Alp22.ru

Промышленное строительство
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Надежный ИИП для усилителя

Надежный ИИП для усилителя

Надежный источник питания для усилителя должен не только выдавать необходимый ток при заданном напряжении, но и должен иметь защиту от короткого замыкания (КЗ), надежно срабатывающую при внештатной ситуации. Также, надежность импульсного источника питания для усилителя повышается, если он имеет функцию плавного запуска. Такая функция ограничивает стартовый ток, протекающий через сток-исток полевых транзисторов в момент заряда выходных электролитических конденсаторов. Без функции плавного запуска (софт старт) неожиданно может произойти пробой ключей в момент включения ИИП в сеть.

Схема надежного ИИП для усилителя построена на драйвере управления полевыми транзисторами IR2153. Я уже публиковал несколько схем на базе IR2153 с защитой и без. Сама обвязка микросхемы в них практически не отличается, а вот защита от КЗ и софт старт организован по-разному. Предложенный вариант защиты в этой статье, на мой взгляд, самый удачный и надежный.

Надежный ИИП для усилителя на IR2153

Собранный по представленной ниже схеме ИИП я испытывал на КЗ многократно, запускал с закороченным выходом, замыкал выход работающего устройства, защита срабатывала отлично, каждый раз.

Схема надежного ИИП для усилителя

Надежный ИИП на IR2153 схема

Схема защиты и софт старта разработана Сергеем Лебедевым и взята с ресурса Darkamp.

Пробегусь по основным узлам и элементам. Термистор R2 ограничивает ток заряда емкостей при первом включении. Его сопротивление составляет 5Ом, а после его нагрева сопротивление снижается до нуля. Предохранитель F1 оберегает устройство от пожара при внештатной ситуации, его номинал я снизил до 1.6А. Элементы C1, R1, C2 и синфазный дроссель Tr1 образуют помехоподавляющий фильтр.

Напряжение переменного тока поступает на диодный мост VDS1, выпрямляется им и накапливается в конденсаторе C5. Резистор R3 служит для плавного разряда емкости C5 при отключении ИИП от сети. Выпрямленное напряжение (уже примерно +310В) поступает на емкостной делитель C15, C17, который делит напряжение +310В пополам. Средняя точка делителя соединена с одним выводом первичной обмотки трансформатора. Второй вывод первичной обмотки соединен с истоком транзистора T1 и со стоком транзистора T2. Данные транзисторы, открываясь поочередно, будут подключать первичную обмотку к +155В и к -155В относительно средней точки делителя C15, C17. Таким образом, на первичной обмотке будут импульсы со значением примерно 155В (половина выпрямленного напряжения).

На вторичной обмотке также появляются прямоугольные импульсы. Напряжение вторичной обмотки выпрямляется диодами Шоттки SR5100 и накапливается в электролитических конденсаторах C18 и C19. Резисторы R19 и R20 служат для ограничения раскачки напряжения на холостом ходу и для разряда емкости при отключении ИИП от сети. Дроссели L1 и L2 ограничивают импульс тока заряда выходных емкостей при запуске ИИП.

Цепочка R18, C16 является снаббером, который снижает высокочастотные выбросы (звон) ключей.

С силовой частью разобрались.

Затворами силовых ключей T1 и T2 управляют прямоугольные импульсы, которые поступают на них с выходов драйвера IR2153 (выводы 5 и 7) через конденсаторы C10, C12 и ограничивающие ток резисторы R14 и R15.

Частоту генерации задают элементы R8 и C8. С указанными на схеме номиналами этих элементов, частота генерации лежит в районе 45кГц. К статье приложен калькулятор для расчета времязадающих элементов IR2153 в зависимости от частоты драйвера.

Питание драйвера IR2153 организовано через гасящий резистор R10, подключенный к напряжению переменного тока (

220В). На вывод питания драйвера (вывод 1) поступает стабилизированное стабилитроном ZD напряжение +12В, пульсации которого сглаживаются емкостями C6 и C7.

Элементы VD1 и C11 являются бутстрепными в схеме управления ключами.

