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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Fuente de alimentación conmutada Flyback
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes de alimentación El artículo describe una fuente de alimentación conmutada controlada por un microcircuito especializado. El dispositivo utiliza un transformador de pulso estándar de unidades de televisión. Parecería que las fuentes de energía (PS), que son elementos integrales de absolutamente todos los dispositivos electrónicos, deberían ser las menos susceptibles a los cambios rápidos; después de todo, existen desde hace más de medio siglo. Pero el desarrollo de soluciones de circuitos modernos no pasa por alto esta área más extensa de la electrónica de radio. Inicialmente, las fuentes de alimentación de batería tradicionales fueron reemplazadas por fuentes de alimentación de lámparas de red con filtros LC, y luego por transistores y reguladores lineales integrados. La lucha por la eficiencia y la mejora de los indicadores de peso y tamaño contribuyó al desarrollo e implementación de IP pulsada (SMPS). Junto con las SMPS de medio y completo puente, las fuentes flyback son muy utilizadas, ya que sin medidas especiales se elimina el peligro de paso de corriente en las SMPS de puente (debido al suministro de una tensión de apertura a uno de los brazos, cuando el otro brazo aún no se ha activado). completamente cerrado debido a sus propiedades de inercia) condujo a la operación de elementos de conmutación en el modo de cortocircuito y la falla de costosos transistores de alto voltaje de alta potencia. Estas medidas especiales complicaron enormemente el puente SMPS y, por lo tanto, el flyback SMPS se generalizó en los electrodomésticos, en los que el transistor de conmutación en el primer ciclo asegura la acumulación de energía electromagnética en los devanados y el circuito magnético del transformador de almacenamiento, y en el segundo - su transferencia a la carga. Para estar convencido de la relativa complejidad de tales SMPS, solo mire los circuitos del módulo de fuente de alimentación MP-403 para televisores ZUSST, 4USTST o el casete de escaneo y alimentación KRP-501 para televisores 5USTST. Y solo los últimos desarrollos de los especialistas de Siemens y los fabricantes nacionales, que crearon un microcircuito para controlar el flyback SMPS TDA4605 (el análogo doméstico de KR1033EU5, el llamado controlador PWM), simplificaron enormemente la tarea de desarrollar SMPS altamente confiables y económicos para radioaficionados. . Aunque el manual [1], que contiene información sobre los controladores PWM, no está libre de algunos errores, cabe señalar que es de gran valor para el diseñador y desarrollador de SMPS. El manual [2] describe el funcionamiento del SMPS en televisores de 6ª generación que utilizan el chip doméstico KR1033EU5, pero no hay información de referencia (valores de voltaje, formas de onda de la señal) que caracterice su funcionamiento. Desafortunadamente, ninguna de las fuentes mencionadas proporciona los parámetros de devanado del transformador de almacenamiento. Sin embargo, utilizando las características de referencia disponibles, para fines de radioaficionados, siempre es posible adaptar los transformadores de pulsos existentes para crear los SMPS modernos necesarios. Los materiales del artículo publicado ayudarán a resolver este problema, también pueden ser útiles para los radioaficionados involucrados en la modernización y reparación de equipos de video nacionales e importados. Las funciones de servicio realizadas por el microcircuito son muy amplias:
El propósito funcional de los pines del microcircuito se da en la Tabla. una. Tabla 1
principales características
El amplificador de control es el elemento principal del microcircuito. Al recibir una señal del devanado adicional del transformador y compararla con la tensión de referencia interna, genera pulsos de conmutación de varias duraciones, que están determinados por los valores de la corriente en la carga y la tensión de red rectificada. La duración de los pulsos se cambia de tal manera que se mantenga un voltaje constante en la salida del SMPS. El elemento principal del SMPS es un transformador de pulsos de almacenamiento que, en principio, puede ser cualquier cosa. Una amplia gama de regulación de voltaje de salida proporcionada por el microcircuito, así como un gran conjunto de devanados de salida del transformador, facilitan la tarea de crear una IP con los parámetros necesarios. Es recomendable, por ejemplo, considerar el uso del transformador de pulsos TPI-8-1, descrito anteriormente en las páginas de la revista Radio [3]. El esquema del SMPS, creado de acuerdo con los materiales [1,2, 1] y adaptado al uso del transformador especificado, se muestra en la fig. 4 (los devanados del transformador no utilizados no se muestran, los pines 10 y XNUMX estaban ausentes inicialmente).
