Технически университет – София,Филиал Пловдив

Токозахранващи устройства

Импулсен преобразувател 12V – 2x40V , 200W

с защита по ток с датчих на Хол

Студент: Георги Воденичаров Специалност: Електроника , ФЕАФак. Номер: 350558Група: 31а

Дата: 15.11.2010г Проверил: ............................. доц. Е. Динков

Съдържание:

I. Теоретична част.

II. Обяснение на приложената схема

III. Изчислителна Част

IV. Схема и печатна платка на захранването

V. Спецификация на елементите използвани в схемата.

VI. Използвана литература

VII. Datasheet на ключовите елементи използвани за схемата

1.Теоретична част

В токозахранващите устройства се използват главно три типа стабилизатори:

1. Линейни стабилизатори – те се използват главно в апаратури, в които отделянето на топлина и малкият коефициент на полезно действие не са от основно значение, както и в случаите, когато трябва бързо и евтино проектиране. В апаратурите с мрежово захранване токоизправителят с линеен стабилизатор осигурява галванично разделяне на уреда от мрежата. Изходните напрежения са винаги по-малки от входните. КПД на един линеен стабилизатор е между 35% - 50% . Загубите в него се отделят под формата на топлина.

2. Ключови стабилизатори с ШИМ – те имат по голям коефициент на полезно действие и са по-гъвкави от линейните стабилизатори. Използват се обикновенно в преносими апаратури, в портативни уреди, в мрежови токозахранващи устройства и навсякъде където е необходим голям коефициент на полезно действие и повече от едно стабилизирано напрежение. Теглото им е много по-малко от линейните стабилизатори, тъй като използват по-малки радиатори при същата изходна мощност. От друга страна те са по-скъпи и изискват повече време за разработка

3. Резонансни и квазирезинансни стабилизатори – те са разновидност на стабилизаторите с ШИМ, използват се когато са необходими особено малки размери и тегло и най-вече, когато се изисква ниско ниво на смущенията. Недостатъкът им е, че изискват най-голямо време за проектиране и са по-скъпи от другите два типа.

В промишлената апаратура приложението на линейните стабилизатори все повече намалява за сметка на ключовите стабилизатори с ШИМ. Основните предимства на импулсните захранвания с ШИМ са получаването на по-голяма мощност върху товара при по-малки размери и съответно по-голям КПД. Недостатъците са излъчването на по-големи радиочестотни смущения и по-сложното им проектиране.Действието на ключовите стабилизатори може да бъде разбрано сравнително лесно. За разлика от линейните стабилизатори, където мощният транзистор работи в линеен ражим, при ключовите стабилизатори тий има само две състояния – наситено и запушено. В всяко от тях върху транзистора се губи малка мощност (върху наситения транзистор мощността е произведение от малко напрежение и голям ток, а върху запушения – от голямо напрежение и малък ток). Това е вярно независимо от типа на транзистора.Тази по-ефективна работа на ключовите стабилизатори с ШИМ се постигачрез „накъсване” на постоянното входно напрежение на импулси с амплитуда, равна на стойността на напрежението и продължителност задавана от схемата за управление. Чрез трансформатор може да се увеличава или намалява амплитудата на тези правоъгълни импулси. Освен това може да се получат други по амплитуда напрежения чрез допълнително навиване на намотки на трансформатора. Получените правоъгълни импулси задължително се филтрират, в резултат на което се получават постоянни напрежения.Основното предназначени на схемата за управление е да поддържа неизменно изходното напрежение и действитео и е много подобно на съответната схема в един линеен стабилизатор. Тя съдържа същите градивни блокове – източник на опорно напрежение и усилвател на грешката. Различието се състои в това, че изходното напрежение на усилвателя на грешката, наречено напрежение на грешката, се подава на преобразувател (ШИМ – модулатор), който го превръща в широчинно модулирани импулси за управление на мощните ключове.

2. Обяснение на приложената схема

Основно в схемата е интегралната схема TL494 , която е една от схемите най-употребявана в фабричните импулсни захранвания.

Както се вижда от вътрешната структура на чипа, той съдържа основно два операционни усилвателя за грешка, вътрешен източник на опорно напрежение, вътрешен генератор на трионообразно напрежение и логически блок за управление на двата вградени Дарлингтон транзистора. Генератора на трионообразно напрежение осигурява 0-3V. Работната честота е допустимо да бъде в границите 1-300khz . Вградения източник на оппрно напрежение е типично 5V (4,7V – 5,2V) въху краче 14.Входните операционни усилватели както се вижда от блоковата

