Obwód stabilizatora napięcia SMPS

Artykuł wyjaśnia obwód stabilizatora napięcia sieciowego z przełącznikiem półprzewodnikowym bez przekaźników, wykorzystujący przetwornik podwyższający napięcie z rdzeniem ferrytowym i kilka półmostkowych obwodów sterownika mosfet. Pomysł został zgłoszony przez pana McAnthony Bernard.

Specyfikacja techniczna

Ostatnio zacząłem się przyglądać stabilizatory napięcia stosowane w gospodarstwie domowym do regulacji zasilania , zwiększanie napięcia, gdy napięcie w sieci jest niskie i obniżanie, gdy napięcie w sieci jest wysokie.

Jest zbudowany wokół transformatora sieciowego (żelaznego rdzenia) nawiniętego w stylu autotransformatora z wieloma kranami 180 V, 200 V, 220 V, 240 V 260 V itp.

obwód sterujący za pomocą przekaźników wybiera właściwy zaczep wyjściowy. Myślę, że znasz to urządzenie.

Zacząłem myśleć o zaimplementowaniu funkcji tego urządzenia za pomocą SMPS. Co będzie miało tę zaletę, że będzie zapewniać stałą 220 V AC i stabilną częstotliwość 50 Hz bez użycia przekaźników.

Załączam do tego maila schemat blokowy koncepcji.

Daj mi znać, co myślisz, jeśli podążanie tą trasą ma sens.

Czy to naprawdę zadziała i będzie służyć temu samemu celowi? .

Będę również potrzebował twojej pomocy w sekcji wysokiego napięcia DC na DC.

pozdrowienia
McAnthony Bernard

Projektowanie

Proponowany obwód stabilizatora napięcia sieciowego z rdzeniem ferrytowym półprzewodnikowym bez przekaźników można zrozumieć, odwołując się do poniższego schematu i następnych wyjaśnień.

RVCC = 1K, 1 wat, CVCC = 0,1 uF / 400 V, CBOOT = 1 uF / 400 V

Powyższy rysunek przedstawia rzeczywistą konfigurację implementacji stabilizowanego wyjścia 220 V lub 120 V, niezależnie od fluktuacji wejściowych lub przeciążenia, przy użyciu kilku nieizolowanych stopni procesora konwertera podwyższającego napięcie.

Tutaj dwa półmostkowe układy scalone mosfet sterownika stają się kluczowymi elementami całego projektu. Zastosowane układy scalone to wszechstronne IRS2153, które zostały zaprojektowane specjalnie do sterowania mosfetami w trybie półmostka bez konieczności stosowania skomplikowanych obwodów zewnętrznych.

Możemy zobaczyć dwa identyczne stopnie przetwornika półmostkowego, gdzie lewy sterownik jest używany jako stopień sterownika doładowania, podczas gdy prawa strona jest skonfigurowana do przetwarzania napięcia doładowania na wyjściową falę sinusoidalną 50 Hz lub 60 Hz w połączeniu z zewnętrzną kontrolą napięcia obwód.

Układy scalone są wewnętrznie zaprogramowane do wytwarzania stałego, 50% cyklu pracy na wyprowadzeniach wyjściowych w topologii bieguna totemu. Te wyprowadzenia są połączone z mosfetami mocy w celu realizacji zamierzonych konwersji. Układy scalone są również wyposażone w wewnętrzny oscylator umożliwiający włączenie wymaganej częstotliwości na wyjściu, częstotliwość jest określana przez zewnętrznie podłączoną sieć Rt / Ct.

Korzystanie z funkcji zamykania

Układ scalony posiada również funkcję wyłączania, której można użyć do zatrzymania wyjścia w przypadku przetężenia, przepięcia lub jakiejkolwiek nagłej katastrofy.

Więcej informacji na temat th jest układy scalone sterownika półmostkowego, możesz polecić do tego artykułu: Half-Bridge Mosfet Driver IC IRS2153 (1) D - Pinouty, wyjaśnienie notatek aplikacyjnych

Wyjścia z tych układów są niezwykle zbalansowane dzięki wysoce wyrafinowanemu wewnętrznemu ładowaniu i przetwarzaniu czasu martwego, które zapewniają doskonałą i bezpieczną pracę podłączonych urządzeń.

