 |
 |
|
|
|
 |
 |
| Теги статьи: | Добавить тег |
Проектируем обратноходовой ИБП программой PI Expert
Автор: maksipus
Опубликовано 12.11.2015
Создано при помощи КотоРед.
В любой конструкции самодельщика при питании от сети есть блок питания. До недавнего времени его выполняли на обычном 50Гц трансформаторе. Но старые запасы трансформаторов у дедов на рынках истощились, а продаваемый новодел сегодня кусается по цене. Конструкции становятся меньше размером и часто классический блок питания занимает неприлично много места.
Блок питания 7,5 Ватт на м. схеме TNY275
Занимает места, чуть больше чем контроллер Mega16.
Сравнение габаритов блоков питания.
1. Классический 3Вт+импульсный стабилизатор.
2. Обратноходовой 28Вт+ стабилизатор тока.
Габариты практически одинаковые. Мощ-ть в 10 раз больше.
В 28Вт блоке питания были ограничения по высоте. Она получилась 21мм. Самой высокой деталью оказались радиаторы.
До последнего времени импульсный блок питания был довольно сложной конструкцией и спроектировать и сделать его самодельщику было не так просто. Не хотелось тратить время и деньги на непредсказуемую конструкцию. Сегодня положение изменилось. Импульсный блок питания можно спроектировать и сделать с первой попытки не заботясь, что затратиш массу времени на расчет, настройку и покупку второго_третьего комплекта силовых элементов, после фейерверка на рабочем столе.
Для изготовления импульсноых блоков питания в своих кострукциях я выбрал продукцию фирмы Power Integrations. Микросхемы для обратноходовых ИБП
— огромная номенклатура специализированных микросхем с верхней границей 250Вт
— интеграция в одном корпусе силовых и управляющих элементов
— встроенная, очень развитая защита практически на все нештатные ситуации
— и самое главное, это фирменная, бесплатная очень удобная программа расчета на русском языке PI Expert . Скачать её можно свободно на сайте фирмы Power Integrations.
На рассмотрении этой программы я остановлюсь более подробно.
Почему именно она, а не другие программы расчетов?
Программа расчитывает не только конструкцию импульсного трансформатора, а генерирует целый пакет документации. Вам не надо делать тепловые расчеты радиаторов силовых элементов, заботится о фазировке трансформатора, его заполнении обмоточным проводом, придумывать топологию платы, заботится о возможной замене применяемых компонентов имеющихся в наличии, выискивать в справочниках и даташитах параметры элементов. Все это есть на борту программы. Вы меняете компоненты,, программа проверяет реальную возможность ваших замен и в случае ошибки выдает предупреждение и рекомендации по устранению неправильных действий. Огромным плюсом является большая библиотека компонентов, начиная от контроллеров вторичного питания, активных компонентов и заканчивая резисторами. В библиотеку очень просто добывлять новые компонеты имея под руками даташит на них.
Рассмотреть программу я хочу на конкретном примере. Это импульсный блок питания для настольной сверлилки. Описывать буду только основные моменты, так как программа большая и понятная. Те проблемы, которые встанут перед любителем при первом проектировании конструкции. Некоторые шаги проектирования я не буду рассматривать так как они понятны и логичны. Надо только один вечер посидеть за компом и просчитать одну конструкцию.
Параметры проектируемого блока питания:
Входное напряжение 180-265вольт. Выход 12вольт 10ампер. 120Вт.
У меня имелся в запасе контроллер ТОР247, и сердечник с каркасом ETD39/20/13. Попробуем собрать блок питания на них.
1. После ввода основных входных параметров я получил вот такую картинку со схемой и кучей приложений.
Меня не устраивает такое решение. Программа просчитала схему по экономической эффективности, но мне эту конструкцию массово не делать и нужны мои детали. Щелкаем мышкой по контроллеру и выбираем ТОР247. Судя по таблице, его применение возможно для этой мощности. Точно также можно заменить любые компоненты. Я поменял выходные и входные диоды. Конденсаторы выпрямителя. Убрал за ненадобностью дроссель вторички, поменял TL431 на обычный стабилитрон, даже низкоомные сопротивления в обвязке контроллера поменял на имеющиеся. Меняете и смотрите за окном советов. Нет замечаний, спокойно применяете. Единственное это то, что программа иногда пытается вернуть ранее откорректированные элементы по своему разумению. Тут надо следить за ней и возвращать ваши комлектующие. Если что то непонятно в совете или замечании, мышкой щелкаете по графе советов и выскакивает подробное описание проблемы и как её устранить. Пробуйте, писать можно долго, но практика лучше, слишком все просто.
