Ilekroć słyszy się termin: „zasilanie beztransformatorowe”, łatwo jest sobie wyobrazić rozwiązanie oparte na kondensatorze wysokiego napięcia, który jest połączony szeregowo z linią sieciową, a następnie prostownik mostkowy, diodę Zenera, kondensator filtrujący i tak dalej... Taki obwód nie tylko nie jest w stanie dostarczyć wystarczającego prądu dla wielu zastosowań, ale także nie jest niezawodnym ujęciem dla przemysłu. Niemniej takie obwody można spotkać w niektórych tanich produktach zaprojektowanych z myślą o minimalizowaniu kosztów.
Autor artykułu naprawiając pralkę spostrzegł, że jest ona wyposażona w układ LNK304 używany w zasilaczach beztransformatorowych. To: „spotkanie” było inspiracją do samodzielnego zaprojektowania zasilacza, opartego na tym chipie, który można następnie wykorzystać w samodzielnie tworzonych urządzeniach. Przedstawiony obwód zawiera zabezpieczenie wejścia sieci 230 V AC, filtr wejściowy oraz układ stabilizacji napięcia wyjściowego.
Do przygotowania schematu i PCB autor wykorzystał oprogramowanie Altium Designer 22 i biblioteki komponentów SamacSys (wtyczka do Altiuma). Aby uzyskać wysokiej jakości płytki PCB, Gerbery zostały wysłane do produkcji w PCBWay. Elementy pozyskano z renomowanych sklepów, co jest niezwykle istotne w przypadku detali pracujących przy napięciu sieciowym. Aby przetestować działanie, stabilność napięcia wyjściowego i możliwości prądowe układu, autor wykorzystał elektroniczne obciążenia DC Siglent SDL1020X-E i zbadał szum wyjściowy zasilacza za pomocą oscyloskopu Siglent SDS2102X Plus.
Uwaga! Ten obwód jest przemysłowym ulepszeniem rozwiązania zasilania opartego na kondensatorach, jest podłączony do sieci 230 V AC i nie posiada izolacji galwanicznej. Oznacza to, że może być niebezpieczny dla naszego życia. Jeśli nie znasz zasad bezpieczeństwa przy postępowaniu z napięciem sieciowym nie zabieraj się za realizację tego projektu. Wszystko, co robisz, robisz na własne ryzyko.
Specyfikacja techniczna:
* Napięcie wejściowe: 220 V AC ±15%.
* Napięcie wyjściowe: 5 V DC.
* Prąd wyjściowy (ciągły): od 120 mA do 150 mA (można go zwiększyć — patrz tekst).
* Prąd wyjściowy (w impulsie): 180 mA.
* Szum wyjściowy (maks.): 30 mVp-p (obciążenie 150 mA, pasmo 20 MHz).
* Ochrona wejścia: bezpiecznik, NTC, warystor.
* Ochrona wyjścia: przeciwzwarciowa i nadprądowa (ograniczenie prądu przy około 190 mA).
Analiza obwodu zasilania
Rysunek 1 przedstawia schemat ideowy urządzenia. Obwód składa się z trzech głównych części: obwodu wejściowego sieci 220V, układu LNK304, filtra wyjściowego i stabilizatora 5 V.
Wejście sieciowe 220VAC
Zabezpieczenie wejścia sieciowego składa się z bezpiecznika F1 oraz oporników R4 i R5. R5 to warystor 10D561. Zgodnie z arkuszem danych: „Warystor to zależne od napięcia, nieliniowe urządzenie, które ma zachowanie elektryczne podobne do diod Zenera połączonych w architekturze back-to-back [przeciwsobnie – przyp.red.]. Warystory z tlenku cynku serii TYEE są opornikami nieliniowymi, składającymi się głównie z tlenku cynku i kilku rodzajów dodatkowych tlenków metali. Charakteryzują się obustronną i symetryczną krzywą charakterystyki I/V, a niespotykanie duże możliwości w zakresie osiąganych prądów szczytowych są wykorzystywane do absorpcji napięcia przejściowego, tłumienia szumów impulsowych i stabilizacji napięcia w obwodzie”.
Projektując tego rodzaju układ nigdy nie wiemy, gdzie będzie używany. Trzeba więc zabezpieczyć go przed przepięciami przełączającymi z różnego rodzaju przekaźników i zaworów elektromagnetycznych podłączonych za pomocą warystora, takiego jak wyżej wymieniony. [W ogólności, o tym, przed jakimi sytuacjami na wejściu układu podpiętego do sieci energetycznej należy go zabezpieczyć mówią stosowne normy — przyp.red.].
F1 to zwykły bezpiecznik 500 mA, który w naturalny sposób chroni obwód przed wszelkimi nieprzewidzianymi zdarzeniami, które mogą spowodować przepływ nadmiernego prądu, wybuch, a nawet pożar. R4 to NTZ 10D7, który zabezpiecza obwód przed przesadnymi prądami rozruchowymi. BR1 to prostownik mostkowy DB107G, a C4, C5 i L1 formują filtr dolnoprzepustowy typu Pi, aby maksymalnie zredukować szumy i tętnienia napięcia po wyprostowaniu.
Przetwornica LNK304
Głównym elementem tego układu jest oczywiście IC1 — LNK304. W karcie katalogowej czytamy: „LinkSwitch-TN został specjalnie zaprojektowany do zastąpienia wszystkich liniowych i kondensatorowych nieizolowanych zasilaczy w zakresie prądu wyjściowego poniżej 360 mA przy równych kosztach systemu, oferując jednocześnie znacznie wyższą sprawność i energooszczędność. Układ LinkSwitch-TN integruje w sobie tranzystor MOSFET o napięciu do 700 V, oscylator, prosty mechanizm sterowania włączaniem/wyłączaniem, wysokonapięciowe przełączane źródło prądowe, układ przemiatania częstotliwości, ogranicznik prądu działający w każdym cyklu i obwód wyłączania termicznego w monolitycznym układzie scalonym”.
Energia rozruchowa i operacyjna pochodzi bezpośrednio z napięcia na pinie DRAIN, eliminując potrzebę zasilania i polaryzacji oraz powiązanych obwodów w przetwornicach typu buck lub flyback. W pełni zintegrowany obwód automatycznego restartu zawarty w LNK304-306 bezpiecznie ogranicza moc wyjściową w warunkach awarii, takich jak zwarcie czy rozwarcie wyjścia, zmniejszając liczbę komponentów i koszty ochrony obciążenia na poziomie systemu. Lokalne zasilanie pozwala na użycie transoptora bez odpowiedniej klasy bezpieczeństwa działającego jako przełącznik poziomu, aby w razie potrzeby jeszcze bardziej zwiększyć sprawność układu do stabilizacji napięcia wyjściowego w funkcji obciążenia.
Oporniki R1 i R2 definiują napięcie wyjściowe. Elementy C1, C2, C3, L2, D1 i D2 są dobierane zgodnie z kartą katalogową układu. Opornik R3 formuje wstępne niewielkie obciążenie systemu, potrzebne, aby ustabilizować napięcie wyjściowe.
Filtr wyjściowy i stabilizator
Elementy R6 i C6 tworzą filtr dolnoprzepustowy RC, używany, aby zredukować szum wyjściowy i tętnienia napięcia na wyjściu. Układ REG1 to stabilizator 78M05, który zapewnia stabilne wyjście 5 V. Napięcie 5 V jest typowe w wielu zastosowaniach, takich jak zasilanie płytki Arduino i jej akcesoriów, dlatego autor zdecydował się na użytek właśnie takiego stabilizatora. Jeśli obciążenie w naszym systemie wymaga szyny zasilania 3,3 V, po prostu należy wykorzystać inny stabilizator liniowy, najlepiej typu LDO, przed obciążeniem. Poziom napięcia przed rezystorem R6 wynosi około 9,5 V. Toteż przy poborze prądu 150mA, filtr ten wprowadza spadek o 1,5 V, a 8 V jest nadal akceptowalnym napięciem wejściowym stabilizatora REG1, aby mógł on stabilizować 5V na wyjściu.
C7 to kondensator filtrujący wyjście regulatora, a dioda D3 sygnalizuje, że na wyjściu jest odpowiednie napięcie. Opornik R7 ogranicza prąd płynący D3 i C8. Co jeszcze bardziej usprawnia układ w zakresie usuwania szumów o wysokiej częstotliwości z napięcia wyjściowego.
Układ PCB zasilacza
Rysunek 2 pokazuje układ ścieżek i elementów na płytce drukowanej projektu. Jest ona zrealizowana jako dwuwarstwowe PCB, a większość komponentów to elementy do montażu przewlekanego.
Kiedy autor rozpoczął projektowanie schematu i płytki drukowanej dla tego układu zdał sobie sprawę, że nie posiada odpowiednich bibliotek dla komponentów BR1, IC1 i REG1 w swoim magazynie w pakiecie EDA. Wybrał więc z elementów SamacSys, gdzie można znaleźć zgodne z wymogami IPC, w skład których wchodzi symbol di schematu, obrys detalu na PCB oraz model 3D.
SamacSys to pakiet bezpłatnych narzędzi i usług do pobierania bibliotek elementów elektronicznych. Istnieją dwa sposoby importowania: można odwiedzić componentsearchengine.com i pobrać wszystko stamtąd do ręcznego wgrania. Ewentualnie użyć wtyczki SamacSys do oprogramowania EDA, która automatycznie importuje i instaluje odpowiednią bibliotekę w środowisku projektowym. Rysunek 3 przedstawia obsługiwane oprogramowanie EDA. Jak widać wspierani są wszyscy znani gracze. Autor wykorzystuje Altium Designera, więc zainstalował brakujące biblioteki za pomocą wtyczki SamacSys dla Altium (patrz rysunek 4). Rysunek 5 pokazuje widok 3D gotowej płytki PCB i rzuty montażowe dla projektowanego układu.
Rys.3. Wszystkie obsługiwane przez wtyczkę SamacSys pakiety CAD do projektowania układów elektronicznych.
Montaż i test zasilacza
Rysunek 6 przedstawia zmontowaną płytkę PCB układu. Złącze wejściowe (dla napięcia 230 V AC) jest wystarczająco mocne, aby zapewnić dobre i stabilne połączenie z siecią energetyczną. Złącze wyjściowe to męski konektor XH o rastrze 2,5 mm.
Do przetestowania wyjścia pod kątem wyjściowego prądu i stabilności napięcia autor wykorzystał obciążenie elektroniczne Siglent SDL1020X-E. Rysunek 7 prezentuje sposób przeprowadzenia tego pomiaru. Autor skonfigurował obciążenie DC do pracy w trybie CC (prąd stały) i zwiększał prąd do momentu wyłączenia się napięcia wyjściowego. Wynikiem jest punkt aktualnego progu limitu prądu. Aby przetestować ciągłość dostawy prądu przez system, obciążenie ustawione zostało w trybie CC na 150 mA i pozostawione wraz z włączonym zasilaczem na około godzinę. Ten eksperyment dotyczy pracy ustawicznej w temperaturze pokojowej. Można oczywiście osiągnąć wyższy prąd, jednak wtedy konieczne jest obniżanie termiki urządzenia za pomocą radiatora lub wentylatora. Więcej informacji można znaleźć na zaprezentowanym w artykule filmie oddelegowującym do serwisu YouTube.
Rys.7. Testowanie wyjścia zasilacza pod kątem prądu wyjściowego i stabilności napięcia przy użyciu Siglent SDL1020X-E.
Do badania szumów wyjściowych wykorzystano oscyloskop Siglent SDS2102X Plus. Pomiar przeprowadzono z dołączonym obciążeniem ustawionym w trybie CC na 150 mA. Pomiar zainicjowano w trybie wykrywania napięcia szczytowego. Jego wyniki pokazane są na rysunku 8. Więcej informacji przedstawiono na filmie na YouTube (patrz wyżej).
Modyfikacje zasilacza i optymalizacja konstrukcji
W systemie wykorzystano filtr RC (R6, C6), aby zredukować szum wyjściowy. Można w układzie spróbować użyć filtra LC, jednak należy uważać na częstotliwość odcięcia, a także szumu i rezonansową.
Wyższy prąd wyjściowy można uzyskać za pomocą chipów LNK305 lub LNK306. W przypadku zastosowania układu LNK306 prąd wyjściowy może osiągnąć do 350 mA. Trzeba w takiej sytuacji zmniejszyć wartość rezystora R6 lub użyć filtra LC we wcześniej opisany sposób. Należy również zamontować radiator na stabilizatorze liniowym za układem przetwornicy.
Zestawienie materiałów
Rysunek 9 pokazuje wykaz elementów i oznaczenia części wykorzystanych w tym projekcie.
Źródło: https://www.eeweb.com/220vac-to-5vdc-transformerless-power-supply-using-lnk304/
Autor artykułu naprawiając pralkę spostrzegł, że jest ona wyposażona w układ LNK304 używany w zasilaczach beztransformatorowych. To: „spotkanie” było inspiracją do samodzielnego zaprojektowania zasilacza, opartego na tym chipie, który można następnie wykorzystać w samodzielnie tworzonych urządzeniach. Przedstawiony obwód zawiera zabezpieczenie wejścia sieci 230 V AC, filtr wejściowy oraz układ stabilizacji napięcia wyjściowego.
Do przygotowania schematu i PCB autor wykorzystał oprogramowanie Altium Designer 22 i biblioteki komponentów SamacSys (wtyczka do Altiuma). Aby uzyskać wysokiej jakości płytki PCB, Gerbery zostały wysłane do produkcji w PCBWay. Elementy pozyskano z renomowanych sklepów, co jest niezwykle istotne w przypadku detali pracujących przy napięciu sieciowym. Aby przetestować działanie, stabilność napięcia wyjściowego i możliwości prądowe układu, autor wykorzystał elektroniczne obciążenia DC Siglent SDL1020X-E i zbadał szum wyjściowy zasilacza za pomocą oscyloskopu Siglent SDS2102X Plus.
Uwaga! Ten obwód jest przemysłowym ulepszeniem rozwiązania zasilania opartego na kondensatorach, jest podłączony do sieci 230 V AC i nie posiada izolacji galwanicznej. Oznacza to, że może być niebezpieczny dla naszego życia. Jeśli nie znasz zasad bezpieczeństwa przy postępowaniu z napięciem sieciowym nie zabieraj się za realizację tego projektu. Wszystko, co robisz, robisz na własne ryzyko.
Specyfikacja techniczna:
* Napięcie wejściowe: 220 V AC ±15%.
* Napięcie wyjściowe: 5 V DC.
* Prąd wyjściowy (ciągły): od 120 mA do 150 mA (można go zwiększyć — patrz tekst).
* Prąd wyjściowy (w impulsie): 180 mA.
* Szum wyjściowy (maks.): 30 mVp-p (obciążenie 150 mA, pasmo 20 MHz).
* Ochrona wejścia: bezpiecznik, NTC, warystor.
* Ochrona wyjścia: przeciwzwarciowa i nadprądowa (ograniczenie prądu przy około 190 mA).
Analiza obwodu zasilania
Rysunek 1 przedstawia schemat ideowy urządzenia. Obwód składa się z trzech głównych części: obwodu wejściowego sieci 220V, układu LNK304, filtra wyjściowego i stabilizatora 5 V.
Wejście sieciowe 220VAC
Zabezpieczenie wejścia sieciowego składa się z bezpiecznika F1 oraz oporników R4 i R5. R5 to warystor 10D561. Zgodnie z arkuszem danych: „Warystor to zależne od napięcia, nieliniowe urządzenie, które ma zachowanie elektryczne podobne do diod Zenera połączonych w architekturze back-to-back [przeciwsobnie – przyp.red.]. Warystory z tlenku cynku serii TYEE są opornikami nieliniowymi, składającymi się głównie z tlenku cynku i kilku rodzajów dodatkowych tlenków metali. Charakteryzują się obustronną i symetryczną krzywą charakterystyki I/V, a niespotykanie duże możliwości w zakresie osiąganych prądów szczytowych są wykorzystywane do absorpcji napięcia przejściowego, tłumienia szumów impulsowych i stabilizacji napięcia w obwodzie”.
Projektując tego rodzaju układ nigdy nie wiemy, gdzie będzie używany. Trzeba więc zabezpieczyć go przed przepięciami przełączającymi z różnego rodzaju przekaźników i zaworów elektromagnetycznych podłączonych za pomocą warystora, takiego jak wyżej wymieniony. [W ogólności, o tym, przed jakimi sytuacjami na wejściu układu podpiętego do sieci energetycznej należy go zabezpieczyć mówią stosowne normy — przyp.red.].
F1 to zwykły bezpiecznik 500 mA, który w naturalny sposób chroni obwód przed wszelkimi nieprzewidzianymi zdarzeniami, które mogą spowodować przepływ nadmiernego prądu, wybuch, a nawet pożar. R4 to NTZ 10D7, który zabezpiecza obwód przed przesadnymi prądami rozruchowymi. BR1 to prostownik mostkowy DB107G, a C4, C5 i L1 formują filtr dolnoprzepustowy typu Pi, aby maksymalnie zredukować szumy i tętnienia napięcia po wyprostowaniu.
Przetwornica LNK304
Głównym elementem tego układu jest oczywiście IC1 — LNK304. W karcie katalogowej czytamy: „LinkSwitch-TN został specjalnie zaprojektowany do zastąpienia wszystkich liniowych i kondensatorowych nieizolowanych zasilaczy w zakresie prądu wyjściowego poniżej 360 mA przy równych kosztach systemu, oferując jednocześnie znacznie wyższą sprawność i energooszczędność. Układ LinkSwitch-TN integruje w sobie tranzystor MOSFET o napięciu do 700 V, oscylator, prosty mechanizm sterowania włączaniem/wyłączaniem, wysokonapięciowe przełączane źródło prądowe, układ przemiatania częstotliwości, ogranicznik prądu działający w każdym cyklu i obwód wyłączania termicznego w monolitycznym układzie scalonym”.
Energia rozruchowa i operacyjna pochodzi bezpośrednio z napięcia na pinie DRAIN, eliminując potrzebę zasilania i polaryzacji oraz powiązanych obwodów w przetwornicach typu buck lub flyback. W pełni zintegrowany obwód automatycznego restartu zawarty w LNK304-306 bezpiecznie ogranicza moc wyjściową w warunkach awarii, takich jak zwarcie czy rozwarcie wyjścia, zmniejszając liczbę komponentów i koszty ochrony obciążenia na poziomie systemu. Lokalne zasilanie pozwala na użycie transoptora bez odpowiedniej klasy bezpieczeństwa działającego jako przełącznik poziomu, aby w razie potrzeby jeszcze bardziej zwiększyć sprawność układu do stabilizacji napięcia wyjściowego w funkcji obciążenia.
Oporniki R1 i R2 definiują napięcie wyjściowe. Elementy C1, C2, C3, L2, D1 i D2 są dobierane zgodnie z kartą katalogową układu. Opornik R3 formuje wstępne niewielkie obciążenie systemu, potrzebne, aby ustabilizować napięcie wyjściowe.
Filtr wyjściowy i stabilizator
Elementy R6 i C6 tworzą filtr dolnoprzepustowy RC, używany, aby zredukować szum wyjściowy i tętnienia napięcia na wyjściu. Układ REG1 to stabilizator 78M05, który zapewnia stabilne wyjście 5 V. Napięcie 5 V jest typowe w wielu zastosowaniach, takich jak zasilanie płytki Arduino i jej akcesoriów, dlatego autor zdecydował się na użytek właśnie takiego stabilizatora. Jeśli obciążenie w naszym systemie wymaga szyny zasilania 3,3 V, po prostu należy wykorzystać inny stabilizator liniowy, najlepiej typu LDO, przed obciążeniem. Poziom napięcia przed rezystorem R6 wynosi około 9,5 V. Toteż przy poborze prądu 150mA, filtr ten wprowadza spadek o 1,5 V, a 8 V jest nadal akceptowalnym napięciem wejściowym stabilizatora REG1, aby mógł on stabilizować 5V na wyjściu.
C7 to kondensator filtrujący wyjście regulatora, a dioda D3 sygnalizuje, że na wyjściu jest odpowiednie napięcie. Opornik R7 ogranicza prąd płynący D3 i C8. Co jeszcze bardziej usprawnia układ w zakresie usuwania szumów o wysokiej częstotliwości z napięcia wyjściowego.
Układ PCB zasilacza
Rysunek 2 pokazuje układ ścieżek i elementów na płytce drukowanej projektu. Jest ona zrealizowana jako dwuwarstwowe PCB, a większość komponentów to elementy do montażu przewlekanego.
