TinySwitch - czyli zasilacz w pudełku od zapałek
P R O J E K T Y
TinySwitch
czyli zasilacz w pudełku od zapałek
AVT-822
WiÍkszośĘ elektronikÛw
interesujÄ…cych siÍ zasilaczmi
impulsowymi zna zapewne
popularne układy TOP-Switch
umoÅ‚liwiajÄ…ce Å‚atwÄ… budowÍ
prostych zasilaczy na zakres
mocy wyjściowej 5..100W.
Najnowszy produkt firmy
Power Integrations -
TintSwitch, jak juł wskazuje
nazwa, jest prostym
sterownikiem zasilaczy małej
mocy, maksymalnie do 10W.
Układu Tiny Switch nie
uzyskano jednak przez proste
przekonstruowanie ìstarszego
brataî. Ma jedynie podobnÄ…
filozofiÍ dziaÅ‚ania, ale
Tiny Switch jest kompletnym, Tak duÅ‚e napiÍcie pracy klu-
zastosowane rozwiÄ…zania
monolitycznym sterownikiem za- cza pozwala na bezproblemowÄ…
techniczne sÄ… naprawdÍ
silacza impulsowego maÅ‚ej mocy, pracÍ ukÅ‚adu przy zasilaniu go
nowatorskie i myÅ›lÍ, Å‚e moÅ‚e pracujÄ…cego w konfiguracji prze- z bezpoÅ›rednio wyprostowanego
twornicy zaporowej z izolacjÄ… gal- napiÍcia sieci aÅ‚ do 265VAC.
byĘ wzorem do naśladowania
waniczną (ang. off-line flyback Uwałny Czytelnik dostrzełe jeden
dla wielu konstruktorÛw.
converter). W stosunku do wielu z najwaÅ‚niejszych atutÛw ukÅ‚adu
istniejÄ…cych na rynku rozwiÄ…zaÒ, Tiny - do pracy nie wymaga ani
zasilacz zbudowany w oparciu rezystora startowego (włączonego
o omawiany kontroler charaktery- pomiÍdzy zasilanie ukÅ‚adu a wy-
zuje siÍ przede wszystkim wyjÄ…t- sokonapiÍciowy plus zasilania),
kowo maÅ‚Ä… liczbÄ… elementÛw ze- ani pomocniczego ürÛdÅ‚a zasila-
wnÍtrznych (rys. 1), tak iÅ‚ ceno- nia, zwykle tworzonego za pomo-
wo ukÅ‚ad staje siÍ konkurencyjny cÄ… dodatkowego uzwojenia trans-
w porÛwnaniu do klasycznych za- formatora impulsowego z prosto-
silaczy z transformatorem siecio- wnikiem. Tak naprawdÍ ukÅ‚ad
wym. Jasne juÅ‚ chyba jest, iÅ‚ zasila siÍ sam, w strukurÍ pomiÍ-
podstawowe zastosowanie układu dzy wyprowadzenie drenu klucza
to miniaturowe, lekkie i wydajne a wewnÍtrzne zasilanie ukÅ‚adu
zasilacze wykonane w formie wty- wbudowane zostało przełączane,
czki sieciowej. wysokonapiÍciowe ürÛdÅ‚o prÄ…du.
W strukturze kontrolera zinte- Gdy klucz jest zatkany, od
growano w zasadzie wszystkie ele- plusa zasilania poprzez pierwotne
menty zasilacza (rys. 2). Znajduje uzwojenie transformatora płynie
siÍ tam tranzystror kluczujÄ…cy niewielki prÄ…d, a wspomniane
MOS o maksymalnym napiÍciu ürÛdÅ‚o prÄ…du Å‚aduje do napiÍcia
dren-ürÛdÅ‚o 700V, wewnÍtrzny os- 5,8V pomocniczy kondensator do-
cylator o staÅ‚ej czÍstotliwoÅ›ci pra- Å‚Ä…czony do koÒcÛwki BP. W mo-
cy, modulator PWM ze wzmacnia- mentach, gdy tranzystor kluczujÄ…-
czem napiÍcia bÅ‚Ídu, genialny cy przewodzi, ürÛdÅ‚o prÄ…du jest
układ zasilania i obwody zabez- zablokowane, a zasilanie układu
pieczeÒ (termiczne, zwarciowe, Tiny jest podtrzymywane dziÍki
nad- i podnapiÍciowe). Å‚adunkowi zgromadzonemu we
Elektronika Praktyczna 8/99
49
TinySwitch - czyli zasilacz w pudełku od zapałek
Aby zasilacz impulsowy był Dolny koniec pierwotnego uz-
konkurencyjny cenowo w stosun- wojenia Tr1 dołączony jest bez-
ku do tradycyjnego odpowiednika, pośrednio do zawartego w struk-
uływane do jego budowy podze- turze U1 drenu tranzystora klu-
spoÅ‚y rÛwnieÅ‚ nie mogÄ… byĘ zbyt czujÄ…cego. Szeregowy dwÛjnik R2-
wyszukane. W odrÛÅ‚nieniu od C3 ogranicza do bezpiecznej war-
znanej rodziny sterownikÛw Top- toÅ›ci amplitudÍ szpilkowych prze-
Switch, ukÅ‚ady Tiny pracujÄ… ty- piÍĘ pojawiajÄ…cych siÍ na drenie
powo z czÍstotliwoÅ›ciÄ… 44kHz. Po- klucza w momencie jego wyÅ‚Ä…cze-
Rys. 1. Podstawowy schemat
zwala to uÅ‚yĘ tanich i ogÛlnodo- nia, pochodzÄ…cych od indukcyjno-
aplikacyjny zasilacza z układem
stÍpnych ferrytÛw. NiÅ‚sze wyma- Å›ci rozproszenia transformatora
TinySwitch.
gania stawia siÍ teÅ‚ diodzie na impulsowego Tr1.
wspomnianej pojemnoÅ›ci. wyjÅ›ciu uzwojenia wtÛrnego i kon- KoÒcÛwka BP (bypass) ukÅ‚adu
Taki schemat zasilania jest tyl- densatorom filtrujÄ…cym. Dla osÛb U1 jest wyjÅ›ciem wewnÍtrznego
ko pozornie skomplikowany - potrzebujących w oparciu o układ zasilania układu Tiny. Kondensa-
wszystko i tak dzieje siÍ w sposÛb Tiny wykonaĘ zasilacz o moÅ‚liwie tor C4 jest ürÛdÅ‚em energii zasi-
niewidoczny, bo realizowane jest dułej mocy wyjściowej (10W), lania dla U1 w chwili, gdy tran-
wewnątrz układu scalonego, Power Integrations przygotował zystor kluczujący przewodzi. War-
a w zamian otrzymujemy prostÄ… specjalnÄ… wersjÍ ukÅ‚adu taktowa- tośĘ pojemnoÅ›ci wyznacza rÛwnieÅ‚
konstrukcjÍ transformatora. Tylko nÄ… z czÍstotliwoÅ›ciÄ… 130kHz. Pod- staÅ‚Ä… czasowÄ… obwodu powolnego
dwa uzwojenia, w poÅ‚Ä…czeniu stawowe parametry ukÅ‚adÛw serii startu ukÅ‚adu.
z wysokonapiÍciowym kluczem Tiny zebrane zostaÅ‚y w tab. 1. KoÒcÛwka EN U1 (enable) jest
wytrzymujÄ…cym skoki napiÍcia aÅ‚ uÅ‚ywana do stablizacji napiÍcia
do 700V, pozwoliÅ‚y rÛwnieÅ‚ na Opis ukÅ‚adu wyjÅ›ciowego zasilacza i wewnÍ-
zastosowanie prostego dwÛjnika Schemat elektryczny zasilacza trznie doÅ‚Ä…czona zostaÅ‚a do ürÛdÅ‚a
RC do tÅ‚umienia przepiÍĘ gene- przedstawiono na rys. 3. NapiÍcie prÄ…du o wydajnoÅ›ci 50µA. War-
rowanych przez indukcyjnośĘ roz- sieci, poprzez rezystor R1 peÅ‚niÄ…- tośĘ napiÍcia panujÄ…cego na wej-
proszenia transformatora. cy funkcjÍ zarÛwno bezpiecznika Å›ciu EN jest sprawdzana przy
Drugim atutem sterownika Ti- jak i elementu ograniczającego im- kałdym narastającym zboczu syg-
nySwitch jest wyjÄ…tkowo maÅ‚y puls prÄ…du w momencie wÅ‚Ä…cze- naÅ‚u zegarowego, a wiÍc na po-
pobÛr mocy z sieci w stanie bez nia ukÅ‚adu do sieci, jest prosto- czÄ…tku kaÅ‚dego cyklu wÅ‚Ä…czenia
obciÄ…Å‚enia. Typowe zasilacze sie- wane w mostku D1..D4 i filtrowa- klucza. W chwili, gdy napiÍcie
ciowe z transformatorem 50Hz, na- ne za pomocą kondensatora elek- EN jest niskie (poniłej 1,5V),
wet nie obciąłone, pobierają z sie- trolitycznego C2. Z uwagi na małą klucz nie zostaje włączony.
ci od 10 do 30% mocy nominal- moc ukÅ‚adu pomiÍdzy prostownik W przeciwnym przypadku klucz
nej. W klasycznych zasilaczach a C2 włączony został prosty filtr jest włączany na czas trwania
impulsowych wartośĘ ta jest nieco LC, ktÛrego zadaniem jest niedo- cyklu. Taka praca, z tzw. gubie-
mniejsza, ale rÛwnieÅ‚ znaczÄ…ca. puszczenie do przenikania do sie- niem implusÛw, daje w efekcie
Nie ma to wiÍkszego znaczenia ci zakÅ‚ÛceÒ generowanych przez prostÄ… konstrukcjÍ ukÅ‚adu kontroli
w przypadku zasilaczy z wyÅ‚Ä…czni- zasilacz. Z uwagi na koniecznośĘ napiÍcia i eliminuje wiÍkszośĘ
kiem, jednak zasilacze wykonywa- minimalizacji zakÅ‚ÛceÒ, dobrym problemÛw zwiÄ…zanych z kompen-
ne w postaci wtyczki czÍsto nie pomysÅ‚em jest uÅ‚ycie jako C2 sacjÄ… pÍtli sprzÍÅ‚enia zwrotnego
są wyłączane z sieci nigdy, nawet kondensatora w wersji o obniło- zasilacza. Jedyną wadą jest moł-
gdy zasilane urzadzenie (np. te- nej wartości rezystancji ESR. Od- liwośĘ generacji słyszalnego szu-
lefon komÛrkowy) nie pobiera filtrowane napiÍcie podawane jest mu akustycznego (cichych piskÛw
prądu. Jeden czy teł dwa waty na transformator impulsowy Tr1. w transformatorze), jaki mołe po-
pobieranej mocy moÅ‚e wydajÄ… siÍ
kosztowo niewielkie (nie wiÍcej
nił 5zł na rok), jednak w skali
globalnej sÄ… to koszty jak najbar-
dziej istotne. Nie obciÄ…Å‚ony zasi-
lacz z układem Tiny pobiera ty-
powo jedynie 70..80mW z sieci.
Redukcja mocy jest wiÍc znaczÄ…-
ca.
Podstawowe parametry zasilacza:
Zakres napięć wejściowych: 100..240VAC
Napięcie wyjściowe: 9V ą5%
Moc wyjściowa: 3W
Sprawność: ok. 75%
Stabilizacja w funkcji obciążenia: ą2%
Stabilizacja w funkcji zmian napięcia sieci: ą1%
Wymiary: 45 x 35 x 17 mm
Rys. 2. Schemat blokowy układu TinySwitch.
Elektronika Praktyczna 8/99
50
TinySwitch - czyli zasilacz w pudełku od zapałek
Rys. 3. Schemat elektryczny zasilacza z układem TinySwitch.
wstaĘ przy pracy bez obciÄ…Å‚enia. dajÄ…ce siÍ do tego celu, a wiÍc Å›ciwy rozkÅ‚ad poczÄ…tkÛw i koÒ-
Wtedy to klucz jest wÅ‚Ä…czany raz speÅ‚niajÄ…ce kryterium jakoÅ›ci izo- cÛw. W przeciwnym przypadku
na kilka cykli zegara, reszta wÅ‚Ä…- lacji oznaczone sÄ… symbolem Y1 zasilacz nie bÍdzie dziaÅ‚aÅ‚, a na-
czeÒ zostaje pominiÍta. Wspo- i wÅ‚aÅ›nie takich powinno siÍ uÅ‚yĘ. wet moÅ‚e ulec uszkodzeniu. Po-
mniany szum mołna ograniczyĘ Zadaniem kondensatora C5 jest czątek uzwojenia pierwotnego mo-
do wartoÅ›ci praktycznie niesÅ‚y- eliminacja zakÅ‚ÛceÒ, jakie przeno- cujemy do koÒcÛwki 8 karkasu,
szalnych poprzez solidne skleje- szÄ… siÍ ze strony pierwotnej za- koniec do koÒcÛwki 4. KaÅ‚dÄ…
nie rdzenia transformatora i cias- silacza na stronÍ wtÛrnÄ… poprzez nawiniÍtÄ… warstwÍ trzeba staran-
ne nawiniÍcie uzwojeÒ. pojemnoÅ›ci miÍdzyuzwojeniowe nie zaizolowaĘ cienkÄ… taÅ›mÄ… po-
Przetransformowane napiÍcie transformatora. Nawet jeÅ›li pojem- liestrowÄ…, aby uniknąĘ przebiĘ
jest filtrowane za pomocÄ… dwÛch noÅ›ci te sÄ… niewielkie, to i tak miÍdzywarstwowych. Gotowe uz-
kondensatorÛw elektrolitycznych z uwagi na duÅ‚Ä… wartośĘ napiÍĘ wojenie rÛwnieÅ‚ izolujemy potrÛj-
C6 i C7. WÅ‚Ä…czony pomiÍdzy nie panujÄ…cych po stronie pierwotnej nÄ… warstwÄ… folii.
dÅ‚awik DÅ‚2 dodatkowo ogranicza - przenikanie zakÅ‚ÛceÒ jest istotne Uzwojenie wtÛrne ma 16 zwo-
wartośĘ napiÍcia tÍtnieÒ na wyj- i czÍsto jest ürÛdÅ‚em zÅ‚ej pracy jÛw drutu DNE0,3mm. PoczÄ…tek
Å›ciu. Kontrola napiÍcia wyjÅ›cio- ukÅ‚adu (np. podwzbudzania). MoÅ‚- Å‚Ä…czymy do koÒcÛwki 12, a koniec
wego jest realizowana w sposÛb na uniknąĘ stosowania omawianej do 9. CaÅ‚ośĘ starannie izolujemy.
najprostszy - szeregowo włączona pojemności przez ekranowanie uz- Na koniec zostało wykonanie
dioda Zenera Dz1 z diodÄ… LED wojeÒ, jednak w przypadku tak w rdzeniu szczeliny powietrznej,
zawartÄ… w optoizolatorze dajÄ… prostych ukÅ‚adÛw zaproponowane dostÍpne bowiem w handlu deta-
w efekcie wzrost przewodzenia fo- rozwiÄ…zanie jest o wiele prostsze licznym rdzenie sprzedawane sÄ…
totranzystora i spadek napiÍcia na i jednoczeÅ›nie skuteczne. bez szczeliny. PoniewaÅ‚ szczelina
koÒcÛwce EN. ma mieĘ jedynie 0,16mm, najpro-
Zdanie komentarza naleły je- Transformator ściej mołna ją wykonaĘ ścierając
szcze poÅ›wiÍciĘ roli kondensatora Do wykonania transformatora powierzchniÍ kolumny Å›rodkowej
C5 w układzie zasilacza. Jak wy- (rys. 4) wykorzystany został tani rdzenia drobnym pilnikiem (tzw.
nika ze schematu, Å‚Ä…czy on masÍ rdzeÒ typu EE20 z materiaÅ‚u F807 iglak). Dobrym pilnikiem (najle-
strony wtÛrnej ze stronÄ… pierwot- firmy Polfer wraz z karkasem. Na- piej takim z podsypkÄ… diamento-
nÄ…. Z uwagi na bezpieczeÒstwo wijanie rozpoczyna siÍ od uzwo- wÄ…) szczelinÍ wykonamy dosÅ‚o-
uÅ‚ytkowania wartośĘ jego pojem- jenia pierwotnego, ktÛre liczy 146 wnie kilkoma pociÄ…gniÍciami.
noÅ›ci powinna byĘ jak najmniej- zwojÛw drutu emaliowanego WaÅ‚ne jest jednak, aby za kaÅ‚dym
sza, zaÅ› izolacja (i napiÍcie prze- DNE0,1mm, nawiniÍtego w trzech pociÄ…gniÍciem prowizorycznie
bicia) jak najlepsza. Elementy na- lub czterech warstwach (miejsca skÅ‚adaĘ rdzeÒ i kontrolowaĘ in-
do nawiniÍcia jest dosyĘ). dukcyjnośĘ uzwojenia pierwotne-
Przy nawijaniu uzwojeÒ istot- go, tak aby z poczÄ…tkowej okoÅ‚o
ne jest zachowanie tego samego 15mH spadła do połądanej war-
kierunku, tak aby zachowaĘ wÅ‚a- toÅ›ci 4,5mH. Gotowy rdzeÒ skle-
Tabela 1. Zestawienie najważniejszych parametrów rodziny układów TinySwitch.
