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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Netzstromversorgung mit hohen spezifischen Parametern
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
Auf Abb. 1 zeigt ein Diagramm der Vorrichtung.
Das Steuergerät setzt das Pulsweitenprinzip zur Ausgangsspannungsstabilisierung um. Auf den Elementen DD1.1, DD1.2 wird ein Master-Oszillator hergestellt, der mit einer Frequenz von etwa 100 kHz und einem Tastverhältnis nahe zwei arbeitet. Impulse mit einer Dauer von ca. 5 µs werden über den Kondensator C11 dem Eingang des Elements DD1.3 zugeführt und dann durch den Strom der parallel geschalteten Elemente DD1.4 - DD1.6 verstärkt. Um die Ausgangsspannung des Netzteils zu stabilisieren, wird die Impulsdauer während der Regelung verkürzt. Der Transistor VT1 „verkürzt“ die Impulse. Beim Öffnen jeder Betriebsperiode des Generators wird am Eingang des Elements DD1.3 zwangsweise ein niedriger Pegel eingestellt. Dieser Zustand wird durch einen entladenen Kondensator C11 bis zum Ende der nächsten Periode aufrechterhalten. An den Transistoren VT2, VT3 ist ein leistungsstarker Stromverstärker angebracht, der für eine erzwungene Umschaltung des Schalttransistors VT4 sorgt. Spannungsdiagramme an den Hauptelementen der Stromquelle während ihres Starts sind in Abb. 2 dargestellt. XNUMX.
Wenn der Transistor VT4 geöffnet ist, steigt der durch ihn und die Wicklung I des Transformators T1 fließende Strom linear an (Abb. 2b). Die Impulsspannung vom Stromsensor R11 wird über den Widerstand R7 der Basis des Transistors VT1 zugeführt. Um ein falsches Öffnen des Transistors zu verhindern, werden Stromstöße durch den Kondensator C12 geglättet. In den ersten Zeiträumen nach dem Start bleibt die Momentanspannung an der Basis des Transistors VT1 kleiner als die Öffnungsspannung Ube offen – 0,7 V (Abb. 2, c). Sobald die Momentanspannung während der nächsten Periode die Schwelle von 0,7 V erreicht, öffnet der Transistor VT1, was wiederum zum Schließen des Schalttransistors VT4 führt. Somit kann der Strom in der Wicklung I und damit in der Last einen bestimmten, durch den Widerstandswert des Widerstands R11 vorgegebenen Wert nicht überschreiten. Dadurch wird sichergestellt, dass das Netzteil 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 Stromversorgungssteuerelement ist eine DA2 KR142EN19A-Mikroschaltung. Wenn die Spannung am Steuerpin 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 ebenfalls mit der Ausgangsspannung ansteigt. 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 kann bei einer Erhöhung des Stroms des Fototransistors des Optokopplers die Die konstante Spannung am Widerstand R7 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 über jede Periode vom Transformator T1 zur 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 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 Die Spannung an Pin 1 des DA1-Chips entspricht dem Schwellenwert (7,3 V). An seinem Ausgang erscheint ein hoher Pegel, der den Betrieb des Master-Oszillators und der Steuereinheit ermöglicht. Der Konverter startet. Zu diesem Zeitpunkt wird die Steuereinheit durch die im Kondensator C9 gespeicherte Energie mit Strom versorgt. Die Spannung am Ausgang des Wandlers beginnt anzusteigen, was bedeutet, dass sie während der Pause auch an Wicklung II ansteigt. Wenn sie größer wird als die Spannung am Kondensator C9, öffnet die Diode VD7 und der Kondensator wird weiterhin in jeder Periode von der Hilfswicklung II aufgeladen. Hier sollte man allerdings auf ein wichtiges Merkmal des Netzteils achten. Der Ladestrom des Kondensators über den Widerstand R8 beträgt je nach Eingangsspannung des Netzteils 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-Mikroschaltkreises, 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 es 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 ist es notwendig, die Kapazität des Kondensators C9 zu erhöhen. Im Übrigen ermöglicht diese Funktion des Steuergeräts, dass sich die Stromquelle auf unbestimmte Zeit im Überlastmodus befindet, da sie in diesem Fall im pulsierenden Modus arbeitet und die Betriebszeit (Anlauf) 8 ... 10-mal kürzer ist als die Leerlaufzeit. 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 etwa 10 V und die Zenerdiode VD1 ist geschlossen. Bei einer Unterbrechung im Rückführkreis steigt die Ausgangsspannung über den Nennwert. 