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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Netzstromversorgung 5 Volt 6 Ampere mit hohen spezifischen Parametern. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Netzteile Der den Lesern zur Kenntnis gebrachte Artikel beschreibt einen Impulskonverter zur Versorgung elektronischer Geräte mit einer Spannung von 5 V aus einem Wechselstromnetz. Der Konverter enthält keine knappen und teuren Elemente, er ist einfach herzustellen und einzustellen. Das Netzteil ist mit einem Schutz gegen Ausgangsspannungsspitzen und Überstrom mit automatischer Rückkehr in den Betriebsmodus nach dessen Beseitigung ausgestattet. Haupttechnische Parameter type="disc">Auf Abb. 1 zeigt ein Diagramm der Vorrichtung. Das Steuergerät implementiert das Pulsweitenprinzip der Ausgangsspannungsstabilisierung. Auf den Elementen DD1.1, DD1.2 wird ein Hauptoszillator hergestellt, der bei einer Frequenz von etwa 100 kHz mit einem Arbeitszyklus nahe zwei arbeitet. Impulse mit einer Dauer von etwa 5 &mgr;s durch den Kondensator C11 werden dem Eingang des Elements DD1.3 zugeführt und dann durch den Strom durch die parallel geschalteten Elemente DD1.4–DD1.6 verstärkt. Um die Ausgangsspannung des Netzteils zu stabilisieren, wird die Impulsdauer während der Regelung reduziert. Der Transistor VT1 "verkürzt" die Impulse. Beim Öffnen jeder Betriebsperiode des Generators setzt er zwangsweise einen niedrigen Pegel am Eingang des Elements DD1.3. Dieser Zustand wird bis zum Ende der nächsten Periode durch einen entladenen Kondensator C11 aufrechterhalten.
An den Transistoren VT2, VT3 wird ein leistungsstarker Stromverstärker hergestellt, der ein erzwungenes Schalten des Schalttransistors VT4 ermöglicht. Spannungsdiagramme an den Hauptelementen der Stromquelle während des Starts sind in Abb. 2 dargestellt. 4. Wenn der Transistor VT1 offen ist, steigt der durch ihn und die Wicklung I des Transformators T2,6 fließende Strom linear an (Abb. 11). Die Impulsspannung vom Stromsensor R7 über den Widerstand R1 wird der Basis des Transistors VT12 zugeführt. Um ein falsches Öffnen des Transistors zu verhindern, werden Stromstöße durch den Kondensator C1 geglättet. In den ersten Perioden nach dem Start bleibt die Momentanspannung an der Basis des Transistors VT6 kleiner als die Öffnungsspannung U0,7e offen * 2 V (Abb. 0,7, c). Sobald die Momentanspannung während der nächsten Periode die Schwelle von 1 V erreicht, öffnet der Transistor VT4, was wiederum zum Schließen des Schalttransistors VT11 führt. Somit kann der Strom in der Wicklung I und damit in der Last einen bestimmten Wert nicht überschreiten, der durch den Widerstandswert des Widerstands RXNUMX vorgegeben ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Stromversorgung vor Überstrom geschützt ist. Die Phasenlage der Wicklungen des Transformators T1 ist so eingestellt, dass während des offenen Zustands des Transistors VT4 die Dioden VD7 und VD9 durch Sperrspannung geschlossen sind. Wenn der Schalttransistor schließt, ändert die Spannung an allen Wicklungen das Vorzeichen und steigt an, bis diese Dioden öffnen. Dann wird die während des Impulses im Magnetfeld des Transformators T1 angesammelte Energie zum Laden der Kondensatoren des Ausgangsfilters C15-C17 und des Kondensators C9 geleitet. Beachten Sie, dass, da die Phasenlage der Wicklungen II und III zusammenfällt, die Spannung über dem Kondensator C9 im Ausgangsspannungsstabilisierungsmodus auch unabhängig vom Wert der Eingangsspannung der Stromquelle stabilisiert wird. Das Regelelement des Netzteils ist eine Mikroschaltung