схема, техните изводи са свързани в схема „ИЛИ” , което означава, че въздействие върху останалата част от схемата има само този от тях, който е с по високо ниво в текущия момент.В схемата единия е използван за стабилизация на изходното напрежения , а другия за защитата по ток.Генерираните от интегралната схема правоъгълни импулси се подава на мощните транзистори Q1 и Q2, които накъсват захранващото напрежение с същатата честота и го подават на импулсния трансформатор. Двата транзистора работят противотактно. Подаденото напрежение към трансформатора се повишава до 2х40V , изправя се с шотки диодите , филтрира се от L1 , L2 , C1 , C2 , C3 , C4 , C5 , C6 . Дросела L3 , L4 служи за защитата по ток , която е реализирана с датчик на Хол (принципа на работа е описан в следващата глава) . Обратната връзка на схемата е реализирана с галванично разделяне с оптрон. При намаляне на изходното напрежение , намаля тока през оптрона , което се подава на ИС1 и води до увеличаване на широчината на импулсите и покачване на изходното напрежение и обратното. Галванично разделяне има и на масите на входа и изхода на схемата. Групата Т1, С12 , R16 , R17 служи за плавен старт на захранването при подаване на захранващо напрежение.Защитата по ток е релизирана чрез датчик на Хол и операционен усилвател , усилващ неговия сигнал. При увеличаване на тока на изхода, се намаля напрежението на изхода на датчика . При достигане определено ниво което се задава от тример , съответно и прага на сработване на защитата може да се настройва , ИС1 започва на да намаля широчината на импулсите, което води до понижаване на изходното напрежение и подържане на зададенич ток на защита.Използвано е отделно стабилизирано захранване за датчика на Хол и операционния усилвател.

3.Изчислителна Част

Честотата на генериране от TL494 се задава от външни R и C в случая R15 и С11Fosc = 1,1 / R15.C11 = 1,1 / 24kk.1nf = 46khz

За случая като тази схема Push-Pull Fout / Fosc = 0,5 => Fout= 23khz

За задаване на еталонни напрежения на единия от входовете на вътрешните операционни усилватели на ИС1 се използват делителите R11,R10 и R12,R13 . Тъй като напрежението на Vref =5V използваме равни резистори 10кк за получаването на 2,5v съответно за входовете на ОУ – краче 2 и 16.

Захранването на ИС1 е нестабилизирано, равно на входното захранващо напрежение. Чрез R9=22om и С9 , С8 е изграден RC филтър за захранването на TL494. Кондензаторите са максимално близо до крачетата на ИС1.

Чрез T1, C12 , R16 , R17 , SL2 e изградена верига за „мек старт” на устройството по външен сигнал. Когато към този вход на схемата няма подадено напрежение, захранването е в режим на изчакване и в неговия изход няма намрежение. Консумацията в този режим 14ма при 12V –> 0,17WПри подаване към този вход положително напрежение от +5V до +12V , напрежението на изхода започва плавно да се покачва до номиналната си стойност. Ако няма нужда от външно управление се поставя джъмпър на мястото на входа и плавния старт се задейства с подаване на захранващо напрежение на схемата. Като вариант е използването на термореле с нормално затворен контакт на входа за външно управляние. Така се постига температурна защита на крайните транзистори. При повишаване температурата на релето , то отваря своите контакти и схемата спира да работи.

За драйверни транзистори са използвани N-chanel , MOSFET . При условие че в изхода трябва да се получат 80V . 2A = 160W , на входа ще имаме > 20 A . Затова избираме IRFP150N който имат пиков ток 42А , максимално напрежение 100V и Rds = 0,0036 ом.Като товар на драйверните транзистори са включени резисторите R1 и R2 .

Импулсният трансформатор е навит върху феритен магнитопровод съставен от три пръстена с външен диаметър 45мм, вътрешен диаметър 26мм и височина 8мм. Първичната намотка се състои от 4 навивки, изработени от 7 паралелно свързани проводника със сечение 0,64мм. От средата на намотката (след втората навивка) е изведен средният извод. Вторичната намотка съдържа 18 навивки, изработени от 4 паралелно свързани проводника със сечение о,64мм, като средният извод е след 9-тата навивка.

Дроселът L1 е навит върху феритно пръстенче с външен диаметър 20мм, вътрешен диаметъе 14мм и височина 7мм. Съдържа 30 навивки от 2 паралелно свързани проводника 0,64мм. L3 и L4 са навити бифилярно на пръстенчето. Стойноста им е по 470uH .

Впредвид изходното напрежение и изходния ток избираме за D1,2,3,4 шотки диоди 2д213 с параметри 100V / 10A. За филтрация на изходното напрежение C3,4,5,6 с стойност 2200uf/63V.

Като товар на празен ход се използват резисторите R3,R4 . Тяхната стойност е 10кк , като консумират 40V/10kk = 4ma , 4ma . 40V = 0.16W . Избираме резистори 0.25W.

За индикация на напрежение на изхода се изпозват светодиодите LED1,2.R5=R6= (40V-2V) / 18ma = 2,2 kk , Мощността на R5,R6 = 18ma.38V = 0,68W избираме R5,R6=2,2kk / 1W

Обратната връзка по напрежение е реализирана с R7 , D5 , D6 и оптрона OK1.Чрез сумарната стойност на ценеровите диоди D6 и D5 се задава стойността на изходното напрежение. В случая избираме D6=D5=39V . Изходнотo напрежение ще е 2.39 + 2 = 80V = 2x40VЧрез R7 се ограничава тока през ценеровите диоди.

