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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Dispositivo universal para testar SMPS. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de alimentação Ao desenvolver e testar fontes de alimentação comutadas, os radioamadores geralmente se deparam com uma situação em que uma fonte de alimentação aparentemente montada corretamente "se recusa" a funcionar. Basta alterar erroneamente a polaridade de pelo menos um dos vários diodos retificadores na saída do dispositivo ou interromper a fase de qualquer enrolamento do transformador, e as consequências podem ser as mais imprevisíveis, até danos a controladores PWM muito caros e comutação transistores. Um testador universal, que será discutido neste artigo, ajudará a evitar um fenômeno tão desagradável. Atenção deve ser dada ao fato de que duas fontes de alimentação independentes são usadas durante o teste SMPS. Um deles, de baixa corrente (Imax = 0,2 A), com tensão de saída de 10 ... 15 V, após estabilização adicional pelo microcircuito DA1 no nível de 8 V, alimenta os circuitos de controle, indicação e proteção do dispositivo. A segunda, de alta corrente (Imax=5A), é uma fonte de tensão de teste para os elementos testados. Para isso, é conveniente usar um retificador de rede SMPS padrão. Portanto, embora o transformador T1 e o optoacoplador U1 no dispositivo forneçam isolação galvânica entre essas fontes, durante o teste, para evitar choque elétrico, deve-se lembrar que o circuito conectado ao transistor VT2 e resistor R9 está sob tensão de rede. Se a amplitude de tensão dos pulsos dente de serra através do resistor R9 exceder um determinado valor limite no qual o diodo emissor de corrente do optoacoplador U1 será suficiente para abrir seu fototransistor, o sinal de sobrecarga do coletor deste último proibirá a passagem de pulsos do gerador. Um pequeno capacitor C3 conectado em paralelo à seção coletor-emissor do fototransistor aumenta a imunidade ao ruído do dispositivo. No testador descrito, é usado um transistor de comutação IRFBC40, no qual a corrente de dreno máxima é de 6,2 A e a tensão dreno-fonte é de 600 V. O nível de corrente limite é de 5 A e a tensão de resposta de proteção será de 0,33 Ohm x 5 A = 1,65, 9 V. A potência dissipada pelo sensor de corrente (R1) com um ciclo de trabalho de pulsos D - 1,65 deve ser de pelo menos (2) 0,33 / 8,25 - 0,2 W. Quando o dispositivo é usado para avaliar a capacidade de carga do SMPS (D=8,25), a potência do piso deve ser de pelo menos 0,2x1,65 = 1,65 W. Se o testador for usado apenas para testar os elementos indutivos do SMPS, como no nosso caso, levando em consideração o formato dente de serra dos pulsos de corrente, a potência do resistor deve ser de pelo menos 0,5x0,825 = XNUMX W .
Obviamente, o transistor importado pode ser substituído por um KP707V2 doméstico ou similar, mas para eles os parâmetros do sensor de corrente precisarão ser recalculados de acordo com as proporções acima e levados em consideração na configuração do dispositivo. Considere o trabalho dos circuitos de proteção nos elementos DD2.1 e DD2.2. O circuito R8C2 está conectado à entrada superior do flip-flop RS (pino 3 DD2), cuja constante de tempo é de 8,2 ms. Ele fornece um atraso de tempo para o aparecimento de um nível alto na entrada, necessário para o acionamento do nó de proteção ser reinicializado. Esta característica é ilustrada na Fig. 2 a presença de um intervalo de tempo tmin entre ligar o dispositivo e o início do teste SMPS.