DA2 KR142EN19A. Wenn die Spannung am Steuerstift 1 der Mikroschaltung 2,5 V erreicht, beginnt ein Strom durch ihn und durch die Sendediode des Optokopplers zu fließen, der mit zunehmender Ausgangsspannung zunimmt. Der Fototransistor des Optokopplers öffnet und der durch die Widerstände R5, R7 und R11 fließende Strom erzeugt an ihnen einen Spannungsabfall, der mit steigender Ausgangsspannung ebenfalls zunimmt. Die momentane Spannung an der Basis des Transistors VT1, gleich der Summe des Spannungsabfalls am Widerstand R7 und am Stromsensor R11, darf 0,7 V nicht überschreiten. Daher steigt die konstante Spannung am Widerstand R7 mit zunehmendem Strom des Fototransistors des Optokopplers nimmt zu und die Amplitude der Impulskomponente am Widerstand R11 nimmt ab, was wiederum nur aufgrund einer Verringerung der Dauer des offenen Zustands des Schalttransistors VT4 auftritt. Wenn die Impulsdauer abnimmt, verringert sich auch der „Anteil“ der Energie, der in jeder Periode vom Transformator T1 in die Last gepumpt wird.
Wenn also die Ausgangsspannung des Netzteils kleiner als der Nennwert ist, beispielsweise während seines Hochfahrens, sind die Impulsdauer und die an den Ausgang übertragene Energie maximal. Wenn die Ausgangsspannung den Nennpegel erreicht, erscheint ein Rückkopplungssignal, wodurch die Impulsdauer auf einen Wert abnimmt, bei dem sich die Ausgangsspannung stabilisiert. Wenn aus irgendeinem Grund die Ausgangsspannung ansteigt, beispielsweise wenn der Laststrom plötzlich abnimmt, steigt auch das Rückkopplungssignal an und die Impulsdauer sinkt auf Null und die Ausgangsspannung der Stromversorgung kehrt zum Nennwert zurück. Auf dem DA1-Chip befindet sich der Startknoten des Konverters. Sein Zweck besteht darin, den Betrieb des Steuergeräts zu blockieren, wenn die Versorgungsspannung weniger als 7,3 V beträgt. Dieser Umstand ist darauf zurückzuführen, dass der Schalter – der Feldeffekttransistor IRFBE20 – nicht vollständig öffnet, wenn die Gate-Spannung weniger als 7 beträgt V. Der Startknoten funktioniert wie folgt. Wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird, beginnt der Kondensator C9, sich über den Widerstand R8 aufzuladen. Während die Spannung am Kondensator einige Volt beträgt, wird der Ausgang (Pin 3) des DA1-Chips niedrig gehalten und der Betrieb der Steuereinheit blockiert. In diesem Moment verbraucht der DA1-Chip an Pin 1 einen Strom von 0,2 mA und der Spannungsabfall am Widerstand R1 beträgt etwa 3 V. Nach etwa 0,15 ... 0,25 s erreicht die Spannung am Kondensator 10 V, bei denen die Spannung an Pin 1 DA1-Chip ist gleich dem Schwellenwert (7,3 V). An seinem Ausgang erscheint ein High-Pegel, der den Betrieb des Hauptoszillators und der Steuereinheit ermöglicht. Der Konverter startet. Zu diesem Zeitpunkt wird die Steuereinheit durch die im Kondensator C9 gespeicherte Energie versorgt. Die Spannung am Ausgang des Wandlers beginnt zu steigen, was bedeutet, dass sie während der Pause auch an Wicklung II ansteigt. Wenn sie größer als die Spannung am Kondensator C9 wird, öffnet die Diode VD7 und der Kondensator wird weiterhin jede Periode von der Hilfswicklung II aufgeladen. Hier sollten Sie jedoch auf ein wichtiges Merkmal des Netzteils achten. Der Kondensatorladestrom über den Widerstand R8 beträgt je nach Eingangsspannung der Stromquelle 1...1.5 mA und der Verbrauch des Steuergeräts im Betrieb beträgt 10...12 mA. Dies bedeutet, dass während des Startvorgangs der Kondensator C9 entladen wird. Sinkt seine Spannung auf den Schwellenwert des DA1-Chips, schaltet sich das Steuergerät aus, und da es im ausgeschalteten