Projetar um circuito SMPS 12V/27W com CI controlador SMPS UC3843

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Fonte de alimentação comutada ou simplesmente SMPS é um tipo de unidade de fonte de alimentação (PSU) que usa um dispositivo de comutação (como transistor ou MOSFET) para converter a fonte que pode ser CA ou CC em uma tensão CC constante. Os circuitos de alimentação comutada (SMPS) são mais frequentemente necessários em muitos projetos eletrônicos para converter a tensão CA da rede elétrica em um nível adequado de tensão CC para o dispositivo operar. Este tipo de conversor AC-DC recebe a tensão de rede 220V/127V AC como entrada e a converte em tensão DC de baixo nível com a ajuda do processo de comutação, daí o nome fonte de alimentação comutada. Já construímos alguns circuitos SMPS anteriormente, como circuito SMPS 5V 2A e circuito SMPS 12V 1A TNY268. Nós até fizemos um projeto sobre como  construir nosso próprio transformador SMPS que poderia ser usado em nossos projetos SMPS junto com o IC do driver. Neste projeto, construiremos outro circuito SMPS 12V 2.2A usando o IC controlador PWM de modo de corrente UC3843 , que é um IC driver SMPS popular de baixo custo. Este tutorial o levará através do circuito completo e também explicará como construir seu transformador para o circuito UC3843. Interessante certo, vamos começar.

Especificação de design de fonte de alimentação baseada em UC3843

O UC3843 é um controlador PWM de modo de frequência fixa , especialmente projetado para aplicações off-line e de conversor CC para CC com o mínimo de componentes externos. Esses circuitos integrados apresentam um oscilador ajustado para controle preciso do ciclo de trabalho, uma referência de compensação de temperatura, um amplificador de erro de alto ganho, um comparador de detecção de corrente e uma saída de totem de alta corrente para acionar um Power MOSFET . Como veremos, ele o torna adequado para muitas aplicações diferentes.

Especificação de entrada: Nosso SMPS funcionará no domínio de conversão AC para DC . Portanto, a entrada é AC. Neste projeto, a tensão de entrada é fixa. É de acordo com a classificação de tensão do padrão europeu. Portanto, a tensão CA de entrada deste SMPS será 220-240VAC. É também a classificação de tensão padrão do Brasil.

Especificação de saída:  Definiremos a tensão de saída para 12V com 2,2 A da classificação atual . Portanto, será uma saída de 27W. Este SMPS fornecerá tensão constante independentemente da corrente de carga, ele funcionará no modo CV (tensão constante) . Além disso, a tensão de saída será fixada em 12V nominal.

Circuitos de proteção:  Existem vários circuitos de proteção que podem ser usados ​​para projetar um circuito SMPS, para tornar a operação segura e confiável. O circuito de proteção protege o SMPS, bem como a carga associada. Dependendo do tipo, o circuito de proteção pode ser conectado na entrada ou na saída. Para este SMPS, a proteção contra surtos de entrada será usada com uma tensão de entrada operacional máxima de 275 VCA. Além disso, para lidar com problemas de EMI, um filtro de modo comum será usado para apagar o EMI gerado. Do lado da saída, vamos incluir proteção contra curto-circuitoproteção de sobre-tensão e proteção de sobrecorrente . Fora isso, para reduzir EMI e ruído , podemos usar centelhadores ou podemos usar

UC3843 IC trabalhando

Conforme discutimos anteriormente, estaremos usando o IC UC3843 popular para projetar nosso SMPS, mas antes de fazermos isso, precisamos entender o funcionamento básico do IC. Nesta seção, vamos esclarecer alguns aspectos disso. Se você quiser saber mais, você pode verificar a folha de dados do IC UC3843 .

Bloqueio de subtensão:  Quando a tensão de entrada da fonte de alimentação cai abaixo da tensão nominal / configurada, a tensão de detecção UVLO é ativada, o UVLO define o circuito interno para um estado semi-standby para evitar qualquer fabricante do circuito. Quando a tensão da fonte de alimentação aumenta e se torna mais alta do que a tensão de liberação do UVLO, e a operação normal continua durante o travamento por subtensão, o driver de saída é polarizado para um estado de alta impedância. O pino 6 deve ser desviado para o solo com um resistor de purga para evitar a ativação do interruptor de alimentação com corrente de fuga de saída.

Configuração do amplificador de erro:  Existem dois amplificadores de erro neste circuito. Esses dois podem ser configurados para detectar tensão e corrente, para configurar a corrente você pode usar a fórmula.

A corrente de pico (IS) é determinada pela fórmula.

Um pequeno filtro RC pode ser necessário para suprimir os transientes do switch.

Formas de onda do oscilador e ciclo de trabalho máximo:  O capacitor de temporização do oscilador, CT, é carregado por VREF por meio de RT e descarregado por uma fonte de corrente interna. Durante o tempo de descarga, o sinal do relógio interno limpa a saída para o estado baixo. A seleção de RT e CT, portanto, determina a frequência do oscilador e o ciclo de trabalho máximo. Os tempos de carga e descarga são determinados pelas fórmulas:

Agora, conhecemos o IC UC3843 um pouco melhor, então podemos passar a projetar o SMPS com ele.

Componentes necessários para construir o circuito SMPS de 27 watts baseado em UC3843

Os componentes necessários para construir o Circuito SMPS de 27 Watts com base em UC3843  estão listados abaixo. Projetamos este circuito com componentes muito genéricos, o que torna o processo de replicação muito fácil.

  • Conector de alimentação -1
  • 1A TR5-370 Fusível -1
  • MOV 275V -1
  • 1N4007 Diodo -4
  • Capacitor -2 100uF / 450V
  • Modo Comum Choke -1
  • 18K, 2W -2
  • FR107 Diodo -2
  • 10K Resistor -4
  • Capacitor 22pF / 100pF -10 ou 2
  • Resistor 150K – 1
  • 104 pF -1
  • Resistor de 4,7 K -2
  • 224 pF -1
  • 100uF, 25V – 2
  • 223pF -2
  • 22R -1
  • 1K Resistor -1
  • 0,5R, 3W Resistor -1
  • Diodo SR360 – 2
  • 3.3uF Indutor – 2
  • 100uF Capacitor -2
  • EL-35 Core and Bobbin – 1 (recuperado de uma fonte de alimentação ATX)

 

Projeto e construção do circuito SMPS de 27 watts com base em UC3843

O esquema mostrado abaixo foi projetado usando a nota de aplicação do semicondutor e eu ajustei alguns valores de componentes de acordo com minha necessidade porque eu já tinha aqueles em meu estoque.

Antes de construirmos o circuito, é melhor entender a operação do circuito; nesta seção, faremos exatamente isso.

Proteção contra surto de entrada e falha SMPS:

Esta seção consiste em dois componentes, F1 e MOV. F1 é um fusível de queima lenta 1A 250VAC e MOV é um MOV ( Varistor de óxido metálico ) de 7 mm 275V . Durante um surto de alta tensão (mais de 275 VCA), o MOV entra em curto e queima o fusível de entrada. No entanto, devido ao recurso de queima lenta, o fusível resiste à corrente de inrush através do SMPS.

Conversão AC-DC:

A conversão AC DC é feita usando quatro diodos 1N4007 que compõem um retificador de ponte completa , um 1N4007 é um diodo retificador nominal de 1000V 1A. A filtragem é feita usando o capacitor 100uF 400V. No entanto, para tal circuito de 25W, um 22uF 400V é suficiente.

Filtro PI:

Diferentes estados têm diferentes padrões de rejeição de EMI. Este projeto confirma o padrão EN61000-Classe 3 e o filtro PI é projetado de forma a reduzir a rejeição de EMI de modo comum. Esta seção é criada usando C1, C2 e L1. C1 e C2 são 10uF, 400V

Circuito de driver ou circuito de comutação:

Para este projeto, o UC3843 junto com o IRF840 MOSFET forma o circuito do driver para na inicialização inicial alguma energia é necessária para iniciar a operação, e os dois resistores R1 e R2 vêm naqueles chamados de Resistores de Inicialização. Esses resistores de inicialização fornecem a corrente de inicialização inicial para iniciar o circuito, e quando o circuito está alternando e está ligado, o enrolamento auxiliar fornece a energia necessária.

