Fonte de alimentação de rede 5 volts 6 amperes com parâmetros específicos elevados. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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O artigo trazido ao conhecimento dos leitores descreve um conversor de pulso para alimentação de dispositivos eletrônicos com uma tensão de 5 V de uma rede de corrente alternada. O conversor não contém elementos escassos e caros, é fácil de fabricar e ajustar.

A fonte de alimentação está equipada com proteção contra surtos de tensão de saída e sobrecorrente com retorno automático ao modo de operação após sua eliminação.

Parâmetros técnicos principais

Na fig. 1 mostra um diagrama do dispositivo. A unidade de controle implementa o princípio de largura de pulso de estabilização da tensão de saída. Nos elementos DD1.1, DD1.2, é feito um oscilador mestre, operando a uma frequência de cerca de 100 kHz com um ciclo de trabalho próximo a dois. Pulsos com duração de cerca de 5 μs através do capacitor C11 são alimentados na entrada do elemento DD1.3 e, em seguida, amplificados pela corrente pelos elementos DD1.4-DD1.6 conectados em paralelo. Para estabilizar a tensão de saída da fonte de alimentação, a duração do pulso é reduzida durante a regulação. O transistor VT1 "encurta" os pulsos. Abrindo cada período de operação do gerador, ele força um nível baixo na entrada do elemento DD1.3. Este estado é mantido até o final do próximo período por um capacitor C11 descarregado.

(clique para ampliar)

Nos transistores VT2, VT3, é feito um poderoso amplificador de corrente, que fornece comutação forçada do transistor de comutação VT4. Diagramas de tensão nos elementos principais da fonte de alimentação durante sua partida são mostrados na fig. 2. Quando o transistor VT4 está aberto, a corrente que passa por ele e o enrolamento I do transformador T1 aumenta linearmente (Fig. 2,6). A tensão de pulso do sensor de corrente R11 através do resistor R7 é fornecida à base do transistor VT1. Para evitar a falsa abertura do transistor, os surtos de corrente são suavizados pelo capacitor C12. Nos primeiros períodos após a partida, a tensão instantânea na base do transistor VT1 permanece menor que a tensão de abertura U6e aberto * 0,7 V (Fig. 2, c). Assim que a tensão instantânea durante o próximo período atingir o limite de 0,7 V, o transistor VT1 abrirá, o que, por sua vez, levará ao fechamento do transistor de comutação VT4. Assim, a corrente no enrolamento I e, portanto, na carga, não pode exceder um determinado valor predeterminado pela resistência do resistor R11. Isso garante que a fonte de alimentação esteja protegida contra sobrecorrente.

A fase dos enrolamentos do transformador T1 é ajustada de modo que durante o estado aberto do transistor VT4, os diodos VD7 e VD9 sejam fechados por tensão reversa. Quando o transistor chaveador fecha, a tensão em todos os enrolamentos muda de sinal e aumenta até que esses diodos se abram. Em seguida, a energia acumulada durante o pulso no campo magnético do transformador T1 é direcionada para carregar os capacitores do filtro de saída C15-C17 e o capacitor C9. Observe que, como o faseamento dos enrolamentos II e III coincide, a tensão no capacitor C9 no modo de estabilização da tensão de saída também é estabilizada, independentemente do valor da tensão de entrada da fonte de alimentação.

O elemento de controle da fonte de alimentação é um microcircuito DA2 KR142EN19A. Quando a tensão no pino de controle 1 do microcircuito atinge 2,5 V, uma corrente começa a fluir através dele e através do diodo emissor do optoacoplador, que aumenta com o aumento da tensão de saída. O fototransistor do optoacoplador abre e a corrente que flui através dos resistores R5, R7 e R11 cria uma queda de tensão entre eles, que também aumenta com a tensão de saída. A tensão instantânea na base do transistor VT1, igual à soma da queda de tensão no resistor R7 e no sensor de corrente R11, não pode exceder 0,7 V. Portanto, com o aumento da corrente do fototransistor do optoacoplador, o a tensão constante no resistor R7 aumenta e a amplitude do componente de pulso no resistor R11 diminui, o que, por sua vez, ocorre apenas devido a uma diminuição na duração do estado aberto do transistor de comutação VT4. Se a duração do pulso diminuir, então a “porção” de energia bombeada durante cada período pelo transformador T1 para a carga também será reduzida.

