ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ Katedra řídící techniky BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Spínaný zdroj 4V/,5A Praha 00 Petr Janda
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakalářskou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady ( literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu 60 Zákona č./000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon). V Praze dne.. podpis
Obsah I. Zadání. Podrobné zadání 4 II. Úvod 5 III. Realizace a rozbor daného tématu 7. Úvodní rozbor 7. Popis funkce integrovaného obvodu UC84 8 IV. Popis funkce spínaného zdroje 0 V. Výpočet daných součástek. Návrh transformátoru. Význam použitých symbolů 8. Výpočet filtračního kondenzátoru 9 4. Návrh výstupního filtru zdroje 9 5. Návrh řídící části zdroje 0 VI. Oživení VII. Výsledné schéma VIII. Deska plošného spoje 4. Deska plošného spoje ze strany spojů 4. Deska plošného spoje ze strany součástek 5 IX. Soupiska součástek 6 X. Naměřené a vypočtené hodnoty 8 XI. Závěr 0 XII. Použitá literatura Příloha A Katalogový list integrovaného obvodu UC84 Příloha B Katalogový list feritového jádra ETD 9 Příloha C Katalogový list krabic na DIN lištu MODULBOX
I.. Podrobné zadání Navrhněte spínaný napájecí zdroj s následujícími parametry: Primární napětí Přípustný rozsah Frekvence vstupního napětí 0V AC 85V. 64V 47. 6 Hz Jmenovité výstupní napětí 4V DC Tolerance napětí +/- % Zvlnění < 50 mv ss Výstupní proud.5a Zkratová odolnost ANO Montáž na DIN lištu 5 mm 4
II. Úvod Většina elektronických systémů vyžaduje pro svou funkci stejnosměrné napájecí napětí.naprostá většina aplikací používá napájení ze sítě technického kmitočtu.soubor elektronických obvodů,které změní síťové napětí, usměrní, filtruje, stabilizuje a chrání před přetížením se nazývá napájecí zdroj.napájecí zdroje rozdělujeme na klasické a impulsní. Klasický napájecí zdroj obsahuje transformátor,usměrňovač,filtr a stabilizátor (blokové schéma viz obr.). 0V AC Transformátor + usměrňovač Filtr RC(LC) Parametrický Nebo zpětnovazební stabilizátor U výst Obr. Impulsní napájecí zdroj podle blokového schématu obr..zde se usměrní síťové napětí bez transformátoru,vyhladí se filtračním kondenzátorem,stejnosměrné napětí se přivádí na střídač,který je řízen zpětnou vazbou metodami PWM.Pulsní napětí se transformuje pomocí pulsního transformátoru (obvykle s feritovým jádrem) na požadovanou úroveň,usměrňuje se a filtruje na požadované zvlnění.impulsní zdroje se vyznačují též velikým rušením,proto je nutné použít filtr jak na výstupu tak i na vstupu impulsního zdroje(síťový filtr). 0V AC Síťový filtr Galv.oddělení a filtr U výst Usměrňovač filtr Střídač Řídící obvody Obr. Impulsní zdroje mají řadu výhod oproti klasickým napájecím zdrojům,mezi hlavní patří: Dosti značná hmotnostní a objemová úspora Vyšší energetická účinnost Menší problémy s chlazením Impulsní zdroje mají také některé nevýhody těmi hlavními jsou: Nutnost odrušovat frekvence vyzařované do okolí Vyšší požadavky na kvalitu součástek Pokles energetické účinnosti při malé zátěži 5