Zustand nicht mehr als 0,3 mA verbraucht, steigt die Spannung am Kondensator C9 an, bis er wieder eingeschaltet wird. Dies geschieht entweder bei Überlast oder bei großer kapazitiver Last, wenn die Ausgangsspannung während der Startzeit von 20...30 ms keine Zeit hat, auf den Nennwert anzusteigen. In diesem Fall muss die Kapazität des Kondensators C9 erhöht werden. Übrigens ermöglicht diese Funktion des Steuergeräts, dass sich die Stromquelle unbegrenzt lange im Überlastmodus befindet, da sie in diesem Fall im pulsierenden Modus arbeitet und die Betriebszeit (Anlauf) 8 beträgt. .. 10-mal weniger als die Zeit im Ruhezustand. Die Schaltelemente erwärmen sich nicht einmal! Ein weiteres Merkmal des Netzteils ist der Schutz der Last vor Überspannung, die beispielsweise auftritt, wenn ein Element im Rückkopplungskreis ausfällt. Im Betriebsmodus beträgt die Spannung am Kondensator C9 ca. 10 V und die Zenerdiode VO1 ist geschlossen. Bei einer Unterbrechung des Rückführkreises steigt die Ausgangsspannung über den Nennwert an. Damit einhergehend steigt aber auch die Spannung am Kondensator C9 und bei einem Wert von etwa 13 V öffnet die Zenerdiode VD1. Der Vorgang dauert 50...500 ms, wobei der Strom durch die Zenerdiode allmählich ansteigt und seinen Maximalwert um ein Vielfaches überschreitet. In diesem Fall erwärmt sich der Kristall des Elements und schmilzt – die Zenerdiode verwandelt sich praktisch in einen Jumper mit einem Widerstand von einigen bis mehreren zehn Ohm. Die Spannung am Kondensator C9 sinkt auf Werte, die nicht ausreichen, um das Steuergerät einzuschalten. Die Ausgangsspannung sinkt nach einem Anstieg um das 1,3- bis 1,8-fache je nach Laststrom auf Null. An den L2C19-Elementen ist ein zusätzlicher Filter angebracht, der die Amplitude der Welligkeiten der Ausgangsspannung reduziert. Um das Eindringen hochfrequenter Störungen in das Netzwerk zu reduzieren, ist am Eingang ein C1-C3L1C4-C7-Filter installiert, der auch den im Betrieb verbrauchten Impulsstrom mit einer Frequenz von 100 Hz glättet. Der Thermistor RK1 (TP-10) hat im kalten Zustand einen relativ hohen Widerstand, der den Einschaltstrom des Wandlers beim Einschalten begrenzt und die Gleichrichterdioden schützt. Während des Betriebs erwärmt sich der Thermistor, sein Widerstand nimmt um ein Vielfaches ab und beeinflusst die Effizienz der Stromversorgung praktisch nicht. Wenn der Transistor VT4 geschlossen ist, erscheint ein Spannungsimpuls an der I-Wicklung des Transformators T1 (in Fig. 2, d ist er in den ersten drei Perioden der Spannung UcVT4 durch eine gepunktete Linie dargestellt). dessen Amplitude durch die Streuinduktivität bestimmt wird. Um es zu reduzieren, ist im Konverter eine VD8R9C14-Schaltung installiert. Es eliminiert das Risiko eines Durchbruchs des Schalttransistors und reduziert die Anforderungen an die maximale Spannung an seinem Drain, was die Zuverlässigkeit des Wandlers insgesamt erhöht. Die Stromquelle besteht hauptsächlich aus inländischen und importierten Standardelementen, mit Ausnahme von Wickelprodukten. Die Drosseln L1 und L2 sind auf K10x6x4,5-Ringe aus Permalloy MP 140 gewickelt. Die Magnetkerne werden zunächst mit einer Schicht lackiertem Stoff isoliert. Jede Wicklung ist mit PETV-Draht mit einer Windung von 0,35 Windungen in zwei Lagen auf ihrer Ringhälfte gewickelt, und zwischen den Wicklungen des Induktors L1 muss ein Abstand von mindestens 1 mm bestehen. Die Wicklungen des Induktors L1 enthalten 26 Windungen und die des Induktors L2 sieben Windungen, jedoch mit jeweils acht Leitern. Die Wunddrosseln werden mit BF-2-Kleber imprägniert und