- Sirkuit SMPS 5V 2A - Spesifikasi Desain
- Pemilihan IC Manajemen Daya
- Merancang Sirkuit SMPS 5v 2Amp
- Membangun Switching Transformer untuk Sirkuit SMPS kami
- Membangun Sirkuit SMPS:
- Menguji Sirkuit SMPS 5V 2A
Power Supply Unit (PSU) adalah bagian penting dalam setiap desain produk elektronik. Sebagian besar produk elektronik rumah tangga seperti Pengisi Daya Seluler, Speaker Bluetooth, Power Bank, Jam Tangan Cerdas, dll. Memerlukan rangkaian Catu Daya yang dapat mengubah catu daya AC menjadi 5V DC untuk mengoperasikannya. Dalam proyek ini kami akan membangun rangkaian catu daya AC ke DC serupa dengan peringkat daya 10W. Yaitu rangkaian kami akan mengubah listrik AC 220V menjadi 5V dan memberikan arus keluaran maksimum hingga 2A. Nilai daya ini harus cukup untuk memberi daya pada sebagian besar produk elektronik yang berjalan pada 5V. Juga rangkaian SMPS 5V 2A cukup populer di bidang elektronik karena ada banyak mikrokontroler yang beroperasi pada 5V.
Ide dari proyek ini adalah untuk membuat build sesederhana mungkin, maka kami akan mendesain rangkaian lengkap di atas papan bertitik (papan perf) dan juga akan membangun transformator sendiri sehingga siapa pun dapat meniru desain ini atau membuat yang serupa. Benar Benar! Jadi mari kita mulai. Sebelumnya kami juga telah membangun sirkuit SMPS 12V 15W menggunakan PCB, sehingga orang yang tertarik dengan cara mendesain PCB untuk proyek PSU (power supply unit) dapat memeriksanya juga.
Sirkuit SMPS 5V 2A - Spesifikasi Desain
Varietas catu daya yang berbeda berperilaku berbeda di lingkungan yang berbeda. Juga, SMPS bekerja dalam batasan input-output tertentu. Analisis spesifikasi yang tepat perlu dilakukan sebelum melanjutkan dengan desain sebenarnya.
Spesifikasi masukan:
Ini akan menjadi SMPS di domain konversi AC ke DC. Oleh karena itu, inputnya adalah AC. Untuk nilai tegangan input, sebaiknya gunakan nilai input universal untuk SMP. Dengan demikian, tegangan AC akan menjadi 85-265VAC dengan rating 50Hz. Dengan cara ini, SMPS dapat digunakan di negara mana pun terlepas dari nilai tegangan listrik AC-nya.
Spesifikasi keluaran:
Tegangan output dipilih sebagai 5V dengan 2A dari nilai arus. Jadi, ini akan menjadi keluaran 10W. Karena SMP ini akan memberikan tegangan konstan terlepas dari arus beban, ini akan bekerja pada mode CV (Tegangan Konstan). Tegangan keluaran 5V ini harus konstan dan stabil bahkan pada tegangan masukan terendah selama beban maksimum (2A) melintasi keluaran.
Sangat diinginkan bahwa unit catu daya yang baik memiliki tegangan riak kurang dari 30mV pk-pk. Tegangan riak yang ditargetkan untuk SMP ini kurang dari riak puncak-puncak 30mV. Karena SMP ini akan dibangun di veroboard menggunakan trafo switching buatan tangan, kita dapat mengharapkan nilai riak yang sedikit lebih tinggi. Masalah ini dapat dihindari dengan menggunakan PCB.
Fitur perlindungan:
Ada berbagai sirkuit perlindungan yang dapat digunakan di SMP untuk operasi yang aman dan andal. Sirkuit proteksi melindungi SMP serta beban terkait. Tergantung pada jenisnya, sirkuit proteksi dapat dihubungkan melintasi input atau melintasi output.
Untuk SMPS ini, proteksi lonjakan input akan digunakan dengan tegangan input operasi maksimum 275VAC. Selain itu, untuk menangani masalah EMI, filter mode umum akan digunakan untuk mengosongkan EMI yang dihasilkan. Di sisi Keluaran kita akan menyertakan proteksi hubung singkat, proteksi tegangan berlebih, dan proteksi arus berlebih.
