Projeto de circuito de fontes chaveadas. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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As fontes de alimentação chaveadas (UPS) são cada vez mais utilizadas em equipamentos domésticos e industriais. Os circuitos UPS modernos são tão desenvolvidos que, em termos de número de elementos, são iguais às fontes de alimentação lineares e, em muitos aspectos, excedem o desempenho das fontes de alimentação lineares.

Operar um UPS em redes onde uma tensão alternada de 220 V possui (em modo de sobrecarga ou desequilíbrio de fase) uma variação de parâmetros de 160 a 280 V oferece uma enorme vantagem sobre fontes de alimentação lineares. Além disso, a alta eficiência permite reduzir significativamente o consumo de energia da rede (o que é importante para famílias de baixa renda).

As fontes de alimentação chaveadas são divididas em conversores de tensão de ciclo único (OSC) e push-pull. Por sua vez, os conversores single-ended são divididos em PN com conexão reversa do diodo (RPNO) (flyback) Fig. 1, a e com conexão direta do diodo RFNP (forward) Fig.

Os push-pull são divididos em PN com circuito de comutação meia ponte (Fig. 2, a) e com circuito de comutação em ponte (Fig. 2, b).

De acordo com a análise realizada em [1], o escopo de aplicação da PN depende da potência da carga (Fig. 3), enquanto os circuitos de comutação PN são diferentes. Em equipamentos domésticos importados, na maioria das vezes é possível encontrar um circuito PN flyback, pois possui um número muito pequeno de elementos. Mas para o funcionamento normal deste circuito são necessários elementos de alta qualidade que não estão disponíveis em uma ampla gama de componentes eletrônicos no mercado ucraniano. A operação de componentes de rádio de baixa qualidade afeta muito os indicadores do UPS.

Consideremos a operação de um conversor de tensão de terminação única com conexão reversa do diodo. Eles são frequentemente chamados de flyback devido à transferência de energia para a carga no momento em que a chave do transistor é desligada. A Figura 4 mostra um diagrama simplificado de uma bomba flyback moderna.

Período t0 - t1. Assim que a tensão de alimentação +Ep é aplicada, a corrente flui através de Rogr, RD1, RD2, enquanto C3 é carregado com corrente através de Rogr, Rd1, C3, a junção BE do transistor VTk (Fig. 5,a). O transistor VTk abre gradualmente t0 t1 (Fig. 5, b), surge uma corrente de coletor IKVT (Fig. 5, c), fluindo ao longo do caminho: + Ep, Rogr, w1, transição EB do transistor VTk - terra. Um EMF da mesma polaridade é induzido no enrolamento w2 que a tensão aplicada a w1, de acordo com a lei da autoindução (o início do ponto nos enrolamentos). O fem plus auto-indutivo é aplicado através de VD1, Rb à transição BE VTk, o transistor é ainda mais desbloqueado.

Observe que nenhuma corrente flui no circuito de carga. A corrente do circuito coletor VTk aumenta até a saturação do transistor, enquanto a corrente do indutor em w1 aumenta de zero a ILmax, e enquanto a corrente do coletor muda e cresce, ocorre a magnetização do núcleo do indutor L. A Figura 6 mostra o circuito de histerese. Como a intensidade do campo magnético é diretamente proporcional à corrente que flui no enrolamento w1, Iw1= Hl/w, onde H é a intensidade do campo magnético; l é o comprimento do caminho da linha magnética; w é o número de voltas, então a intensidade do campo magnético no núcleo do indutor também aumentará gradualmente de zero a HIm (Fig. 6, curva 1).

Período t1 - t2. No momento de saturação do transistor VTk (observe que este momento não coincide com o momento de saturação do núcleo devido às características de projeto do circuito), a corrente de coletor do transistor VTk atinge seu valor máximo (todos os principais portadores da junção n-p-n estão envolvidos) e não muda. Em w1, a corrente do indutor também não muda, o que significa que o EMF de autoindução não é mais induzido em w2. Neste caso, o VTk está bloqueado. O núcleo do indutor L começa a desmagnetizar, a energia do núcleo é transferida para a carga, pois a fem de autoindução muda a polaridade para o oposto em w3. Neste caso, uma corrente aparece em w3 através de VD2 e Rн, Sph. Como o EMF mudou de sinal, nenhuma corrente flui em w2 e VTk finalmente fecha. C3 já está carregado e o VTk não consegue abrir. A corrente de desmagnetização Im diminui gradualmente t1 t2 (Fig. 5d). A intensidade do campo magnético também diminui gradualmente do ponto A ao ponto Br (Fig. 6, curva 2).

