Простые схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения для питания радиолюбительских устройств
Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Сегодня на сайте “ “
мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать – простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC
(преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)
Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного.
Импульсные преобразователи подразделяются на группы:
– понижающие, повышающие, инвертирующие;
– стабилизированные, нестабилизированные;
– гальванически изолированные, неизолированные;
– с узким и широким диапазоном входных напряжений.
Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы – они проще в сборке и не капризны при настройке.
Первая схема.
Нестабилизированный транзисторный преобразователь:
Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка – 2х10 витков, вторичная обмотка – 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.
Вторая схема.
Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.
Третья схема.
: 
Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.
Четвертая схема.
Преобразователь на специализированной микросхеме:
Преобразователь стабилизирующего типа на специализированной микросхеме фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент – дроссель L1.
Пятая схема.
Нестабилизированный двухступенчатый умножитель напряжения:
Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.
Шестая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме фирмы MAXIM:
Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД – 94%, ток нагрузки – до 200 мА.
Седьмая схема.
Два напряжения от одного источника питания
: 
Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 – накопители энергии.
Восьмая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме-2 фирмы MAXIM:
Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД – 90%.
Девятая схема.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ МОРДОВИЯ РЕГИОНАЛЬНЫЙ УЧЕБНЫЙ ОКРУГ
Конкурс исследовательских работ учащихся
«ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ БУДУЩЕЕ МОРДОВИИ»
Импульсный преобразователь напряжения
Авторы работы: Мамонов Алексей, Голяткин Алексей - студенты специальности «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования»
ГБОУ РМ СПО (ССУЗ) «Саранский электромеханический колледж »
Саранск 2013
Аннотация. В данной работе предлагается и обсуждается принципиальная схема и конструкторское исполнение импульсного повышающего DC-DC преобразователя 12/220В. Разработанный малогабаритный источник постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В предназначен для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения. Схема преобразователя отличается простотой, надежностью и набором недорогих и доступных элементов.
Введение……………………………………………………………………………..…………...4
1. Теоретическая часть…………………………………………………..………………………5
1.1 Основные типы преобразователей электрической энергии………………….………5
1.2 Импульсные преобразователи напряжения …………...………………….…….……..6
2.Экспериментальная часть………………………………………..……………………...…….9
2.1. Разработка принципиальной электрической схемы повышающего DC-DC преобразователя напряжения 12/220В.……………………………………………..…...….9
2.2 Конструкция, технология изготовления и испытание преобразователя………........10
2.3. Расчет себестоимости преобразователя..……………………………...…………..….11
Заключение………………………………………………………………………..……….……12
Список использованных источников и литературы…………………………..…...…………12
Введение
В настоящее время на рынке электронной аппаратуры предложен большой выбор преобразователей. Они нашли широкое применение в различных отраслях промышленности и в быту. Преобразователи напряжения различаются своими функциональными возможностями, формой выходного напряжения, мощностью на выходе и соответственно ценой.
В данной работе предлагается и обсуждается принципиальная схема и конструкторское исполнение повышающего DC-DC преобразователя 12/220В. Основными критериями при разработке преобразователя являлись малые габариты при высокой удельной мощности, простота технического решения, надежность и низкая цена.
Целью исследования является разработка и изготовление малогабаритного источника постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В. Задачами исследования являются:
Изучить и проанализировать существующие типы преобразователей электрической энергии.
Разработать оптимальную электрическую схему и конструкцию преобразователя напряжения на 12-220В.
Изготовить преобразователь по разработанной схеме.
Провести испытание преобразователя, измерить входные и выходные характеристики и сделать выводы о его работоспособности.
Методы исследования: изучение литературы и интернет - ресурсов, наблюдение, обобщение, анализ, классификация, моделирование, прогнозирование, эксперимент, расчет, сравнение, описание.
Практическая значимость работы . Разработанный преобразователь напряжения является простым и недорогим источником автономного питания для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения.
Актуальность тематики . Устройство актуально для владельцев неэлектрофицированных садовых домиков, гаражей, где единственным источником электроэнергии может быть аккумуляторная батарея автомобиля.
1. Теоретическая часть
1.1 Основные типы преобразователей электрической энергии.
Преобразователь электрической энергии - это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (напряжения, частоты, числа фаз, формы сигнала). Для реализации преобразователей широко используются полупроводниковые приборы, так как они обеспечивают высокий КПД - важный параметр электротехнических устройств.
Основными видами преобразования электрической энергии являются:
· выпрямление переменного тока - преобразование переменного тока в постоянный (рис.1). Этот вид преобразования наиболее распространенный, так как некоторые потребители электрической энергии могут работать только на постоянном токе (сварочные устройства, электролизные установки и т. д.) или имеют на постоянном токе более высокие технико-экономические показатели, чем на переменном (электропривод системы электрической тяги, линии передачи электрической энергии очень высокого напряжения);
Рис. 2. Принцип действия инвертора.
· преобразование частоты - обычно переменный ток промышленной частоты 50 Гц преобразуется в переменный ток непромышленной частоты (питание регулируемых электроприводов переменного тока, установки индукционного нагрева и плавки металлов, ультразвуковые устройства и т. д.) (рис. 3);
|
|
· преобразование числа фаз. Иногда необходимо преобразование трехфазного тока в однофазный (для питания мощных дуговых электропечей) или наоборот, однофазного в трехфазный (электрифицированный транспорт). В промышленности используются трехфазно-однофазные преобразователи частоты с непосредственной частью, в которых наряду с преобразованием промышленной частоты в более низкую происходит и преобразование трехфазного напряжения в однофазное;
· преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (трансформирование постоянного тока) (рис. 4). Подобное преобразование необходимо на ряде подвижных объектов, где источником питания является аккумуляторная батарея или другой источник постоянного тока низкого напряжения, а потребителям требуется постоянный ток более высокого напряжения (например, для питания радиотехнической аппаратуры).
|
|
Рис. 4. Принцип действия преобразователя постоянного напряжения.
Существуют и некоторые другие виды преобразования электрической энергии (например, формирование определенной кривой переменного напряжения), в частности, формирование мощных импульсов тока, которые находят применение в специальных установках, регулируемое преобразование переменного напряжения. Все виды преобразований осуществляются с использованием силовых ключевых элементов.
Основные типы полупроводниковых ключей - диоды, силовые биполярные транзисторы, тиристоры , запираемые тиристоры, транзисторы с полевым управлением.
1.2 Импульсные преобразователи напряжения
Для преобразования напряжения одного уровня в напряжение другого уровня часто применяют импульсные преобразователи напряжения с использованием индуктивных накопителей энергии. Такие преобразователи отличаются высоким КПД, иногда достигающим 95%, и обладают возможностью получения повышенного, пониженного или инвертированного выходного напряжения.
В соответствии с этим известно три типа схем преобразователей: понижающие, повышающие и инвертирующие. Общими для всех этих видов преобразователей являются пять элементов: источник питания, ключевой коммутирующий элемент, индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивности, дроссель), блокировочный диод и конденсатор фильтра, включенный параллельно сопротивлению нагрузки. Включение этих пяти элементов в различных сочетаниях позволяет реализовать любой из трех типов импульсных преобразователей.
Регулирование уровня выходного напряжения преобразователя осуществляется изменением ширины импульсов, управляющих работой ключевого коммутирующего элемента и, соответственно, запасаемой в индуктивном накопителе энергии. Стабилизация выходного напряжения реализуется путем использования обратной связи: при изменении выходного напряжения происходит автоматическое изменение ширины импульсов.