Pemilihan IC Manajemen Daya
Setiap rangkaian SMPS membutuhkan IC Manajemen Daya yang juga dikenal sebagai IC switching atau IC SMPS atau IC Drier. Mari kita simpulkan pertimbangan desain untuk memilih IC Manajemen Daya yang ideal yang akan cocok untuk desain kita. Persyaratan Desain kami adalah
- Keluaran 10W. 5V 2A pada beban penuh.
- Peringkat masukan universal. 85-265VAC pada 50Hz
- Perlindungan lonjakan input. Tegangan input maksimum 275VAC.
- Output sirkuit pendek, proteksi tegangan berlebih dan arus berlebih.
- Operasi tegangan konstan.
Dari persyaratan di atas ada berbagai macam IC untuk dipilih, tetapi untuk proyek ini kami telah memilih Integrasi daya. Integrasi daya adalah perusahaan semi-konduktor yang memiliki berbagai IC driver daya dalam berbagai rentang keluaran daya. Berdasarkan persyaratan dan ketersediaan kami telah memutuskan untuk menggunakan TNY268PN dari kelompok kecil saklar II. Kami sebelumnya telah menggunakan IC ini untuk membangun sirkuit SMPS 12V pada PCB.
Pada gambar di atas, daya maksimum 15W ditampilkan. Namun, kami akan membuat SMP dalam bingkai terbuka dan untuk peringkat input universal. Di segmen seperti itu, TNY268PN bisa menyediakan output 15W. Mari kita lihat diagram pin.
Merancang Sirkuit SMPS 5v 2Amp
Cara terbaik untuk membangun Skema SMPS 5V 2A adalah dengan menggunakan perangkat lunak pakar PI integrasi Daya. Unduh perangkat lunak pakar PI dan gunakan versi 8.6. Ini adalah perangkat lunak desain catu daya yang sangat baik. Sirkuit yang ditunjukkan di bawah ini dibuat menggunakan perangkat lunak pakar PI Integrasi Daya. Jika Anda baru mengenal perangkat lunak ini, Anda dapat merujuk ke bagian desain rangkaian SMPS 12V ini untuk memahami cara menggunakan perangkat lunak.
Sebelum langsung membuat bagian prototipe, mari jelajahi diagram sirkuit SMPS 5v 2A dan operasinya.
Sirkuit memiliki bagian-bagian berikut-
- Lonjakan input dan perlindungan kesalahan SMPS
- Konversi AC-DC
- Filter PI
- Sirkuit driver atau sirkuit Switching
- Perlindungan penguncian di bawah tegangan.
- Sirkuit penjepit.
- Magnet dan isolasi galvanik.
- Filter EMI
- Rectifier Sekunder dan sirkuit snubber
- Bagian Filter
- Bagian umpan balik.
Lonjakan input dan perlindungan kesalahan SMPS:
Bagian ini terdiri dari dua komponen, F1 dan RV1. F1 adalah sekering slow blow 1A 250VAC dan RV1 adalah MOV (Metal Oxide Varistor) 7mm 275V. Selama lonjakan tegangan tinggi (lebih dari 275VAC), MOV menjadi mati pendek dan putus sekring input. Namun, karena fitur slow blow, sekring menahan arus masuk melalui SMPS.
Konversi AC-DC:
Bagian ini diatur oleh jembatan dioda. Keempat dioda ini (di dalam DB107) membuat penyearah jembatan penuh. Dioda adalah 1N4006, tetapi 1N4007 standar dapat melakukan pekerjaan dengan sempurna. Dalam proyek ini, keempat dioda ini diganti dengan penyearah jembatan penuh DB107.
Filter PI:
Negara bagian yang berbeda memiliki standar penolakan EMI yang berbeda. Desain ini menegaskan standar EN61000-Class 3 dan filter PI dirancang sedemikian rupa untuk mengurangi penolakan EMI mode-umum. Bagian ini dibuat menggunakan C1, C2, dan L1. C1 dan C2 adalah kapasitor 400V 18uF. Ini adalah nilai ganjil sehingga 22uF 400V dipilih untuk aplikasi ini. L1 adalah mode tersedak umum yang mengambil sinyal EMI diferensial untuk membatalkan keduanya.
