SERWIS ELEKTRONIKI

5.4. Wartoœci krytycznych elementów w uk³adzie
przetwornicy
Bie¿¹cy punkt jest odpowiednikiem p.4.3 materia³u poœwiêconego
przetwornicy wykonanej na bazie sterownika UC3871/
/3872. Ogólne zasady i „kierunek” postêpowania przy doborze
elementów zasilacza jest taki sam. Dlatego, teraz pójdziemy
na skróty. Projekt zasilacza cytowany jest za materia³ami
firmy Unitrode dla lampy o parametrach:
• d³ugoœæ lampy: 25cm,
• œrednica: 6mm,
• napiêcie startu: 1000V (wartoœæ szczytowa),
• napiêcie pracy (przy pr¹dzie 5mA): 375V (wartoœæ RMS),
• pr¹d znamionowy (pe³na jasnoœæ lampy): 5mA,
• moc znamionowa: 1.9W.
Do parametrów wejœciowych nale¿y dodaæ napiêcie zasilania.
Uk³ad ma pracowaæ w „laptop-ie” z bateri¹ Lithium-Ion
o 4 „celach”; napiêcie = 10÷16.8V. Podczas pod³¹czenia zasilacza-³adowarki
przetwornica CCFL zasilana jest wprost z zasilacza
zewnêtrznego; napiêcie mo¿e osi¹gn¹æ wartoœæ 22V.
Zgodnie z tym, i¿ kierunek postêpowania jest zgodny z nakreœlonym
w punkcie 4.3, zaczynamy od kondensatora ballastu.
Znamy napiêcie na tym kondensatorze, z za³o¿enia dwukrotnej
wartoœci napiêcia lampy = 750V(RMS). Znamy pr¹d = pr¹d
znamionowy lampy = 5mA. Czêstotliwoœæ narzucamy zgodnie
z kompromisem, doœwiadczeniem konstruktora, za³o¿ono
50kHz. W doborze C BALLAST jest tak¿e kompromis, zawarty w
za³o¿eniu, i¿ napiêcie na kondensatorze ma byæ równe podwójnej
wartoœci napiêcia lampy. Przes³anki za doborem takiego
nie innego kompromisu wyjaœniono w punkcie 4.3.1. Zalecamy
dociekliwemu Czytelnikowi sprawdzenie, i¿ powy¿sze dane
prowadz¹ do wartoœci C BALLAST = 22pF. Kolejnym krokiem jest
okreœlenie napiêcia po wtórnej stronie trafa przetwornicy. To
suma wektorowa (wektorów prostopad³ych) napiêcia na lampie
i kondensatorze (375 i 750V). Wynik = 820V (to wartoϾ
RMS dla znamionowych warunków wysterowania lampy). W
warunkach przyciemnionej (jasnoœci) lampy napiêcie po wtórnej
stronie transformatora obni¿a siê. Staje siê te¿ bardziej odkszta³cone
(od sinusoidy), jako ¿e impedancja lampy dominuje
(nad kondensatorem). Zale¿noœæ (napiêcia od pr¹du po wtórnej
stronie transformatora) jest skomplikowana. Jednak, w aplikacjach
gdzie sprzê¿enie zwrotne kontroluje bezpoœrednio pr¹d
lampy, zale¿noœci te nie s¹ istotne i nie maj¹ wp³ywu na charakterystykê
regulacji uk³adu.
W przetwornicy ze stopniem wyjœciowym typu Royer-a
obowi¹zuj¹ podobne zale¿noœci rezonansowe jak w push-pullu
ZVS omawianym w punkcie 4.1. Zniekszta³cenia i straty mocy
s¹ najmniejsze gdy utrzymamy warunek jednakowej czêstotliwoœci
rezonansowej obwodu pierwotnego i wtórnego. W tych
warunkach wk³ad przetransformowanej pojemnoœci wtórnej
jest równy pojemnoœci w obwodzie pierwotnym C RES. Maj¹c
ustalon¹ przek³adniê transformatora, z warunku tego mo¿emy
okreœliæ C RES ; 22pF × 67 2 = ok. 100nF. Maj¹c powy¿sze wartoœci
i zak³adaj¹c czêstotliwoœæ rezonansu obwodu obci¹¿enia
stopnia Royer-a wyznaczamy indukcyjnoϾ uzwojenia pierwotnego
trafa. W projekcie wykorzystano ten sam transformator,
co w uk³adzie opisanym w p.4.3.1. US UCC3972 (zapewne z
uwagi na minimalizacjê iloœci jego wyprowadzeñ) nie zawiera
zewnêtrznego kondensatora wyznaczaj¹cego czêstotliwoœæ
oscylatora kontrolera. Dlatego, istotna jest tu weryfikacja czêstotliwoœci
„Royar-a” w zakresie w którym oscylator US po-
Zasilacze lamp CCFL w uk³adach podœwietlania ekranów LCD
trafi siê dosynchronizowaæ. Czêstotliwoœæ pracy uk³adu ulega
zmianie wraz z regulacj¹ jasnoœci lampy. To efekt „wk³adu”
pojemnoœci przetransformowanej ze strony wtórnej trafa na
pierwotn¹.
