VIPER-100A e um carregador de bolso baseado nele

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A nova linha de chips tem todas as vantagens de seu antecessor - os controladores PWM da série UC384X - e, além disso, possui várias vantagens significativas.

Em primeiro lugar, este é o número aproximadamente reduzido pela metade de elementos discretos do "cintamento" do microcircuito.

Uma circunstância importante é a alta confiabilidade da proteção térmica do SMPS comutado VIPer. No caso de mau contato térmico entre o transistor de comutação e o dissipador de calor, um controlador PWM localizado separadamente responderá apenas ao superaquecimento da caixa do microcircuito. A operação pesada do transistor pode levar à sua quebra térmica e, durante o aumento semelhante a uma avalanche na corrente de dreno, o transistor torna-se virtualmente incontrolável. A tensão de rede retificada através de um transistor defeituoso pode destruir o controlador PWM antes mesmo que o fusível queime. Para um SMPS comutado por VIPer, esta situação é excluída.

E a vantagem mais importante é a possibilidade de projeto automatizado de SMPS.

O microcircuito VIPer-110A é feito em um pacote de metal-plástico de cinco pinos TO-220-5 com um arranjo de pinos em zigue-zague. Considere o algoritmo de operação e um diagrama funcional simplificado do produto mostrado na Fig. onze].

Comparando a Fig. 1 e o diagrama funcional do controlador PWM UC384X [2], é fácil ver sua semelhança. O objetivo de muitos nós coincide absolutamente ou difere ligeiramente. Em particular, o comparador da tensão de alimentação de entrada do microcircuito A1 fornece um nível limite quando a chave VIPer entra no estado "ligado" de aproximadamente 11 V, "desligado" - 8 V. A proteção térmica funciona de maneira semelhante. Quando a temperatura do cristal sobe para 140...170°C, o gatilho do modo de segurança D1 bloqueia a operação do PWM D2 na entrada R1. A operação será retomada automaticamente assim que a temperatura do chip cair 40°C em comparação com o nível de disparo da proteção térmica.

A corrente consumida pelo microcircuito não excede 1 mA no estado "Off" e 15 mA - "On". Uma das características do produto VIPer é que durante a inicialização, os pinos 3 (DRAIN) e 2 (Vdd) dentro do microcircuito são conectados por um circuito limitador de corrente. O nível limite é de 3 mA. Esta corrente é compartilhada entre o comparador de tensão de entrada A1 (1 mA) e o capacitor do filtro de óxido conectado ao pino 2 (a corrente de carga do capacitor é de cerca de 2 mA). Após um aumento relativamente lento, a tensão no capacitor de óxido atinge o nível limite de ativação do microcircuito (11 V), então o capacitor é descarregado com uma corrente operacional do microcircuito de 15 mA. Se o microcircuito por algum motivo (grande capacitância do filtro descarregado antes de ligar o capacitor ou um curto-circuito na carga) não mudar do modo de partida para o modo de operação, a tensão no capacitor diminui rapidamente para o nível de limite de desligamento, após o qual o processo é repetido ciclicamente.

Ao tentar mudar para o modo de operação, o microcircuito gera "pacotes" de pulsos de disparo. O fator de preenchimento dos "packs" é determinado pela relação da corrente de carga do capacitor para a corrente de descarga e é de apenas 2/15" 13%, o que evita danos aos retificadores de entrada e saída no modo de partida ou durante curtos-circuitos em A formação de vários "pacotes" no modo de partida contribui para um aumento suave da tensão de saída do SMPS e caracteriza sua inclusão "suave".

O processo de regulação da tensão de saída do SMPS é semelhante ao considerado para o protótipo. Os circuitos internos fornecem estabilização da tensão de alimentação do microcircuito no nível de 13 V usando dois loops de controle: interno e externo. O circuito interno é um estabilizador convencional para alimentar todos os componentes do microcircuito. A malha externa de controle é formada pelo enrolamento auxiliar do transformador, conectado ao pino 2 através de um resistor externo, e o amplificador de sinal de erro A3 conectado a este pino. A estabilização dupla da tensão de alimentação do microcircuito fornece um desvio mínimo na frequência dos pulsos de comutação. Em [1], é indicado que quando a tensão de alimentação varia na faixa de 9 ... 15 V, bem como a discrepância entre os valores do resistor e capacitor de ajuste de frequência e os valores calculados ​​​​dentro de ± 1% e ± 5%, respectivamente, o desvio da taxa de repetição do pulso não excederá ± 10%. A instabilidade da temperatura de frequência não excederá -4% se a temperatura do cristal aumentar de 25 para 125°C.