El dispositivo contiene un filtro de supresión de interferencias que evita que las interferencias de alta frecuencia penetren en la red de suministro (L1, C1-C3); resistencia limitadora de corriente que limita la corriente de irrupción cuando se enciende el SMPS (R1); tensión de red del puente rectificador (VD1); divisor de voltaje en el circuito de retroalimentación del amplificador de control del microcircuito, que forma el nivel de estabilización del voltaje de salida del SMPS (R2, R6, R7, VD2); filtro en el circuito de alimentación del SMPS, que reduce el nivel de ondulación del voltaje de entrada (C4); divisor de voltaje para controlar cambios en el voltaje de la red y apagar el SMPS en caso de fluctuaciones inaceptables (R3, R4); modelador de voltaje de diente de sierra para simular cambios de corriente en los devanados de almacenamiento de un transformador de pulso (R5, C5); formador de pulsos en el circuito de señal de retroalimentación (VD3, C6); condensador integrador en el circuito de control para el arranque "suave" del SMPS (C7); condensador de filtro en el circuito de potencia del microcircuito (C8); resistencia limitadora de corriente en el modo de arranque del microcircuito antes de que ingrese al modo de operación (R8); rectificador de tensión que alimenta el microcircuito desde el devanado de comunicación (II) del transformador en modo de funcionamiento (VD4); circuito de suministro de pulsos para controlar el transistor de conmutación (R9-R11, VD5); circuito para limitar picos de tensión en el drenaje del transistor (VD6, R12, C10); circuito de amortiguación para eliminar vibraciones parásitas (C11, R13); filtro de supresión de ruido en el circuito para determinar el comienzo del ciclo de generación de un pulso de conmutación (transición del pulso de voltaje de salida a cero) y el circuito de retroalimentación del amplificador de control (R14, C9, R15, C12); rectificador y filtro de tensión de salida (VD7, C13); resistencia limitadora de corriente en el circuito de voltaje de salida (R16). Los resultados de probar el dispositivo con diferentes devanados de salida y valores nominales de los elementos utilizados, que se muestran en el diagrama, para obtener un voltaje de salida de 12 V a una corriente de carga de 1,25 A se muestran en la Tabla. 2. Tabla 2
Para seleccionar el devanado de salida, utilice la tabla. 3, que contiene los parámetros de los cables de bobinado de cobre, que se utilizan con mayor frecuencia en los transformadores de impulsos. El devanado III, diseñado para una tensión de 24 V para uso "normal", contiene 16 vueltas de tres conductores PEVTL-0,35 conectados en paralelo. Su sección transversal total es de aproximadamente 0,3 mm.2y equivalente a un conductor de 0,62 mm de diámetro. Para densidad de corriente 4,25 A/mm2, correspondiente a un aumento de la temperatura del transformador de 30 ° C, la corriente admisible en el devanado es de 1,28 A, lo que satisface plenamente los requisitos (usando la calculadora, es fácil continuar con la nomenclatura de los conductores en la dirección creciente y disminuyendo el diámetro). Si utiliza los devanados V y VI (terminales 14, 18 y 16, 20, respectivamente [3]), conectándolos en paralelo, puede obtener una corriente de hasta 3,5 A en la salida del SMPS. Tabla 3
Al igual que en el módulo de fuente de alimentación MP-403, el devanado de almacenamiento es el devanado I (pines 1, 19). Se debe prestar especial atención a la conexión correcta (fases) de los cables (generalmente en los diagramas, el comienzo del devanado siempre se indica con un punto). Los números de pin del devanado adicional para comunicación y suministro de energía del microcircuito se muestran en la Fig. 1. Debe tenerse en cuenta que la corriente de operación en el devanado de acoplamiento depende de la potencia total de la carga y no necesariamente alcanza un valor máximo de 1,5 A. Al evaluar la tensión de operación de los devanados, se debe recordar: la relación proporcional entre el número de vueltas y el voltaje se observa solo para los devanados secundarios y no se aplica al devanado primario, ya que operan en diferentes semiciclos (ciclos) del voltaje de pulso, y la relación entre sus voltajes de operación dependerá del deber ciclo de los pulsos de conmutación. La carga equivalente durante el ajuste es de tres resistencias PEVT-25 conectadas en paralelo con una resistencia de 30 ohmios cada una. Antes de aplicar la tensión de red, es necesario incluir un amperímetro de 1 A en el circuito abierto entre los puntos A y B (Fig. 0,5) (corriente de carga o tensión en los devanados secundarios), pero también como indicador fiable del estado de encendido de un SMPS de funcionamiento silencioso. Esto evitará descargas eléctricas accidentales al realizar ajustes. También es útil verificar la capacidad de servicio del transistor de conmutación ensamblando el circuito de medición más simple de acuerdo con el circuito de la Fig. 2 (también se muestra el pinout de los transistores de efecto de campo KP707V2, KP812B1 y sus contrapartes extranjeras IRFBC30, IRFBC40, BUZ90A, 2SK1221, etc.). Al aumentar el voltaje de la puerta del transistor en pasos de 0,1 V, asegúrese de que, a partir del voltaje de umbral (1 ... 5 V, según el tipo y los parámetros del transistor), la corriente en el circuito de drenaje aumente suavemente y llegue a 500 μA después de aproximadamente In después de la apertura. Es mejor utilizar fuentes de alimentación con protección de corriente preestablecida a 0,5 mA. Esto evitará daños a los transistores incluso con errores de conexión debido a su pinout desconocido.
