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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK VIPER-100A und ein darauf basierendes Taschenladegerät
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Ladegeräte, Batterien, galvanische Zellen Die neue Mikroschaltungsreihe zeichnet sich durch alle Vorteile ihres Vorgängers – der PWM-Controller der UC384X-Serie – aus und verfügt darüber hinaus über mehrere wesentliche Vorteile. Erstens ist dies die Anzahl der diskreten Elemente der Mikroschaltung, die um etwa die Hälfte reduziert wird. Ein wichtiger Umstand ist die hohe Zuverlässigkeit des thermischen Schutzes des VIPer-geschalteten SMPS. Bei schlechtem thermischen Kontakt zwischen Schalttransistor und Kühlkörper reagiert ein separat angeordneter PWM-Controller nur auf eine Überhitzung des Mikroschaltungskörpers. Eine starke Beanspruchung des Transistors kann zu dessen thermischem Zusammenbruch führen, und bei einem lawinenartigen Anstieg des Drain-Stroms wird der Transistor praktisch unkontrollierbar. Die gleichgerichtete Netzspannung durch einen defekten Transistor kann den PWM-Controller beschädigen, noch bevor die Sicherung auslöst. Bei VIPer-geschalteten SMPS ist diese Situation ausgeschlossen. Und der wichtigste Vorteil ist die Möglichkeit der automatisierten Gestaltung von SMPS. Die VIPer-110A-Mikroschaltung besteht aus einem fünfpoligen Metall-Kunststoff-Gehäuse TO-220-5 mit einer Zickzack-Anordnung der Stifte. Betrachten wir den Betriebsalgorithmus und das vereinfachte Funktionsdiagramm des in Abb. gezeigten Produkts. elf].
Vergleich Abb. Anhand des Funktionsdiagramms des UC1X-PWM-Controllers [384] in 2 und dem Funktionsdiagramm ist ihre Ähnlichkeit leicht zu erkennen. Der Zweck vieler Knotenpunkte stimmt entweder absolut überein oder unterscheidet sich nur geringfügig. Insbesondere liefert der Komparator der Eingangsversorgungsspannung des A1-Chips einen Schwellenwert von etwa 11 V, wenn der VIPer-Schalter in den „Ein“-Zustand geht, „Aus“ - 8 V. Der Wärmeschutz funktioniert ähnlich. Wenn die Kristalltemperatur auf 140...170°C ansteigt, blockiert der Safe-Mode-Trigger D1 den Betrieb von PWM D2 am Eingang R1. Der Betrieb wird automatisch wieder aufgenommen, sobald die Kristalltemperatur um 40 °C im Vergleich zum thermischen Schutzniveau sinkt. Der von der Mikroschaltung verbrauchte Strom überschreitet 1 mA im „Aus“-Zustand und 15 mA im „Ein“-Zustand nicht. Eines der Merkmale des VIPer-Produkts besteht darin, dass beim Start die Pins 3 (DRAIN) und 2 (Vdd) innerhalb der Mikroschaltung durch eine Strombegrenzungsschaltung verbunden sind. Der Grenzpegel beträgt 3 mA. Dieser Strom wird zwischen dem Eingangsspannungskomparator A1 (1 mA) und dem an Pin 2 angeschlossenen Oxidfilterkondensator verteilt (Kondensatorladestrom beträgt etwa 2 mA). Nach einem relativ langsamen Anstieg erreicht die Spannung am Oxidkondensator den Schwellenwert zum Einschalten der Mikroschaltung (11 V), dann wird der Kondensator durch den Betriebsstrom der Mikroschaltung von 15 mA entladen. Wenn die Mikroschaltung aus irgendeinem Grund (große Kapazität des vor dem Einschalten entladenen Filterkondensators oder Kurzschluss in der Last) nicht vom Start- in den Betriebsmodus wechselt, sinkt die Spannung am Kondensator schnell auf den Ausschaltschwellenwert , danach wiederholt sich der Vorgang zyklisch. Beim Versuch, in den Betriebsmodus zu wechseln, erzeugt die Mikroschaltung „Pakete“ von Auslöseimpulsen. Der Füllfaktor der „Packs“ wird durch das Verhältnis des Ladestroms des Kondensators zum Entladestrom bestimmt und beträgt nur 2/15 „13 %, was eine Beschädigung der Eingangs- und Ausgangsgleichrichter im Startmodus oder bei Kurzschluss verhindert Schaltkreise in der Last. Die Bildung mehrerer „Pakete“ im Startmodus trägt zu einem sanften Anstieg der Ausgangs-SMPS-Spannung bei und charakterisiert deren „sanftes“ Einschalten. Der Prozess der Regelung der