¿Cuáles son los componentes específicos de los cargadores de teléfonos móviles, MP3, MP4 y otros productos electrónicos?
Para realizar la función de carga automática de los cargadores utilizados en teléfonos móviles, bicicletas eléctricas, etc., la mayoría de ellos utilizan varios circuitos integrados de cargador IC dedicados y varios circuitos de muestreo. Este artículo presenta un circuito que no solo puede eliminar la necesidad de circuitos IC y circuitos periféricos complejos, sino que también logra funciones de carga automática.
1. Principio de funcionamiento En la Figura 1, C1, V1~V4 y C2 forman un circuito rectificador de filtro, el transformador T es un transformador de alta frecuencia, V5, R2 y C11 forman un circuito de protección para el interruptor de alimentación V7, y NF son los devanados de fuente de alimentación del IC. El IC de salida de un solo extremo es UC3842. Sus 8 pines emiten el voltaje de referencia de 5 V, 2 pines es la entrada inversora, 1 pin es la salida del amplificador y 4 pines es el terminal de entrada del condensador oscilante C9 y la resistencia R7. , 5 pines es el terminal de tierra y 3 pines es el terminal de protección de sobretensión, el pin 6 es el terminal de salida de pulso único modulado en ancho y el pin 7 es el terminal de entrada de energía. R6 y C7 forman retroalimentación negativa. R1 suministra el voltaje de arranque en el momento en que se inicia el IC. Después de que se inicia el circuito, el potencial generado por NF es rectificado y filtrado por V6, C4 y C5 y luego suministra el voltaje de trabajo del IC. R12 es la resistencia de muestreo de protección contra sobrecorriente, y V8 y C3 forman un circuito de salida de filtro de rectificación de retorno. R13 es la carga interna, V9~V12 y R14~R19 forman el circuito de visualización del tubo luminoso. En la Figura 1, V5 y V6 usan FR107, V8 usa FR154 y V7 usa K792. Ahora el enlace de conversión se introduce de la siguiente manera: En la Figura 1, se puede ver que cuando se enciende V7, la energía eléctrica del voltaje rectificado aplicado al devanado primario Np del transformador T se convierte en energía magnética y se almacena en el transformador. Cuando termina V7, la energía eléctrica en el devanado Np La corriente alcanza el valor máximo Ipmax: Ipmax=(E/Lp)ton (1)---------------En la fórmula: E——voltaje del rectificador;
Lp—— —Inductancia del devanado primario del transformador;
tonelada——tiempo de conducción V7.
En el momento en que se apaga V7, la corriente de descarga del devanado secundario del transformador es el valor máximo Ismax. Si se ignoran varias pérdidas, debería ser:
Ismax=nIpmax=. n(E/Lp)ton ( 2)
En la fórmula: n——relación del transformador, n=Np/Ns, Np y Ns son el número de vueltas de los devanados primario y secundario del transformador .
La energía almacenada en el devanado primario del transformador de alta frecuencia cuando V7 está encendido y la energía liberada por el devanado secundario cuando V7 está apagado deben ser iguales:
n(E /Lp)ton=(Uo/Ls )toff------------------En la fórmula: Ls——inductancia del devanado secundario del transformador
Uo—; —voltaje de salida;
toff——tiempo de apagado V7.
Porque Lp=n2Ls,
Entonces: (E/nLs)ton=(Uo/Ls)toff
Eton=nUotoff
Uo=(ton/ntoff)E (3)
La fórmula anterior muestra que el voltaje de salida Uo es directamente proporcional a ton e inversamente proporcional a la relación de vueltas n y tooff.
La energía WLp almacenada por el transformador durante el periodo de conducción es:
WLp=(1/2)LpI2pmax (4)
Cuanto mayor sea el Lp del transformador , mayor será el almacenamiento de energía.
La posibilidad de liberar la energía almacenada en el transformador durante el toff no sólo está relacionado con la frecuencia de funcionamiento f del transformador, sino también con la inductancia del devanado secundario Ls, y más aún con el tamaño de la carga. .
