Projekt obwodu zasilania 12V 1a za pomocą viper22a

Obwody zasilacza impulsowego (SMPS) są najczęściej wymagane w wielu konstrukcjach elektronicznych do konwersji napięcia sieciowego AC na odpowiedni poziom napięcia DC do działania urządzenia. Ten typ przemienników AC-DC pobiera napięcie sieciowe 230V / 110V AC jako wejście i zamienia je na napięcie prądu stałego niskiego poziomu poprzez jego przełączanie, stąd nazwa zasilacz impulsowy. Zbudowaliśmy już kilka obwodów SMPS wcześniej, takich jak ten obwód SMPS 5 V 2 A i obwód SMPS 12 V 1 A TNY268. Zbudowaliśmy nawet własny transformator SMPS, który można wykorzystać w naszych projektach SMPS wraz z układem scalonym sterownika. W tym projekcie zbudujemy kolejny obwód SMPS 12 V 1 A przy użyciu VIPer22A, który jest popularnym i niedrogim układem scalonym sterownika SMPS firmy STMicroelectronics. Ten samouczek poprowadzi Cię przez cały obwód, a także wyjaśnijak zbudować własny transformator do obwodu VIPER. Ciekawe prawda, zacznijmy.

Specyfikacje projektu zasilacza VIPer22A

Podobnie jak w przypadku poprzedniego projektu opartego na SMPS, różne rodzaje zasilaczy działają w różnych środowiskach i działają w określonych granicach wejścia-wyjścia. Ten SMPS również ma specyfikację. Dlatego przed przystąpieniem do właściwego projektowania należy przeprowadzić odpowiednią analizę specyfikacji.

Specyfikacja wejściowa: będzie to SMPS w domenie konwersji AC na DC. Dlatego wejście będzie AC. W tym projekcie napięcie wejściowe jest stałe. Jest zgodne z europejskim standardem napięcia. Zatem napięcie wejściowe AC tego zasilacza sieciowego będzie wynosić 220-240VAC. Jest to również standardowa wartość napięcia w Indiach.

Specyfikacja wyjścia: napięcie wyjściowe jest wybierane jako 12 V przy 1 A prądu znamionowego. Zatem będzie to 12W mocy wyjściowej. Ponieważ ten SMPS zapewni stałe napięcie niezależnie od prądu obciążenia, będzie działał w trybie CV (Constant Voltage). Ponadto napięcie wyjściowe będzie stałe i stabilne przy najniższym napięciu wejściowym i maksymalnym obciążeniu (2 A) na wyjściu.

Napięcie tętnienia wyjściowego: Jest wysoce pożądane, aby dobry zasilacz miał napięcie tętnienia mniejsze niż 30 mV pk-pk. Docelowe napięcie tętnienia jest takie samo dla tego zasilacza impulsowego, mniejsze niż tętnienie pk-pk 30 mV. Jednak tętnienia wyjściowe SMPS są w dużym stopniu zależne od konstrukcji SMPS, zastosowanej płytki drukowanej i rodzaju kondensatora. Użyliśmy kondensatora o niskim ESR o wartości 105 stopni firmy Wurth Electronics, a oczekiwane tętnienia wyjściowe wydają się poniżej.

Obwody ochronne: Istnieją różne obwody ochronne, które można zastosować w SMPS w celu zapewnienia bezpiecznej i niezawodnej pracy. Obwód ochronny chroni SMPS, a także związane z nim obciążenie. W zależności od typu obwód ochronny można podłączyć na wejściu lub na wyjściu. W przypadku tego zasilacza sieciowego będzie stosowana ochrona przeciwprzepięciowa przy maksymalnym roboczym napięciu wejściowym 275 VAC. Ponadto, aby poradzić sobie z problemami z EMI, zostanie użyty filtr trybu wspólnego do wygaszenia generowanego EMI. Po stronie wyjścia uwzględnimy zabezpieczenia przed zwarciem, przepięciem i przetężeniem.