Понижающий преобразователь (рис. 5) содержит последовательно включенную цепочку из коммутирующего элемента S1, индуктивного накопителя энергии L1, сопротивления нагрузки Rн и включенного параллельно ему конденсатора фильтра С1. Блокировочный диод VD1 подключен между точкой соединения ключа S1 с накопителем энергии L1 и общим проводом.
Рис. 5. Принцип действия понижающего преобразователя напряжения.
При открытом ключе диод закрыт, энергия от источника питания накапливается в индуктивном накопителе энергии. После того, как ключ S1 будет закрыт (разомкнут), запасенная индуктивным накопителем L1 энергия через диод VD1 передастся в сопротивление нагрузки Rн. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.
Повышающий импульсный преобразователь напряжения (рис. 6) выполнен на тех же основных элементах, но имеет иное их сочетание: к источнику питания подключена последовательная цепочка из индуктивного накопителя энергии L1, диода VD1 и сопротивления нагрузки с параллельно подключенным конденсатором фильтра С1. Коммутирующий элемент S1 включен между точкой соединения накопителя энергии L1 с диодом VD1 и общей шиной.
Рис. 6. Принцип действия повышающего преобразователя напряжения.
При открытом ключе ток от источника питания протекает через катушку индуктивности, в которой запасается энергия. Диод VD1 при этом закрыт, цепь нагрузки отключена от источника питания, ключа и накопителя энергии. Напряжение на сопротивлении нагрузки поддерживается благодаря запасенной на конденсаторе фильтра энергии. При размыкании ключа ЭДС самоиндукции суммируется с напряжением питания, запасенная энергия передается в нагрузку через открытый диод VD1. Полученное таким способом выходное напряжение превышает напряжение питания.
Инвертирующий преобразователь импульсного типа содержит то же сочетание основных элементов, но в другом их соединении (рис. 7): к источнику питания подключена последовательная цепочка из коммутирующего элемента S1, диода VD1 и сопротивления нагрузки Rн с конденсатором фильтра С1. Индуктивный накопитель энергии L1 включен между точкой соединения коммутирующего элемента S1 с диодом VD1 и общей шиной.
Рис. 7. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием.
Работает преобразователь следующим образом: при замыкании ключа энергия запасается в индуктивном накопителе. Диод VD1 закрыт и не пропускает ток от источника питания в нагрузку. При отключении ключа ЭДС самоиндукции накопителя энергии оказывается приложенной к выпрямителю, содержащему диод VD1, сопротивление нагрузки Rн и конденсатор фильтра С1. Поскольку диод выпрямителя пропускает в нагрузку только импульсы отрицательного напряжения, на выходе устройства формируется напряжение отрицательного знака.
Существуют другие разновидности импульсных преобразователей напряжения. Обратноходовой преобразователь - разновидность статических импульсных преобразователей напряжения с гальванической развязкой первичных и вторичных цепей. Основным элементом обратноходового преобразователя является многообмоточный накопительный дроссель, который часто называют трансформатором. Различают два основных этапа работы схемы: этап накопления энергии дросселем от первичного источника электроэнергии и этап вывода энергии дросселя во вторичную цепь (вторичные цепи).
Двухтактный преобразователь - преобразователь напряжения, использующий трансформатор для изменения напряжения источника питания. Преимуществом двухтактных преобразователей является их простота. Двухтактный преобразователь похож на обратноходовой преобразователь, однако основан на другом принципе работы (энергия в сердечнике трансформатора не запасается).
2.Экспериментальная часть
2.1. Разработка принципиальной электрической схемы повышающего DC - DC преобразователя напряжения 12/220В
Принцип действия предлагаемого преобразователя заключается в следующем: постоянный ток от аккумуляторной батареи напряжением 12В преобразуется инвертором в переменный ток того же напряжения, которое повышается трансформатором до 220В и далее выпрямляется выпрямителем. Общий вид структуры реализованного преобразователя показан на рис. 8.
Рис. 8. Структурная схема преобразователя напряжения 12/220В.
Принципиальная схема преобразователя показана на рис. 9. Преобразователь построен по двухтактной схеме. Основой преобразователя является широко известная микросхема ШИМ контроллера TL494. Данная микросхема имеет встроенный задающий генератор, частота которого устанавливается внешней R3C1 цепочкой. Рабочая частота задается следующим образом: уменьшаем сопротивление R3 – увеличиваем частоту. Увеличиваем емкость C1 – уменьшаем частоту и наоборот. В данной схеме частота получается порядка 100КГц. Такая высокая частота преобразования обусловлена необходимостью минимизации габаритов преобразовательного трансформатора.
В схеме используются мощные полевые транзисторы IRFZ46N, которые характеризуются меньшим временем срабатывания и более простыми схемами управления. Вместо них можно использовать IRFZ44N или IRFZ48N.
Повышающий трансформатор в данном преобразователе используется из блока питания компьютера с измененным количеством витков. Соотношение витков в трансформаторе 1:1:20 , где 1:1 – две половинки первичной обмотки (10+10 витков), а 20 – соответственно, вторичная обмотка (200 витков). Для первичной обмотки используется провод диаметром 0,5мм, для вторичной обмотки – 0,3мм.
Выходное напряжение преобразователя снимается с вторичной обмотки трансформатора и выпрямляется по мостовой схеме, выполненной из быстродействующих диодов КД213.
Рис. 9. Принципиальная схема преобразователя напряжения 12/220В.
Защиту схемы от перегрузки и от неправильного подключения питания (полярности «+» и «-») можно реализовать через предохранитель и диод на входе.
2.2. Конструкция, технология изготовления и испытание преобразователя
Внешний вид готового преобразователя напряжения представлен на рис. 10, где 1 – корпус преобразователя, 2 – входные контакты, 3 – выходные контакты, 4 – вентилятор .
http://pandia.ru/text/78/373/images/image015_24.jpg" width="276" height="265 src=">Ацетон" href="/text/category/atceton/" rel="bookmark">ацетоном .
Для предупреждения перегрева транзисторов при длительных режимах работы установлены радиатор и вентилятор.
Готовый преобразователь был испытан для питания энергосберегающих ламп дневного света цокольного типа и ламп накаливания мощностью до 40 Вт (рис. 12).
Рис. 12. Испытание преобразователя.
В результате испытаний получены следующие данные:
Входное напряжение – 12В, выходное напряжение – 220+/-5В, максимальная выходная мощность – 40Вт.
Преобразователь испытывался как в кратковременных, так и в длительных режимах работы (4часа) с энергосберегающими и лампами накаливания разной мощности до 40Вт. Во всех случаях было отмечено нормальное яркое свечение без мерцания.
Сравнительный эксперимент на двух лампах одного номинала, подключенных к преобразователю и к розетке с напряжением 220В – 50Гц, показал визуально одинаковый результат.
2.3. Расчет себестоимости преобразователя
Себестоимость преобразователя по стоимости материалов составляет 356 рублей. Расчет приведен в таблице №1. Для расчета взяты средние розничные цены в специализированных магазинах электроники.
Таблица №1. Расчет себестоимости преобразователя.
Материалы и запасные части | Количество, шт. | Цена за единицу, руб. | Стоимость, руб. |
1. Микросхема TL494 | |||
2. Транзисторы IRFZ46N | |||
3. Резистор 2,6 кОм | |||
4. Резистор 1 кОм | |||
5. Резистор 10 кОм | |||
6. Конденсатор 500мкФ | |||
7. Конденсатор 200мкФ | |||
8. Конденсатор 1нФ | |||
9. Трансформатор | |||
Заключение
Разработанный малогабаритный источник постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В предназначен для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения. Схема преобразователя отличается простотой, надежностью и набором недорогих и доступных элементов.
Список использованных источников и литературы
1. ГОСТ Изделия электротехнические. Термины и определения основных понятий.
