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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA VIPER-100A y un cargador de bolsillo basado en él
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Cargadores, baterías, celdas galvánicas La nueva línea de microcircuitos se caracteriza por todas las ventajas de su predecesora, los controladores PWM de la serie UC384X, y, además, tiene varias ventajas importantes. En primer lugar, este es el número de elementos discretos del microcircuito que se reduce aproximadamente a la mitad. Una circunstancia importante es la alta confiabilidad de la protección térmica del SMPS conmutado por VIPer. En caso de un contacto térmico deficiente entre el transistor de conmutación y el disipador de calor, un controlador PWM ubicado por separado responderá solo al sobrecalentamiento del cuerpo del microcircuito. El funcionamiento intenso del transistor puede provocar su ruptura térmica y, durante un aumento similar a una avalancha en la corriente de drenaje, el transistor se vuelve prácticamente incontrolable. La tensión de red rectificada a través de un transistor defectuoso puede dañar el controlador PWM incluso antes de que salte el fusible. Para SMPS conmutados por VIPer, esta situación está excluida. Y la ventaja más importante es la posibilidad de diseño automatizado de SMPS. El microcircuito VIPer-110A está fabricado en una caja de metal y plástico TO-220-5 de cinco pines con una disposición de pines en zigzag. Consideremos el algoritmo operativo y el diagrama funcional simplificado del producto que se muestra en la Fig. once].
Comparando la figura. 1 y el diagrama funcional del controlador PWM UC384X [2], es fácil notar su similitud. El propósito de muchos nodos coincide absolutamente o difiere sólo ligeramente. En particular, el comparador del voltaje de suministro de entrada del chip A1 proporciona un nivel de umbral cuando el interruptor VIPer entra en el estado "encendido" de aproximadamente 11 V, "apagado" - 8 V. La protección térmica funciona de manera similar. Cuando la temperatura del cristal aumenta a 140...170°C, el activador de modo seguro D1 bloquea el funcionamiento de PWM D2 en la entrada R1. El funcionamiento se reanudará automáticamente tan pronto como la temperatura del cristal baje 40°C en comparación con el nivel de protección térmica. La corriente consumida por el microcircuito no supera 1 mA en el estado "Apagado" y 15 mA en el estado "Encendido". Una de las características del producto VIPer es que durante el inicio, los pines 3 (DRAIN) y 2 (Vdd) dentro del microcircuito están conectados mediante un circuito limitador de corriente. El nivel límite es 3 mA. Esta corriente se distribuye entre el comparador de voltaje de entrada A1 (1 mA) y el condensador del filtro de óxido conectado al pin 2 (la corriente de carga del condensador es de aproximadamente 2 mA). Después de un aumento relativamente lento, el voltaje en el condensador de óxido alcanza el nivel umbral para encender el microcircuito (11 V), luego el condensador se descarga con una corriente de funcionamiento del microcircuito de 15 mA. Si el microcircuito, por alguna razón (gran capacitancia del condensador de filtro descargada antes de encenderlo o un cortocircuito en la carga) no logra cambiar del modo de arranque al modo de funcionamiento, el voltaje en el capacitor disminuye rápidamente hasta el nivel de umbral de apagado. , tras lo cual el proceso se repite cíclicamente. Al intentar cambiar al modo de funcionamiento, el microcircuito genera "paquetes" de impulsos de activación. El factor de llenado de los "paquetes" está determinado por la relación entre la corriente de carga del condensador y la corriente de descarga y es de sólo 2/15 "13%, lo que evita daños a los rectificadores de entrada y salida en el modo de arranque o durante cortos circuitos en la carga La formación de varios "paquetes" en el modo de arranque contribuye a un aumento suave en el voltaje de salida SMPS y caracteriza su encendido "suave". El proceso de regulación del voltaje de salida del SMPS es similar al considerado para el prototipo. Los circuitos internos aseguran la estabilización de la tensión de alimentación del microcircuito a 13 V mediante dos circuitos de control: interno y externo. El circuito interno es un estabilizador regular para alimentar todos los componentes del microcircuito. El circuito de control externo está formado por el devanado auxiliar del transformador, conectado al pin 2 a través de una resistencia externa, y el amplificador de señal de