Sirkuit driver atau sirkuit switching:
Itu adalah inti dari sebuah SMP. Sisi utama transformator dikendalikan oleh rangkaian switching TNY268PN. Frekuensi switching 120-132khz. Karena frekuensi switching yang tinggi ini, transformator yang lebih kecil dapat digunakan. Sirkuit switching memiliki dua komponen, U1, dan C3. U1 adalah IC driver utama TNY268PN. C3 adalah kapasitor bypass yang diperlukan untuk kerja IC driver kami.
Perlindungan penguncian di bawah tegangan:
Perlindungan penguncian di bawah tegangan dilakukan oleh resistor sensor R1 dan R2. Ini digunakan ketika SMP masuk ke mode restart otomatis dan merasakan tegangan saluran. Nilai R1 dan R2 dihasilkan melalui alat PI Expert. Dua resistor secara seri adalah ukuran keamanan dan praktik yang baik untuk menghindari masalah kegagalan resistor. Jadi, alih-alih 2M, dua resistor 1M digunakan dalam seri.
Sirkuit penjepit:
D1 dan D2 adalah sirkuit penjepit. D1 adalah dioda TVS dan D2 adalah dioda pemulihan sangat cepat. Trafo bertindak sebagai induktor besar di seluruh IC driver daya TNY268PN. Oleh karena itu selama mematikan-siklus, transformator menciptakan lonjakan tegangan tinggi karena induktansi kebocoran transformator. Lonjakan tegangan frekuensi tinggi ini ditekan oleh penjepit dioda yang melintasi transformator. UF4007 dipilih karena pemulihan yang sangat cepat dan P6KE200A dipilih untuk pengoperasian TVS. Sesuai desain, tegangan penjepit yang ditargetkan (VCLAMP) adalah 200V. Oleh karena itu, P6KE200A dipilih dan untuk masalah terkait pemblokiran ultra-cepat, UF4007 dipilih sebagai D2.
Isolasi magnet dan galvanik:
Trafo adalah trafo feromagnetik dan tidak hanya mengubah AC tegangan tinggi menjadi AC tegangan rendah tetapi juga menyediakan isolasi galvanik.
Filter EMI:
Penyaringan EMI dilakukan oleh kapasitor C4. Ini meningkatkan kekebalan sirkuit untuk mengurangi gangguan EMI yang tinggi. Ini adalah kapasitor Y-Class dengan peringkat tegangan 2kV.
Rectifier Sekunder dan Sirkuit Snubber:
Output dari transformator diperbaiki dan diubah menjadi DC menggunakan D6, dioda penyearah Schottky. Sirkuit snubber melintasi D6 memberikan penekanan transien tegangan selama operasi switching. Rangkaian snubber terdiri dari satu resistor dan satu kapasitor, R3, dan C5.
Bagian Filter:
Bagian filter terdiri dari kapasitor filter C6. Ini adalah kapasitor ESR Rendah untuk penolakan riak yang lebih baik. Selain itu, filter LC yang menggunakan L2 dan C7 memberikan penolakan riak yang lebih baik di seluruh output.
Bagian umpan balik:
Tegangan keluaran dirasakan oleh U3 TL431 dan R6 dan R7. Setelah merasakan garis, U2, optocoupler dikontrol dan secara galvanis mengisolasi bagian penginderaan umpan balik sekunder dengan pengontrol sisi primer. Optocoupler memiliki transistor dan LED di dalamnya. Dengan mengontrol LED, transistor dikontrol. Karena komunikasi dilakukan secara optik, ia tidak memiliki sambungan listrik langsung, sehingga isolasi galvanik pada rangkaian umpan balik juga memuaskan.