Работа защиты и софт старта.

В истоках полевых транзисторов стоят датчики тока R16 и R17. Через них протекает ток, пропорциональный выходной нагрузке блока питания. При увеличении тока, протекающего по ним, возрастает падение напряжения на этих датчиках тока, которое через диоды VD2, VD3 поступает на базы VT5, VT6. При превышении определенного порога, VT5 и VT6 открываются и замыкают затворы силовых ключей на их истоки, транзисторы запираются. Точнее сказать, они продолжают работать, но на первичной обмотке трансформатора форма сигнала принимает вид иголок с очень узкой шириной импульсов. Таким образом, ограничивается ток КЗ или перегрузки. При софт старте происходит то же самое, по мере заряда выходных емкостей ширина иголок постепенно увеличивается и переходит в меандр.

Для большей надежности автор добавил триггер (защелку), построенный на транзисторах VT1 и VT3. Он уже полностью останавливает генерацию при КЗ.

Напряжение с датчика тока R17 поступает на базу транзистора VT4, который открываясь, будет подтягивать базу VT1 к общему проводу и VT1 начнет открываться. Начнет протекать ток через резисторы R6 и R7. Далее по мере увеличения падения напряжения на R7, транзистор VT3 откроется. После открытия VT3 уже будет неважно, какое падение напряжения на датчике тока R17, так как открытый VT3 будет открывать VT1 и наоборот. Вместе с VT3 открывается VT2, который в свою очередь шунтирует (замыкает на общий провод) частотозадающую емкость C8 и генерация останавливается. Для отключения сработанной защиты нужно на некоторое время отключить ИИП от сети. Конденсатор C9 снижает чувствительность защелки. Его емкость необходимо увеличить, если триггер срабатывает при запуске, когда выходные емкости имеют большие номиналы. Если емкость C9 значительно увеличить, то защелка может не срабатывать при КЗ, но защита каждого ключа на VT5 и VT6 будет работать.

Вот такую замечательную защиту предложил автор схемы, помимо триггера, каждый ключ имеет свою защиту, что делает действительно этот импульсный источник питания надежным.

Читайте так же:
Как проверить передаточное число редуктора

Компоненты

Транзисторы должны быть оригинальными. Не применяйте поддельные IRF740, иначе они будут выходить из строя при старте источника. Также не забываем изолировать их фланцы от радиатора с помощью диэлектрических втулок и прокладок.

Блок питания на IR2153 защита от КЗ софт старт

В качестве неполярных конденсаторов лучше применить пленочные, с шагом выводов 5мм, особенно это касается C8, C9. При нагреве керамических конденсаторов может изменяться частота генерации или чувствительность защиты.

Диоды VD1-VD3 супер быстрые, серии SF или HER. На выходе диоды Шоттки SR5100 или аналогичные (можно установить диоды серии SF, FR, UF) на ток 5А и напряжение не менее 80В.

ИИП с защитой от КЗ

Резисторы R16, R17 должны быть либо SMD с типоразмером 2512, либо с обратной стороны платы можно припаять 1-2Вт выводные сопротивления.

Резистор R10 значительно греется, его рассеиваемая мощность должна быть 2Вт.

IR2153 источник питания

Стабилитрон ZD напряжением 12В.

Конденсаторы C1 и C2 помехоподавляющие типа X2. Конденсаторы C3 и C4 обязательно Y типа. Термистор R2 на 5Ом.

Синфазный дроссель мотается на зеленом кольце и содержит по 20-25 витков на каждой половине кольца.

Синфазный дроссель своими руками

Выходные дроссели L1, L2 мотаются на ферритовых стержнях диаметром 5-6мм. Необходимо не менее 10 витков (больше — лучше) проводом с диаметром не менее 1мм. Я выполнил по 16 витков, индуктивность составила 7мкГн.

Дроссели для ИИП

Трансформатор

Сердечник (материал PC40) кольцевого типа с размерами 31?19?15 и проницаемостью 2300?. Подойдет и другое кольцо с примерными размерами и проницаемостью 2000?.