Assim, se a tensão de saída da fonte de alimentação for menor que o valor nominal, por exemplo, durante sua partida, a duração do pulso e a energia transferida para a saída são máximas. Quando a tensão de saída atinge o nível nominal, um sinal de feedback aparecerá, como resultado do qual a duração do pulso diminuirá para um valor no qual a tensão de saída se estabiliza. Se por algum motivo a tensão de saída aumentar, por exemplo, quando a corrente de carga diminuir repentinamente, o sinal de feedback também aumentará e a duração do pulso diminuirá para zero e a tensão de saída da fonte de alimentação retornará ao valor nominal.

No chip DA1 é feito o nó de inicialização do conversor. Seu objetivo é bloquear a operação da unidade de controle se a tensão de alimentação for inferior a 7,3 V. Essa circunstância se deve ao fato de que a chave - o transistor de efeito de campo IRFBE20 - não abre totalmente quando a tensão do portão é inferior a 7 v.

O nó de inicialização funciona da seguinte maneira. Quando a fonte de alimentação é ligada, o capacitor C9 começa a carregar através do resistor R8. Enquanto a tensão no capacitor é de alguns volts, a saída (pino 3) do chip DA1 é mantida baixa e a operação da unidade de controle é bloqueada. Neste momento, o chip DA1 no pino 1 consome uma corrente de 0,2 mA e a queda de tensão no resistor R1 é de cerca de 3 V. Após cerca de 0,15 ... 0,25 s, a tensão no capacitor atinge 10 V, no qual o tensão no pino 1 do chip DA1 é igual ao valor limite (7,3 V). Um nível alto aparece em sua saída, permitindo a operação do oscilador mestre e da unidade de controle. O conversor inicia. Neste momento, a unidade de controle é alimentada pela energia armazenada no capacitor C9. A tensão na saída do conversor começará a aumentar, o que significa que também aumentará no enrolamento II durante a pausa. Quando se torna maior que a tensão no capacitor C9, o diodo VD7 abrirá e o capacitor continuará sendo recarregado a cada período do enrolamento auxiliar II.

Aqui, entretanto, deve-se prestar atenção a uma característica importante da fonte de alimentação. A corrente de carga do capacitor através do resistor R8, dependendo da tensão de entrada da fonte de alimentação, é de 1...1.5 mA, e o consumo da unidade de controle durante a operação é de 10...12 mA. Isso significa que durante a inicialização o capacitor C9 está descarregado. Se sua tensão cair para o nível limite do microcircuito DA1, a unidade de controle será desligada e, como não consome mais do que 0,3 mA no estado desligado, a tensão no capacitor C9 aumentará até ser ligada novamente. Isso acontece tanto durante sobrecarga quanto com grande carga capacitiva, quando a tensão de saída não tem tempo de aumentar até o valor nominal durante o tempo de partida de 20 ... 30 ms. Neste caso é necessário aumentar a capacitância do capacitor C9. Aliás, esta característica de funcionamento da central permite que a fonte de alimentação fique em modo de sobrecarga por tempo indeterminado, pois neste caso ela opera em modo pulsante, e o tempo de operação (partida) é 8 ... 10 vezes menos que o tempo ocioso. Os elementos de comutação nem aquecem!

Outra característica da fonte de alimentação é a proteção da carga contra sobretensões, que ocorre, por exemplo, se algum elemento do circuito de realimentação falhar. No modo de operação, a tensão no capacitor C9 é de aproximadamente 10 V e o diodo Zener VO1 está fechado. No caso de um circuito aberto no circuito de feedback, a tensão de saída sobe acima do valor nominal. Mas junto com isso, a tensão no capacitor C9 aumenta e em um valor de cerca de 13 V, o diodo zener VD1 abre. O processo dura 50...500 ms, durante os quais a corrente através do diodo zener aumenta gradativamente, ultrapassando repetidamente seu valor máximo. Ao mesmo tempo, o cristal do elemento aquece e derrete - o diodo zener praticamente se transforma em um jumper com resistência de unidades a várias dezenas de ohms. A tensão no capacitor C9 é reduzida a valores insuficientes para ligar a unidade de controle. A tensão de saída, tendo recebido um incremento de 1,3...1,8 vezes dependendo da corrente de carga, diminui para zero.

Um filtro adicional é feito nos elementos L2C19, o que reduz a amplitude das ondulações da tensão de saída.

