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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Convertidor de voltaje de un solo extremo estabilizado
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Convertidores de tensión, rectificadores, inversores El artículo describe los principios de construcción y una versión práctica de un convertidor de voltaje estabilizado por pulsos simple que proporciona operación en una amplia gama de cambios de voltaje de entrada. Entre las diversas fuentes de energía secundaria (PSPS) con entrada sin transformador, el convertidor autooscilador de ciclo único con conexión "inversa" de un diodo rectificador [1] (Fig. 1) se distingue por su extrema simplicidad.
Primero consideremos brevemente el principio de funcionamiento de un convertidor de voltaje no estabilizado y luego el método para estabilizarlo. Transformador T1 - estrangulador lineal; Los intervalos de acumulación de energía en él y la transferencia de energía acumulada a la carga están espaciados en el tiempo. En la Fig. 2 muestra: II - corriente del devanado primario del transformador, III - corriente del devanado secundario, tн - intervalo de acumulación de energía en el inductor, tп - intervalo de transferencia de energía a la carga.
Cuando se conecta la tensión de alimentación Up, la corriente de base del transistor VT1 comienza a pasar a través de la resistencia R1 (el diodo VD1 evita el flujo de corriente a través del circuito del devanado de la base y el condensador C2 que lo deriva aumenta la retroalimentación positiva (POF) en la etapa de formar frentes de tensión). El transistor se abre levemente, el circuito PIC se cierra a través del transformador T1, en el que se produce el proceso regenerativo de almacenamiento de energía. El transistor VT1 entra en saturación. La tensión de alimentación se aplica al devanado primario del transformador y la corriente II (corriente del colector Ik del transistor VT1) aumenta linealmente. La corriente de base IB del transistor saturado está determinada por el voltaje en el devanado III y la resistencia de la resistencia R2. En la etapa de almacenamiento de energía, el diodo VD2 está cerrado (de ahí el nombre del convertidor, con la inclusión "inversa" del diodo), y el consumo de energía del transformador se produce únicamente a través del circuito de entrada del transistor a través del devanado de base. Cuando la corriente de colector Ik alcanza el valor: IK máx = h21EIB, (1) donde h21E es el coeficiente de transferencia de corriente estática del transistor VT1, el transistor sale del modo de saturación y se desarrolla un proceso regenerativo inverso: el transistor se cierra, el diodo VD2 se abre y la energía acumulada por el transformador se transfiere a la carga. Después de que la corriente del devanado secundario disminuye, la etapa de almacenamiento de energía comienza nuevamente. El intervalo de tiempo tп es máximo cuando el convertidor está encendido, cuando el condensador C3 está descargado y el voltaje de carga es cero. En [1] se muestra que la fuente de alimentación ensamblada según el circuito de la Fig. 1, - convertidor funcional de la fuente de tensión de alimentación Hasta la fuente de corriente de carga In. Es importante tener en cuenta: dado que las etapas de acumulación y transmisión de energía están separadas en el tiempo, la corriente máxima del colector del transistor no depende de la corriente de carga, es decir, el convertidor está completamente protegido contra cortocircuitos en la salida. Sin embargo, cuando el convertidor se enciende sin carga (modo inactivo), un aumento de voltaje en el devanado del transformador en el momento en que se cierra el transistor puede exceder el valor máximo permitido del voltaje colector-emisor y dañarlo. La desventaja del convertidor más simple es la dependencia de la corriente del colector IK max y, por tanto, de la tensión de salida, del coeficiente de transferencia de corriente estática del transistor VT1. Por lo tanto, los parámetros de la fuente de alimentación variarán significativamente cuando se utilicen diferentes instancias. Un convertidor que utiliza un transistor de conmutación "autoprotegido" tiene características mucho más estables (Fig. XNUMX).
