Univerza v Ljubljani
Fakulteta za elektrotehniko
ŽIGA FORTUNA
RAZVOJ AC-DC PRETVORNIKA Z RAZPONOM VHODNE NAPETOSTI
OD 85 V DO 550 V
Diplomsko delo
Visokošolski strokovni študijski program prve stopnje Aplikativna elektrotehnika
Mentor: doc. dr. Matija Pirc
Ljubljana, 2021
Tržaška cesta 25, p.p. 2999 1000 LJUBLJANA, Slovenija telefon: 01 476 84 11 faks: 01 426 46 30 www.fe.uni-lj.si
e-mail: dekanat@fe.uni-lj.si
Spodaj podpisani študent, ŽIGA FORTUNA, vpisna številka 64180224, avtor pisnega zaključnega dela študija z naslovom: Razvoj AC-DC pretvornika z razponom vhodne napetosti od 85 V do 550 V,
IZJAVLJAM,
1. a) da je pisno zaključno delo študija rezultat mojega samostojnega dela;
b) da je pisno zaključno delo študija rezultat lastnega dela več kandidatov in izpolnjuje pogoje, ki jih Statut UL določa za skupna zaključna dela študija ter je v zahtevanem deležu rezultat mojega samostojnega dela;
2. da je tiskana oblika pisnega zaključnega dela študija istovetna elektronski obliki pisnega zaključnega dela študija;
3. da sem pridobil vsa potrebna dovoljenja za uporabo podatkov in avtorskih del v pisnem zaključnem delu študija in jih v pisnem zaključnem delu študija jasno označil;
4. da sem pri pripravi pisnega zaključnega dela študija ravnal v skladu z etičnimi načeli in, kjer je to potrebno, za raziskavo pridobil soglasje etične komisije;
5. da soglašam z uporabo elektronske oblike pisnega zaključnega dela študija za preverjanje podobnosti vsebine z drugimi deli s programsko opremo za preverjanje podobnosti vsebine, ki je povezana s študijskim informacijskim sistemom članice;
6. da na UL neodplačno, neizključno, prostorsko in časovno neomejeno prenašam pravico
shranitve avtorskega dela v elektronski obliki, pravico reproduciranja ter pravico dajanja pisnega zaključnega dela študija na voljo javnosti na svetovnem spletu preko Repozitorija UL;
7. da dovoljujem objavo svojih osebnih podatkov, ki so navedeni v pisnem zaključnem delu študija in tej izjavi, skupaj z objavo pisnega zaključnega dela študija.
8. da dovoljujem uporabo mojega rojstnega datuma v zapisu COBISS.
1 Obkrožite varianto a) ali b).
1
V: Ljubljani
Datum: 31. 8. 2021
Podpis študenta:
Žiga Fortuna
Digitally signed by Žiga Fortuna Date: 2021.09.01 11:13:15 +02'00'
Zahvala
Zahvaljujem se svojemu mentorju doc. dr. Matiji Pircu, univ. dipl. inž. el. za strokovno svetovanje in pomoč pri nastajanju diplomskega dela. Prav tako sem hvaležen sodelavcem v podjetju Metrel d. d. za vso pomoč na projektu razvoja napajalnika.
Še najbolj se zahvaljujem Sergeju Mikezu za vso potrpežljivost pri nastajanju projekta ter za deljenje svojega znanja in izkušenj.
Rad bi se zahvalil tudi svoji družini, prijateljem in punci za zaupanje in podporo v času mojega študija.
Vsebina
1 Uvod 5
2 Predstavitev stikalnega napajalnika 7
2.1 Napetostni pretvorniki ... 7
2.1.1 Zaporni pretvornik ... 8
3 Standardi in zahteve 9 4 Načrtovanje napajalnika 11 4.1 Izbira krmilnika ... 11
4.1.1 Napajanje krmilnika ... 12
4.1.2 Zaznavanje napetosti ... 13
4.1.3 Vklapljanje tranzistorja ... 15
4.1.4 Zaznavanje toka ... 16
4.1.5 Primarna regulacija ... 18
4.1.6 Delovanje vezja ob vklopu ... 20
4.1.7 Zaščita pred napakami ... 21
4.2 Vhodni filter ... 23
4.3 Mostični usmernik ... 24
4.4 Pi filter in glajenje napetosti ... 25
4.5 Določitev ovojev med seboj sklopljenih tuljav ... 27
4.6 Vezje za dušenje napetostnih konic ... 28
4.7 Izhodno vezje ... 29
4.8 Odvajanje toplote ... 31
5 Načrtovanje tiskanine 33
6 Meritve 37
6.1 Vklop napajalnika ... 37
6.2 Izkoristek ... 38
6.3 Prenapetostno testiranje ... 41
6.4 EMC ... 42
7 Sklepne ugotovitve 45
Literatura 47
Kazalo slik
Slika 1: Shema zapornega pretvornika ... 8
Slika 2: Osnovna shema stikalnega napajalnika [10] ... 12
Slika 3: Shema napajanja krmilnika prek RSTR in CDD ... 13
Slika 4: Shema priklopa uporov RS1 in RS2 ... 15
Slika 5: Shema priklopa tranzistorja ... 15
Slika 6: Shema vezave uporov na priključek CS [10] ... 16
Slika 7: Shema vezave uporov na priključek CS ... 18
Slika 8: Posplošena shema zapornega napajalnika [10] ... 18
Slika 9: Graf napetosti na pomožnem navitju [10] ... 19
Slika 10: Graf električnih tokov na primarni in sekundarni tuljavi [10] ... 19
Slika 11: Graf spreminjanja stikalne frekvence [10] ... 20
Slika 12: Shema vezja ob vklopu [10] ... 21
Slika 13: Vhodni filter ... 24
Slika 14: Mostični usmernik ... 25
Slika 15: Pi filter in gladilno vezje ... 26
Slika 16: Shema uporabljenih med seboj sklopljenih tuljav ... 28
Slika 17: Vezje za dušenje napetostnih konic... 29
Slika 18: Shema izhodnega vezja ... 30
Slika 19: Odvajanje toplote na tranzistorjih ... 31
Slika 20: Odvajanje toplote na vezju za dušenje visokonapetostnih konic ... 31
Slika 21: Odvajanje toplote na sekundarnih diodah ... 32
Slika 22: Ohišje tiskanine ... 34
Slika 23: Nevarni del tiskanine ... 34
Slika 24: Postavitev VS uporov ... 35
Slika 25: Vezje za dušenje napetostnih konic... 35
Slika 26: Vezje napajalnika ... 36
Slika 27: Napetost na priključku VDD ob vklopu ... 37
Slika 28: Moč na bremenu ... 40
Slika 29: Izkoristek napajalnika ... 40
Slika 30: Izhodna napetost ... 41
Slika 31: Uničenje upora NTC ... 42
Slika 32: Prevodne emisije v območju med 150 kHz in 500 kHz ... 43
Slika 33: Prevodne emisije v območju med 500 kHz in 5 MHz ... 43
Slika 34: Prevodne emisije v območju med 5 MHz in 30 MHz ... 43
Seznam tabel
Tabela 1: Razdalje za merilno kategorijo CAT III pri enojni izolaciji ... 9
Tabela 2: Razdalje za merilno kategorijo CAT III pri dvojni izolaciji... 10
Tabela 3: Lastnosti krmilnikov ... 11
Tabela 4: Meritve pri 85 V, 50 Hz vhodne napetosti ... 38
Seznam uporabljenih simbolov
Veličina / oznaka Enota
Ime Simbol Ime Simbol
električna napetost U volt V
magnetni pretok Φ weber Vs
frekvenca F hertz Hz
upornost R ohm Ω
kapacitivnost C farad F
dolžina D meter m
električna moč P vat W
električni tok I amper A
temperatura T Stopinja
celzija °C
induktivnost L henri H
čas T sekunda s
Seznam uporabljenih kratic
IEC Mednarodna komisija za elektrotehniko (ang. International Electrotechnical Commission
CAT Kategorija (ang. Category)
PWM Pulzno širinska modulacija (ang. Pulse Width Modulation) VS Zaznavanje napetosti (ang. Voltage Sense)
CS Zaznavanje toka (ang. Current Sense) DRV Pogon (ang. Drive)
NTC Negativni temperaturni koeficient (ang. Negative Temperature Coefficient)
OV Prenapetost (ang. Overvoltage)
CCUV Konstanten tok pod napetostjo (ang. Constant Current Under Voltage) EMC Elektromagnetna združljivost (ang. Electromagnetic Compatibility)
1
Povzetek
Cilj diplomskega dela je bilo razviti zaporni stikalni napajalnik, ki ustreza varnostni kategoriji CAT III po IEC 60664. Napajalnik mora poleg običajnega napajanja z enofazno napetostjo 110 V ali 230 V, 50/60 HZ, omogočati tudi napajanje z medfazno napetostjo. To pomeni, da mora delovati v razponu vhodnih napetosti med 85 V in 550 V efektivne vrednosti. Na izhodu pa mora zagotavljati 19,5 V ter 30 W moči.
