PE AR 09/06

Síový spínaný
napájecí zdroj
Ing. Josef Jansa, Jaroslav Klátil OK2JI
Tento pøíspìvek se zabývá ovìøením funkce obvodu øady LinkSwitchO
ve spojení s transformátorem na jádøe KOOL Mµ. Dosud publikované
jednoduché spínané napájecí zdroje, vhodné i pro amatérskou konstrukci, pracují vìtšinou jako mìnièe DC/DC s relativnì nízkým vstupním stejnosmìrným napìtím (nejvýše desítky voltù). Mají-li tedy pracovat jako síové zdroje, neobejdou se bez klasického síového
transformátoru, který je zároveò bezpeènostním prvkem zdroje. Samozøejmì není problém nalézt i celou øadu zapojení zpracovávajících pøímo
usmìrnìné síové napìtí. Ty jsou však vesmìs pomìrnì složitá a zejména navíjecí pøedpis transformátoru na skládaných feritových jádrech pøípadného zájemce od vlastní realizace spolehlivì odradí.
Tuto situaci mohou zmìnit integrované obvody øady LinkSwitchO firmy
Power Integrations, které obsahují prakticky veškeré aktivní prvky jednoduchého izolaèního akumulaèního (blokujícího) mìnièe s výkonem
nìkolika W, napájeného pøímo usmìrnìným síovým napìtím. Relativnì
jednoduchý transformátor na skládaném mezerovém feritovém jádru
lze navíc dále zjednodušit použitím moderních slitinových toroidù.
Popis zapojení
Pro ovìøení funkce byl vybrán obvod
typu LNK501P, s nímž lze realizovat velmi
malé, levné a provoznì úsporné spínané napájecí zdroje s charakteristikou CV/CC (konstantní napìtí/konstantní proud). Jsou podle
výrobce vhodné zejména jako nabíjeèky akumulátorù a síové napájeèe mobilních telefonù, MP3 pøehrávaèù, digitálních fotoaparátù,
PDA, pøijímaèù GPS apod. V malém pouzdøe
DIP8 jsou integrovány veškeré øídicí, regulaèní a ochranné obvody a rovnìž vn spínací
MOSFET. Rozmìry pouzdra samozøejmì limitují dosažitelný výkon spínaného zdroje
- asi 3 W, jsou však pro danou oblast použití
plnì dostaèující.
Nemá smysl uvádìt podrobné detaily a
technické parametry obvodu, nebo je lze
vèetnì aplikaèních doporuèení nalézt na [1].
Obr. 1.
Schéma
zapojení
Tedy jen struèný pøehled:
- rozsah vstupních st napìtí 85 až 265 V;
- výstupní výkon až 3 W,
- spotøeba naprázdno pod 300 mW;
- úèinnost 70 až 75 %;
- pevný pracovní kmitoèet 42 kHz;
- výstupní charakteristika CV/CC;
- integrovaná tepelná ochrana;
- transformátor má jen dvì vinutí.
Vlastnosti obvodu byly ovìøeny v zapojení podle obr. 1, které je prakticky totožné
s doporuèením výrobce. Pøedstavuje zdroj
5,5 V/500 mA s charakteristikou CV/CC. Je
vhodný napø. jako síový zdroj èi nabíjeèka
zaøízení napájeného ètyømi NiCd/NiMH akumulátory. Hodnoty a typ souèástek (viz rozpiska) není bez dùkladného prostudování
podkladù výrobce radno mìnit. Deska s plošnými spoji je na obr. 2 a 3 a fotografie vzorku
na obr. 4.
Obr. 4.
Fotografie
zdroje
Obr. 2.
Deska
s plošnými
spoji
zdroje
Obr. 3.
Rozmístìní
souèástek
zdroje
22
Praktická elektronika A Radio - 09/2006
Transformátor
Klíèovou souèástkou mìnièe je transformátor, který musí splòovat øadu parametrù:
- malá rozptylová indukènost (výrobce doporuèuje pod 50 µH);
- úzká tolerance primární indukènosti (platí
zejména pro sériovou výrobu);
- schopnost pøenést na pracovní frekvenci
potøebný výkon s minimálními ztrátami
v jádøe i ve vinutí;
- co nejmenší rozmìry;
- dostateèná izolace primár/sekundár (st napìtí nejménì 2500 V).
Výrobce doporuèuje pro realizaci transformátoru feritové jádro EE13 s A L konstantou 190 nH/z 2 , èemuž odpovídá u jader
z bìžných výkonových feritù vzduchová mezera 0,08 mm. Pøi toleranci indukènosti ±10 %
a dostateènì úzké toleranci hodnot ostatních
souèástek je pøitom v sériové produkci zaruèena poloha bodu maximálního výkonu, tj.
bodu pøechodu charakteristiky CV do oblasti
CC, s vyhovující pøesností ±20 %.
Konstrukce transformátoru s mezerovým
skládaným jádrem s sebou však nese jistá
úskalí. Jde zejména o to, že vzduchové mezery
(zejména hlavní na støedním sloupku, ale
i zbytkové na styèných plochách) zpùsobují „vyfukování“ magnetického toku mimo jádro. Kromì prostorem se šíøícího rušení tak mùže
pøíliš jednoduše realizovaný transformátor
ovlivòovat souèástky ve svém okolí a tím
i správnou èinnost zdroje. Tomuto problému
se obvykle èelí pomocným stínicím vinutím
a obalením sestaveného transformátoru
uzemnìnou mìdìnou páskou.
Pøi sériové automatizované výrobì není
výroba takového transformátoru jistì problém, pro kusovou výrobu však ponìkud ano.
Protože je navíc dostupnost skládaných mezerových jader z materiálu typu H21 (N27) èi
lépe H24 (N67) a kostøièek k nim u nás mírnì
øeèeno problematická, byl místo doporuèeného jádra EE13 použit toroid z materiálu
KOOL Mµ [2] s podobnými magnetickými
rozmìry.
U toroidu sice do znaèné míry odpadají
problémy se vzduchovou mezerou a rušením, zabezpeèit izolaèní bezpeènost transformátoru je však ponìkud složitìjší. Na malém jádøe totiž není pro strojní bandáž
dostatek místa a ruèní navíjení izolaèní pás-
Obr. 5. Výstupní charakteristika zdroje
ky je pøece jen nepraktické. Proto byl na sekundární vinutí použit vodiè typu TEX se zaruèovanými izolaèními vlastnostmi, které
umožní vinout toroidní transformátor bez dodateèné izolaèní vrstvy mezi vinutími. Spolu
s plným zalitím jádra tak lze bez problému
dosáhnout požadovanou bezpeènost.
Realizovaný transformátor (viz rozpiska)
splnil požadavky na nìj kladené dokonale:
- rozptylová indukènost 36 µH;
- tolerance primární indukènosti v øádu jednotek procent;
- i pøi trvalé práci v oblasti maximálního výkonu jen nepatrné oteplení;
- zastavìná plocha srovnatelná s transformátorem na jádøe EE13;
- izolaèní (st napìtí) odolnost 4000 V.
Namìøené hodnoty
Výstupní charakteristika zdroje na obr. 5
prozrazuje, že bylo dosaženo maximálního
výkonu 2,88 W (do grafu je vynesena hyperbola tohoto výkonu), tedy praktické shody
s 2,75 W udávanými výrobcem.
Ze sklonu oblasti CV lze odhadnout výstupní odpor zdroje na asi 2 Ω, pøièemž
z typické charakteristiky uvedené výrobcem
lze usoudit na hodnotu vyšší než 3 Ω. Zda
jde o vliv rozptylu parametrù obvodù
LNK501P èi o pøíznivý vliv použitého transformátoru však zjišováno nebylo.
