כיצד לתכנן מעגל אספקת חשמל 5 v 2a

יחידת אספקת החשמל (PSU) היא חלק חיוני בכל תכנון מוצרים אלקטרוניים. רוב המוצרים האלקטרוניים הביתיים כמו מטענים ניידים, רמקולי Bluetooth, בנקים חשמליים, שעונים חכמים וכו 'דורשים מעגל אספקת חשמל שיכול להמיר את זרם החשמל ל -5 וולט DC כדי להפעיל אותם. בפרויקט זה נבנה AC זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם זרם DC עם דירוג הספק 10W. זה המעגל שלנו ימיר את זרם החשמל 220V ל 5V ויספק זרם יציאה מרבי עד 2A. דירוג הספק זה אמור להספיק להפעלת מרבית המוצרים האלקטרוניים הפועלים על 5 וולט. גם מעגל SMPS 5V 2A פופולרי למדי באלקטרוניקה מכיוון שיש המון מיקרו-בקרים הפועלים על 5V.

הרעיון של הפרויקט הוא לשמור על מבנה פשוט ככל האפשר, ולכן אנו מתכננים את המעגל השלם על גבי לוח מנוקד (לוח perf) ונבנה גם שנאי משלנו כך שכל אחד יוכל לשכפל את העיצוב הזה או לבנות דומים. נכון מתרגש! אז בואו נתחיל. בעבר בנינו גם מעגל SMPS 12 וולט 15 וואט באמצעות מעגל מעגל, כך שאנשים המעוניינים כיצד לעצב מעגל מעגל לפרויקט PSU (יחידת אספקת חשמל) יכולים לבדוק זאת גם כן.

מעגל SMPS 5V 2A - מפרט עיצוב

זנים שונים של אספקת חשמל מתנהגים באופן שונה בסביבות שונות. כמו כן, SMPS עובד בגבולות קלט-פלט ספציפיים. יש לבצע ניתוח מפרט נכון לפני שתמשיך עם התכנון בפועל.

מפרט קלט:

זה יהיה SMPS בתחום ההמרה AC ל- DC. לכן הקלט יהיה AC. עבור ערך מתח הקלט, טוב להשתמש בדירוג קלט אוניברסלי עבור ה- SMPS. לפיכך, מתח ה- AC יהיה 85-265VAC עם דירוג 50Hz. בדרך זו ניתן להשתמש ב- SMPS בכל מדינה ללא קשר לערך מתח החשמל שלהם.

מפרט פלט:

מתח המוצא נבחר כ -5 וולט עם 2A מהדירוג הנוכחי. לפיכך, זה יהיה 10W פלט. מכיוון ש- SMPS זה יספק מתח קבוע ללא קשר לזרם העומס, הוא יעבוד במצב CV (מתח קבוע). מתח יציאה זה של 5V צריך להיות קבוע ויציב גם במתח הכניסה הנמוך ביותר במהלך עומס מרבי (2A) על פני הפלט.

רצוי מאוד שביחידת אספקת חשמל טובה יהיה מתח אדווה של פחות מ 30mV pk-pk. מתח האדווה הממוקד עבור SMPS זה הוא פחות מ- 30mV אדווה שיא. מכיוון ש- SMPS זה ייבנה ב- veroboard באמצעות שנאי מיתוג בעבודת יד, אנו יכולים לצפות לערכי אדווה מעט גבוהים יותר. ניתן להימנע מבעיה זו באמצעות PCB.

תכונות הגנה:

ישנם מעגלי הגנה שונים שניתן להשתמש בהם ב- SMPS לצורך פעולה בטוחה ואמינה. מעגל ההגנה מגן על ה- SMPS כמו גם על העומס הנלווה. בהתאם לסוג, ניתן לחבר את מעגל ההגנה על פני הקלט או על פני הפלט.

עבור SMPS זה, נעשה שימוש בהגנה מפני נחשולי כניסה עם מתח כניסה מקסימלי לתפעול של 275 וולט. כמו כן, כדי להתמודד עם בעיות EMI, ישמש מסנן מצב משותף למחיקת EMI שנוצר. בצד הפלט אנחנו נכלול הגנה לקצר, מתח יתר הגנה, ואת הגנת יתר נוכחית.

בחירת ה- IC לניהול כוח

כל מעגל SMPS דורש IC לניהול כוח המכונה גם החלפת IC או IC IC SMPS או IC מייבש יותר. בואו נסכם את שיקולי העיצוב לבחירת ה- IC האיכותי לניהול כוח המתאים לעיצוב שלנו. דרישות העיצוב שלנו הן

1. פלט 10W. 5V 2A בעומס מלא.
2. דירוג קלט אוניברסלי. 85-265 וולט ב 50 הרץ
3. הגנת נחשול קלט. מתח כניסה מרבי 275 וולט.
4. פלט קצר, מתח יתר והגנה על זרם יתר.
5. פעולות מתח קבועות.

מהדרישות שלמעלה יש מגוון רחב של ICs לבחירה, אך עבור פרויקט זה בחרנו בשילוב כוח. אינטגרציה כוחית היא חברת מוליכים למחצה שיש לה מגוון רחב של ICs של מפעיל כוח בטווחי תפוקת חשמל שונים. בהתבסס על הדרישות והזמינות החלטנו להשתמש ב- TNY268PN ממשפחות מתג II זעירות. השתמשנו בעבר ב- IC זה לבניית מעגל SMPS 12 וולט על גבי PCB.

בתמונה שלעיל מוצג הספק המרבי 15W. עם זאת, אנו נכין את ה- SMPS במסגרת הפתוחה ולדירוג הקלט האוניברסלי. בקטע כזה, TNY268PN יכול לספק פלט של 15W. בואו נראה את תרשים הסיכות.

תכנון מעגל SMPS 5v 2Amp

הדרך הטובה ביותר לבנות את סכמת ה- SMPS 5V 2A היא להשתמש בתוכנת מומחי ה- PI של אינטגרציה. הורד את תוכנת המומחה PI והשתמש בגרסה 8.6. זו תוכנת עיצוב אספקת חשמל מצוינת. המעגל המוצג להלן בנוי באמצעות תוכנת מומחה ה- PI של Power Integration. אם אתה חדש בתוכנה זו אתה יכול לעיין בסעיף העיצוב של מעגל SMPS 12V זה כדי להבין כיצד להשתמש בתוכנה.

לפני שנכנס היישר לבניית חלק האב-טיפוס, בואו נחקור את תרשים המעגל 5v 2A SMPS ואת פעולתו.

במעגל יש את הסעיפים הבאים-

1. נחשול קלט והגנה על תקלות SMPS
2. המרת AC-DC
3. פילטר PI
4. מעגל נהג או מעגל מיתוג
5. הגנת נעילה תחת מתח.
6. מעגל מהדק.
7. מגנטיות ובידוד גלווני.
8. פילטר EMI
9. מיישר משני ומעגל סנובור
10. קטע סינון
11. מדור משוב.

נחשול קלט והגנת תקלות SMPS:

סעיף זה מורכב משני רכיבים, F1 ו- RV1. F1 הוא נתיך מכה איטי 1A 250VAC ו- RV1 הוא MOV של 7mm 275V (Varistor תחמוצת מתכת). במהלך נחשול מתח גבוה (יותר מ 275 וולט), ה- MOV נעשה קצר ומתקיע את נתיך הקלט. עם זאת, בשל תכונת המכה האיטית, הנתיך עמיד בפני זרם הזרימה דרך ה- SMPS.

המרת AC-DC:

קטע זה נשלט על ידי גשר הדיודה. ארבע הדיודות הללו (בתוך DB107) מייצרות מיישר גשר מלא. הדיודות הן 1N4006, אך 1N4007 הסטנדרטי יכול לבצע את העבודה בצורה מושלמת. בפרויקט זה, ארבע הדיודות הללו מוחלפות במיישר גשר מלא DB107.

מסנן PI:

במדינות שונות יש תקן שונה לדחיית EMI. תכנון זה מאשר את תקן EN61000 Class 3 ומסנן ה- PI מתוכנן בצורה כזו להפחתת דחיית EMI במצב משותף. קטע זה נוצר באמצעות C1, C2 ו- L1. C1 ו- C2 הם קבלים של 400 וולט 18uF. זהו ערך מוזר ולכן נבחר 22uF 400V ליישום זה. ה- L1 הוא חנק במצב נפוץ שלוקח אות EMI דיפרנציאלי לבטל את שניהם.

מעגל נהג או מעגל מיתוג:

זה הלב של SMPS. הצד העיקרי של השנאי נשלט על ידי מעגל המיתוג TNY268PN. תדר המיתוג הוא 120-132 קילו-הרץ. בשל תדר מיתוג גבוה זה, ניתן להשתמש בשנאים קטנים יותר. למעגל המיתוג שני מרכיבים, U1 ו- C3. U1 הוא הנהג הראשי IC TNY268PN. ה- C3 הוא הקבל העוקף הדרוש לעבודת IC הנהג שלנו.

הגנת נעילה תחת מתח:

הגנת נעילה תחת מתח נעשית על ידי נגד החישה R1 ו- R2. הוא משמש כאשר ה- SMPS עובר למצב הפעלה מחדש אוטומטית וחוש את מתח הקו. הערך של R1 ו- R2 נוצר באמצעות הכלי PI Expert. שני נגדים בסדרה הם אמצעי בטיחות ונוהג טוב כדי למנוע בעיות של כשל בנגדים. לפיכך, במקום 2M, משתמשים בשני נגדי 1M בסדרה.

מעגל מהדק:

D1 ו- D2 הם מעגל המהדק. D1 היא דיודת TVS ו- D2 היא דיודת התאוששות מהירה במיוחד. השנאי משמש משרן ענק על פני מנוע החשמל IC TNY268PN. לכן במהלך כיבוי מחזור, השנאי יוצר קוצים של מתח גבוה עקב השראות הדליפה של השנאי. קוצים מתח בתדר גבוה אלה מדוכאים על ידי מהדק הדיודה על פני השנאי. UF4007 נבחר בשל התאוששות מהירה במיוחד ו- P6KE200A נבחר לפעולת TVS. בהתאם לתכנון, מתח ההידוק הממוקד (VCLAMP) הוא 200 וולט. לכן, נבחר P6KE200A ולבעיות הקשורות לחסימה מהירה במיוחד, UF4007 נבחר כ- D2.

מגנטים ובידוד גלווני:

השנאי הוא שנאי פרומגנטי והוא לא רק ממיר את מתח המתח הגבוה לזרם מתח נמוך אלא גם מספק בידוד גלווני.

מסנן EMI:

סינון EMI נעשה על ידי הקבל C4. זה מגביר את חסינות המעגל כדי להפחית את הפרעות ה- EMI הגבוהות. זהו קבלים מסוג Y עם דירוג מתח של 2kV.

מיישר משני ומעגל סנובור:

הפלט מהשנאי מתוקן ומומר ל DC באמצעות D6, דיודת מיישר שוטקי. מעגל הצנרת על פני D6 מספק דיכוי המתח חולף במהלך פעולות מיתוג. מעגל הצנרת מורכב מנגד אחד וקבל אחד, R3 ו- C5.

קטע מסנן:

קטע המסנן מורכב מקבל סינון C6. זהו קבל ESR נמוך לדחיית אדווה טובה יותר. כמו כן, מסנן LC המשתמש ב- L2 ו- C7 מספק דחיית אדווה טובה יותר על פני הפלט.

מדור משוב:

מתח המוצא מורגש על ידי U3 TL431 ו- R6 ו- R7. לאחר חישת הקו, U2, מצמד האופטות נשלט ומבודד באופן גלווני את חלק חישת המשוב המשנית עם בקר הצד הראשי. המצמד האופטי כולל בתוכו טרנזיסטור. על ידי שליטה על ה- LED, הטרנזיסטור נשלט. מכיוון שהתקשורת נעשית באופן אופטי, אין לה חיבור חשמלי ישיר, ולכן מספק את הבידוד הגלווני גם במעגל המשוב.

כעת, כאשר ה- LED שולט ישירות בטרנזיסטור, על ידי מתן מספיק הטיה על פני ה- LED של מצמד האופטי, ניתן לשלוט על הטרנזיסטור של מצמד האופטי, ליתר דיוק מעגל הנהג. מערכת בקרה זו משמשת את TL431. מווסת שאנט. מכיוון שלווסת השאנט יש מחלק נגדים על פני סיכת הייחוס שלו, הוא יכול לשלוט על הוביל מצמד האופטי המחובר לרוחבו. לסיכת המשוב מתח ייחוס של 2.5 וולט. לכן, ה- TL431 יכול להיות פעיל רק אם המתח על פני המחלק מספיק. במקרה שלנו, מחלק המתח מוגדר לערך 5V. לכן, כאשר הפלט מגיע ל -5 וולט TL431 מקבל 2.5 וולט על פני סיכת הייחוס ובכך מפעיל את הנורית של מצמד האופטי השולט בטרנזיסטור של מצמד האופטי ושולט בעקיפין על TNY268PN. אם המתח אינו מספיק על פני הפלט מחזור המעבר מושעה באופן מיידי.

