comutare

Întregul punct al comutatorului este că rectifică linia de curent alternativ la curent continuu, apoi toacă DC cu un oscilator cu ciclu variabil la o frecvență foarte mare, astfel încât să poată fi utilizat un transformator mic. Transformatoarele la frecvențe înalte nu au nevoie de miezuri mari sau multe înfășurări pentru multă putere, așa că pot fi făcute mici și la un cost redus. Ciclul de funcționare al oscilatorului poate fi ajustat cu feedback, astfel încât reglarea să poată fi făcută fără a pierde nicio putere în proces. Astfel, puteți obține o reglementare bună și o eficiență bună în același timp.

Acest articol se va concentra pe consumabilele flyback operate de linie. Există și alți convertoare de topologie și sunt populare atunci când izolarea liniei nu este necesară, dar când te uiți la ceea ce se întâmplă între intrarea de curent alternativ și șinele de curent continuu pe o piesă de echipament electronic astăzi, aceasta este topologia de bază utilizată, deoarece oferă un bun eficiența și izolarea liniei.

Cum funcționează comutatoarele
Figura 1 prezintă un eșantion de proiectare a sursei de comutare (datorită Texas Instruments). Aceasta provine din foaia de date UC2842 și folosește cipul de controler comun UC2842 PWM. (Fișa tehnică poate fi găsită în secțiunea Materiale suplimentare a site-ului audioXpress, consultați Fișierele proiectului pentru link.) Rețineți că acest design, așa cum este tipic, are o izolare completă între laturile primare și secundare ale circuitului. Puteți trage o linie în cap prin miezul transformatorului și prin optocuplor și puteți rupe circuitul în două jumătăți izolate electric. Acesta este un punct important și veți vedea acest lucru în aproape toate sursele de orice dimensiune, deoarece izolarea de linia electrică este o preocupare principală de siguranță.

Alimentarea de curent alternativ se oprește de pe linie și este rectificată prin redresorul de pod, DBRIDGE. Ieșirea încarcă un condensator mare de filtru pe partea principală CIN, care oferă o tensiune continuă filtrată (dar greu fără ondulații) la primarul transformatorului, NP, precum și tensiune pentru a porni cipul de modulare a lățimii impulsului (PWM) prin rezistor RSTART.

RSTART furnizează doar o cantitate mică de curent pentru a porni dispozitivul, așa că odată ce primul impuls îl face prin tranzistorul cu efect de câmp (FET), curentul de la o a treia înfășurare pe transformator este utilizat pentru a furniza energie pentru a rula oscilatorul. Aceasta este ceea ce înseamnă NA și DBIAS. S-ar putea să nu vedeți cea de-a treia înfășurare, s-ar putea să vedeți doar toată puterea de rulare trasă printr-un rezistor de cădere de putere mai mare în locul RSTART. Dar utilizarea celei de-a treia înfășurări îmbunătățește foarte mult eficiența.

Când oscilatorul PWM funcționează, acesta trimite impulsuri constante de la pinul de ieșire. Aceasta pornește comutatorul mare FET, QSW, care impulsionează curentul care trece prin transformator. Pe măsură ce se întâmplă acest lucru, curentul este indus în transformatorul secundar, rectificat și filtrat de DOUT și COUT, iar curentul curge din ieșire.

Deoarece oscilatorul PWM este atât de rapid, transformatorul și condensatorul filtrului de pe partea secundară pot fi foarte mici. Deși acel capac de 2200 ? F poate părea mare, dacă oscilatorul funcționează la 60 kHz, este de o mie de ori mai eficient ca aceeași valoare de pe linia de 60 Hz.

Reglarea sursei de alimentare
Deci, cum funcționează regulamentul? Toate celelalte lucruri de pe secundar determină aprinderea LED-ului din optoizolator atunci când tensiunea de ieșire depășește 12 V. UC2842 furnizează o cantitate mică de 5 V reglată (realizată cu un regulator liniar intern) și că tensiunea la VREF este utilizată pentru alimentează etapa de ieșire a optoizolatorului. Oferă o tensiune variabilă la intrarea VFB pentru a oferi feedback către UC2842 că tensiunea este corectă și pentru a întoarce puțin ciclul de funcționare al formei de undă de ieșire.