El voltaje en diente de sierra de la resistencia R3, proporcional a la corriente del devanado primario del transformador, se aplica a la base del transistor auxiliar VT2. Tan pronto como el voltaje a través de la resistencia R3 alcance el umbral de apertura del transistor VT2 (aproximadamente 0,6 V), se abrirá y limitará la corriente de base del transistor VT1, lo que interrumpirá el proceso de acumulación de energía en el transformador. Corriente máxima del devanado primario del transformador. II máx \u0,6d IK máx \u3d 2 / RXNUMX (XNUMX) resulta poco dependiente de los parámetros de una instancia particular del transistor. Naturalmente, el valor límite de corriente calculado mediante la fórmula (2) debe ser menor que la corriente determinada por la fórmula (1) para el peor valor del coeficiente de transferencia de corriente estática. Ahora consideremos la posibilidad de regular (estabilizar) el voltaje de salida de la fuente de alimentación. En [1] se muestra que el único parámetro del convertidor que se puede cambiar para regular la tensión de salida es la corriente IК max, o lo que es lo mismo, el tiempo de acumulación de energía tн en el transformador, y el control (estabilización ) la unidad solo puede reducir la corriente en comparación con el valor calculado usando la fórmula (2). Al formular el principio de funcionamiento de la unidad de estabilización del convertidor, podemos determinar los siguientes requisitos para ella:
Los diagramas de unidades de control que implementan este algoritmo dados en [1] contienen un comparador K521SAZ, siete resistencias, un transistor, un diodo, dos diodos zener y un transformador. Otros dispositivos conocidos, incluidas las fuentes de alimentación de televisores, también son bastante complejos. Mientras tanto, utilizando un transistor de conmutación autoprotegido, se puede construir un convertidor estabilizado mucho más simple (ver diagrama en la Fig. 4).
El devanado de retroalimentación (OS) III y el circuito VD3C4 forman un voltaje de retroalimentación proporcional al voltaje de salida del convertidor. El voltaje de estabilización de referencia del diodo Zener VD4 se resta del voltaje de retroalimentación y la señal de desajuste resultante se aplica a la resistencia R5. Desde el motor de la resistencia de ajuste R5, se suministra la suma de dos voltajes a la base del transistor VT2: un voltaje de control constante (parte del voltaje de desajuste) y un voltaje en diente de sierra de la resistencia R3, proporcional a la corriente del devanado primario de el transformador. Dado que el umbral de apertura del transistor VT2 es constante, un aumento en la tensión de control (por ejemplo, con un aumento en la tensión de alimentación Upit y, en consecuencia, un aumento en la tensión de salida del convertidor) conduce a una disminución de la corriente II, en el que se abre el transistor VT2 y a una disminución de la tensión de salida. De este modo, el convertidor se estabiliza y su tensión de salida se regula dentro de pequeños límites mediante la resistencia R5. El coeficiente de estabilización del convertidor depende de la relación entre el cambio en el voltaje de salida del convertidor y el cambio correspondiente en el componente de voltaje constante basado en el transistor VT2. Para aumentar el coeficiente de estabilización, es necesario aumentar el voltaje de retroalimentación (el número de vueltas del devanado III) y seleccionar el diodo Zener VD4 de acuerdo con el voltaje de estabilización, que es menor que el voltaje del OS en aproximadamente 0,5 V. El ampliamente utilizado Los diodos Zener de la serie D814 con una tensión OS de aproximadamente 10 V son prácticamente bastante adecuados. Cabe señalar que para lograr una mejor estabilidad de la temperatura del convertidor, es necesario utilizar un diodo Zener VD4 con un TKN positivo, que compensa la disminución de la caída de voltaje a través de la unión del emisor del transistor VT2 cuando se calienta. Por lo tanto, los diodos Zener de la serie D814 son más adecuados que los diodos Zener de precisión D818. El número de devanados de salida