Ausgangsspannung des SMPS ähnelt dem für den Prototyp betrachteten. Interne Schaltkreise sorgen für die Stabilisierung der Versorgungsspannung der Mikroschaltung bei 13 V mithilfe von zwei Regelkreisen: intern und extern. Der interne Schaltkreis ist ein regelmäßiger Stabilisator zur Stromversorgung aller Komponenten des Mikroschaltkreises. Die externe Regelschleife wird durch die über einen externen Widerstand an Pin 2 angeschlossene Hilfswicklung des Transformators und den an diesen Pin angeschlossenen Fehlersignalverstärker A3 gebildet. Die doppelte Stabilisierung der Versorgungsspannung der Mikroschaltung gewährleistet eine minimale Abweichung der Frequenz der Schaltimpulse. In [1] wird angegeben, dass bei Änderungen der Versorgungsspannung im Bereich von 9...15 V auch die Werte des Frequenzeinstellwiderstands und des Kondensators nicht innerhalb von ± mit den berechneten Werten übereinstimmen 1 % bzw. ±5 %, die Abweichung der Pulswiederholungsrate wird ±10 % nicht überschreiten. Die Temperaturinstabilität der Frequenz wird -4 % nicht überschreiten, wenn die Kristalltemperatur von 25 auf 125 °C ansteigt. Genau wie beim UC384X-PWM-Controller kann der gleichnamige und funktionell äquivalente Pin 5 (COMP) des VIPer-Mikroschaltkreises mit einer Spannung im Betriebsmodus von etwa 4,5 V verwendet werden, um das SMPS zwangsweise abzuschalten. Innerhalb der Mikroschaltung kann dieser Pin über den Feldeffekttransistor V2 unter dem Einfluss des Safe-Mode-Triggers D1, der auf die Sperrsignale der Thermoschutzeinheit A2 reagiert, und des Eingangsspannungskomparators A1 mit der gemeinsamen Leitung verbunden werden. Erfolgte die Zwangsverbindung von Pin 5 mit der gemeinsamen Leitung während der Einwirkung eines Schaltimpulses, ist der nächste Impuls frühestens nach 1,7...5 μs möglich, obwohl der Generator die ganze Zeit über weiterarbeitet. Ein an Pin 5 angeschlossener Kondensator verzögert den Spannungsanstieg auf den Schwellenwert von 0,5 V für einige Zeit und es wird mindestens ein Schaltimpuls verpasst. Durch Ändern der Anzahl der übertragenen Impulse können Sie auch die Ausgangsspannung des SMPS regulieren. Die Zeitverzögerung der Schaltimpulse erfolgt durch das Element A5, das an den Ausgang des Stromregelkomparators A4 angeschlossen ist. Besonders interessant am VIReg-Produkt ist die verwendete Stromsteuerungsmethode, bei der alle notwendigen Elemente auf dem Kristall gebildet werden. Vom Zusatzanschluss des Schalttransistors V3 wird ein dem Strom proportionales Signal dem Strom-Spannungswandler U1 zugeführt und anschließend im Stromsensorverstärker A9 verstärkt. Der Spannungspegel am R3-Eingang von PWM D2 ist proportional zum Drain-Strom, und wenn ein bestimmter Schwellenwert erreicht wird, wird die Dauer des Schaltimpulses begrenzt. Eine spezielle Entstöreinheit unterdrückt innerhalb von 0,25 μs nach Beginn des Schaltimpulses Überspannungen an der Vorderseite, die durch den Rückstrom der Gleichrichterdiode in der Sekundärwicklung und die verteilte Kapazität der Speicherwicklung verursacht werden. Diese Spitzen können dazu führen, dass die Impulsbreite vorzeitig begrenzt wird. Während des normalen Betriebs des SMPS wird die Dauer der Schaltimpulse durch den R2-PWM-Eingang begrenzt. Im Falle eines Kurzschlusses in der Last nach dem Einschalten des Schaltnetzteils steigt der Ausgangsstrom entsprechend den dynamischen Eigenschaften des Regelkreises zunächst langsam an, und wenn der Grenzwert für VIPer-100A 3 A erreicht, steigt der Strom an in jedem Schaltimpuls begrenzt werden. Es ist zu beachten, dass der in den Fachbüchern angegebene Maximalstrom von 4 A der minimal mögliche Bereich für einzelne Proben ist. Der typische Stromwert beträgt für die meisten 5,4 A, und einzelne Mikroschaltungen sind bereits bei einem Grenzpegel von 5 A betriebsbereit. Sie können den Strom durch den Schalttransistor auf einen niedrigeren Pegel begrenzen, wenn Sie