Конечно, основная проблема при проектировании обратноходового ИИП это трансформатор (хотя более точно это не трансформатор, а двухобмоточный дроссель) и формирование зазора в нем.
На этом остановимся более подробно. Программа выбрала самый дешевый сердечник ЕЕ35 и предложила оптимальный, но дикий зазор 0.597мм. Меня это не устраивает. Щелкаем мышкой на схеме по трансформатору, выпадает окно трансформаторов и параметров.
Необходимо применить имеющийся в закромах сердечник ETD39/20/13, провод д.0,4мм и получить зазор, который можно сделать. Выбираем в табличке наш трансформатор, получаем такие значения
Замечаний нет, зазор такой просто сделать. Но если зазор нам не подходит, или нет нужного изоляционного материала для зазора можно подогнать его к желаемому, сейчас это и попробуем.
Нажимаем в левой колонке "Основные параметры" 
И начинаем менять " Витков в главной вторичной обмотке " Тут торопиться не надо, постоянно возвращаемся в главное окно и смотрим что получается. Предположим, что у нас есть сердечник с заводским зазором 0.75мм. Увеличиваем количество витков вторичной обмотки до 4 и получаем зазор равный 0.77мм. Приблизились к нужному. Понятно, что количеством витков мы грубо меняем зазор, переходим к точной настройке.
Уходим в строку " Напряжение обратного хода" и методом тыка, находим такое напряжение обратного хода, при котором зазор будет такой какой нам нужен.
Все, зазор мы имеем запланированный, марка сердечника какую хотели. Все просто и быстро, без массивной арифметики и возникающих ошибок. Я настоятельно рекомендую очень дотошно изучить все пункты левой панели "Панели навигации". Чем дольше я считаю блоки питания в этой программе тем больше удивляюсь, как хорошо инженеры Power Integrations её сделали. Любую мелочь можно найти, посмотреть и откоректировать. Рекомендую изучить её. Блок питания не тот узел, что бы с ним, с каждым париться. Сердечники я тоже рекомендую покупать с готовым зазором, это сегодня не проблема. Проектные параметры и реально полученные совпадают с большой точностью. Не забывайте, что зазор делается на заводе только в центральном керне, а самодельный получается в основном прокладками. По этому прокладка должна быть 12 от полученного в программе зазора. Так как зазор получается и в центральном керне и в переферийных ребрах.
Что бы закончить с трансформатором, поправим и проверим технологические вопросы.
Откорректируем диаметр проводов по наличию домашних запасов.
Откроем страницу " Параметры дизайна" и глянем на " Фактический коэффициент заполнения окна. " У нас все в порядке. Катушки займут только 54% окна.
Еще очень и очень много можно и нужно сделать, но это описывать намного дольше чем делать. Единственное, советую с первого раза не пропустить и сделать фазировку проводов. При намотке трансформатора вы не будете ломать себе голову в какую сторону мотать катушки и к каким выводам что запаяно. Сделав это в программе, забудете навсегда о фазировке катушек этих блоков питания. Для этого необходимо откорректировать номера выводов согласно разработанной схемы, а намотку производить по подробной инструкции в программе.
При разводке печатной платы надо придерживаться предложенной в программе топологии и рекомендаций. Устройство с импульсными токами, свои правила разводки не придумывайте. Быть умнее инженеров фирмы дело неблагодарное. Приведет это только к плачевному результату.
В результате был сделан вот такой небольшой блок питания с довольно солидными параметрами. На плате еще разведен стабилизатор тока для 1вт светодиода подсветки рабочей зоны, и реле автопуска.
Основные проблемы проектирования обратноходового ИБП я описал, это сердечник двухобмоточного дросселя и зазор. Остальное дело небольшой практики и желания. На первый блок питания вы потратите один-два вечера. Следующие будут получаться за один час.