La diferencia entre la constante de tiempo de liberación del almacenamiento de energía τ y el tiempo de cierre del V7 toff forma tres estados de funcionamiento del convertidor, que se presentan por separado a continuación:
1) toff=τ, este estado es En el estado crítico, las formas de onda de cada parámetro se muestran en la Figura 2. Figura 2 Diagrama de forma de onda de toff=τ
En la Figura 2, ub es la forma de onda del voltaje de control de Vp; up es la forma de onda del potencial Np primario del transformador; φ es la forma de onda de cambio de flujo magnético del transformador; forma de onda de voltaje del colector; ip e is son las formas de onda de corriente primaria y secundaria.
2) Las formas de onda de cada parámetro de toff>τ se muestran en la Figura 3. Se puede ver en la Figura 3 que cuando se restablece el flujo magnético, V7 continúa cerrado durante un período de tiempo, ip aumenta linealmente y cae linealmente.
Figura 3 El diagrama de forma de onda de toff >τ La energía almacenada en el transformador es igual a la energía de salida del circuito.
(1/2)LpI2pmaxf=Uo2/RL Uo2=(1/2)LpI2pmaxRLf Sustituyendo Ipmax=(E/Lp)ton en la fórmula anterior, entonces: RL——resistencia de carga del circuito T =; 1/f——Ciclo de trabajo del transformador. En la ecuación (5), E, ton, T y Lp son valores fijos, por lo que el voltaje de salida Uo cambia con el tamaño de la resistencia de carga RL. Si se ignora la caída de voltaje del dispositivo rectificador, el voltaje de salida máximo debe. ser: Uomax=(1/n )Up=(1/n)E (6) La contrapresión que soporta V7 debe ser: Ucc=E+Up=E+nUo (7) 3) toff<τ Se muestran las formas de onda de cada parámetro en la Figura 4. Se puede ver en la Figura 4 que el flujo magnético no se puede restablecer durante el toff, ip no aumenta linealmente desde 0 y cae menos de 0. En este estado de funcionamiento, el voltaje de salida Uo debe satisfacer la siguiente relación: Eton=( Np/Ns) Uot Uo=(ton/toff)(Ns/Np)E Figura 4 Diagrama de forma de onda de toff <τ La ecuación anterior muestra que cuando Lp es grande, Uo solo depende del número de vueltas del transformador, el encendido -ancho del impulso de apagado y la tensión de alimentación E, independientemente de la resistencia de carga RL. Entre los tres estados de trabajo anteriores, el voltaje de salida Uo del segundo estado de trabajo cambia con el tamaño de la resistencia de carga. Simplemente aprovechamos esta característica para cumplir con las características de carga del cargador. Se puede ver en el circuito que la resistencia de carga RL del circuito es en realidad la resistencia interna equivalente de la batería cargada. Cuando la batería está descargada, la resistencia interna equivalente RL es muy pequeña a medida que aumenta la capacidad de carga. La resistencia aumenta, y el voltaje de salida del circuito Uo es el voltaje de carga, y su cambio aumenta con el aumento de RL, por lo que hay una curva característica de carga como se muestra en la Figura 5. Puede verse en la Figura 5 que la corriente de carga disminuye a medida que aumenta RL. io=uo/RL El voltaje de carga uo y la corriente de carga io cambian con RL. La curva cambiante de RL está determinada por las características de carga de la batería. Por lo tanto, un cargador fabricado con un circuito flyback de un solo extremo tiene un buen voltaje y corriente de carga. . de seguimiento. Figura 5 Curva característica de carga Cuando la batería está completamente cargada, RL aumentará hasta un cierto límite, el voltaje de carga entrará en un estado saturado y la corriente de carga entrará automáticamente en un estado de carga flotante. Esto simplifica enormemente el circuito de control de carga automático. En comparación con otros circuitos de carga con el mismo rendimiento, el costo se reduce considerablemente y la confiabilidad mejora considerablemente. 