einen externen Strom-Spannungs-Wandler verwenden, dessen Ausgang der mit Pin XNUMX (COMP) verbunden ist. All dies garantiert die Vermeidung von Schäden am Schaltnetzteil in Extremsituationen. Das Erscheinen der VIPer-100A-Mikroschaltung ermöglicht uns einen völlig neuen Ansatz für das Problem, ein einfaches und zuverlässiges Ladegerät für Autobatterien zu schaffen. Die meisten Ladegeräte laden den Akku mit einem stabilen Strom. Allerdings erfolgt das Laden in allen Fahrzeugen, auch in Pkw, mit konstanter Spannung. Im Bordnetz halten Relaisregler die Spannung auf einem Niveau von 14 ± 0,5 V. Daher geht mit der Entladung der Batterie im Startmodus mit einem Strom von mehreren zehn Ampere eine anschließende kurze Zeitspanne einher Der Ladestrom kann 30 Ampere oder mehr erreichen und sinkt dann schnell auf Einheiten und Bruchteile von Ampere. Ein ähnlicher Lademodus kann von Autoenthusiasten verwendet werden, um ein anderes Problem zu lösen. Wenn Sie dringend abreisen müssen und das Auto längere Zeit nicht gefahren wurde, sind Startversuche, insbesondere im Winter, aufgrund der Selbstentladung der Batterie höchstwahrscheinlich erfolglos. In solchen Fällen verwenden einige Autoenthusiasten eine Langzeitaufladung der Batterie (einen halben Tag oder länger) mit niedrigem Strom, wodurch die Korrosion der positiven Elektrodenanordnungen beschleunigt wird [3] und der Batterieausfall beschleunigt wird. In diesem Fall ist es sinnvoller, ein Ladegerät zu verwenden, das den Akku 15 bis 30 Minuten lang mit konstanter Spannung lädt. Ein Widerstand mit einem kleinen Widerstand (Bruchteil eines Ohms), der in Reihe mit der Batterie geschaltet ist, begrenzt den Ladestrom im ersten Moment, und mit fortschreitendem Ladevorgang steigt die Spannung an der Batterie und der Strom nimmt ab. Dank der geringen Abmessungen und des geringen Gewichts lässt sich das VIPer-Switched-Ladegerät auch in der Tasche problemlos in die Garage transportieren. Andererseits kann es nicht nur als vollwertiges Ladegerät, sondern auch als Stromquelle für andere Zwecke genutzt werden. Da ein solches SMPS vor Kurzschlüssen geschützt ist, kann es entweder an eine teilweise oder vollständig entladene Batterie angeschlossen werden. Abhängig vom Grad der Entladung „pumpt“ das SMPS eine auf eine Leistung von etwa 100 W begrenzte Energie in die Batterie, d. h. der Ladestrom wird automatisch geregelt, ohne den sicheren Betriebsmodus des SMPS zu verlassen. Mit dem Ladegerät können Sie den Akku zu Beginn mit einem Strom von mindestens 6 A laden und am Ende des Ladevorgangs die Spannung auf 15 V erhöhen. Die Betriebswandlungsfrequenz des verwendeten SMPS beträgt 100 kHz. Der Wirkungsgrad des Gerätes beträgt mindestens 87 %. Abmessungen des SMPS ohne Gehäuse - 55x80x42,5 mm. Die Servicefunktionen des Speichers werden durch die Eigenschaften der verwendeten VIPer-100A-Mikroschaltung bestimmt. Sie wurden bereits erwähnt: Schutz vor Kurzschlüssen und Unterbrechungen der Last, Implementierung sicherer Betriebsmodi, thermischer Schutz, automatische Regelung des Ladestroms in Abhängigkeit vom Entladungsgrad der Batterie. Der einzige Nachteil des Speichers, der sehr ernst genommen werden muss, ist seine Verpolungsanfälligkeit. Wenn die Batterie falsch angeschlossen wird, können der Transformator und andere Elemente des Ladegeräts beschädigt werden. Sie müssen daher sehr vorsichtig anschließen. Die mit Hilfe von DESIGNE SOFTWARE („Evolution of Flyback Pulse Power Supplies“ in „Radio“, 2002, Nr. 8) entwickelte Speicherschaltung ist in Abb. 2. Die Entwurfsmethodik wurde bereits ausführlich beschrieben. Die Netzspannungsparameter haben sich nicht geändert, die Wandlungsfrequenz wurde mit 100 kHz gewählt, die Ausgangsparameter entsprechen einer Spannung von 15 V bei einem Strom von 6 A. Der Magnetkern des Transformators wurde RM10 (inländisches Analogon von KB 10) gewählt ) aus N67-Material (analog - M2500NMS1).