Después de llevar a cabo estas medidas preparatorias, la resistencia de sintonización R7 debe colocarse en la posición media y conectarse a la red SMPS. Durante el ajuste, es mejor colocar el dispositivo en el escritorio con los elementos hacia abajo: entonces la placa de circuito impreso protegerá contra lesiones durante una posible explosión de condensadores de óxido como resultado de un exceso de voltaje debido a una conexión incorrecta de los devanados. Si el voltaje en los devanados secundarios es insuficiente para que el SMPS ingrese al modo de operación, se escucharán los clics característicos del transformador junto con un tono alto ("clic"), debido al encendido periódico del modo de arranque a medida que aumenta el voltaje. a través del condensador C8 aumenta hasta el valor umbral. En el proceso de establecer un SMPS, en primer lugar, es necesario verificar la influencia de la posición del contacto móvil de la resistencia de sintonización R7 en los parámetros de los pulsos de salida. Debe tener mucho cuidado al elegir los parámetros de los elementos del circuito de formación de voltaje de diente de sierra (R5, C5), que determina la duración máxima del estado abierto del transistor de conmutación. El voltaje en el capacitor C5 en el microcircuito se compara con el voltaje en la entrada del amplificador de control, y el pulso de conmutación se detiene cuando coinciden. Si estos elementos se eligen incorrectamente, en el momento en que el SMPS se desconecta de la red, la disminución de voltaje en la salida del filtro de alimentación de red se compensará con un aumento en la duración de los pulsos de conmutación y un exceso del valor permitido. de la corriente de drenaje del transistor, lo que lo dañará. En el proceso de establecimiento, para conectar el SMPS a la red, se deben usar elementos de conmutación confiables (interruptores de palanca, interruptores y no enchufes y tomas de corriente), ya que el rebote de contacto resultante puede hacer que el transistor de conmutación falle. Una vez que se completa el ajuste, el dispositivo debe ingresar con confianza al modo de funcionamiento, como lo demuestra el funcionamiento silencioso del SMPS y las lecturas del amperímetro de control en el rango de 100 ... 350 mA, según la carga. Si esto no sucede, entonces el dispositivo tiene piezas defectuosas o errores en la instalación. Después de las primeras decenas de segundos de operación, el SMPS debe desconectarse de la red y controlar las condiciones térmicas del transistor, transformador, diodos, luego repetir lo mismo después de varias decenas de minutos de operación. Si no hay sobrecalentamiento, es necesario ajustar el voltaje de salida y verificar la forma de las señales de acuerdo con la Fig.3.