error A3 conectado a este pin. La doble estabilización de la tensión de alimentación del microcircuito garantiza una desviación mínima de la frecuencia de los pulsos de conmutación. En [1] se afirma que cuando la tensión de alimentación cambia en el rango de 9...15 V, así como los valores de la resistencia de ajuste de frecuencia y del condensador no corresponden a los valores calculados dentro de ± 1% y ±5%, respectivamente, la desviación de la frecuencia de repetición del pulso no excederá el ±10%. La inestabilidad de la temperatura de la frecuencia no excederá el -4% si la temperatura del cristal aumenta de 25 a 125°C. Al igual que en el controlador UC384X PWM, el mismo nombre y el pin 5 (COMP) funcionalmente equivalente del microcircuito VIPer con un voltaje en modo operativo de aproximadamente 4,5 V se puede usar para apagar por la fuerza el SMPS. Dentro del microcircuito, este pin se puede conectar al cable común mediante el transistor de efecto de campo V2 bajo la influencia del disparador de modo seguro D1, que responde a las señales de bloqueo de la unidad de protección térmica A2 y al comparador de voltaje de entrada A1. Si la conexión forzada del pin 5 al cable común se produjo durante la acción de un pulso de conmutación, el siguiente pulso no es posible antes de 1,7...5 μs, aunque el generador continúa funcionando todo este tiempo. Un condensador conectado al pin 5 retrasará el aumento de voltaje hasta el nivel umbral de 0,5 V durante algún tiempo y se perderá al menos un pulso de conmutación. Al cambiar la cantidad de pulsos transmitidos, también puede regular el voltaje de salida del SMPS. El retardo de tiempo de los pulsos de conmutación lo realiza el elemento A5, conectado a la salida del comparador de control de corriente A4. De particular interés en el producto VIReg es el método de control utilizado actualmente, para el cual todos los elementos necesarios se forman en el cristal. Se suministra una señal proporcional a la corriente desde el terminal adicional del transistor de conmutación V3 al convertidor de corriente-voltaje U1 y luego se amplifica en el amplificador del sensor de corriente A9. El nivel de voltaje en la entrada R3 de PWM D2 es proporcional a la corriente de drenaje y cuando se alcanza un nivel umbral determinado, la duración del pulso de conmutación será limitada. Una unidad de supresión especial, dentro de los 0,25 μs después del inicio del pulso de conmutación, suprime las sobretensiones en el frente causadas por la corriente de recuperación inversa del diodo rectificador en el devanado secundario y la capacitancia distribuida del devanado de almacenamiento. Estos picos pueden hacer que el ancho del pulso se limite prematuramente. Durante el funcionamiento normal del SMPS, la duración de los pulsos de conmutación está limitada por la entrada R2 PWM. En caso de un cortocircuito en la carga después de encender el SMPS, la corriente de salida inicialmente aumentará lentamente de acuerdo con las características dinámicas del circuito de control, y cuando el valor límite para VIPer-100A alcance 3 A, la corriente ser limitado en cada pulso de conmutación. Se debe prestar atención al hecho de que la corriente máxima de 4 A indicada en los libros de referencia es el mínimo del rango posible para muestras individuales. El valor de corriente típico para la mayoría es de 5,4 A, y los microcircuitos individuales funcionan incluso a un nivel límite de 5 A. Puede limitar la corriente a través del transistor de conmutación a un nivel inferior si utiliza un convertidor de corriente-voltaje externo, la salida de que está conectado al pin XNUMX (COMP). Todo ello garantiza la prevención de daños al SMPS en situaciones extremas. La aparición del microcircuito VIPer-100A nos permite adoptar un enfoque completamente nuevo al problema de crear un cargador simple y confiable para baterías de automóviles. La mayoría de los cargadores cargan la batería con una corriente estable. Sin embargo, en todos los vehículos, incluidos los turismos, la carga se realiza a tensión constante. En la red de a bordo, los reguladores de relé mantienen el voltaje a un nivel de 14±0,5 V. Por tanto, la descarga de la batería en el modo de arranque con una corriente de varias decenas de amperios va acompañada de un breve período de tiempo posterior cuando la corriente de carga puede alcanzar los 30 amperios o más y luego disminuye rápidamente a unidades y fracciones de amperios. Los entusiastas de los automóviles pueden utilizar un modo de carga similar para resolver un tipo diferente de problema. Si necesita salir con urgencia y el automóvil no se ha conducido durante mucho tiempo, lo más probable es que, debido a la autodescarga de la batería, los intentos de arrancar el motor, especialmente en invierno, no tengan éxito. En tales casos, algunos entusiastas de los automóviles utilizan recargas de batería de larga duración (medio día o más) con baja corriente, acelerando así la corrosión de los conjuntos de electrodos positivos [3] y acelerando el fallo de la batería. En este caso, es más racional utilizar un cargador que cargue la batería a voltaje constante durante 15...30 minutos. Una resistencia con una pequeña resistencia (fracción de ohmio) conectada en serie con la batería limitará la corriente de carga en el momento inicial y, a medida que avanza la carga, el voltaje en la batería aumentará y la corriente disminuirá. El cargador VIPer-switched se puede transportar al garaje sin problemas, incluso en el bolsillo, gracias a sus reducidas dimensiones y peso. Por otro lado, puede utilizarse no sólo como cargador completo, sino también como fuente de energía para otros fines. Dado que un SMPS de este tipo está protegido contra cortocircuitos, se puede conectar a una batería parcial o completamente descargada. Dependiendo del grado de descarga, el SMPS “bombeará” energía limitada a una potencia de aproximadamente 100 W a la batería, es decir, la corriente de carga se regulará automáticamente, sin ir más allá del modo de funcionamiento seguro del SMPS. El cargador le permite cargar la batería con una corriente de al menos 6 A al principio y aumentar el voltaje a 15 V al final de la carga. La frecuencia de conversión operativa del SMPS utilizado es de 100 kHz. La eficiencia del dispositivo es de al menos el 87%. Dimensiones del SMPS sin carcasa - 55x80x42,5 mm. Las funciones de servicio de la memoria están determinadas por las propiedades del microcircuito VIPer-100A utilizado. Ya se han mencionado: protección contra cortocircuitos y roturas de carga, implementación de modos de funcionamiento seguros, protección térmica, regulación automática de la corriente de carga en función del grado de descarga de la batería. El único inconveniente de la memoria, que hay que tomar muy en serio, es su vulnerabilidad a la inversión de polaridad. Si la batería se conecta incorrectamente, el transformador y otros elementos del cargador pueden dañarse, por lo que es necesario conectarlo con mucho cuidado. El circuito de memoria, desarrollado con la ayuda de DESIGNE SOFTWARE ("Evolución de las fuentes de alimentación de pulsos flyback" en "Radio", 2002, No. 8), se muestra en la Fig. 2. La metodología de diseño ha sido descrita en detalle anteriormente. Los parámetros de voltaje de red no cambiaron, se eligió la frecuencia de conversión de 100 kHz, los parámetros de salida corresponden a un voltaje de 15 V a una corriente de 6 A. Se eligió el núcleo magnético del transformador RM10 (análogo doméstico de KB 10 ) del material N67 (analógico - M2500NMS1).
Gracias a un análisis detallado del algoritmo de funcionamiento del producto VIPer-100A utilizado en la memoria, no tiene sentido describir repetidamente el propósito de los elementos individuales del dispositivo. El dibujo de la placa de circuito impreso se muestra en la Fig. 3.
A pesar del número mínimo de elementos utilizados, la instalación resultó ser muy ajustada, lo que se explica por el deseo del autor de utilizar un condensador de alto voltaje K41-1a defectuoso con una capacidad de 0,1 μF para un voltaje de 10 kV como acabado. carcasa del dispositivo. Chip VIPer-100A se instala sobre un disipador de calor de clavija con un área efectiva de unos 60 cm2 a través de una placa de mica utilizando pasta termoconductora, conectada a un cable común. El puente de diodos es importado, diseñado para una corriente directa de 1,5 A y una tensión inversa de 1000 V. El conjunto de diodos VD4-VD7 consta de tres placas de duraluminio conectadas por dos tornillos (el espesor de las exteriores es de 1,5 mm, la del medio uno es de 2 mm) de dimensiones 30x40 mm, entre los cuales, de dos en dos a cada lado de la placa central, se sujetan cuatro diodos KD213B sin aislante mediante pasta termoconductora con el cátodo hacia el centro. Durante la instalación, preste atención al aislamiento de todos los terminales del ánodo. La resistencia limitadora de corriente R6 - C5-16MV con una potencia de 5 W se instala perpendicular a la placa. Microamperímetro RA1 - M4283 o cualquier otro, utilizado en grabadoras portátiles para indicar el nivel de