Základem imulsního napájecího zdroje je DC-DC měnič,blokové schéma tohoto měniče je na obr.. Řídící členem je spínač,který je v části periody T sepnut a ve zbytku periody T rozepnut.v době T se výkon odebírá ze zdroje vstupního napětí a po dobu T je výkon dodáván do zátěže z energie akumulované v měniči po dobu T.Akumulačním prvkem bývá cívka nebo transformátor.jako spínače se používá vysokofrekvenčního spínacího prvku např.tranzistoru. U U Spínač Filtr on off U PWM t [ s ] Zesilovač odchylky U R T T T Obr. Existují dva základní typy měničů,které používá většina zapojení..) propustný měnič,který dodává energii do zátěže v době T.) blokující měnič,který dodává energii do zátěže v době T.) speciální měniče,které kombinují oba první případy V dnešní době existuje celá řada integrovaných obvodů,které slouží nejen jako řídící obvody pro spínače,ale i regulátory ve výkonových pouzdrech které vyžadují pouze připojení výstupního LC filtru. 6
III. Realizace a rozbor daného tématu III.. Úvodní rozbor Pro realizaci daného problému jsem se rozhodl použít modifikaci zapojení klasického spínaného zdroje (viz. Obr.4), který se používá jako zdroj pro PC a monitory. V tomto zapojení je použit blokující DC-DC měnič s transformátorem. Původní záměr použít pro realizaci spínaného zdroje monolitický měnič napětí nebylo možné, hlavním důvodem je velký rozsah vstupního napětí, tento problém nelze kompenzovat ani pomocí před-regulátoru napětí a to z důvodu velké výkonové ztráty, kterou by nebylo možné kompenzovat chlazením. Nelze použít ani síťový transformátor a to také z důvodu velkého rozsahu vstupního napětí. Obr.4 Základní zapojení blokujícího měniče s impulsním transformátorem je na Obr.5. Tento měnič pracuje tak, že v první fázi se při sepnutém spínači S teče proud do zátěže a zároveň se nabíjí kondenzátor který hradí energii potřebnou pro zátěž při rozpojeném spínači S. U tohoto zapojení je důležité dodržet opačný smysl vinutí jinak se z blokujícího měniče stává měnič propustný. Výstupní napětí tohoto měniče lze nastavit převodovým poměrem transformátoru a to tak že může být nižší, ale i vyšší než je vstupní napětí tohoto měniče. Hlavní výhodou měniče je galvanické oddělení vstupu a výstupu. Tento měnič je velice často využíván a to především pro své široké použití, jediným problémem je složitý výpočet impulsního transformátoru. 7
Tr 5 D U U U0 C 4 8 U S Obr.5 Pro modifikované zapojení bylo nutné přepočítat hodnoty některých součástek a hlavně bylo nutné přepočítat impulsní transformátor. Tento transformátor je nejdůležitější součástkou tohoto zdroje a jeho návrh je celkem složitý a pracný. Z výpočtu impulsního transformátoru získáme nejen údaje potřebné pro realizaci tohoto transformátoru, ale i maximální hodnoty proudů jednotlivých vinutí což je důležité pro výběr vhodných součástek námi realizovaného spínaného zdroje. Dále je nutné přepočítat hodnoty součástek vstupního (síťového filtru), výstupních filtrů jednotlivých vinutí, kapacitu filtračního kondenzátoru, startovací rezistor pro integrovaný obvod UC84, který slouží jako řídící obvod pro spínač který je realizován pomocí tranzistoru IRF840. Je také třeba přepočítat součástky pro realizaci vlastního oscilátoru obvodu UC84. III.. Popis funkce integrovaného obvodu UC84 Obvod UC84 je určen pro realizaci DC-DC měničů a síťových zdrojů s impulsním transformátorem pracujících s pevnou frekvencí a řízením proudu primárního vinutí. Blokové vnitřní schéma obvodu UC84 je zobrazeno na Obr.6. Jak je vidět z tohoto schématu je vidět, že obvod obsahuje vlastní oscilátor u kterého se frekvence nastavuje pomocí externě připojené kombinace rezistoru C T, R T, dle daného vztahu, oscilátor lze také