Главное не забывать, что программа выполняет сложный алгоритм проектирования, а ваша задача правильно ей обьяснить, что вы от неё хотите. Однажды, делал 100Вт блоки питания для декоративной подсветки и рекламы. Заказчик гарантировал приличную сеть. Пришла зима, народ поврубал обогреватели, сеть просела, декоративная подсветка и реклама потухла. Блоки питания, как и было запроектировано, заблокировались при пониженном напряжения. Проблему решили, но проще было не допустить её, задав в начале программы нужное входное напряжение.
Мне источники вторичного питания фирмы Power Integrations нравятся практически своей неубиваемостью. Если выполнены все рекомендации программы, применены детали не с мусорки, микросхема сама себя защищает. Защищает от превышения максимального тока через силовой кристалл, пререгрева, короткого замыкания на выходе, большой емкостной нагрузки (софстарт), аварий в сети. Все вышеназванные защиты я проверил специально на реальном железе. Параметры самодельных трансформаторов, при аккуратной намотке, получаются очень хорошие. Даже индукция рассеяния не выходит за пределы полученной в программе.
Конструкция ИБП получается очень маленькой с небольшим количеством деталей и относительно дешевой. Основную стоимость ИБП составляют входные и выходные конденсаторы. Но они в любом блоке питания присутствуют. Несколько десятков ИБП сделанных мной запустились без проблем и малейшей настройки. Спаял — включил — работает. Как и должно быть. Блок питания это узел второстепенный, и хлопот он не должен доставлять.
«Как-то лет в 12 нашёл я старый трансформатор, слегка перемотал его и включил.
Энергосистема опознала нового радиотехника и приветливо моргнула всем домом.
Вот так я и начал изучать силовую электронику».
А тем временем традиционные линейные источники питания на силовых трансформаторах всё чаще стали вытесняться своими импульсными коллегами.
При этом, что бы там не говорили авторитетные товарищи про многочисленные технические достоинства импульсных преобразователей, плюс у них только один — массогабаритные показатели. Всё остальное — сплошной минус.
Однако этот единственный плюс оказался настолько жирным, что заслонил собой все многочисленные минусы, особенно в тех замесах, когда к электроустройствам не предъявляется каких-либо жёстких требований.
Наиболее популярными среди радиолюбителей стали сетевые источники питания, собранные на микросхемах IR2153 и IR2155, которые представляют из себя самотактируемые высоковольтные драйверы, позволяющие получать полумостовые импульсные блоки питания мощностью до 1,5 кВт с минимальной обвязкой.
И если сердце импульсного блока питания колотится внутри готовой буржуйской микросхемы, то главным, ответственным за электрохозяйство среди остальных наружных образований, безусловно, является правильно выполненный трансформатор.
Для наших высокотоковых дел лучше всего применять трансформаторы с тороидальным магнитопроводом. В сравнении с другими сердечниками они имеют меньший вес и габариты, а также отличаются лучшими условиями охлаждения обмоток и повышенным КПД.
Но самое главное — при равномерном распределении обмоток по периметру сердечника практически отсутствует магнитное поле рассеяния, что в большинстве случаев отметает потребность в тщательном экранировании трансформаторов.
По сути дела, умных статей в сети на предмет расчёта импульсных трансформаторов великое множество, с картинками, формулами, таблицами и прочими авторитетными причиндалами. Наблюдаются в свободном доступе и многочисленные онлайн-калькуляторы на интересующую нас тематику.
И снизошла б на нас благодать неземная, кабы вся полученная информация сложилась в наших любознательных головах в единое большое целое.
Да вот, что-то не получается. Ништяк обламывается из-за того, что следуя этими различным компетентным источникам, мы устойчиво получаем на выходе и различные результаты.
Вот и гуляют по сети идентичные радиолюбительские схемы импульсных блоков питания на IR2153 с идентичными заявленными характеристиками, трансформаторами на одних и тех же кольцах, но радикально не идентичным количеством витков первичных обмоток трансформаторов.
А когда эти различия выражаются многими разами, то возникает желание "что-то подправить в консерватории". Объясняется это желание просто — существенной зависимостью КПД устройства от значения индуктивности, на которую нагружены ключевые транзисторы преобразователя. А в качестве этой индуктивности как раз и выступает первичная обмотка импульсного трансформатора.
