Danas je nabavljeno SMPS napajanje za mobilne primopredajnike (13,5 V / 8 A) proizvod hrvatskog privatnog poduzeća Koming elektronic iz 1990-tih godina.
O SMPS (switched-mode power supply) napajanjima pisali smo u objavi Monitor vitalnih funkcija S&W Diascope NT Type 3050 gdje smo i popravljali jedno takvo napajanje. To su danas sveprisutna napajanja koja su gotovo potpuno istisnula napajanja sa transformatorima koji se izravno spajaju na mrežni napon. Kod SMPS napajanja transformator se ne spaja izravno na mrežni napon (230 V / 50 Hz) nego se mrežni napon prvo ispravlja a zatim prekida visokom frekvencijom (od nekoliko desetaka do nekoliko stotina kHz) kako bi se dobio impulsni (PWM) napon puno više frekvencije, kojim se napaja primar transformatora. S obzirom da je frekvencija PWM napona puno veća od 50 Hz, onda su za dobivanje iste snage dovoljni transformatori puno manjih dimenzija nego bi to trebalo za izravne mrežne transformatore. Do danas su razvijeni različiti sklopovi (gotovi integrirani krugovi) koji ovisno o opterećenju napajanja automatski odabiru najbolju frekvenciju, odnosno PWM modulaciju napona kako bi iskoristivost napajanja bila što veća. Također, gotovo sva SMPS napajanja imaju povratnu vezu za kontrolu i automatsku regulaciju izlaznog napona pa takva napajanja daju vrlo stabilne napone pod svim opterećenjima.
Dva su razloga zašto smo ovdje odlučili razmotriti baš ovo Komingovo SMPS napajanje. Prvi je taj što je ovo napajanje napravljeno u domaćoj tvrtki od dijelova koji se kod nas mogli nabaviti u 1990-tim ili početkom 2000-tih godina, dakle u vrijeme kada su se takva napajanja još uvijek isplatila raditi negdje drugdje osim u Kini. Drugi razlog je taj što se radi o namjenskom napajanju za napajanje mobilnih primopredajnika, pa je i samo kućište napravljeno tako da se na njega lako montira većina takvih uređaja čime od mobilnih dobivamo stacionarne radio uređaje. Sa maksimalnih 8 A struje koliko može dati ovo napajanje, mogu se napajati primopredajnici do najviše 20 W izlazne snage, a tu ulazi većina mobilnih primopredajnika.
Primarna strana sadrži mrežni filtar, punovalni ispravljač i filtarski kondenzator kao i svako drugo SMPS napajanje. Kao prekidački tranzistor (MOSFET) upotrijebljen je BUZ 80A (800 V / 3 A), a njime upravlja PWM kontroler UC3842N koji je upravo prilagođen za pogon N-kanalnih MOSFET-a. Povratna sprega za kontrolu i regulaciju izlaznog napona ide preko optopara CNY17-3.
Snimci impulsnog (PWM) napona koji generira integrirani krug UC3842N za pogon MOSFET-a BUZ 80A. Riječ je o impulsima širine cca 200 ns koji se ponavljaju frekvencijom cca 46 kHz.
Ono što je kod ovog napajanja više specifično to je izvedba sekundarnog kruga. SMPS transformator ima samo jedan sekundarni namotaj. Napon se ispravlja preko diode FES8BT (100 V / 8 A) i filtrira LC filtrom kao i kod većine SMPS napajanja. Međutim, dizajn ovog napajanja je prilagođen tako da se u određenim granicama može regulirati vrijednost izlaznog napona što je dosta bitno za mobilne primopredajnike. Naime, iako će ih većina dobro raditi i na standardnih 12 V, pune performanse se postižu na 13,5 V što je tipičan napon punog automobilskog akumulatora. Stoga ovo napajanje mora dati na izlazu (nestandardnih) 13,5 V. U tu svrhu je ugrađen tranzistorski regulator napona za BC 546 kojim se referentni regulacijski napon za automatski krug regulacije može podesiti potenciometrom u rasponu 12,1 – 15,3 V.
Sekundarna grana SMPS napajanja Koming.
Nadalje, s obzirom da je napajanje predviđeno za pogon skupih primopredajnika, ugrađene su zaštite kako ne bi došlo do uništenja priključenih uređaja uslijed mogućih kvarova napajanja. Prvo je dodana još jedna paralelno vezana dioda FES8BT za zaštitu izlaznih priključnica napajanja od moguće pojave napona i struja suprotnog polariteta. Ovo se može dogoditi ukoliko probije ispravljačka dioda u sekundarnom krugu ili ukoliko priključeni uređaj (trošilo) ima induktivnu komponentu te nastaju naponski pikovi suprotnog polariteta prilikom isključivanja uređaja (samoindukcija). Ti pikovi suprotnog polariteta mogu uništiti tiristor u prenaponskoj zaštiti napajanja kao i druge elemente u sekundarnom krugu napajanja kao što je krug regulacije napona. To lako dovede do pojave maksimalnog nereguliranog napona na izlaznim priključnicama koji može uništiti priključeno trošilo. Osim zaštite od suprotnog polariteta, ova dioda također doprinosi boljoj filtraciji izlaznog istosmjernog napona. Za ovakve diode danas se koriste nazivi poput: Freewheeling Diode, Flyback Diode, Clamp Diode, Snubber Diode, Suppressor Diode i slično. Gotovo uvijek ih nalazimo vezane paralelno induktivnim trošilima na istosmjernom naponu napajanja.
Druga zaštita kombinira osigurač i tzv. “crowbar” tiristorsku zaštitu od prenapona. Kao što se vidi na shemi, tiristor je vezan u vodljivom smjeru na izlazne priključnice. U normalnom radu tiristor je zatvoren i ne vodi struju. Ukoliko pak dođe do pojave previsokog napona (npr. zbog otkaza kruga automatske regulacije napona), zener dioda će provesti, pojaviti će se napon na vratima tiristora, te će tiristor otvoriti. Otvaranje tiristora kratko spaja izlazne priključnice, te napon pada gotovo na nulu. Porast struje pak će svakako uzrokovati pregaranje osigurača i time isključivanje sekundarnog kruga napajanja. Naravno, ukoliko dođe do porasta struje iznad 8 A (trošilo povuče prejaku struju) pregorjeti će samo strujni osigurač. Ovime je napajanje zaštićeno od prevelike struje, previsokog napona i od napona suprotnog polariteta.
Snimci signala na primaru (žuto) i na sekundaru (plavo) SMPS transformatora. Vidimo da pozitivni impuls na primaru inicira negativni impuls na sekundaru, a zatim dolazi do izmjene energije između namotaja transformatora (induktiviteta), čime nastaje svojevrsno prigušeno sinusno titranje. Frekvencija PWM impulsa je podešena tako da obnavlja ciklus nakon šest izmjena energije kada ista već bude znatno prigušena.
Nakon poluvalnog ispravljanja jednom diodom dobivamo impulse frekvencije oko 276 kHz što je daleko više od impulsa frekvencije 50 Hz koliko bi dobili poluvalnim ispravljanjem napona gradske mreže. Stoga je za SMPS napajanja u ispravljačkom dijelu dovoljna jedna dioda i filtarski kondenzatori manjeg kapaciteta. Ovdje također vidimo kako negativan napon dostiže dvostruko veće vrijednosti (naponske pikove) od pozitivnog. Stoga proboj ispravljačke diode može izazvati veliku štetu na priključenom trošilu pa je svakako dobro ugraditi zaštite u sekundarni krug napajanja.
Iako su sva SMPS napajanja principijelno ista, elektroničke sheme se mogu poprilično razlikovati. Razlike se najviše očituju u povratnom krugu regulacije napona i ugrađenim senzorskim i zaštitnim krugovima. O tome onda ovisi i konstrukcija samog SMPS transformatora koji može sadržavati više različitih primarnih i sekundarnih namotaja.
Danas je lako doći do jeftinih SMPS napajanja za računala koja su u stanju isporučiti vrlo stabilne napone i visoke struje na izlaznim priključnicama. Za pozitivne napone (+12, +5 i +3,3 V) te struje su oko 20 A i više čime su ova napajanja iskoristiva i za mnoge druge namjene. Problem je što su ovi naponi fiksni i nemoguće je izvesti regulaciju bez modifikacije unutarnjih sklopova.
Regulaciju na niže je najbolje izvesti nekim vanjskim (tranzistorskim) regulatorom jer unutrašnjom modifikacijom teško da ćemo uspjeti dobiti širok raspon regulacije (0 – 12 V), a da se pri tome značajno ne poremeti normalni režim rada SMPS sklopova. No ukoliko želimo 12 V podići na 13,5 V mogli bi to pokušati napraviti promjenom referentnog napona u povratnom krugu regulacije, kako je to izvedeno i na ovom Komingovom napajanju. Ipak, prije svake takve preinake potrebno je dobro proučiti podatke o ugrađenom čipu za kontrolu invertera (prekidačkog tranzistora), kao i referentne naponske elemente za krug regulacije. Filtarski kondenzatori na sekundarnoj strani morali bi biti barem za 25 V.
Osnovna shema spajanja PWM kontrolera serije UC x84x. Razlika između pojedinih čipova ove serije očituje se u maksimalnom duty-cycle odnosu izlaznih impulsa i naponskim pragovima na kojima dolazi do zaključavanja izlaznog signala (under-voltage lockout thresholds).
Novija napajanja za računala mogu imati vrlo složene regulacijske krugove koje je teško natjerati na rad izvan specifikacija PC napajanja, a ako imamo sreće naći ćemo potenciometar kojem se lako izlazni napon podigne sa 12 na 13,5 V. Definitivno nema univerzalnog pravila i ako se ne želimo potruditi umjesto PC napajanja bolje je kupiti neko novo univerzalno SMPS napajanje koje ima potenciometar za regulaciju izlaznog napona, obično u rangu cca 11-15 V. Definitivno nema univerzalnog pravila i treba se potruditi proučiti svu dostupnu dokumentaciju o ugrađenim čipovima u neko napajanje prije nego se ide u bilo kakve preinake.
S druge strane, vjerujem da će se većina elektroničara ovdje ipak odlučiti za kupnju nekog novog univerzalnog SMPS napajanja 12 V koje ima potenciometar za regulaciju izlaznog napona, obično u rangu cca 11-15 V. Vrijeme isplative samogradnje je nažalost prošlo i elektroničarima hobistima se više neda trošiti vrijeme i razbijati glavu proučavanjem modernih elektroničkih sklopova. Danas se sve svodi na kupnju gotovih modula popularnih mikrokontrolerskih platformi i razvojnih KIT-ova (Arduino, Teensy, Esp8266, Launchpad, BBC Micro, SparkFun, Esp32, Adafruit, BeagleBoard…) i nikoga nije briga što će neki gotov sklop koristiti svega 5 ili 10% kapaciteta elektronike od koje je sastavljen 🙂