synchronizovat vnějším signálem a to z důvodu potlačení rušení. Dále jsou zde obvody pro řízení impulsů pro řízení externího spínače, kterým obvykle bývá MOSFET tranzistoru. Těmito řídícími obvody jsou komparátor proudu,který porovnává napětí získané na snímacím rezistoru s V, a obvod odchylky výstupního napětí. Dalšími součástmi tohoto obvodu jsou budič výkonového tranzistoru, vnitřní napěťová reference vypínaná při podpětí a obvod detekce podpětí s hysterezí. Obvod pracuje na principu řízení maximální proudu primárního vinutí podle odchylky výstupního napětí. V indukčnosti primárního vinutí transformátoru je po dosažení nastavené úrovně proudu uloženo definované množství energie, které je po vypnutí spínacího tranzistoru do výstupu měniče. Proud protékající primárním vinutím je snímáno na externím rezistoru R S. Získané napětí je přivedeno na vstup komparátoru proudu, maximální hodnota tohoto napětí je V. 8
Tato hodnota určuje maximální proud, který protéká primárním vinutím v době kdy ještě nebylo dosaženo stanovené hodnoty výstupního napětí a zabraňuje přesycení. Výstup proudového komparátoru je přiveden na resetovací vstup klopného obvodu, který řídí budič spínacího tranzistoru. Klopný obvod je nastavován na počátku každého cyklu oscilátoru. Výstupní napětí bývá obvykle sníženo a porovnáváno s referenčním napětím +,5V. Napětí z komparátoru je dále sníženo o,4v dvěma diodami, což zajišťuje možnost úplného vypnutí zdroje na nízkou úroveň nebo při odpojení zátěže. Napětí za diodami je sníženo na třetinu a omezeno na úroveň +V, toto napětí je přivedeno na druhý vstup komparátoru pro omezení proudu. Výsledkem činnosti celého obvodu je řízení doby sepnutí výstupního tranzistoru,tj. PWM, během cyklu oscilátoru podle výchylky výstupního napětí. Limitace špičkového proudu zajišťuje, že nedochází k přesycování indukčnosti ani při proměnném vstupním napětí. Podpěťová ochrana zajišťuje po startu spuštění výstupního budiče až do okamžiku, kdy napájecí napětí dosáhne horní prahové úrovně. Poté je obvod spuštěn a zůstává v činnosti až do okamžiku poklesu jeho napájecího napětí pod spodní prahovou úroveň. Pro obvod UC84 jsou tyto úrovně +6V/+0V. Napájecí napětí pro obvod lze získat přivedením vstupního napětí přes člen s rezistorem a kondenzátorem. Protože je ve vypnutém stavu odběr obvodu maximálně 0,5mA, může být hodnota rezistoru veliká. Po překročení horní prahové úrovně napájecího napětí je obvod spuštěn, přičemž energie uložená v kondenzátoru je využita ke startu zdroje a dosažení požadované hodnoty výstupního napětí. Dále může být celý obvod napájen ze vstupního napětí nebo z pomocného vinutí. Obr.6 9
IV. Popis funkce spínaného zdroje Navržené schéma spínaného zdroje je na Obr.7. L RV 4DK9 N R5 k P T A RT R IO LED ma D8 t 4 R5 k9 R6 70R L 4 R4 k9 *.mh C4 N7 C 00N R k C5 N C6 0N 4 - IO UC84 8 7 6 4 5 R7 70R D-4 N5408 (B50C4000) + C 0M + C7 47M R 00k + L C 0N 0MH R8 R R k D5 BY99 D6 BA59 R0 k T IRF840 R9 0.47R V V 6 7 8 TR 0 V R k R k9 R C8 D7 MBR760 C9 470M N + L 0MH C0 470M + IO 70R C 0N R4 k IO TL4 R6 470R Obr.7 Po zapnutí zdroje je síťové napětí usměrněno usměrňovacím můstkem realizovaným diodami D-D4 a nabije se kondenzátor C a to až na 7V=. Přes rezistor R se nabíjí kondenzátor C7. IO má minimální odběr a zatím je v tzv. sleep režimu. Jakmile však napětí na kondenzátoru C7 a vývodu č.7 integrovaného obvodu IO dostoupí zhruba 