Descargo de responsabilidad: Este circuito es una actualización industrial de una solución de energía basada en condensadores y está conectado a una fuente de alimentación de 220 V CA sin aislamiento galvánico. Si no está familiarizado con las normas de seguridad eléctrica, evite este contenido o busque orientación profesional. EL AUTOR (O CUALQUIER OTRA PERSONA O EMPRESA) NO SERÁ RESPONSABLE DE NINGÚN DAÑO O PERJUICIO. Hágalo bajo su propio riesgo. ¡Esto no es para principiantes!
Cuando escuchamos el término fuente de alimentación sin transformador, primero pensamos en soluciones basadas en condensadores. Esto significa condensadores de alta tensión en serie con la línea de alimentación principal, luego puentes rectificadores, diodos Zener, condensadores de filtrado, etc. Dichos circuitos no pueden proporcionar suficiente corriente para muchas aplicaciones y no son una solución confiable para la industria, aunque a veces puede ver dichos circuitos en productos económicos diseñados con un bajo costo.
Hace un mes estaba arreglando el tablero principal de mi lavadora. En el proceso de examen, encontré que tiene el chip LNK304 que se usa en las fuentes de alimentación sin transformador. Entonces, basándome en este chip, decidí diseñar un circuito para mi aplicación. Este circuito incluye protección de entrada de energía de 220 V CA, filtrado de salida y un regulador.
Altium Designer 22 y la biblioteca de componentes SamacSys (complemento de Altium) se utilizaron para diseñar el esquema y la PCB. Para obtener una placa PCB preensamblada de alta calidad, envié a Gerber a PCBWay y usé componentsearchengine.com para comprar los componentes originales. Para probar el manejo de la corriente y la estabilidad del voltaje de salida, se utilizó una carga de CC Siglent SDL1020X-E y un osciloscopio Siglent SDS2102X Plus para examinar el ruido de salida de la fuente de alimentación.
Tabla de contenido
Especificaciones técnicas
- Voltaje de entrada: 220VAC+/-15%
- Voltaje de salida: 5 VCC
- Corriente de salida (continua): 120mA a 150mA (se puede aumentar, ver texto)
- Corriente de salida (corto tiempo): 180mA
- Ruido de salida (máx.): 30 mVp-p (carga de 150 mA, 20 MHz BW)
- Protección de entrada: fusible, NTC, varistor
- Protección de salida: cortocircuito y límite de corriente a ~190mA
Análisis del circuito de potencia
La figura 1 muestra un esquema del dispositivo. Como puede verse, el circuito contiene tres partes principales. Circuito de entrada principal de 220V, LNK304, filtrado de salida y regulador de 5V.
Figura 1: Esquema de fuente de alimentación sin transformador usando LNK304
Entrada de alimentación de 220 VCA
La protección de entrada de red consta de F1, R4 y R5. R5 es un varistor 10D561. Según la hoja de datos, “los varistores dependen del voltaje y son dispositivos no lineales con un comportamiento eléctrico similar a los diodos Zener consecutivos. Los varistores de óxido de zinc de la serie TYEE están hechos principalmente de óxido de zinc y algunos aditivos de óxido metálico. No son resistencias lineales compuestas de. Tienen curvas características VI simétricas y su capacidad de corriente máxima excepcionalmente grande se utiliza para absorber voltajes transitorios, suprimir el ruido de pulso y estabilizar los voltajes del circuito “.
No estoy seguro de dónde se utilizará este circuito. Por lo tanto, es necesario utilizar un varistor como el mencionado anteriormente para proteger contra sobretensiones de conmutación de varios relés y válvulas de solenoide.
El F1 es un fusible regular de 500 mA que protege naturalmente los circuitos de eventos extraños que pueden causar fugas de alta corriente, explosiones o incluso incendios. R4 es un NTC 10D7 que protege el circuito de la corriente de entrada. BR1 es puente rectificador DB107G [1] C4, C5 y L1 construyen un filtro Pi de paso bajo para reducir el ruido y la ondulación tanto como sea posible.