ראשית, TNY268PN מפעיל את המחזור הראשון של המעבר ואז חש את סיכת ה- EN שלו. אם הכל בסדר, הוא ימשיך במיתוג, אם לא, הוא ינסה שוב לאחר זמן מה. לולאה זו ממשיכה עד שהכל נהיה נורמלי, ובכך מונע בעיות בקצר או במתח יתר. זו הסיבה שזה נקרא טופולוגיית flyback, שכן מתח המוצא מועבר חזרה לנהג לצורך פעולות הקשורות לחישה. כמו כן, לולאת הניסיון נקראת מצב פעולה של שיהוק במצב הכשל.

ה- D3 היא דיודת מחסום שוטקי. דיודה זו ממירה את תפוקת ה- AC בתדירות גבוהה ל- DC. דיודת שוטקי 3A 60V נבחרה להפעלה אמינה. R4 ו- R5 נבחרים ומחושבים על ידי מומחה ה- PI. הוא יוצר מחלק מתח ומעביר את הזרם אל נורית המצמד האופטי מה- TL431.

R6 ו- R7 הוא מחלק מתח פשוט המחושב לפי הנוסחה TL431 מתח REF = (Vout x R7) / R6 + R7. מתח הייחוס הוא 2.5 וולט והוואט הוא 12 וולט. על ידי בחירת הערך של R6 23.7k, ה- R7 הפך ל- 9.09k לערך.

בניית שנאי מיתוג למעגל ה- SMPS שלנו

בדרך כלל עבור מעגל SMPS יידרש שנאי מיתוג, ניתן להשיג שנאים אלה מיצרני שנאים על פי דרישות העיצוב שלך. אבל הבעיה היא שאם אתה לומד דברים של בניית אב טיפוס אתה לא יכול למצוא את השנאי המדויק מהמדפים עבור העיצוב שלך. אז נלמד כיצד לבנות שנאי מיתוג בהתבסס על דרישות התכנון הניתנות על ידי תוכנת המומחה PI שלנו.

בואו נראה את תרשים בניית השנאי שנוצר.

כפי שקובע התמונה לעיל עלינו לבצע 103 סיבובים של חוט 32 AWG יחיד בצד הראשי ו- 5 סיבובים של שני חוט 25 AWG בצד המשני.

בתמונה לעיל נקודת המוצא של הפיתולים וכיוון הפיתול מתוארת כתרשים מכני. כדי להפוך את השנאי הזה, יש צורך בדברים הבאים-

1. ליבת EE19, NC-2H או מפרט שווה ערך ופער עבור ALG 79 nH / T ²
2. סליל עם 5 סיכות בצד הראשוני והמשני.
3. סרט מחסום בעובי של 1 מיל. נדרש קלטת ברוחב 9 מ"מ.
4. 32 חוט נחושת אמייל מצופה הלחמה AWG.
5. חוט נחושת מצופה אמייל 25AWG.
6. מד LCR.

נדרשת ליבת EE19 עם NC-2H עם ליבת חלל של 79nH / T2; בדרך כלל, הוא זמין בזוגות. הסיסה היא כללית הכוללת 4 סיכות ראשוניות ו -5 סיכות משניות. עם זאת, כאן משתמשים בסיסה עם 5 סיכות משני הצדדים.

עבור קלטת המחסום משתמשים בסרט דביק רגיל שעובי בסיסו הוא יותר ממיליון (בדרך כלל 2 מיל). במהלך הפעילויות הקשורות להקשה, מספריים משמשים לחיתוך הקלטת לרוחב מושלם. חוטי נחושת נרכשים משנאים ישנים וניתן לרכוש אותם גם מחנויות מקומיות. הליבה והסיסה שבה אני משתמש מוצגים להלן

שלב 1: הוסף הלחמה בסיכה הראשונה והחמישית בצד הראשי. הלחמו את חוט 32 AWG בסיכה 5 וכיוון המתפתל בכיוון השעון. המשך עד 103 הפניות כפי שמוצג להלן

זה מהווה את הצד העיקרי של השנאי שלנו, לאחר סיום 103 הסיבובים של הסלילה השנאי שלי נראה כך למטה.