6..8V, IO se "probudí" a na jeho vývodu č.8 se objeví stabilizované napětí +5V=. Tím se přes rezistor R se rozběhne vnitřní oscilátor na vývodu č.4 IO, tvořený rezistorem R a kondenzátorem C5. Na vývodu č.6 IO se objeví obdélníkové řídící impulsy pro tranzistor T. Tranzistor začne spínat vstupní napětí z kondenzátoru C do primárního vinutí V transformátoru TR. Veškerá energie pro řídící IO je zatím uhrazována z energie naakumulované na kondenzátoru C7, nahromaděné před startem. Proud procházející přes rezistor R však nedokáže spotřebu pracujícího IO uhrazovat. Pro tento případ je tu nutné druhé sekundární vinutí V transformátoru TR. Jakmile se zdroj úspěšně rozeběhne, proud z tohoto vinutí se usměrní přes diodu D6 a začne napájet integrovaný obvod, který se tak udrží v chodu trvale. Na prvním sekundárním vinutí V transformátoru se indukuje výstupní napětí, které je usměrněno diodou D7 a vyhlazeno v kondenzátorech C9, C0 a za pomocí tlumivky L. Napětí na kondenzátorech po startu stoupá, až dojde k otevření referenční diody IO a současně k rozsvícení vnitřní led diody v optočlenu IO. Ta způsobí osvit fototranzistoru (označená optická vazba), který připojí stabilizované napětí +5V z vývodu č.8 IOpřes rezistor R5 na řídící vstup IO (vývod č.). Jakmile je na tomto vstupu dosaženo napětí vyšší než +,5V, začne řídící IO zužovat šířku impulsů pro tranzistor T. Tím se zamezí dalšímu nárůstu napětí na výstupu zdroje. Řídící impulsy pro transistor jsou řízeny i podle proudu, který prochází transistorem T. K tomu slouží snímací rezistor R9, napětí na něm je kontrolováno na vstupu č. IO a jakmile je vyšší než V, výstupní impulsy se 0
ihned ukončí. Tato ochrana reaguje velmi rychle. Zachrání zdroj při přetížení, špatně navrženém transformátoru, stejně tak i při průrazu primárního vinutí. Termistor RT omezuje proudový náraz při zapnutí a nabíjení C. Síťový filtr realizovaný kondenzátorem C a tlumivkou L zabraňuje šíření rušení do sítě. Obvody C, R odstraňují napěťové špičky vznikající na vinutí V, které by jinak zničily tranzistor T. Tutéž službu koná R a C8 pro diodu D7. Rezistor R8 chrání výstup IO před přetížením. Kondenzátor C5 s rezistorem R určuje kmitočet oscilátoru (zhruba 50 khz). Obvod složený z rezistoru R7 a kondenzátoru C6 odstraňuje napěťové špičky vznikající na odporu R9. Obvod s kondenzátorem C4 a rezistorem R4 je člen zpětné vazby regulačního řetězce uvnitř řídícího obvodu IO. Mimo tyto obvody tu existuje ještě jedna zvláštní nepřímá ochranná vazba. Vznikne-li na výstupu zdroje z nějakého důvodu vážný zkrat, druhé sekundární vinutí V nedokáže dodat dostatečné napájecí napětí pro řídící obvod IO a zdroj se zastaví. Potom se bude (asi v půlsekundových intervalech) pokoušet o nový start pro případ, že by byl zkrat odstraněn. Tento stav systému nevadí a díky této vlastnosti je tento zdroj téměř "nezničitelný".
V. Výpočet daných součástek V.. Návrh transformátoru Vinutí 4V/,5A U = 85 64 V AC ; U 0N = 4 V ; I 0 =,5 A ; f = 50 khz ; σ = A/mm ; δ max = 0,5 ETD jádro materiálu H U min = 85 0,5 85 = 00 V U max = 64 = 7 V ( min) ( max) U 0 n δ = U max δ min U 0 n δ = U min δ max U 0 =U 0N + U D + U T U 0 =4 + 0,5 + 0,05*4 = 5,7 V n = U U 0 δ min = U pro δ min : min δ max ( δ max) U 0 n + U max 0 00 0,5 = =,89 n =,9 5,7 ( 0,5) 5,7,9 = = 0, n 7 + 5,7,9 IL max I 0 = ( δ min) I L = I Lmax I 0,5 I Lmax = = δ min 0, = 6,45 A I L = I Lmax = 6,45 A Δ IL 6,45 I = = =,67 A n, 9 U max δ min 7 0, L = = f ΔI 50 0,67 = 0,969*0 - H