2. , Силовая электроника для любителей и профессионалов – М.: СОЛО-Р, 2001. – 327с.
3. http://www. electromonter. info/theory/convert. html
До недавнего времени наиболее распространенные источники питания имели трансформаторную схему с выпрямителем и емкостным фильтром. Со временем их вытеснили источники питания на основе импульсных преобразователей. Импульсные источники питания выгодно отличаются большей удельной мощностью. Высокочастотные трансформаторы обладают меньшими габаритами и требуют меньших затрат медного провода что значительно снижает стоимость всего изделия в целом. Тем не менее, трансформаторные схемы промышленной частоты 50 (60) Гц будут актуальны и впредь в виду своей простоты и надежности.
Классификация
Преобразователи питающего напряжения можно классифицировать следующим образом:
- По роду питающего напряжения:
постоянного;
переменного;
универсальные. - По коэффициенту преобразования напряжения:
повышающие;
понижающие. - По характеру выходной вольтамперной характеристики (ВАХ):
не стабилизированные;
стабилизированные;
регулируемые. - По типу базовой схемы преобразования:
трансформаторная низкочастотная;
импульсная дроссельная;
импульсная однотактная обратноходовая, прямоходовая;
импульсная двухтактная, мостовая и полумостовая схемы;
инверторы;
тиристорные и симисторные преобразовательные схемы.
Низкочастотные трансформаторные схемы
| Рисунок 1. Трансформатор переменного тока |
Трансформаторные схемы отличаются простотой и надёжностью. Применяются для преобразования переменного напряжения синусоидальной формы. Базовая схема изображена на рисунке 1. Частота преобразования соответствует применяемой частоте питающей сети, в подавляющем большинстве случаев это 50 Гц, в некоторых странах 60 Гц, и изредка 400 Гц для питания специализированного оборудования.
Классификация по коэффициенту преобразования напряжения
Коэффициент преобразования трансформаторной схемы равен отношению выходного номинального напряжения к входному:
При К <1 схема является понижающей . Это наиболее часто встречающийся тип трансформаторных преобразователей промышленной частоты. Широко используется в источниках питания бытовой и промышленной электроники.
При K >1 схема повышающая. Применяется в тех случаях, когда требуется более высокое напряжение по отношению к первичному. Иногда используется в качестве базовой схемы в инверторных преобразователях, а также для получения высоких напряжений, например, для питания магнетрона микроволновых печей, и т.п.
При K=1 величина выходного напряжения практически не изменяется по отношению к входному. Данная схема иногда применяется для гальванической развязки, когда необходимо исключить влияние сетевого напряжения на питаемый объект, или с целью электробезопасности.
Классификация по характеру выходной ВАХ
Нерегулируемые трансформаторы
Имеют одну первичную и одну, или несколько вторичных обмоток, чаще всего гальванически изолированных от первичной. ВАХ зависит от ряда условий и является неизменной.
Регулируемые трансформаторы – автотрансформаторы
|
Рисунок 2. Автотрансформатор |
Автотрансформаторы предназначены для плавного или ступенчатого регулирования выходного напряжения. Чаще всего имеют одну обмотку, которая играет роль первичной и вторичной одновременно, а регулирование напряжения производится переключением выходной клеммы между различными выводами обмотки.
Входная клемма автотрансформатора подключается не на крайний вывод, а с небольшим смещением на несколько выводов к середине обмотки. Это позволяет при регулировании добиваться коэффициента преобразования как ниже, так и выше единицы. Коммутация выхода с выводами обмоток производится пакетным переключателем, или аналогичным коммутационным устройством.
При необходимости более плавного регулирования выходного напряжения применяются автотрансформаторы с видоизменённым конструктивом. Вся обмотка наматывается в один слой на тороидальном сердечнике виток к витку с небольшим зазором между витками. Часть изоляции с торцевой стороны тороидальной обмотки снимается с проводника для возможности подключения коммутационного устройства к каждому витку. Для контакта с витками используется скользящий или роликовый графитовый бегунок. Благодаря такой конструкции производится более плавное переключение между выводами (места, освобождённые от изоляции), а перемещение бегунка практически по всей обмотке трансформатора позволяет получать на выходе напряжения от нуля до максимального значения коэффициента трансформации. Благодаря такой специфической конструкции и возможности столь глубокого регулирования выходной величины напряжения, такие автотрансформаторы принято называть лабораторными автотрансформаторами, или сокращённо ЛАТР . Упрощённая электрическая схема ЛАТРа показана на рисунке 2.
Трансформаторные схемы с выпрямителем
Вбольшинстве случаев промышленные и бытовые электронные устройства требуют питания от источника постоянного тока. Для этого трансформаторные схемы дополняют полупроводниковым выпрямителем, а для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выход схемы выпрямителя включают сглаживающий конденсатор. Базовая схема показана на рисунке 3, и может усложняться в зависимости от требований к ВАХ источника питания.
В некоторых случаях для питания различных блоков схемы требуются напряжения разных уровней, или симметричный источник питания со средней точкой. Для этого используются многообмоточные трансформаторы с подключением к каждой обмотке разных напряжений или плеч отдельного выпрямителя с ёмкостным фильтром.
Импульсные преобразователи постоянного напряжения
Когда требуется запитать устройство от напряжения со сниженным значением по отношению к имеющемуся напряжению питания, часто применяются схемы стабилизаторов на основе делителей напряжения - транзисторов или интегральных стабилизаторов. Недостатком этого способа является то, что при необходимости значительного снижения напряжения питания относительно первичного, на регулирующем элементе (транзисторе, микросхеме стабилизатора) выделяется тепло, пропорциональное квадрату тока его нагрузки. При значительной мощности нагрузки такое преобразование влечёт весомые потери энергии и снижение КПД. Для более эффективного преобразования питающего напряжения применяются импульсные преобразователи, работа которых основана на частотно-импульсной или широтно-импульсной модуляции.
Для понимания процесса импульсной модуляции рассмотрим схему на рисунке 4. На выводы входа «Общ.» и «Uип» подаётся напряжение первичного источника. Ключ SA1 управляется устройством управления в импульсном режиме, периодически замыкая и размыкая цепь заряда конденсатора C1 через балластный резистор Rб. При замыкании ключа SA1 конденсатор начинает заряжаться, напряжение на нём постепенно растёт. При размыкании ключа заряд прекращается. Если нагрузка отключена, то напряжение на конденсаторе остаётся неизменным до следующего замыкания ключа. Когда к выходу подключена нагрузка, то конденсатор разряжается, напряжение на нём падает. Если рассматривать этот повторяющийся процесс в течении длительного времени, то будут заметны значительные колебания напряжения на выходе устройства при нагрузке. Чтобы эти колебания были не столь значительны, достаточно сократить время процесса заряда и разряда конденсатора, т.е. увеличить частоту следования импульсов коммутации до приемлемых значений.
Уровень напряжения на выходе такого преобразователя зависит от отношения времени замкнутого положения ключа ко времени разомкнутого положения и от величины нагрузки. Если принять величину нагрузки постоянной, тогда уровень напряжения будет прямо пропорционален длительности импульса в периоде. Отношение длительности импульса к периоду следования называется коэффициентом заполнения импульсов:
где D – коэффициент заполнения импульсов, t – длительность импульса, T – период следования импульсов.
Чем больше коэффициент заполнения импульсов, тем выше может быть поднято напряжение на выходе преобразователя. Для исследования работы такого преобразователя можно собрать базовую схему, изображённую на рисунке 5.
