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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Alimentation réseau avec des paramètres spécifiques élevés
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Alimentations L'article porté à la connaissance des lecteurs décrit un convertisseur d'impulsions permettant d'alimenter des appareils électroniques avec une tension de 5 V à partir d'un réseau de courant alternatif. Le convertisseur ne contient pas d'éléments rares et coûteux, il est facile à fabriquer et à régler. L'alimentation est équipée d'une protection contre les surtensions de sortie et les surintensités avec retour automatique en mode de fonctionnement après son élimination. Principaux paramètres techniques
Sur la fig. 1 montre un schéma de l'appareil.
L'unité de contrôle met en œuvre le principe de largeur d'impulsion de stabilisation de la tension de sortie. Sur les éléments DD1.1, DD1.2, on réalise un oscillateur maître, fonctionnant à une fréquence d'environ 100 kHz avec un rapport cyclique proche de deux. Des impulsions d'une durée d'environ 5 μs à travers le condensateur C11 sont envoyées à l'entrée de l'élément DD1.3, puis amplifiées par le courant par les éléments connectés en parallèle DD1.4 - DD1.6. Pour stabiliser la tension de sortie de l'alimentation, la durée d'impulsion est réduite pendant la régulation. Le transistor VT1 "raccourcit" les impulsions. En ouvrant chaque période de fonctionnement du générateur, celui-ci fixe de force un niveau bas à l'entrée de l'élément DD1.3. Cet état est maintenu jusqu'à la fin de la période suivante par un condensateur C11 déchargé. Sur les transistors VT2, VT3, un puissant amplificateur de courant est fabriqué, ce qui permet une commutation forcée du transistor de commutation VT4. Les diagrammes de tension sur les principaux éléments de la source d'alimentation lors de son démarrage sont illustrés à la fig. 2.
Lorsque le transistor VT4 est ouvert, le courant qui le traverse et l'enroulement I du transformateur T1 augmente linéairement (Fig. 2b). La tension d'impulsion du capteur de courant R11 à travers la résistance R7 est fournie à la base du transistor VT1. Pour éviter une fausse ouverture du transistor, les surintensités sont lissées par le condensateur C12. Pendant les premières périodes après le démarrage, la tension instantanée à la base du transistor VT1 reste inférieure à la tension d'ouverture Ube ouvert - 0,7 V (Fig. 2, c). Dès que la tension instantanée au cours de la période suivante atteint le seuil de 0,7 V, le transistor VT1 s'ouvrira, ce qui entraînera à son tour la fermeture du transistor de commutation VT4. Ainsi, le courant dans l'enroulement I, et donc dans la charge, ne peut pas dépasser une certaine valeur prédéterminée par la valeur de la résistance R11. Cela garantit que l'alimentation est protégée contre les surintensités. Le phasage des enroulements du transformateur T1 est réglé de manière à ce que pendant l'état ouvert du transistor VT4, les diodes VD7 et VD9 soient fermées par tension inverse. Lorsque le transistor de commutation se ferme, la tension sur tous les enroulements change de signe et augmente jusqu'à ce que ces diodes s'ouvrent. Ensuite, l'énergie accumulée pendant l'impulsion dans le champ magnétique du transformateur T1 est dirigée pour charger les condensateurs du filtre de sortie C15-C17 et le condensateur C9. Notez que puisque la mise en phase des enroulements II et III est la même, la tension aux bornes du condensateur C9 dans le mode de stabilisation de la tension de sortie est également stabilisée quelle que soit la valeur de la tension d'entrée de la source d'alimentation. L'élément de contrôle de l'alimentation est un microcircuit DA2 KR142EN19A. Lorsque la tension sur la broche de commande 1 du microcircuit atteint 2,5 V, un courant commence à le traverser et à travers la diode émettrice de l'optocoupleur, qui augmente avec l'augmentation de la tension de sortie. Le phototransistor de l'optocoupleur s'ouvre et le courant traversant les résistances R5, R7 et R11 crée une chute de tension entre elles, qui augmente également avec la tension de sortie. La tension instantanée à la base du transistor VT1, égale à la somme de la chute de tension aux bornes de la résistance R7 et du capteur de courant R11, ne peut pas dépasser 0,7 V. Par conséquent, avec une augmentation du courant du phototransistor de l'optocoupleur, le la tension constante aux bornes de la résistance R7 augmente et l'amplitude de la composante d'impulsion aux bornes de la résistance R11 diminue, ce qui, à son tour, ne se produit qu'en raison d'une diminution de la durée