bei einer Temperatur von etwa 60°C getrocknet. Der Transformator ist der wichtigste und wichtigste Teil der Stromversorgung. Die Qualität seiner Herstellung hängt von der Zuverlässigkeit und Stabilität des Wandlers, seinen dynamischen Eigenschaften und dem Betrieb im Leerlauf- und Überlastmodus ab. Der Transformator ist auf einem K17x10x6,5-Ring aus Permalloy MP140 gefertigt. Vor dem Aufwickeln wird der Magnetkern mit zwei Lagen lackiertem Stoff isoliert. Der Draht wird fest, aber ohne Spannung verlegt. Jede Wicklungsschicht wird mit BF-2-Kleber beschichtet und anschließend mit lackiertem Stoff umwickelt. Zuerst wird Wicklung I gewickelt, sie enthält 228 Windungen PETV 0,2 ... 0,25 Draht, Windung auf Windung gewickelt in zwei Lagen, zwischen denen eine Lage Lackgewebe eingelegt wird. Die Wicklung ist mit zwei Lagen Lackgewebe isoliert. Als nächstes wird Wicklung III gewickelt. Es enthält sieben Windungen PETV 0,5-Draht in sechs Leitern, die gleichmäßig um den Umfang des Rings verteilt sind. Darüber wird eine Schicht Lackstoff gelegt. Und schließlich wird Wicklung II zuletzt gewickelt, die 13 Windungen PETV 0,15 enthält ... Danach wird der fertige Transformator mit zwei Lagen lackiertem Stoff umwickelt, außen mit BF-0,2-Kleber beschichtet und bei einer Temperatur von 2 ° C getrocknet. Anstelle des VT4-Transistors können Sie einen anderen mit einer zulässigen Drain-Spannung von mindestens 800 V und einem maximalen Strom von 3 ... 5 A verwenden, zum Beispiel BUZ80A, KP786A, und anstelle der VD8-Diode einen beliebigen Hochgeschwindigkeitsdiode mit einer zulässigen Sperrspannung von mindestens 800 V und einem Strom von 1...3 A, z. B. FR106. Die Stromversorgung erfolgt auf einer Platine mit den Maßen 95x50 mm und einer Dicke von 1,5 mm. In den Ecken der Platine und in der Mitte der Längsseiten befinden sich sechs Löcher, durch die die Platine mit dem Kühlkörper verschraubt wird. Auf der einen Seite der Platine sind ein VT4-Transistor und eine VD9-Diode mit Flanschen nach außen gelötet, auf der anderen Seite sind die restlichen Teile verbaut. Um die Größe der Platine zu reduzieren, werden alle Elemente außer den Kondensatoren C8, C9, der Mikroschaltung DD1, dem Widerstand R9, dem Transformator und dem Optokoppler vertikal eingebaut, sodass ihre maximale Höhe über der Platine 20 mm nicht überschreitet. Der Kühlkörper ist mit dem gemeinsamen Punkt der Kondensatoren C1 und C2 verbunden. In diesem Fall ist es besser, das Netzteil an eine dreipolige Schutzkontaktsteckdose anzuschließen. Durch diese Maßnahmen kann die Geräuschemission des Umrichters deutlich reduziert werden. Der Kühlkörper des Konverters ist ein U-förmiger Bügel mit einer Länge von 95 mm, einer Breite von 60 mm und einer Höhe von 30 mm, der aus Aluminiumblech mit einer Dicke von mindestens 2 mm gebogen ist. Der Konverter wird am „Boden“ dieser „Mulde“ mit den Metallflanschen der VT4- und VD9-Elemente nach unten montiert und mit M0,05-Schrauben durch die Löcher in der Platine festgezogen. Die Flansche sind mit wärmeleitenden Dichtungen, beispielsweise von Noma-con, Bergquist, oder im Extremfall mit Glimmer XNUMX mm dick vorisoliert. Strukturell befindet sich der Wandler sozusagen in einem Metallgehäuse, das ihn vor mechanischen Stößen schützt. Um die Zuverlässigkeit zu erhöhen, ist es wünschenswert, die Konverterplatine mit 2-3 Lackschichten zu bedecken, um die Möglichkeit eines Ausfalls bei hoher Umgebungsfeuchtigkeit auszuschließen. Wenn alle Elemente der Stromquelle in gutem Zustand sind, korrekt hergestellt und gemäß dem Diagramm angeschlossen sind, ist dies nicht schwer festzustellen. Parallel zum Widerstand R10 ist ein Oszilloskop geschaltet. Ein Labornetzteil, z. B. B9-5, mit einem maximalen Strom von nicht mehr als 45 ... 