Кондензаторите C18 и C16 са филтрови за схемата със стойности 2200uf и 100nf.

За защитата по ток използваме датчика на Хол - HS1 . Представлява магнитнорезестивен мост , който при попадане в магнитно поле намалява своето напрежение на изхода. Използва се феритно пръстенче с процеп в единия си край в който е залепен датчика на Хол. Върху пръстенчето са навити по 20 намотки за L3 и L4 с 2 паралелно свързани проводника с диаметър 0,64мм.Намотките са навити бифиялярно така че в датчика да се индуцира напрежение порпорционално на сумарния ток в изхода. Тъй като изходния сигнал е твърде малък се усилва чрез операционния усилвател IC3 . Taка на изхода му имаме 150mv/ А . Изходнотo напрежение на ОУ , респективно на входа на IC1 се регулира от R22 . Така на практика може да се задава прага на сработване на защитата. При релизирането на захранването изхода на IC3 беше установен на празен ход на 3,1V.Taka при протичане на ток на изхода по-голям от 4А , напрежението на входа на ОУ на ИС1 , ще падне под 2,5V , което ще е по-малко от зададеното на другия му вход 2,5V , и ще се намалят широчината на импулсите , което води до намаляне на изходното напрежение в схемата и подържане на зададеният ток.

За захранване на IC3 и датчика на Хол се използава инегралния стабилизатор IC2 7805 L – 5V/100ma. , като за филтриране на напрежението се използват C15, C14 , C13.

Консумацията на захранването с Stand By режим е 0,17W.На празен ход 0,25А .12V = 3W , от които 1,7W се консумират в изхода от светодиодите и товарните съпротивления.

Разположение на елементите на печатната платка:

Печатна платка на захранването:

Наситена и тествана платка:

Списък на елементитеОзначени

е в схемата

Наименование и означение .КолЗабележк

а

IC1 TL494CN 1 DIP16

IC2 LM78L05 1

IC3 LM358N 1 DIP8

Q1, Q2 IRFP150N/N-chanel MOSFET/100V/42A/Rds=0,036 2

T1 BC550/NPN/45V/100ma 1

OK1 4Оптрон N35 1

D1-D4 2D213A/200V/10A 4

D5-D6 /Ценеров диод 39V/0.5W 2

LED1,2 LED/green/smd 1206/20ma 2

HS1 Hall sensor KMZ10B 1

C1,C2,C16 100nF/250V/WIMA 3 керамичен

C3,C4,C5,C6 2200uF/63V 4 електролитен

C7,C8,C10 100nF/63V 3 керамичен

C9 470ua/16V 1 електролитен

C11 1nf/63V 1 керамичен

C12,C15 10uf/25V 2 електролитен

C13,C14 100nF/63V 2 керамичен

C17 2200uf/25V 1 електролитен

R1,R2 150Ω/0,125W 2 -металослоен

R3,R4 10kΩ/0,25W 2 -металослоен

R5,R6 10kΩ/1W 2 -металослоен

R7 510Ω/0,25W 1 -металослоен

. Отг отдел Техническасправка

Вид на документа Статус на документа

Разработил , Наименование.доп наименование

Одобрил Из.м

Дата на .изд

Език Лист

Списък на елементитеОзначени

е в схемата

Наименование и означение .КолЗабележк

а

R8 1kΩ/0,25W 1 -металослоен

R9 22Ω/0,25W 1 -металослоен

R10,R11,R12,R13 10kΩ/0,25W 4 -метало

слоен

R14 51kΩ/0,25W 1 -металослоен

R15 24kΩ/0,25W 1 -металослоен

R16,R17 10kΩ/0,25W 2 -металослоен

R18 24kΩ/0,25w 1 -металослоен

R19 2,2kΩ/0,25w 1 -металослоен

R20 470kΩ/0,25w 1 -металослоен

R21 22kΩ/0,25w 1 -металослоен

R22 100Тример к 1

IC1’ , 16Цокъл цангов pin 1

IC2’ , Цокъл цангов 8pin 1

IC3’ , Цокъл цангов 6pin 1

TR1 Импулсен трансформатор 1

DR1 2 470Дросел х uH/2A 1

X1 2Лустерклема pin 1

X2 Лустерклема за PCB 3монтаж pin 1

SL1 Конектор за PCB 3монтаж pin 1

SL2 Рейка за PCB 2монтаж pin 1

. Отг отдел Техническасправка

Вид на документа Статус на документа

Разработил , Наименование.доп наименование

Одобрил Из.м

Дата на .изд

Език Лист

Използвана литература:1. Наръчник „Токозахранващи устройства” , Марти Браун , издателство „Техника” 1998

2. Токозахранващи устройства , Мартин Игнатов, Атанас Маноилов, Васко Лясков, издателство „Техника”