Transkript

1 Sí ový spínaný napájecí zdroj Ing. Josef Jansa, Jaroslav Klátil OK2JI Tento pøíspìvek se zabývá ovìøením funkce obvodu øady LinkSwitchO ve spojení s transformátorem na jádøe KOOL Mµ. Dosud publikované jednoduché spínané napájecí zdroje, vhodné i pro amatérskou konstrukci, pracují vìtšinou jako mìnièe DC/DC s relativnì nízkým vstupním stejnosmìrným napìtím (nejvýše desítky voltù). Mají-li tedy pracovat jako sí ové zdroje, neobejdou se bez klasického sí ového transformátoru, který je zároveò bezpeènostním prvkem zdroje. Samozøejmì není problém nalézt i celou øadu zapojení zpracovávajících pøímo usmìrnìné sí ové napìtí. Ty jsou však vesmìs pomìrnì složitá a zejména navíjecí pøedpis transformátoru na skládaných feritových jádrech pøípadného zájemce od vlastní realizace spolehlivì odradí. Tuto situaci mohou zmìnit integrované obvody øady LinkSwitchO firmy Power Integrations, které obsahují prakticky veškeré aktivní prvky jednoduchého izolaèního akumulaèního (blokujícího) mìnièe s výkonem nìkolika W, napájeného pøímo usmìrnìným sí ovým napìtím. Relativnì jednoduchý transformátor na skládaném mezerovém feritovém jádru lze navíc dále zjednodušit použitím moderních slitinových toroidù. Popis zapojení Pro ovìøení funkce byl vybrán obvod typu LNK501P, s nímž lze realizovat velmi malé, levné a provoznì úsporné spínané napájecí zdroje s charakteristikou CV/CC (konstantní napìtí/konstantní proud). Jsou podle výrobce vhodné zejména jako nabíjeèky akumulátorù a sí ové napájeèe mobilních telefonù, MP3 pøehrávaèù, digitálních fotoaparátù, PDA, pøijímaèù GPS apod. V malém pouzdøe DIP8 jsou integrovány veškeré øídicí, regulaèní a ochranné obvody a rovnìž vn spínací MOSFET. Rozmìry pouzdra samozøejmì limitují dosažitelný výkon spínaného zdroje - asi 3 W, jsou však pro danou oblast použití plnì dostaèující. Nemá smysl uvádìt podrobné detaily a technické parametry obvodu, nebo je lze vèetnì aplikaèních doporuèení nalézt na [1]. Tedy jen struèný pøehled: - rozsah vstupních st napìtí 85 až 265 V; - výstupní výkon až 3 W, - spotøeba naprázdno pod 300 mw; - úèinnost 70 až 75 %; - pevný pracovní kmitoèet 42 khz; - výstupní charakteristika CV/CC; - integrovaná tepelná ochrana; - transformátor má jen dvì vinutí. Vlastnosti obvodu byly ovìøeny v zapojení podle obr. 1, které je prakticky totožné s doporuèením výrobce. Pøedstavuje zdroj 5,5 V/500 ma s charakteristikou CV/CC. Je vhodný napø. jako sí ový zdroj èi nabíjeèka zaøízení napájeného ètyømi NiCd/NiMH akumulátory. Hodnoty a typ souèástek (viz rozpiska) není bez dùkladného prostudování podkladù výrobce radno mìnit. Deska s plošnými spoji je na obr. 2 a 3 a fotografie vzorku na obr. 4. Transformátor Klíèovou souèástkou mìnièe je transformátor, který musí splòovat øadu parametrù: - malá rozptylová indukènost (výrobce doporuèuje pod 50 µh); - úzká tolerance primární indukènosti (platí zejména pro sériovou výrobu); - schopnost pøenést na pracovní frekvenci potøebný výkon s minimálními ztrátami v jádøe i ve vinutí; - co nejmenší rozmìry; - dostateèná izolace primár/sekundár (st napìtí nejménì 2500 V). Výrobce doporuèuje pro realizaci transformátoru feritové jádro EE13 s A L konstantou 190 nh/z 2, èemuž odpovídá u jader z bìžných výkonových feritù vzduchová mezera 0,08 mm. Pøi toleranci indukènosti ±10 % a dostateènì úzké toleranci hodnot ostatních souèástek je pøitom v sériové produkci zaruèena poloha bodu maximálního výkonu, tj. bodu pøechodu charakteristiky CV do oblasti CC, s vyhovující pøesností ±20 %. Konstrukce transformátoru s mezerovým skládaným jádrem s sebou však