W omawianym obwodzie stabilizatora napięcia sieciowego SMPS lewy stopień boczny służy do generowania około 400 V z wejścia 310 V wyprowadzonego przez prostowanie napięcia wejściowego 220 V.

Dla wejścia 120 V stopień można ustawić na generowanie około 200 V przez pokazany cewkę.

Cewkę indukcyjną można nawinąć na dowolny standardowy zespół rdzenia / szpuli EE przy użyciu 3 równoległych (bifilarnych) pasm 0,3 mm super emaliowanego drutu miedzianego i około 400 zwojów.

Wybór częstotliwości

Częstotliwość należy ustawić poprzez prawidłowy dobór wartości Rt / Ct tak, aby uzyskać wysoką częstotliwość około 70 kHz dla lewego stopnia przetwornicy podwyższającej, w poprzek pokazanej cewki indukcyjnej.

Układ scalony sterownika po prawej stronie jest ustawiony do pracy z powyższym napięciem 400 V DC z przetwornicy podwyższającej ciśnienie po odpowiednim wyprostowaniu i filtracji, co można zobaczyć na schemacie.

Tutaj wartości Rt i Ct są wybierane w celu uzyskania około 50 Hz lub 60 Hz (zgodnie ze specyfikacjami krajowymi) na podłączonym wyjściu mosfetów

Jednak moc wyjściowa z prawego stopnia sterownika może wynosić nawet 550 V i należy to regulować do pożądanego bezpiecznego poziomu, przy około 220 V lub 120 V

W tym celu dołączono prostą konfigurację wzmacniacza błędu operacyjnego, jak pokazano na poniższym schemacie.

Obwód korekcji przepięcia

Jak pokazano na powyższym schemacie, stopień korekcji napięcia wykorzystuje prosty komparator opamp do wykrywania stanu przepięcia.

Obwód wystarczy załączyć tylko raz, aby cieszyć się trwałym stabilizowanym napięciem na zadanym poziomie bez względu na wahania napięcia wejściowego lub przeciążenie, jednak nie można ich przekroczyć powyżej określonej dopuszczalnej granicy konstrukcji.

Jak pokazano, zasilanie wzmacniacza błędu jest wyprowadzane z wyjścia po odpowiednim wyprostowaniu prądu przemiennego na czysty stabilizowany prąd stały o niskim prądzie 12 V DC dla obwodu.

pin # 2 jest wyznaczony jako wejście czujnika dla układu scalonego, podczas gdy nieodwracający pin # 3 jest odniesiony do stałego 4,7V przez sieć diod Zenera zaciskających.

Wejście czujnikowe jest pobierane z niestabilizowanego punktu w obwodzie, a wyjście układu scalonego jest połączone ze stykiem Ct układu scalonego sterownika po prawej stronie.

Ten pin działa jako pin wyłączający dla układu scalonego i gdy tylko doświadczy niskiego poziomu poniżej 1/6 jego Vcc, natychmiast wyłącza sygnały wyjściowe do mosfetów, zamykając postępowanie do stanu bezruchu.

Ustawienie wstępne związane z pinem nr 2 wzmacniacza operacyjnego jest odpowiednio dostosowane tak, aby napięcie wyjściowego prądu przemiennego ustabilizowało się do 220 V z dostępnego wyjścia 450 V lub 500 V lub do 120 V z wyjścia 250 V.

Dopóki pin # 2 doświadcza wyższego napięcia w stosunku do pinu # 3, nadal utrzymuje swoje wyjście na niskim poziomie, co z kolei nakazuje wyłączenie układu scalonego sterownika, jednak `` wyłączenie '' natychmiast koryguje wejście wzmacniacza operacyjnego, zmuszając go aby wycofać niski sygnał wyjściowy, a cykl samoczynnie koryguje wyjście do precyzyjnych poziomów, określonych przez ustawienie wstępne pinu nr 2.

Obwód wzmacniacza błędu nadal stabilizuje to wyjście, a ponieważ obwód ma tę zaletę, że ma znaczny 100% margines między napięciem wejściowym źródła a regulowanymi wartościami napięcia, nawet w warunkach skrajnie niskiego napięcia wyjścia są w stanie zapewnić stałe stabilizowane napięcie do obciążenia niezależnie od napięcia, to samo dzieje się w przypadku, gdy na wyjściu zostanie podłączone niedopasowane obciążenie lub przeciążenie.