Ключ VT1 коммутирует цепь заряда конденсатора C1 через балластный (токоограничивающий) резистор Rб. Подтягивающий резистор Rп ускоряет стечение электронов из области базы в момент запирания ключа VT1. Rо – резистор, ограничивающий максимальный ток базы ключа VT1. VT2 – ключ управления током базы транзистора VT1. Его назначение – согласование работы схемы с сигналом генератора относительно минуса питания, принципиального значения не имеет, если сигнал генератора инвертировать и подавать относительно плюса питания на базу ключа VT1.
Коэффициент заполнения можно изменять несколькими способами. Рассмотрим их по отдельности.
Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)
При изменении частоты следования импульсов одинаковой длительности меняется только длительность пауз между ними. Длительность импульсов - величина постоянная, она ограничивает максимально возможную частоту, которой достигнет генератор при максимально возможном коэффициенте заполнения импульса, т.е., когда приближенно выполняется равенство
Частота при этом будет равна
Рисунок 6 иллюстрирует принцип частотно-импульсной модуляции. Красная прямая «а» - условно линейная временная зависимость напряжения на фильтрующем конденсаторе C1 (схема на рис.5) во время заряда (ключ VT1 замкнут). Зелёная прямая «б» - условно линейная временная зависимость напряжения на фильтрующем конденсаторе при его разряде на нагрузку. t – длительность импульсов, одинаковая для всех импульсов. T1, T2, T7 и Tn – период следования импульса соответствующего порядка. Как иллюстрирует приведённый пример, периоды следования импульсов могут отличаться, и влияют на среднее значение энергии передаваемой от первичного источника на выход.
В нижней части рисунка изображена теоретически истинная диаграмма напряжения на фильтрующем конденсаторе, состоящая из отрезков, отражающих периодически повторяющийся заряд/разряд. Синяя кривая показывает усреднённое значение напряжения на выходе преобразователя. Горизонтальный участок этой кривой демонстрирует режим стабилизации напряжения выхода – Uст.
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
При неизменном периоде следования импульсов, т.е., когда частота импульсов не меняется, модуляция производится изменением длительности импульсов, при этом обратно пропорционально изменяется длительность пауз. Принцип несколько похож на частотно-импульсную модуляцию.
Широтно-импульсная модуляция проиллюстрирована на рисунке 7. В отличии от ЧИМ, здесь период следования импульсов T является постоянной величиной, а длительность импульсов порядка t1, t4, tn меняется в зависимости от требуемого уровня модулируемой выходной величины.
Отличие рассмотренных методов позволяет для выполнения одной задачи применять различные схемотехнические решения.
Применяя частотную, или широтно-импульсную модуляцию можно ограничивать, стабилизировать или динамически регулировать выходную величину. На рисунке 8 продемонстрированы примеры ЧИМ и ШИМ регулирования.
Схемотехника импульсных преобразователей
Рассматривая схему на рисунках 4 и 5, можно обратить внимание на один значительный недостаток такого решения: через балластный резистор Rб при замкнутом ключе протекает ток, пропорциональный падению напряжения на нём. В результате резистор рассеивает часть энергии в виде тепла, а это влечёт за собой снижение КПД. Для устранения этого недостатка вместо балластного резистора в импульсных схемах применяются индуктивные элементы – дроссели и импульсные трансформаторы.
Дроссель ограничивает нарастание тока по переднему (нарастающему) фронту импульса. От момента включения дросселя в цепь до полного магнитного насыщения сердечника, в нём запасается энергия в виде магнитного поля. После полного насыщения сердечника, даже если ток продолжает нарастать, дроссель не способен запасать больше энергии, в результате энергия начинает выделяться в виде тепла, что может вызвать потери и снизить КПД. Поэтому схему необходимо рассчитывать так, чтобы наибольшая длительность импульса ограничивалась до момента полного насыщения. При разрыве цепи дросселя по заднему (нисходящему) фронту импульса, магнитное поле дросселя в результате прекращения протекания тока быстро уменьшается. Уменьшение магнитного поля обуславливает возникновение на концах обмотки дросселя импульса напряжения магнитной индукции противоположной полярности, по отношению к приложенному напряжению во время протекания через обмотку дросселя тока. Это напряжение можно коммутировать таким образом, чтобы использовать энергию импульса для питания нагрузки. Так дроссель, ограничивая, ток накапливает энергию, а между импульсами может накопленную энергию передать нагрузке, или вернуть первичному источнику. В результате сокращаются потери энергии при значительном понижении выходного напряжения относительно входного, даже при питании мощной нагрузки.
Появление импульса обратной ЭДС в обмотке дросселя можно использовать не только для повышения КПД устройства при ограничении напряжения, но и для повышения выходного напряжения относительно входного.
Недостатком дроссельных преобразователей является невозможность гальванической развязки выхода от первичного источника питающего напряжения. Гальваническая развязка может быть обеспечена с применением импульсных трансформаторов с раздельными обмотками первичного (питающего) и вторичного напряжений. Трансформаторные схемы могут работать как в однотактном режиме (режим дросселя), так и в двухтактном.
Типовые схемы каскадов импульсных преобразователей с применением индуктивных элементов – дросселей и импульсных трансформаторов
Схемы выходных каскадов однотактных преобразователей постоянного напряжения с применением дросселя
Понижающий дроссельный преобразователь постоянного напряжения
На рисунке 9 показан выходной каскад. SA1 – ключ, управляемый схемой. При включении ключа в первоначальный момент времени к дросселю прикладывается разница напряжения источника питания относительно напряжения выхода. Затем, по мере намагничивания дросселя, ток через него постепенно возрастает, а падение напряжения на нём наоборот уменьшается. При протекании тока через дроссель фильтрующий конденсатор C1 заряжается, а дроссель накапливает энергию в магнитном поле сердечника. При размыкании ключа на концах обмотки L1 возникает импульс обратного напряжения. При появлении обратной ЭДС в дросселе, импульсный диод DV1 коммутирует освободившийся вывод его обмотки с минусом C1. В результате запасённая энергия в магнитном поле дросселя не теряется, а тратится на дополнительный заряд фильтрующего выходного конденсатора в промежутках между импульсами.
Повышающий дроссельный преобразователь постоянного напряжения
При подключении схемы (рисунок 10) к первичному источнику постоянного напряжения, конденсатор C1 через дроссель L1 и импульсный диод (диод Шоттки) DV1 заряжается. Напряжение на нём достигает напряжения источника питания, за вычетом падения напряжений на дросселе и диоде.
Дроссель рассчитывается так, чтобы при разомкнутом ключе SA1 при работе на нагрузку, ток нагрузки не приводил к значительному насыщению сердечника дросселя.
При замыкании ключа SA1 к дросселю прикладывается напряжение источника питания, ток через него увеличивается, а в сердечнике накапливается энергия магнитного поля до момента полного насыщения. Диод VD1 при замыкании ключа под действием обратного напряжения закрывается, исключая замыкание конденсатора C1.
После некоторого насыщения сердечника ключ размыкается.
В момент размыкания ключа на дросселе возникает импульс напряжения обратной полярности. На аноде разделительного диода появляется напряжение равное сумме напряжений первичного источника питания и напряжения импульса на дросселе. Диод открывается и конденсатор C1 заряжается.
Благодаря тому, что в момент размыкания ключа напряжение обратного импульса дросселя создаёт прибавку к напряжению первичного источника, на выходе преобразователя мы можем получить напряжение, превышающее напряжение первичного источника.
На основе этой схемы можно строить преобразователи с регулируемым напряжением выхода, но регулировка возможна только от напряжения первичного источника, что ограничивает область применения данного решения.
Пример транзисторных схем выходных каскадов дроссельных преобразователей
Для проведения опытов по рассмотренным видам дроссельных преобразователей можно собрать схемы каскадов на транзисторах, показанных на рисунках 11 и 12.