Wybór układu scalonego sterownika SMPS

Każdy obwód SMPS wymaga układu scalonego zarządzania energią, znanego również jako układ przełączający lub układ scalony SMPS lub układ osuszacza. Podsumujmy rozważania projektowe, aby wybrać idealny układ zarządzania energią, który będzie odpowiedni dla naszego projektu. Nasze wymagania projektowe to

1. Moc wyjściowa 12 W. 12 V 1 A przy pełnym obciążeniu.
2. Europejskie standardy wejściowe. 85-265 VAC przy 50 Hz
3. Ochrona przeciwprzepięciowa na wejściu. Maksymalne napięcie wejściowe 275VAC.
4. Zabezpieczenie przed zwarciem, przepięciem i przepięciem na wyjściu.
5. Operacje na stałym napięciu.

Spośród powyższych wymagań do wyboru jest szeroka gama układów scalonych, ale do tego projektu wybraliśmy sterownik mocy VIPer22A firmy STMicroelectronics. Jest to bardzo tani układ scalony sterownika mocy firmy STMicroelectronics.

Na powyższym obrazku pokazano typową moc znamionową układu VIPer22A. Jednak nie ma określonej sekcji dla specyfikacji mocy wyjściowej typu otwartej ramki lub adaptera. Zrobimy SMPS w otwartej ramce i dla europejskiej oceny wejściowej. W takim segmencie VIPer22A mógłby dostarczyć 20W mocy wyjściowej. Użyjemy go do wyjścia 12W. Pinout VIPer22A IC podano w poniższej obrazu.

Projektowanie obwodu zasilania VIPer22A

Najlepszym sposobem na zbudowanie obwodu jest użycie oprogramowania Power Supply Design. Aby korzystać z VIPer22A, możesz pobrać oprogramowanie VIPer Design w wersji 2.24, najnowsza wersja tego oprogramowania nie obsługuje już VIPer22A. Jest to doskonałe oprogramowanie do projektowania zasilaczy firmy STMicroelectronics. Dostarczając informacje o wymaganiach projektowych, można wygenerować kompletny schemat obwodu zasilania. Obwód VIPer22A dla tego projektu generowany przez oprogramowanie jest pokazany poniżej

Zanim przejdziemy bezpośrednio do budowy części prototypowej, przyjrzyjmy się działaniu obwodów elektrycznych. Obwód ma następujące sekcje -

1. Ochrona przed przepięciami wejściowymi i awariami SMPS
2. Filtr wejściowy
3. Konwersja AC-DC
4. Obwód sterownika lub obwód przełączający
5. Obwód zaciskowy.
6. Magnetyczność i izolacja galwaniczna.
7. Filtr EMI
8. Wtórny prostownik
9. Sekcja filtrów
10. Sekcja opinii.

Ochrona przed przepięciami wejściowymi i awariami SMPS

Ta sekcja składa się z dwóch komponentów, F1 i RV1. F1 to bezpiecznik zwłoczny 1 A 250 VAC, a RV1 to 7 mm 275 V MOV (warystor metalowo-tlenkowy). Podczas przepięcia wysokiego napięcia (ponad 275 VAC), MOV uległo zwarciu i przepaliło bezpiecznik wejściowy. Jednak ze względu na funkcję powolnego przepalania bezpiecznik wytrzymuje prąd rozruchowy przepływający przez SMPS.

Filtr wejściowy

Kondensator C3 to kondensator filtrujący liniowy 250 VAC. Jest to kondensator typu X podobny do tego, którego użyliśmy w naszym projekcie obwodu zasilania bez transformatora.

Konwersja AC-DC.

Konwersja AC DC odbywa się za pomocą diody prostowniczej DB107 z pełnym mostkiem. Jest to dioda prostownicza o napięciu znamionowym 1000 V 1 A. Filtrowanie odbywa się za pomocą kondensatora 22uF 400V. Jednak podczas tego prototypu zastosowaliśmy bardzo dużą wartość kondensatora. Zamiast 22uF zastosowaliśmy kondensator 82uF ze względu na dostępność kondensatora. Kondensator o tak dużej wartości nie jest wymagany do działania obwodu. 22uF 400V jest wystarczające dla mocy wyjściowej 12W.

Obwód sterownika lub obwód przełączający.

VIPer22A wymaga zasilania z uzwojenia polaryzacji transformatora. Po uzyskaniu napięcia polaryzacji VIPer zaczyna przełączać transformator za pomocą wbudowanego mosfetu wysokiego napięcia. D3 jest używany do przekształcania wyjścia polaryzacji AC na prąd stały, a rezystor R1, 10 Ohm jest używany do sterowania prądem rozruchowym. Kondensator filtru to 4,7 uF 50 V do wygładzania tętnień prądu stałego.

