تصميم دائرة إمداد الطاقة 12V 1A smps على ثنائي الفينيل متعدد الكلور

يتطلب كل جهاز أو منتج إلكتروني وحدة إمداد طاقة موثوقة (PSU) لتشغيله. تتكون جميع الأجهزة الموجودة في منزلنا تقريبًا ، مثل التلفزيون والطابعة ومشغل الموسيقى وما إلى ذلك ، من وحدة إمداد طاقة مدمجة فيها والتي تحول جهد التيار المتردد إلى مستوى مناسب من جهد التيار المستمر لتشغيلها. أكثر أنواع دوائر إمداد الطاقة شيوعًا هي SMPS (مصدر طاقة وضع التبديل) ، يمكنك بسهولة العثور على هذا النوع من الدوائر في محول 12V أو شاحن الهاتف المحمول / الكمبيوتر المحمول. في هذا البرنامج التعليمي سوف نتعلم كيفية بناء دائرة SMPS بجهد 12 فولتمن شأنها تحويل طاقة التيار المتردد إلى 12 فولت تيار مستمر مع أقصى تصنيف حالي يبلغ 1.25 أمبير. يمكن استخدام هذه الدائرة لتشغيل الأحمال الصغيرة أو حتى تكييفها في شاحن لشحن بطاريات الرصاص الحمضية والليثيوم. إذا كانت دائرة إمداد الطاقة 12 فولت 15 وات لا تتطابق مع متطلباتك ، فيمكنك التحقق من دائرة إمداد الطاقة المختلفة بتصنيفات مختلفة.

دائرة SMPS بجهد 12 فولت - اعتبارات التصميم

قبل الشروع في أي نوع من تصميم مصدر الطاقة ، يجب إجراء تحليل المتطلبات بناءً على البيئة التي سيتم فيها استخدام مصدر الطاقة الخاص بنا. تعمل أنواع مختلفة من مزودات الطاقة في بيئات مختلفة ومع حدود إدخال ومخرجات محددة.

مواصفات المدخلات

لنبدأ بالمدخلات. جهد إمداد الدخل هو أول شيء سيتم استخدامه بواسطة SMPS وسيتم تحويله إلى قيمة مفيدة لتغذية الحمل. نظرًا لأن هذا التصميم محدد لتحويل AC-DC ، فسيكون الإدخال هو التيار المتردد (AC). بالنسبة للهند ، يتوفر التيار المتردد المدخل بجهد 220-230 فولت ، أما بالنسبة للولايات المتحدة فهو مُقدر بـ 110 فولت. هناك أيضًا دول أخرى تستخدم مستويات جهد مختلفة. بشكل عام ، تعمل SMPS بجهد إدخال عالمينطاق. هذا يعني أن جهد الدخل يمكن أن يختلف من 85 فولت إلى 265 فولت تيار متردد. يمكن استخدام SMPS في أي بلد ويمكن أن يوفر خرجًا ثابتًا للحمل الكامل إذا كان الجهد الكهربي بين 85-265 فولت تيار متردد. يجب أن يعمل SMPS أيضًا بشكل طبيعي تحت تردد 50 هرتز و 60 هرتز أيضًا. هذا هو سبب قدرتنا على استخدام شواحن الهاتف والكمبيوتر المحمول الخاصة بنا في أي بلد.

مواصفات الإخراج

على جانب الخرج ، هناك القليل من الأحمال المقاومة ، والقليل منها استقرائي. اعتمادًا على الحمل ، يمكن أن يكون بناء SMPS مختلفًا. بالنسبة لهذا SMPS ، يُفترض الحمل على أنه حمل مقاوم. ومع ذلك ، لا يوجد شيء مثل الحمل المقاوم ، فكل حمل يتكون على الأقل من مقدار معين من الحث والسعة ؛ هنا يفترض أن الحث والسعة للحمل لا يكاد يذكر.

تعتمد مواصفات خرج SMPS بشكل كبير على الحمل ، مثل مقدار الجهد والتيار المطلوبين بواسطة الحمل في ظل جميع ظروف التشغيل. بالنسبة لهذا المشروع ، يمكن أن يوفر SMPS خرج 15 واط. إنه 12V و 1.25A. يتم تحديد تموج الإخراج المستهدف على أنه أقل من 30mV pk-pk عند عرض النطاق الترددي 20000 هرتز.

بناءً على حمل الإخراج ، يتعين علينا أيضًا أن نقرر بين تصميم SMPS للجهد الثابت أو SMPS الحالي الثابت. يعني الجهد الثابت أن الجهد عبر الحمل سيكون ثابتًا وسيتم تغيير التيار وفقًا للتغيرات في مقاومة الحمل. من ناحية أخرى ، سيسمح وضع التيار الثابت للتيار بأن يكون ثابتًا ولكن يغير الجهد وفقًا للتغيرات في مقاومة الحمل. أيضًا ، يمكن أن يتوفر كل من السيرة الذاتية و CC في SMPS لكن لا يمكنهما العمل في وقت واحد. عند وجود كلا الخيارين في SMPS ، يجب أن يكون هناك نطاق عندما يقوم SMPS بتغيير عملية الإخراج الخاصة به من CV إلى CC والعكس صحيح. عادةً ما تُستخدم أجهزة الشحن ذات الوضع CC و CV لشحن بطاريات الرصاص الحمضية أو بطاريات الليثيوم.

ميزات حماية الإدخال والإخراج

هناك العديد من دوائر الحماية التي يمكن استخدامها في SMPS لعمليات أكثر أمانًا وموثوقية. دائرة الحماية تحمي SMPS بالإضافة إلى الحمل المتصل. اعتمادًا على الموقع ، يمكن توصيل دائرة الحماية عبر الإدخال أو عبر الإخراج. الأكثر حماية المدخلات شيوعا هو زيادة حماية و EMI مرشحات. تصاعد حماية يحمي SMPS من المدخلات العواصف أو AC الجهد الزائد. يحمي مرشح EMI SMPS من توليد EMI عبر خط الإدخال. في هذا المشروع ، ستكون كلتا الميزتين متاحتين. تشمل الحماية إخراج حماية ماس كهربائى ، حماية الإفراط في الجهد و الحماية الحالية على. سيشمل تصميم SMPS أيضًا كل دوائر الحماية هذه.

اختيار IC إدارة الطاقة

تتطلب كل دائرة SMPS دائرة IC لإدارة الطاقة تُعرف أيضًا باسم التبديل IC أو SMPS IC أو Drier IC. دعنا نلخص اعتبارات التصميم لتحديد IC المثالي لإدارة الطاقة الذي سيكون مناسبًا لتصميمنا. متطلبات التصميم لدينا هي

15 واط الإخراج. 12V 1.25A مع تموج أقل من 30mV pk-pk عند التحميل الكامل.
تصنيف الإدخال العالمي.
حماية زيادة المدخلات.
إخراج ماس كهربائى ، زيادة الجهد والحماية الحالية.
عمليات الجهد المستمر.

من المتطلبات المذكورة أعلاه ، هناك مجموعة واسعة من الدوائر المتكاملة للاختيار من بينها ، ولكن بالنسبة لهذا المشروع ، اخترنا تكامل الطاقة. تكامل الطاقة عبارة عن شركة شبه موصلة لديها مجموعة واسعة من دوائر تشغيل الطاقة في نطاقات خرج طاقة مختلفة. بناءً على المتطلبات والتوافر ، قررنا استخدام TNY268PN من عائلات المحولات الصغيرة II.

في الصورة أعلاه ، يظهر الحد الأقصى للطاقة 15 واط. ومع ذلك ، سوف نجعل SMPS في الإطار المفتوح ولتقييم الإدخال العالمي. في مثل هذا المقطع ، يمكن أن يوفر TNY268PN إخراج 15 واط. دعونا نرى مخطط الدبوس.

تصميم دائرة SMPS بجهد 12 فولت 1 أمبير

أفضل طريقة لبناء الدائرة هي استخدام برنامج خبير PI الخاص بتكامل الطاقة. إنه برنامج تصميم مصدر طاقة ممتاز. تم إنشاء الدائرة باستخدام Power Integration IC. يتم شرح إجراء التصميم أدناه ، وبدلاً من ذلك ، يمكنك أيضًا التمرير لأسفل للحصول على فيديو يشرح ذلك.

الخطوة 1: حدد مفتاح Tiny Switch II وحدد أيضًا الحزمة المطلوبة. اخترنا حزمة DIP. حدد نوع الضميمة أو المحول أو الإطار المفتوح. هنا يتم تحديد "فتح الإطار".

ثم حدد نوع الملاحظات. من الضروري استخدام طوبولوجيا Flyback. TL431 هو خيار ممتاز للتغذية الراجعة. TL431 هو منظم تحويلة وسيوفر حماية ممتازة للجهد الزائد وجهد إخراج دقيق.

الخطوة 2: حدد نطاق جهد الدخل. نظرًا لأنه سيكون SMPS إدخال عالمي ، يتم تحديد جهد الدخل على أنه 85-265V AC. تردد الخط 50 هرتز.

الخطوه 3:

حدد جهد الخرج والتيار والقوة الكهربائية. سيكون تصنيف SMPS 12 فولت 1.25 أمبير. تظهر القوة الكهربائية 15 واط. يتم تحديد وضع التشغيل أيضًا على أنه CV ، يعني وضع تشغيل الجهد المستمر. أخيرًا ، يتم كل شيء في ثلاث خطوات سهلة ، ويتم إنشاء التخطيطي.

مخطط الدائرة الكهربائية SMPS وشرحها بجهد 12 فولت

تم تعديل الدائرة أدناه بشكل طفيف لتناسب مشروعنا.

قبل الشروع مباشرة في بناء جزء النموذج الأولي ، دعنا نستكشف مخطط دارة SMPS بجهد 12 فولت وتشغيله. الدائرة بها الأقسام التالية

زيادة المدخلات وحماية خطأ SMPS
تحويل AC-DC
مرشح PI
دارة السائق أو دارة التبديل
حماية قفل الجهد المنخفض.
دائرة المشبك
المغناطيسية والعزل الجلفاني
مرشح EMI
المعدل الثانوي ودائرة snubber
قسم التصفية
قسم الملاحظات.

زيادة المدخلات وحماية خطأ SMPS

يتكون هذا القسم من مكونين ، F1 و RV1. F1 عبارة عن فتيل بطيء 1A 250VAC و RV1 هو 7 مم 275 فولت MOV (متغير أكسيد معدني) أثناء زيادة الجهد العالي (أكثر من 275 فولت تيار متردد) ، أصبحت MOV قصيرة جدًا وتفجر فتيل الإدخال. ومع ذلك ، نظرًا لخاصية النفخ البطيء ، فإن المصهر يقاوم تدفق التيار عبر SMPS.

تحويل AC-DC

يخضع هذا القسم لجسر الصمام الثنائي. هذه الثنائيات الأربعة (داخل DB107) تصنع مقوم جسر كامل. الثنائيات هي 1N4006 ، لكن معيار 1N4007 يمكنه القيام بالمهمة على أكمل وجه. في هذا المشروع ، يتم استبدال هذه الثنائيات الأربعة بمقوم جسر كامل DB107.

مرشح PI

الدول المختلفة لها معيار رفض EMI مختلف. يؤكد هذا التصميم معيار EN61000-Class 3 وقد تم تصميم مرشح PI بطريقة تقلل من رفض EMI للوضع الشائع. تم إنشاء هذا القسم باستخدام C1 و C2 و L1. C1 و C2 عبارة عن مكثفات 400 فولت 18 فائق التوهج. إنها قيمة فردية لذلك تم تحديد 22 فائق التوهج 400 فولت لهذا التطبيق. L1 هو وضع خنق شائع يأخذ إشارة EMI التفاضلية لإلغاء كليهما.

دارة السائق أو تبديل الدائرة

إنه قلب SMPS. يتم التحكم في الجانب الأساسي للمحول بواسطة دائرة التبديل TNY268PN. تردد التبديل هو 120-132 كيلو هرتز. بسبب تردد التحويل العالي هذا ، يمكن استخدام محولات أصغر. تحتوي دائرة التبديل على مكونين ، U1 و C3. U1 هو المحرك الرئيسي IC TNY268PN. المكثف C3 هو مكثف الالتفاف المطلوب لتشغيل سائقنا IC.

حماية قفل الجهد المنخفض

تتم حماية قفل الجهد المنخفض بواسطة المقاوم R1 و R2. يتم استخدامه عندما ينتقل SMPS إلى وضع إعادة التشغيل التلقائي ويستشعر جهد الخط.

دائرة المشبك

D1 و D2 هي دائرة المشبك. D1 هو صمام ثنائي TVS و D2 هو صمام ثنائي استرداد سريع للغاية. يعمل المحول محثًا ضخمًا عبر محرك الطاقة IC TNY268PN. لذلك ، أثناء دورة إيقاف التشغيل ، يقوم المحول بإنشاء ارتفاعات عالية الجهد بسبب محاثة التسرب للمحول. يتم قمع هذه المسامير عالية التردد بواسطة مشبك الصمام الثنائي عبر المحول. يتم تحديد UF4007 بسبب الاسترداد فائق السرعة ويتم تحديد P6KE200A لتشغيل TVS.

المغناطيسية والعزل الجلفاني

المحول هو محول مغناطيسي حديدي ولا يقوم فقط بتحويل التيار المتردد عالي الجهد إلى تيار متردد منخفض الجهد ولكنه يوفر أيضًا عزلًا كلفانيًا

مرشح EMI

يتم ترشيح EMI بواسطة مكثف C4. يزيد من مناعة الدائرة لتقليل تداخل EMI العالي.

المعدل الثانوي ودائرة Snubber

يتم تصحيح الإخراج من المحول وتحويله إلى تيار مستمر باستخدام D6 ، وهو صمام ثنائي مقوم شوتكي. توفر دائرة snubber عبر D6 قمعًا للجهد العابر أثناء عمليات التحويل. تتكون دائرة snubber مقاوم ومكثف واحد R3 و C5.

قسم التصفية

يتكون قسم المرشح من مرشح مكثف C6. إنه مكثف منخفض ESR لرفض تموج أفضل. أيضًا ، يوفر مرشح LC الذي يستخدم L2 و C7 رفضًا أفضل للتموج عبر الإخراج.

قسم الملاحظات

يتم استشعار جهد الخرج بواسطة U3 TL431 و R6 و R7. بعد استشعار الخط ، U2 ، يتم التحكم في optocoupler وعزل جزء استشعار التغذية المرتدة الثانوي بشكل كهربي مع وحدة التحكم الجانبية الأساسية. يحتوي Optocoupler على ترانزستور ومصباح LED بداخله. عن طريق التحكم في الصمام ، يتم التحكم في الترانزستور. نظرًا لأن الاتصال يتم بصريًا ، فلا يوجد اتصال كهربائي مباشر ، وبالتالي يرضي العزلة الجلفانية على دائرة التغذية المرتدة أيضًا.

الآن ، نظرًا لأن LED يتحكم مباشرة في الترانزستور ، من خلال توفير انحياز كافٍ عبر optocoupler LED ، يمكن للمرء التحكم في ترانزستور optocoupler ، وبشكل أكثر تحديدًا دائرة السائق. يتم استخدام نظام التحكم هذا بواسطة TL431 ، نظرًا لأن منظم التحويل يحتوي على مقسم مقاوم عبر دبوسه المرجعي ، فيمكنه التحكم في الصمام البصري المتصل عبره. يحتوي دبوس التغذية المرتدة على جهد مرجعي يبلغ 2.5 فولت. لذلك ، يمكن أن يكون TL431 نشطًا فقط إذا كان الجهد الكهربي عبر الحاجز كافياً. في حالتنا ، تم ضبط مقسم الجهد على قيمة 12 فولت. لذلك ، عندما يصل الخرج إلى 12 فولت ، يحصل TL431 على 2.5 فولت عبر الدبوس المرجعي ، وبالتالي ينشط الصمام البصري الضوئي الذي يتحكم في الترانزستور في optocoupler ويتحكم بشكل غير مباشر في TNY268PN. إذا كان الجهد غير كافٍ عبر الإخراج ، يتم تعليق دورة التبديل على الفور.