Ненасыщающийся импульсный трансформатор
При подаче на трансформатор однополярных импульсов напряжения, из-за крутой характеристики петли гистерезиса, остаточная напряжённость в сердечнике не снимается, и с каждым следующим импульсом достигает такого значения, при котором изменение напряжённости магнитного поля от начала до конца импульса становится несущественным. Поскольку передача энергии в трансформаторе осуществляется изменяющимся магнитным полем, величина которого значительно снижается при одностороннем намагничивании сердечника, снижается количество энергии, которое трансформатор способен передать за один рабочий период, т.е. его эффективность. В таких случаях иногда говорят, что трансформатор насыщается постоянной составляющей тока намагничивания .
По своей сути, трансформатор с разомкнутым магнитопроводом является дросселем, с наличием вторичных обмоток.
В работе однотактных преобразователей выделяют две фазы цикла:
- возбуждение ЭДС взаимной индукции во вторичной обмотке в ходе увеличения напряжённости магнитного потока при увеличивающемся первичном токе (намагничивание сердечника);
- возбуждение ЭДС взаимной индукции во вторичной обмотке в ходе спада напряжённости магнитного потока при сбросе первичного тока (размагничивание сердечника).
Снимать полезную мощность со вторичной обмотки целесообразно либо в первую фазу цикла, либо во вторую. При полезной нагрузке вторичной обмотки в первую фазу преобразователь называется «прямоходовым», во вторую – «обратноходовым».
Прямоходовый преобразователь с применением ненасыщающегося импульсного трансформатора
На рисунке 13 изображена схема силового каскада прямоходового импульсного преобразователя.
Когда при подаче управляющего импульса ключ VT1 открывается, к первичной обмотке T1 прикладывается напряжение питания. Ток первичной обмотки начинает увеличиваться по мере насыщения сердечника. В это время увеличивающийся магнитный поток сердечника вызывает индукцию напряжения на вторичной обмотке такой полярности, при которой импульсный диод VD1 открывается, заряжая конденсатор C1 и питая нагрузку.
Когда ключ VT1 закрывается, через первичную обмотку прекращает течь ток, в результате чего напряжённость магнитного поля начинает изменяться в обратную сторону, то есть уменьшаться. Уменьшение напряжённости магнитного потока сердечника индуцирует во вторичной обмотке напряжение обратной полярности, при котором диод VD1 закрывается. Обе обмотки оказываются не нагруженными, и в результате на концах всех обмоток может возникнуть импульс напряжения, в несколько раз превышающий по величине напряжение первичного источника. Этот импульс может вывести из строя и импульсный диод, если превысит его максимальное обратное напряжение, и транзисторный ключ. Поэтому такие схемы необходимо дополнять защитными цепями.
Способы защиты могут быть разнообразны, на рисунке показан лишь один из возможных вариантов. Здесь в момент появления импульса обратного напряжения его всплеск открывает демпфирующий диод VDд, в результате конденсатор демпфирующей цепочки Cд шунтирует первичную обмотку при прохождении крутого фронта импульса напряжения, а резистор Rд несколько снижает величину напряжения всего импульса.
Обратноходовый преобразователь с применением ненасыщающегося импульсного трансформатора
Схема на рисунке 14 повторяет схему на рисунке 13. Разница в том, что у вторичной обмотки произведена смена выводов. Если Вы уже обратили внимание на знаки «*» у изображений обмоток Т1, то многие из Вас догадались, что это условное обозначение начала обмоток.
Теперь, при открывании ключа в первичной обмотке начнёт увеличиваться ток c намагничиванием сердечника, но во вторичной обмотке индуцированное напряжение закроет диод VD1, и вся энергия (за исключением потерь) передаваемая через первичную обмотку будет накапливаться в магнитном поле сердечника до его полного насыщения. При запирании ключа, через первичную обмотку прекращает течь ток, а во вторичной индуцируется напряжение обратной полярности, которое открывает диод VD1, заряжая конденсатор C1 и питая нагрузку.
В этом случае у нас полезная нагрузка снимается со вторичной обмотки в период размагничивания сердечника, во время обратного хода цикла работы преобразователя. Отсюда и название – «обратноходовый».
Фаза обратного хода при постоянной нагрузке такого преобразователя активна, и в первичной обмотке не должно возникать опасных всплесков напряжения при размыкании первичной цепи. Но когда нагрузка имеет переменный характер, то при работе в режиме холостого хода ключ может выйти из строя. Для этого рассмотренную схему необходимо дополнить цепочкой защиты, аналогично схеме рисунка 13.
Рассмотренные выше схемы каскадов однотактных преобразователей пригодны лишь в диапазоне малых мощностей, приблизительно до 100 ВА.
Схемы выходных каскадов двухтактных преобразователей постоянного напряжения с применением импульсных трансформаторов
Силовые трансформаторы являются ключевым элементом устройств преобразования питающего напряжения. Как мы уже говорили, однотактные режимы работы накладывают значительные ограничения на их применение и эффективность. Для более полноценного использования всех полезных свойств импульсных трансформаторов, их применяют в схемах двухтактного преобразования . Это позволяет не только увеличить КПД, но и в значительной степени мощность преобразователя.
Рассмотрим три базовые схемы силовых каскадов двухтактных импульсных преобразователей.
Схема силового каскада двухтактного импульсного преобразователя с выводом средней точки первичной обмотки
В схеме на рисунке 15 используется импульсный трансформатор T1 с двумя первичными обмотками I и II, которые соединены последовательно, т.е. конец одной обмотки соединён с началом второй. Такое соединение образует среднюю точку, к которой подключается один из полюсов источника питания, в данном случае положительный. Свободные выводы первичных обмоток подключаются к противоположному полюсу источника питания через силовые коммутирующие ключи VT1 и VT2.
Полный цикл работы данной схемы заключается в поочерёдном включении обмоток I и II в цепь источника питания. Например, при открывании ключа VT1 обмотка I возбуждает в сердечнике магнитный поток определённой напряженности магнитного поля. При закрывании VT1 магнитный поток сердечника ослабляется до остаточной величины. Это первый такт работы. Далее, открывается ключ VT2, при этом через обмотку II начинает течь ток, создающий магнитный поток противоположного направления по отношению к первому такту. При этом сердечник успевает полностью размагнититься, а затем снова насытиться магнитным потоком обратной полярности. При закрытии ключа VT2 магнитный поток так же снижается до величины остаточного. Это второй такт работы преобразователя.
Работа в двухтактном режиме позволяет полноценно использовать преимущество импульсных трансформаторов, имеющих сердечники с высоким значением магнитной проницаемости, и не требует введения немагнитного зазора в цепь магнитопровода.
Если кратко изложить суть реализации двухтактного трансформаторного преобразования, это – периодическое изменение направления тока в первичной обмотке.
Полумостовая схема силового каскада двухтактного импульсного преобразователя
В полумостовой схеме (рисунок 16) ток в первичной обмотке создаётся путём перезарядки конденсаторов C2 и C3.
Пока оба ключа закрыты, после подачи питающего напряжения, конденсаторы верхнего и нижнего плеча полумоста C2 и C3 заряжаются приблизительно равномерно, и на общем выводе формируется напряжение, примерно равное половине напряжения питания.
При открывании ключа VT1 начало (помечено «*») первичной обмотки I оказывается подключено к положительному полюсу источника питания. При этом конденсатор С2 начинает разряжаться, а C3 заряжаться. Потенциал общей точки конденсаторов будет стремиться подтянуться к положительному полюсу первичного источника питания.
При закрывании VT1 и открывании VT2, начало обмотки переключается с положительного на отрицательный полюс первичного источника питания. При этом будет наблюдаться симметричный процесс ранее рассмотренному – C3 будет разряжаться, а C2 заряжаться. Их общая точка первичной обмоткой будет стремиться подтянуться к минусу питания.