Na prática, isso impõe restrições à sequência de comutação das duas fontes de energia independentes nomeadas: primeiro, você deve ligar a corrente baixa, depois a corrente alta e desligar na ordem inversa, primeiro a corrente alta e depois a baixa. atual. O cumprimento desta regra evitará danos ao transistor de comutação VT2 no primeiro pulso no momento em que o dispositivo for ligado. Além disso, recomendo que, ao ligar o SMPS pela primeira vez, não aplique toda a tensão da rede, mas aumente gradativamente, por exemplo, usando um autotransformador de laboratório. No caso de uma sobrecarga do transistor de comutação, o flip-flop RS comuta para o estado zero. Nos terminais 1, 13 dos elementos DD1.3 e DD1.4, o nível alto é substituído por um baixo e a passagem posterior dos pulsos é bloqueada. O flip-flop RS comutado desliga o LED HL2 "Check" e liga o LED HL1 "Overload". O gerador nos elementos DD2.3 e DD2.4 gera um sinal sonoro de alerta. Após desligar a energia e eliminar a sobrecarga, após um tempo necessário para a descarga dos capacitores C1 e C2, o aparelho está pronto para ser ligado novamente. A utilização de um dispositivo para estimar a corrente de saturação do indutor utilizado no filtro de saída da SMPS possui características próprias. Vamos considerá-los com mais detalhes. Na fig. 3 mostra o diagrama de conexão do testador neste caso.
A fonte de alimentação (PSU) é de alta corrente: sua corrente máxima deve exceder o valor limite de 5 A selecionado para os circuitos de proteção do dispositivo.Um diodo VD1 é conectado em paralelo com a bobina sob teste. Aqui é permitido usar KD212A ou similar. A frequência de comutação pode ser muito grande, especialmente para bobinas com indutâncias de centenas ou milhares de microhenries. Portanto, para o tempo de medição dos parâmetros do indutor, pode ser necessário reduzir significativamente a frequência de operação com uma duração de pulso constante (ou ajustável). O desempenho também pode ser aumentado introduzindo um diodo zener VD2 com uma tensão operacional ligeiramente superior à de medição. Também é desejável que a tensão na saída da PSU seja ajustável. Um osciloscópio é conectado em paralelo com o resistor R9 do testador. As possíveis opções A e B dos diagramas observados da queda de tensão no sensor de corrente Ur9, bem como a tensão U3-e na porta do transistor de comutação são mostradas na Fig. 4.
Como você sabe, a tensão U aplicada ao indutor causa um aumento linear na corrente D1 nele. Essa dependência é expressa matematicamente pela equação AI \u1d (U / L) Δt ou, em outras palavras, uma tensão de 1 V aplicada a uma bobina com indutância de 1 Gn causará um aumento de corrente em 1 A após 10 s. Se o numerador e o denominador da fração no lado direito multiplicar as igualdades por um fator de 6-1, obtemos uma consequência importante: para determinar a mudança na corrente DXNUMX em ampères, a indutância em microhenries pode ser substituída em a fórmula e o tempo em microssegundos, que usaremos nas medições. Suponha que a tensão U = 20 V seja definida na saída da fonte de alimentação e, com um determinado indutor selecionado, o diagrama de tensão UR9 assuma a forma A (Fig. 4). Vamos estimar as propriedades do acelerador. É óbvio que o valor de pico da corrente I = U / R = 0,4 / 0,33 - 1,2 A, e podemos concluir que o indutor estimado será bastante eficiente ao filtrar a corrente até 1,2 A. Além disso, com o uso de um testador , você pode avaliar a indutância do indutor, para a qual você precisa usar a relação L = (U / AI) At. Substituindo os valores correspondentes, obtemos L = (20/1,2)2 - 33 μH. Obviamente, muitos indicadores afetam a precisão da determinação: a tolerância do valor do resistor de medição de corrente, o erro na medição da tensão e do intervalo de tempo usando um osciloscópio, o efeito de limitação de corrente no circuito de medição devido ao ativo resistência