Najprej smo izbrali primeren krmilnik za krmiljenje napajalnika ter preučili njegovo delovanje. Z upoštevanjem zastavljenih ciljev smo izračunali vse elemente stikalnega napajalnika, najprej vrednosti elementov, ki določajo osnovne lastnosti napajalnika, kot so izhodna napetosti in moč ter zagonski čas, nato pa še vrednosti elementov za sklope, ki so namenjeni filtriranju, glajenju napetosti in dušenju hitrih sprememb napetosti in toka. Po izdelavi sheme smo s programom Altium Designer, dali narediti tiskano vezje in napajalnik sestavili.
Opravili smo električne meritve, kjer smo ugotovili, da je izhodna napetost napajalnika 21 V, izhodna moč pa narašča do maksimalno 35 W s povečevanjem izhodnega bremena. Izkoristek napajalnika je pri najmanjšem izmerjenim bremenom, ki znaša 500 Ω, le 40 %. Z povečevanjem bremena oziroma z zmanjševanjem upornosti pa se izkoristek povečuje. Pri 75 Ω bremenu se izkoristek dvigne na 70 % in ostane približno enak čez ostale manjše upornosti. Največji izkoristek je izmerjen pri 14 Ω in 21,3 V. EMC meritve se pokazale, da napajalnik deluje dobro v celotnem frekvenčnem območju in je narejen v skladu s standardi.
Ključne besede: stikalni napajalnik, zaporni pretvornik, napajalnik z širokim razponom napetosti
3
Abstract
The aim of the thesis was to develop a switching flyback power supply for measurement instruments compliant with CAT III category according to IEC 60664.
The power supply must be able to operate from a single-phase voltage of 110 V or 230 V, 50/60 HZ, as well as from interphase voltage. This means that it must operate in the input voltage range between 85 V and 550 V rms. At the output, it must provide 19.5 V and 30 W of power.
First, a suitable controller to control the power supply was selected. Taking into account the set goals, the values of all the elements providing basic functionality, such as output voltage, power and start-up time, were calculated and subsequently the values of filtering and protection components were determined. With the calculated values and taking into account component availability a schematic diagram of the power supply was drawn and a printed circuit board designed. Altium Designer program tool was used for the design process.
Electrical measurements of the power supply have shown, that the output voltage of the power supply is 21 V, and the maximum output power is 35 W. The efficiency of the power supply is only 40% at the minimum measured load of 500 Ω. By increasing the load or by reducing the resistance, the efficiency increases. At 75 Ω load, the efficiency rises to 70% and remains approximately the same over the rest of the output power range. The maximum efficiency is measured at 14 Ω and 21.3 V.
EMC measurements have shown that the power supply works well over the entire frequency range and is compliant with the applicable standards.
Key words: switching power supply, flyback converter, wide range power supply
5
1 Uvod
Napajalnik je električna naprava, ki pretvarja električno energijo v točno določeno obliko in amplitudo električne napetosti in električnega toka. Lahko jih najdemo kot samostojne dele opreme ali pa že kot del same naprave. Lahko omogočajo omejevanje toka ali celo izklop toka v primeru električne napake. Vir energije, ki ga napajalnik prejme lahko prihaja iz električnega omrežja, baterij, generatorjev ali iz drugih virov energije.
Na trgu obstaja več napajalnikov, ki se razlikujejo med seboj po vhodnih in izhodnih napetostih, izhodni moči in izhodnem toku, izkoristku, številu izhodnih sponk, predvsem pa ceni. Težava nizkocenovnih napajalnikov je, da nimajo ustreznih napetostnih zaščit, so glasni in se pogosto radi pregrevajo. Napajalniki, ki pa so načrtovani v skladu s standardi pa so velikokrat dražji in posledično manj dostopni ljudem za domačo uporabo.
Podjetje Metrel se ukvarja z razvojem, kalibracijo in proizvodnjo merilnih instrumentov. Del vsakega merilnega instrumenta je tudi napajalnik, ki skrbi za napajanje instrumenta med delovanjem. V preteklosti je Metrel razvil svoj 230 V napajalnik, ki zadostuje potrebam in standardom na trgu. Zaradi novih potreb na trgu, po napajanju z medfazno napetostjo pa je bilo potrebno razviti nov napajalnik.
Omogočati mora napajanje z izmenično napetostjo med 85 V in 550 V. Na izhodu pa zagotavljati enosmerno napetost 19,5 V in 30 W moči. Odločili smo se za izvedbo stikalnega napajalnika z zapornim pretvornikom (ang. flyback).
7
2 Predstavitev stikalnega napajalnika
Stikalni napajalnik je elektronska naprava, ki pretvori izmenično napetost v enosmerno napetost za konstantno napajanje elektronskih naprav. Osnovni sklopi stikalnega napajalnika so vhodni filter, krmilnik, transformator ali več med seboj sklopljenih tuljav, usmerniško vezje in gladilno vezje.
2.1 Napetostni pretvorniki
Napetostni pretvornik je pretvornik električne energije, ki spreminja napetost vira električne energije. Želimo se približati idealnemu napetostnemu pretvorniku, ki bi spremenil kakršnokoli napetost na vhodu v točno določeno napetost na izhodu, s stoodstotnim izkoristkom in brez toplotnih izgub ter oddajanja elektromagnetnih motenj v omrežje. Zavedati se moramo, da take naprave žal ne moremo narediti.
Poznamo dve vrsti pretvornikov električne napetosti. Linearne in stikalne pretvornike. Linearni pretvorniki uporabljajo principe delilnikov napetosti za pretvorbo napetosti na njihovem vhodu v želeno napetost na njihovem izhodu. S pomočjo povratne zanke, ki samodejno spreminja upornost krmilnega elementa, pretvornik zagotavlja da izhodna napetost ostane nespremenjena, kljub spremenjeni vhodni napetosti ali spremenjenemu bremenu. Tipična izvedba linearnih pretvornikov vključuje uporabo tranzistorjev, ki pa imajo velike izgube. Pri pretvorbah z majhno razliko med vhodno in izhodno napetostjo je ta pretvornik uporaben. Ko pa so razlike večje, je na tranzistorju velik padec napetosti in velika poraba moči ter se posledično več energije izgubi v obliki toplote. Da bi preprečili okvare tranzistorjev zaradi previsoke temperature, oblikovalci običajno uporabljajo hladilnike, katerih velikost je določena z velikostjo toka in velikostjo padca napetosti na pretvorniku.
Stikalni pretvorniki namesto nastavljivega bremena, ki porabi odvečno napetost uporabljajo preklopni element, ki z razmerjem med časoma vklopa in izklopa določa razmerje napetosti med vhodoma in izhodoma. Za delovanje potrebujejo več komponent, kot so gladilni kondenzatorji, tuljave in drugi elementi.
8 2 Predstavitev stikalnega napajalnika
2.1.1 Zaporni pretvornik
Zaporni pretvornik uporablja dve ali več med seboj sklopljenih tuljav za shranjevanje energije, ko skozi vhodno tuljavo teče tok, in sprostitev energije, ko tok skozi vhodno tuljavo prekinemo. Primarno navitje predstavlja vhodna tuljava, sekundarno navitje pa izhodna tuljava. V zaporni konfiguraciji sta primarno in sekundarno navitje dve galvansko ločeni tuljavi na istem feromagnetnem jedru.
Slika 1: Shema zapornega pretvornika
Ko je stikalo sklenjeno je primarno navitje priključeno na vhodni napetostni vir.
Primarni tok in magnetilni tok se povečujeta in shranjujeta energijo v jedru. Inducirana napetost v sekundarnem navitju je negativna, zato dioda ne prevaja. Naboj v izhodnem kondenzatorju medtem odteka v izhodno breme.
Ko pa je stikalo odprto, na primarni strani tok in magnetilni tok ne tečeta več.
Sekundarna napetost je sedaj pozitivna in omogoča toku, da teče skozi diodo in napolni kondenzator.
9
3 Standardi in zahteve
Standard je dokument, ki ga odobri priznani organ in ki določa pravila za dejavnosti in njihove rezultate. V standardih lahko najdemo različne tehnične specifikacije in natančna merila, ki se uporabljajo, kot pravila in navodila za definiranje posameznih značilnosti končnega produkta. Zaradi standardov je naše življenje varnejše pa čeprav se tega sploh ne zavedamo. Dandanes se standardi pojavljajo v vseh kotičkih našega življenja.
Merilna kategorija je metoda klasifikacije električnih tokokrogov pod napetostjo, ki se uporabljajo pri merjenju in preizkušanju naprav. Določila jo je mednarodna elektrotehniška komisija (IEC). Merilni tokokrogi so med merjenjem ali preskusom izpostavljeni delovnim napetostim in prehodnim napetostim iz vezja, na katerega so priključeni. V tem standardu so vezja razdeljena na naslednje merilne kategorije:
- CAT I - CAT II - CAT III - CAT IV
Vsaka kategorija zahteva različne razdalje med komponentami na vezjih, ki so odvisne od napetosti. V spodnjih tabelah je predstavljena kategorija, ki smo jo uporabili pri napajalniku.
Tabela 1: Razdalje za merilno kategorijo CAT III pri enojni izolaciji
UnL-N
Vr.m.s. / d.c.
BI (razdalja – mm / testna napetost – V) CAT III
Nadmorska višina delovanja (m) 2000 3000 4000 5000
≤ 50 0,10 0,11 0,13 0,15
> 50 ≤ 100 0,50 0,57 0,645 0,74
10 3 Standardi in zahteve
> 100 ≤ 150 1,50 1,71 1,94 2,22
> 150 ≤ 300 3,00 3,42 3,87 4,44
> 300 ≤ 600 5,50 6,27 7,1 8,14
> 600 ≤ 1000 8,00 9,12 10,32 11,84
Tabela 2: Razdalje za merilno kategorijo CAT III pri dvojni izolaciji
UnL-N
Vr.m.s. / d.c.
BI (razdalja – mm / testna napetost – V) CAT III
Nadmorska višina delovanja (m) 2000 3000 4000 5000
≤ 50 0,32 0,36 0,41 0,47
> 50 ≤ 100 1,50 1,71 1,935 2,22
> 100 ≤ 150 3,00 3,42 3,87 4,44
> 150 ≤ 300 5,90 6,84 7,61 8,73
> 300 ≤ 600 10,50 11,97 13,55 15,54
> 600 ≤ 1000 14,30 16,30 18,45 21,16
Ker načrtujemo napajalnik, ki mora omogočati vhodno napetost do 550 V, smo v območju med 300 in 600 V. Ker se bo največ uporabljal na nadmorski višini pod 2000 m smo izbrali razdalje v stolpcu na 2000 m nadmorske višine. Komponente morajo biti med seboj oddaljene najmanj 5,5 mm pri enojni razdalji. Dvojno razdaljo pa standard določa pri 10,5 mm. Dodatne zahteve, ki jih je potrebno upoštevati pri načrtovanju napajalnika so:
- Majhna dimenzija vezja - Cenovna ugodnost
- Območje vhodne napetosti: 85 V – 550 V - Izhodna napetost: 19,5 V
- Izhodna moč: 30 W - Prenapetostna zaščita
11
4 Načrtovanje napajalnika
Potrebno je izdelati stikalni napajalnik, ki omogoča pretvorbo izmenične napetosti med 85 V in 550 V izmenične napetosti v 19,5 V enosmerne napetosti.
Napajalnik mora biti majhen, porabiti čim manj moči, tih in cenovno ugoden. Na izhodu mora zagotavljati moč 30 W. Osrednji del napajalnika bo krmilnik, ki bo reguliral izhodno napetost.
4.1 Izbira krmilnika
Na spletu smo morali poiskati primeren krmilnik za zaporno vodenje napajalnika. Na izbiro smo jih imeli veliko. Krmilnik ni smel imeti velike porabe moči za svoje delovanje ter je moral omogočati dobro pretvorbo napetosti. Izbranih smo imeli več krmilnikov, ki smo jih med seboj primerjali in poiskali ustreznega.
Tabela 3: Lastnosti krmilnikov
Ime
krmilnika Poraba
moči Stikalna
frekvenca PWM
regulacija Število
priključkov Optični spojnik
UCC28742 > 30 mW < 80 kHz Da 6 Da
UCC28704 < 30 mW < 85 kHz Da 6 Ne
UCC28780 > 30 mW < 1 MHz Da 16 Da
V ožjem izboru smo imeli tri krmilnike. Ugotovili smo da bo najboljša izbira UCC28704, saj ima majhno porabo moči, ne uporablja optičnega spojnika za regulacijo napetosti in deluje z dokaj nizko frekvenco.
Optični spojniki zaznavajo izhodno napetost na sekundarnem navitju in pošiljajo informacijo nazaj na primarno stran. V vezju lahko predstavljajo velik problem, saj so dovzetni za šum. Zato smo tudi izbrali UCC28704, saj si ne želimo dodatnih motenj v vezju.
12 4 Načrtovanje napajalnika
Slika 2: Osnovna shema stikalnega napajalnika [10]
UCC28704 je primarno reguliran pulzno širinsko modulacijski (ang. PWM) zaporni krmilnik, za načrtovanje visoko učinkovite AC-DC pretvorbe z nizko porabo energije. Zaznava napetost (VS) in električni tok (CS) za reguliranje izhodne napetosti.
Priključek DRV odpira in zapira vrata tranzistorja Q1 in je kot stikalo, ki regulira koliko časa bo tranzistor odprt. Omogoča tudi izklop delovanja, če na priključek NTC/SU dodamo NTC upor, ki se mu ob povišani temperaturi zmanjša upornost in naredi kratek stik proti masi.
Krmilnik deluje v načinu prekinjene prevodnosti z dolinskim preklapljanjem (ang. Valley switching), da se čim bolj zmanjšajo izgube pri preklapljanju. Natančna napetost, regulacija konstantnega električnega toka in zaščita pred napakami so dosežene z primarno regulacijo.
4.1.1 Napajanje krmilnika
Krmilnik potrebuje 21 V napetosti ob prvem vklopu vezja, ki jo prejme preko upora RSTR in kondenzatorja CDD. Ko napetost VDD doseže 21 V krmilnik začne preklapljati. Na pomožnem navitju se pojavi napetost s katero se krmilnik napaja po vklopu in je po velikosti manjša od vklopne napetosti VDD. Če se napetost sesede pod 7,7 V krmilnik preneha preklapljati in se ugasne. Napetost na priključku VDD lahko naraste do 35 V in omogoča, da načrtamo napajalnike z različnimi izhodnimi napetostmi.
V podatkovnem listu piše, da je območje upora RSTR med 10 MΩ in 15 MΩ.
Večji kot je upor, manjša je statična poraba moči a večji vklopni čas. Kapacitivnost
4.1 Izbira krmilnika 13
kondenzatorja CDD pa mora znašati najmanj 47 nF. Ker si želimo hiter vklop krmilnika, smo uporabili 5 MΩ upor in 2 µF kondenzator. Lahko bi uporabili en upor velik 5 MΩ vendar se lahko na uporu pojavi do 780 V napetosti in smo raje uporabili več 1 MΩ uporov, da bo na vsakemu manjši padec napetosti.
Slika 3: Shema napajanja krmilnika prek RSTR in CDD
4.1.2 Zaznavanje napetosti
Priključek VS meri napetost v različnih časovnih trenutkih delovnega cikla in s tem pridobi informacijo o več različnih napetostih v vezju: napetost na vhodu, napetost na izhodu ter časovni trenutek, ko je napetost na primarnem navitju najmanjša, ker je takrat najbolj ugoden trenutek za preklop krmilnega tranzistorja. Ker na tem priključku ni pomembna samo enosmerna vrednost, temveč tudi časovni potek napetosti, mu ne smemo dodati kondenzatorja za zmanjšanje šuma, ker bi zakasnitev, ki bi jo dodal kondenzator, preveč vplivala na določitev najbolj ugodnega trenutka za preklop krmilnega tranzistorja.
Ko je krmilni tranzistor odprt, je na primarnem navitju vhodna napetost, ki se preslika glede na razmerje ovojev na pomožno navitje, ki je preko uporovnega delilnika priključeno na priključek VS. Pomožno navite je priključeno tako, da je ta napetost negativna. Napetost na priključku VS je omejena na napetost -250 mV, zato se v tej fazi pravzaprav meri tok, ki teče iz priključka VS. Pri zagonu krmilnik preverja velikost vhodne napetosti posredno, preko velikost tega toka. Če je tok večji od
14 4 Načrtovanje napajalnika
220 µA, pomeni da je vhodna napetost dovolj velika in regulacija se začne, sicer pa ne, Med delovanjem krmilnik še vedno spremlja ta tok in če je manjši od 80 µA, se izklopi. Poleg tega na podlagi tega toka, torej velikosti vhodne napetosti, prilagaja ciljni tok skozi primarno navitje (priključek CS).
Ko je krmilni tranzistor zaprt, se energija shranjena v magnetnem polju sprosti na sekundarnem navitju. Napetost na pomožnem navitju je sedaj premo sorazmerna napetosti na sekundarni strani in je sedaj pozitivna. Takoj po preklopu tranzistorja se zgodi prehodni pojav, nato se napetost umiri in za nekaj časa ostane na vrednosti, ki je za padec napetosti na izhodni diodi višja od izhodne napetosti. Ko magnetne energije zmanjka, začne napetost na sekundarnem in pomožnem navitju spet padati. Krmilnik poišče trenutek, preden začne napetost padati, da takrat zajame napetost na priključku VS, ker je to najbolj zanesljiva informacija o napetosti na izhodu. Krmilnik poskuša izhodno napetost regulirati tako, da bo napetost na priključku VS v tem trenutku 4,06 V.
Upor RS1 uporovnega delilnika na priključku VS je določen tako, da z njegovo vrednostjo določimo minimalno vhodno napetost za vklop krmilnega vezja, Upor RS2
pa na podlagi upora RS1 tako, da dosežemo želeno delilno razmerje, da bo na izhodu takšna napetost, kot jo želimo:
𝑅𝑅𝑆𝑆1 = √2 ∙ 𝑉𝑉𝐼𝐼𝐼𝐼(𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟)
𝑁𝑁𝑃𝑃𝑃𝑃∙ 𝐼𝐼𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉(𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟) ≈ 𝑉𝑉𝐵𝐵𝐵𝐵𝑉𝑉𝐵𝐵(𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟)
𝑁𝑁𝑃𝑃𝑃𝑃∙ 𝐼𝐼𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉(𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟) (4.1)
kjer je
- 𝑁𝑁𝑃𝑃𝑃𝑃razmerje ovojev med primarnim in pomožnim navitjem (5)
- 𝑉𝑉𝐼𝐼𝑁𝑁(𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟) vhodna izmenična napetost, ki vklopi zaporni pretvornik
(85 V)
- 𝑉𝑉𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵(𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟)vhodna enosmerna napetost, ki vklopi zaporni pretvornik
(120 V)
- 𝐼𝐼𝑉𝑉𝑆𝑆𝐵𝐵(𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟)tok, ki mora teči iz priključka VS pri zagonu (220 µA)
𝑅𝑅𝑆𝑆2 = 𝑁𝑁 𝑅𝑅𝑉𝑉1∙ 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉
𝑃𝑃𝑉𝑉 ∙ (𝑉𝑉𝑂𝑂𝑂𝑂𝑉𝑉+ 𝑉𝑉𝐹𝐹)− 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 (4.2)
kjer je
- 𝑉𝑉𝑂𝑂𝑂𝑂𝑉𝑉 regulirana izhodna napetost pretvornika (19,5 V)
- 𝑉𝑉𝐹𝐹 napetost na diodi D2 (0,7 V)
- 𝑁𝑁𝑃𝑃𝑆𝑆 razmerje ovojev med pomožnim in sekundarnim navitjem (0,78) - 𝑅𝑅𝑆𝑆1 zgornji upor delilnika (82 kΩ)
4.1 Izbira krmilnika 15
- 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑆𝑆𝑅𝑅 konstantna regulirna napetost na priključku VS (4,06 V)
Poleg podatkovnega lista, nam je proizvajalec zagotovil tudi Excelovo datoteko, ki vsebuje natančne izračune vseh elementov vezja za izdelavo napajalnika s krmilnikom UCC28704. Vnesli smo parametre potrebne za izračun uporov in dobili da morata biti RS1 in RS2 82 kΩ ter 27 kΩ.
Slika 4: Shema priklopa uporov RS1 in RS2
4.1.3 Vklapljanje tranzistorja
Slika 5: Shema priklopa tranzistorja
Priključek DRV je povezan na vrata tranzistorjev Q1 in Q2 preko dveh manjših uporov, ki poskrbita za zmanjšanje tokovnih motenj na samem priključku ob vklopu tranzistorjev. Ob vklopitvi tranzistorja, teče iz priključka DRV 30 mA električnega toka. Ko napetost naraste na 9 V, se izhodni tok iz priključka zmanjša na 100 µA in s tem krmilnik zagotovi hiter vklop in izklop tranzistorjev.
16 4 Načrtovanje napajalnika
Ker lahko na napajalnik priklopimo do 550 V izmenične napetosti se na tranzistorjema lahko pojavi enosmerna napetost do 780 V. Kolikšna je napetost na tranzistorju pa je pomembno zato, da znamo izbrati pravi tranzistor. V načrtu smo uporabili 900 V tranzistorja FQP2N90. Vezali smo ju vzporedno, da je skozi vsakega tekel pol manjši tok in smo tako zmanjšali moč, ki se troši na posameznem tranzistorju.
Na vrata obeh tranzistorjev smo vezali 10 Ω upora ki sta povezana na priključek DRV.
4.1.4 Zaznavanje toka
Slika 6: Shema vezave uporov na priključek CS [10]
Krmilnik meri električni tok na primarni tuljavi posredno, preko napetosti na priključku CS. V ta namen za krmilnim tranzistorjem (na sliki 13 sta to tranzistorja Q1
in Q2) dodamo merilni upor RCS. Padec napetosti na tem uporu je premo sorazmeren trenutnemu toku. Glede na trenutni način delovanja krmilnik prilagaja maksimalno napetost na CS priključku med 188 mV in 750 mV in znaša 356 mV v načinu konstantnega toka. Ko tok skozi primarno tuljavo doseže takšno velikost, da napetost na priključku CS preseže trenutno nastavljeno referenčno vrednost, se tranzistor izklopi. Velikost upora RCS določimo tako, da bo padec napetosti na tem uporu 356 mV, ko bo napajalnik v načinu konstantnega toka, torej pri maksimalnem izhodnem toku napajalnika, kar je v našem primeru 1,5 A.
𝑅𝑅𝑂𝑂𝑆𝑆= 𝑉𝑉𝑂𝑂𝑂𝑂𝑉𝑉2 ∙ 𝐼𝐼 ∙ 𝑁𝑁𝑃𝑃𝑉𝑉
𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂 ∙ �𝜂𝜂𝑋𝑋𝐹𝐹𝑋𝑋𝑅𝑅 (4.3)
4.1 Izbira krmilnika 17
kjer je
- 𝑉𝑉𝑂𝑂𝑂𝑂𝑅𝑅 tokovna regulacijska konstanta (356 mV)
- 𝑁𝑁𝑃𝑃𝑆𝑆 razmerje ovojev med primarnim in sekundarnim navitjem (3,89) - 𝐼𝐼𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂 ciljni izhodni tok pri stalni regulaciji toka (1,5 A)
- 𝜂𝜂𝑋𝑋𝐹𝐹𝑋𝑋𝑅𝑅 izkoristek med seboj sklopljenih tuljav (94,5 %)
Upor RCS je na priključek CS povezan preko zaporedno vezanega upora RLC, ki je namenjen kompenzaciji časovne zakasnitve izklopa krmilnega tranzistorja. Od trenutka, ko se krmilnik odloči, da je treba tranzistor zapreti, traja še nekaj časa preden se tranzistor zares zapre. V tem času tok skozi primarno tuljavo malo preseže nastavljeno maksimalno vrednost. Večja kot je vhodna napetost, večji bo presežek maksimalnega toka. Ker hkrati, ko merimo tok skozi primar preko priključka CS, merimo tudi napetost na primarni strani preko priključka VS, lahko krmilnik informacijo o vhodni napetosti uporabi za kompenzacijo zakasnitve. Priključek CS ima vgrajen tokovni generator, ki generira tak tok, kot teče iz priključka VS. Tok, ki v tej fazi teče iz priključka VS, je premo sorazmeren napetosti na primarni tuljavi, vendar zmanjšan za faktor KLC. Ta tok povzroči dodaten padec napetosti na upor RLC, ki se prišteje k napetosti na uporu RCS. Zato je tok, ki ga izmeri priključek CS, malo večji od dejanskega in zato se začne krmilni tranzistor malo prej zapirati. Večja kot je vhodna napetost, večja je dodatna napetost na upor RLC in zato se prej začne tranzistor zapirati. Velikost kompenzacijskega efekta določimo z velikostjo upora RLC.
𝑅𝑅𝐵𝐵𝑂𝑂 = 𝐵𝐵𝑉𝑉𝑂𝑂∙𝑅𝑅𝑉𝑉1∙𝑅𝑅𝑂𝑂𝑉𝑉∙�𝑡𝑡𝐷𝐷+𝑡𝑡𝐺𝐺𝑃𝑃𝐺𝐺𝐺𝐺_𝑂𝑂𝐹𝐹𝐹𝐹�∙𝑁𝑁𝑃𝑃𝑃𝑃
𝐵𝐵𝑃𝑃 (4.4)
kjer je
- 𝑅𝑅𝑆𝑆1 vrednost zgornjega upora pri priključku VS (82 kΩ) - 𝑅𝑅𝑂𝑂𝑆𝑆 vrednost upora za zaznavanje toka (0,45 Ω)
- 𝑡𝑡𝐷𝐷 čas zamude za zaznavanje toka in čas izklopa tranzistorja - 𝑡𝑡𝐺𝐺𝑃𝑃𝐺𝐺𝐺𝐺_𝑂𝑂𝐹𝐹𝐹𝐹 čas izklopa tranzistorja na primarni strani
- 𝑁𝑁𝑃𝑃𝑃𝑃 razmerje ovojev med primarnim in pomožnim navitjem (5) - 𝐿𝐿𝑃𝑃 induktivnost primarne tuljave (280 µH)
- 𝐾𝐾𝐵𝐵𝑂𝑂 tokovna konstanta skaliranja (25)
Vsota časov tD in tGATE_OFF je 50 ns. Upora RCS in RLC morata biti 0,45 Ω in 735 Ω. Ker pa nismo imeli na razpolago 0,45 Ω upora, smo vzeli tri 1,2 Ω upore ter jih vezali vzporedno in tako dobil upornost 0,4 Ω. Namesto 735 Ω upora smo uporabili 750 Ω upor.
18 4 Načrtovanje napajalnika
Ob vklopu krmilnega tranzistorja se lahko pojavijo tako velike tokovne konice, da bi krmilnik takoj zaznal, da je maksimalni tok dosežen in bi tranzistor takoj izklopil.
Da se to ne zgodi, v času prvih 255 ns po vklopu ne meri toka. Če je treba ta čas podaljšati, lahko to dosežemo z dodatnim kondenzatorjem med priključkoma CS in GND velikosti do približno 30 pF. Mi smo dodali kondenzator velikosti 33 pF.
Slika 7: Shema vezave uporov na priključek CS
4.1.5 Primarna regulacija
Slika 8: Posplošena shema zapornega napajalnika [10]
V primarno stranski regulaciji je izhodna napetost zaznana preko pomožnega navitja. Napetost pomožnega navitja je vsota izhodne napetosti napajalnika, padca napetosti na diodi D1 in zmnožka izhodnega toka IS ter upornosti sekundarnega navitja RS. Na sliki 9 vidimo, da takoj za izklopom krmilnih tranzistorjev dobimo velike napetostne konice, ki jih ublažimo s pomočjo vzporednega RC vezja, dodanega primarni tuljavi (na sliki 8 zaradi preglednosti ni prikazano).
4.1 Izbira krmilnika 19
Slika 9: Graf napetosti na pomožnem navitju [10]
Čas trajanja zadušitve konic lahko traja samo 750 ns za minimalni tok primarnega navitja in 3 µs za maksimalni tok primarnega navitja. Na sekundarnem navitju se v času razmagnetenja med seboj sklopljenih tuljav sprosti vsa energija v obliki električnega toka, ki je določen z enačbo:
𝐼𝐼𝑂𝑂𝐵𝐵𝐺𝐺 = 𝐼𝐼𝑃𝑃𝑃𝑃2 ∙ 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑃𝑃
𝑉𝑉 ∙𝑡𝑡𝐷𝐷𝐷𝐷𝑃𝑃𝐺𝐺𝑡𝑡
𝑉𝑉𝑆𝑆 (4.5)
kjer
- 𝐼𝐼𝑃𝑃𝑃𝑃 je tok primarne tuljave
- 𝑁𝑁𝑃𝑃 je število ovojev na primarju (35) - 𝑁𝑁𝑆𝑆 je število ovojev na sekundarju (9)
- 𝑡𝑡𝐷𝐷𝑋𝑋𝑃𝑃𝐺𝐺 je čas razmagnetenja med seboj sklopljenih tuljav (1,62 µs)
- 𝑡𝑡𝑆𝑆𝑆𝑆 je čas preklopa krmilnika
Slika 10: Graf električnih tokov na primarni in sekundarni tuljavi [10]
20 4 Načrtovanje napajalnika
Po koncu razmagnetenja upade električni tok IS na 0 A in takrat priključek VS zazna podatek o napetosti na sekundarnem navitju, ki je preslikana tudi na pomožno navitje in priključena na krmilnik preko uporovnega delilnika RS1 in RS2. Za zajetjem napetosti na priključku VS, krmilnik vstopi v stanje čakanja in zmanjša električni tok v priključek VS iz 2,3 mA na 70 µA. Napetost v stanju čakanja niha z resonančno frekvenco, ki je določena s stresano induktivnostjo primarnega navitja in parazitno kapacitivnostjo krmilnih tranzistorjev.
Med regulacijo napetosti, krmilnik deluje z neko frekvenco, ki je odvisna od napetosti. Frekvenca krmilnika se giblje med 1 kHz in 85 kHz in jo uravnava sam krmilnik. Spodnji graf prikazuje stikalno frekvenco krmilnika v odvisnosti od kontrolne napetosti VCL.
Slika 11: Graf spreminjanja stikalne frekvence [10]
Graf je razdeljen na štiri območja delovanja. Delovanja pri večjih obremenitvah so v četrtem območju, kjer potrebujemo stikalno frekvenco, ki je višja od 25 kHz in maksimalen primarni tok IPP, ki znaša 1,875 A. Tretje območje je primerno za srednje obremenitve od 10 % navzgor pri primarnemu toku med 25 % in 100 %.
4.1.6 Delovanje vezja ob vklopu
Ko napajalnik priklopimo na napetost med 85 V in 550 V začne teči tok skozi upor RSTR, ki poskrbi da se kondenzator CDD napolni in zagotavlja napajanje krmilnika.
Med polnjenjem kondenzatorja teče električni tok, ki ni višji od 1,5 µA. Ko napetost na kondenzatorju doseže 21 V se krmilnik vklopi in začne preklapljati. Po vklopu se
4.1 Izbira krmilnika 21
napetost VDD zmanjša na napetost, ki jo je potrebno zagotoviti na izhodu napajalnika s primernim razmerjem ovojev pomožnega in sekundarnega navitja.
Prvi trije cikli so tokovno omejeni z minimalnim tokom IPP(min). Med tem krmilnik zaznava ali je prišlo do kakšnih vhodnih in izhodnih napak. Če do napak ni prišlo in je napetost višja od minimalne delujoče napetosti, krmilnik začne preklapljati.
Napetost, ki je potrebna za vklop krmilnika je 21 V, medtem ko je izklop pri 7,7 V. Med delovanjem napajalnika je napetost VDD tipično okoli 16 V vendar lahko naraste vse do 35 V zaradi puščanja energije, ki se lahko pojavi na kondenzatorju CDD.
Slika 12: Shema vezja ob vklopu [10]
4.1.7 Zaščita pred napakami
Krmilnik UCC28704 vsebuje veliko zaščit pred napakami, ki se lahko zgodijo med samim delovanjem.
Zaščitne funkcije so:
- Izhodna prenapetost - Prenizka vhodna napetost - Primarna tokovna napaka
- Prekinjena povezava priključka CS - Kratko sklenjen priključek CS na GND - Napaka na VS priključku
- Prekomerna temperatura NTC upora
- Previsoka notranja delovna temperatura krmilnika
- Izklop izhoda pri konstantnem toku pod ustrezno napetostjo
22 4 Načrtovanje napajalnika
Izhodna prenapetost
Izhodna prenapetostna funkcija je določena s povratnimi informacijami o napetosti na priključku VS. Če vzorec napetosti na priključku VS presega 4,67 V oziroma 115 % nazivne napetosti, se za tri cikle ugotovi napaka OV (Over Voltage).
Krmilnik preneha preklapljati in znova začne preverjati napake. Med napako se napetost na priključku VDD zmanjša pod 7,7 V. Po tem se naprava vrne v začetno stanje in napetost na priključku VDD se povišuje do 21 V. Dokler se napaka ne odstrani bo krmilnik v napaki OV.
Prenizka vhodna napetost
Vklopna napetost je odvisna od informacije o električnemu toku, ki teče skozi upora RS1 in RS2, med vklopom tranzistorja. Napetost na priključku VS regulira kolikšen tok bo tekel skozi upor RS1 in nato prek diode skozi kondenzator CDD, ki skrbi za napajanje. Ob vklopu, po tem ko napetost VDD doseže 21 V, mora biti tok IVSL na priključku VS večji od 220 µA za vsaj tri urine cikle. Če je električni tok manjši, krmilnik preneha preklapljati in se postavi v začetno stanje. Po uspešnem zagonu se ta napaka pojavi šele, ko tok IVSL pade pod 80 µA.