Assim como no controlador PWM UC384X, a saída 5 (COMP) de mesmo nome e funcionalmente equivalente do microcircuito VIPer com uma tensão no modo operacional de cerca de 4,5 V pode ser usada para forçar o desligamento do SMPS.

Dentro do microcircuito, este pino pode ser conectado a um fio comum por um transistor de efeito de campo V2 sob a influência de um gatilho de modo seguro D1, que reage aos sinais de bloqueio da unidade de proteção térmica A2 e um comparador de tensão de entrada A1. Se a conexão forçada da saída 5 ao fio comum ocorreu durante a ação do pulso de comutação, o próximo pulso não é possível antes de 1,7 ... 5 μs, embora o gerador continue funcionando todo esse tempo. O capacitor conectado ao pino 5 atrasará o aumento da tensão até o nível limite de 0,5 V por algum tempo e pelo menos um pulso de comutação será perdido. Ao alterar o número de pulsos transmitidos, também é possível regular a tensão de saída do SMPS. A temporização dos pulsos de comutação é realizada pelo elemento A5 conectado à saída do comparador de controle de corrente A4.

De particular interesse no produto VIReg é o método de controle atual usado, para o qual todos os elementos necessários são formados no cristal. Um sinal proporcional à corrente é fornecido da saída adicional do transistor de comutação V3 para o conversor de corrente-tensão U1 e, em seguida, amplificado no amplificador de sensor de corrente A9. O nível de tensão na entrada R3 PWM D2 é proporcional à corrente de dreno e, quando o nível de limite especificado for atingido, a duração do pulso de comutação será limitada. Uma unidade de extinção especial, dentro de 0,25 µs após o início do pulso de comutação, suprime os surtos na frente devido à corrente de recuperação reversa do diodo retificador no enrolamento secundário e a capacitância distribuída do enrolamento de armazenamento. Esses picos podem causar corte prematuro da largura de pulso. Durante a operação normal do SMPS, a duração dos pulsos de comutação é limitada pela entrada PWM R2.

No caso de um curto-circuito na carga após ligar o SMPS, a corrente de saída inicialmente aumentará lentamente de acordo com as características dinâmicas do loop de controle e, quando o valor limite VIPer-100A de 3 A for atingido, a corrente será limitado em cada pulso de comutação. Atenção deve ser dada ao fato de que a corrente limite de 4 A fornecida nos livros de referência é o mínimo da faixa possível para amostras individuais. O valor de corrente típico para a maioria é 5,4 A, e os microcircuitos individuais estão operacionais mesmo em um nível limite de 5 A. É possível limitar a corrente através do transistor de comutação em um nível mais baixo se você usar um conversor de corrente-tensão externo, o cuja saída está conectada ao pino XNUMX (COMP ). Tudo isso garante a prevenção de danos ao SMPS em situações extremas.

A aparência do chip VIPer-100A permite uma abordagem completamente nova para o problema de criar um carregador (carregador) simples e confiável para baterias de automóveis (AB).

A maioria dos carregadores carrega as baterias com uma corrente estável. No entanto, em todos os veículos, incluindo automóveis, o carregamento ocorre a uma tensão constante. Na rede de bordo, os reguladores de relé mantêm a tensão em um nível de 14 ± 0,5 V. Portanto, a descarga da bateria no modo inicial com uma corrente de várias dezenas de amperes é seguida por um curto período subseqüente de momento em que a corrente de carga pode atingir 30 ou mais amperes e, em seguida, diminui rapidamente para unidades e frações de um ampere.

Um modo de carregamento semelhante pode ser usado por motoristas para resolver um tipo diferente de problema. Se você precisar sair com urgência e o carro não for usado há muito tempo, provavelmente, devido à descarga automática da bateria, as tentativas de ligar o motor, principalmente no inverno, não terão sucesso. Alguns motoristas, nesses casos, usam recarga de longo prazo (meio dia ou mais) da bateria com uma corrente baixa, acelerando assim a corrosão das grades de eletrodos positivos [3] e levando a bateria à falha. É mais racional neste caso usar um carregador por 15 ... 30 minutos, carregando a bateria em tensão constante. Um resistor com uma pequena resistência (fração de ohm) conectado em série com a bateria limitará a corrente de carga no momento inicial e, à medida que a bateria for carregada, a tensão na bateria aumentará e a corrente diminuirá.