А для лучшего восприятия сказанного, приведу типовую схему источника питания на IR2153, не обременённую ни устройством защиты, ни какими-либо другими излишествами.
Рис.1
Схема проверена временем и многочисленными опытами изрядно пощипанных током, неустрашимых радиолюбителей, так что не работать в ней — просто нечему.
Ну и наконец, переходим к расчёту импульсного трансформатора.
Мотать его будем на бюджетных низкочастотных ферритовых кольцах отечественного производителя 2000НМ или импортных — EPCOS N87, а для начала определимся с габаритной мощностью тороидального ферритового магнитопровода.
Концепция выбора габаритной мощности с запасом в 10% от максимальной мощности в нагрузке, заложенная в режимы автоматического подбора сердечника в большинстве калькуляторов, хотя и не противоречит теоретическим расчётам, учитывающим высокий КПД импульсного трансформатора, но всё же наводит на грустную мысль о ненадлежащей надёжности и возможной скорой кончине полученного моточного изделия.
Куда мне ближе трактовка этого параметра, описанная в литературе: Pгаб>1,25×Рн .
Расчёты поведём исходя из частоты работы преобразователя IR2153, равной 50 кГц. Почему именно такой?
Не ниже, потому что такой выбор частоты позволяет нам уложиться в достаточно компактные размеры ферритового сердечника, и при этом гарантирует полное отсутствие сигналов комбинационных частот ниже 30 кГц при работе девайса в составе качественной звуковоспроизводящей аппаратуры.
А не выше, потому что мы пилоты. А феррит у нас низкочастотный и может почахнуть и ответить значительным снижением магнитной проницаемости при частотах свыше 60-70 кГц. Не забываем, что сигнал, на выходах ключей имеет форму меандра и совокупная амплитуда гармоник, с частотами в 3-9 раз превышающими основную, имеет весьма ощутимую величину.
Параметры первичной обмотки трансформатора рассчитаем при помощи программы Lite-CalcIT, позволяющей, на мой взгляд, вполне адекватно оценить как размер сердечника, так и количество витков первичной обмотки.
Результаты сведём в таблицу.
| Мощность блока питания, Вт |
Размеры кольца, мм ; (габаритная мощность, Вт) |
Количество витков первичной обмотки |
Индуктивность обмотки, мГн |
| 25 | R 20×12×6 2000НМ (33,8 Вт) R 22,1×13,7×6,35 №87 (51,5 Вт) |
R 22,1×13,7×7,9 №87 (63,9 Вт)
R 27×18×6 2000НМ (85,3 Вт)
R 32,0×20,0×6,0 №27 (141 Вт)
R 29,5×19,0×14,9 №87 (297 Вт)
R 30,5×20,0×12,5 №87 (265 Вт)
R 34,0×20,5×10,0 №87 (294 Вт)
R 34,0×20,5×12,5 №87 (371 Вт)
R 38×24×7 2000НМ (278 Вт)
R 38×24×14 2000НМ (565 Вт)
R 40×25×11 2000НМ (500 Вт)
R 45×28×16 2000НМ (1036 Вт)
R 45×28×24 2000НМ (1580 Вт)
R 58,3×32,0×18,0 №87 (2570 Вт)
Как следует мотать первичную обмотку трансформатора?
Рис. 2 а) 
б) в) г) д)
Если используются кольца 2000НМ отечественного производителя, то для начала — посредством наждачной бумаги скругляем наружные острые грани до состояния, приведённого на Рис.2 а).
Далее на кольцо следует намотать термостойкую изоляционную прокладку (Рис.2 б). В качестве изоляционного материала можно выбрать лакоткань, стеклолакоткань, киперную ленту, или сантехническую фторопластовую ленту.
Для буржуйских колец фирмы EPCOS первые два пункта практической ценности не имеют.
Настало время намотать однослойную обмотку «виток к витку» (Рис.2 в). Обмотка должна быть равномерно распределена по периметру магнитопровода — это важно!
Если в закромах радиолюбительского хозяйства не завалялся обмоточный провод необходимого диаметра, то обмотку можно намотать сразу в два, или несколько проводов меньшего диаметра (Рис.2 г). Не забываем, что зависимость тока от диаметра квадратичная и если, к примеру, нам надо заменить провод диаметром 1мм, то это будет не два провода по 0,5мм, а четыре (или два провода по 0,7мм).