L 0,969*0 L 0 = = n,9 = 0,67*0-4 H δ min I L max + L min I L = I Lmax -I Lmin I 0 = ( I ) 0, I L max + L min 6,45 = I Lmax -I Lmin,5 = ( I ) I Lmax = 6,45 A I Lmin = 0 I ef = I L max = 6,45 =,66 A pro δ max : I = U min δ f L max 00 0,5 50 0 0,969 0 = =,0 A I = ΔI n =,0, 9 = 4,05 A δ max I L max + L min I L = I Lmax -I Lmin 0,5 I L max + I L min 4,05 = I Lmax -I Lmin I 0 = ( I ),5 = ( ) I Lmax = 7,05 A I Lmin =,9875 A I ef = Δ I L ΔI + L I L max I L max 4,05 = 4,05 7,05 + 7,05 I ef = 5, A σ = A/mm
S = d = I ef 5, = =,7 mm σ 4 S =,476 mm π d =,5 mm a v = 0,8 I ef = I ef = n 5,,9 =,6 A 0 B S L I max d > a V S e 0,5 > 0,67 0 4 7,05 0,8 S e (,5 0 ) S e > 98,4 mm Z katalogového listu bylo zvoleno jádro ETD9 ETD9: S e = 5 mm, l e = 69 mm N = S e L 0 l e μ μ 0 e μ e = 68 N = 4 0,67 0 69 0 6 6 5 0,56 0 68 N = 0 závitů N = n N =,9 0 = 78 závitů Vinutí 8V/50 ma U min = 85 0,5 85 = 00 V U max = 64 = 7 V 4
( min) ( max) U 0 n δ = U max δ min U 0 n δ = U min δ max U 0 =U 0N + U D + U T U 0 =8 + 0,5 + 0,05*8 = 9,4 V δ max = 0,5 n = U U 0 δ min = U pro δ min : min δ max ( δ max) U 0 n + U max 0 00 0,5 = =5,547 n = 5,5 9,4 ( 0,5) 9,4 5,5 = = 0, n 7 + 9,4 5,5 IL max I 0 = ( δ min) I L = I Lmax I 0 50 0 I Lmax = = δ min 0, = 0,7 A I L = I Lmax = 0,7 A Δ IL 0,7 I = = = 0,05 A n 5, 5 L = U max δ f ΔI min L 6,*0 L 0 = = n 5,5 I 0 = ( I ) 7 0, = 50 0 = 6,*0 - H 0,05 min =,8*0 - H δ I L max + L min I L = I Lmax -I Lmin 0, I L max + I L min 0,7 = I Lmax -I Lmin 0,05 = ( ) I Lmax = 0,7 A I Lmin = 0 5
I ef = pro δ max : I L max = 0,7 = 0,06 A I = U min δ f L max 00 0,5 50 0 6, 0 = I = ΔI n = 0,06 5, 5 = 0,08 A = 0,06 A δ I L max + L min I L = I Lmax -I Lmin I 0 = ( I ) 0,05 = ( I ) max 0,5 I L max + L min 0,08 = I Lmax -I Lmin I Lmax = 0,4 A I Lmin = 0,059 A I ef = Δ I L ΔI + L I L max I L max 0,08 = 0,08 0,4+ 0,4 I ef = 0,0 A σ = A/mm S = I ef = σ 0,05 = 0,068 mm d = 4 S π = 0,95 mm d = 0, mm a v = 0,7 I ef * = I ef = n 0,05 5,5 = 0,04 A 6
I ef = I ef + I ef * =,6 + 0,04 =,56 A σ = A/mm I S = = ef σ,56 = 0,45 mm d = 4 S π = 0,76 mm d = 0,8 mm a v = 0,79 N = N = n 78 = 5 závitů 5,5 Výsledné údaje pro výrobu transformátoru: Jádro: ETD9 materiál H δ VZ = mm Primární vinutí: N = 78 závitů d = 0,8 mm a V = 0,79 Hlavní sekundární vinutí: N = 0 závitů d =,5 mm a V = 0,8 Pomocné sekundární vinutí: N = 5 závitů d = 0,95 mm a V = 0,7 7
V.. Význam použitých symbolů U vstupní napětí U max maximální vstupní napětí U min minimální vstupní napětí U ON jmenovité výstupní napětí U 0 výstupní napětí U T úbytek na vinutí U D úbytek na diodě f frekvence měniče n převod transformátoru δ max maximální střída δ min minimální střída I 0 výstupní proud I Lmax maximální sekundární proud I Lmim minimální sekundární proud I L změna sekundárního proudu I změna primárního proudu L indukčnost primární vinutí L 0 indukčnost sekundárního vinutí I ef efektivní hodnota primárního proudu I ef efektivní hodnota sekundárního proudu σ proudová hustota S průřez vodiče primárního vinutí S průřez vodiče sekundárního vinutí d průměr vodiče primárního vinutí d průměr vodiče sekundárního vinutí a v činitel vinutí BBs/ Remanence S e efektivní průřez jádra l e efektivní délka magnetické siločáry μ 0 permeabilita vakua μ e efektivní permeabilita jádra N počet závitů sekundárního vinutí počet závitů primárního vinutí N 8