nese jistá úskalí. Jde zejména o to, že vzduchové mezery (zejména hlavní na støedním sloupku, ale i zbytkové na styèných plochách) zpùsobují vyfukování magnetického toku mimo jádro. Kromì prostorem se šíøícího rušení tak mùže pøíliš jednoduše realizovaný transformátor ovlivòovat souèástky ve svém okolí a tím i správnou èinnost zdroje. Tomuto problému se obvykle èelí pomocným stínicím vinutím a obalením sestaveného transformátoru uzemnìnou mìdìnou páskou. Pøi sériové automatizované výrobì není výroba takového transformátoru jistì problém, pro kusovou výrobu však ponìkud ano. Protože je navíc dostupnost skládaných mezerových jader z materiálu typu H21 (N27) èi lépe H24 (N67) a kostøièek k nim u nás mírnì øeèeno problematická, byl místo doporuèeného jádra EE13 použit toroid z materiálu KOOL Mµ [2] s podobnými magnetickými rozmìry. U toroidu sice do znaèné míry odpadají problémy se vzduchovou mezerou a rušením, zabezpeèit izolaèní bezpeènost transformátoru je však ponìkud složitìjší. Na malém jádøe totiž není pro strojní bandáž dostatek místa a ruèní navíjení izolaèní pás- Obr. 1. Schéma zapojení Obr. 4. Fotografie zdroje Obr. 2. Deska s plošnými spoji zdroje Obr. 3. Rozmístìní souèástek zdroje 22 Praktická elektronika A Radio - 09/2006

2 Obr. 5. Výstupní charakteristika zdroje ky je pøece jen nepraktické. Proto byl na sekundární vinutí použit vodiè typu TEX se zaruèovanými izolaèními vlastnostmi, které umožní vinout toroidní transformátor bez dodateèné izolaèní vrstvy mezi vinutími. Spolu s plným zalitím jádra tak lze bez problému dosáhnout požadovanou bezpeènost. Realizovaný transformátor (viz rozpiska) splnil požadavky na nìj kladené dokonale: - rozptylová indukènost 36 µh; - tolerance primární indukènosti v øádu jednotek procent; - i pøi trvalé práci v oblasti maximálního výkonu jen nepatrné oteplení; - zastavìná plocha srovnatelná s transformátorem na jádøe EE13; - izolaèní (st napìtí) odolnost 4000 V. Namìøené hodnoty Výstupní charakteristika zdroje na obr. 5 prozrazuje, že bylo dosaženo maximálního výkonu 2,88 W (do grafu je vynesena hyperbola tohoto výkonu), tedy praktické shody s 2,75 W udávanými výrobcem. Ze sklonu oblasti CV lze odhadnout výstupní odpor zdroje na asi 2 Ω, pøièemž z typické charakteristiky uvedené výrobcem lze usoudit na hodnotu vyšší než 3 Ω. Zda jde o vliv rozptylu parametrù obvodù LNK501P èi o pøíznivý vliv použitého transformátoru však zjiš ováno nebylo. Obr. 6 ukazuje oscilogram výstupního napìtí v blízkosti maximálního výkonu. Je z nìj dobøe patrné pro akumulaèní mìniè typické pilové zvlnìní s amplitudou zhruba 120 mv. Pro funkci nabíjeèe akumulátorù je tento prùbìh zcela vyhovující, pro napájení citlivých zaøízení by bylo vhodné zaøadit výstupní LC filtr. Pozn.: Pøi tomto mìøení je nutné dbát na co nejkratší uzemnìní hrotu osciloskopu. V opaèném pøípadì se do vzniklé smyèky naindukují rušivé impulsy, vznikající pøi spínání MOSFET - pøíklad téhož mìøení s bìžným zemnicím kablíkem délky asi 5 cm (viz obr. 7). V jednom bodì výstupní charakteristiky, a to zhruba uprostøed oblasti CV, byl závìrem zbìžnì ovìøen výrobcem udávaný rozsah vstupních napìtí. Pøi napájení mìnièe z 85 V pøitom nebyla ve srovnání s napájením z 220 V zaznamenána prakticky žádná zmìna výstupního napìtí. Zapojení s LNK501P je tedy bez jakékoliv zmìny - samozøejmì vyjma provedení sí ové zástrèky - univerzálnì použitelné kdekoliv na svìtì. Obr. 6. Oscilogram výstupního napìtí v blízkosti maximálního výkonu Zapojení s dodateènou stabilizací výstupního napìtí Výrobce ve svých doporuèeních zmiòuje možnost doplnit