Ну и для завершения первичного процесса поверх первичной обмотки трансформатора наматываем межобмоточную прокладку — пару слоёв лакоткани или другой изолирующей ленты (Рис.2 д).
А вот теперь мы плавно переходим к выполнению второй части упражнения.
Казалось бы, расчёты количества витков вторичной обмотки импульсного трансформатора настолько банальны и очевидны, что, как говаривал товарищ Мамин-Сибиряк — «яйца выеденного не стоят».
Да только вот опять — не складываются куличики в пирамидку, потому как далеко не каждый источник информации радует ожидаемым результатом. Поэтому для начала приведём формулу зависимости выходного напряжения от соотношения количества витков обмоток:
W1 (Uвх — Uдм1)/2 — Uнас ,
W2 (Uвых+Uдм2)
где Uвх — значение выпрямленного напряжения сети, равное 1,41×220≈310В,
Uдм1 — падение напряжения на входном диодном мосте ≈ 1В,
Uдм2 — падение напряжения на выходном диодном мосте ≈ 1В,
Uнас — напряжение насыщения на ключевом транзисторе ≈ 1,6В.
Подставив значения, получаем конечную формулу W2 = W1×(Uвых+1)/153.
Это формула верна для случаев, когда мы хотим получить расчётное значение выходного напряжения на холостом ходу.
Если же данный параметр нас интересует при максимальном токе нагрузки, то практика показывает, что количество витков вторичной обмотки следует увеличить на 10%.
Теперь, что касается диаметра провода вторичной обмотки трансформатора. Диаметр этот достаточно просто вычисляется по формуле:
D = 1,13×√ I / J ,
где I — ток обмотки, а J — параметр плотности тока, напрямую зависящий от мощности трансформатора и принимающий для кольцевых сердечников значения:
≈4,5 для мощностей до 50Вт; ≈4 для 50-150Вт; ≈3,25 для 150-300Вт и ≈2,75 для 300-1000Вт.
И в завершении приведу незамысловатый калькулятор для расчёта параметров вторичной обмотки импульсного трансформатора.
Точно так же, как и в случае с первичной обмоткой — вторичная должна быть как можно более равномерно распределена по периметру магнитопровода.
Количество вторичных обмоток ограничено только размерами магнитопровода. При этом суммарная величина снимаемых с обмоток мощностей не должна превышать расчётную мощность трансформатора.
При необходимости поиметь двуполярный источник питания, обе обмотки следует мотать одновременно, затем присовокупить начало одной обмотки к концу другой, а уже потом направить это соединение, в зависимости от личных пристрастий — к земле, средней точке, общей шине, корпусу, или совсем на худой конец — к GND-у.
Ну что ж, с трансформатором определились, пора озадачиться полным джентльменским набором настоящего мужчины — плавками с меховым гульфиком, а главное, непосредственно импульсным блоком питания, оснащённым такими значимыми прибамбасами, как устройства мягкого пуска и защиты от токовых перегрузок и КЗ.
Всё это хозяйство подробно опишем на странице Ссылка на страницу.
Сборник состоит из следующих программ:
ExcellentIT — расчёт импульсного трансформатора двухтактных мостовых, полумостовых и push-pull преобразователей.
Lite-CalcIT —упрощенная версия программы ExcellentIT.
Forward —расчёт трансформатора однотактного прямоходового преобразователя.
Booster —расчёт дросселя повышающих и понижающих импульсных стабилизаторов.
Flyback —расчёт дроссель-трансформатора обратноходового преобразователя.
Drossel—расчет дросселя на разъемных сердечниках
DrosselRing— расчет дросселя на кольцевом сердечнике
Trans50Hz—расчет силового трансформатора
Индуктивность—расчет индуктивности катушек
Все программы не требуют инсталляции, имеют понятный и удобный графический интерфейс.
Скачать их можно как по отдельности со странички http://www.vegalab.ru/forum/showthread.php/37101-Программы-расчета-трансформаторов-и-дросселей , где можно задать вопросы автору программ, так и одним архивом 1.60Mb .
Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи