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

Причин несколько:

- 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.

Спасибо за внимание.

https://www.power.com/

Файлы:

Все вопросы в Форум.