Oznaczenie Obudowa Czestotliwość Moc wyjściowa Moc wyjściowa
pracy Zasilanie 220VÄ…20% Zasilanie uniwersalne (85..265V)
TNY253P DIP8 44kHz 5W 2,5W
TNY253G SMD-8
TNY254P DIP8 8W 5W
TNY254G SMD-8
TNY255P DIP8 130kHz 10W 7,5W
Rys. 4. Wyprowadzenia
TNY255G SMD-8
transformatora TR1.
Elektronika Praktyczna 8/99
51
TinySwitch - czyli zasilacz w pudełku od zapałek
montuje siÍ na samym koÒcu, po
WYKAZ ELEMENTÓW
czym przechyla do pozycji pozio-
Rezystory
mej, tak aby lełał na układzie U1.
R1: 2,2&! 0,5W
Z uwagi na prostotÍ ukÅ‚adu nie
R2: 1,5k&! 0,5W
da siÍ uruchomiĘ zasilacza w spo-
Kondensatory
sÛb etapowy. W szereg z sieciÄ…
włączamy dodatkowy rezystor 10&!/ C1: 10nF/400V ceramiczny
0,5W, do wyjÅ›cia podÅ‚Ä…czamy nie- C2: 10µF/350V
(10mm x 20mm niski ESR)
wielkie obciąłenie, na przykład
Å‚arÛwkÍ samochodowÄ… 12V/2W, C3: 68pF/1kV ceramiczny
Rys. 5. Rozmieszczenie elementów
i całośĘ włączamy do sieci. O ile
C4: 100nF/25V monolityczny
na płytce drukowanej.
elementy byÅ‚y sprawne, Å‚arÛwka
C5: 1nF/3kV ceramiczny,
jamy z karkasem Å‚ywicÄ… epoksy- siÍ zaÅ›wieci. Na zakoÒczenie wy- klasa izolacji Y1!
dowÄ…. Dla pewnoÅ›ci moÅ‚na je- starczy skontrolowaĘ wartośĘ na- C6: 330µF/16V, niski ESR
szcze przed sklejeniem skontrolo- piÍcia wyjÅ›ciowego - i gotowe.
C7: 100µF/16V, niski ESR
waĘ prawidÅ‚owośĘ rozÅ‚oÅ‚enia po- Gdy nie uda siÍ uruchomiĘ
Półprzewodniki
czÄ…tkÛw i koÒcÛw uzwojeÒ. Aby ukÅ‚adu od pierwszego wÅ‚Ä…czenia,
D1...D4: 1N4005
tego dokonaĘ wystarczy spraw- naleły sprawdziĘ przede wszy-
D5: MBR160, UF4002, 11DQ06 (lub
dziĘ, czy po poÅ‚Ä…czeniu ich w sze- stkim napiÍcie na koÒcÛwce EN
inna szybka dioda 1A/60V/100ns)
reg indukcyjnośĘ wypadkowa (okoÅ‚o 1,5V, napiÍcie bliskie zera
U1: TNY254P (Power Integrations)
wzrośnie (o ok. 10..15%). świadczy o nieprawidłowościach
O1: LTV817 lub podobny
w pÍtli sprzÍÅ‚enia zwrotnego), na
DZ1: BZY55C8V2
MontaÅ‚ i uruchomienie koÒcÛwce BP (prawidÅ‚owe napiÍ-
Różne
Montał układu jest prosty i nie cie ok. 5,8V) oraz na kondensa-
DÅ‚1: 1000µH/0,15A, np. DSp
powinien nikomu sprawiĘ trudno- torze C2 (ok. 310V). Uszkodzenie
70.10-102k (Polfer)
Å›ci. Z uwagi na niewielkie wymia- siÍ ukÅ‚adu U1 jest moÅ‚liwe w za-
DÅ‚2: 47µH/0,5A, np. DSp
ry i dośĘ duÅ‚e upakowanie ele- sadzie jedynie na skutek bÅ‚ÍdÛw
70.10-470k (Polfer)
mentÛw na pÅ‚ytce drukowanej w wykonaniu transformatora (nie-
Tr1: transformator na rdzeniu
(rys. 5), przed zamontowaniem staranna izolacja, pomylone po-
EE20/6 z materiału F807 (Polfer)
transformatora naleÅ‚y obciąĘ nie- czÄ…tki i koÒce).
ze szczelinÄ… 0,16mm (Al=220)
wykorzystane nÛÅ‚ki karkasu. Kon- Robert Magdziak, AVT
i karkasem typu 2009, uzwojenia
densator filtrujÄ…cy C2 (pionowy) [e-mail]
według opisu w tekście
Elektronika Praktyczna 8/99
52