Sekarang, karena LED secara langsung mengontrol transistor, dengan memberikan bias yang cukup di seluruh LED Optocoupler, seseorang dapat mengontrol transistor Optocoupler, lebih khusus lagi rangkaian driver. Sistem kontrol ini digunakan oleh TL431. Pengatur shunt. Karena regulator shunt memiliki pembagi resistor di atasnya, ia dapat mengontrol led Optocoupler yang terhubung melewatinya. Pin umpan balik memiliki tegangan referensi 2.5V. Oleh karena itu, TL431 hanya dapat aktif jika tegangan yang melintasi pembagi cukup. Dalam kasus kami, pembagi tegangan diatur ke nilai 5V. Oleh karena itu, ketika output mencapai 5V, TL431 mendapatkan 2.5V melintasi pin referensi dan dengan demikian mengaktifkan LED Optocoupler yang mengontrol transistor Optocoupler dan secara tidak langsung mengontrol TNY268PN. Jika tegangan tidak cukup di seluruh output, siklus switching segera ditangguhkan.
Pertama, TNY268PN mengaktifkan siklus pertama peralihan dan kemudian merasakan pin EN-nya. Jika semuanya baik-baik saja, itu akan melanjutkan peralihan, jika tidak, itu akan mencoba sekali lagi setelah beberapa saat. Loop ini dilanjutkan hingga semuanya menjadi normal, sehingga mencegah masalah korsleting atau tegangan berlebih. Inilah sebabnya mengapa disebut topologi flyback, karena tegangan keluaran dialirkan kembali ke driver untuk merasakan operasi terkait. Juga, loop percobaan disebut mode operasi cegukan pada kondisi kegagalan.
D3 adalah dioda penghalang Schottky. Dioda ini mengubah output AC frekuensi tinggi menjadi DC. 3A 60V Schottky Diode dipilih untuk pengoperasian yang andal. R4 dan R5 dipilih dan dihitung oleh Pakar PI. Ini menciptakan pembagi tegangan dan meneruskan arus ke LED Optocoupler dari TL431.
R6 dan R7 merupakan pembagi tegangan sederhana yang dihitung dengan rumus TL431 REF voltage = (Vout x R7) / R6 + R7. Tegangan referensi adalah 2.5V dan Vout adalah 12V. Dengan memilih nilai R6 23.7k, R7 menjadi sekitar 9.09k.
Membangun Switching Transformer untuk Sirkuit SMPS kami
Biasanya untuk rangkaian SMPS diperlukan trafo switching, trafo ini dapat diperoleh dari produsen trafo berdasarkan persyaratan desain Anda. Tetapi masalahnya di sini adalah jika Anda mempelajari hal-hal untuk membuat prototipe, Anda tidak dapat menemukan trafo yang tepat dari rak untuk desain Anda. Jadi kita akan belajar bagaimana membangun trafo switching berdasarkan persyaratan desain yang diberikan oleh perangkat lunak ahli PI kami.
Mari kita lihat diagram konstruksi trafo yang dihasilkan.
Seperti gambar di atas menyatakan kita perlu melakukan 103 Putaran kabel 32 AWG tunggal di sisi primer dan 5 putaran dua kabel 25 AWG di sisi sekunder.
Pada gambar di atas, titik awal belitan dan arah belitan dijelaskan sebagai diagram mekanis. Untuk membuat trafo ini diperlukan hal-hal sebagai berikut:
- Inti EE19, NC-2H atau spesifikasi yang setara dan memiliki celah untuk ALG 79 nH / T 2
- Bobbin dengan 5 pin di sisi primer dan sekunder.
- Barrier Tape dengan ketebalan 1 mil. Diperlukan selotip selebar 9mm.
- 32 kawat tembaga berenamel berlapis solder AWG.
- 25AWG kawat tembaga berlapis enamel yang dapat disolder.
- Pengukur LCR.
Diperlukan inti EE19 dengan NC-2H dengan inti celah 79nH / T2; umumnya, ini tersedia berpasangan. Bobbin adalah yang generik dengan 4 pin primer dan 5 pin sekunder. Namun, di sini digunakan spul dengan 5 pin di kedua sisi.
Untuk selotip, digunakan lakban standar yang memiliki ketebalan dasar lebih dari 1 mil (Biasanya 2 mil). Selama kegiatan terkait penyadapan, gunting digunakan untuk memotong pita dengan lebar yang sempurna. Kabel tembaga diperoleh dari trafo lama dan dapat dibeli dari toko-toko lokal juga. Inti dan gelendong yang saya gunakan ditunjukkan di bawah ini
Langkah 1: Tambahkan solder di pin ke-1 dan ke-5 di sisi utama. Solder kabel 32 AWG pada pin 5 dan arah lilitan searah jarum jam. Lanjutkan hingga 103 putaran seperti yang ditunjukkan di bawah ini
Ini membentuk sisi utama transformator kami, setelah 103 putaran belitan selesai, transformator saya terlihat seperti ini di bawah ini.
