov - . Zrazu chcete opakovať a objednávať, napríklad v Číne je tento archív viac než dosť;
3) Schéma zariadenia v pdf - . Pre tých, ktorí nechcú strácať čas inštaláciou Altium do svojho telefónu alebo oboznámením sa (vysoká kvalita);
4) Opäť pre tých, ktorí nechcú inštalovať ťažký softvér, ale je zaujímavé skrútiť kus železa, uverejňujem 3D model v pdf - . Ak si ho chcete pozrieť, musíte si súbor stiahnuť, keď ho otvoríte v pravom hornom rohu, kliknete na „dôverovať dokumentu iba raz“, potom šťuchneme do stredu súboru a biela obrazovka sa zmení na model.

Ešte by som sa chcel spýtať na názor čitateľov ... Teraz sú dosky objednané, komponenty sú tiež - v skutočnosti sú tam 2 týždne, o čom mám napísať článok? Okrem takých „mutantov“, ako je tento, si občas chcete vyrobiť aj niečo miniatúrne, no užitočné, niekoľko možností som vám predstavil v anketách, prípadne ponúknite vlastnú možnosť, pravdepodobne v osobnej správe, aby ste nezahltili komentáre .

Akú tému zvoliť pre ďalší článok?

Podobné príspevky