mìniè velmi jednoduchou dodateènou stabilizací výstupního napìtí, jejímž úkolem je vylepšit prùbìh výstupní charakteristiky v oblasti CV a rovnìž zajistit zúžení tolerance výstupního napìtí pøi sériové výrobì. Tato možnost byla provìøena v zapojení podle obr. 8, které pøedstavuje stabilizovaný zdroj 13,8 V/230 ma doplnìný LC filtrem výstupního napìtí. (Stabilizaci zajiš- uje optoèlen IO2, opøený o trimrem P1 nastavitelnou referenci IO3.) Oproti zapojení z obr. 1 byl použit transformátor s mírnì zvìtšenou primární indukèností, což se projevilo zvýšením maximálního výkonu na asi 3,3 W. (Upozornìní pro další zvìtšování primární indukènosti a tím i výkonu: výrobce nedoporuèuje pøekroèit asi 3,5 W). Pøi oživování mìnièe je vhodné dodateènou stabilizaci doèasnì vyøadit, tedy napø. neosadit IO2 - stabilizaèní zpìtná vazba se neuplatní a zdroj se bude chovat jako varianta z obr. 1. Po ovìøení správné funkce mìnièe lze IO2 osadit a trimrem P1 nastavit požadované výstupní napìtí. Obr. 9 zachycuje jak charakteristiku zdroje bez dodateèné stabilizace, tak i se stabilizací nastavenou na koncové napìtí 13,8 V a na støední napìtí 12 V. Je zøejmé, že tato stabilizace snižuje sklon CV oblasti charakteristiky asi na polovinu. Vìtším pøínosem je však možnost regulace výstupního napìtí v pøekvapivì širokých mezích, pøièemž nejvyšší dosažitelný výstupní proud klouže po hyperbole maximálního výkonu. Na oblast CC však nemá dodateèná stabilizace podle oèekávání témìø žádný vliv - po zmenšení zatìžovacího odporu pod pøíslušný max. výkon všechny tøi charakteristiky prakticky splývají. Tento mìniè je použitelný jako sí ový zdroj èi nabíjeèka s nastavitelným výstupním napìtím pro zaøízení napájená z malých hermetických 12 V olovìných akumulátorù èi osmi až deseti akumulátorù NiCd/NiMH. Lze ji použít též jako zimní kondicioner autobaterií (trvale pøipojená nabíjeèka s malým proudem a definovaným koncovým napìtím). Díky kvalitnímu výstupnímu filtru je zvlnìní jeho výstupního napìtí velmi malé - viz obr. 10. Na obr. 11 je fotografie hotového výrobku, na Obr. 7. Pøíklad mìøení s bìžným zemnicím kablíkem délky asi 5 cm obr. 12 a 13 pak deska s plošnými spoji a rozmístìní souèástek. Rušení Zajímavým testem, který popisovaný mìniè s LNK501P na závìr podstoupil, byla praktická zkouška rušení radiových pøijímaèù, tedy citlivého místa každého spínaného zdroje. V dobøe vybaveném ham-shacku OK2JI pøitom bylo zjištìno: - Je vhodné zvìtšit hodnoty filtraèních kondenzátorù C1 a C2, nebo do výstupu proniká zejména pøi vìtším proudovém odbìru zbytkové zvlnìní 100 Hz, viditelné i na osciloskopu. - Mìniè je zdrojem vf rušení šíøícího se zejména sí ovým pøívodem. S kmitoètem sice hladina rušení klesá, v tìsné blízkosti pøijímací antény jej však lze zachytit ještì v pásmu 144 MHz. Toto rušení lze citelnì potlaèit již pouhým pøipojením svitkového kondenzátoru pøímo ke vstupním svorkám S1. - Samotná deska mìnièe vyzaøuje podstatnì ménì, pøièemž ohnisky jsou podle oèekávání transformátor a obvod LNK501P. Ve svìtle tìchto poznatkù lze popsaný mìniè doporuèit zejména jako nabíjeèku akumulátorù a sí ový zdroj pro pøímé napájení drobných spotøebièù èi jiných elektronických obvodù, u nichž není na závadu zvýšená hladina vysokofrekvenèního rušení. Pro napájení zaøízení na rušení citlivých by bylo nutné doplnit mìniè kvalitním vstupním filtrem s proudovì kompenzovanou tlumivkou a kondenzátory C X, popø. i C Y [4], který však konstrukci prodraží a zvìtší její rozmìry. Dostupnost souèástek Pro individuální výrobu transformátoru lze u firmy PMEC Šumperk [3] objednat primárním vinutím (238 z. 0,15 mm) ovinuté jádro KOOL Mµ, plastové pouzdro 1/H a asi 2 m vodièe TEX0200. Poèet závitù sekundáru, navinutých tímto vodièem, se pøi dodržení hodnot ostatních souèástek volí podle požadované velikosti výstupního napìtí v oblasti maximálního vý- Obr. 8. Schéma zapojení s dodateènou stabilizací Obr. 9. Charakteristika zdroje bez dodateèné stabilizace i se stabilizací Praktická elektronika A Radio - 09/

