- 12v SMPS Devresi - Tasarımla İlgili Hususlar
- Güç Yönetimi IC Seçimi
- 12v 1Amp SMPS Devresini Tasarlama
- 12V SMPS Devre Şeması ve Açıklaması
- 12v 1A SMPS Devresi için PCB Üretimi
- PCB'nin montajı
- Bileşen Tedariki
- 15W SMPS devremizi test etme
Her Elektronik cihaz veya ürün, onu çalıştırmak için güvenilir bir güç kaynağı birimi (PSU) gerektirir. Evimizdeki TV, Yazıcı, Müzik Çalar vb. Hemen hemen tüm cihazlar, AC şebeke voltajını çalışabilmeleri için uygun bir DC voltaj seviyesine dönüştüren, içine yerleştirilmiş bir güç kaynağı biriminden oluşur. En yaygın kullanılan güç kaynağı devresi türü SMPS'dir (Anahtarlama Modu Güç Kaynağı), bu tür devreleri 12V adaptörünüzde veya Mobil / Dizüstü şarj cihazınızda kolayca bulabilirsiniz. Bu eğitimde 12v SMPS devresinin nasıl kurulacağını öğreneceğizbu, AC şebeke gücünü maksimum 1.25A akım değeriyle 12V DC'ye dönüştürür. Bu devre, küçük yüklere güç sağlamak için kullanılabilir veya hatta kurşun asit ve lityum pillerinizi şarj etmek için bir şarj cihazına uyarlanabilir. Bu 12v 15 watt güç kaynağı devresi gereksiniminize uymuyorsa, çeşitli güç kaynağı devrelerini farklı derecelendirmelerle kontrol edebilirsiniz.
12v SMPS Devresi - Tasarımla İlgili Hususlar
Herhangi bir güç kaynağı tasarımına geçmeden önce, Güç kaynağımızın kullanılacağı ortama göre ihtiyaç analizi yapılmalıdır. Farklı türlerdeki güç kaynakları, farklı ortamlarda ve belirli giriş-çıkış sınırları ile çalışır.
Giriş Özellikleri
Girişle başlayalım. Bir giriş besleme voltajı, SMPS tarafından kullanılacak ilk şeydir ve yükü beslemek için kullanışlı bir değere dönüştürülecektir. Bu tasarım AC-DC dönüşümü için belirtildiğinden, giriş Alternatif akım (AC) olacaktır. Hindistan için AC girişi 220-230 volt, ABD için 110 volt olarak derecelendirilmiştir. Farklı voltaj seviyeleri kullanan başka ülkeler de var. Genel olarak, SMPS evrensel giriş voltajı ile çalışırAralık. Bu, giriş voltajının 85V AC ile 265V AC arasında farklılık gösterebileceği anlamına gelir. SMPS herhangi bir ülkede kullanılabilir ve voltaj 85-265V AC arasındaysa sabit bir tam yük çıkışı sağlayabilir. SMPS ayrıca 50Hz ve 60Hz frekanslarının altında da normal şekilde çalışmalıdır. Telefon ve dizüstü bilgisayar şarj cihazlarımızı herhangi bir ülkede kullanabilmemizin nedeni budur.
Çıkış Özellikleri
Çıkış tarafında, birkaç yük dirençlidir, çok azı endüktiftir. Yüke bağlı olarak bir SMPS'nin yapısı farklı olabilir. Bu SMPS için yük dirençli yük olarak kabul edilir. Bununla birlikte, dirençli yük gibisi yoktur, her yük en azından bir miktar endüktans ve kapasitanstan oluşur; burada yükün endüktansı ve kapasitansının ihmal edilebilir olduğu varsayılmaktadır.
Bir SMPS'nin çıkış özellikleri, tüm çalışma koşullarında yük tarafından ne kadar voltaj ve akım gerekeceği gibi, Yüke oldukça bağlıdır. Bu proje için SMPS, 15W çıkış sağlayabilir. 12V ve 1.25A'dır. Hedeflenen çıkış dalgası, 20000 Hz bant genişliğinde 30mV pk-pk'den daha az seçilir.