Para reduzir a penetração de interferência de alta frequência na rede, um filtro C1-C3L1C4-C7 é instalado na entrada, que também suaviza a corrente de pulso consumida durante a operação na frequência de 100 Hz.

O termistor RK1 (TP-10) possui uma resistência relativamente alta no estado frio, o que limita a corrente de inrush do conversor quando ligado e protege os diodos retificadores. Durante a operação, o termistor aquece, sua resistência diminui várias vezes e praticamente não afeta a eficiência da fonte de alimentação.

Quando o transistor VT4 é fechado, um pulso de tensão aparece no enrolamento I do transformador T1 (na Fig. 2, d é mostrado por uma linha pontilhada nos três primeiros períodos da tensão UcVT4). cuja amplitude é determinada pela indutância de fuga. Para reduzi-lo, um circuito VD8R9C14 é instalado no conversor. Elimina o risco de quebra do transistor de comutação e reduz os requisitos para a tensão máxima em seu dreno, o que aumenta a confiabilidade do conversor como um todo.

A alimentação é feita principalmente em elementos padronizados nacionais e importados, com exceção de produtos enroladores. Os indutores L1 e L2 são enrolados em anéis K10x6x4,5 feitos de permalloy MP 140. Os núcleos magnéticos são primeiro isolados com uma camada de tecido envernizado. Cada enrolamento é enrolado com um fio PETV 0,35 volta por volta em duas camadas em sua metade do anel, devendo haver uma folga de pelo menos 1 mm entre os enrolamentos do indutor L1. Os enrolamentos do indutor L1 contêm 26 voltas cada, e o indutor L2 contém sete voltas, mas cada um possui oito condutores. As bobinas enroladas são impregnadas com cola BF-2 e secas a uma temperatura de cerca de 60°C.

O transformador é a parte principal e mais importante da fonte de alimentação. A qualidade de sua fabricação depende da confiabilidade e estabilidade do conversor, suas características dinâmicas e operação nos modos ocioso e de sobrecarga. O transformador é feito em um anel K17x10x6,5 feito de permalloy MP140. Antes do enrolamento, o núcleo magnético é isolado com duas camadas de pano envernizado. O fio é colocado firmemente, mas sem tensão. Cada camada do enrolamento é revestida com cola BF-2 e depois envolta em pano envernizado.

Primeiro é enrolado o enrolamento I. Ele contém 228 espiras de fio PETV 0,2 ... 0,25, enrolado espira a espira em duas camadas, entre as quais é colocada uma camada de tecido envernizado. O enrolamento é isolado com duas camadas de tecido envernizado. O enrolamento III é enrolado em seguida. Contém sete voltas de fio PETV 0,5 em seis condutores distribuídos uniformemente ao redor do perímetro do anel. Uma camada de tecido envernizado é colocada sobre ele. E, finalmente, o enrolamento II é enrolado por último, contendo 13 voltas de PETV 0,15 ... Depois disso, o transformador acabado é envolvido com duas camadas de pano envernizado, revestido na parte externa com cola BF-0,2 e seco a uma temperatura de 2 ° C.

No lugar do transistor VT4, você pode usar outro com tensão de dreno admissível de pelo menos 800 V e corrente máxima de 3 ... 5 A, por exemplo, BUZ80A, KP786A, e no lugar do diodo VD8 qualquer diodo de alta velocidade com uma tensão reversa permitida de pelo menos 800 V e corrente 1...3 A, por exemplo, FR106.

A fonte de alimentação é feita em uma placa com dimensões de 95x50 mm e espessura de 1,5 mm. Existem seis orifícios nos cantos da placa e no meio das laterais longas, por onde a placa é aparafusada ao dissipador de calor. De um lado da placa, um transistor VT4 e um diodo VD9 são soldados com flanges para fora e, do outro, as partes restantes são instaladas. Para reduzir o tamanho da placa, todos os elementos, exceto os capacitores C8, C9, o microcircuito DD1, o resistor R9, o transformador e o optoacoplador, são instalados verticalmente para que sua altura máxima acima da placa não exceda 20 mm.

O dissipador de calor está conectado ao ponto comum dos capacitores C1 e C2. Nesse caso, é melhor conectar a fonte de alimentação a um soquete de três pinos aterrado. Essas medidas podem reduzir significativamente o ruído emitido pelo conversor.