V.. Výpočet filtračního kondenzátoru A = A = P0 60 = f η 47 0,85 P0 60 = f η 6 0,85 = 0,75 Ws = 0,560 Ws C = C = U U min min A ( 0,85 U ) A min ( 0,85 U ) min = = 8 8 0,75 ( 0,85 8) 0,560 ( 0,85 8) = 94,4 μf = 44,9 μf C= 0 μf V. 4. Návrh výstupního filtru zdroje A) vinutí 4V/,5A X c < 0,0 Ω C = = π f X C π 50 0 q = 500 f 50 0 f r = = = 90 Hz + q + 500 0,0 = 59*0-6 F C = 470 μf L = ( ) π C f r = ( ) 6 π 90 470 0 =,9*0-6 H L = 64 μh B) vinutí 8V/50 ma X c < 0, Ω C = π f X C = π 50 0 0, =,8*0-6 F C = 47 μf 9
q = 500 f r = f + q = 50 0 + 500 = 90 Hz L = ( ) π C f r = ( ) 6 π 90 47 0 = *0-6 H L = 0 μh V. 5. Návrh řídící části zdroje Výpočet startovacího rezistoru I start > 0,5 ma R start < U min I start 00 R start < 0,5 0 R start < 00 0 Ω R start = 00 kω Výpočet součástek vlastního oscilátoru IO,7 f = CT R T f = 50*0 Hz R T = kω C T =, nf 0
VI. Oživení Jelikož jde o zdroj skládající se z více samostatně fungujících částí a zdroj pracující se síťovým napětím je lépe tyto jednotlivé části oživit samostatně čímž se snadněji lokalizuje možný problém v zapojení. ) Sestavíme celý zdroj, avšak horní konec primárního vinutí V transformátoru T zatím nepřipojujeme. Ani nepřipojujte zdroj k síti. Propojky J aj jsou rozpojeny. ) Připojíme mezi záporný vývod hlavního elektrolytického kondenzátoru C a kladný vývod elektrolytického kondenzátoru C7 napětí 8V= (získané spojením dvou devíti voltových baterií, zásadně ne z nějakého externího zdroje!). V ten okamžik by se měla rozsvítit led dioda D8, která říká, že se integrovaný obvod IO probudil. Změříme napětí na vývodu č.8 integrovaného obvodu IO proti zápornému pólu hlavního kondenzátoru C, mělo by být +5V. (Střídavým VF voltmetrem nebo osciloskopem se můžete také přesvědčit, zda se na řídící elektrodě transistoru T objevily řídící impulsy.) Když se nic neděje, je chyba v řídící části. Pokud pokus proběhl úspěšně, odpojíme baterii a propojíme propojku J. ) Při dodržení všech bezpečnostních předpisů (nejlépe tak, že celý zdroj položený na izolační podložce uzavřeme pod průhledný plastový kryt), zapojíme 0V,avšak do série přes žárovku 0V/60 00W.Led dioda D8 by měla začít periodicky blikat. Což je důkaz toho, že se obvod pokouší o opakovaný start. Síťové napětí odpojíme a vyčkáme, až led dioda D8 přestane blikat. V případě, že zařízení nepracovalo, máme chybu v usměrňovači nebo v oblasti odporu R. Než budeme zasahovat do zařízení, zkontrolujeme, zda je kondenzátor C vybit, v případě že tomu tak není vybijeme jej přes odpor 0kΩ/min. W. Když led dioda přestala blikat, měl by být kondenzátor C samozřejmě vybit. 4) Nyní připojíme primární vinutí V transformátoru TR. Při rozpojených propojkách J a J připojíme opět baterii 8V mezi záporný vývod hlavního kondenzátoru C a kladný vývod elektrolytického kondenzátoru C7. Led dioda D8 signalizující provoz IO se rozsvítí. Nyní připojíme síťové napětí 0V (opět přes žárovku). V ten okamžik by se měl zdroj rozběhnout a na výstupu by se mělo objevilo napětí a mělo by být stabilizováno. Žárovka v síťovém přívodu by svítit neměla a pokud, tak jen velmi mírně. Nerozběhne-li se zdroj vůbec nebo nefunguje tak jak by měl, je chyba v transformátoru nebo v polaritě diody D7. V tomto posledním případě většinou svítí žárovka v síťovém přívodu a ohlašuje, že je někde enormní odběr. Po odpojení napájení a po vybití kondenzátoru C případnou závadu odstraníme.