Optoizolatorul nu trebuie să fie foarte liniar pentru ca ciclul de funcționare UC32842 să fie menținut chiar pe margine, astfel încât tensiunea de ieșire să fie întotdeauna perfectă. Intrarea ISENSE măsoară căderea de tensiune pe RCS, adică măsoară consumul de curent prin acel FET de comutare. UC2842 este proiectat astfel încât, dacă depășește 1 V, oprește circuitul PWM. Deci acesta este un circuit de protecție curent.

Acum, în mod normal, am vedea un rezistor și un condensator, RRT și CCT, conectați la pinul RT/CT și oferind o constantă de timp pentru oscilatorul PWM. În acest caz, amplificăm semnalul de rampă PWM de pe cel cu un tranzistor și îl aplicăm la intrarea ISENSE prin CRAMP și IRAMP, astfel încât circuitul să fie stabil pentru cicluri de funcționare foarte lungi. Aceasta se numește „compensare a pantei”, iar trucul pentru realizare este explicat pe scurt în foaia tehnică TI pentru cipul UC2842, dar nu și în fișele tehnice ale altor producători.

Și ce zici de celălalt tranzistor, cu CSS și RSS? Acesta este un mic circuit pentru a restrânge lățimea impulsului atunci când dispozitivul este pornit pentru prima dată și a încetini ușor pornirea, astfel încât componentele să fie mai puțin șocate. Acum, veți vedea alte variante pe acest circuit de bază.

Veți vedea o înfășurare suplimentară a transformatorului folosită pentru a oferi feedback, în locul optoizolatorului. Veți vedea că IC-ul PWM este condus direct de pe linia de curent alternativ în loc de acea înfășurare NA. Veți vedea mai multe circuite secundare și bare de siguranță. Dar acesta este designul de bază pe care îl veți vedea în interiorul oricărui comutator și astfel sarcina dvs. este să vă dați seama exact ce schimbări din acest design de bază există în circuitul dvs.

Cum să determinați ce aveți
Vestea proastă este că de cele mai multe ori nu veți avea nicio documentație pentru comutator. Vestea bună este că de cele mai multe ori comutatorul va fi foarte aproape de circuitul eșantion de pe foaia tehnică a cipului PWM (vezi Figura 2). Nu întotdeauna, și nu pentru consumabile de ultimă generație, dar de multe ori obținerea fișei tehnice cu cip vă va spune 90% din ceea ce se întâmplă cu circuitul.

Marea majoritate a consumabilelor de calitate mai bună din China par să utilizeze seria de controlere PWM C2842/UC2843/UC3842/UC3843. Acestea sunt realizate de o duzină de companii diferite, inclusiv Fairchild Semiconductor, ON Semiconductor, TI și STMicroelectronics, iar fiecare dintre aceste companii are o foaie de date ușor diferită, cu circuite de eșantionare ușor diferite. Deci, dacă nu vedeți circuitul pe care l-ați întâlnit în fișa tehnică, obțineți o altă fișă tehnică de la un alt producător și probabil o veți vedea (a se vedea Figura 3).

Fairchild KA7552 apare în mai multe dispozitive (vezi fotografia 2). Acesta a fost un design Samsung, vândut acum de Fairchild de când au preluat facilitățile și linia de produse Samsung. Este vag asemănător cu UC2842, deși are un pinout diferit.

Uneori veți vedea controlerul TL594 PWM de la ON Semiconductor. Din nou, există câțiva alți furnizori pentru acest lucru, deci ar trebui să verificați mai multe foi de date. Un IC foarte popular pe care îl veți găsi în dispozitivele cu o singură ieșire cu putere redusă este seria TOP242 de cipuri realizate de Power Integrations. Acestea sunt oscilatoare PWM integrate pe același substrat cu o putere mare FET. Adăugați un transformator, câteva redresoare și un optoizolator și aveți o sursă completă de comutare într-o cutie. Desigur, eșuează frecvent, dar sunt destul de ușor de diagnosticat.