Dank einer detaillierten Analyse des Funktionsalgorithmus des im Speicher verwendeten VIPer-100A-Produkts macht es keinen Sinn, den Zweck einzelner Elemente des Geräts wiederholt zu beschreiben. Die Leiterplattenzeichnung ist in Abb. dargestellt. 3.
Trotz der minimalen Anzahl der verwendeten Elemente erwies sich die Installation als sehr eng, was durch den Wunsch des Autors erklärt wird, als Fertigteil einen fehlerhaften Hochspannungskondensator K41-1a mit einer Kapazität von 0,1 μF für eine Spannung von 10 kV zu verwenden Gehäuse des Gerätes. Chip VIPer-100A wird auf einem Stiftkühlkörper mit einer effektiven Fläche von etwa 60 cm2 durch eine Glimmerplatte mit Wärmeleitpaste installiert und mit einem gemeinsamen Draht verbunden. Die Diodenbrücke ist importiert und für einen Durchlassstrom von 1,5 A und eine Sperrspannung von 1000 V ausgelegt. Die Diodenbaugruppe VD4-VD7 besteht aus drei Duraluminiumplatten, die durch zwei Schrauben verbunden sind (die Dicke der äußeren beträgt 1,5 mm, die mittlere). eine davon ist 2 mm groß) mit den Maßen 30x40 mm, zwischen denen paarweise auf jeder Seite der Mittelplatte vier KD213B-Dioden ohne Isolator mit Wärmeleitpaste mit der Kathode zur Mitte eingespannt sind. Achten Sie bei der Installation auf die Isolierung aller Anodenanschlüsse. Senkrecht zur Platine ist ein Strombegrenzungswiderstand R6 - C5-16MV mit einer Leistung von 5 W eingebaut. Mikroamperemeter RA1 - M4283 oder ein anderes, das in tragbaren Tonbandgeräten zur Anzeige des Aufnahmepegels verwendet wird. Beim Einrichten wird es an eine stabilisierte Spannungsquelle von 0,6 V angeschlossen und durch Auswahl des Widerstands R5 der Pfeil an den Rand des grünen Sektors gestellt. Oxidkondensatoren werden importiert, da inländische Kondensatoren nicht in die angegebenen Abmessungen des SMPS „passen“. Der Kondensator C7 wird parallel zum Widerstand R3 gelötet, und dieser wird dann mit einem Anschluss senkrecht zur Platine verlötet, und der zweite wird gelenkig mit dem freien Anschluss einer ähnlich installierten Diode VD2 verbunden. Besonderes Augenmerk sollte auf die Herstellung und Installation des Impulstransformators gelegt werden. Sein Magnetkern muss einen nichtmagnetischen Spalt von 0,7 mm haben. Die Transformatorwicklungen sind auf einen selbstgebauten Rahmen gewickelt. Schälen Sie mit einem Skalpell oder einem scharfen Messer eine kleine Glasfaserplatte ab und trennen Sie eine 0,1...0,15 mm dicke Schicht davon ab. Nachdem Sie mit Nitrokleber einen Streifen der erforderlichen Größe ohne Verformungen ausgeschnitten haben, wickeln Sie ihn in 2-3 Schichten auf einen Stab mit geeignetem Durchmesser und entfernen Sie ihn, nachdem der Kleber getrocknet ist. Auf den so erhaltenen Rahmen wird die erste Schicht gewickelt – 11 Windungen PEV-2 0,41-Draht in zwei Leitern, dann eine Zwischenschichtisolierung aus Lavsan-Folie oder lackiertem Stoff und die zweite Schicht – 9 Windungen. Anschließend wird die Wicklungsisolierung gewickelt. Wicklung III, bestehend aus 7 Windungen PEV-2 1,5-Draht, ist auf einen Stab mit etwas größerem Durchmesser gewickelt, damit