Primarna tokovna napaka
Normalno območje delovanja priključka CS je med 188 mV in 750 mV. Če napetost naraste na 1,5 V za tri urine cikle preden je konec razmagnetenja sklopljenih tuljav, se krmilnik izklopi in postavi v začetno stanje.
Prekinjena povezava priključka CS
Priključek CS ima minimalen zagonski tok velik 2 µA, ki dvigne napetost na več kot 1,5 V v primeru, da je priključek odprt. To povzroči napako primarnega prekomernega toka po treh ciklih.
Kratko sklenjen priključek CS na GND
Krmilnik preveri samo ob prvem ciklu, če je dosežena minimalna napetost VCST(min) na priključku CS medtem ko je vklopljen priključek DRV. Če napetost ni dosežena UCC28704 prekine trenutni cikel in se postavi v začetno stanje.
Napaka na VS priključku
Zaščita je vključena v primeru da odpove eden izmed uporov na priključku VS.
Če odpove upor RS1 krmilnik preneha preklapljati. Napetost VDD se sesede pod 7,7 V.
Krmilnik se poskuša ponovno zagnati in polni kondenzator CDD. Ker pa je upor RS1
4.2 Vhodni filter 23
odpovedal se UCC28704 ne bo uspel zagnati. V primeru, da odpove upor RS2 pa se zgodi izhodna prenapetost oziroma napaka OV.
Prekomerna temperatura NTC upora
Krmilnik UCC28704 uporablja priključek NTC/SU za izklop krmilnika ob povišani temperaturi napajalnika. Napetost pri kateri se krmilnik izklopi je 0,95 V, električni tok pa 105 µA. Če je po koncu razmagnetenja sekundarnega navitja napetost nižja od 0,95 V za tri zaporedne urine cikle se preklapljanje ustavi in krmilnik se postavi v začetno stanje.
Notranja previsoka delovna temperatura krmilnika
Notranji prag zaščite pred pregrevanjem je 150 °C. Če UCC28704 doseže to temperaturo se sproži napaka in krmilnik se postavi v začetno stanje. Ob ponovnem zagonu, če je temperatura še vedno previsoka, se prav tako postavi na začetek delovanja.
Izklop izhoda pri konstantnem toku pod ustrezno napetostjo
Izklop izhoda je namenjen zaščiti različnih priključkov, ki se lahko pojavijo na izhodu pred pregrevanjem ali izgorevanjem zaradi kratkega stika. Do delnega ali mehkega kratkega stika lahko pride zaradi prisotnosti tujih predmetov na sponkah.
Krmilnik UCC28704 zazna delovanje, ko deluje v načinu konstantnega toka in ko izhodna napetost pade iz regulacije. Če krmilnik zazna, da je napetost na priključku VS pod pragom VCCUV neprekinjeno 120 ms, potem sproži napako CCUV in nastavi zapah CCUV. Ko je zapah nastavljen, gre krmilnik skozi tri urine cikle brez delovanja PWM in v četrtem ciklu pobriše zapah. Če stanje CCUV še obstaja, potem krmilnik po 120 ms ponovno vstopi v napako in to ponavlja.
4.2 Vhodni filter
Vhodni filter na stikalnem napajalniku ima dve pomembnejši funkciji. Prva je preprečiti da, elektromagnetne motnje, ki jih povzroča preklopni vir, ne dosežejo daljnovoda ali druge opreme. Druga funkcija pa je preprečevanje prehoda visokofrekvenčne napetosti na izhodu napajalnika. V ta namen smo dodali LC filter, ki doseže obe zahtevi filtriranja. Poleg filtra se lahko doda še varistorje, ki poskrbijo da napetost na vhodu ne more presegati določene vrednosti.
Ker napetost na vhodu ne sme presegati 550 V, smo uporabili dva varistorja, ki smo ju vezali zaporedno. Vsak izmed njiju drži 275 V. Poleg varistorjev, smo dodali
24 4 Načrtovanje napajalnika
še dva 10 MΩ upora ter ju vezali vzporedno s kondenzatorjema in varistorjema, ker si želimo da je na vsakem kondenzatorju polovica napetosti.
Slika 13: Vhodni filter
Glavni del vhodnega filtra je dušilka, ki je sestavljena iz dveh tuljav, ki sta naviti na isto jedro. Poznamo diferencialno (ang. differencial mode) in običajno (ang.
common mode) dušilko.
Želeli smo uporabiti 550 V običajno dušilko, a je žal nismo imeli na zalogi.
Dušilka ni smela presegati 30 mm višine, saj je drugače ne moremo spraviti v ohišje.
Odločili smo se, da uporabimo 250 V dušilko z induktivnostjo 10 mH, ki je visoka le 10 mm in jo bomo kasneje zamenjali z drugo, ki jo bomo naredili sami v Metrelu.
Na vhod vezja smo dodali še dva NTC upora skupne velikosti 20 Ω, za zaščito vezja pred velikimi vhodnimi tokovi ob vklopu vezja. Po vklopu teče električni tok skozi NTC upora in povzroči, da se segrejta in da se jima zmanjša upornost ter tako ne povzročata dodatnih izgub v vezju.
Dodali smo še varovalko, ki se ob povišanem toku pregreje in ustavi delovanje napajalnika. Izbira varovalke je pomembna, saj lahko ob napačno izbrani velikosti pride do problemov. Če je varovalka prevelika ji omogočimo delovanje pri višjih tokovih, a lahko ti tokovi uničijo samo vezje. Zavedati se moramo, da potrebujemo varovalko, ki mora zdržati več kot 550 V izmenične napetosti. Sprva smo uporabili 600 V, ki zdrži do 4 A električnega toka. Vendar smo se na koncu odločili za 600 V in 1 A varovalko, saj vezje ni zahtevalo višjega električnega toka.
4.3 Mostični usmernik
Mostični usmernik je del vezja, ki pretvarja izmenično napetost v enosmerno. Za svoje delovanje potrebuje štiri diode. Ker lahko na napajalnik priklopimo izmenično napetost do 550 V, se moramo zavedati da morajo diode zdržati za √2 višjo napetost.
4.4 Pi filter in glajenje napetosti 25
Okoli 780 V. V vezju smo uporabili diode S1M, ki zdržijo 700 V izmenične napetosti oziroma 1000 V enosmerne napetosti. Ker imajo padec napetosti približno 1,1 V pri 1 A je potrebno paziti na samo postavitev diod na tiskani, ker se lahko pregrejejo.
Slika 14: Mostični usmernik
4.4 Pi filter in glajenje napetosti
Za mostičnim vezjem je potrebno dodati dodatni filter in vezje za glajenje napetosti. Napajalnik vsebuje pi filter, ki je sestavljen iz dveh kondenzatorjev in ene tuljave. Kondenzatorja sta bila izbrana iz Excelove datoteke z izračuni in sta velika 4,7 nF. Zdržita 4 kV, kar je petkrat več, kot maksimalna predvidena napetost. Med njima je tuljava, velika 470 µH, ki prepreči prehod visokofrekvenčnim signalom.
26 4 Načrtovanje napajalnika
Slika 15: Pi filter in gladilno vezje
Za pi filtrom smo dodali še gladilne kondenzatorje in upore. Ker je maksimalna enosmerna napetost, ki se lahko pojavi na kondenzatorjih 777,8 V, smo uporabili štiri 400 V elektrolitske kondenzatorje. Poleg njih smo uporabili tudi 1 MΩ upore, ki smo jih vezali vzporedno kondenzatorjem in tako izenačili napetost na zgornjih in spodnjih kondenzatorjih. Ob tem nimamo velikih izgub toka skozi upore, saj predstavljajo visoko upornost v primerjavi s kondenzatorji.
Velikost kondenzatorjev določa spodnja enačba:
𝐶𝐶𝐵𝐵𝐵𝐵𝑆𝑆(𝑖𝑖𝑟𝑟𝑖𝑖𝑡𝑡) = 120 µF1 A ∙𝑉𝑉 𝑃𝑃𝑂𝑂𝐵𝐵𝐺𝐺
𝐵𝐵𝐵𝐵𝑉𝑉𝐵𝐵(𝑚𝑚𝑚𝑚𝑟𝑟) ∙ η (4.6)
kjer je
- 𝑃𝑃𝑂𝑂𝐵𝐵𝐺𝐺 izhodna moč (30 W)
- 𝑉𝑉𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵(𝑚𝑚𝑖𝑖𝑟𝑟) minimalna vhodna napetost kondenzatorja (85 V)
- η izkoristek pretvornika (80 %)
4.5 Določitev ovojev med seboj sklopljenih tuljav 27
Kapacitivnost gladilnih kondenzatorjev mora biti najmanj 52,9 µF, zato smo v načrtu uporabili 68 µF elektrolitske kondenzatorje.
4.5 Določitev ovojev med seboj sklopljenih tuljav
V Excelovi datoteki z izračuni velikosti komponent so tudi enačbe za izračun števila ovojev na primarnem, sekundarnem in pomožnem navitju. Razmerje ovojev med primarnim in sekundarnim navitjem, je določeno z enačbo:
𝑁𝑁𝑃𝑃𝑆𝑆 = 𝐷𝐷𝐷𝐷𝑃𝑃𝑀𝑀 ∙ (𝑉𝑉𝐵𝐵𝐵𝐵𝑉𝑉𝐵𝐵(min) ∙ 0,6 −𝑉𝑉𝑉𝑉𝑂𝑂𝑉𝑉− 𝑉𝑉𝑄𝑄)
𝐷𝐷𝐷𝐷𝑃𝑃𝐺𝐺𝑂𝑂𝑂𝑂 ∙ (𝑉𝑉𝑂𝑂𝑂𝑂𝑉𝑉 + 𝑉𝑉𝐹𝐹 + 𝑉𝑉𝑂𝑂𝑂𝑂𝐵𝐵𝑂𝑂) (4.7)
kjer je
- 𝐷𝐷𝑋𝑋𝑃𝑃𝑋𝑋 največji delovni cikel (46,5 %)
- 𝑉𝑉𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵(𝑚𝑚𝑖𝑖𝑟𝑟) minimalna vhodna napetost kondenzatorja (85 V)
- 𝐷𝐷𝑋𝑋𝑃𝑃𝐺𝐺𝑂𝑂𝑂𝑂 delovni cikel sekundarne diode D1 med operacijo s stalnim
tokom (47,5 %)
- 𝑉𝑉𝑂𝑂𝑂𝑂𝑉𝑉 minimalna napetost, ki si jo želimo na izhodu (19,5 V)
- 𝑉𝑉𝐹𝐹 napetost na sekundarni diodi D1 (1,3 V)
- 𝑉𝑉𝑂𝑂𝑂𝑂𝐵𝐵𝑂𝑂 kompenzirana kabelska napetost, ki se pojavi na kabelskih
povezavah do priključenega izhodnega bremena (1,08 V) - 𝑉𝑉𝑅𝑅𝑂𝑂𝑆𝑆 napetost na uporih RCS (0,75 V)
- 𝑉𝑉𝑄𝑄 napetost na tranzistorjih Q1 in Q2 (0,67 V)
Razmerje med pomožnim navitjem in sekundarnim navitjem je določeno z enačbo:
𝑁𝑁𝑃𝑃𝑆𝑆 =𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷(𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜) + 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑃𝑃
𝑉𝑉𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂 + 𝑉𝑉𝐹𝐹 (4.8)
kjer je
- 𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷(𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜) napetost pri kateri se krmilnik UCC28704 izklopi (7,7 V)
- 𝑉𝑉𝐹𝐹𝑃𝑃 napetost na pomožni diodi D2 (0,7 V)
- 𝑉𝑉𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂 najnižja izhodna napetost pretvornika pri regulaciji s stalnim tokom
(19,5 V)
- 𝑉𝑉𝐹𝐹 napetost na sekundarni diodi (1,3 V)
28 4 Načrtovanje napajalnika
S pomočjo datoteke smo izračunali, da je razmerje med primarnim in sekundarnim navitjem 3,4 in razmerje med pomožnim in sekundarnim navitjem 0,42.
Število ovojev je tako 31 na primarni strani, 9 na sekundarni in 6 na pomožni strani navitja. Vendar pa nismo imel točno takih sklopljenih tuljav, zato smo uporabil podobne. Število ovojev je prikazano na spodnji sliki.
Slika 16: Shema uporabljenih med seboj sklopljenih tuljav
4.6 Vezje za dušenje napetostnih konic
V vezju je potrebno ublažiti napetostne konce, ki se pojavijo na primarnem navitju sklopljenih tuljav med preklapljanjem krmilnika. Tuljava ima parazitne induktivnosti in kapacitivnosti, ki lahko brez ustreznega dušilca dodajo šum oziroma celo povzročijo okvaro tranzistorjev.
Stresana induktivnost znaša okoli 7 % primarne induktivnosti. Valovitost napetosti na kondenzatorju pa je lahko največ 10 %. Maksimalna napetost na kondenzatorju je odvisna od napetosti na diodi, delovnega cikla in minimalne vhodne napetosti napajalnika.
𝑈𝑈𝑂𝑂(𝑋𝑋𝑃𝑃𝑋𝑋) = 𝑉𝑉𝐷𝐷𝑆𝑆(𝑋𝑋𝑃𝑃𝑋𝑋)∙0,1 +1−𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝑃𝑃𝑀𝑀
𝐷𝐷𝑃𝑃𝑀𝑀∙ 𝑉𝑉𝐼𝐼𝑁𝑁(𝑋𝑋𝐼𝐼𝑁𝑁) (4.9)
Moč ki se bo pojavila na vezju se izračuna z naslednjo enačbo:
𝑃𝑃𝑅𝑅𝑉𝑉𝐼𝐼𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐺𝐺𝑉𝑉 = 𝐼𝐼𝑃𝑃(𝑃𝑃𝐺𝐺𝑃𝑃𝐵𝐵)2 ∙ 𝐵𝐵𝑉𝑉𝐺𝐺𝑃𝑃𝐵𝐵 ∙ 𝑜𝑜𝑉𝑉𝑆𝑆
2 (4.10)
4.7 Izhodno vezje 29
Ko imamo izračunano maksimalno napetost na kondenzatorju in celotno moč na vezju, lahko izračunamo upornost RSNUBBER.
𝑅𝑅𝑆𝑆𝑁𝑁𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐺𝐺𝑅𝑅 =𝑃𝑃(𝑉𝑉𝑂𝑂(𝐷𝐷𝑃𝑃𝑀𝑀))2
𝑉𝑉𝑉𝑉𝐼𝐼𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐺𝐺𝑉𝑉 (4.11)
Kapacitivnost kondenzatorja je določena s sledečo enačbo:
𝐶𝐶𝑆𝑆𝑁𝑁𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐺𝐺𝑅𝑅 = ∆𝑉𝑉 1
𝑂𝑂 ∙ 𝑅𝑅𝑉𝑉𝐼𝐼𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐺𝐺𝑉𝑉 ∙ 𝑜𝑜𝑉𝑉𝑆𝑆 (4.12)
Odločili smo se da uporabimo dva 10 kΩ upora ter 22 nF kondenzator, ki ju vežemo vzporedno. Poleg pa smo dodali še dve hitri diodi BYV26CV, ki zdržita do 600 V in imata 2,5 V padca napetosti. Dodali smo še hladilna telesa, saj se nam je dozdevalo, da bo potrebno odvajati odvečno toploto.
Slika 17: Vezje za dušenje napetostnih konic
4.7 Izhodno vezje
Izhodno vezje je polvalni usmernik z dodanim pi filtrom in vezjem za dušenje visokonapetostnih konic. Na izhod sekundarnega navitja lahko dobimo do 200 V zaporne napetosti, zato potrebujemo diode, ki bodo to napetost zdržale. Ker smo imeli samo 100 V diode, smo uporabili dve. Vzporedno smo vezali še 270 Ω upor in 220 pF kondenzator za dušenje visokonapetostnih konic.
30 4 Načrtovanje napajalnika
Dodali smo še hladilna telesa, saj smo iz podatkovnega lista sklepali, da skozi diodi teče velik tok in povzroča porabo moči, ki se pretvori v toplotne izgube. Seveda potrebujemo tudi nekakšno gladilno vezje. Lahko bi uporabili le kondenzatorje, a smo se odločili, da bomo dodali še tuljavo in naredili pi filter.
Izhodno kapacitivnost se izračuna po sledeči enačbi:
𝐶𝐶𝑂𝑂𝐵𝐵𝐺𝐺 ≥100 ∙ 𝑉𝑉 𝐼𝐼𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂
𝑂𝑂𝑂𝑂𝑉𝑉 ∙ 𝑜𝑜𝐷𝐷𝑃𝑃𝑀𝑀 (4.13)
kjer je
- 𝐼𝐼𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂 konstanti tok na izhodu (1,5 A)
- 𝑓𝑓𝑋𝑋𝑃𝑃𝑋𝑋 maksimalna stikalna frekvenca krmilnika (85 kHz)
- 𝑉𝑉𝑂𝑂𝑂𝑂𝑉𝑉 minimalna napetost, ki si jo želimo na izhodu (19,5 V)
Minimalna kapacitivnost potrebna na izhodu znaša 90,5 µF. V vezju pa smo se odločili da bomo dodali večje kondenzatorje, da bomo izboljšali samo glajenje vezja.