5) Odpojíme baterii a propojíme propojku J. Pokus zopakujeme, mělo by opět docházet k pokusům o opakovaný start. Zdroj opět vypneme. 6) Propojku J necháme propojenou a spojíme i propojku J. Nyní by po zapnutí měl zdroj běžet již trvale. Pokud ne, nedostává se z pomocného vinutí dostatečné napětí na kladný pól kondenzátoru C7 dostatečné napětí. Zřejmě je chyba ve vinutí V a bude nutno zvětšit počet závitů, nebo je hodnota tlumivky L moc veliká. Napětí v tomto bodě by se mělo pohybovat okolo 8V. 7) Zapojíme zdroj do sítě přímo bez žárovky. Zatížíme výstup zdroje rezistorem o hodnotě 5,6 nebo 6,8 Ω na 0..5W (pozor silně se zahřeje!). Pokud zdroj běží je to v pořádku. Pokud zdroj vypadl a jen periodicky zkouší start, má vinutí V málo závitů nebo snížit hodnotu tlumivky L. Problémy při oživování Při oživování se vyskytli problémy: )V zapojení regulační vazby okolo optočlenu, ten se při běžícím zdroji enormně zahříval a způsoboval rychlý nárůst výstupního napětí, pro odstranění tohoto problému byla do obvodu zpětné vazby vřazena zenerova dioda, která svým záporným teplotním koeficientem vyrovnává teplotní stabilitu tohoto obvodu, pro zvýšení této stability byla hodnota rezistoru R6 v emitoru tranzistoru optočlenu zvýšena na 470 Ω. ) z důvodu nedostatečného napětí na kondenzátoru C7 vyměněna tlumivka L za ochranný rezistor R7 o hodnotě Ω. ) pro možnost běhu zdroje bez připojené zátěže bylo nutno změnit hodnotu výstupního rezistoru R6 a to na hodnotu 0 Ω. 4) do série s rezistorem R byl zařazen rezistor R8 o hodnotě 00 kω a to z důvodu omezení maximálního průrazného napětí na tomto rezistoru.
VII. Výsledné schéma L RV 4DK9 N R5 k P T A RT R IO LED ma D8 t 4 R5 k9 R6 470R L 4 R4 k9 *.mh C4 N7 C 00N R k C5 N C6 0N 4 - IO UC84 8 7 6 4 5 R7 70R D-4 N5408 (B50C4000) + C 0M + C7 47M R 00k + C 0N R8 R R8 00k R7 R R k D5 BY99 D6 BA59 R0 k T IRF840 R9 R V V 6 7 8 TR 0 V R k R k9 R C8 D7 BYW8-00 C9 470M N + L 64MH C0 470M + IO 70R C 00N R4 k IO TL4 D9 R6 0R BZX8V0
4
5
IX. Soupiska součástek R 00k W RR W metalizovaný 4.- R k W RR W metalizovaný 4.- R k 0.5W SMD vel. 06.- R4 k9 0.5W SMD vel. 06.- R5 k9 0.5W SMD vel. 06.- R6 470R 0.5W SMD vel. 06.- R7 70R 0.6W RR metalizovaný.- R8 R 0.6W RR metalizovaný.- R9 0.47 R W RR W metalizovaný 4.- R0 k 0.6W RR metalizovaný.- R 70R 0.6W RR metalizovaný.- R k 0.5W SMD vel. 06.- R k9 0.5W SMD vel. 06.- R4 k 0.6W RR metalizovaný.- R5 k 0.5W SMD vel. 06.- R6 70-0R 4W metalizovaný 5.- R7 R 0.6W RR metalizovaný.- R8 00K 0.6W RR metalizovaný.- C 00N/ 000V MKS4 fóliový 0.- C 0M/400V E elektrolytický 50.- C 0N/000V MKS4 fóliový 9.- C4 N7 SMD 06 keramický.- C5 N/00V CF fóliový.- C6 0N SMD 06 keramický.- C7 47M/50V E elektrolytický T=05 C 4.- C8 N/00V CF fóliový.- C9 470M/6V E elektrolytický T=05 C 0.- C0 470M/6V E elektrolytický T=05 C 0.- C 00N SMD 06 keramický.- D-4 B50C4000 50V/4A usměrňovací můstek 0.- D5 BY99 800V/A rychlá 4.- D6 BA59 000V/A rychlá.- D7 BYW80-00 00V/8A velmi rychlá 5.- D8 LED 5MM ma zelená 4.- D9 BZX8V0 V/0.5W zenerova dioda.- RT R termistor negativní NTC 0.- RV ERZC4DK9 varistor 90V= 8.- 6
