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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Conversor de tensão monoterminal estabilizado
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Conversores de tensão, retificadores, inversores O artigo descreve os princípios de construção e uma versão prática de um conversor de tensão estabilizado por pulso simples que fornece operação em uma ampla faixa de alterações de tensão de entrada. Dentre as diversas fontes de alimentação secundárias (PSPS) com entrada sem transformador, o conversor autooscilador de ciclo único com conexão “reversa” de um diodo retificador [1] (Fig. 1) se destaca por sua extrema simplicidade.
Vamos primeiro considerar brevemente o princípio de operação de um conversor de tensão não estabilizado e, em seguida, o método para estabilizá-lo. Transformador T1 - indutor linear; Os intervalos de acúmulo de energia nele e a transferência da energia acumulada para a carga são espaçados no tempo. Na Fig. 2 mostra: II - corrente do enrolamento primário do transformador, III - corrente do enrolamento secundário, tн - intervalo de acúmulo de energia no indutor, tп - intervalo de transferência de energia para a carga.
Quando a tensão de alimentação Up é conectada, a corrente de base do transistor VT1 começa a passar pelo resistor R1 (o diodo VD1 impede o fluxo de corrente através do circuito do enrolamento de base, e o capacitor C2 que o desvia aumenta o feedback positivo (POF) no estágio de formação de frentes de tensão). O transistor abre ligeiramente, o circuito PIC fecha através do transformador T1, no qual ocorre o processo regenerativo de armazenamento de energia. O transistor VT1 entra em saturação. A tensão de alimentação é aplicada ao enrolamento primário do transformador e a corrente II (corrente de coletor Ik do transistor VT1) aumenta linearmente. A corrente de base IB do transistor saturado é determinada pela tensão no enrolamento III e pela resistência do resistor R2. No estágio de armazenamento de energia, o diodo VD2 é fechado (daí o nome do conversor - com inclusão “reversa” do diodo), e o consumo de energia do transformador ocorre apenas pelo circuito de entrada do transistor através do enrolamento de base. Quando a corrente de coletor Ik atinge o valor: IK max = h21EIB, (1) onde h21E é o coeficiente de transferência de corrente estática do transistor VT1, o transistor sai do modo de saturação e se desenvolve um processo regenerativo reverso: o transistor fecha, o diodo VD2 abre e a energia acumulada pelo transformador é transferida para a carga. Após a diminuição da corrente do enrolamento secundário, o estágio de armazenamento de energia começa novamente. O intervalo de tempo tп é máximo quando o conversor é ligado, quando o capacitor C3 está descarregado e a tensão na carga é zero. Em [1] é mostrado que a fonte de alimentação montada conforme o circuito da Fig. 1, - conversor funcional da fonte de tensão de alimentação até a fonte de corrente de carga In. É importante observar: como os estágios de acumulação e transmissão de energia são separados no tempo, a corrente máxima de coletor do transistor não depende da corrente de carga, ou seja, o conversor está totalmente protegido contra curtos-circuitos na saída. Porém, quando o conversor é ligado sem carga (modo inativo), um surto de tensão no enrolamento do transformador no momento do fechamento do transistor pode ultrapassar o valor máximo permitido da tensão coletor-emissor e danificá-lo. A desvantagem do conversor mais simples é a dependência da corrente de coletor IK max e, portanto, da tensão de saída, do coeficiente de transferência de corrente estática do transistor VT1. Portanto, os parâmetros da fonte de alimentação irão variar significativamente ao usar instâncias diferentes. Um conversor que utiliza um transistor chaveador “autoprotegido” possui características muito mais estáveis (Fig. XNUMX).
A tensão dente de serra do resistor R3, proporcional à corrente do enrolamento primário do transformador, é aplicada à base do transistor auxiliar VT2. Assim que a tensão no resistor R3 atingir o limite de abertura do transistor VT2 (cerca de 0,6 V), ele abrirá e limitará a corrente de base do transistor VT1, o que interromperá o processo de acúmulo de energia no transformador. Corrente máxima do enrolamento primário do transformador II max \u0,6d IK max \u3d 2 / RXNUMX (XNUMX) acaba por ser pouco dependente dos parâmetros de uma instância particular do transistor. Naturalmente, o valor limite de corrente calculado pela fórmula (2) deve ser menor que a corrente determinada pela fórmula (1) para o pior valor do coeficiente de transferência de corrente estática. Agora vamos considerar a possibilidade de regular (estabilizar) a tensão de saída da fonte de alimentação. Em [1] é mostrado que o único parâmetro do conversor que pode ser alterado para regular a tensão de saída é a corrente IК max, ou, o que dá no mesmo, o tempo de acumulação de energia tн no transformador, e o controle (estabilização ) a unidade só pode reduzir a corrente em comparação com o valor calculado usando a fórmula (2). Formulando o princípio de funcionamento da unidade de estabilização do conversor, podemos determinar os seguintes requisitos para ela:
Os diagramas de unidades de controle que implementam este algoritmo dados em [1] contêm um comparador K521SAZ, sete resistores, um transistor, um diodo, dois diodos zener e um transformador. Outros dispositivos bem conhecidos, incluindo fontes de alimentação de televisão, também são bastante complexos. Enquanto isso, usando um transistor chaveador autoprotegido, você pode construir um conversor estabilizado muito mais simples (veja o diagrama na Fig. 4).