3 Obr. 11. Deska s plošnými spoji zdroje Obr. 12. Rozmístìní souèástek zdroje Obr. 10. Zvlnìní výstupního napìtí konu podle grafu na obr. 14. K zalití sestaveného transformátoru je ideální dvousložkový polyuretanový resin, použitelná je i jakákoliv jiná neagresivní, dobøe zatékající izolaèní zalévací hmota urèená pro elektroniku. Postup individuální výroby dokumentuje obr. 15. Cena jedné sady popsaných souèástí je 50,- Kè. Filtraèní tlumivka L2 je realizována 17 závity drátu 0,8 mm na malém železoprachovém jádøe prùmìru 13 mm. Lze ji objednat u PMEC za kusovou cenu 35,- Kè, použitelná je však jakákoliv jiná tlumivka podobné hodnoty a rozmìrù s malým odporem vinutí. Kromì obvodu LNK501P jsou všechny ostatní použité souèástky bìžnì dostupné u specializovaných prodejcù (GME, GES apod.). Do doby, než se i tento obvod objeví v jejich nabídce, jej lze také objednat u PMEC (cena 30,- Kè). Všechny uvedené ceny jsou bez DPH a poštovného a s vìtším poètem objednaných kusù samozøejmì klesají. Závìr S obvody øady LinkSwitchO se konstruktérùm otevírá možnost realizovat velmi malé, úsporné, jednoduché a levné sí ové zdroje výkonu do 3 W bez plechového transformátoru. Díky moderním toroidním jádrùm lze navíc pomìrnì jednoduše realizovat i jejich pracovní transformátor, což stavbu tìchto zdrojù zpøístupòuje široké amatérské obci. Upozornìní: zaøízení je galvanicky spojeno s rozvodnou sítí a pøi jeho oživování i provozu je proto nutné bezpodmíneènì dodržet veškeré pøíslušné bezpeènostní pøedpisy a opatøení. Literatura [1] [2] Jansa, J., Jansa J. jun.: Tlumivky s práškovými jádry pro spínané zdroje. PE 1/2004. [3] info@pmec.cz [4] Jansa, J.: Potlaèení rušení v pásmu 10 khz až 30 MHz. PE 9-10/1999. Seznam souèástek Obr. 1 Ro 10 Ω/1 W, TR 276 R1 20 kω/0,25 W ±1 % R2 100 Ω/0,25 W C1 4,7 µf/450 V, elyt. GME C2 4,7 µf/450 V, elyt. GME C3 1 µf/min 10 V, GME C4 100 nf/100 V, plast. GME C5 470 µf/25 V s malým ESR IO1 LNK501 (DIP8) D1 až D4 B380C1000DIL 1 A/600 V D5 1N4937 (rychlá dioda 600 V) D6 SB160 (Schottky 1 A/min 60 V) L1 0,68 až 2,2 mh/min 80 ma PMEC221/V 1m0 Tr1 jádro R13 KOOL Mµ 125 zákaznický transformátor PMEC; prim. 229 z. 0,15 mm; sek. 26 z. TEX0300 Po T 200 ma v držáku do DPS S1 svorkovnice 300 V GME ARK500/2B S2 svorkovnice GME ARK550/2 Obr. 14. Obr. 8 Ro 10 Ω/1 W, TR 276 R1 10 kω/0,25 W ±1 % R2 100 Ω/0,25 W R3 10 kω/0,25 W ±1 % R4 1,2 kω/0,25 W P1 20 kω, cermetový C1 4,7 µf/450 V, elyt. GME C2 4,7 µf/450 V, elyt. GME C3 1 µf/min 10 V, GME C4 100 nf/100 V, plast. GME C5 2x 100 µf/50 V elyt. GME C6 2x 100 µf/50 V elyt. GME C7 100 nf/100 V plast. GME C8 10 nf/50 V, keram., GME D1 až D4 B380C1000DIL 1 A/600 V D5 1N4937 (rychlá dioda 600 V) D6 SB160 (Schottky 1 A/min 60 V) IO1 LNK501, DIP8 IO2 TLP627, DIP4 IO3 TL431, TO-92 L1 0,68 až 2,2 mh/min 80 ma PMEC221/V 1m0 L2 10 µh, PMEC 221/B 10u Tr1 jádro R13 KOOL Mµ 125 zákaznický transformátor PMEC; prim. 238 z. 0,15 mm; sek. 62 z. TEX0200 Po T 200 ma v držáku do DPS S1 svorkovnice 300 V, GME ARK550/2 S2 svorkovnice GME ARK550/2 Obr. 13. Fotografie osazené desky podle obr. 8 Obr. 15. Postup individuální výroby 24 Praktická elektronika A Radio - 09/2006