SMPS Spannungsstabilisatorschaltung

In diesem Artikel wird eine Festkörper-Schaltspannungsstabilisatorschaltung ohne Relais unter Verwendung eines Ferritkern-Aufwärtswandlers und einiger Halbbrücken-Mosfet-Treiberschaltungen erläutert. Die Idee wurde von Herrn McAnthony Bernard angefordert.

Technische Spezifikationen

In letzter Zeit fing ich an zu schauen Spannungsstabilisatoren werden im Haushalt verwendet, um die Stromversorgung zu regulieren Erhöhen der Spannung bei niedrigem Stromverbrauch und Verringern der Spannung bei hohem Stromverbrauch.

Es ist um einen Netztransformator (Eisenkern) herum gebaut, der im Autotransformator-Stil mit vielen Abgriffen von 180 V, 200 V, 220 V, 240 V, 260 V usw. gewickelt ist.

Der Steuerkreis wählt mit Hilfe eines Relais den richtigen Abgriff für die Ausgabe. Ich denke, Sie sind mit diesem Gerät vertraut.

Ich begann zu überlegen, die Funktion dieses Geräts mit SMPS zu implementieren. Dies hat den Vorteil, dass konstante 220 V Wechselstrom und eine stabile Frequenz von 50 Hz ohne Verwendung von Relais abgegeben werden.

Ich habe in dieser Mail das Blockschaltbild des Konzepts angehängt.

Bitte lassen Sie mich wissen, was Sie denken, wenn es Sinn macht, diesen Weg zu gehen.

Wird es wirklich funktionieren und dem gleichen Zweck dienen? .

Außerdem brauche ich Ihre Hilfe im Bereich Hochspannungs-DC / DC-Wandler.

Grüße
McAnthony Bernard

Das Design

Die vorgeschlagene Festspannungsstabilisatorschaltung auf der Basis eines Festkörperferritkerns ohne Relais kann unter Bezugnahme auf das folgende Diagramm und die nachfolgende Erläuterung verstanden werden.

RVCC = 1K.1 Watt, CVCC = 0.1uF / 400V, CBOOT = 1uF / 400V

Die obige Abbildung zeigt die tatsächliche Konfiguration für die Implementierung eines stabilisierten 220-V- oder 120-V-Ausgangs unabhängig von den Eingangsschwankungen oder einer Überlast unter Verwendung einiger nicht isolierter Aufwärtswandler-Prozessorstufen.

Hier werden zwei Halbbrückentreiber-Mosfet-ICs zu den entscheidenden Elementen des gesamten Designs. Die beteiligten ICs sind die vielseitigen IRS2153, die speziell für das Ansteuern von Mosfets im Halbbrückenmodus entwickelt wurden, ohne dass komplexe externe Schaltkreise erforderlich sind.

Wir können zwei identische Halbbrückentreiberstufen sehen, in denen der Treiber auf der linken Seite als Boost-Treiberstufe verwendet wird, während die rechte Seite für die Verarbeitung der Boost-Spannung in einen 50-Hz- oder 60-Hz-Sinuswellenausgang in Verbindung mit einer externen Spannungssteuerung konfiguriert ist Schaltkreis.

Die ICs sind intern so programmiert, dass sie über eine Totempfahltopologie einen festen Arbeitszyklus von 50% über die Ausgangsbelegung erzeugen. Diese Pinbelegung ist mit den Power Mosfets verbunden, um die beabsichtigten Konvertierungen durchzuführen. Die ICs sind außerdem mit einem internen Oszillator ausgestattet, um die erforderliche Frequenz am Ausgang zu ermöglichen. Die Frequenzrate wird durch ein extern angeschlossenes Rt / Ct-Netzwerk bestimmt.

Verwenden der Funktion zum Herunterfahren

Der IC verfügt außerdem über eine Abschaltfunktion, mit der der Ausgang im Falle eines Überstroms, einer Überspannung oder einer plötzlichen Katastrophensituation blockiert werden kann.

Weitere Infos zu th ist Halbbrückentreiber-ICs, können Sie verweisen zu diesem Artikel: Halbbrücken-Mosfet-Treiber IC IRS2153 (1) D - Pinbelegung, Anwendungshinweise erklärt

Die Ausgänge dieser ICs sind aufgrund eines hochentwickelten internen Bootstrapings und einer Totzeitverarbeitung, die einen perfekten und sicheren Betrieb der angeschlossenen Geräte gewährleisten, äußerst ausgeglichen.

In der diskutierten SMPS-Netzspannungsstabilisatorschaltung wird die linke Stufenstufe zum Erzeugen von etwa 400 V aus einem 310 V-Eingang verwendet, der durch Gleichrichten des 220 V-Netzeingangs abgeleitet wird.

Für einen 120-V-Eingang kann die Stufe so eingestellt werden, dass durch den gezeigten Induktor etwa 200 V erzeugt werden.

Der Induktor kann mit 3 parallelen (bifilaren) Litzen aus 0,3 mm super emailliertem Kupferdraht und ungefähr 400 Windungen über jede Standard-EE-Kern / Spulen-Baugruppe gewickelt werden.

Frequenz auswählen

Die Frequenz sollte durch korrekte Auswahl der Werte von Rt / Ct so eingestellt werden, dass eine hohe Frequenz von etwa 70 kHz für die linke Aufwärtswandlerstufe über der gezeigten Induktivität erreicht wird.

Der Treiber-IC auf der rechten Seite ist so positioniert, dass er nach entsprechender Gleichrichtung und Filtration mit den oben genannten 400 V Gleichstrom vom Aufwärtswandler arbeitet, wie im Diagramm dargestellt.

Hier werden die Werte von Rt und Ct ausgewählt, um ungefähr 50 Hz oder 60 Hz (gemäß den Länderspezifikationen) über den angeschlossenen Mosfets-Ausgang zu erfassen

Die Leistung von der rechten Treiberstufe kann jedoch bis zu 550 V betragen, und dies muss auf die gewünschten sicheren Werte bei etwa 220 V oder 120 V geregelt werden

Hierzu ist eine einfache Opamp-Fehlerverstärkerkonfiguration enthalten, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Überspannungskorrekturschaltung

Wie im obigen Diagramm gezeigt, verwendet die Spannungskorrekturstufe einen einfachen Operationsverstärkerkomparator zur Erfassung des Überspannungszustands.

Die Schaltung muss nur einmal eingestellt werden, um unabhängig von den Eingangsschwankungen oder einer Überlastung eine dauerhaft stabilisierte Spannung auf dem eingestellten Niveau zu erhalten. Diese dürfen jedoch nicht über eine festgelegte tolerierbare Grenze der Auslegung hinaus überschritten werden.

Wie dargestellt, wird die Versorgung des Fehlerverstärkers vom Ausgang nach entsprechender Gleichrichtung des Wechselstroms in einen sauberen, stromstabilisierten 12-V-Gleichstrom für die Schaltung abgeleitet.

Pin Nr. 2 wird als Sensoreingang für den IC bezeichnet, während der nicht invertierende Pin Nr. 3 über ein Clamping-Zener-Dioden-Netzwerk auf feste 4,7 V bezogen wird.

Der Erfassungseingang wird von einem nicht stabilisierten Punkt in der Schaltung extrahiert, und der Ausgang des IC wird mit dem Ct-Pin des rechten Treiber-IC verbunden.

Dieser Pin fungiert als Abschaltstift für den IC und sobald er einen Tiefstwert unter 1/6 seines Vcc erreicht, löscht er sofort die Ausgangszufuhr zu den Mosfets, wodurch das Verfahren zum Stillstand gebracht wird.

Die mit Pin 2 des Operationsverstärkers verknüpfte Voreinstellung wird entsprechend eingestellt, so dass sich der Wechselstromausgang vom verfügbaren 450-V- oder 500-V-Ausgang auf 220 V oder vom 250-V-Ausgang auf 120 V einstellt.

Solange der Pin # 2 eine höhere Spannung in Bezug auf Pin # 3 erfährt, hält er seinen Ausgang weiterhin niedrig, was wiederum den Treiber-IC zum Herunterfahren befiehlt, jedoch korrigiert das 'Herunterfahren' den Opamp-Eingang sofort und erzwingt ihn um das Ausgangssignal niedrig zu halten, korrigiert der Zyklus den Ausgang selbst auf die genauen Pegel, die durch die voreingestellte Einstellung von Pin 2 bestimmt werden.

Die Fehlerverstärkerschaltung stabilisiert diesen Ausgang weiter und da die Schaltung den Vorteil einer signifikanten 100% igen Spanne zwischen der Spannung der Eingangsquelle und den geregelten Spannungswerten hat, gelingt es den Ausgängen, die Last selbst unter extrem niedrigen Spannungsbedingungen mit der festen stabilisierten Spannung zu versorgen Unabhängig von der Spannung gilt dies auch dann, wenn am Ausgang eine nicht angepasste Last oder eine Überlast angeschlossen ist.