O capacitor SF2 carrega rapidamente e a corrente de carga flui através de Rн. Assim que a intensidade do campo cai para zero, a corrente em w3 para, o núcleo tem um valor residual de indução do campo magnético Br, portanto o núcleo não é completamente desmagnetizado (para desmagnetização completa é necessário aplicar uma força coercitiva, -Hc . Em circuitos ponte push-pull ou meia ponte, o núcleo é desmagnetizado e remagnetizado no braço oposto do circuito. Esta característica é muito importante no cálculo do indutor, pois Bm (o valor da amplitude da indução nas fórmulas) será 60 -80% menos (dependendo da qualidade do núcleo) que o valor da tabela.

Período t2 - t3. Assim que o núcleo do indutor é desmagnetizado para um valor residual Br, enquanto a intensidade do campo magnético não muda e é igual a zero, a corrente em w3 para de fluir e o EMF em w2 muda de sinal para o oposto, VTk começa a abrir com a corrente de base, como resultado, a corrente do coletor VTk aumenta, aumentando a EMF em w2 devido a um aumento na corrente através de w1.

O transistor VTk abre até a saturação (Fig. 5, c), o núcleo é magnetizado (Fig. 6, curva 3), no ponto A para HIm o valor de indução BS corresponderá. Ao calcular, em vez de Bm, use a diferença ∆B = Bs - Br, ou seja, O conversor opera em um circuito de histerese privado. Portanto, em conversores de tensão de terminação única, são utilizadas ferritas com Br mínimo e Bs máximo (loop de histerese estreito). Um loop semelhante existe em ferritas de alta frequência, por isso muitas empresas estrangeiras criam conversores com frequência de conversão de 0,1 a 1 MHz. A operação do conversor em tal frequência requer o uso de elementos de RF (potência) de alta qualidade.

É importante notar que a duração do estado aberto VTk é determinada pela amplitude da corrente de coletor Ikmax, indutância L e tensão de alimentação Ep e não depende da carga de saída. A duração do estado fechado depende diretamente da carga. Portanto, distinguem-se três modos de operação da PN.

1º modo de corrente intermitente

A resistência de carga é baixa (quase curto-circuito e o capacitor SF2 não tem tempo para carregar, enquanto a pulsação de tensão e corrente será observada em Rн.

2º modo de corrente contínua

Energia suficiente será acumulada no Sph para que a corrente na carga flua sem ondulação e a tensão seja constante.

3º modo apenas para OP

MAS - modo inativo. A carga é insignificante ou completamente desligada, a duração do estado fechado do transistor aumenta (devido ao lento decaimento da corrente de desmagnetização), mas como a energia armazenada no campo magnético do transformador não muda, a tensão ligada o enrolamento secundário e, portanto, a carga, aumenta até o infinito. Este modo é o mais perigoso, pois o SF2 pode explodir devido a sobretensão. Portanto, sob nenhuma circunstância os conversores de tensão flyback devem ser usados ​​no modo x.x. (as exceções incluem sistemas de laser, flashes fotográficos e dispositivos de armazenamento médico de alta voltagem).

Núcleos de bobinas flyback PN. Os núcleos são feitos principalmente de ferrites. Ferritas são uma mistura sinterizada de óxido férrico com óxidos de um ou mais metais divalentes [2]. As ferritas são muito duras, quebradiças e possuem propriedades mecânicas semelhantes às da cerâmica (principalmente na cor cinza escuro ou preta).

A densidade das ferritas é significativamente menor que a densidade dos materiais magnéticos metálicos e é de 4,5-4,9 g/cm3. As ferritas são bem retificadas e polidas com materiais abrasivos. Podem ser colados com cola BF-4 usando tecnologia bem conhecida (raspar com lixa, desengordurar com gasolina, aplicar cola e deixar secar um pouco, pressionar firmemente com prensa por várias horas, mas para não partir a ferrita) . Ferrites são semicondutores e possuem condutividade eletrônica. Sua resistividade (dependendo da marca) varia de 10 a 10¹⁰ ohm x cm

Tabela 1

As principais características dos materiais ferromagnéticos são dadas na Tabela 1:

• Bm é a indução de saturação, cujo valor corresponde ao estado de saturação, ou seja,
• tal estado de material ferromagnético no qual a indução magnética não muda quando a intensidade do campo magnético muda;
• Br - indução residual, valor obtido quando a intensidade do campo é reduzida a zero;
• Hc é a força coercitiva, o valor da intensidade do campo magnético no qual a indução assume valor zero;
• µ - permeabilidade magnética - coeficiente que mostra quantas vezes a indução magnética em um material ferromagnético é maior que no ar.A permeabilidade magnética de um material ferromagnético depende da intensidade do campo, temperatura e outros fatores;
• µн é a permeabilidade magnética inicial, é determinada a partir da seção inicial da curva principal de magnetização pela inclinação tangente e corresponde ao trabalho do material em campos fracos;
• tgδ - tangente de perda, caracteriza perdas em materiais ferromagnéticos e quanto maior, maior será o volume do material, a área do laço de histerese e a frequência de reversão da magnetização, bem como menor será a resistividade volumétrica (elétrica) do material;
• TKµ é o coeficiente de temperatura da permeabilidade magnética quando a temperatura muda em 1°C.

As ferritas magnéticas moles modernas podem ser divididas em vários grupos, diferindo em parâmetros eletromagnéticos e finalidade. Na designação do grau de ferrita, os números correspondem ao valor nominal da permeabilidade magnética inicial, a primeira letra H significa que a ferrita é de baixa frequência, a segunda letra M é ferrita manganês-zinco, H é níquel-zinco; as letras HF indicam que a ferrita foi projetada para operar em altas frequências.

Ferrites de graus 6000NM, 4000NM, 3000NM, 2000NM, 1500NM, 1000NM são usadas em frequências de até várias centenas de kHz em campos fracos e fortes. Em campos fracos, as ferritas deste grupo são utilizadas nos casos em que não há requisitos aumentados de estabilidade de temperatura. Ferritas dos três primeiros graus são recomendadas para uso em núcleos magnéticos em vez de folhas de permalloy com espessura de 0,1-0,02 mm ou menos.

Ferrites dos graus 2000НМ1, 1500НМI, 1500НМ2, 1500НМ3, 1000НМ3 e 700НМ destinam-se ao uso em campos fracos e médios em frequências de até 3 MHz. Eles apresentam baixas perdas e baixo TKµ em uma ampla faixa de temperatura. Com maiores requisitos de estabilidade térmica μ em uma ampla faixa de temperatura, é preferível usar ferritas dos três últimos graus.

Ferrites dos graus 2000NN, 1000NN, 600NN, 400NN, 200NN e 100NN são usadas em campos fracos na faixa de frequência de até vários MHz. Os três primeiros graus de ferritas são significativamente inferiores às ferritas de manganês-zinco com os mesmos valores µ, mas são mais baratas, por isso são amplamente utilizadas em diversos equipamentos com baixos requisitos de estabilidade e perdas. Outras ferritas são amplamente utilizadas em bobinas de circuitos e antenas magnéticas.

Ferrites dos graus 150VCh, 100VCh, 50VCh2, 30VCh2 e 20VCh destinam-se ao uso em campos fracos em frequências de até 100 MHz. Eles são caracterizados por baixas perdas e baixo TKµ em uma ampla faixa de temperatura, portanto são mais amplamente utilizados para indutores de alta frequência, bem como para antenas de receptores de rádio portáteis.

Ferrites dos graus 300НН, 200НН2, 150НHI, 90НН, 60НН, 55НН, 33НН e 10ВЧ1 são caracterizadas por baixas perdas em campos elevados. Sua principal finalidade são núcleos de bobinas de circuitos sintonizáveis ​​​​por magnetização e circuitos de moduladores magnéticos. Em campos fracos tgδ e TKµ, há significativamente mais dessas ferritas do que ferritas do grupo HF. Dados básicos sobre ferritas magnéticas moles são fornecidos na Tabela 2. Unidades de conversão para o sistema SI: 1 Gs - 10^-4 Tl.

Tabela 2

Os núcleos Flyback PN são fabricados na forma de núcleos magnéticos em forma de U ou W (Fig. 7).

Como o transformador atua como um indutor, um lado do núcleo é lixado com um material abrasivo (de preferência uma lima diamantada). A folga não magnética é feita entre 0,1...0,3 mm; o papelão é inserido na folga durante a montagem. As dimensões gerais mais comuns dos núcleos magnéticos em forma de W são fornecidas na Tabela 3 e na Fig.