15 mA wird in der entsprechenden Polarität an den Kondensator C17 angeschlossen, und die Spannung beginnt langsam von Null aus anzusteigen. Bei einer Spannung von 9,5 ... 10,5 V wird am Ausgang der DA1-Mikroschaltung eine logische Einheitsspannung eingestellt, der Hauptoszillator schaltet sich ein und es sollten Rechteckimpulse mit einer Frequenz von ungefähr 100 kHz und einem Tastverhältnis von ungefähr 2 auftreten den Oszilloskopbildschirm (Abb. 2, a). Außerdem sollte die Spannung nicht erhöht werden, da bei einem Wert von etwa 13 V die Zenerdiode VD1 öffnen kann. Die Stromaufnahme des Steuergeräts darf das angegebene Maximum nicht überschreiten. Wenn wir jetzt die Versorgungsspannung reduzieren, bei 7,2 ... 7,6 V, verschwindet die Generation. Das bedeutet, dass die Umrichtersteuerung korrekt arbeitet. Als nächstes wird eine Last mit einem Widerstand von 4 ... 5 Ohm und einer Leistung von 10 ... 15 W an den Ausgang des Wandlers angeschlossen, und der Eingang wird vom zweiten Labornetzteil B5-49 mit Spannung versorgt. und bei laufender Steuereinheit beginnt die Eingangsspannung anzusteigen. Stellen Sie ihn zunächst auf einen Pegel von 7 ... 10 V ein und prüfen Sie mit einem Oszilloskop, ob die Wicklungen des Transformators T1 korrekt angeschlossen sind. Außerdem steuern sie die Form der Spannung am Drain des Transistors VT4 (Abb. 2,d) und überprüfen die Spannung am Ausgang des Wandlers mit einem Voltmeter. Bei einer Eingangsspannung von 150 ... 170 V erreicht die Ausgangsspannung 5 V und stabilisiert sich. Danach wird die Stromversorgung der Steuereinheit abgeschaltet und arbeitet an einem Eingang weiter. Eine weitere Erhöhung der Eingangsspannung sollte zu einer Verringerung der Breite des Steuerimpulses führen (Abb. 2, a), der auch am Widerstand R10 gesteuert werden sollte. Ferner wird bei einer Eingangsspannung von 200 V der Laststrom erhöht (aber nicht mehr als 7 A) und sein Wert wird festgelegt, bei dem die Ausgangsspannung des Wandlers abzunehmen beginnt. Ist dies bei einem Strom von bis zu 7 A nicht möglich, wird der Widerstandswert des Widerstands R11 erhöht. Als Ergebnis der Einstellung sollte seine Nennleistung so eingestellt werden, dass bei einem Laststrom von 6,5 ... 7 A und der minimal zulässigen Eingangsspannung die Ausgangsspannung des Wandlers abzunehmen beginnt. Damit ist die Einstellung der Stromversorgung abgeschlossen. Wenn die Qualität der Wicklung des Transformators T1 schlecht ist, nehmen die Spannungsspitzen am Transistor \L "4 zu, was zu einem instabilen Betrieb der Stromversorgung und sogar zum Ausfall des Schalttransistors führen kann. Wenn Sie eine Quelle mit einer anderen Ausgangsspannung benötigen, müssen Sie Folgendes tun: Ändern Sie den Widerstandswert der Widerstände R13, R14, da die Schwellenspannung des DA2-Chips 2,5 V beträgt. Änderung direkt proportional zur Anzahl der Windungen und umgekehrt proportional zum Querschnitt der Leiter der Wicklung III; Wählen Sie die Diode VD9 und die Kondensatoren C15-C17, C19 für die entsprechende Spannung; Installieren Sie den Widerstand R16 mit einem Widerstandswert (in Ohm), der nach der Formel R16=100(UBblx-4) berechnet wird. Denken Sie beim Einrichten und Arbeiten mit dem Umrichter daran, dass seine Elemente unter lebensgefährlicher Hochspannung stehen. Seien Sie aufmerksam und vorsichtig! Autor: A. Mironov, Lyubertsy, Region Moskau; Veröffentlichung: cxem.net
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