Graças às suas pequenas dimensões e peso, o carregador comutado VIPer pode ser transportado para a garagem sem complicações, mesmo no seu bolso. Por outro lado, pode ser usado não apenas como um carregador completo, mas também como fonte de energia para outros fins.

Como tal SMPS é protegido por circuito contra curtos-circuitos, ele pode ser conectado a uma bateria parcialmente ou completamente descarregada. Dependendo do grau de descarga, o SMPS irá "bombear" para a energia AB, limitada por uma potência de cerca de 100 W, ou seja, a corrente de carga será ajustada automaticamente, sem ultrapassar o modo de operação segura do SMPS.

O carregador permite carregar a bateria com uma corrente de pelo menos 6 A no início e trazer a tensão para 15 V no final do carregamento. A frequência de conversão operacional do SMPS usado é de 100 kHz. A eficiência do dispositivo não é inferior a 87%. Dimensões do SMPS sem carcaça - 55x80x42,5 mm.

As funções de serviço da memória são determinadas pelas propriedades do chip VIPer-100A usado. Já foram mencionados: proteção contra curtos-circuitos e quebras de carga, implementação de modos de operação seguros, proteção térmica, regulação automática da corrente de carga em função do grau de descarga da bateria.

A única desvantagem da memória, que deve ser levada muito a sério, é a vulnerabilidade à inversão de polaridade. Se a bateria estiver conectada incorretamente, o transformador e outros elementos do carregador podem ser danificados, por isso é necessário conectá-lo com muito cuidado.

O circuito de memória, desenvolvido com a ajuda do DESIGNE SOFTWARE ("Evolution of flyback pulsed IP" in "Radio", 2002, nº 8), é apresentado na fig. 2. A metodologia de projeto foi descrita em detalhes anteriormente. Os parâmetros de tensão de rede não mudaram, a frequência de conversão foi escolhida igual a 100 kHz, os parâmetros de saída correspondem a uma tensão de 15 V a uma corrente de 6 A. O circuito magnético do transformador foi selecionado RM10 (analógico doméstico de KB 10) de Material N67 (analógico - M2500NMS1).

Graças a uma análise detalhada do algoritmo de funcionamento do produto VIPer-100A usado na memória, não faz sentido redescrever a finalidade de elementos individuais do dispositivo. O desenho do PCB é mostrado na fig. 3.

Apesar do número mínimo de elementos utilizados, a instalação revelou-se muito densa, o que se explica pelo desejo do autor de utilizar como acabamento um condensador de alta tensão K41-1a defeituoso com capacidade de 0,1 μF para uma tensão de 10 kV caixa do dispositivo.

Chip VIPer-100E é instalado em um dissipador de calor de pino com área efetiva de cerca de 60 cm2 através de uma placa de mica utilizando uma pasta condutora de calor, conectada a um fio comum.

A ponte de diodos é importada, projetada para corrente direta de 1,5 A e tensão reversa de 1000 V. O conjunto de diodos VD4-VD7 consiste em três placas de duralumínio conectadas por dois parafusos (a espessura das extremas é de 1,5 mm, a do meio um é de 2 mm) com dimensões de 30x40 mm, entre os quais, aos pares, de cada lado da placa central, quatro diodos KD213B são fixados com o cátodo no centro sem isolador usando uma pasta condutora de calor. Durante a instalação, deve-se prestar atenção ao isolamento de todos os terminais do ânodo.

O resistor limitador de corrente R6 - C5-16MV com potência de 5 W é instalado perpendicularmente à placa. Microamperímetro PA1 - M4283 ou qualquer outro utilizado em gravadores portáteis para indicar o nível de gravação. Ao estabelecê-lo, ele é conectado a uma fonte de tensão estabilizada de 0,6 V e, selecionando um resistor R5, uma seta é definida na borda do setor verde.

Os capacitores de óxido são importados, pois os domésticos não "encaixam" nas dimensões indicadas do SMPS. O capacitor C7 é soldado em paralelo ao resistor R3, e então o último é soldado com uma saída perpendicular à placa, e a segunda é conectada de forma articulada com uma saída livre de um diodo VD2 instalado de forma semelhante.

Atenção especial deve ser dada à fabricação e instalação de um transformador de pulso. Seu circuito magnético deve estar com folga não magnética de 0,7 mm.