Tabela 3

(clique para ampliar)

Cálculo de estranguladores flyback PN

O núcleo do indutor deve armazenar a energia de pico necessária em um pequeno intervalo sem entrar na saturação e ter perdas aceitáveis ​​no circuito magnético. Além disso, deve acomodar o número necessário de voltas para garantir perdas de enrolamento aceitáveis. Vamos usar a conhecida fórmula [3]:

Pgab = IkUk = 4fwkBmSc10^-4Eu sei; (1)

Reino Unido = 4fwkBmSc10^-4, (1a)

onde Rgab é a potência total do transformador, W; Ik - corrente média do coletor, A; Uk é a tensão aplicada ao enrolamento primário do indutor, V; f - frequência de conversão, Hz; Bm - indução do campo magnético, T (para PNs de ciclo único Bm = Bs - Br é aproximadamente 0,7 do valor da tabela); Sc é a área da seção transversal do núcleo magnético, cm2; wk é o número de voltas do enrolamento primário.

De (1) segue-se que o número de espiras do enrolamento primário pode ser encontrado da seguinte forma:

w1 = 0,25Uk10⁴/(fBmSc). (2)

Indutância de choque:

L = µ0 µr (w1)2 Sc/l, (3)

onde L - indutância, H; µ0 = 4π10^-7 - permeabilidade magnética absoluta; µr - permeabilidade magnética relativa; Sc é a área da seção transversal do circuito magnético, m2; l é o comprimento do caminho da linha magnética, m.

Para estimar aproximadamente a secção transversal necessária, pode utilizar a expressão:

Sc = (10...20) (Pí/f)^1/2, (4)

onde Pn é a potência da carga, W; Sc é a área da seção transversal do núcleo, cm2; f - frequência de conversão, Hz.

Utilizando as fórmulas (2) e (4), além de analisar os dados da Tabela 2, encontramos as dimensões gerais do núcleo e o número de voltas do enrolamento primário. Para o secundário e outros enrolamentos wн = w1 Uk/Un, onde Un é a tensão na carga.

Para o enrolamento de campo w2 (ver Fig. 4), recomenda-se uma tensão de aproximadamente 5 V. Diâmetro do fio

d = 1,13 (I/j)^1/2, (5)

onde d é o diâmetro do fio, mm; I - corrente média no enrolamento, A; j é a densidade de corrente no enrolamento (recomendado 2,5...5 A/mm2), e para o enrolamento interno a densidade de corrente deve ser a mais baixa.

Para verificar os cálculos, vamos calcular a área ocupada por cada enrolamento e resumir; a seguinte desigualdade deve ser satisfeita:

Sok = w1d1 + w2d2 + w3d3 + ... + wndn + hz, (6)

onde Sok é o valor tabular da área da janela, cm2; wn número de voltas no enrolamento n; dn - diâmetro do fio no enrolamento n; hz é a espessura total da moldura e do isolamento entre enrolamentos.

As molduras nas quais são enrolados os enrolamentos do transformador são prensadas em plástico, coladas em papelão elétrico ou montadas a partir de peças individuais em textolite laminado, cartão prensado ou cartão elétrico, qualquer papelão é utilizado para pequenas dimensões. A fabricação padrão de uma moldura de papelão é descrita detalhadamente em [4].Para transformadores de baixa potência, o autor propõe um segundo método para fabricação de um transformador, Fig. Consiste em três espaços em branco. A manga é feita de papelão (Fig. 9, b), as linhas 9 da peça são levemente cortadas, após o que ela é enrolada em um paralelepípedo e as bordas 1 são coladas ao longo do contorno 2 com lenço de papel.

O blank (Fig. 9a) é feito na quantidade de 2 peças. Ao mesmo tempo, o núcleo 1 é cortado e furos D0,3 mm são perfurados com uma agulha de seringa cuidadosamente afiada nas bordas, após o que são numerados (na metade superior da moldura como H1, H2, H3, .. ., e na metade inferior como K1, K2, K3 , ...). As metades superior e inferior da moldura são coladas na manga com lenço de papel e a estrutura é deixada sob um objeto pesado por várias horas. O enrolamento dos enrolamentos na carcaça é realizado de forma semelhante a [4] na seguinte ordem: Wcontrol, W1, Wload (para opções experimentais, Wcontrol pode ser o último).

montagem

As hastes de ferrite são inseridas em uma estrutura com enrolamentos enrolados. Um quadrado de papelão com 0,2 mm de espessura é primeiro colado em um dos núcleos para preencher a lacuna. Após a montagem da lateral do núcleo, é feita uma bandagem de folha de cobre ao redor do núcleo, esticada e soldada.