do indutor e resistor R9 e alguns outros fatores. Porém, de acordo com as estimativas mais aproximadas, o erro total na medição da indutância do indutor por esse método não excederá 20%. Essa precisão é suficiente para avaliar as propriedades de filtragem do indutor como parte do filtro de saída SMPS. Agora, sem trocar o indutor, aumentamos a tensão na saída da fonte de alimentação para 40 V e ao mesmo tempo obtemos a opção B do diagrama mostrado na Fig. 4. É importante que o valor de pico da tensão UR9 não ultrapasse o nível limite definido para os circuitos de proteção, caso contrário as medições não serão possíveis. Como pode ser visto na figura, esta condição é atendida. Cálculos semelhantes aos anteriores permitem-nos tirar as seguintes conclusões:
Uma ligeira discrepância entre os resultados indica um erro de medição aumentado, que está associado a dificuldades em determinar o ponto de inflexão na curva B. Normalmente, para isso, é usado um estêncil de papel aplicado à imagem da curva na tela do osciloscópio, como ilustrado pela linha C na Fig. 4. Portanto, durante as medições, é aconselhável reduzir a tensão na saída da PSU para um valor em que o diagrama assuma uma forma estritamente linear, semelhante à linha A, e usar os resultados obtidos para avaliar a indutância do indutor e o corrente de saturação nele. Um aumento na probabilidade de saturação no indutor em uma corrente baixa está associado ao uso de circuitos magnéticos fechados feitos de um material com alta permeabilidade magnética (mais de 200). Para evitar a saturação, devem ser usados anéis feitos de um magnetodielétrico à base de alsifer ou ligas de molibdênio-permalloy, ou deve ser introduzido um gap não magnético. Se compararmos circuitos magnéticos de anel de ferrite, em forma de Ø e blindados, deve-se reconhecer que os dois últimos são tecnologicamente mais avançados em termos de criação de uma lacuna não magnética, embora seja possível usar segmentos de haste de ferrite usados em receptores de rádio para antenas magnéticas como circuitos magnéticos fracamente saturados (quanto menor a permeabilidade magnética, melhor). E a última opção para usar o dispositivo durante o teste do SMPS é como um equivalente de carga ajustável e a carga é pulsada, o que é especialmente importante para fontes de alimentação usadas como parte do UMZCH. Pico, máximo, média, musical, térmico e vários outros termos que caracterizam a potência derivada de ações de impulso não foram em vão inventados por especialistas para avaliar essa classe de aparelhos de rádio. É claro que, neste caso, o gerador no testador deve ser reconstruído para a faixa de frequência de áudio e deve-se prever o ajuste do ciclo de trabalho dos pulsos de comutação, conforme recomendado no início do artigo. Ao medir, você deve prestar atenção às condições térmicas do chip DA1 e do transistor VT1. É possível que quando o ciclo de trabalho do pulso estiver próximo de 1, seja necessário substituí-los por elementos mais potentes. Dependendo da potência de saída e da tensão de saída do SMPS, você precisará de vários resistores com resistência de unidades ou dezenas de ohms com uma dissipação de energia de 30 ... 50 W. Na sua ausência, é permitido o uso de lâmpadas automotivas com tensão operacional de 12 V como equivalente de carga e, entre elas, é fácil selecionar amostras projetadas para uma corrente nominal de frações a dezenas de amperes. Se a dissipação de potência máxima em uma corrente através do transistor de comutação de 5 A não for suficiente para a carga total do SMPS, o transistor de efeito de campo de alta tensão IRFBC40 pode ser substituído por um de baixa tensão, por exemplo, IRFZ48N, que tem uma corrente direta (média) máxima de 45 A e uma corrente de pulso de até 210 A. O diagrama de conexão ao usar o dispositivo como um equivalente ajustável de uma carga de impulso é mostrado na fig. 5.