В результате описанных выше двух тактов работы преобразователя, в первичной обмотке будет создаваться переменное направление электрического тока, он будет возбуждать переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора, а поток индуцирует переменное напряжение на вторичной обмотке.
В моменты коммутации на выводах первичной обмотки могут возникать импульсы напряжения, способные вывести из строя ключи, поэтому в целях защиты оба ключа шунтируются защитными диодами VD1 и VD2.
Мостовая схема силового каскада двухтактного импульсного преобразователя
Мостовая схема (мост) представляет из себя четыре плеча, сформированных ключами VT1-VT4. Мост имеет две диагонали. Одна диагональ подключается к первичному источнику питания. Ко второй диагонали подключена первичная обмотка I импульсного трансформатора T1.
Для создания первичной обмоткой переменного магнитного потока в сердечнике трансформатора производится поочерёдная коммутация пар ключей VT1, VT4 и VT2, VT3.
Защитные диоды VD1, VD2, VD5 и VD6 при возникновении коммутационных импульсов на первичной обмотке коммутируют её таким образом, что не снятая нагрузкой энергия магнитного поля возвращается к первичному источнику питания.
Мертвое время (пауза)
При снятии управляющего сигнала транзистору требуется некоторое время, чтобы полностью закрыться. Если ключ (пара ключей в мостовой схеме) ещё не закрыт, или закрыт не до конца, а второй ключ (пара ключей) открывается, то источник первичного питания оказывается шунтированным созданной цепью открытых ключей. При этом транзисторы будут выделять значительное количество тепла, работать в режиме перегрузок, или могут даже выйти из строя. Чтобы этого не случилось, между тактами включения вводят специальную паузу – время необходимое для полного запирания ключей, отработавших в завершённом такте. Это время называют «мёртвой паузой», или «мёртвым временем».
Режимы регулирования и стабилизации
Для всех рассмотренных схем импульсных преобразователей характерен общий принцип организации процесса регулирования и стабилизации выходных параметров – импульсная модуляция . На рисунке 18 представлена структурная схема организации процесса преобразования с контролем выходного напряжения и тока.
Первичный источник питания ПИ снабжает энергией схему импульсной модуляции СИМ и выходной каскад ВК. Схема импульсной модуляции формирует управляющий сигнал, передаваемый по каналу управления КУ. Выходной каскад ВК в результате преобразования питающего напряжения первичного источника ПИ выдаёт на нагрузку Н напряжение, контролируемое схемой контроля напряжения СКН. Ток нагрузки контролируется схемой контроля тока СКТ. Схемы контроля по каналам обратной связи КОСТ и КОСН формируют информационные сигналы на входах схемы импульсной модуляции СИМ. На основании этих сигналов СИМ формирует необходимые характеристики управляющего сигнала, подаваемого по каналу управления КУ выходному каскаду ВК.
Данная структурная схема отражает наиболее сложный вариант преобразователя, способного контролировать и регулировать сразу несколько параметров, таких как ток, напряжение и мощность нагрузки. В отдельных случаях достаточно более простого исполнения. Например, там, где требуется только стабилизация напряжения, можно исключить схему контроля тока, скажем, для питания маломощного электронного устройства. Там, где требуется только контроль тока, можно исключить схему контроля напряжения, что обычно требуется при создании источников питания для светодиодных матриц. Полная же схема с контролем напряжения и тока может пригодиться для разработки зарядных устройств, когда требуется ограничить и ток, и максимально допустимое напряжение, или вообще создать более сложный алгоритм работы преобразования с помощью использования микроконтроллерных схем.
Заключение
В импульсной технике есть много нюансов, которые приходится учитывать при проектировании, но это уже более узкие темы, требующие рассмотрения в конкретных решениях. Приведённая информация является общей, ознакомительной. Невозможно в одной статье охватить всё разнообразие и экзотику схемотехники. Но какое бы устройство Вам не пришлось рассматривать, основополагающие принципы практически не меняются. Поэтому, усвоив азы Вы уверенно разберётесь в схемотехнике любой сложности.
С уважением, Михаил Сташков.
По свету ходит много мифов о высокочастотных силовых трансформаторах и дросселях. Постараемся их развенчать. К несчастью, с магнитными компонентами связана наименее членораздельная часть учебников и руководств, усложняющая в общем-то простые обыденные предметы и явления. Да, много неизвестных переменных, да, много тонкостей, которые надо знать, но как раз о них теория умалчивает, а популярная литература врет, предлагая эмпирические формулы для конкретных задач как решения на все случаи жизни. Например.
Миф первый . Чем больший процент площади окна сердечника заполнен медью - в идеале 100% - тем лучше. Неверно. Во многих конструкциях 100% заполнение, по сравнению со скажем 75% (то же число витков, разное сечение провода) приведет на ВЧ к бОльшим потерям. Нельзя слепо переносить методы расчета с 50 Гц на 500 кГц.
Миф второй . В оптимальном трансформаторе потери на сопротивлении обмотки и потери в сердечнике совпадают. Неверно. Часто одна цифра потерь отличается от другой на 1-2 порядка. Ну и что - это вовсе не главный критерий для конструктора. Этот подход также наследствие "пятидесяти Герц" - так обеспечивают температурное равновесие в массивных сетевых трансформаторах. А у нас вся обмотка - один или два слоя, и условия теплообмена намного упрощаются.
Миф третий . Индуктивность рассеивания должна составлять 1% от индуктивности намагничивания. Неверно. Она должна быть настолько низкой, насколько возможно - без существенного ухудшения других важных параметров. Сможете довести до 0.1% - прекрасно. А, бывает, и на 10% приходится остановиться.
Миф четвертый . Индуктивность рассеивания есть функция проницаемости сердечника. Неверно. Индуктивность рассеивания обмотки практически не зависит от того, есть ли в витке сердечник или нет. Точнее, вся разница укладывается в 10% (и это при мю в несколько тысяч!). Можете проверить.
Миф пятый . Оптимальная плотность тока в обмотках - 2А на кв.мм. Или 4А. Или 8А. А пес с ним. Плотность тока не имеет значения. Имеет значение тепловыделение в проводе, и способность, или неспособность, конструкции в целом обеспечить тепловой баланс на допустимой температуре. В зависимости от эффективности охлаждения (от излучения в вакуум до охлаждения в кипящей фазе) - допустимая плотность тока изменяется на два порядка. Ridley cтроит трансформаторы 20 лет, но мы так и не узнали "оптимальную плотность тока" - для нас важна только температура трансформатора.
Миф шестой . В оптимальном трансформаторе потери в первичке и во вторичке равны. Неверно. А если не равны, тогда что? Главное, чтоб ни одна не перегревалась.
Миф седьмой . Если диаметр провода меньше глубины скин-эффекта, то существенных потерь на ВЧ нет. Очень вредное утверждение. В многослойных обмотках даже при очень тонком проводе - потери будут.
Миф восьмой . Резонансная частота трансформаторной цепи в отсутствии нагрузки должна существенно превышать частоту преобразования. Неверно. Она не играет значения. В идеальном трансформаторе - индуктивность стремится к бесконечности, стало быть резонансная частота на обрыв стремится к нулю … и что? А то, что важен резонанс не на обрыв, а на КЗ вторичной цепи. Вот этот резонанс должен отстоять от несущей частоты на два порядка вверх, не менее.