Jak powiedziano, przy pe³nej (znamionowej) jasnoœci lampy
„wk³ad” ten jest równy pojemnoœci C RES. Przy maksymalnie
przyciemnionej lampie, jest znikomy. To uproszczone rozumowanie
prowadzi do zale¿noœci, i¿ czêstotliwoœæ „Royera”
zmienia siê w zakresie 1:√2. Jest to (uproszczona) teoretyczna
weryfikacja stwierdzenia publikowanego w materia³ach
opisuj¹cych zasilacz CCFL, i¿ czêstotliwoœæ pracy uk³adu
zmienia siê w zakresie 1:1.5. Jednym z najistotniejszych kryteriów
projektu zasilacza CCFL jest jego sprawnoϾ. Straty
mocy w kondensatorze ballastu nie s¹ zwykle znacz¹ce. Mimo
to, sama pojemnoœæ C ballast-u jest istotnym kryterium rzutuj¹cym
na straty mocy w przetwornicy. Straty mocy w kondensatorze
C RES s¹ ju¿ istotne. Urod¹ wszystkich zasilaczy rezonansowych
jest fakt, i¿ w obwodach tych kr¹¿¹ stosunkowo
du¿e pr¹dy (wzglêdem pr¹du odpowiadaj¹cego przekazanej
mocy). Najlepszy „performance” uk³adu daje kondensator
(C RES) typu „polypropylene foil film capacitor” którego wspó³czynnik
strat siêga 0.0003.
Akceptowalne s¹ kondensatory ceramiczne lub metalizowane
SMT, lecz ich wspó³czynnik strat jest kilkakrotnie wiêkszy,
rzêdu 0.001. Kolejnym elementem krytycznym dla sprawnoœci
zasilacza jest transformator. Moc tracona w transformatorze,
to moc wydzielana w uzwojeniach i w rdzeniu. Rezystancja
rzeczywista uzwojenia wtórnego jest rzêdu 200Ω, uzwojenia
pierwotnego, o trzy rzêdy ni¿sza, ok. 0.2Ω. Przy czêstotliwoœci
50kHz (i bez zawartoœci harmonicznych) zjawisko naskórkowoœci
mo¿na (jeszcze) pomin¹æ. Zatem, obliczenia s¹
stosunkowo proste. Pr¹d w uzwojeniu wtórnym, to pr¹d lampy,
5mA. Moc w uzwojeniu wtórnym, poni¿ej 10mW. Pr¹d
uzwojenia pierwotnego jest spory. Sk³adow¹ rezonansow¹ (kr¹-
¿¹c¹ „w celu” przekazywania energii miêdzy pojemnoœci¹ i
indukcyjnoœci¹ obwodu rezonansowego) nietrudno jest policzyæ.
To napiêcie uzwojenia pierwotnego podzielone przez
impedancjê falow¹ obwodu wyznaczon¹ stosunkiem indukcyjnoœci
i pojemnoœci (pierwiastek z tej wartoœci). Dla omawianego
przyk³adu to wartoœæ rzêdu 0.6A. Po dodaniu pr¹du uzupe³niaj¹cego
energiê uk³adu rezonansowego (problem z wiêksz¹
wnikliwoœci¹ rozwa¿any by³ w p.4.3 artyku³u), oszacowanie
mocy strat w uzwojeniu wtórnym (mimo niskiej, 0.2Ω rezystancji)
daje wartoœæ rzêdu 100mW.
Oszacowanie strat mocy w rdzeniu transformatora jest ju¿
trudnym zadaniem. S¹ one funkcj¹ materia³u rdzenia, jego przekroju,
czêstotliwoœci oraz napiêcia. Straty zwi¹zane z przemagnesowaniem
(histerez¹ rdzenia) s¹ proporcjonalne do 3-ciej
potêgi napiêcia. Te w³aœnie zale¿noœci nale¿y braæ pod uwagê
w trudnym zadaniu omawianego wczeœniej kompromisu (wyboru
czêstotliwoœci pracy inwertera, pojemnoœci kondensatora
ballastu i projektu transformatora, w konfrontacji z kryteriami
natury mechanicznej, wielkoœci¹ uk³adu zasilacza).
Istotnymi elementami zasilacza s¹ oczywiœcie jego tranzystory
kluczuj¹ce. W stopniu Royer-a pracuj¹ zwykle tranzystory
bipolarne. Zachwycaj¹ce parametry maj¹ np. FZT849
firmy Zetek. Napiêcie nasycenia 35mV! (przy pr¹dzie 0.5A),
wzmocnienie h FE = ok. 200, ma³a obudowa SOT223. Dobór
wartoœci rezystora bazy stopnia Royer-a (R B na rys.5.3) jest
tak¿e krytyczny. Warunkiem jest pe³ne nasycenie tranzysto-
SERWIS ELEKTRONIKI 5/2007 7