grabación. Al configurarlo, se conecta a una fuente de voltaje estabilizado de 0,6 V y, al seleccionar la resistencia R5, se coloca la flecha en el borde del sector verde. Los condensadores de óxido se importan, ya que los nacionales no “encajan” en las dimensiones especificadas del SMPS. El condensador C7 se suelda en paralelo a la resistencia R3, y luego este último se suelda con un terminal perpendicular a la placa, y el segundo se conecta en forma de bisagra al terminal libre de un diodo VD2 instalado de manera similar. Se debe prestar especial atención a la fabricación e instalación del transformador de impulsos. Su núcleo magnético debe tener un espacio no magnético de 0,7 mm. Los devanados del transformador están enrollados en un marco casero. Con un bisturí o un cuchillo afilado, pele una pequeña placa de fibra de vidrio y separe una capa de 0,1...0,15 mm de espesor. Después de cortar una tira del tamaño requerido, usando pegamento nitro sin distorsiones, envuélvala en 2-3 capas en una varilla de diámetro adecuado y retírela después de que el pegamento se haya secado. Sobre el marco así obtenido se enrolla la primera capa: 11 vueltas de alambre PEV-2 0,41 en dos conductores, luego una capa intermedia de aislamiento de película de Lavsan o tela barnizada y la segunda capa: 9 vueltas. Luego se enrolla el aislamiento entrelazado. El devanado III, que consta de 7 vueltas de alambre PEV-2 1,5, se enrolla en una varilla de un diámetro ligeramente mayor para que encaje en el devanado I. A cada lado de la bobina se dejan cables de 8...10 mm de largo. El devanado resultante III se coloca cuidadosamente sobre la primera sección del devanado I de modo que sus terminales queden diametralmente opuestos, centrados y se fija con pegamento una capa de aislamiento entre devanados. Después de esto, es útil comprobar la colocación de la bobina en el circuito magnético, y si ambas placas están conectadas libremente, se retira la bobina y se rellenan sus extremos con pegamento para fijar y sellar los devanados. Después de que se haya secado el pegamento sobre la bobina, se enrolla la segunda sección del devanado I en dos capas de 8 y 7 vueltas cada una. El devanado se completa con el devanado II de 6 vueltas de alambre “descarga” PEV-2 0,15 y luego de una colocación de prueba. de la bobina en el circuito magnético, los extremos de la bobina se sellan nuevamente con pegamento. La inductancia medida del devanado I del transformador coincidió con la calculada en DESIGNE SOFTWARE y ascendió a 225 μH. El transformador terminado se cubre a lo largo de la superficie lateral con una pantalla electrostática: una capa de lámina de cobre y se fija a la placa mediante un soporte. Entre el transformador y el soporte se coloca una tira de goma de 1 mm de espesor. No es necesario pegar las placas del circuito magnético durante el montaje. Todos los pines del transformador, excepto el 7, 2 y 3, están soldados en los orificios correspondientes de la placa. Los pines 2 y 3 están conectados de forma articulada, aislados y luego "ocultos" debajo de un escudo electrostático. El pin 7 está conectado a la placa con un trozo corto de cable coaxial con un conductor central trenzado. En la tapa del dispositivo hay un interruptor de encendido, un portafusibles de 2 A, un microamperímetro y dos terminales para conectar la batería. Además, para facilitar el régimen térmico del SMPS, en la tapa de la carcasa se fija un ventilador de pequeño tamaño, que sirve para soplar los microprocesadores, preferiblemente con el mayor rendimiento posible, y para ello se prevén aberturas de entrada de aire. Los terminales del ventilador, diseñados para un voltaje de 12 V, están conectados al condensador C9 a través de una resistencia limitadora de corriente MLT-0,125 con una resistencia de 8,2 ohmios. Dependiendo del modelo y prestaciones, la corriente consumida por el ventilador oscilará entre 40...50 mA a 12 V y 55...65 mA a 15 V. Si el cargador se ensambla a partir de piezas reparables sin errores y la desviación de la frecuencia de funcionamiento del valor calculado no supera el 10%, no es necesario ajustar el dispositivo. En la Fig. La Figura 4 muestra las dependencias del voltaje de salida (línea continua) y la potencia de salida (línea discontinua) de la corriente de carga. Las medidas se realizaron con la resistencia R6 cerrada.
Para reducir la ondulación en la salida, se conectó un condensador de óxido con una capacidad de 22000 μF. Literatura
Autor: S. Kosenko, Voronezh
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