Uporabili smo en 470 µF kondenzator na eni strani tuljave, ki je velika 68 µH in dva 470 µF kondenzatorja na drugi strani.
Izhodnega bremena nismo dodali, saj bo to breme predstavljal Metrelov instrument, ki bo vedno povezan na izhodne sponke napajalnika.
Slika 18: Shema izhodnega vezja
4.8 Odvajanje toplote 31
4.8 Odvajanje toplote
Pri nizkih vhodnih napetostih teče skozi vezje velik električni tok, ki povzroča višjo porabo moči in gretje komponent ter tiskanine. Za uspešno odvajanje toplote iz tiskanine smo dodali manjše hladilne površine, na katere smo pritrdili hladilna telesa.
Na krmilnih tranzistorjih Q1 in Q2 se lahko pojavi velika poraba moči, kar povzroči pregrevanje. V ta namen smo na vsak tranzistor dodali hladilnik, ki je uspešno znižal temperaturo.
Slika 19: Odvajanje toplote na tranzistorjih
Pri vklapljanju in izklapljanju krmilnih tranzistorjev, se na primarnem navitju pojavijo visoke tokovne in napetostne konice, ki jih je potrebno zatreti. Uporabili smo ustrezno vezje, ki pa se zaradi porabljanja viška energije konic močno greje. Poleg vezja smo dodali manjšo hladilno površino z manjšimi hladilnimi telesi.
Slika 20: Odvajanje toplote na vezju za dušenje visokonapetostnih konic
32 4 Načrtovanje napajalnika
Na izhod sekundarnega navitja sta povezani diodi, ki imata padec napetosti 1,3 V. Skozi njiju teče 1,5 A, kar predstavlja 2 W porabe moči samo na dveh sekundarnih diodah. Vsaki diodi smo dodali svojo hladilno površino in hladilna telesa.
Slika 21: Odvajanje toplote na sekundarnih diodah
33
5 Načrtovanje tiskanine
Za izdelavo sheme in tiskanega vezja smo uporabili program Altium Designer verzije 21. Odločili smo se da bo tiskanina dvoplastna in da bodo komponente le na zgornji strani. Pri načrtovanju pa smo se trudili držati pravil. Zagotovili smo:
- ločitev analogne in visokofrekvenčne mase
- čim večjo površino mase in s tem zmanjšali induktivnost - primerne razdalje med komponentami v skladu s standardi - čim krajše tokovne zanke
- ustrezna razdelitev vezja po sklopih delovanja
- čim krajše povezave in s tem čim manjši presluh med linijami
- postavitev VS uporov čim bližje priključku VS za zmanjšanje kapacitivnih motenj
Velikost tiskanine in položaj lukenj je bil znan vnaprej, ker smo imeli določeno ohišje v katerem bo napajalnik. Tiskanina je bila dolga 167 mm, široka 72 mm in imela pet pritrdilnih lukenj.
34 5 Načrtovanje tiskanine
Slika 22: Ohišje tiskanine
Na vhodu je bila najbolj kritična postavitev varovalke, saj je bilo potrebno držati dvojno izolacijsko razdaljo za merilno kategorijo III. Okoli varovalke ni smelo biti nobene komponente v radiju 10,5 mm. Vhodni varistorji, kondenzatorji, upori in NTC- ja pa so morali biti med seboj oddaljeni za 5,5 mm oziroma enojno izolacijsko razdaljo.
Visokonapetostna linija, na kateri se lahko pojavi tudi 550 V izmenične oziroma 780 V enosmerne napetosti, je morala biti oddaljena najmanj 3 mm od ostalih linij in komponent.
Slika 23: Nevarni del tiskanine
4.8 Odvajanje toplote 35
Pri krmilniku je bilo potrebno zagotoviti čim krajše povezave uporov do priključka VS ter s tem zmanjšati napake zaradi dodatne kapacitivnosti.
Slika 24: Postavitev VS uporov
Zaradi visokih temperatur smo na vezju za dušenje napetostni konic dodali manjše odprto hladilno polje na katerega smo dodali še manjša hladilna telesa.
Slika 25: Vezje za dušenje napetostnih konic
Ko smo celotno tiskanino načrtali, smo jo poslali v izdelavo zunanjemu izvajalcu. Po tednu čakanja smo vezje sestavili in lahko pričeli z meritvami napajalnika.
36 5 Načrtovanje tiskanine
Slika 26: Vezje napajalnika
37
6 Meritve
Po sestavljanju tiskanega vezja smo opravili meritve in preverili samo delovanje napajalnika. Preverili smo, če napajalnik res deluje v območju med 85 V in 550 V ter hkrati zagotavlja na izhodu 19,5 V in 30 W moči. Na osciloskopu smo videli potek vklopa napajalnika. Preverili smo tudi zaščito pred previsokimi napetostmi tako, da smo ga priklopili na 4 kV in 8 kV napetost. Na koncu pa smo opravili še EMC meritve.
6.1 Vklop napajalnika
Napajalnik smo priklopili na 85 V izmenične napetosti pri 50 Hz in opazovali napetost na krmilniku na priključku VDD. Izmerili smo čas vklopa, ki je znašal 4,52 s.
Videli smo, da se je napetost dvignila na 21 V in nato je krmilnik začel preklapljati.
Napetost se je nato spustila na približno 16 V.
Slika 27: Napetost na priključku VDD ob vklopu
38 6 Meritve
Vklop napajalnika bi lahko pohitrili z manjšim vklopnim bremenom RSTR in z manjšo kapacitivnostjo CDD. Vendar ko smo kapacitivnost CDD zmanjšali na 1µF se napajalnik ni uspel zagnati, saj ni uspel doseči dovolj visoke napetosti.
6.2 Izkoristek
Želeli smo izračunati razmerje izhodne in vhodne moči, pri različnih bremenih.
Vzeli smo nastavljivo breme, ki smo mu spreminjali upornost od 0 Ω navzgor.
Priklopili smo ga na izhod napajalnika in vzporedno dodali še voltmeter. Napajalno napetost smo nastavili na 85 V izmenične napetosti pri 50 Hz. 100 % breme predstavlja upornost pri kateri na izhodu dobimo maksimalno moč. Dobili smo jo pri 14 Ω. 28 Ω predstavlja 50 % breme in 56 Ω predstavlja 25 % breme.
Izhodna moč je določena z enačbo:
𝑃𝑃𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 =𝐵𝐵𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼2𝑅𝑅 (6.1)
Vhodno moč nam ni bilo potrebno računati, saj jo je izmeril napajalnik, ki je napajal naš stikalni napajalnik.
Izkoristek je določen z sledečo enačbo:
η= 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼
𝑉𝑉𝐼𝐼 (6.2)
Pri spodnjih meritvah je frekvenca nastavljena na 50 Hz.
Tabela 4: Meritve pri 85 V, 50 Hz vhodne napetosti
R [Ω] UIZH [V] PIZH [W] PVH [W] η [%]
500 20,5 0,84 2,1 40
400 20,5 1,05 2,4 43,8
300 20,5 1,4 2,6 53,9
250 20,5 1,68 3,1 54,2
200 20,5 2,1 3,7 56,8
6 Meritve 39
175 20,5 2,4 4 60
150 20,6 2,83 4,5 62,9
125 20,6 3,4 5,2 65,3
100 20,7 4,29 6,4 67
75 20,7 5,71 8,1 70,5
50 20,7 8,57 11,7 73,2
40 20,7 10,7 14,4 74,4
35 20,8 12,36 16,5 74,9
32 20,8 13,52 18 75,1
30 20,8 14,42 19,2 75,1
28 20,9 15,6 20,7 75,4
26 20,9 16,8 22,3 75,3
24 20,9 18,2 24,3 74,9
22 21 20 26,5 75,6
21 21 21 27,7 75,8
20 21 22 29,4 75
19 21,1 23,4 30,9 75,8
18 21,1 24,7 32,2 76,8
17 21,1 26,2 34,9 75
16 21,2 28,1 38,2 73,5
15 21,2 30 41,5 72,2
14 21,3 32,4 44,5 72,8
13 21,4 32 44,4 72,1
40 6 Meritve
Slika 28: Moč na bremenu
Slika 29: Izkoristek napajalnika 0.00
5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00
5% 25% 50% 100%
Izhodna moč
Izhodno breme
P
IZH(R)
30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00
5% 25% 50% 100%
η[%]
Izhodno breme