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 immer wieder seinen Maximalwert überschreitet. Gleichzeitig erwärmt sich der Kristall des Elements und schmilzt – die Zenerdiode verwandelt sich praktisch in einen Jumper mit einem Widerstand von mehreren zehn Ohm. Die Spannung am Kondensator C9 wird auf Werte reduziert, die nicht ausreichen, um das Steuergerät einzuschalten. Die Ausgangsspannung sinkt nach einer Erhöhung 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 Netz zu reduzieren, ist am Eingang ein Filter C1 – C3L1C4 – C7 eingebaut, der auch den im Betrieb aufgenommenen Impulsstrom bei 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 an der I-Wicklung des Transformators T1 ein Spannungsimpuls (in Abb. 2 ist d in den ersten drei Perioden der Spannung UcVT4 durch eine gestrichelte Linie dargestellt), dessen Amplitude bestimmt wird durch die Streuinduktivität. Um es zu reduzieren, ist im Konverter eine VD8R9C14-Schaltung verbaut. Dadurch wird das Risiko eines Ausfalls des Schalttransistors eliminiert und die Anforderungen an die maximale Spannung an seinem Drain verringert, was die Zuverlässigkeit des Wandlers insgesamt erhöht. Die Stromversorgung erfolgt hauptsächlich mit inländischen und importierten Standardelementen, mit Ausnahme von Wickelprodukten. Die Induktoren L1 und L2 sind auf K10x6x4,5-Ringe aus MP140-Permalloy gewickelt. Die Magnetkreise werden zunächst mit einer Schicht La-Baumwolle isoliert. Jede Wicklung ist mit einem PETV-Draht mit einer Windung von 0,35 Windungen in zwei Lagen auf ihrer Ringhälfte umwickelt, und zwischen den Wicklungen des Induktors L1 muss ein Abstand von mindestens 1 mm bestehen. Die Wicklungen des Induktors L1 enthalten jeweils 26 Windungen, und der Induktor L2 enthält sieben Windungen, aber jede hat acht Leiter. 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 bis 3 Lackschichten zu überziehen, um die Möglichkeit eines Ausfalls bei hoher Umgebungsfeuchtigkeit auszuschließen. Ob 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 maximal 45 ... 15 mA wird entsprechend der Polarität an den Kondensator C17 angeschlossen und die Spannung langsam, beginnend bei Null, erhöht. Bei einer Spannung von 9,5 ... 10,5 V stellt sich am Ausgang der DA1-Mikroschaltung eine logische Einheitsspannung ein, der Masteroszillator schaltet sich ein und es sollten Rechteckimpulse mit einer Frequenz von ca. 100 kHz und einem Tastverhältnis von ca. 2 erscheinen auf dem Oszilloskopbildschirm (Abb. 2, a). Außerdem sollte die Spannung nicht erhöht werden, da bei einem Wert von etwa 13 V die Zenerdiode VD1 öffnen kann. Der vom Steuergerät aufgenommene Strom darf den angegebenen Maximalwert nicht überschreiten. Reduzieren wir nun die Versorgungsspannung auf 7,2 ... 7,6 V, verschwindet die Erzeugung. Dies bedeutet, dass das Umrichtersteuergerät ordnungsgemäß funktioniert. Anschließend wird an den Ausgang des Wandlers eine Last mit einem Widerstand von 4 ... 5 Ohm und einer Leistung von 10 ... 15 W angeschlossen und der Eingang vom zweiten Labornetzteil B5-49 mit Spannung versorgt. und bei laufendem Steuergerät beginnt die Eingangsspannung anzusteigen. Stellen Sie zunächst einen Pegel von 7 ... 10 V ein und prüfen Sie mit einem Oszilloskop, ob die Wicklungen des Transformators T1 richtig angeschlossen sind. Darüber hinaus 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 Spannungsversorgung des Steuergerätes abgeschaltet und arbeitet weiter an einem Eingang. Eine weitere Erhöhung der Eingangsspannung sollte zu einer Verringerung der Breite des Steuerimpulses führen (Abb. 2, a), der ebenfalls über den Widerstand R10 gesteuert werden sollte. Außerdem wird bei einer Eingangsspannung von 200 V der Laststrom erhöht (jedoch nicht mehr als 7 A) und sein Wert festgelegt, bei dem die Ausgangsspannung des Wandlers zu sinken beginnt. Sollte dies bei einem Strom bis 7 A nicht möglich sein, wird der Widerstandswert des Widerstands R11 erhöht. Durch die Anpassung sollte seine Nennleistung so eingestellt werden, dass bei einem Laststrom von 6,5 ... 7 A und der minimal zulässigen Eingangsspannung die Ausgangsspannung des Wandlers zu sinken beginnt. Damit ist die Anpassung der Stromversorgung abgeschlossen. Wenn die Qualität der Wicklung des Transformators T1 schlecht ist, steigen die Spannungsspitzen am Transistor VT4, 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 Widerstand der Widerstände R13, R14, vorausgesetzt, die Schwellenspannung des DA2-Chips beträgt 2,5 V; Änderung direkt proportional zur Windungszahl und umgekehrt proportional zum Querschnitt der Leiter der Wicklung III; Wählen Sie die VD9-Diode und die Kondensatoren C15 - C17, C19 für die entsprechende Spannung aus; Installieren Sie einen Widerstand R16 mit einem Widerstand (in Ohm), der nach der Formel R16 = 100 (Uout - 4) berechnet wird. Achtung! 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, Gebiet Moskau
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