Obwód zaciskowy

Transformator działa jako ogromna cewka indukcyjna w sterowniku mocy IC VIPer22. Dlatego podczas cyklu wyłączania transformator wytwarza wysokie skoki napięcia ze względu na indukcyjność rozproszenia transformatora. Te skoki napięcia o wysokiej częstotliwości są szkodliwe dla układu scalonego sterownika mocy i mogą spowodować uszkodzenie obwodu przełączającego. Dlatego należy to stłumić za pomocą zacisku diody na transformatorze. D1 i D2 są używane w obwodzie cęgowym. D1 to dioda TVS, a D2 to ultraszybka dioda przywracania. D1 służy do blokowania napięcia, a D2 służy jako dioda blokująca. Zgodnie z projektem, docelowe napięcie zaciskania (VCLAMP) wynosi 200 V. Dlatego P6KE200A jest wybrany, aw przypadku problemów związanych z ultraszybkim blokowaniem jako D2 wybrano UF4007.

Magnetyczność i izolacja galwaniczna.

Transformator jest transformatorem ferromagnetycznym i nie tylko przekształca wysokie napięcie AC na niskie napięcie AC, ale także zapewnia izolację galwaniczną. Ma trzy zamówienia. Uzwojenie pierwotne, pomocnicze lub bias i uzwojenie wtórne.

Filtr EMI.

Filtrowanie EMI jest wykonywane przez kondensator C4. Zwiększa odporność obwodu, zmniejszając wysokie zakłócenia EMI. Jest to kondensator klasy Y o napięciu znamionowym 2 kV.

Wtórny prostownik i obwód tłumika.

Sygnał wyjściowy z transformatora jest prostowany i konwertowany na prąd stały za pomocą D6, diody prostowniczej Schottky'ego. Ponieważ prąd wyjściowy wynosi 2A, do tego celu wybrana jest dioda 3A 60V. SB360 to dioda Schottky'ego 3 A 60 V.

Sekcja filtrów.

C6 to kondensator filtra. Jest to kondensator o niskiej wartości ESR dla lepszego tłumienia tętnień. Zastosowano również końcowy filtr LC, w którym L2 i C7 zapewniają lepsze tłumienie tętnień na wyjściu.

Sekcja opinii.

Napięcie wyjściowe jest wykrywane przez U3 TL431 oraz R6 i R7. Po wykryciu linii U2, transoptor jest sterowany i galwanicznie izoluje wtórną część wykrywającą sprzężenie zwrotne ze sterownikiem po stronie pierwotnej. PC817 jest Transoptor. Ma dwie strony, tranzystor i diodę LED w środku. Poprzez sterowanie diodą LED tranzystor jest kontrolowany. Ponieważ komunikacja odbywa się optycznie, nie ma bezpośredniego połączenia elektrycznego, dzięki czemu spełnia również izolację galwaniczną w obwodzie sprzężenia zwrotnego.

Teraz, gdy dioda LED bezpośrednio steruje tranzystorem, zapewniając wystarczające obciążenie w diodzie LED transoptora, można sterować tranzystorem transoptora, a dokładniej obwodem sterownika. Ten system sterowania jest używany przez TL431. Regulator bocznikowy. Ponieważ regulator bocznikowy ma dzielnik rezystora na swoim pinie odniesienia, może sterować diodą LED transoptora, która jest podłączona do niego. Pin sprzężenia zwrotnego ma napięcie odniesienia 2,5 V.. Dlatego TL431 może być aktywny tylko wtedy, gdy napięcie na dzielniku jest wystarczające. W naszym przypadku dzielnik napięcia jest ustawiony na 5V. Dlatego, gdy wyjście osiągnie 5 V, TL431 otrzyma 2,5 V na pinie odniesienia, a tym samym aktywuje diodę LED transoptora, która steruje tranzystorem transoptora i pośrednio steruje TNY268PN. Jeśli napięcie na wyjściu jest niewystarczające, cykl przełączania jest natychmiast zawieszany.