Cu toate acestea, există zeci de opțiuni de putere și pachet pe aceste cipuri, astfel încât să nu le puteți ține întotdeauna la îndemână. Un dispozitiv similar, dar mai puțin popular este MC33374. O mulțime de produse mai puțin costisitoare fabricate în China vor folosi IC de control AP3021, iar acest cip este fabricat și vândut sub zeci de nume diferite de zeci de companii diferite din China. Documentația de pe acesta este slabă, dar dacă întâlniți vreodată un controler PWM cu aspect criptic în care pinul # 6 nu este utilizat, este probabil să fie un AP3021 sau o copie. Fișele tehnice în limba engleză pentru acest produs sunt, în cel mai bun caz, slabe, dar odată ce ai o idee despre detaliu și cum funcționează, ar trebui să poți afla ce se întâmplă.

Întâlnirea cu Neașteptatul
Nu orice alimentare este o singură sursă de comutare într-o cutie. Uneori veți întâlni sisteme cu mai multe comutatoare în aceeași cutie, oferind mai multe tensiuni de ieșire, fiecare reglată. Este mai obișnuit să găsiți mai multe tensiuni pe un transformator cu o singură tensiune de ieșire utilizată pentru bucla de control, dar unele aplicații necesită o reglare bună cu sarcini foarte variate.

Uneori există o a doua sursă de alimentare „mereu pornită” care furnizează o tensiune de așteptare utilizată pentru a rula procesorul care controlează puterea principală. Acest lucru este foarte frecvent pentru monitoare video și computere. Adesea, această sursă este pe o placă mică, deoarece are nevoie de o bună izolație electrică de la restul componentelor electronice, dar nu trebuie să producă multă energie.

Dacă vedeți o mulțime de tranzistoare discrete mici peste tot, o presupunere bună este că acestea sunt implicate în sistemele de oprire automată, pentru a se opri în caz de tensiuni sau curenți mari sau mici la unul sau mai multe locuri. Depanarea acestor circuite fără un manual poate fi un adevărat coșmar, deoarece poate fi dificil să ne dăm seama la ce tensiuni declanșează piesele individuale.

Din când în când, pentru aplicații audio sau alte aplicații cu zgomot redus, veți vedea regulatoare de serie liniare pentru o ușoară netezire suplimentară, situate după alimentarea cu comutare. Deoarece acestea se pot încălzi, acestea sunt o sursă obișnuită de probleme, dar destul de ușor de diagnosticat, deoarece puteți vedea că intră și iese din ele.

Rezolvarea problemei
Dacă aveți documentație cu privire la sursa de alimentare, jumătate din lucrare este făcută pentru dvs. Dacă nu, cunoașteți diagrama bloc de bază și puteți elabora manual piesele individuale din fiecare bloc. Obținerea fișei tehnice pentru cipul PWM vă va spune o sumă imensă, deoarece majoritatea circuitelor PWM și, uneori, consumabile întregi sunt doar copiate din fișele tehnice ale producătorilor. Adesea cipul PWM va avea mai multe surse. De exemplu, puteți obține controlerul comun P42 2842 de la cel puțin patru furnizori diferiți. Toate au fișe tehnice diferite și dacă circuitul dvs. nu este pe unul, s-ar putea să fie pe altul.

Dacă sursa de alimentare este pornită, dar imediat bare de prindere, primul lucru de făcut este să verificați sau să înlocuiți toți condensatorii de filtrare de pe partea secundară a transformatorului. Alte lucruri pot provoca acest lucru, cum ar fi un redresor cu scurgeri pe secundar sau un rezistor defect într-un circuit de curent, dar sunt mult mai puțin frecvente.