O enrolamento de realimentação (OS) III e o circuito VD3C4 formam uma tensão de realimentação proporcional à tensão de saída do conversor. A tensão de estabilização de referência do diodo zener VD4 é subtraída da tensão de feedback e o sinal de incompatibilidade resultante é aplicado ao resistor R5. Do motor do resistor de corte R5, a soma de duas tensões é fornecida à base do transistor VT2: uma tensão de controle constante (parte da tensão de incompatibilidade) e uma tensão dente de serra do resistor R3, proporcional à corrente do enrolamento primário do o transformador. Como o limite de abertura do transistor VT2 é constante, um aumento na tensão de controle (por exemplo, com um aumento na tensão de alimentação Upit e, consequentemente, um aumento na tensão de saída do conversor) leva a uma diminuição na corrente II, no qual o transistor VT2 abre e para uma diminuição na tensão de saída. Assim, o conversor fica estabilizado e sua tensão de saída é regulada dentro de pequenos limites pelo resistor R5. O coeficiente de estabilização do conversor depende da razão entre a mudança na tensão de saída do conversor e a mudança correspondente no componente de tensão constante baseado no transistor VT2. Para aumentar o coeficiente de estabilização, é necessário aumentar a tensão de realimentação (o número de voltas do enrolamento III) e selecionar o diodo zener VD4 de acordo com a tensão de estabilização, que é inferior à tensão do SO em cerca de 0,5 V. O amplamente utilizado Os diodos zener da série D814 com uma tensão OS de cerca de 10 V são praticamente adequados. Ressalta-se que para obter melhor estabilidade de temperatura do conversor, é necessário utilizar um diodo zener VD4 com TKN positivo, que compensa a diminuição da queda de tensão na junção emissor do transistor VT2 quando aquecido. Portanto, os diodos zener da série D814 são mais adequados do que os diodos zener de precisão D818. O número de enrolamentos de saída do transformador (semelhante ao enrolamento II) pode ser aumentado, ou seja, o conversor pode ser multicanal. Construído de acordo com o diagrama da Fig. 4 conversores fornecem boa estabilização das tensões de saída quando a tensão de entrada muda dentro de uma faixa muito ampla (150...250 V). Porém, ao operar com carga variável, principalmente em conversores multicanal, os resultados são um pouco piores, pois quando a corrente de carga muda em um dos enrolamentos, a energia é redistribuída entre todos os enrolamentos. Neste caso, a mudança na tensão de feedback reflete a mudança na tensão de saída do conversor com menos precisão. É possível melhorar a estabilização ao operar com carga variável se a tensão do sistema operacional for gerada diretamente a partir da tensão de saída. A maneira mais fácil de fazer isso é usar um conversor de tensão adicional de transformador de baixa potência montado de acordo com qualquer um dos circuitos conhecidos [2]. A utilização de um conversor de tensão adicional também se justifica no caso de uma fonte de alimentação multicanal. O conversor de alta tensão fornece uma das tensões estabilizadas (a mais alta delas - em altas tensões, o filtro capacitor na saída do conversor é mais eficiente [1]), e as tensões restantes, incluindo a tensão do sistema operacional, são geradas por um conversor adicional. Para a fabricação de um transformador, é preferível utilizar um núcleo magnético de ferrite blindado com folga na haste central, o que garante a magnetização linear. Se não houver tal circuito magnético, você pode usar um espaçador de 0,1...0,3 mm de espessura feito de PCB ou mesmo papel para criar uma lacuna. Também é possível usar núcleos magnéticos em anel. Embora a literatura indique que para os conversores com conexão de diodo “reversa” considerados neste artigo, o filtro de saída pode ser puramente capacitivo, o uso de filtros LC pode reduzir ainda mais a ondulação da tensão de saída. Para uma operação segura do IVEP, deve ser utilizado um resistor de compensação (R5 na Fig. 4) com bom isolamento do motor. Os enrolamentos do transformador, conectados galvanicamente à tensão da rede, devem ser isolados de forma confiável da saída. O mesmo se aplica a outros radioelementos. Como qualquer fonte de alimentação com conversão de frequência, a fonte de alimentação descrita deve ser equipada com uma blindagem eletromagnética e um filtro de entrada. A segurança da montagem do conversor será garantida por um transformador de rede com relação de transformação igual à unidade. Entretanto, é melhor usar um LATR conectado em série e um transformador de isolamento. Ligar o conversor sem carga provavelmente levará à quebra do poderoso transistor chaveador. Portanto, antes de iniciar a configuração, conecte a carga equivalente. Depois de ligar, você deve primeiro verificar a tensão no resistor R3 com um osciloscópio - ela deve aumentar linearmente no estágio tn. Se a linearidade for quebrada, isso significa que o circuito magnético está entrando em saturação e o transformador deve ser recalculado. Usando uma ponta de prova de alta tensão, verifique o sinal no coletor do transistor chaveador - as quedas de pulso devem ser bastante acentuadas e a tensão no transistor aberto deve ser pequena. Se necessário, deve-se ajustar o número de voltas do enrolamento de base e a resistência do resistor R2 no circuito de base do transistor. A seguir, você pode tentar alterar a tensão de saída do conversor com o resistor R5; se necessário, ajuste o número de voltas do enrolamento OS e selecione um diodo zener VD4. Verifique o funcionamento do conversor quando a tensão de entrada e a carga mudam. Na Fig. A Figura 5 mostra um diagrama IVEP para um programador ROM como exemplo de uso de um conversor construído com base no princípio proposto.