Çıkış yüküne bağlı olarak, Sabit Gerilim SMPS veya Sabit Akım SMPS tasarımı arasında da karar vermeliyiz. Sabit voltaj, yükteki voltajın sabit olacağı ve akımın yük direncindeki değişikliklerle buna göre değişeceği anlamına gelir. Öte yandan, sabit akım modu, akımın sabit olmasına izin verecek, ancak voltajı yük direncindeki değişikliklerle buna göre değiştirecektir. Ayrıca, hem CV hem de CC bir SMPS'de mevcut olabilir ancak tek seferde çalışamazlar. Her iki seçenek bir SMPS'de mevcut olduğunda, SMPS'nin çıkış işlemini CV'den CC'ye veya tersi yönde değiştireceği bir aralık olması gerekir. Normalde CC ve CV mod şarj cihazları kurşun asit veya lityum pilleri şarj etmek için kullanılır.
Giriş ve Çıkış Koruma Özellikleri
Daha güvenli ve güvenilir işlemler için SMPS üzerinde kullanılabilecek çeşitli koruma devreleri vardır. Koruma devresi, SMPS'yi ve bağlı yükü korur. Konuma bağlı olarak, koruma devresi girişe veya çıkışa bağlanabilir. En yaygın giriş koruması, Aşırı Gerilim Koruması ve EMI filtreleridir. Aşırı gerilim koruması, SMPS'yi giriş dalgalanmalarından veya AC aşırı geriliminden korur. EMI filtresi, SMPS'yi giriş hattı boyunca EMI oluşumundan korur. Bu projede her iki özellik de mevcut olacak. Çıkış koruması, kısa devre koruması, aşırı voltaj koruması ve aşırı akım koruması içerir. Bu SMPS tasarımı, tüm bu koruma devrelerini de içerecektir.
Güç Yönetimi IC Seçimi
Her SMPS devresi, anahtarlamalı IC veya SMPS IC veya Kurutucu IC olarak da bilinen bir Güç Yönetimi IC'si gerektirir. Tasarımımıza uygun ideal Güç Yönetimi IC'sini seçmek için tasarım hususlarını özetleyelim. Tasarım gereksinimlerimiz
- 15W çıktı. Tam yükte 30mV'den az pk-pk dalgalanma ile 12V 1.25A.
- Evrensel giriş derecesi.
- Giriş aşırı gerilim koruması.
- Çıkış kısa devresi, aşırı voltaj ve aşırı akım koruması.
- Sabit voltaj işlemleri.
Yukarıdaki gereksinimler arasından seçim yapabileceğiniz çok çeşitli IC'ler vardır, ancak bu proje için Güç entegrasyonunu seçtik. Güç entegrasyonu, çeşitli güç çıkış aralıklarında geniş bir güç sürücü IC yelpazesine sahip yarı iletken bir şirkettir. Gereksinimlere ve kullanılabilirliğe bağlı olarak, TNY268PN'yi küçük anahtar II ailelerinden kullanmaya karar verdik.
Yukarıdaki resimde, maksimum güç 15W gösterilmektedir. Bununla birlikte, SMPS'yi açık çerçevede ve evrensel giriş derecelendirmesi için yapacağız. Böyle bir segmentte TNY268PN, 15W çıkış sağlayabilir. Pin diyagramını görelim.
12v 1Amp SMPS Devresini Tasarlama
Devreyi kurmanın en iyi yolu, Güç entegrasyonunun PI uzman yazılımını kullanmaktır. Mükemmel güç kaynağı tasarım yazılımıdır. Devre, Güç Entegrasyonu IC kullanılarak oluşturulur. Tasarım prosedürü aşağıda açıklanmıştır, alternatif olarak aynı şeyi açıklayan video için aşağı kaydırabilirsiniz.