Un análisis del funcionamiento del dispositivo mostró que cuando se usa un transformador de pulso listo para usar, es mejor dejar el devanado de almacenamiento sin cambios y seleccionar el devanado de comunicación para un voltaje de 8 ... que contiene seis vueltas (bobinado con números de pin 9 - 8). Puede resultar que el transformador seleccionado no proporcione los parámetros requeridos del SMPS, por lo que será necesario reemplazar los devanados secundarios. Tecnología rígida para la fabricación de transformadores de pulso (distribución de devanados en un orden estrictamente especificado, manteniendo espacios entre el borde del devanado y el lado exterior del marco, eligiendo el diámetro de los cables según la corriente de operación, distribuyendo un incompleto " capa "descargada" sobre todo el ancho del devanado para crear un campo magnético uniforme dentro del volumen de trabajo del transformador) requiere en la fabricación de especial cuidado y precisión en el montaje. Pero desmontar un transformador pegado con pegamento epoxi es prácticamente imposible sin el uso de un equipo de fresado (después de cortar el transformador con una fresa, será necesario restaurar el espacio de trabajo en la varilla central reduciéndolo por el grosor del corte) . Por lo tanto, la única salida en esta situación es desoldar la pantalla de lámina de cobre electrostática (a prueba de interferencias), quitar los devanados innecesarios y enrollar el devanado requerido en su lugar usando el método de "lanzadera", y en lugar de un cable de gran diámetro, es más preferible utilizar varios conductores paralelos de menor diámetro con una sección transversal total equivalente. El dispositivo utilizó piezas no deficientes. Condensadores C1 K73-17, C2, C3, C10, SP - K73-9, todos para una tensión nominal de 630 V, C4 - K50-32. Si la carga del SMPS supera los 50 W, en paralelo con el condensador C4, debe conectar otro igual o utilizar K50-35B con una capacidad de 220 microfaradios (o 330 microfaradios) para una tensión de 350 V. Condensador C6 - K53-30 u otro. Condensadores de óxido C8, C13 K50-35. El resto son cualesquiera de cerámica para una tensión nominal de 63 ... 100 V. Todas las resistencias fijas son MLT, a excepción de R16 C5-16MV. Resistencia de corte R7 - SPZ-386. Reemplazaremos el puente de diodos KTS405B, KTS405V o diodos separados con un voltaje inverso permitido de al menos 400 V y una corriente de operación de 1 A. Los diodos VD6 y VD7 son diodos de pulso con una frecuencia nominal de al menos 35 kHz, el primero de que es para un voltaje nominal de al menos 600 V y corriente 1 A, el segundo - 100 V y 5 A (para fuentes de alimentación de bajo voltaje). En lugar de un estrangulador de filtro de línea industrial L1, se usa uno casero: se usa un anillo de ferrita de 1500NM-2000NM con un diámetro exterior de aproximadamente 20 mm con devanados enrollados en varias decenas de vueltas de dos conductores MGTF-0,35. Todos los elementos del SMPS están montados en una placa de circuito impreso hecha de lámina de fibra de vidrio de un lado con un espesor de 1,5 mm (Fig. 4). Se suelda un puente en los orificios A y B de la placa después de configurar el dispositivo. El condensador C4 se fija en paralelo a la placa mediante una abrazadera de alambre montada en un hueco en el extremo de la caja; los extremos de la abrazadera se sueldan en los orificios correspondientes. Para garantizar la fiabilidad del contacto eléctrico, el terminal negativo del condensador se conecta a la placa a través de una arandela con pétalo y una tuerca en la parte roscada de la carcasa. El condensador SI y la resistencia R13 están conectados por montaje en superficie, el segundo terminal del condensador con una orejeta de montaje soldada está conectado directamente a la placa de metal de la caja del transistor, que está instalada en el disipador de calor. Esto reducirá significativamente el nivel de interferencia radiada. Con el mismo propósito, el SMPS se coloca en una caja de metal con orificios de ventilación para su enfriamiento.
El dispositivo está conectado a la red con un cable de montaje flexible: un interruptor y un fusible están soldados en el espacio de un conductor con una corriente de disparo dos veces la corriente de operación medida por un amperímetro durante el ajuste (como se señaló anteriormente, dependerá de la carga). El devanado secundario está conectado con conductores aislados flexibles, dependiendo del valor de voltaje requerido en la salida del SMPS. El transistor VT1 se desplaza al borde de la placa para que pueda fijarse a través de una placa de mica directamente a la carcasa metálica del dispositivo o a un disipador de calor con un área de enfriamiento efectiva de 100...200 cm2. Debe recordarse que el SMPS está conectado galvánicamente a la red: si se maneja sin cuidado, esto puede provocar una descarga eléctrica. De acuerdo con las normas de seguridad eléctrica, para el momento de establecer el IIP, es necesario conectarse a la red a través de un transformador de aislamiento con una potencia de al menos 300 W. Literatura
Autores: V.Kosenko, S.Kosenko, V.Fedorov, Voronezh
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