de l'état ouvert du transistor de commutation VT4. Si la durée d'impulsion diminue, alors la "part" d'énergie pompée sur chaque période par le transformateur T1 vers la charge est également réduite. Ainsi, si la tension de sortie de l'alimentation est inférieure à la valeur nominale, par exemple lors de son démarrage, la durée d'impulsion et l'énergie transférée à la sortie sont maximales. Lorsque la tension de sortie atteint le niveau nominal, un signal de retour apparaît, à la suite de quoi la durée d'impulsion diminue jusqu'à une valeur à laquelle la tension de sortie se stabilise. Si, pour une raison quelconque, la tension de sortie augmente, par exemple lorsque le courant de charge diminue soudainement, le signal de retour augmente également, la durée d'impulsion diminue jusqu'à zéro et la tension de sortie de l'alimentation revient à la valeur nominale. Sur la puce DA1, le noeud de démarrage du convertisseur est réalisé. Son but est de bloquer le fonctionnement de l'unité de contrôle si la tension d'alimentation est inférieure à 7,3 V. Cette circonstance est due au fait que l'interrupteur - le transistor à effet de champ IRFBE20 - ne s'ouvre pas complètement lorsque la tension de grille est inférieure à 7. V Le nœud de lancement fonctionne comme suit. Lorsque l'alimentation est activée, le condensateur C9 commence à se charger à travers la résistance R8. Alors que la tension aux bornes du condensateur est de quelques volts, la sortie (broche 3) de la puce DA1 est maintenue basse et le fonctionnement de l'unité de contrôle est bloqué. À ce moment, la puce DA1 à la broche 1 consomme un courant de 0,2 mA et la chute de tension aux bornes de la résistance R1 est d'environ 3 V. Après environ 0,15 ... 0,25 s, la tension aux bornes du condensateur atteindra 10 V, à laquelle la tension sur la broche 1 de la puce DA1 est égale à la valeur seuil (7,3 V). Un niveau haut apparaît à sa sortie, permettant le fonctionnement de l'oscillateur maître et de l'unité de contrôle. Le convertisseur démarre. A ce moment, l'unité de commande est alimentée par l'énergie stockée dans le condensateur C9. La tension à la sortie du convertisseur commencera à augmenter, ce qui signifie qu'elle augmentera également sur l'enroulement II pendant la pause. Lorsqu'elle deviendra supérieure à la tension aux bornes du condensateur C9, la diode VD7 s'ouvrira et le condensateur continuera à se recharger à chaque période à partir de l'enroulement auxiliaire II. Ici, cependant, il convient de prêter attention à une caractéristique importante de l'alimentation. Le courant de charge du condensateur à travers la résistance R8, en fonction de la tension d'entrée de l'alimentation, est de 1 à 1,5 mA et la consommation de l'unité de commande pendant le fonctionnement est de 10 à 12 mA. Cela signifie que lors du démarrage, le condensateur C9 est déchargé. Si sa tension chute au niveau de seuil du microcircuit DA1, l'unité de contrôle s'éteindra et, comme elle ne consomme pas plus de 0,3 mA à l'état éteint, la tension aux bornes du condensateur C9 augmentera jusqu'à ce qu'elle soit à nouveau allumée. Cela se produit soit en cas de surcharge, soit avec une charge capacitive importante, lorsque la tension de sortie n'a pas le temps d'augmenter jusqu'à la valeur nominale pendant le temps de démarrage de 20 ... 30 ms. Dans ce cas, il faut augmenter la capacité du condensateur C9. Incidemment, cette caractéristique du fonctionnement de l'unité de commande permet à la source d'alimentation d'être en mode surcharge indéfiniment, car dans ce cas, elle fonctionne en mode pulsé et le temps de fonctionnement (démarrage) est 8 ... 10 fois moins que le temps mort. Les éléments de commutation ne chauffent même pas ! Une autre caractéristique de l'alimentation est la protection de la charge contre les surtensions, qui se produisent, par exemple, en cas de défaillance d'un élément du circuit de rétroaction. En fonctionnement, la tension aux bornes du condensateur C9 est d'environ 10 V et la diode zener VD1 est fermée. En cas de circuit ouvert dans le circuit de retour, la tension de sortie dépasse la valeur nominale. Mais parallèlement, la tension aux bornes du condensateur C9 augmente et à une valeur d'environ 13 V, la diode Zener VD1 s'ouvre. Le processus dure 50 ... 500 ms, au cours desquels le courant traversant la diode zener augmente progressivement, dépassant à plusieurs reprises sa valeur maximale. Dans le même temps, le cristal de l'élément chauffe et fond - la diode zener se transforme pratiquement en un cavalier avec une résistance d'unités à plusieurs dizaines d'ohms. La tension aux bornes du condensateur C9 est réduite à des valeurs insuffisantes pour allumer l'unité de commande. La tension de sortie, ayant reçu un incrément de 1,3 ... 