L *,mh odrušovací tlumivka 50.- L 64mH SFT40 tlumivka 55.- P A T pojistka 4.- T IRF840 500V/8A N-MOSFET.- IO UC84(4) PWM controler.- IO TL4,5-6V napěťová reference 6.- IO PC87 optočlen 7.- S ARK0/ svorkovnice 0.- S ARK0/ svorkovnice 0.- S ARK0/ svorkovnice 0.- F KS0SW poj.držák 8.- Transformátor viz. text 05.- Krabice na DIN lištu MODULBOX DIN 9M 65.- Celkem cca.00.- 7
8
9
XI. Závěr Výsledkem tohoto projektu je plně funkční spínaný zdroj, který splňuje věškeré podmínky definované v zadání. Tolerance výstupního napětí se pohybuje mezi,05 až,4 %, zvlnění výstupního napětí je přibližně 50 mv, zdroj bez problémů dodává do zátěže maximální proud,5 A. Zkratová odolnost byla ověřena. Rozsah vstupního napětí byl při trvalém odběru A a to v rozsahu 70 až 60 V. Výstupní napětí se pohybuje okolo,5 V, což je o 0,5 V méně něž je stanovené jmenovité napětí, tento rozdíl je způsoben transformátorem, který byl vyroben firmou Tronic (www.trafo.cz), při objednávání jsem zadal této firmě údaje potřebné pro výrobu tohoto transformátoru s výstupní napětím 4,5 V, což se ukázalo jako nedostatečné, pro správné napětí na výstupu by bylo třeba transformátoru s výstupním napětím o 0,5 až 0,7 V vyšším. Při oživování se vyskytli problémy, které jsou popsány výše, tyto problémy byly odstraněny za pomocí níže uvedené literatury a konzultací. Cenové náklady byly minimalizovány s ohledem na použití některých součástek z již nefungujících spínaných zdrojů, ale i při koupi všech těchto součástek by se cena měla pohybovat okolo.00 Kč, což je mnohem méně než cena tohoto zdroje zakoupeného od některé z firem, které se zabývají výrobou a prodejem těchto zdrojů. 0
XII. Použitá literatura Faktor, Zdeněk : Transformátory a tlumivky pro spínané zdroje. Nakladatelství BEN, Praha 00 Vysoký, Ondřej : Elektronické systémy II Vydavatelství ČVUT, Praha 999 Honců J., Hlinovský M., Vysoký O. : Elektronické systémy II, Návody ke cvičení Vydavatelství ČVUT, Praha 999 4 Krejčiřík A. : DC-DC měniče Nakladatelství BEN, Praha 00 5 Belza J. : DC-DC měniče a jejich praktické použití Amatérské Radio B4/994 6 www.thompson.com internetové stránky firmy SGS Thompson 7 www.fonox.com internetové stránky firmy, obsahující katalogové listy feritových jader
Příloha A Katalogový list integrovaného obvodu UC84
Příloha B Katalogový list feritového jádra ETD 9
Příloha C Katalogový list krabic na DIN lištu MODULBOX 4