Вариант подключения прибора
В данной конфигурации анализатор отображает импеданс трансформатора от 10Гц до 15 МГц, для состояний короткорго замыкания нагрузки и обрыва нагрузки. Для импульсных трансформаторов с короткими обмотками необходимо обеспечить КЗ по кратчайшему пути с минимальными потерями. Ведь замыкающее полукольцо даже диаметром несколько сантиметров уже имеет индуктивность, сравнимую с индуктивностью рассеяния первички. Индуктивность рассеивания зависит от частоты! В качестве балласта Rsense R=0.1..1 Ом. Омическое сопротивление обмоток измеряйте только низкоомным мостом или омметром с генератором тока. Проведя цикл измерений, можно определить:
Индуктивность намагничивания - Сопротивление обмотки - Индуктивность рассеивания - Частоту и добротность резонанса на КЗ и на обрыв - Емкость обмотки (до 3 пФ на виток).
Потактное ограничение тока, правильно реализованное, позволяет создать неубиваемый ПН. Для этого датчик тока должен быть быстрым (задержка несколько наносекунд), и быть нагружен непосредственно на управляющий вход ИС контроллера.
Контроллеры с отключением защиты на переднем фронте импульса также не панацея. Те 100 нс задержки (или около того), в течение которых защита слепа - также могут убить ПН. Поэтому бывает целесообразно принудительно ограничить скорость переключения транзистора (что также снижает уровень наводок и излучения как в датчик тока, так и в пространство).
Как протестировать токовую защиту?
Закоротите выход ПН - после выпрямителя и выходного фильтра. К сожалению, при КЗ в самом выпрямителе вашим транзисторам никакая токовая защита не поможет.
Подключите щуп к датчику тока. Постепенно повышайте питающее напряжение до момента, когда контроллер начинает генерировать несущую. На осциллографе вы должны наблюдать узкие пики - схема защиты должна быстро отключать открытые транзисторы. Амплитуда импульсов должна соответствовать порогу срабатывания защиты. Повышайте напряжение питания до максимума. Длительность импульсов должна сузится. Амплитуда может подрасти (за счет задержек распространения токовой ОС) но не существенно. А если растет пропорционально входному напряжению - стоп, ваша ОС слишком медленная.
Затем - это принципиально - цикл измерений следует повторить при минимальных и максимальных температурах воздуха
Вот это важно: параметры феррита, на котором намотан трансформатор тока, могут так уплыть с температурой, что мало не покажется.
Снаббер (snubber - успокоитель) - RC цепь, параллельная обмотке - для шунтирования ВЧ звона. Звон обязательно должен быть подавлен, иначе возможны отказы, излишние наводки и неустойчивость преобразователя. Как правило, RC шунт достаточен для успокоения непокорных обмоток, если частота звона превышает несущую примерно на два порядка или выше. А если нет - то надо искать обходные пути, ведь тогда в полосу пропускания шунта попадет и существенная доля несущей и ее ближайших гармоник.
Второе. Рассчитайте эквивалентный RLC контур под частоту и добротность колебаний. Со стороны первички, известна (должна быть известна!) индуктивность рассеивания. Со стороны вторички - известны емкости диодов.
Характеристическое сопротивление Z = 2 * Pi * f * L (для известной L), Z = 1 / (2 * Pi * f * C) для известной С
Третье. Для начала, попробуем только R-шунт, R=Z. Посчитаем тепловые потери на шунте. Если они неприлично высоки, дополняем звено емкостью С=1 / (Pi * f * R). Увеличение емкости бесполезно - потери растут, подавление звона не улучшается (емкость на ВЧ полностью проводит).
Четвертое. Пересчитаем мощность потерь на R: P = 2* C * V * Fнесушая - это потери только несущей без выделения тепла на звоне. Проверяем в реальной схеме. Первое приближение - как правило - сразу подходит для большинства случаев.
Расположение компонентов и разводка трасс рядом с ИС принципиально важны! Это повторяют в каждом даташите, но не мешает и снова повторить.
Прежде всего - частотозадающая емкость генератора. Разместите ее у самой ноги ИС. Не в пяти миллиметрах, а чем ближе - тем лучше. Иначе, возможны необъяснимые явление - например, схема, рассчитанная на 100 кГц, загенерит на мегаГерцах, из Яузы вылезет русалка и т.п. Причем на прототипе она может и не выплыть, а в серийной плате - проявится во всей красе.
Во-вторых - емкости в цепях питания - также распаять как можно ближе к ногам ИС.
Выход пилы генератора (там, где он доступен извне) не любит когда его нагружают (как и я). Поэтому при отборе сигнала с этого выхода будьте осторожны - даже 100 кОм нагрузка может изменить форму пилы. Правильнее всего генерить пилу параллельно, не подключаясь к первичной цепи генератора.
ИС 3842, 3843 позволяют устанавливать паузу между импульсами от 5% до 30% периода. 3844, 3845 - до 70%. Если необходимо удлинить паузу, можно обойти эти ограничения, изменив времязадающите R, C. Затем добавьие еще один резистор с вывода RTCT на плюс питания - это ускорит заряд и замедлит разряд, удлиняя доступное время паузы.
ИС UC3825 - минимальное время паузы (абсолютное, в миллисекундах) жестко задается емкостью Сt, смотри документацию. Но возможно поступать и так, как описано выше - подключая резистор к Сt. Вот только время это будет плавать всесте с питающим напряжением.
Выходные драйверы ИС не любят индуктивные нагрузки - например, изолирующие трансформаторы - что приводит к дребезгу сигнала на затворе. Причем если оно не проявляется в лаборатории, то в реальной жизни обязательно выплывет в самый неподходящий момент. Ведь параметры трансформатора плавают… Поэтому рекомендуется защищать затвор диодами, а параллельно первичке транчформатора - резистором.
Контроллеры первого поколения, особенно старых лет выпуска, бывают исключительно нестабильны как по опорным напряжениям (с этим можно жить), так и по временным параметрам, вплоть до неверной последовательности срабатывания триггеров и чрезмерного дрейфа несущей частоты (зависит от \стабильности опорных уровней). Если хотите - используйте ИС либо недавнего года выпуска, либо с суффиксами, указывающими на "улучшенные" варианты. Т.е. TL594 а не TL494 и т.д.
Например, недокументированная особенность брянских ИС КР1156ЕУ2 (аналог 3825) - при 12В питании, правильной разводке, при запрещающем уровне на входе ILIM выход 14 в низком уровне (норма) а на выход 11 пролезают короткие, примерно 100нс пики - "недорезанные" фронты несущей амплитудой до 9В. Где-то триггер не работает как надо. А ведь этих обрезков достаточно, чтоб открыть затвор и (а вдруг) убить схему.
Об измерении коэффициента усиления ПН с замкнутой петей ОС - лучше всего измерять ее так, как изложено в следующем разделе, используя анализатор спектра (генератора не достаточно).
Для прямоходных и обратноходных ПН при управлении по напряжению - частота среза должна быть не более четверти частоты нуля передаточной функции на правой половине комплексной плоскости. Если выполнение этого условия не позволяет надежно стабилизировать выход - значит, надо переделывать выходной фильтр.
Для всех ПН - частота среза не должна превышать1/8 несущей частоты.
Самое главное - частота среза ОС не самоцель. Важно выходное сопротивление в диапазоне частот, требуемых нагрузкой, подавление нестабильности входного напряжения, и подавление входных шумов.
Обязательно измерьте поведение петли ОС прежде чем запустить прибор в эксплуатацию.
Прибор, о котором говорится далее - вводит в разрыв цепи ОС (точки 1-2) источник напряжения (свип-генератор). Затем записываются спектры сигнала в двух любых точках схемы и выводится АЧХ отношения этих спектров. Отношение выходного спектра к входному и есть передаточная характеристика (по амплитуде). Можно повторить устройство качественно, используя генератор с трансформаторным выходом и стабилизацией напряжения на вторичной обмотке, и осциллограф.
Измерение параметров петли анализатором спектра АР102В - ПН с оптронной развязкой
Точки подключения щупов каналов А и В позволяют измерить различные передаточные функции
Измерение параметров петли - ПН без гальванической развязки
А-1 B-2: петлевое усиление
А-3 В-2: усиление силового узла и модулятора
А-1 В-3: усиление (ослабление) цепи частотной коррекции
Всегда заземляйте измеряемую схему. Если ее первичная цепь гальванически связана с сетью, включите измерительные приборы в сеть через изолирующий 1:1 трансформатор (но не ЛАТР). Если же заземлить невозможно - изолируйте входы анализатора. Лучше не просто емкостью (она может вылететь) но через специальный развязывающий усилитель.
На низших частотах используйте максимальный выходной сигнал генератора, а при переходе через частоту среза ОС его стоит снизить, при этом удостоверьтесь, что схема не вошла в перевозбуждение. Выше 30 кГц измерения мало надежны изза проблем с заземлением и наводками. В любом случае, сигнал генератора должен впрыскиваться в ту часть схемы, в которой мало переменных составляющих как от несущей частоты ПН, так и от сетевой частоты.
Пример АЧХ устройства
Очень неприятные явления. Многие компоненты импульсного ПН работают на пределе области безопасной работы, и когда летит один элемент, за ним гибнут и другие, уничтожая саму причину, по которой произошел отказ. И искать ее впотьмах - невесело. Вот краткий перечень основных причин, известных профессионалам (которые, тем не менее, молчат…).
А. Перегрузка ключа по току - или гибнет кристалл транзистора, или сгорает проволочка между кристаллом и ногой. Поэтому необходима оперативная защита по току, независимо от мощности. Отсутствие токовой защиты часто сокращает жизнь устройства.
Зная построение ПН автомобильных усилителей, как правило не имеющих потактной токовой защиты (ИС TL494), читатель вправе возмутиться! Собака, как мне кажется, вот где порылась. С одной стороны, ПН с токовой защитой предъявляет более высокие требования к точности и согласованию всех компонентов тракта, а выполнить их в автомобильном температурном диапазоне - приведет к удорожанию усилителя. А с другой - при 12В первичного питания и реальном (кратковременном) пределе МДП по току порядка 50…250А на плечо (1...4 хороших транзисторов) ток - с учетом всех сопротивлений цепи - просто не способен достичь разрушительных значений (другой вопрос - долговременная работа на КЗ, которая и приведет к фатальному перегреву). Сравните это с сетевым БП, где на первичке 300В, а предел по току (при тех же мощностях в нагрузку) - 5…25А.
Б. Перегрузка по напряжению затвор-сток. МДП-транзисторы из хороших домов - IR, Motorola (добавим в список SGS-Thomson и Infineon) убить не так-то просто. Они держат перегрузки по току и напряжению сток-исток, но перегрузки на затворе и их погубят. Драйвер затвора должен гарантированно удерживать напряжение в безопасной зоне, если надо - ставьте стабилитроны. Мы не рекомендуем использовать интегральные драйверы верхнего плеча в высоковольтные схемы. Лучше - трансформаторы, они и к помехам более устойчивы.
В. Чаще всего схема гибнет при включении. Ведь при включении выходная емкость разряжена - схема "видит" КЗ. Ваша токовая защита должна достаточно быстро сработать даже при предельно большом входном напряжении. "Мягкий запуск" контроллера не спасает от этой напасти!
Г. Встроенный "антипараллельный" диод МДП ключа - источник проблем. Он медленный. Пусть этот диод проводит ток, это не смертельно, но во время проводимости диода недопустимо быстрое изменение напряжения на обратное, если в момент изменения на затвор не подается отпирающее напряжение. Подобный отказ часто происходит в полномостовой схеме. По завершении проводящего состояния, индуктивность рассеивания порождает дребезг, и на первом его пике напряжение истока может превысить напряжение питания - диод откроется. Ну и ладно, сейчас этим транзисторам так и так открываться. Но вот если на втором - отрицательном - пике дребезга - и на противоположном плече диоды также откроются, не миновать пробоя. Решение - ставьте снабберы.
Д. Проверьте - правильно ли работает защита контроллера от недостаточного напряжения питания при включении. В ИС контроллеров она достаточно надежна. А в остальных компонентах (комараторы, драйверы и т.п.) - неизвестно. Требование простое - при включении питания контроллер в целом должен установиться в дежурное состояние, на затворах всех силовых ключей - строго запирающий уровень.
Е. Отказы высоковольтных емкостей при высоких температурах.
Ж. Отказ диодов Шотки изза избыточного обратного напряжения (при условии достаточного теплоотвода). Понижающий коэффициент 80% по напряжению - полезная подстраховка.
Поясняю. Особенность ДШ - экспоненциальный рост обратного тока с температурой. Во многих применениях мощность рассеяния на обратном токе сопоставима с потерями на прямом токе (до 20%)! Далее идет цепной разогрев и диод умирает. Поэтому силовые ДШ более критичны к теплоотводу чем обычные диоды.
З. Пользуйтесь правильным инструментом. Необходим скоростной запоминающий осциллограф, фиксирующий одиночные импульсы. Ведь МДП ключ может разрушиться за 10 наносекунд, и это надо уметь увидеть. Важно правильно подключить и землю осциллографа.
Если в схеме пара транзисторов, транс и выпрямитель, почему бы не взять и не промоделировать ее в лоб? Уж не сложнее чем промоделировать БИСину на миллион транзисторов. Хороший вопрос, нельзя и все - просто нет подходящего софта, а данные для расчета моделей трансформаторов все равно придется снимать вручную.
Из известного науке и практике лучше всего для наших целей подойдет аналоговый компьютер, который придется построить самому - Макетная Плата. И ничего с ним не сравнится. Во-первых, никакое моделирование не учтет множество критических для ПН параметров, особенно выходящих за границы реальных проводов и компонентов (теплообменные процессы, ЭМ излучение). Ведь многие из этих факторов определяются расположением компонентов и трасс на плате - их нельзя учесть, не построив ее. То же сопротивление и индуктивность провода от ключа до обмотки - критический компонент любого БП. А, во-вторых, модели внутри традиционного САПРа не предназначены для корректной отработки импульсов большой амплитуды, и нередко просто не сходятся к решению.
Роль моделирования в цикле проектирования. Стоит тогда вообще с моделированием связываться? Стоит, только всегда надо помнить (и знать, конечно) ограничения САПРовских моделей. Вот как рекомендуется ими пользоваться
Публикация: www.klausmobile.narod.ru, www.cxem.net
Смотрите другие статьи раздела .Сегодня мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать - простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)
Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного. Импульсные преобразователи подразделяются на группы:
- - понижающие, повышающие, инвертирующие;
- - стабилизированные, нестабилизированные;
- - гальванически изолированные, неизолированные;
- - с узким и широким диапазоном входных напряжений.
Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы - они проще в сборке и не капризны при настройке. Итак, приводим для ознакомления 14 схем на любой вкус:
Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка - 2х10 витков, вторичная обмотка - 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.
Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.
Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.
Преобразователь стабилизирующего типа на микросхеме MAX631 фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент - дроссель L1.
Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.
Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме MAX1674 фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД - 94%, ток нагрузки - до 200 мА.
Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 - накопители энергии.
8. Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1724EZK33 фирмы MAXIM
Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД - 90%.
Варенье в мультиварке рецепты филипс
Мясной суп с гречкой, стручковой фасолью и шпинатом Как варить фасолевый суп с гречкой
Как сделать молочный коктейль блендером, миксером в домашних условиях?