1,8 fois en fonction du courant de charge, diminue jusqu'à zéro. Un filtre supplémentaire est réalisé sur les éléments L2C19, ce qui réduit l'amplitude des ondulations de tension de sortie. Pour réduire la pénétration des interférences haute fréquence dans le réseau, un filtre C1 - C3L1C4 - C7 est installé à l'entrée, qui lisse également le courant d'impulsion consommé pendant le fonctionnement à une fréquence de 100 Hz. La thermistance RK1 (TP-10) a une résistance relativement élevée à froid, ce qui limite le courant d'appel du convertisseur lorsqu'il est allumé et protège les diodes de redressement. Pendant le fonctionnement, la thermistance chauffe, sa résistance diminue plusieurs fois et n'affecte pratiquement pas l'efficacité de l'alimentation. Lorsque le transistor VT4 est fermé, une impulsion de tension apparaît sur l'enroulement I du transformateur T1 (sur la Fig. 2, d il est représenté par une ligne pointillée dans les trois premières périodes de la tension UcVT4), dont l'amplitude est déterminée par l'inductance de fuite. Pour le réduire, un circuit VD8R9C14 est installé dans le convertisseur. Il élimine le risque de panne du transistor de commutation et réduit les exigences de tension maximale sur son drain, ce qui augmente la fiabilité du convertisseur dans son ensemble. L'alimentation électrique se fait principalement sur des éléments standards nationaux et importés, à l'exception des produits bobinés. Les inducteurs L1 et L2 sont bobinés sur des anneaux K10x6x4,5 en permalloy MP140. Les circuits magnétiques sont d'abord isolés avec une couche de la-coton. Chaque enroulement est enroulé avec un fil PETV de 0,35 tour à tour en deux couches sur sa moitié d'anneau, et il doit y avoir un écart d'au moins 1 mm entre les enroulements de l'inductance L1. Les enroulements de l'inductance L1 contiennent chacun 26 tours, et l'inducteur L2 contient sept tours, mais chacun a huit conducteurs. Les chokes bobinés sont imprégnés de colle BF-2 et séchés à une température d'environ 60°C. Le transformateur est la partie principale et la plus importante de l'alimentation électrique. La qualité de sa fabrication dépend de la fiabilité et de la stabilité du convertisseur, de ses caractéristiques dynamiques et de son fonctionnement en mode ralenti et surcharge. Le transformateur est réalisé sur une bague K17x10x6,5 en permalloy MP140. Avant l'enroulement, le noyau magnétique est isolé avec deux couches de tissu verni. Le fil est bien serré, mais sans tension. Chaque couche de l'enroulement est enduite de colle BF-2, puis enveloppée d'un tissu verni. L'enroulement I est enroulé en premier.Il contient 228 tours de fil PETV 0,2 ... 0,25, enroulé rond à rond en deux couches, entre lesquelles une couche de tissu verni est posée. L'enroulement est isolé avec deux couches de tissu verni. L'enroulement III est enroulé ensuite. Il contient sept tours de fil PETV 0,5 dans six conducteurs répartis uniformément sur le pourtour de l'anneau. Une couche de tissu verni est posée dessus. Et enfin, l'enroulement II est bobiné en dernier, contenant 13 tours de PETV 0,15... Après cela, le transformateur fini est enveloppé de deux couches de tissu verni, enduit à l'extérieur de colle BF-0,2 et séché à une température de 2 ° C. À la place du transistor VT4, vous pouvez en utiliser un autre avec une tension de drain admissible d'au moins 800 V et un courant maximal de 3 ... 5 A, par exemple, BUZ80A, KP786A, et à la place de la diode VD8, tout diode ultra-rapide avec une tension inverse admissible d'au moins 800 V et un courant de 1 à 3 A, par exemple FR106. L'alimentation est réalisée sur une carte de dimensions 95x50 mm et d'une épaisseur de 1,5 mm. Il y a six trous dans les coins de la carte et au milieu des côtés longs, à travers lesquels la carte est vissée au dissipateur thermique. D'un côté de la carte, un transistor VT4 et une diode VD9 sont soudés avec des brides vers l'extérieur, et de l'autre, les pièces restantes sont installées. Pour réduire la taille de la carte, tous les éléments, à l'exception des condensateurs C8, C9, du microcircuit DD1, de la résistance R9, du transformateur et de l'optocoupleur, sont installés verticalement de manière à ce que leur hauteur maximale au-dessus de la carte ne dépasse pas 20 mm. Le radiateur est connecté au point commun des condensateurs C1 et C2. Dans ce cas, il est préférable de connecter l'alimentation à une prise de terre à trois broches. Ces mesures peuvent réduire considérablement le bruit