JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Tämän opinnäytetyön aiheena on yksinkertaisen flyback-laturin toimintaperiaatteeseen perehtyminen. Selvitystyössä lähdetään liikkeelle tasasuuntaajan ja hakkuritekniikan käsittelystä, jossa otetaan selvää, miten verkkojännitteestä muodostetaan ensin korkea tasajännite ja miten se muutetaan edelleen hakkuripiirillä matalammaksi tasajännitteeksi. Hakkuritekniikan käsittelyssä syvennytään erityisesti flyback-topologiaan, jota kyseinen laturipiiri edustaa. Lisäksi käydään läpi lyhyesti discontinuous-toimintamoodin ajatus, sekä sen eroavaisuudet continuous-moodiin nähden. Teoreettisen toimintaperiaatteen selvittämisen jälkeen tarkastellaan lähemmin sitä, mistä fyysisistä piirielementeistä flyback-tyypin laturi koostuu. Laturipiiri jaetaan toiminnallisiin lohkoihin, jonka jälkeen perehdytään siihen, mistä komponenteista lohkot koostuvat, mitkä ovat lohkojen tehtävä ja miten laturin sovelluskohde on otettu huomioon lohkojen suunnittelussa. Näin saadaan kokonaisvaltainen käsitys laturin toiminnasta ja sen osista.

Nykyisten litiumioniakkujen lataamisessa hyödynnetään CC-CV-tekniikkaa, joka vaatii laturilta kaksi eri toimintamoodia: vakiovirta- ja vakiojännite-moodin. Työssä tutustutaan myös lyhyesti siihen, miten nämä moodit toimivat ja miten niiden vakioarvot on asetettu laturissa. Viimeisenä asiakohtana paneudutaan flyback-laturin sähköturvallisuuteen. Laturipiirille määritetään standardin SFS-EN 60335-1 perusteella sen suojausluokka ja suojausluokan asettamat vaatimukset sähköneristykselle. Näihin kuuluu olennaisesti sähkönjohtavien osien väliset pinta- ja ilmavälit, joiden minimiarvot on taulukoitu standardissa. Laturin sähköneristyksen laatua ja suuruutta verrataan standardista saatuihin arvoihin ja niiden avulla arvioidaan laturipiirin turvallisuutta.

Investigating a small flyback battery charger and its working principle

Abstract

The topic of this thesis is to investigate the working principle of a simple flyback battery charger. The investigation begins with the examination of a rectifier and a switching regulator, where it is found how a high DC-voltage is first created from the mains voltage and further converted into a lower DC-voltage with a switching regulator. Switching regulator’s inspection is focused on the flyback-topology which is utilized in this charger. In addition, the idea behind the discontinuous mode operation is discussed and a comparison between the opposing continuous mode is made. After working out the theoretical working principle of the charger, a closer look of the physical circuit elements of the flyback charger is taken. The charger circuit is divided into operational blocks, after which the function and the components of the blocks are dealt with. On top of that, it is taken into account how the application of the charger is considered during the physical design. In this way, a comprehensive idea of the operating principle and the parts of the charger is established.

A CC-CV-technique is used to charge modern lithium-ion batteries which requires the charger to have two different operating modes: a constant current and a constant voltage mode. The operating principle of these two modes are also gone through briefly as well as how the constant values of these modes are set. The last theme of the paper is the safety of a flyback battery charger. According to the standard SFS-EN 60335-1, a protection class is defined for the charger and the specifications of the protection class are determined. The essential parts of the specifications are the creepage and clearance distances between two conductive layers whose minimum values are listed in the standard. The quality and dimensions of the battery charger’s electrical insulation is compared to the values listed in the standard, and based on that, the safety of the charger is evaluated.