Obr. 6 ukazuje oscilogram výstupního
napìtí v blízkosti maximálního výkonu. Je
z nìj dobøe patrné pro akumulaèní mìniè typické pilové zvlnìní s amplitudou zhruba
120 mV. Pro funkci nabíjeèe akumulátorù je
tento prùbìh zcela vyhovující, pro napájení
citlivých zaøízení by bylo vhodné zaøadit výstupní LC filtr.
Pozn.: Pøi tomto mìøení je nutné dbát na
co nejkratší uzemnìní hrotu osciloskopu.
V opaèném pøípadì se do vzniklé smyèky naindukují rušivé impulsy, vznikající pøi spínání
MOSFET - pøíklad téhož mìøení s bìžným
zemnicím kablíkem délky asi 5 cm (viz obr. 7).
V jednom bodì výstupní charakteristiky, a to zhruba uprostøed oblasti CV, byl
závìrem zbìžnì ovìøen výrobcem udávaný
rozsah vstupních napìtí. Pøi napájení mìnièe
z 85 V pøitom nebyla ve srovnání s napájením
z 220 V zaznamenána prakticky žádná zmìna výstupního napìtí. Zapojení s LNK501P
je tedy bez jakékoliv zmìny - samozøejmì vyjma provedení síové zástrèky - univerzálnì
použitelné kdekoliv na svìtì.
Obr. 6. Oscilogram výstupního napìtí
v blízkosti maximálního výkonu
Obr. 7. Pøíklad mìøení s bìžným zemnicím
kablíkem délky asi 5 cm
Zapojení s dodateènou
stabilizací výstupního napìtí
obr. 12 a 13 pak deska s plošnými spoji
a rozmístìní souèástek.
Výrobce ve svých doporuèeních zmiòuje
možnost doplnit mìniè velmi jednoduchou
dodateènou stabilizací výstupního napìtí, jejímž úkolem je „vylepšit“ prùbìh výstupní
charakteristiky v oblasti CV a rovnìž zajistit
zúžení tolerance výstupního napìtí pøi sériové výrobì. Tato možnost byla provìøena v
zapojení podle obr. 8, které pøedstavuje stabilizovaný zdroj 13,8 V/230 mA doplnìný LC
filtrem výstupního napìtí. (Stabilizaci zajišuje optoèlen IO2, „opøený“ o trimrem P1 nastavitelnou referenci IO3.)
Oproti zapojení z obr. 1 byl použit transformátor s mírnì zvìtšenou primární indukèností, což se projevilo zvýšením maximálního výkonu na asi 3,3 W. (Upozornìní pro další
zvìtšování primární indukènosti a tím i výkonu: výrobce nedoporuèuje pøekroèit asi 3,5 W).
Pøi oživování mìnièe je vhodné dodateènou stabilizaci doèasnì vyøadit, tedy napø.
neosadit IO2 - stabilizaèní zpìtná vazba se
neuplatní a zdroj se bude chovat jako varianta
z obr. 1. Po ovìøení správné funkce mìnièe
lze IO2 osadit a trimrem P1 nastavit požadované výstupní napìtí.
Obr. 9 zachycuje jak charakteristiku
zdroje bez dodateèné stabilizace, tak i se
stabilizací nastavenou na koncové napìtí
13,8 V a na støední napìtí 12 V. Je zøejmé,
že tato stabilizace snižuje sklon CV oblasti
charakteristiky asi na polovinu. Vìtším pøínosem je však možnost regulace výstupního
napìtí v pøekvapivì širokých mezích, pøièemž nejvyšší dosažitelný výstupní proud
„klouže“ po hyperbole maximálního výkonu.
Na oblast CC však nemá dodateèná stabilizace podle oèekávání témìø žádný vliv - po
zmenšení zatìžovacího odporu pod pøíslušný
max. výkon všechny tøi charakteristiky prakticky splývají.