del transformador (similar al devanado II) se puede aumentar, es decir, el convertidor se puede hacer multicanal. Construido según el diagrama de la Fig. 4 convertidores proporcionan una buena estabilización de los voltajes de salida cuando el voltaje de entrada cambia dentro de un rango muy amplio (150...250 V). Sin embargo, cuando se opera con carga variable, especialmente en convertidores multicanal, los resultados son algo peores, ya que cuando la corriente de carga cambia en uno de los devanados, la energía se redistribuye entre todos los devanados. En este caso, el cambio en el voltaje de retroalimentación refleja el cambio en el voltaje de salida del convertidor con menos precisión. Es posible mejorar la estabilización cuando se opera con una carga variable si el voltaje del sistema operativo se genera directamente desde el voltaje de salida. La forma más sencilla de hacerlo es utilizar un transformador convertidor de tensión adicional de baja potencia ensamblado según cualquiera de los circuitos conocidos [2]. El uso de un convertidor de tensión adicional también está justificado en el caso de una fuente de alimentación multicanal. El convertidor de alto voltaje proporciona uno de los voltajes estabilizados (el más alto de ellos: a altos voltajes, el filtro del capacitor en la salida del convertidor es más eficiente [1]), y se generan los voltajes restantes, incluido el voltaje OS. mediante un convertidor adicional. Para la fabricación de un transformador, lo mejor es utilizar un núcleo magnético de ferrita blindado con un espacio en la varilla central, lo que garantiza una magnetización lineal. Si no existe tal circuito magnético, puede utilizar un espaciador de PCB de 0,1...0,3 mm de espesor o incluso papel para crear un espacio. También es posible utilizar núcleos magnéticos anulares. Aunque la literatura indica que para los convertidores con conexión de diodo “inversa” considerados en este artículo, el filtro de salida puede ser puramente capacitivo, el uso de filtros LC puede reducir aún más la ondulación del voltaje de salida. Para un funcionamiento seguro del IVEP, se debe utilizar una resistencia de ajuste (R5 en la Fig. 4) con buen aislamiento del motor. Los devanados del transformador, conectados galvánicamente a la tensión de red, deben estar aislados de forma fiable de la salida. Lo mismo se aplica a otros radioelementos. Como cualquier fuente de alimentación con conversión de frecuencia, la fuente de alimentación descrita debe estar equipada con un blindaje electromagnético y un filtro de entrada. La seguridad de configuración del convertidor estará garantizada por un transformador de red con una relación de transformación igual a la unidad. Sin embargo, es mejor utilizar un LATR conectado en serie y un transformador de aislamiento. Encender el convertidor sin carga probablemente provocará una avería del potente transistor de conmutación. Por lo tanto, antes de comenzar con la configuración, conecte la carga equivalente. Después de encenderlo, primero debe verificar el voltaje en la resistencia R3 con un osciloscopio; debería aumentar linealmente en la etapa tn. Si se rompe la linealidad, esto significa que el circuito magnético está entrando en saturación y se debe recalcular el transformador. Usando una sonda de alto voltaje, verifique la señal en el colector del transistor de conmutación: las caídas del pulso deben ser bastante pronunciadas y el voltaje en el transistor abierto debe ser pequeño. Si es necesario, debes ajustar el número de vueltas del devanado de la base y la resistencia de la resistencia R2 en el circuito de la base del transistor. A continuación, puedes intentar cambiar el voltaje de salida del convertidor con la resistencia R5; si es necesario, ajuste el número de vueltas del devanado del sistema operativo y seleccione un diodo zener VD4. Verifique el funcionamiento del convertidor cuando cambien el voltaje de entrada y la carga. En la Fig. La Figura 5 muestra un diagrama IVEP para un programador ROM como ejemplo del uso de un convertidor construido sobre la base del principio propuesto.