Os enrolamentos do transformador são enrolados em uma moldura caseira. Uma pequena placa de fibra de vidro é estratificada com um bisturi ou uma faca afiada e uma camada de 0,1 ... 0,15 mm de espessura é separada dela. Depois de cortar uma tira com as dimensões necessárias, usando nitro-cola sem distorções, ela é enrolada em 2-3 camadas em uma haste de diâmetro adequado e, após a secagem da cola, é removida.

Na estrutura assim obtida, a primeira camada é enrolada - 11 voltas de fio PEV-2 0,41 em dois condutores, depois o isolamento intermediário de filme lavsan ou pano envernizado e a segunda camada - 9 voltas. Em seguida, o isolamento de entrelaçamento é enrolado.

O enrolamento III, composto por 7 voltas de fio PEV-2 1,5, é enrolado em uma haste de diâmetro ligeiramente maior para que se encaixe no enrolamento I. Condutores de 8 ... 10 mm de comprimento são deixados em cada lado da bobina. O enrolamento resultante III é cuidadosamente colocado na primeira seção do enrolamento I para que suas conclusões sejam diametralmente opostas, centralizadas e uma camada de isolamento de entrelaçamento seja fixada com cola. Depois disso, é útil verificar o posicionamento da bobina no circuito magnético e, se as duas placas estiverem conectadas livremente, a bobina é removida e suas extremidades são preenchidas com cola para fixar e vedar os enrolamentos.

Após a cola secar na bobina, ela é enrolada em duas camadas de 8 e 7 voltas cada uma da segunda seção do enrolamento I. O enrolamento é completado com o enrolamento II de 6 voltas do fio PEV-2 0,15, e após uma colocação experimental da bobina no circuito magnético, as extremidades da bobina são novamente seladas com cola.

A indutância medida do enrolamento I do transformador coincidiu com a calculada no DESIGNE SOFTWARE e totalizou 225 μH. O transformador acabado é fechado ao longo da superfície lateral com uma tela eletrostática - uma camada de folha de cobre e fixada na placa com um suporte. Uma tira de borracha de 1 mm de espessura é colocada entre o transformador e o suporte. Não é necessário colar as placas do circuito magnético durante a montagem. Todos os cabos do transformador, exceto 7, 2 e 3, são soldados nos orifícios correspondentes da placa. As conclusões 2 e 3 são conectadas de forma articulada, isoladas e depois "escondidas" sob uma blindagem eletrostática. O pino 7 é conectado à placa com um pequeno pedaço de cabo coaxial com um condutor central trançado.

Um interruptor de energia, um porta-fusível de 2 A, um microamperímetro e dois terminais para conectar a bateria são colocados na tampa do dispositivo. Além disso, para facilitar o regime térmico do SMPS, é fixado na tampa do invólucro um ventilador de pequeno porte, utilizado para soprar os microprocessadores, preferencialmente com o maior desempenho possível, e para isso são fornecidos orifícios de entrada de ar. Os terminais do ventilador, projetados para tensão de 12 V, são conectados ao capacitor C9 por meio de um resistor limitador de corrente MLT-0,125 com resistência de 8,2 ohms. Dependendo do modelo e desempenho, a corrente consumida pelo ventilador será de 40...50 mA em 12 V a 55...65 mA em 15 V.

Se a memória for montada com peças reparáveis ​​sem erros e o desvio da frequência operacional do valor calculado não for superior a 10%, o ajuste do dispositivo não é necessário.

Na fig. 4 mostra a dependência da tensão de saída (linha contínua) e da potência de saída (linha tracejada) da corrente de carga. As medições foram realizadas com um resistor fechado R6.

Para reduzir a ondulação na saída, foi conectado um capacitor de óxido com capacidade de 22000 uF.

Literatura

1. VIPer Switch Mode Flyback Fonte de alimentação DESIGNE SOFTWARE/Documentação/Folha de dados/Viper100 - Viper100A: p. 1-20, fevereiro de 2001.
2. Microcircuitos para comutação de fontes de alimentação e sua aplicação. Diretório. - M.: DODEKA, 1997.
3. Dasoyan M. A., Kurzukov N. I., Tyutryumov O. S., Yagnyatinsky V. M. Baterias iniciais. Dispositivo, operação, reparo. - M.: Transportes, 1994.

Autor: S.Kosenko, Voronezh

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