2. Cálculo del diseño del circuito Para simplificar, solo presentamos el diseño del transformador y el método de selección de los componentes principales en el circuito de conversión flyback de un solo extremo. 2.1 Diseño del transformador de alta frecuencia El transformador es el componente principal del convertidor y su diseño incluye principalmente la selección del núcleo magnético, el número de vueltas del devanado y la selección del diámetro del cable. 1) Fórmula de cálculo de los principales parámetros del transformador: potencia de salida Po=UoIo potencia de entrada PI=Po/eta ciclo de trabajo D=ton/T eficiencia del transformador η=Po/PI resistencia de carga RL=Uo/Io corriente máxima de entrada del transformador Ipmax=2Uo2/ DηEminRL Valor efectivo de la corriente de entrada del transformador Ipeff = DIp Determinación de la frecuencia de operación del transformador f: Aunque el volumen y el peso se pueden reducir si f es alto, la pérdida de conmutación V7 aumenta. Si f es bajo, el transformador se hará más grande. En términos de tamaño y peso, generalmente elija f = alrededor de 50 kHz. 2) Selección del tamaño del núcleo Dado que el circuito es un circuito flyback de un solo extremo, la corriente de excitación es unidireccional y el flujo magnético generado en el núcleo del transformador solo se mueve hacia arriba y hacia abajo en el primer cuadrante a lo largo del bucle de histéresis, como se muestra en la Figura 6 .
[a] Corriente de excitación (b) Bucle de histéresis
Figura 6 Según el estado de funcionamiento del circuito magnético en la Figura 6, la fórmula de cálculo para el tamaño del núcleo se deriva de la siguiente manera: Según la ley de inducción electromagnética e =-Np(dφ/dt) e=E-Uces Si se ignora la caída de tensión de saturación V7 Uces, entonces Npdφ=Edt NpΔφ=EtonΔφ=ΔBSCNp=(E×104ton×10-6/ΔBSC)=Eton/100ΔBSC ( 8 ) E = 100 NpΔBSC/ton (9) En la fórmula: 104——coeficiente de conversión de unidades de densidad de flujo magnético; 10-6——coeficiente de conversión de unidades de tiempo de conducción SC——área de sección transversal del núcleo magnético, unidad Δ B—; — Generalmente es 0,7 Bs (densidad magnética de saturación), unidad T—unidad μs; El área de ventana del núcleo magnético seleccionada, So, debe poder enrollar los devanados primario y secundario, por lo que existe la siguiente relación de fórmula:
Para facilitar la derivación de la fórmula, se supone que Ip=Is=I, Np=Ns:
En la fórmula: Ko - el factor de espacio del alambre de cobre, generalmente Ko=0,2~0,5; KC - el factor de espacio del núcleo magnético, KC=1 para ferrita; la densidad de corriente en el cable, generalmente Tome j=2～3A/mm2; 10-2——Coeficiente de conversión de la unidad de tamaño del área de la sección transversal del conductor. Capacidad de diseño del transformador PT=EI (11) Sustituya la ecuación (9) y la ecuación (10) en la ecuación (11) PT=(100NpΔBSC/ton)(100KoKCSoj/2Np)=ΔBSCSoKoKCj×104/2tonSoSC=2PTton×10-4/ΔBKoKCj (cm4) La relación entre la potencia primaria y secundaria del transformador es: Ps=ηPT Po=Ps-PD donde: Ps——potencia de salida secundaria del transformador; PD——diodo de salida y otras pérdidas de potencia. Si se ignora PD, entonces: Po=ηPTSoSC=2Poton/ηΔBjKoKC(cm4) (12) Calcule So y SC según la ecuación (12) y seleccione el tamaño del núcleo y las especificaciones. 