Os parâmetros de origem são fornecidos na Tabela. 1. Tabela 1
Quando a tensão da rede muda de 140 para 240 V, a tensão na saída da fonte de 28 V está na faixa de 27,6...28,2 V; fonte +5 V - 4,88...5 V. Os capacitores C1-C3 e o indutor L1 formam um filtro de rede de entrada que reduz a emissão de interferência de alta frequência pelo conversor. O resistor R1 limita o pulso de corrente de carga do capacitor C4 quando o conversor é ligado. O circuito R3C5 suaviza picos de tensão no transistor VT1 (um circuito semelhante não é mostrado nas figuras anteriores). Um conversor convencional é montado nos transistores VT3, VT4, gerando mais dois a partir da tensão de saída +28 V: +5 V e -5 V, além da tensão do SO. Em geral, o IVEP fornece uma tensão estabilizada de +28 V. A estabilidade das outras duas tensões de saída é garantida pela alimentação de um conversor adicional a partir de uma fonte de +28 V e uma carga bastante constante nesses canais. O IVEP fornece proteção contra ultrapassagem da tensão de saída de +28 V a 29 V. Quando ultrapassada, o triac VS1 abre e fecha a fonte de +28 V. A fonte de alimentação emite um ruído alto. A corrente através do triac é 0,75 A. O transistor VT1 é instalado em um pequeno dissipador de calor feito de uma placa de alumínio medindo 40 (30 mm).Em vez do transistor KT828A, você pode usar outros dispositivos de alta tensão com tensão de pelo menos 600 V e corrente superior a 1 A, por exemplo, KT826B, KT828B, KT838A. Em vez do transistor KT3102A, você pode usar qualquer série KT3102; os transistores KT815G podem ser substituídos por KT815V, KT817V, KT817G. Diodos retificadores (exceto VD1) devem ser utilizados com altas frequências, por exemplo, série KD213, etc. É aconselhável utilizar capacitores de filtro de óxido da série K52, ETO. O capacitor C5 deve ter tensão de pelo menos 600 V. O triac TS106-10 (VS1) é usado apenas devido ao seu pequeno tamanho. Quase qualquer tipo de SCR que possa suportar uma corrente de cerca de 1 A é adequado, incluindo a série KU201. Porém, o tiristor deverá ser selecionado de acordo com a corrente mínima de controle. Deve-se notar que num caso particular (com consumo relativamente pequeno de corrente da fonte) seria possível prescindir de um segundo conversor construindo um conversor de acordo com o circuito da Fig. 4 com enrolamentos adicionais para canais de +5 V e -5 V e estabilizadores lineares da série KR142. A utilização de um conversor adicional é motivada pelo desejo de realizar estudos comparativos de diversos IVEPs e garantir que a opção proposta proporcione melhor estabilização da tensão de saída. Os parâmetros dos transformadores e bobinas são dados na Tabela. 2. Tabela 2
O núcleo magnético do transformador T1 é utilizado a partir da bobina do filtro da fonte de alimentação do drive em discos magnéticos removíveis da série de computadores ES. Tipos de circuitos magnéticos de bobinas L1-L4 não são críticos. A fonte é configurada de acordo com o método acima, mas primeiro a proteção contra sobretensão deve ser desligada movendo o controle deslizante do resistor R10 para a posição inferior de acordo com o diagrama. Após configurar o IVEP, deve-se usar o resistor R5 para definir a tensão de saída para +29 V e, girando lentamente o controle deslizante do resistor R10, atingir o limite de abertura do triac VS1. Em seguida, desligue a fonte, gire o controle deslizante do resistor R5 no sentido de diminuir a tensão de saída, ligue a fonte e use o resistor R5 para definir a tensão de saída para 28 V. Deve-se observar: como as tensões nas saídas de +5 V e -5 V dependem da tensão de +28 V e não são reguladas separadamente dela, dependendo dos parâmetros dos elementos utilizados e da corrente de uma determinada carga, é pode ser necessário selecionar o número de voltas dos enrolamentos do transformador T2. Literatura
Autor: Yu.Vlasov, Murom, região de Vladimir
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