sie auf Wicklung I passt. Auf jeder Seite der Spule verbleiben 8...10 mm lange Leitungen. Die resultierende Wicklung III wird vorsichtig auf den ersten Abschnitt der Wicklung I gelegt, sodass ihre Anschlüsse diametral gegenüberliegen und zentriert sind, und eine Schicht Isolierung zwischen den Wicklungen wird mit Klebstoff befestigt. Danach ist es sinnvoll, die Platzierung der Spule im Magnetkreis zu überprüfen. Wenn beide Platten frei verbunden sind, wird die Spule entfernt und ihre Enden mit Klebstoff gefüllt, um die Wicklungen zu fixieren und abzudichten. Nachdem der Kleber auf der Spule getrocknet ist, wird der zweite Abschnitt der Wicklung I in zwei Lagen mit jeweils 8 und 7 Windungen gewickelt. Die Wicklung wird mit Wicklung II mit 6 Windungen, „entladenem“ PEV-2 0,15-Draht und nach einer Probeplatzierung abgeschlossen Nach dem Einlegen der Spule in den Magnetkreis werden die Enden der Spule erneut mit Klebstoff versiegelt. Die gemessene Induktivität der Wicklung I des Transformators stimmte mit der in DESIGNE SOFTWARE berechneten überein und betrug 225 μH. Der fertige Transformator wird entlang der Seitenfläche mit einer elektrostatischen Abschirmung – einer Lage Kupferfolie – abgedeckt und mit einer Halterung auf der Platine befestigt. Zwischen Transformator und Halterung wird ein 1 mm dicker Gummistreifen gelegt. Ein Zusammenkleben der Magnetkreisplatten bei der Montage ist nicht erforderlich. Alle Transformatorpins, außer 7, 2 und 3, werden in die entsprechenden Löcher auf der Platine eingelötet. Die Pins 2 und 3 sind gelenkig miteinander verbunden, isoliert und dann unter einer elektrostatischen Abschirmung „versteckt“. Pin 7 ist über ein kurzes Stück Koaxialkabel mit verseiltem Mittelleiter mit der Platine verbunden. Auf der Geräteabdeckung befinden sich ein Netzschalter, ein 2-A-Sicherungshalter, ein Mikroamperemeter und zwei Anschlüsse zum Anschluss der Batterie. Um das thermische Regime des SMPS zu erleichtern, ist außerdem ein kleiner Lüfter am Gehäusedeckel befestigt, der die Mikroprozessoren vorzugsweise mit höchstmöglicher Leistung ansaugt und für den Lufteinlassöffnungen vorgesehen sind. Die für eine Spannung von 12 V ausgelegten Anschlüsse des Lüfters sind über einen Strombegrenzungswiderstand MLT-9 mit einem Widerstandswert von 0,125 Ohm mit dem Kondensator C8,2 verbunden. Je nach Modell und Leistung liegt die Stromaufnahme des Lüfters zwischen 40...50 mA bei 12 V und 55...65 mA bei 15 V. Wenn das Ladegerät fehlerfrei aus gebrauchsfähigen Teilen zusammengebaut ist und die Abweichung der Betriebsfrequenz vom berechneten Wert nicht mehr als 10 % beträgt, ist eine Justierung des Gerätes nicht erforderlich. In Abb. Abbildung 4 zeigt die Abhängigkeiten der Ausgangsspannung (durchgezogene Linie) und Ausgangsleistung (gestrichelte Linie) vom Laststrom. Die Messungen wurden bei geschlossenem Widerstand R6 durchgeführt.
Um die Welligkeit am Ausgang zu reduzieren, wurde ein Oxidkondensator mit einer Kapazität von 22000 μF angeschlossen. Literatur
Autor: S. Kosenko, Woronesch
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