3) Cálculo del número de vueltas del devanado Np = 100Eton/ΔBSC (13) Para cumplir con los requisitos del circuito, E y ton en la fórmula deben tomar el valor máximo. El devanado primario del transformador del circuito de retorno de un solo extremo también actúa. como inductor. La cantidad requerida de inductancia se calcula mediante la siguiente fórmula: Lp=Eton/Ip(μ H) (14) En la fórmula: la unidad de tonelada es μs y la siguiente fórmula se utiliza para calcular si el número de vueltas del devanado Np puede cumplir con el requisito de inductancia: L′p=(0,4 πN2pSC×10-8)/(Lδ+LC/μC) (μH) (15) En la fórmula: μC——permeabilidad magnética efectiva del material del núcleo magnético LC——longitud promedio de; circuito magnético del núcleo magnético (cm); Lδ——en el núcleo magnético Longitud del entrehierro (cm); Si Lp≤L′p, aumente Np para cumplir con el requisito de inductancia. Selección de la relación de espiras del transformador: Si no se considera la influencia de factores como la caída de voltaje del rectificador secundario y la pérdida interna del transformador, entonces n=Ep/Eo, Ns=nNp/D. De la misma manera, NF=(Ns/Uo). Se puede calcular Up 4) Cable Si se utiliza j=2,5A/mm2 para el cálculo de selección de diámetro, entonces: d=0,7 (mm) (16) Calcule el diámetro de cada cable de bobinado según la ecuación (16) y seleccione la especificación. valor Compruebe si el área de la ventana central puede enrollar cada devanado. Si no se puede omitir, repita los cálculos de diseño relevantes anteriores. 5) Verifique la constante de descarga del devanado secundario, τs debe ser menor que toff τs=Ls/RL=(L′p/n2)/RL=L′p/(n2RL) toff=T/2, T=1/f, entonces toff= 1/(2f)toff>τs es el principio de verificación. Si no se puede satisfacer, repita los cálculos anteriores. 2.2 Selección de componentes principales 1) Selección de tubos del interruptor de potencia Según la ecuación (7), la tensión soportada del tubo del interruptor debe ser ≥E+nUo, generalmente tomando (2,5~4)Emax. La corriente del tubo de potencia de conmutación se calcula y determina mediante la siguiente fórmula: Ipmax=2U2o/ηDER1min2) El voltaje C2 seleccionado de los condensadores C2 y C3 debe ser mayor que 1,1 × × 220 V; el voltaje C3 se determina de acuerdo con el voltaje de salida; . El principio de selección de la capacitancia C2 y C3 es: C2Rp=(4～5)T50; C3RL=(4～5)T.
En la fórmula: T50 - el período de trabajo correspondiente cuando la frecuencia es de 50 Hz; Rp, C2 - la resistencia de descarga y capacitancia equivalentes; T - el período correspondiente a la frecuencia de trabajo del transformador. A partir de esto se puede calcular la capacitancia. 3. Depuración del circuito 1) Ajuste de la frecuencia operativa del convertidor Ajustando R7 y C9 del pin IC4 se puede lograr el propósito de ajustar la frecuencia operativa. 2) Ajuste del tiempo de conducción del interruptor de encendido. Ajustar R3 y R5 puede lograr el propósito de ajustar la tonelada. 3) Ajuste del punto de trabajo de la protección contra sobrecorriente Ajustando R12 se puede lograr el propósito de ajustar el punto de trabajo de la protección contra sobrecorriente. 4. Conclusión El uso de un circuito de conversión flyback de un solo extremo para fabricar un cargador completamente automático es el resumen del autor de la discusión y la práctica de los circuitos de conversión flyback de un solo extremo. Se han diseñado y producido más de 30 cargadores totalmente automáticos de 100 W utilizando este circuito. Los resultados son buenos y han superado la evaluación técnica del fabricante. La aplicación de la tecnología presentada en este artículo puede eliminar circuitos integrados y circuitos de control complejos, lo que no solo reduce los costos, sino que también mejora en gran medida la confiabilidad y logra importantes beneficios generales.