émis par le convertisseur. Le dissipateur thermique du convertisseur est un support en forme de U de 95 mm de long, 60 mm de large et 30 mm de haut, plié en tôle d'aluminium d'une épaisseur d'au moins 2 mm. Le convertisseur est installé sur le "fond" de ce "creux" avec les brides métalliques des éléments VT4 et VD9 vers le bas et attiré avec des vis M0,05 à travers les trous de la carte. Les brides sont pré-isolées avec des joints thermoconducteurs, par exemple de Noma-con, Bergquist ou, dans les cas extrêmes, avec du mica de XNUMX mm d'épaisseur. Ainsi, structurellement, le transducteur est en quelque sorte dans un boîtier métallique qui le protège des chocs mécaniques. Pour augmenter la fiabilité, il est souhaitable de recouvrir la carte convertisseur de 2 à 3 couches de vernis pour éliminer la possibilité de panne à une humidité ambiante élevée. Si tous les éléments de la source d'alimentation sont en bon état, correctement fabriqués et connectés conformément au schéma, il n'est pas difficile à établir. Un oscilloscope est connecté en parallèle avec la résistance R10. Une alimentation de laboratoire, par exemple B9-5, avec un courant maximal ne dépassant pas 45 ... 15 mA est connectée au condensateur C17 dans la polarité appropriée, et la tension est lentement augmentée, à partir de zéro. À une tension de 9,5 ... 10,5 V, une tension d'unité logique est définie à la sortie du microcircuit DA1, l'oscillateur maître s'allume et des impulsions rectangulaires d'une fréquence d'environ 100 kHz et d'un rapport cyclique d'environ 2 doivent apparaître sur l'écran de l'oscilloscope (Fig. 2, a). De plus, la tension ne doit pas être augmentée, car à une valeur d'environ 13 V, la diode Zener VD1 peut s'ouvrir. Le courant consommé par l'unité de commande ne doit pas dépasser le maximum spécifié. Si nous réduisons maintenant la tension d'alimentation, à 7,2 ... 7,6 V, la génération disparaîtra. Cela signifie que l'unité de commande du convertisseur fonctionne correctement. Ensuite, une charge avec une résistance de 4 ... 5 Ohms et une puissance de 10 ... 15 W est connectée à la sortie du convertisseur, et une tension est fournie à l'entrée de la deuxième alimentation de laboratoire B5-49, et avec l'unité de commande en marche, la tension d'entrée commence à augmenter. Réglez-le d'abord à un niveau de 7 ... 10 V et vérifiez avec un oscilloscope que les enroulements du transformateur T1 sont correctement connectés. De plus, ils contrôlent la forme de la tension au drain du transistor VT4 (Fig. 2,d) et vérifient la tension à la sortie du convertisseur avec un voltmètre. Avec une tension d'entrée de 150 ... 170 V, la tension de sortie atteint 5 V et se stabilise. Après cela, l'alimentation de l'unité de contrôle est coupée et continue de fonctionner sur une entrée. Une nouvelle augmentation de la tension d'entrée devrait entraîner une diminution de la largeur de l'impulsion de commande (Fig. 2, a), qui devrait également être contrôlée sur la résistance R10. De plus, à une tension d'entrée de 200 V, le courant de charge est augmenté (mais pas plus de 7 A) et sa valeur est fixe, à laquelle la tension de sortie du convertisseur commence à diminuer. Si cela ne peut pas être fait à un courant allant jusqu'à 7 A, la résistance de la résistance R11 est augmentée. À la suite du réglage, sa valeur nominale doit être réglée de sorte qu'à un courant de charge de 6,5 ... 7 A et à la tension d'entrée minimale autorisée, la tension de sortie du convertisseur commence à diminuer. Ceci termine le réglage de l'alimentation. Si la qualité de l'enroulement du transformateur T1 est mauvaise, les «surtensions» de tension sur le transistor VT4 augmentent, ce qui peut provoquer un fonctionnement instable de l'alimentation et même une panne du transistor de commutation. Si vous avez besoin d'une source avec une tension de sortie différente, vous devez faire ce qui suit : changer la résistance des résistances R13, R14, étant donné que la tension de seuil de la puce DA2 est de 2,5 V ; évolution directement proportionnelle au nombre de spires et inversement proportionnelle à la section des conducteurs de l'enroulement III ; sélectionnez la diode VD9 et les condensateurs C15 - C17, C19 pour la tension appropriée ; installez une résistance R16 avec une résistance (en ohms) calculée selon la formule R16 = 100 (Uout - 4). Attention! Lors de la configuration et de l'utilisation du convertisseur, n'oubliez pas que ses éléments sont sous haute tension, potentiellement mortels. Soyez attentif et prudent ! Auteur : A. Mironov, Lyubertsy, région de Moscou
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