Kiedy autor rozpoczął projektowanie schematu i płytki drukowanej dla tego układu zdał sobie sprawę, że nie posiada odpowiednich bibliotek dla komponentów BR1, IC1 i REG1 w swoim magazynie w pakiecie EDA. Wybrał więc z elementów SamacSys, gdzie można znaleźć zgodne z wymogami IPC, w skład których wchodzi symbol di schematu, obrys detalu na PCB oraz model 3D.
SamacSys to pakiet bezpłatnych narzędzi i usług do pobierania bibliotek elementów elektronicznych. Istnieją dwa sposoby importowania: można odwiedzić componentsearchengine.com i pobrać wszystko stamtąd do ręcznego wgrania. Ewentualnie użyć wtyczki SamacSys do oprogramowania EDA, która automatycznie importuje i instaluje odpowiednią bibliotekę w środowisku projektowym. Rysunek 3 przedstawia obsługiwane oprogramowanie EDA. Jak widać wspierani są wszyscy znani gracze. Autor wykorzystuje Altium Designera, więc zainstalował brakujące biblioteki za pomocą wtyczki SamacSys dla Altium (patrz rysunek 4). Rysunek 5 pokazuje widok 3D gotowej płytki PCB i rzuty montażowe dla projektowanego układu.
Rys.3. Wszystkie obsługiwane przez wtyczkę SamacSys pakiety CAD do projektowania układów elektronicznych.
Montaż i test zasilacza
Rysunek 6 przedstawia zmontowaną płytkę PCB układu. Złącze wejściowe (dla napięcia 230 V AC) jest wystarczająco mocne, aby zapewnić dobre i stabilne połączenie z siecią energetyczną. Złącze wyjściowe to męski konektor XH o rastrze 2,5 mm.
Do przetestowania wyjścia pod kątem wyjściowego prądu i stabilności napięcia autor wykorzystał obciążenie elektroniczne Siglent SDL1020X-E. Rysunek 7 prezentuje sposób przeprowadzenia tego pomiaru. Autor skonfigurował obciążenie DC do pracy w trybie CC (prąd stały) i zwiększał prąd do momentu wyłączenia się napięcia wyjściowego. Wynikiem jest punkt aktualnego progu limitu prądu. Aby przetestować ciągłość dostawy prądu przez system, obciążenie ustawione zostało w trybie CC na 150 mA i pozostawione wraz z włączonym zasilaczem na około godzinę. Ten eksperyment dotyczy pracy ustawicznej w temperaturze pokojowej. Można oczywiście osiągnąć wyższy prąd, jednak wtedy konieczne jest obniżanie termiki urządzenia za pomocą radiatora lub wentylatora. Więcej informacji można znaleźć na zaprezentowanym w artykule filmie oddelegowującym do serwisu YouTube.
Rys.7. Testowanie wyjścia zasilacza pod kątem prądu wyjściowego i stabilności napięcia przy użyciu Siglent SDL1020X-E.
Do badania szumów wyjściowych wykorzystano oscyloskop Siglent SDS2102X Plus. Pomiar przeprowadzono z dołączonym obciążeniem ustawionym w trybie CC na 150 mA. Pomiar zainicjowano w trybie wykrywania napięcia szczytowego. Jego wyniki pokazane są na rysunku 8. Więcej informacji przedstawiono na filmie na YouTube (patrz wyżej).
Modyfikacje zasilacza i optymalizacja konstrukcji
W systemie wykorzystano filtr RC (R6, C6), aby zredukować szum wyjściowy. Można w układzie spróbować użyć filtra LC, jednak należy uważać na częstotliwość odcięcia, a także szumu i rezonansową.
Wyższy prąd wyjściowy można uzyskać za pomocą chipów LNK305 lub LNK306. W przypadku zastosowania układu LNK306 prąd wyjściowy może osiągnąć do 350 mA. Trzeba w takiej sytuacji zmniejszyć wartość rezystora R6 lub użyć filtra LC we wcześniej opisany sposób. Należy również zamontować radiator na stabilizatorze liniowym za układem przetwornicy.
Zestawienie materiałów
Rysunek 9 pokazuje wykaz elementów i oznaczenia części wykorzystanych w tym projekcie.
Źródło: https://www.eeweb.com/220vac-to-5vdc-transformerless-power-supply-using-lnk304/