Verbesserung des obigen Designs:

Eine sorgfältige Untersuchung zeigt, dass das obige Design stark modifiziert und verbessert werden kann, um seine Effizienz und Ausgabequalität zu erhöhen:

1. Der Induktor wird eigentlich nicht benötigt und kann entfernt werden
2. Der Ausgang muss auf eine Vollbrückenschaltung aufgerüstet werden, damit die Leistung für die Last optimal ist
3. Die Ausgabe muss eine reine Sinuswelle sein und darf keine modifizierte sein, wie dies im obigen Design zu erwarten ist

All diese Funktionen wurden in der folgenden aktualisierten Version der Festkörperstabilisatorschaltung berücksichtigt und berücksichtigt:

Schaltungsbetrieb

1. IC1 funktioniert wie eine normale astabile Multivibrator-Oszillatorschaltung, deren Frequenz durch entsprechende Änderung des Wertes von R1 eingestellt werden kann. Dies bestimmt die Anzahl der 'Säulen' oder 'Zerhacken' für die SPWM-Ausgabe.
2. Die Frequenz von IC 1 an Pin 3 wird Pin 2 von IC2 zugeführt, der als PWM-Generator verdrahtet ist.
3. Diese Frequenz wird an Pin 6 von IC2 in Dreieckswellen umgewandelt, die mit einer Abtastspannung an Pin 5 von IC2 verglichen werden
4. Pin Nr. 5 von IC2 wird mit einer vom Brückengleichrichter erfassten Sinuswelle mit einer Frequenz von 100 Hz angelegt, nachdem das Netz entsprechend auf 12 V heruntergefahren wurde.
5. Diese Sinuswellenproben werden mit den Dreieckwellen von Pin # 7 von IC2 verglichen, was zu einem proportional verkleinerten SPWM an Pin # 3 von IC2 führt.
6. Die Impulsbreite dieses SPWM hängt nun von der Amplitude der Sinuswellen der Probe vom Brückengleichrichter ab. Mit anderen Worten, wenn die Wechselstromnetzspannung höher ist, werden breitere SPWMs erzeugt, und wenn die Wechselstromnetzspannung niedriger ist, verringert sie die SPWM-Breite und macht sie proportional enger.
7. Das obige SPWM wird durch einen BC547-Transistor invertiert und an die Gates der Low-Side-Mosfets eines Vollbrückentreibernetzwerks angelegt.
8. Dies impliziert, dass, wenn der Wechselstrom-Netzpegel abfällt, die Reaktion auf die Mosfet-Gates in Form von proportional breiteren SPWMs erfolgt und wenn die AC-Netzspannung ansteigt, die Gates eine proportional verschlechterte SPWM erfahren.
9. Die obige Anwendung führt zu einer proportionalen Spannungserhöhung über der zwischen dem H-Brückennetz angeschlossenen Last, wenn das Eingangsnetz abfällt, und umgekehrt durchläuft die Last einen proportionalen Spannungsabfall, wenn der Wechselstrom dazu neigt, über das Gefahrenniveau zu steigen.

So richten Sie die Schaltung ein

Bestimmen Sie den ungefähren Mittelpunkt des Übergangspunkts, an dem die SPWM-Reaktion möglicherweise nur mit dem Netzwechselpegel identisch ist.

Angenommen, Sie wählen 220 V und stellen die 1K-Voreinstellung so ein, dass die an die H-Brücke angeschlossene Last ungefähr 220 V empfängt.

Das ist alles, die Einrichtung ist jetzt abgeschlossen und der Rest wird automatisch erledigt.

Alternativ können Sie die obige Einstellung auf die gleiche Weise auf den unteren Spannungsschwellenwert einstellen.

Angenommen, der untere Schwellenwert beträgt 170 V, speisen Sie in diesem Fall 170 V in den Stromkreis ein und stellen Sie die 1K-Voreinstellung so ein, dass Sie ungefähr 210 V über der Last oder zwischen den H-Brückenarmen finden.

Diese Schritte schließen den Einrichtungsvorgang ab, und der Rest wird automatisch an die Änderungen des Eingangswechselstrompegels angepasst.

Wichtig : Bitte schließen Sie einen hochwertigen Kondensator in der Größenordnung von 500 uF / 400 V an die gleichgerichtete Wechselstromleitung an, die dem H-Brückennetz zugeführt wird, damit der gleichgerichtete Gleichstrom über die H-Brücken-BUS-Leitungen bis zu 310 V Gleichstrom erreichen kann.