O dissipador de calor do conversor é um suporte em forma de U com 95 mm de comprimento, 60 mm de largura e 30 mm de altura, dobrado em chapa de alumínio com espessura de pelo menos 2 mm. O conversor é instalado no "fundo" desta "calha" com os flanges metálicos dos elementos VT4 e VD9 para baixo e fixados com parafusos M0,05 através dos orifícios da placa. Os flanges são pré-isolados com juntas condutoras de calor, por exemplo, da Noma-con, Bergquist ou, em casos extremos, com mica de XNUMX mm de espessura. Assim, estruturalmente, o transdutor está, por assim dizer, em um invólucro metálico que o protege de impactos mecânicos.

Para aumentar a confiabilidade, é desejável cobrir a placa do conversor com 2-3 camadas de verniz para eliminar a possibilidade de quebra em alta umidade ambiente.

Se todos os elementos da fonte de alimentação estiverem em boas condições, fabricados corretamente e conectados de acordo com o diagrama, não é difícil estabelecer. Um osciloscópio é conectado em paralelo com o resistor R10. Uma fonte de alimentação de laboratório, por exemplo, B9-5, com uma corrente máxima não superior a 45 ... 15 mA é conectada ao capacitor C17 na polaridade apropriada e a tensão começa a aumentar lentamente, começando de zero. A uma tensão de 9,5 ... 10,5 V, uma tensão unitária lógica é definida na saída do microcircuito DA1, o oscilador mestre liga e pulsos retangulares com uma frequência de aproximadamente 100 kHz e um ciclo de trabalho de cerca de 2 devem aparecer no a tela do osciloscópio (Fig. 2, a). Além disso, a tensão não deve ser aumentada, pois em um valor de cerca de 13 V, o diodo zener VD1 pode abrir. A corrente consumida pela unidade de controle não deve exceder o máximo especificado. Se agora reduzirmos a tensão de alimentação, em 7,2 ... 7,6 V, a geração desaparecerá. Isso significa que a unidade de controle do conversor está funcionando corretamente.

Em seguida, uma carga com uma resistência de 4 ... 5 Ohms e uma potência de 10 ... 15 W é conectada à saída do conversor e a tensão é fornecida à entrada da segunda fonte de alimentação do laboratório B5-49, e com a unidade de controle funcionando, a tensão de entrada começa a aumentar. Primeiro, ajuste-o em um nível de 7 ... 10 V e verifique com um osciloscópio se os enrolamentos do transformador T1 estão conectados corretamente. Além disso, eles controlam a forma da tensão no dreno do transistor VT4 (Fig. 2,d) e verificam a tensão na saída do conversor com um voltímetro. Com uma tensão de entrada de 150 ... 170 V, a tensão de saída atinge 5 V e se estabiliza. Depois disso, a fonte de alimentação da unidade de controle é desligada e continua a funcionar em uma entrada. Um aumento adicional na tensão de entrada deve levar a uma diminuição na largura do pulso de controle (Fig. 2, a), que também deve ser controlado no resistor R10. Além disso, a uma tensão de entrada de 200 V, a corrente de carga é aumentada (mas não mais que 7 A) e seu valor é fixo, no qual a tensão de saída do conversor começa a diminuir. Se isso não puder ser feito com uma corrente de até 7 A, a resistência do resistor R11 é aumentada. Como resultado do ajuste, sua classificação deve ser definida de modo que, com uma corrente de carga de 6,5 ... 7 A e a tensão de entrada mínima permitida, a tensão de saída do conversor comece a diminuir. Isso completa o ajuste da fonte de alimentação.

Se a qualidade do enrolamento do transformador T1 for ruim, a tensão "surge" no transistor \L "4 aumenta, o que pode causar uma operação instável da fonte de alimentação e até mesmo a quebra do transistor de comutação.

Se você precisar de uma fonte com uma tensão de saída diferente, você deve fazer o seguinte: alterar a resistência dos resistores R13, R14, dado que a tensão limite do chip DA2 é de 2,5 V; mudança em proporção direta ao número de espiras e inversamente proporcional à seção transversal dos condutores do enrolamento III; selecione o diodo VD9 e os capacitores C15-C17, C19 para a tensão apropriada; instale o resistor R16 com resistência (em ohms) calculada de acordo com a fórmula R16=100(UBblx-4).

Ao configurar e trabalhar com o conversor, lembre-se de que seus elementos estão sob alta tensão, com risco de vida. Esteja atento e cuidadoso!

Autor: A. Mironov, Lyubertsy, região de Moscou; Publicação: cxem.net

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