Uneori, capacele vor fi suficient de scurte încât alimentarea va porni fără sarcină, dar nu va funcționa cu nicio sarcină pe ea. Înclinarea dvs. este să dați vina pe sarcină pentru că trage prea mult curent, dar nu este întotdeauna sarcina. Când aveți dubii, schimbați capacele și apoi luați diagnosticul de acolo.

Multe surse de alimentare utilizează un „condensator kickstart” pentru a furniza curent pentru a le porni. Acest lucru nu este prezentat în exemplul dat mai sus, dar este o configurație destul de comună. Dacă sursa de alimentare a funcționat, a fost oprită, dar nu s-ar reporni deloc, înlocuiți condensatorul kickstart. Dacă nu există nicio documentație, este probabil să fie un electrolitic de 25 V până la 50 V de valoare foarte mică (1 μf sau 2 μf), situat lângă cipul PWM.

Condensatorul de înaltă tensiune (uneori doi condensatori) de pe alimentarea primară, care filtrează direct linia, rareori se vede că este defect în SUA. Cu toate acestea, în Europa, unde tensiunea de linie este de două ori mai mare și unde se utilizează aceleași surse de alimentare cu intrare multiplă, acei condensatori sunt adesea deficienți. Aprovizionările europene al căror comportament se modifică odată cu încărcătura trebuie verificate mai întâi.

Condensatoarele situate în apropierea sau sub radiatoare tind să se coacă foarte repede și sunt surse comune de defecțiune. De fapt, deoarece marea majoritate a defecțiunilor pe care le întâlniți vor fi legate de condensator, este foarte util să aveți un tester de rezistență în serie echivalent (ESR) pentru a efectua teste rapide în circuit. Cu toate acestea, sunt adesea înclinat doar să înlocuiesc toate electrolitice de la producători îndoielnici, chiar dacă testează bine, doar pentru că doresc o durată de viață mai lungă de la aprovizionare decât durata de viață probabilă a proiectului a fost.

Dacă problema nu este condensatorul, o defecțiune foarte frecventă este tranzistorul de putere sau FET (vezi QSW în Figura 1). De obicei, acestea pot fi ușor localizate prin găuri mari în placa unde se afla FET, prin toți cei trei pini ai FET care au continuitate între ei, sau prin eșecuri evidente ale diodei sau rezistenței în circuitul din apropierea FET. Dacă FET nu este „șters” (adică toți cei trei pini au continuitate și semnal sonor pe un tester de continuitate), ar putea fi util să-l testați în afara circuitului.

Dacă un FET este „șters”, totuși, orice va conduce poarta acelui FET a fost probabil distrus ca urmare a eșecului. Acesta este adesea cipul PWM și este bine să aveți cipuri PWM comune disponibile în coșul de schimb.

O regulă bună este că, în cazul în care tranzistorul de comutare sau FET a eșuat, ar trebui să înlocuiți dioda de protecție de pe baza sau poarta tranzistorului. Chiar dacă verifică bine, este posibil să nu fie. Dioda de amortizare DCLAMP este, de asemenea, una de verificat. FET-urile eșuează fără niciun motiv aparent, dar mai des sunt conduse la eșec de supratensiune (din diode de prindere proaste) sau supracurent (de la condensatori deficienți și scurgeri) sau temperaturi ridicate (de la designeri proastă).

Dacă aceste lucruri simple nu vă rezolvă problema, este timpul să începeți efectiv să faceți un diagnostic real. Scoateți contorul și începeți să priviți pinii cipului PWM. Vedeți o tensiune de intrare rezonabilă pe VCC? Vedeți o tensiune de referință de 5 V de la VREF? Vedeți mai puțin de un volt la ISENSE sau mai mult? Oscilatorul oscilează deloc? Începeți să vă asigurați că intrările la cipul PWM sunt bune și apoi că ieșirile la cipul PWM sunt bune. Dacă aveți o formă de undă pe pinul de ieșire, dar nu aveți nicio ieșire, începeți să priviți comutatorul FET sau tranzistorul, dioda de amortizare din jurul acestuia și așa mai departe. Dacă oscilatorul nu oscilează, ce lipsește?