Circuito de grampo:

O transformador é um indutor no MOSFET do driver de alimentação. Portanto, quando o transformador é desligado, ele cria um enorme pico de tensão. Se não for compensado corretamente, pode facilmente matar o MOSFET, é por isso que um circuito de grampo se torna necessário. Assim, o C7, R11 e D5 compõem o circuito do grampo.

Enrolamento Auxiliar:

O enrolamento auxiliar fornece energia para o IC enquanto ele está em plena condição de operação. A energia do enrolamento auxiliar é convertida e filtrada em CC usando D6, D7, C8, C9, C10 e R12.

Circuito retificador secundário e amortecedor:

Precisamos converter a saída do Transformer para DC antes de podermos conectar nossos circuitos de aplicações. Um diodo retificador SR360 Schottky é usado porque a corrente de saída é 2A, SR360 é um diodo Schottky 3A 60V classificado.

Seção de filtro:

C6 é o capacitor do filtro. É um capacitor de baixo ESR para melhor rejeição de ondulação. Além disso, um pós-filtro LC é usado onde L2 e C7 fornecem melhor rejeição de ondulação na saída.

Seleção de frequência do oscilador:

A frequência do IC UC3843 pode ser ajustada de acordo com as necessidades, para nosso caso, a frequência do IC é definida para 80KHz com a ajuda do resistor R6 e do capacitor C4. E um capacitor C5 adicional é usado para filtrar a energia.

 

Construção de transformador de comutação para circuito SMPS de 27 watts baseado em UC3843

Vamos agora construir o transformador de comutação , para isso usaremos as informações fornecidas na nota de aplicação UC3843.

O núcleo é baseado em uma bobina e núcleo EL35 com um espaço de ar de 0,5 mm. A indutância primária é 1mH. Para construir este transformador, os seguintes materiais são necessários.

  1. Fita de poliéster
  2. EL35 pares de núcleos com espaço de ar de 0,5 mm.
  3. Fio de cobre 26 AWG
  4. Fio de cobre 30 AWG
  5. Bobina horizontal (recuperada da fonte de alimentação ATX)
  6. Medidor de indutância

Passo 1:  segure o núcleo em uma mão e comece com o fio 26AWG com o pino 1, faça 45 voltas no sentido horário ao redor da bobina e termine no pino 7, por fim aplique uma camada de fita adesiva.

Passo 2: Comece o enrolamento de polarização usando o fio 30AWG do pino 3 e faça 10 voltas no sentido horário e termine no pino 5. Uma vez feito isso, aplique três camadas de torneira de poliéster.

Passo 3: Comece o enrolamento secundário no lado oposto da bobina do pino 1 e faça 9 voltas no sentido horário, e termine no pino 3. E aplique 3 camadas de fita.

Passo 4:  Prenda o transformador com supercola / fita adesiva para reduzir as vibrações e o ruído no transformador.

Passo 5:  Uma vez feito isso, meça a indutância primária do transformador e se estiver perto de 1mH, você terá concluído a construção do transformador neste ponto.

Construindo o Circuito SMPS de 27 Watts com base em UC3843

Com o transformador de comutação, construímos o circuito em uma placa de desempenho e de acordo com o diagrama de circuito fornecido. Uma vez que todo o processo de soldagem foi finalizado, a placa se parece com a imagem mostrada abaixo.

Teste de circuito SMPS baseado em UC3843

Para testar o circuito, conectamos a entrada para fornecer CA e conectamos a saída ao multímetro, como você pode ver, temos 243V como entrada e 12,43V como saída.

A tensão de saída é um pouco mais de 12 V devido às tolerâncias, mas quando uma carga é conectada a tensão está estável e funcionando.

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