Tento mìniè je použitelný jako síový
zdroj èi nabíjeèka s nastavitelným výstupním
napìtím pro zaøízení napájená z malých hermetických 12 V olovìných akumulátorù èi
osmi až deseti akumulátorù NiCd/NiMH. Lze
ji použít též jako „zimní kondicioner“ autobaterií (trvale pøipojená nabíjeèka s malým proudem a definovaným koncovým napìtím). Díky
kvalitnímu výstupnímu filtru je zvlnìní jeho výstupního napìtí velmi malé - viz obr. 10. Na
obr. 11 je fotografie hotového výrobku, na
Rušení
Obr. 8. Schéma zapojení s
dodateènou stabilizací
Praktická elektronika A Radio - 09/2006
Zajímavým testem, který popisovaný mìniè s LNK501P na závìr podstoupil, byla
praktická zkouška rušení radiových pøijímaèù, tedy citlivého místa každého spínaného
zdroje. V dobøe vybaveném „ham-shacku“
OK2JI pøitom bylo zjištìno:
- Je vhodné zvìtšit hodnoty filtraèních kondenzátorù C1 a C2, nebo do výstupu proniká zejména pøi vìtším proudovém odbìru
zbytkové zvlnìní 100 Hz, viditelné i na osciloskopu.
- Mìniè je zdrojem vf rušení šíøícího se zejména síovým pøívodem. S kmitoètem sice
hladina rušení klesá, v tìsné blízkosti pøijímací antény jej však lze zachytit ještì v pásmu 144 MHz. Toto rušení lze citelnì potlaèit
již pouhým pøipojením svitkového kondenzátoru pøímo ke vstupním svorkám S1.
- Samotná deska mìnièe vyzaøuje podstatnì
ménì, pøièemž „ohnisky“ jsou podle oèekávání transformátor a obvod LNK501P.
Ve svìtle tìchto poznatkù lze popsaný
mìniè doporuèit zejména jako nabíjeèku
akumulátorù a síový zdroj pro pøímé napájení drobných spotøebièù èi jiných elektronických obvodù, u nichž není na závadu zvýšená hladina vysokofrekvenèního rušení. Pro
napájení zaøízení na rušení citlivých by bylo
nutné doplnit mìniè kvalitním vstupním filtrem s proudovì kompenzovanou tlumivkou
a kondenzátory CX, popø. i CY [4], který však
konstrukci prodraží a zvìtší její rozmìry.
Dostupnost souèástek
Pro individuální výrobu transformátoru lze
u firmy PMEC Šumperk [3] objednat primárním vinutím (238 z. 0,15 mm) ovinuté jádro
KOOL Mµ, plastové pouzdro 1/H a asi 2 m
vodièe TEX0200.
Poèet závitù sekundáru, navinutých tímto vodièem, se pøi dodržení hodnot ostatních
souèástek volí podle požadované velikosti
výstupního napìtí v oblasti maximálního vý-
Obr. 9. Charakteristika zdroje bez
dodateèné stabilizace i se stabilizací
23
Obr. 11.
Deska
s plošnými
spoji
zdroje
Obr. 12.
Rozmístìní
souèástek
zdroje
mátoru. Díky moderním toroidním jádrùm lze
navíc pomìrnì jednoduše realizovat i jejich
pracovní transformátor, což stavbu tìchto
zdrojù zpøístupòuje široké amatérské obci.
Upozornìní: zaøízení je galvanicky spojeno s rozvodnou sítí a pøi jeho oživování i provozu je proto nutné bezpodmíneènì dodržet veškeré pøíslušné
bezpeènostní pøedpisy a opatøení.
Literatura
Obr. 10. Zvlnìní výstupního napìtí
konu podle grafu na obr. 14. K zalití sestaveného transformátoru je ideální dvousložkový
polyuretanový resin, použitelná je i jakákoliv
jiná neagresivní, dobøe zatékající izolaèní
zalévací hmota urèená pro elektroniku. Postup individuální výroby dokumentuje obr. 15.