أولاً ، يقوم TNY268PN بتنشيط الدورة الأولى من التبديل ثم يشعر بأنه دبوس EN. إذا كان كل شيء على ما يرام ، فسيستمر في التبديل ، وإذا لم يكن كذلك ، فسيحاول مرة أخرى بعد ذلك في بعض الأحيان. تستمر هذه الحلقة حتى يصبح كل شيء طبيعيًا ، مما يمنع مشاكل الدائرة القصيرة أو الجهد الزائد. هذا هو السبب في تسميته طوبولوجيا flyback ، حيث يتم إعادة جهد الخرج إلى السائق لاستشعار العمليات ذات الصلة. أيضًا ، تسمى حلقة المحاولة بوضع الفواق للتشغيل في حالة الفشل.

D3 هو صمام ثنائي شوتكي الحاجز. يقوم هذا الصمام الثنائي بتحويل خرج التيار المتردد عالي التردد إلى تيار مستمر. تم اختيار 3A 60V Schottky Diode للتشغيل الموثوق. يتم اختيار R4 و R5 وحسابهما بواسطة خبير PI. يقوم بإنشاء مقسم جهد ويمرر التيار إلى Optocoupler LED من TL431.

R6 و R7 عبارة عن مقسم جهد بسيط محسوب بالصيغة TL431 REF voltage = (Vout x R7) / R6 + R7. الجهد المرجعي 2.5 فولت و Vout هو 12 فولت. باختيار قيمة R6 23.7k ، أصبح R7 9.09 ألف تقريبًا.

تصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور لدائرة SMPS 12v 1A

الآن بعد أن فهمنا كيفية عمل المخططات ، يمكننا المضي قدمًا في بناء ثنائي الفينيل متعدد الكلور من أجل SMPS الخاص بنا. نظرًا لأن هذه دائرة SMPS ، يوصى باستخدام PCB لأنه يمكن أن يتعامل مع مشكلة الضوضاء والعزل. يتوفر أيضًا تخطيط PCB للدائرة أعلاه للتنزيل باسم Gerber من الرابط

قم بتنزيل ملف Gerber لدائرة 15W SMPS

الآن ، بعد أن أصبح تصميمنا جاهزًا ، فقد حان الوقت لجعلها ملفقة باستخدام ملف Gerber. لإنجاز PCB سهل للغاية ، ما عليك سوى اتباع الخطوات أدناه

الخطوة 1: ادخل إلى www.pcbgogo.com ، واشترك إذا كانت هذه هي المرة الأولى لك. بعد ذلك ، في علامة التبويب PCB Prototype ، أدخل أبعاد PCB وعدد الطبقات وعدد PCB الذي تحتاجه. بافتراض أن PCB هو 80 سم × 80 سم ، يمكنك ضبط الأبعاد كما هو موضح أدناه.

الخطوة 2: تابع بالنقر فوق الزر Quote Now . سيتم نقلك إلى صفحة حيث يتم تعيين عدد قليل من المعلمات الإضافية إذا لزم الأمر مثل تباعد المواد المستخدمة وما إلى ذلك. ولكن في الغالب ستعمل القيم الافتراضية بشكل جيد. الشيء الوحيد الذي يتعين علينا التفكير فيه هنا هو السعر والوقت. كما ترى ، فإن مدة البناء هي 2-3 أيام فقط وتكلف 5 دولارات فقط لجهاز PSB الخاص بنا. يمكنك بعد ذلك تحديد طريقة الشحن المفضلة بناءً على متطلباتك.

الخطوة 3: الخطوة الأخيرة هي تحميل ملف Gerber ومتابعة الدفع. للتأكد من أن العملية سلسة ، يتحقق PCBGOGO مما إذا كان ملف Gerber الخاص بك صالحًا قبل متابعة الدفع. بهذه الطريقة يمكنك التأكد من أن ثنائي الفينيل متعدد الكلور الخاص بك سهل التصنيع وسيصل إليك كما هو ملتزم

تجميع ثنائي الفينيل متعدد الكلور

بعد طلب اللوحة ، وصلتني بعد بضعة أيام على الرغم من أن البريد السريع في صندوق معبأ جيدًا ومثل دائمًا كانت جودة PCB رائعة. يظهر ثنائي الفينيل متعدد الكلور الذي استلمته أدناه

قمت بتشغيل قضيب اللحام الخاص بي وبدأت في تجميع اللوحة. نظرًا لأن بصمات الأقدام والوسادات والفتحات والشاشة الحريرية هي بالشكل والحجم المناسبين تمامًا ، لم أواجه مشكلة في تجميع اللوحة. يظهر أدناه ثنائي الفينيل متعدد الكلور المثبت على نائب اللحام.

شراء المكونات

يتم شراء جميع مكونات دائرة SMPS بقدرة 12 فولت 15 وات وفقًا للتخطيط. يمكن العثور على BOM التفصيلي في ملف Excel أدناه للتنزيل.

15W SMPS Design - فاتورة المواد

تتوفر جميع المكونات تقريبًا للاستخدام على الرفوف. قد تجد صعوبة في العثور على المحول المناسب لهذا المشروع. عادةً ما يكون محول flyback الخاص بتبديل الدوائر SMPS غير متوفر من البائعين مباشرةً ، وفي معظم الحالات يتعين عليك لف المحول الخاص بك إذا كنت بحاجة إلى نتائج فعالة. ومع ذلك ، من المقبول أيضًا استخدام محول flyback مماثل وستظل دائرتك تعمل. سيتم توفير المواصفات المثالية لمحولنا بواسطة برنامج PI Expert الذي استخدمناه سابقًا.

يظهر الرسم التخطيطي الميكانيكي والكهربائي للمحول الذي تم الحصول عليه من PI Expert أدناه.

إذا لم تتمكن من العثور على البائع المناسب ، فيمكنك إنقاذ محول من محول 12 فولت أو دوائر SMPS أخرى. بدلاً من ذلك ، يمكنك أيضًا بناء شراء المحولات الخاصة بك باستخدام المواد التالية وتعليمات اللف.

بمجرد شراء جميع المكونات ، يجب أن يكون تجميعها أمرًا سهلاً. يمكنك استخدام ملف Gerber و BOM كمرجع وتجميع لوحة PCB. بمجرد الانتهاء من ذلك ، يبدو جانبي PCB الأمامي والخلفي شيئًا كهذا أدناه

اختبار دائرة SMPS 15W لدينا

الآن وقد أصبحت دائرتنا جاهزة ، فقد حان الوقت لتدويرها. سنقوم بتوصيل اللوحة بأنابيب التيار المتردد من خلال VARIAC وتحميل جانب الإخراج بآلة تحميل وقياس جهد التموج للتحقق من أداء دائرتنا. يمكن أيضًا العثور على فيديو إجراءات الاختبار الكامل في نهاية هذه الصفحة. توضح الصورة أدناه الدائرة التي تم اختبارها بجهد دخل تيار متردد 230 فولت تيار متردد والذي نحصل عليه من 12.08 فولت

قياس تموج الجهد باستخدام راسم الذبذبات

لقياس جهد التموج باستخدام راسم الذبذبات ، قم بتغيير إدخال النطاق إلى التيار المتردد مع كسب 1x. ثم قم بتوصيل مكثف إلكتروليتي منخفض القيمة ومكثف سيراميك منخفض القيمة لالتقاط خفض الضوضاء بسبب الأسلاك. يمكنك الرجوع إلى الصفحة 40 من مستند RDR-295 هذا من Power Integration للحصول على مزيد من المعلومات حول هذا الإجراء.

تم التقاط اللقطة أدناه في حالة عدم التحميل على كل من 85VAC و 230VAC. تم ضبط المقياس على 10mV لكل قسم وكما ترى فإن التموج هو 10mV pk-pk تقريبًا.

عند إدخال 90VAC وبحمولة كاملة ، يمكن رؤية التموج عند حوالي 20mV pk-pk

في 230VAC وعلى جهد تموج الحمل الكامل يقاس الجهد عند حوالي 30mV pk-pk وهو السيناريو الأسوأ

هذا هو؛ هذه هي الطريقة التي يمكنك بها تصميم دائرة SMPS بجهد 12 فولت. بمجرد فهم العمل ، يمكنك تغيير مخطط دائرة SMPS بجهد 12 فولت ليناسب متطلبات الجهد والطاقة لديك. آمل أن تكون قد فهمت البرنامج التعليمي واستمتعت بتعلم شيء مفيد. إذا كانت لديك أي أسئلة ، فاتركها في قسم التعليقات أو استخدم منتدياتنا للمناقشات الفنية. سوف ألتقي بك مرة أخرى بتصميم SMPS آخر مثير للاهتمام ، حتى ذلك الحين للتوقيع….