Langkah 2: Terapkan lakban untuk keperluan insulasi, diperlukan 3 putaran lakban. Ini juga membantu menjaga koil pada posisinya.
Langkah 3: Mulai lilitan sekunder dari pin 9 dan 10. Sisi sekunder dibuat menggunakan dua untai kabel tembaga berenamel 25AWG. Solder satu kabel tembaga ke pin 9 dan satu lagi di pin 10. Arah belitan kembali searah jarum jam. Lanjutkan hingga 5 putaran dan solder ujungnya pada pin 5 dan 6. Tambahkan selotip dengan mengoleskan lakban sama seperti sebelumnya.
Setelah gulungan primer dan sekunder selesai dan lakban digunakan, trafo saya terlihat seperti yang ditunjukkan di bawah ini
Langkah 4: Sekarang kita dapat mengamankan dua inti dengan erat menggunakan lakban.Setelah selesai, trafo akan terlihat seperti ini di bawah ini.
Langkah 5: Pastikan juga untuk membungkus lakban secara berdampingan. Ini akan mengurangi getaran selama transfer fluks dengan densitas tinggi.
Setelah langkah diatas dilakukan dan dilakukan pengujian trafo dengan menggunakan LCR meter seperti gambar dibawah ini. Meteran menunjukkan induktansi 1,125 mH atau 1125 uh.
Membangun Sirkuit SMPS:
Setelah trafo siap, kita dapat melanjutkan dengan merakit komponen lain di papan bertitik. Detail bagian yang diperlukan untuk rangkaian dapat ditemukan dalam daftar Bill of material di bawah ini
- Detail bagian BOM untuk sirkuit SMP 5V 2A
Setelah komponen disolder, papan saya terlihat seperti ini.
Menguji Sirkuit SMPS 5V 2A
Untuk menguji rangkaian, saya menghubungkan sisi input ke catu daya utama melalui VARIAC untuk mengontrol tegangan listrik AC input. Tegangan output pada 85VAC dan 230VAC ditunjukkan di bawah ini-
Seperti yang Anda lihat di kedua contoh, tegangan keluaran dipertahankan pada 5V. Tapi kemudian saya menghubungkan output ke teropong saya dan memeriksa riak. Pengukuran riak ditunjukkan di bawah ini
Riak keluaran cukup tinggi, ini menunjukkan keluaran riak 150mV pk-pk. Ini sama sekali tidak baik untuk rangkaian catu daya. Berdasarkan analisis, riak tinggi disebabkan oleh faktor-faktor di bawah ini-
- Desain PCB yang Tidak Tepat.
- Masalah pantulan tanah.
- Unit pendingin PCB tidak benar.
- Tidak ada pemutusan pada jalur suplai yang berisik.
- Peningkatan toleransi pada trafo karena belitan tangan. Produsen transformator menerapkan pernis celup selama belitan mesin untuk stabilitas transformator yang lebih baik.
Jika rangkaian diubah ke PCB yang tepat, kita dapat mengharapkan output riak dari catu daya dalam 50mV pk-pk bahkan dengan trafo lilitan tangan. Namun, karena veroboard bukanlah pilihan yang aman untuk membuat catu daya mode sakelar dalam domain AC ke DC, maka PCB yang tepat harus dipasang sebelum menerapkan rangkaian tegangan tinggi dalam skenario praktis. Anda dapat memeriksa video di akhir halaman ini untuk memeriksa bagaimana rangkaian bekerja dalam kondisi beban.
Harap Anda memahami tutorialnya dan belajar bagaimana membangun sirkuit SMP Anda sendiri dengan trafo buatan tangan. Jika Anda memiliki pertanyaan, tinggalkan di bagian komentar di bawah atau gunakan forum kami untuk pertanyaan lebih lanjut.