Características do transistor chave

Como a carga do coletor do transistor VTk é uma bobina com indutância L, então no momento do travamento do VTk ocorre um surto de tensão em seu coletor (Fig. 10, a, curva 1). O declínio na corrente do coletor não ocorre imediatamente, mas durante a reabsorção dos portadores minoritários da junção coletor-emissor (Fig. 10b). A tensão no coletor varia senoidalmente devido à presença da indutância L e da capacitância da junção coletor-emissor. Como resultado, VTk extingue uma grande quantidade de energia na transição K-E, que se transforma em calor. Portanto, o VTk pode superaquecer e falhar.

Para evitar este efeito, é criado um atraso de tempo t3 antes do aumento da tensão do coletor (curva 2) em relação ao início do declínio tc da corrente do coletor (Fig. 10, a) usando um circuito RCD (Fig. 11). Quando VTk é desligado, a corrente que flui através da indutância de fuga do indutor carrega o capacitor de amortecimento Sdf através de VDdf. Após desbloquear o VTk, o Sdf é descarregado através de Rр e K-E VTk. Este circuito pode atingir valores arbitrariamente pequenos de potência instantânea dissipada pela junção do coletor [1]. Porém, o desejo de reduzir esta potência leva a um aumento da energia acumulada no FDS; é parasita, subtraída da potência útil.

Ao utilizar altas potências na carga, para o funcionamento normal do conversor é necessário implementar modos de comutação especiais para o transistor. Vamos considerar dois processos transitórios.

O processo de transição de ligar um transistor n-p-n com OE, quando um salto na corrente de base positiva é especificado em sua entrada (Fig. 12) [5].

No estágio inicial de ligação, a corrente do coletor é pequena, enquanto os valores de b são pequenos e a resistência diferencial de entrada do transistor é alta. Portanto, podemos supor que a corrente de base vai carregar a capacitância de entrada do emissor e, ao mesmo tempo, a tensão no emissor muda de zero para um determinado valor Ueo, correspondente ao estado ligado do transistor. Para transistores de silício Ueo = 0,7 V. O primeiro estágio de ligação possui um tempo de atraso t3 (Fig. 13b). No próximo estágio - o aumento da corrente do coletor - a corrente de base vai acumular carga portadora na base.

Se houver um resistor Rk no circuito coletor durante o processo transitório, a tensão na junção do coletor muda, a capacitância da barreira Ck é recarregada, o que aumenta a duração do processo transitório (Fig. 13, c) tнр. Quando o transistor opera no modo chaveado, uma corrente de base de desbloqueio é fornecida à sua entrada, que é maior que a corrente de saturação do transistor Ibn = Ikn/β. Esta corrente corresponde à carga limite dos elétrons na base Qgrn = Ibn τ.

O processo de desligar o transistor por um pulso de corrente de base negativa Ib = - Ib2. No instante t2 (Fig. 13, a) a corrente de base diminui abruptamente no valor ∆Ib = Ib1+ Ib2.

O excesso de carga dos buracos na base diminui por dois motivos: devido à recombinação dos buracos com os elétrons e à remoção dos buracos da base através do eletrodo de base para o circuito externo. Da mesma forma, o excesso de carga dos portadores minoritários - os elétrons, que, devido à neutralidade elétrica, é numericamente igual à carga dos buracos, diminui. A mudança na corrente do coletor começa após algum tempo trac (tempo de reabsorção do excesso de carga na base). O tempo de reabsorção aumenta com o aumento da corrente de base de desbloqueio Ib1 e diminui com o aumento da corrente de base de bloqueio Ib2.

Após a etapa de reabsorção, segue-se a etapa de formação da frente negativa da corrente do coletor, cuja duração é chamada de tempo de decaimento tсп da corrente do coletor e também diminui com o aumento de Ib2. Porém, deve-se ter em mente que mesmo com a ativação forçada do tnr e o desligamento do tsp possuem um limite físico, ou seja, esses tempos não podem ser menores que o tempo de voo dos elétrons através da base.

Literatura:

1. Sergeyev B.S. Projeto de circuitos de unidades funcionais de fontes de alimentação secundárias. - M.: Rádio e Comunicações, 1992.
2. Tereshchuk R. M. etc. Equipamentos de rádio de pequeno porte. Ref. radioamador. - K.: Nauk. pensamento, 1972.
3. Zhuravlev A.A., Mazel K.B. Conversores de tensão DC em transistores - M.: Energia, 1972.
4. Pronsky I. N. Dispositivo semiautomático de soldagem simples // Radioamator-1999.-№7.
5. Tugov N.M., Glebov B.A. Dispositivos semicondutores. - M.: Energoatomizdat, 1990.

Autor: A.V. Kravchenko

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