Poprawa powyższego projektu:

Dokładne badanie pokazuje, że powyższy projekt można znacznie zmodyfikować i ulepszyć, aby zwiększyć jego wydajność i jakość wyjściową:

1. Cewka w rzeczywistości nie jest wymagana i można ją usunąć
2. Wyjście należy zmodernizować do pełnego obwodu mostkowego, aby moc była optymalna dla obciążenia
3. Wyjście musi być czystą falą sinusoidalną, a nie zmodyfikowaną, jak można oczekiwać w powyższym projekcie

Wszystkie te cechy zostały uwzględnione i zadbane w następującej ulepszonej wersji obwodu stabilizatora półprzewodnikowego:

Działanie obwodu

1. IC1 działa jak zwykły astabilny obwód oscylatora multiwibratora, którego częstotliwość można regulować, odpowiednio zmieniając wartość R1. To decyduje o liczbie „filarów” lub „rąbania” na wyjściu SPWM.
2. Częstotliwość z IC 1 na jego pinie # 3 jest podawana do pinu # 2 układu IC2, który jest podłączony jako generator PWM.
3. Ta częstotliwość jest konwertowana na fale trójkątne na pinie # 6 układu IC2, które jest porównywane z napięciem próbki na pinie # 5 układu IC2
4. Pin # 5 układu IC2 jest przykładany z próbką sinusoidy o częstotliwości 100 Hz pobranej z prostownika mostkowego, po odpowiednim obniżeniu napięcia zasilania do 12V.
5. Te próbki fal sinusoidalnych porównuje się z falami trójkątnymi na pinie nr 7 układu IC2, co daje w wyniku proporcjonalnie zdimjonowany SPWM na pinie # 3 układu IC2.
6. Teraz szerokość impulsu tego SPWM zależy od amplitudy próbek sinusoidalnych z prostownika mostkowego. Innymi słowy, gdy napięcie sieci AC jest wyższe, wytwarza szersze SPWM, a gdy napięcie sieci AC jest niższe, zmniejsza szerokość SPWM i proporcjonalnie ją zmniejsza.
7. Powyższy SPWM jest odwrócony przez tranzystor BC547 i zastosowany do bramek mosfetów po stronie niskiego napięcia pełnej sieci sterownika mostka.
8. Oznacza to, że gdy poziom sieci AC spadnie, odpowiedź na bramkach mosfet będzie miała postać proporcjonalnie szerszych SPWM, a gdy napięcie sieci AC wzrośnie, bramki doświadczą proporcjonalnego pogorszenia SPWM.
9. Powyższe zastosowanie spowoduje proporcjonalny wzrost napięcia na obciążeniu podłączonym między siecią mostka H, ​​gdy napięcie wejściowej sieci prądu przemiennego spadnie, i odwrotnie, obciążenie przejdzie przez proporcjonalny spadek napięcia, jeśli prąd przemienny ma tendencję do wzrostu powyżej poziomu niebezpiecznego.

Jak skonfigurować obwód

Określić przybliżony środkowy punkt przejścia, w którym odpowiedź SPWM może być identyczna z poziomem zasilania AC.

Załóżmy, że wybierasz napięcie 220 V, a następnie dostosuj ustawienie wstępne 1K tak, aby obciążenie podłączone do mostka H otrzymywało około 220 V.

To wszystko, konfiguracja jest teraz zakończona, a resztą zajmie się automatycznie.

Alternatywnie, w ten sam sposób można zmienić powyższe ustawienie w kierunku dolnego progu napięcia.

Załóżmy, że dolny próg to 170 V, w takim przypadku należy podać napięcie 170 V do obwodu i wyregulować ustawienie wstępne 1 K, aż znajdziesz około 210 V na obciążeniu lub między ramionami mostka H.

Te kroki kończą procedurę konfiguracji, a reszta zostanie automatycznie dostosowana zgodnie ze zmianami poziomu wejściowego AC.

Ważny : Proszę podłączyć kondensator o dużej wartości w kolejności 500 uF / 400 V do prostowanej linii AC doprowadzanej do sieci mostka H, ​​aby wyprostowany prąd stały mógł osiągnąć do 310 V DC na liniach magistrali mostka H.