Najpierw TNY268PN aktywuje pierwszy cykl przełączania, a następnie wykrywa swój pin EN. Jeśli wszystko jest w porządku, przełączanie będzie kontynuowane, jeśli nie, po pewnym czasie spróbuje ponownie. Ta pętla jest kontynuowana, aż wszystko wróci do normy, zapobiegając w ten sposób problemom ze zwarciem lub przepięciem. Dlatego nazywa się to topologią flyback, ponieważ napięcie wyjściowe jest przesyłane z powrotem do sterownika w celu wykrycia powiązanych operacji. Ponadto pętla próbująca nazywana jest trybem czkawki działania w warunkach awarii.

Budowa transformatora przełączającego dla obwodu VIPER22ASMPS

Zobaczmy wygenerowany schemat budowy transformatora. Ten schemat pochodzi z oprogramowania do projektowania zasilaczy, które omówiliśmy wcześniej.

Rdzeń to E25 / 13/7 ze szczeliną powietrzną 0,36 mm. Pierwotna indukcyjność wynosi 1mH. Do budowy tego transformatora potrzebne są następujące rzeczy. Jeśli nie masz doświadczenia w budowie transformatorów, przeczytaj artykuł o tym, jak zbudować własny transformator SMPS.

1. Taśma poliestrowa
2. E25 / 13/7 Pary rdzenia ze szczeliną powietrzną 0,36 mm.
3. Drut miedziany 30 AWG
4. Przewód miedziany 43 AWG (użyliśmy 36 AWG z powodu niedostępności)
5. 23 AWG (w tym też użyliśmy 36 AWG)
6. Szpulka pozioma lub pionowa (użyliśmy szpulki poziomej)
7. Długopis do trzymania szpulki podczas nawijania.

Krok 1: Przytrzymaj rdzeń za pomocą długopisu, rozpocznij drut miedziany 30 AWG od trzpienia 3 szpulki i kontynuuj 133 obroty zgodnie z ruchem wskazówek zegara do trzpienia 1. Nałóż 3 warstwy taśmy poliestrowej.

Krok 2: Rozpocznij uzwojenie polaryzacyjne za pomocą drutu miedzianego 43 AWG ze styku 4 i kontynuuj do 31 zwojów i zakończ uzwojenie na styku 5. Nałóż 3 warstwy taśmy poliestrowej.

Rozpocznij uzwojenie polaryzacyjne za pomocą drutu miedzianego 43 AWG ze styku 4 i kontynuuj do 31 zwojów i zakończ uzwojenie na styku 5. Nałóż 3 warstwy taśmy poliestrowej.

Krok 3: Rozpocznij uzwojenie wtórne od pinu 10 i kontynuuj nawijanie 21 zwojów w prawo. Nałożyć 4 warstwy taśmy poliestrowej.

Krok 4: Zabezpiecz luźny rdzeń owijając się taśmą klejącą obok siebie. Zmniejszy to wibracje podczas przenoszenia strumienia o dużej gęstości.

Po zakończeniu budowy transformator jest testowany miernikiem LCR w celu zmierzenia wartości indukcyjności cewek. Miernik pokazuje 913 mH, co jest zbliżone do pierwotnej indukcyjności 1 mH.

Budowa obwodu VIPer22A SMPS:

Po zweryfikowaniu mocy znamionowej transformatora możemy przystąpić do lutowania wszystkich elementów na płytce Vero zgodnie ze schematem obwodu. Moja płyta po wykonaniu lutowania wyglądała jak poniżej

Testowanie obwodu VIPer22A dla SMPS 12V 1A:

Aby przetestować obwód, podłączyłem stronę wejściową do zasilania sieciowego poprzez VARIAC, aby kontrolować wejściowe napięcie sieciowe AC. Na poniższym obrazku pokazano napięcie wyjściowe przy 225VAC.

Jak widać po stronie wyjściowej otrzymujemy 12,12 V, co jest zbliżone do pożądanego napięcia wyjściowego 12V. Cała praca jest pokazana na filmie dołączonym na dole tej strony. Mam nadzieję, że zrozumiałeś samouczek i nauczyłeś się, jak budować własne obwody SMPS z ręcznie robionym transformatorem. Jeśli masz jakieś pytania, zostaw je w sekcji komentarzy poniżej.