Convertidor LNK304
Los principales componentes de este circuito son IC1, LNK304. [2]De acuerdo con la hoja de datos, “LinkSwitch-TN reemplaza todas las fuentes de alimentación no aisladas lineales y alimentadas por capacitor (cuentagotas) en el rango de corriente de salida de <360 mA a un costo de sistema comparable, al tiempo que ofrece un rendimiento y energía mucho más altos Diseñado específicamente para proporcionar eficiencia, el dispositivo LinkSwitch-TN incorpora un MOSFET de potencia de 700 V, un oscilador, un esquema de control de encendido/apagado simple, una fuente de corriente conmutada de alto voltaje, fluctuaciones de frecuencia, limitación de corriente ciclo por ciclo, circuito de apagado térmico integrado en un monolítico CI.
La energía de arranque y funcionamiento se deriva directamente del voltaje en el pin DRAIN, lo que elimina la necesidad de un suministro de polarización y circuitos asociados en convertidores reductores o flyback. El circuito de reinicio automático totalmente integrado en el LNK304-306 limita de manera segura la potencia de salida durante condiciones de falla, como cortocircuitos y bucles abiertos, lo que reduce el número de componentes y los costos de protección de carga a nivel del sistema. La fuente de alimentación local proporcionada por el IC permite el uso de optoacopladores de grado no seguro que actúan como cambiadores de nivel para mejorar aún más el rendimiento de regulación de línea y carga de los convertidores reductores y reductores-elevadores, si es necesario. ”
R1 y R2 definen el voltaje de salida del chip. C1, C2, C3, L2, D1 y D2 se seleccionan de acuerdo con la hoja de datos. R3 crea una carga ligera preliminar para estabilizar el voltaje de salida.
Filtro de salida y regulador
R6 y C6 forman un filtro RC de paso bajo para reducir el ruido de salida y la ondulación. REG1 es el regulador 78M05. [3] Cree una salida estable de +5V. Dado que los niveles de +5V son estándar para muchas aplicaciones (como la alimentación de placas y accesorios Arduino), decidí usar un regulador de +5V. Si su carga requiere un riel de voltaje de +3.3V, use otro regulador (preferiblemente un tipo LDO) cerca de la carga. El nivel de voltaje antes de R6 es de aproximadamente 9,5 V, por lo que con un consumo de corriente de 150 mA, este filtro caerá 1,5 V, pero todavía se permiten 8 V para que REG1 maneje los +5 V constantes en la salida.
C7 es el condensador de regulación de salida para el regulador y el LED D3 indica que hay un voltaje adecuado en la salida. R7 limita la corriente en D3 y C8 ayuda a filtrar aún más el ruido de alta frecuencia.
Diseño de PCB de potencia
La Figura 2 muestra el diseño de PCB del diseño. Esta es una placa PCB de dos capas y la mayoría de los componentes son agujeros pasantes.
Figura 2: diseño de PCB para fuente de alimentación sin transformador con LNK304 (Altium)
Cuando decidí diseñar el esquema y la PCB para este proyecto, me di cuenta de que no tenía una biblioteca de componentes para BR1.[4]IC1[5]REG1[6] al almacenamiento de mi biblioteca de componentes. Entonces, como de costumbre, elegí la biblioteca de componentes SamacSys con calificación IPC e instalé las bibliotecas que faltaban (símbolos esquemáticos, huellas de PCB, modelos 3D) utilizando las herramientas y servicios gratuitos de SamacSys. Hay dos formas de importar la biblioteca: Puede visitar componentsearchengine.com para descargar e importar manualmente la biblioteca, o puede usar el complemento CAD de SamacSys para importar/instalar automáticamente la biblioteca en su entorno de diseño. La Figura 3 muestra todo el software CAD de diseño electrónico compatible. [7]Como puede ver, todos los jugadores famosos son compatibles. Dado que uso Altium Designer, utilicé el complemento SamacSys Altium para instalar las bibliotecas que faltan (Figura 4). [8]La figura 5 muestra una vista en 3D de la placa PCB y el dibujo de ensamblaje.
Figura 3: Todo el software CAD de diseño electrónico compatible con el complemento SamacSys
Figura 4: Bibliotecas de componentes seleccionadas en el complemento SamacSys Altium
Figura 5: vista 3D de la placa PCB y dos dibujos de ensamblaje
Montaje y prueba de la fuente de alimentación
La figura 6 muestra la placa PCB ensamblada. El conector de entrada (220 V CA) es lo suficientemente sólido como para proporcionar una conexión buena y estable a la red eléctrica de 220 V. El conector de salida es un conector macho XH de 2,5 mm.
FIGURA 6: TARJETA PCB ENSAMBLADA PARA FUENTE DE ALIMENTACIÓN SIN TRANSFORMADOR
Utilicé carga de CC Siglent SDL1020X-E [9] Pruebe el manejo de la corriente de salida y la estabilidad del voltaje. Una parte del experimento se muestra en la Fig.7. Configuré la carga de CC en CC (corriente constante) y aumenté la corriente hasta que el voltaje de salida se apagó. El resultado es el punto de umbral del límite actual. Para probar el manejo de corriente continua, ajustamos la carga de CC a una corriente continua de 150 mA y probamos la placa durante aproximadamente una hora. Este experimento trata con puntos de corriente continua a temperatura ambiente. Es posible que pueda alcanzar corrientes más altas, pero necesitará usar disipadores de calor o ventiladores para bajar la temperatura. Para obtener más información, vea nuestro video de YouTube.
Figura 7: uso de Siglent SDL1020X-E para probar el manejo de la corriente de salida y la estabilidad del voltaje de la fuente de alimentación
Se utilizó un osciloscopio Siglent SDS2102X Plus para probar y observar el ruido de salida. [10]Es un lindo equipo con una pantalla táctil de 10 pulgadas. Se aplicó una carga de CC a una corriente de 150 mA, se examinó el ruido de la fuente de alimentación en el modo de adquisición de detección de picos y se examinó el resorte de tierra en la punta de la sonda. La Figura 8 muestra el ruido de salida. Para obtener más información, vea nuestro video de YouTube.
Figura 8: Prueba del ruido de salida de la fuente de alimentación con el osciloscopio Siglent SDS2102X Plus
Desafíos futuros para las fuentes de alimentación
Se utilizó un filtro RC (R6, C6) para reducir el ruido. También puede usar un filtro LC, pero tenga en cuenta la frecuencia de corte, la frecuencia de ruido y la oscilación del filtro. [11].
Se puede lograr una corriente de salida más alta con el chip LNK305 o LNK306. Cuando se utiliza el chip LNK306, la corriente de salida puede alcanzar los 350 mA. Por lo tanto, el valor R6 debe reducirse o debe usarse un filtro LC con las consideraciones anteriores. Además, instale un pequeño disipador de calor en el regulador de salida.
lista de partes
La figura 9 muestra la lista de materiales y los números de pieza de este proyecto.
FIGURA 9: BOM PARA FUENTE DE ALIMENTACIÓN SIN TRANSFORMADOR CON LNK304
Referencias
[1]: Hoja de datos DB107G
[3]: 78M05 hoja de datos
[4]: Símbolo esquemático DB107G, huella de PCB, modelo 3D
[5]: Símbolo esquemático LNK304G, huella de PCB, modelo 3D
[6]: Símbolo esquemático 78M05, huella de PCB, modelo 3D
[7]: Complemento de software CAD de diseño electrónico
[8]: Complemento de diseñador de Altium
[10]: Osciloscopio Siglent SDS2102X Plus
Fuente de alimentación sin transformador de 220 V CA a 5 V CC con LNK304