Adım 1: seçin küçük anahtar II ve aynı zamanda arzu edilen bir paket seçin. DIP paketini seçtik. Muhafaza türünü, Adaptörü veya Açık Çerçeveyi seçin. Burada Açık Çerçeve seçilir.
Ardından Geri Bildirim türünü seçin. Flyback topolojisi kullanıldığı için önemlidir. TL431, geri bildirim için mükemmel bir seçimdir. TL431 bir şönt regülatörüdür ve mükemmel aşırı voltaj koruması ve doğru çıkış voltajı sağlayacaktır.
Adım-2: Giriş voltaj aralığını seçin. Üniversal giriş SMPS olacağından giriş voltajı 85-265V AC olarak seçilmiştir. Hat Frekansı 50 Hz'dir.
Aşama 3:
Çıkış voltajını, akımını ve watt değerini seçin. SMPS derecesi 12V 1.25A olacaktır. Watt değeri 15W gösteriyor. Çalışma modu da CV olarak seçilir, sabit voltaj çalışma modu anlamına gelir. Son olarak, her şey üç kolay adımda yapılır ve şematik oluşturulur.
12V SMPS Devre Şeması ve Açıklaması
Aşağıdaki devre projemize uyacak şekilde biraz değiştirildi.
Doğrudan prototip parçasını oluşturmaya geçmeden önce, 12v SMPS devre şemasını ve çalışmasını inceleyelim. Devre aşağıdaki bölümlere sahiptir
- Giriş dalgalanması ve SMPS hata koruması
- AC-DC dönüşümü
- PI filtresi
- Sürücü devresi veya Anahtarlama devresi
- Düşük voltaj kilitleme koruması.
- Kelepçe devresi
- Manyetik ve galvanik izolasyon
- EMI filtresi
- İkincil Doğrultucu ve durdurucu devre
- Filtre Bölümü
- Geri bildirim bölümü.
Giriş dalgalanması ve SMPS hata koruması
Bu bölüm, F1 ve RV1 olmak üzere iki bileşenden oluşur. F1, 1A 250VAC yavaş atan bir sigortadır ve RV1, 7mm 275V MOV (Metal Oksit Varistör) 'dir. Yüksek voltaj dalgalanması sırasında (275VAC'den fazla), MOV kısa devre oldu ve giriş Sigortasını attı. Bununla birlikte, yavaş darbe özelliği nedeniyle, sigorta SMPS üzerinden ani akımlara dayanır.
AC-DC dönüşümü
Bu bölüm diyot köprüsü tarafından yönetilir. Bu dört diyot (DB107'nin içinde) tam bir köprü doğrultucu oluşturur. Diyotlar 1N4006'dır, ancak standart 1N4007 işi mükemmel bir şekilde yapabilir. Bu projede, bu dört diyot, tam köprü doğrultucu DB107 ile değiştirilmiştir.
PI filtresi
Farklı eyaletlerin farklı EMI red standartları vardır. Bu tasarım EN61000-Sınıf 3 standardını onaylar ve PI filtresi, ortak mod EMI reddini azaltacak şekilde tasarlanmıştır. Bu bölüm C1, C2 ve L1 kullanılarak oluşturulmuştur. C1 ve C2, 400V 18uF kapasitörlerdir. Tek bir değerdir, bu nedenle bu uygulama için 22uF 400V seçilmiştir. L1, her ikisini de iptal etmek için diferansiyel EMI sinyalini alan ortak bir mod boğucudur.
Sürücü devresi veya anahtarlama devresi
Bir SMPS'nin kalbidir. Transformatörün birincil tarafı, anahtarlama devresi TNY268PN tarafından kontrol edilir. Anahtarlama frekansı 120-132khz'dir. Bu yüksek anahtarlama frekansı nedeniyle, daha küçük transformatörler kullanılabilir. Anahtarlama devresinin iki bileşeni vardır, U1 ve C3. U1, ana sürücü IC TNY268PN'dir. C3, sürücümüz IC'nin çalışması için gerekli olan bypass kapasitördür.
Düşük voltaj kilitleme koruması
Düşük voltaj kilitlenme koruması, algılama direnci R1 ve R2 tarafından yapılır. SMPS otomatik yeniden başlatma moduna girdiğinde ve hat voltajını algıladığında kullanılır.
Kelepçe devresi
D1 ve D2 kıskaç devresidir. D1, TVS diyotudur ve D2, ultra hızlı bir kurtarma diyotudur. Transformatör, IC TNY268PN güç sürücüsü boyunca büyük bir indüktör görevi görür. Bu nedenle, kapatma çevrimi sırasında, transformatör, transformatörün kaçak endüktansı nedeniyle yüksek voltaj yükselmeleri oluşturur. Bu yüksek frekanslı voltaj yükselmeleri, transformatör boyunca diyot kelepçesi tarafından bastırılır. Ultra hızlı kurtarma nedeniyle UF4007 seçilmiştir ve TVS işlemi için P6KE200A seçilmiştir.
Manyetik ve galvanik izolasyon
Transformatör ferromanyetik bir transformatördür ve sadece yüksek voltajlı AC'yi düşük voltajlı bir AC'ye dönüştürmekle kalmaz, aynı zamanda galvanik izolasyon sağlar.
EMI filtresi
EMI filtreleme, C4 kapasitör tarafından yapılır. Yüksek EMI parazitini azaltmak için devrenin bağışıklığını artırır.
İkincil Doğrultucu ve Snubber devresi
Transformatörden gelen çıktı, bir Schottky doğrultucu diyot olan D6 kullanılarak doğrultulur ve DC'ye dönüştürülür. D6 üzerindeki frenleme devresi, anahtarlama işlemleri sırasında geçici gerilimin bastırılmasını sağlar. Söndürme devresi bir direnç ve bir kapasitör, R3 ve C5'ten oluşur.
Filtre Bölümü
Filtre bölümü bir filtre kondansatörü C6'dan oluşur. Daha iyi dalgalanma reddi için Düşük ESR kapasitördür. Ayrıca, L2 ve C7 kullanan bir LC filtresi, çıktı boyunca daha iyi dalgalanma reddi sağlar.
Geri bildirim bölümü
Çıkış voltajı U3 TL431 ve R6 ve R7 tarafından algılanır. Hat U2'yi algıladıktan sonra, optokuplör kontrol edilir ve ikincil geri besleme algılama bölümünü birincil yan kontrolör ile galvanik olarak izole eder. Optocoupler bir transistöre ve içinde bir LED'e sahiptir. LED kontrol edilerek, transistör kontrol edilir. İletişim optik olarak yapıldığından doğrudan elektrik bağlantısı yoktur, dolayısıyla geri besleme devresindeki galvanik izolasyonu da sağlar.
Şimdi, LED optocoupler LED boyunca yeterli önyargı sağlayarak transistörü doğrudan kontrol ettiğinden, optocoupler transistörü, daha özel olarak sürücü devresi kontrol edilebilir. Bu kontrol sistemi TL431 tarafından kullanılmaktadır. Şönt regülatörünün referans pini boyunca bir direnç bölücüsü olduğundan, kendisine bağlı optocoupler ledini kontrol edebilir. Geri besleme piminin referans voltajı 2,5V'dur. Bu nedenle, TL431 yalnızca bölücüdeki voltaj yeterliyse aktif olabilir. Bizim durumumuzda, voltaj bölücü 12V değerine ayarlanmış. Bu nedenle, çıkış 12V'a ulaştığında, TL431 referans pini üzerinden 2.5V alır ve böylece optokuplörün transistörünü kontrol eden ve dolaylı olarak TNY268PN'yi kontrol eden optokuplör LED'ini etkinleştirir. Çıkış boyunca voltaj yeterli değilse, anahtarlama döngüsü derhal askıya alınır.
Öncelikle TNY268PN, ilk anahtarlama döngüsünü etkinleştirir ve ardından EN pinini algılar. Her şey yolundaysa, geçişe devam edecek, değilse, bazen bir kez daha deneyecektir. Bu döngü, her şey normale dönene kadar devam eder, böylece kısa devre veya aşırı gerilim sorunlarını önler. Bu nedenle, ilgili işlemleri algılamak için çıkış voltajı sürücüye geri gönderildiği için geri dönüş topolojisi olarak adlandırılır. Ayrıca, deneme döngüsüne arıza durumunda bir hıçkırık çalışma modu denir.
D3, bir Schottky bariyer diyotudur. Bu diyot, yüksek frekanslı AC çıkışını DC'ye dönüştürür. Güvenilir çalışma için 3A 60V Schottky Diyot seçilmiştir. R4 ve R5, PI Expert tarafından seçilir ve hesaplanır. Bir voltaj bölücü oluşturur ve akımı TL431'den Optocoupler LED'e geçirir.
R6 ve R7, TL431 REF voltajı = (Vout x R7) / R6 + R7 formülü ile hesaplanan basit bir voltaj bölücüdür. Referans voltajı 2.5V ve Vout 12V'dir. R6 23.7k değerini seçerek R7 yaklaşık olarak 9.09k oldu.
12v 1A SMPS Devresi için PCB Üretimi
Artık şemaların nasıl çalıştığını anladığımıza göre, SMPS'miz için PCB oluşturmaya devam edebiliriz. Bu bir SMPS devresi olduğundan, gürültü ve izolasyon problemiyle başa çıkabileceği için bir PCB önerilir. Yukarıdaki devre için PCB düzeni, bağlantıdan Gerber olarak indirilebilir.
- 15W SMPS devresi için Gerber dosyasını indirin
Şimdi, Tasarımımız hazır olduğuna göre, Gerber dosyasını kullanarak onları üretme zamanı. PCB'yi yapmak oldukça kolaydır, aşağıdaki adımları uygulamanız yeterlidir
Adım 1: www.pcbgogo.com'a girin, ilk seferinizse kayıt olun. Ardından, PCB Prototype sekmesinde PCB'nizin boyutlarını, katman sayısını ve ihtiyacınız olan PCB sayısını girin. PCB'nin 80cm × 80cm olduğunu varsayarak boyutları aşağıda gösterildiği gibi ayarlayabilirsiniz.
Adım 2: Şimdi Alıntı Yap düğmesine tıklayarak devam edin. Kullanılan malzeme izi aralığı vb. Gibi gerekirse birkaç ek parametrenin ayarlanacağı bir sayfaya yönlendirileceksiniz. Ancak çoğunlukla varsayılan değerler iyi çalışacaktır. Burada dikkate almamız gereken tek şey fiyat ve zamandır. Gördüğünüz gibi, Yapım Süresi sadece 2-3 gündür ve PSB'miz için sadece 5 $ maliyeti vardır. Ardından, ihtiyacınıza göre tercih edilen bir gönderim yöntemi seçebilirsiniz.
3. Adım: Son adım, Gerber dosyasını yüklemek ve ödemeye devam etmektir. İşlemin sorunsuz olduğundan emin olmak için PCBGOGO, ödemeye devam etmeden önce Gerber dosyanızın geçerli olup olmadığını doğrular. Bu şekilde, PCB'nizin imalat dostu olduğundan ve kararlı bir şekilde size ulaşacağından emin olabilirsiniz.
PCB'nin montajı
Tahta sipariş edildikten sonra, birkaç gün sonra kurye tarafından düzgünce etiketlenmiş, iyi paketlenmiş bir kutuda ve her zaman olduğu gibi PCB'nin kalitesi harikaydı. Tarafımdan alınan PCB aşağıda gösterilmiştir
Lehim çubuğumu açtım ve kartı monte etmeye başladım. Ayak izleri, pedler, vialar ve serigrafi mükemmel şekilde doğru şekil ve boyutta olduğundan, kartı monte etmekte sorun yaşamadım. PCB'm lehim mengenesine tutturulmuş aşağıda gösterilmiştir.
Bileşen Tedariki
Bu 12v 15w SMPS devresinin tüm bileşenleri şematik olarak tedarik edilir. Detay BOM, indirmek için aşağıdaki excel dosyasında bulunabilir.
- 15W SMPS Tasarımı - Malzeme Listesi
Hemen hemen tüm bileşenler rafta kullanılmak üzere hazırdır. Bu proje için doğru trafoyu bulmakta zorlanabilirsiniz. Normalde bir SMPS devre anahtarlamalı geri dönüş transformatörü doğrudan satıcılardan temin edilemez, çoğu durumda verimli sonuçlara ihtiyacınız varsa kendi transformatörünüzü sarmalısınız. Bununla birlikte, benzer bir geri dönüş transformatörü kullanmakta sorun yoktur ve devreniz yine de çalışacaktır. Transformatörümüz için ideal şartname, daha önce kullandığımız PI Expert yazılımı tarafından sağlanacaktır.
PI Expert'den elde edilen trafonun Mekanik ve Elektrik şeması aşağıda gösterilmiştir.
Doğru satıcıyı bulamazsanız, bir 12V adaptörden veya diğer SMPS devrelerinden bir transformatör kurtarabilirsiniz. Alternatif olarak, aşağıdaki malzemeleri ve sarım talimatlarını kullanarak kendi transformatörünüzü satın alabilirsiniz.
Tüm bileşenler tedarik edildikten sonra montajı kolay olacaktır. Gerber dosyasını ve BOM'u referans için kullanabilir ve PCB kartını monte edebilirsiniz. PCB'yi yaptıktan sonra ön tarafım ve arka tarafım aşağıdaki gibi görünüyor
15W SMPS devremizi test etme
Artık devremiz hazır olduğuna göre, onu bir tur atmanın zamanı geldi. Kartı bir VARIAC aracılığıyla Ac şebekemize bağlayacağız ve çıkış tarafını bir yük makinesi ile yükleyeceğiz ve devremizin performansını kontrol etmek için dalgalanma voltajını ölçeceğiz. Tam test prosedürü videosu da bu sayfanın sonunda bulunabilir. Aşağıdaki resim, 12.08V çıkış elde ettiğimiz 230V AC giriş AC voltajı ile test edilen devreyi göstermektedir.
Osiloskop kullanarak Dalgalanma Gerilimini Ölçme
Dalgalanma voltajını osiloskop ile ölçmek için, osiloskop girişini 1x kazançla AC olarak değiştirin. Ardından, kablolardan kaynaklanan gürültü azaltmalarını almak için düşük değerli bir Elektrolitik kondansatör ve düşük değerli bir seramik kondansatör bağlayın. Bu prosedürle ilgili daha fazla bilgi için Power Integration'dan bu RDR-295 belgesinin 40. sayfasına bakabilirsiniz.
Aşağıdaki anlık görüntü hem 85VAC hem de 230VAC'de yüksüz durumda alınmıştır. Ölçek, bölüm başına 10mV olarak ayarlanmıştır ve gördüğünüz gibi dalgalanma neredeyse 10mV pk-pk'dir.
90VAC girişinde ve tam yükte dalgalanma yaklaşık 20mV pk-pk'de görülebilir
230VAC'de ve tam yükte dalgalanma voltajı yaklaşık 30mV pk-pk'de ölçülür ki bu en kötü durum senaryosudur
İşte bu; kendi 12v SMPS devrenizi bu şekilde tasarlayabilirsiniz. Çalışmayı anladıktan sonra, voltaj ve güç gereksinimlerinize uyacak şekilde 12v SMPS devre şemasını değiştirebilirsiniz. Umarım öğreticiyi anladınız ve yararlı bir şeyler öğrenmekten keyif aldınız. Herhangi bir sorunuz varsa, onları yorum bölümüne bırakın veya teknik tartışmalar için forumlarımızı kullanın. O zamana kadar başka bir ilginç SMPS tasarımıyla tekrar buluşacak….