שלב 2: יש למרוח סרט דביק למטרות בידוד, יש צורך ב -3 סיבובי דבק. זה גם עוזר לשמור על הסליל במצב.

שלב 3: התחל את הסלילה המשנית מסיכה 9 ו 10. הצד המשני מיוצר באמצעות שני קווצות של חוטי נחושת אמייליים 25AWG. הלחמו חוט נחושת אחד לסיכה 9 ועוד אחד בסיכה 10. כיוון המתפתל שוב בכיוון השעון. המשך עד 5 סיבובים והלחם את הקצות על סיכה 5 ו 6. הוסף סרט בידוד על ידי הנחת סרט דבק כמו קודם.

לאחר סיום הפיתולים הראשוניים והמשניים ושימוש בקלטת הצינור, נראה שנאי שלי כפי שמוצג להלן

שלב 4: כעת נוכל לאבטח את שתי הליבות בחוזקה באמצעות סרט דביק. לאחר שהשנאי שהושלם צריך להיראות כך להלן.

שלב 5: הקפד גם לעטוף את סרט הדביק זה לצד זה. זה יפחית את הרטט במהלך העברת שטף בצפיפות גבוהה.

לאחר ביצוע השלבים לעיל ונבדק השנאי באמצעות מד LCR כמוצג להלן. המונה מציג השראות של 1.125 mH או 1125 אה.

בניית מעגל ה- SMPS:

לאחר שנאי מוכן נוכל להמשיך בהרכבת הרכיבים האחרים על הלוח המקווקו. את דליקי החלקים הנדרשים למעגל ניתן למצוא ברשימת הכתב של החומרים למטה

• פרטי חלק BOM למעגל SMPS 5V 2A

ברגע שהרכיבים מולחמים הלוח שלי נראה בערך ככה.

בדיקת מעגל SMPS 5V 2A

כדי לבדוק את המעגל חיברתי את צד הכניסה לאספקת החשמל דרך VARIAC כדי לשלוט על מתח הרשת הכניסה. מתח המוצא 85VAC ו- 230VAC מוצג להלן -

כפי שניתן לראות בשני המקרים, מתח המוצא נשמר על 5 וולט. אבל אז חיברתי את הפלט להיקף שלי ובדקתי אם יש אדוות. מדידת האדווה מוצגת להלן

אדווה הפלט גבוהה למדי, היא מראה פלט אדוות pk-pk של 150mV. זה לגמרי לא טוב למעגל אספקת חשמל. בהתבסס על הניתוח האדווה הגבוהה נובעת מהגורמים להלן-

1. תכנון PCB לא תקין.
2. נושא הקפצות קרקע.
3. גוף הקירור של PCB אינו תקין.
4. אין ניתוק בקווי אספקה ​​רועשים.
5. סובלנות מוגברת על שנאי עקב סלילה ידנית. יצרני שנאים מורחים לכה טבילה במהלך פיתולי המכונה ליציבות טובה יותר של השנאים.

אם המעגל מומר ל- PCB תקין אנו יכולים לצפות לפלט אדווה של ספק הכוח בתוך 50mV pk-pk גם עם שנאי מתפתל ידני. עם זאת, מכיוון ש- veroboard אינו אפשרות בטוחה להכנת אספקת חשמל במצב מתג בתחום AC ל- DC, כל הזמן מוצע כי יש לקבוע PCB תקין לפני החלת מעגלי מתח גבוה בתרחישים מעשיים. אתה יכול לבדוק את הסרטון בסוף עמוד זה כדי לבדוק את ביצועי המעגל בתנאי עומס.

מקווה שהבנתם את ההדרכה ולמדתם כיצד לבנות מעגלי SMPS משלכם בעזרת שנאי בעבודת יד. אם יש לך שאלות השאיר אותן בסעיף ההערות למטה או השתמש בפורומים שלנו לשאלות נוספות.