Valorile exacte vor varia în funcție de cipul PWM utilizat, dar tabelul condițiilor de operare recomandate din foaia tehnică a cipului PWM vă va spune despre ce ar trebui să fie.

Regulile condensatorului
Regula 1: Majoritatea defecțiunilor la alimentarea cu comutare se datorează condensatorilor electrolitici defecte. Chiar și eșecurile FET sunt adesea consecințe pe termen lung ale unei probleme inițiale a condensatorului.

Regula 2: Nimeni nu a greșit vreodată înlocuind condensatoarele electrolitice de consum fabricate ieftin cu cele industriale de calitate superioară 105C. Este posibil să nu rezolve problema imediată, dar probabil va îmbunătăți fiabilitatea pe termen lung a aprovizionării. Așadar, nu petreceți mult timp încercând să decideți dacă un condensator este rău, doar înlocuiți-l. Timpul tău valorează mai mult decât un electrolitic.

Regula 3: Cumpărați condensatori de la un furnizor legitim precum Digi-Key, Newark/element14, Allied/RS, Mouser și așa mai departe. Există o mulțime de condensatori contrafăcuți pe piață, condensatori care nu provin de la producătorul de pe cutie.

Regula 4: Condensatoarele electrolitice eșuează de la vârstă și au marje slabe de inginerie, dar când alte tipuri de condensatoare au eșuat, se datorează faptului că altceva le-a cauzat eșecul.

Regula 5: Condensatoarele de tantal sunt de fapt electrolitice. Chimia este puțin diferită de cea a capacelor electrolitice din aluminiu, dar fiabilitatea pe termen lung și problemele legate de temperatură sunt aceleași. Rețineți că tantalele mai frecvente de „melci uscați” (acele tipuri epoxidice) tind să cedeze în pantaloni scurți și acest lucru le poate face mai ușor de identificat atunci când nu reușesc. Din păcate, înseamnă, de asemenea, că un eșec poate duce la daune colaterale majore.

Peroraţie
Nu vă fie teamă să lucrați la echipamente cu consumabile de comutare integrale. Poate dura mult timp pentru a obține modul în care funcționează și modurile de eșec mai frecvente, dar odată ce le faceți, de obicei nu sunt greu de remediat.

Dacă doriți să aflați cum să proiectați consumabilele de comutare (și ar trebui, deoarece aceasta este și o abilitate utilă), permiteți-mi să recomand „Nota tehnică liniară 25: Comutarea regulatorilor pentru poeți”, scrisă acum 30 de ani de marele Jim Williams. Pe atunci, comutarea consumabilelor reprezentau lucruri noi de lux pe care designerii tocmai le obțineau, iar IC-urile disponibile erau mult mai limitate și mai grosolane, așa că descrierea lui Williams a trebuit să fie detaliată. Este un document excelent, disponibil în multe locuri de pe web. B

Fișiere de proiect
Pentru a descărca foaia tehnică Texas Instruments UC2842, vizitați audioXpress-Supplementary-Material

Resursă
J. Williams, „Linear Technology Application Note 25: Switching Regulators for Poets”, septembrie 1987.

Acest articol a fost publicat inițial în audioXpress, ianuarie 2018.


Despre autor
Scott Dorsey este licențiat în inginerie electrică, în timpul căruia a lucrat în industria de difuzare și înregistrare. După câțiva ani lucrând la un studio important, a luat un loc de muncă la un contractor de apărare. Acest lucru i-a lăsat timp să înregistreze concerte live pentru muzică acustică și să proiecteze și să construiască dispozitive audio pentru uz personal și contractate de mai mulți producători și importatori audio. Scott este un colaborator obișnuit la mai multe reviste audio. Publică recenzii de echipamente și proiecte DIY de la mijlocul anilor 1980. El este probabil cel mai bine cunoscut în comunitatea audio generală pentru proiectele sale de modernizare electronică în microfoane ieftine Oktava, AKG și Feilo.