Los parámetros de origen se dan en la Tabla. una. Tabla 1
Cuando el voltaje de la red cambia de 140 a 240 V, el voltaje en la salida de la fuente de 28 V está dentro del rango de 27,6...28,2 V; fuente +5 V - 4,88...5 V. Los condensadores C1-C3 y el inductor L1 forman un filtro de red de entrada que reduce la emisión de interferencias de alta frecuencia por parte del convertidor. La resistencia R1 limita el pulso de corriente de carga del condensador C4 cuando el convertidor está encendido. El circuito R3C5 suaviza las sobretensiones en el transistor VT1 (en las figuras anteriores no se muestra un circuito similar). Un convertidor convencional se ensambla sobre los transistores VT3, VT4, generando dos más a partir del voltaje de salida +28 V: +5 V y -5 V, así como el voltaje OS. En general, el IVEP proporciona un voltaje estabilizado de +28 V. La estabilidad de los otros dos voltajes de salida se garantiza alimentando un convertidor adicional desde una fuente de +28 V y una carga bastante constante en estos canales. El IVEP brinda protección contra el exceso del voltaje de salida de +28 V a 29 V. Cuando se excede, el triac VS1 abre y cierra la fuente de +28 V. La fuente de alimentación emite un fuerte chirrido. La corriente que pasa por el triac es de 0,75 A. El transistor VT1 se instala en un pequeño disipador de calor hecho de una placa de aluminio de 40 (30 mm). En lugar del transistor KT828A, se pueden utilizar otros dispositivos de alto voltaje con un voltaje de al menos 600 V y una corriente de más de 1 A, por ejemplo, KT826B, KT828B, KT838A. En lugar del transistor KT3102A, puede utilizar cualquier serie KT3102; Los transistores KT815G se pueden reemplazar por KT815V, KT817V, KT817G. Con altas frecuencias se deben utilizar diodos rectificadores (excepto VD1), por ejemplo, la serie KD213, etc. Es recomendable utilizar condensadores de filtro de óxido de la serie K52, ETO. El condensador C5 debe tener una tensión de al menos 600 V. El triac TS106-10 (VS1) se utiliza únicamente por su pequeño tamaño. Casi cualquier tipo de SCR que pueda soportar una corriente de aproximadamente 1 A es adecuado, incluida la serie KU201. Sin embargo, el tiristor deberá seleccionarse de acuerdo con la corriente de control mínima. Cabe señalar que en un caso particular (con un consumo de corriente relativamente pequeño de la fuente) sería posible prescindir de un segundo convertidor construyendo un convertidor según el circuito de la Fig. 4 con devanados adicionales para canales de +5 V y -5 V y estabilizadores lineales de la serie KR142. El uso de un convertidor adicional se debe al deseo de realizar estudios comparativos de varios IVEP y asegurarse de que la opción propuesta proporcione una mejor estabilización del voltaje de salida. Los parámetros de transformadores y choques se dan en la Tabla. 2. Tabla 2
El núcleo magnético para el transformador T1 se utiliza desde el inductor de filtro de la fuente de alimentación de la unidad en discos magnéticos extraíbles de la serie de computadoras ES. Los tipos de circuitos magnéticos de choques L1-L4 no son críticos. La fuente se configura de acuerdo con el método anterior, pero primero se debe desactivar la protección contra sobretensión moviendo el control deslizante de la resistencia R10 a la posición inferior de acuerdo con el diagrama. Después de configurar el IVEP, debe usar la resistencia R5 para configurar el voltaje de salida a +29 V y, girando lentamente el control deslizante de la resistencia R10, alcanzar el umbral de apertura del triac VS1. Luego apague la fuente, gire el control deslizante de la resistencia R5 para disminuir el voltaje de salida, encienda la fuente y use la resistencia R5 para configurar el voltaje de salida en 28 V. Cabe señalar: dado que los voltajes en las salidas de +5 V y -5 V dependen del voltaje de +28 V y no están regulados por separado de él, dependiendo de los parámetros de los elementos utilizados y de la corriente de una carga en particular, Puede ser necesario seleccionar el número de vueltas de los devanados del transformador T2. Literatura
Autor: Yu.Vlasov, Murom, región de Vladimir
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