Cena jedné sady popsaných souèástí je
50,- Kè.
Filtraèní tlumivka L2 je realizována 17
závity drátu 0,8 mm na malém železoprachovém jádøe prùmìru 13 mm. Lze ji objednat
u PMEC za kusovou cenu 35,- Kè, použitelná je však jakákoliv jiná tlumivka podobné
hodnoty a rozmìrù s malým odporem vinutí.
Kromì obvodu LNK501P jsou všechny
ostatní použité souèástky bìžnì dostupné
u specializovaných prodejcù (GME, GES
apod.). Do doby, než se i tento obvod objeví
v jejich nabídce, jej lze také objednat u PMEC
(cena 30,- Kè).
Všechny uvedené ceny jsou bez DPH a
poštovného a s vìtším poètem objednaných
kusù samozøejmì klesají.
Závìr
S obvody øady LinkSwitchO se konstruktérùm otevírá možnost realizovat velmi malé,
úsporné, jednoduché a levné síové zdroje
výkonu do 3 W bez „plechového“ transfor-
[1] www.powerint.com/datasheets.htm
[2] Jansa, J., Jansa J. jun.: Tlumivky s práškovými jádry pro spínané zdroje. PE 1/2004.
[3] [email protected]
[4] Jansa, J.: Potlaèení rušení v pásmu 10 kHz
až 30 MHz. PE 9-10/1999.
Seznam souèástek
Obr. 1
Ro
R1
R2
C1
C2
C3
C4
C5
IO1
D1 až D4
D5
D6
L1
10 Ω/1 W, TR 276
20 kΩ/0,25 W ±1 %
100 Ω/0,25 W
4,7 µF/450 V, elyt. GME
4,7 µF/450 V, elyt. GME
1 µF/min 10 V, GME
100 nF/100 V, plast. GME
470 µF/25 V s malým ESR
LNK501 (DIP8)
B380C1000DIL 1 A/600 V
1N4937 (rychlá dioda 600 V)
SB160 (Schottky 1 A/min 60 V)
0,68 až 2,2 mH/min 80 mA
PMEC221/V 1m0
Tr1 jádro R13 KOOL Mµ 125 zákaznický
transformátor PMEC; prim. 229 z. 0,15 mm;
sek. 26 z. TEX0300
Po
T 200 mA v držáku do DPS
S1 svorkovnice 300 V GME ARK500/2B
S2 svorkovnice GME ARK550/2
Obr. 13. Fotografie osazené desky podle obr. 8
24
Obr. 14.
Obr. 8
Ro
R1
R2
R3
R4
P1
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
D1 až D4
D5
D6
IO1
IO2
IO3
L1
10 Ω/1 W, TR 276
10 kΩ/0,25 W ±1 %
100 Ω/0,25 W
10 kΩ/0,25 W ±1 %
1,2 kΩ/0,25 W
20 kΩ, cermetový
4,7 µF/450 V, elyt. GME
4,7 µF/450 V, elyt. GME
1 µF/min 10 V, GME
100 nF/100 V, plast. GME
2x 100 µF/50 V elyt. GME
2x 100 µF/50 V elyt. GME
100 nF/100 V plast. GME
10 nF/50 V, keram., GME
B380C1000DIL 1 A/600 V
1N4937 (rychlá dioda 600 V)
SB160 (Schottky 1 A/min 60 V)
LNK501, DIP8
TLP627, DIP4
TL431, TO-92
0,68 až 2,2 mH/min 80 mA
PMEC221/V 1m0
L2
10 µH, PMEC 221/B 10u
Tr1 jádro R13 KOOL Mµ 125 zákaznický
transformátor PMEC; prim. 238 z. 0,15 mm;
sek. 62 z. TEX0200
Po T 200 mA v držáku do DPS
S1 svorkovnice 300 V, GME ARK550/2
S2 svorkovnice GME ARK550/2
Obr. 15. Postup individuální výroby
Praktická elektronika A Radio - 09/2006