O amperímetro incluído no circuito de medição mostrará o valor médio da corrente. Se as leituras do amperímetro forem divididas pelo ciclo de trabalho dos pulsos, obtemos o valor de amplitude (pico) da corrente no circuito de carga. Quando o ciclo de trabalho do pulso está próximo de 1, a carga para o SMPS é máxima. O transistor de comutação VT2 no testador deve ser instalado em um dissipador de calor com uma área de 100...200 cm2. Substituiremos o estabilizador de microcircuito KR1157EN802A por um analógico estrangeiro 78L82 ou KR142EN12A, KR142EN12B doméstico ajustável mais poderoso. É permitido substituir o chip K561TL1 pelo K561LA7. Em vez do KT505B, você pode usar qualquer transistor de potência média de alta frequência da estrutura correspondente. Emissor de som piezocerâmico HA1 - qualquer disponível. Os diodos KD522B são substituíveis por qualquer um de silício de baixa potência, por exemplo, série KD521, KD522, optoacoplador - qualquer uma das séries AOT127, AOT128. LEDs - qualquer um com um brilho claramente visível a uma corrente de cerca de 5 mA. Capacitor C1 - qualquer óxido da capacidade especificada, o restante - qualquer cerâmica. Todos os resistores - MLT, S1-4, S2-23, exceto R9 importado. Transformador T1 - pulso FIT-5. Se isso não puder ser encontrado, o transformador é feito de forma independente. Seu núcleo magnético é formado por dois anéis de ferrite K10x6x3 empilhados juntos com uma permeabilidade magnética de 1500 ... 2000. As arestas vivas dos anéis são arredondadas com uma lima de agulha, o circuito magnético é coberto com verniz isolante e depois de seco, 100 voltas são enroladas em dois fios PELSHO 0,12. O transformador deve ser conectado levando em consideração o faseamento dos enrolamentos I e II, mostrados na fig. 1. O transformador também pode ser feito com base em circuitos magnéticos blindados B14 ou B18. Nesse caso, os enrolamentos contendo 50 ... 70 voltas de fio PEV-2 0,12-0,17 devem ser isolados de forma confiável um do outro. A configuração do dispositivo começa com a verificação dos parâmetros dos pulsos na saída do gerador (pino 10 DD1). Se necessário, eles são corrigidos selecionando a capacitância do capacitor C4 e a resistência dos resistores R4 e R6. Em seguida, a saída do resistor R10, superior de acordo com o esquema, é desconectada e conectada à saída positiva da fonte de alimentação regulada, cuja saída negativa é conectada à saída 2 do optoacoplador U1. Aumentando gradativamente a tensão, registre o momento de desaparecimento dos pulsos nas saídas dos elementos DD1.3, DD1.4. Ao selecionar o resistor R10, a ausência de pulsos é alcançada em uma tensão de 1,65 ± 0,05 V, após o que a conexão é restaurada. Na próxima etapa, selecionando o resistor R5, a corrente dos LEDs HL1, HL2 é ajustada para cerca de 5 mA. Por fim, verifique a polaridade dos pulsos na porta do transistor VT2. Se não corresponderem à Fig. 2, altere o faseamento de um dos enrolamentos do transformador T1. O estágio final é o controle da operabilidade do transistor de comutação VT2, para o qual o dispositivo é conectado ao retificador de rede do SMPS testado de acordo com a Fig. 5. O SMPS deve ter um interruptor de tensão de rede, um fusível de 2 A e um circuito limitador de corrente de irrupção. Como carga, é utilizada uma lâmpada de iluminação para uma tensão de 220 V com uma potência de 60 W. É desejável, mas não necessário, incluir no circuito um amperímetro CC com limite de medição de 0,5 A. Depois de ligar o retificador de rede, o testador é alimentado e removido várias vezes com uma tensão de alimentação de 10 ... mostrará uma corrente de aproximadamente 15 A. Com cuidado, usando um osciloscópio, controle os pulsos no dreno do transistor VT0,08. Se o transistor estiver com defeito, a lâmpada brilhará com metade do brilho normal e não responderá ao desligar a tensão de alimentação do dispositivo. O transistor defeituoso deve ser substituído e, após uma verificação adicional, o dispositivo está pronto para operação. Para expandir os recursos, o dispositivo pode ser complementado com dois interruptores que alternam conjuntos de resistores R4, R6 e capacitor C4 de diferentes classificações, com a ajuda dos quais vários valores fixos de frequência e ciclo de trabalho de pulso são definidos. Autor: S.Kosenko, Voronezh
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