По авторской схеме трансформатор содержит 51виток в первичной обмотке. У меня 47 витков. Вторичные обмотки содержат 11+11 витков.

Трансформатор для IR2153

Первичную обмотку я мотал одной жилой провода ПЭТ-155 диаметром 0.63мм.

Вторичные обмотки мотаются двумя жилами диаметром 0.63мм.

Для данного ИИП мною было намотано несколько трансформаторов. По фотографиям можно увидеть, что я мотал вторичную обмотку двумя способами, либо двумя жилами каждую обмотку, либо мотал четырьмя жилами сразу две вторичные обмотки, а потом уже их фазировал.

Трансформатор для ИИП

Трансформатор для импульсного источника питания

В качестве межслойной изоляции применен рукав для запекания, нарезанный лентами.

Испытания

Самое первое включение я выполнял через последовательно соединенную лампу (

220В). Лампа, как положено, моргнула и потухла. Значит все отлично. После измерения выходного напряжения я убедился, что ИИП работает исправно.

Первое испытание ИИП было с нагрузочным резистором 22Ома, выходная мощность составляла 132Вт (на выходе ±27В, вторичная обмотка 10+10 витков). На ключах теплоотвод с площадью поверхности 200см 2 . За 20 минут работы, трансформатор нагрелся до 40 0 С, ключи чуть теплые. Сильно греются выходные диоды (120 0 С) и диодный мост.

Испытание импульсного источника

Так как этот ИИП будет трудиться в корпусе усилителя ОМ2 без принудительного охлаждения, то я принял решение наклеить на Шоттки пластинку из алюминия, а также подобную пластину установил на диодный мост с помощью болта и гайки М3, это должно снизить нагрев элементов.

ИИП в корпусе усилителя

Далее я испытывал ИИП уже в составе усилителя ОМ2. Трансформатор имел 11+11 витков во вторичной обмотке, напряжение на холостом ходу составляло ±36В. Нагрузкой служили два канала ОМ2, нагруженные резисторами по 8Ом. Выходная мощность усилителя составляла 45Вт+45Вт на непрерывный синусоидальный сигнал частотой 1000Гц. Учитывая КПД усилителя ОМ2 равный 55%, ИИП в нагрузке имел 165Вт, напряжение просело до ±31.5В. Корпус шасси был полностью закрыт. За 20 минут трансформатор нагрелся до 65 0 С, Шоттки — 105 0 С, ключи — 40 0 С. Это хорошие показатели, ведь при усилении музыкальной программы нагрев будет значительно меньше.

Испытание усилителя ОМ2

Защита с защелкой срабатывала при замыкании обоих плеч резистором 10Ом. При КЗ также защелка срабатывает отлично. Защелка может не сработать если при КЗ контакт замыкания некачественный, но в этом случае срабатывает защита в истоках ключей, напряжение на выходе падает до нуля и при размыкании выхода восстанавливается.

При софт старте, за счет емкости C9, защелка не успевает сработать, а защита на VT5-VT6 способствует формированию узких импульсов (иголок) на первичной обмотке, заряжая слабым током выходные емкости, по мере их заряда ширина импульсов восстанавливается.

Для снижения выбросов (звона) я заменил керамические конденсаторы пленочными, снизил количество витков первичной обмотки до 47 витков и убрал снаббер R18, C16 (без него почему-то звон стал меньше).

Блок питания для усилителя

Это уже с 47 витками в первичной обмотке. До перемотки было еще хуже.

Выбросы на ключах IRF740

После всего сделанного на холостом ходу, на нагрузке выбросы есть, но не такие, как были ранее.

Импульсный блок питания схема

В рамках нашей статьи рассмотрим наиболее интересные схемы импульсных блоков питания с использование различных схемотехнических решений. Но сначала разберем принцип работы импульсного блока питания. (ИБП)

Практически все существующие сегодня импульсные источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкционному исполнению и работают по одной, типичной схеме.

Устройство импульсного блока питания

В состав основных компонентов и блоков ИБП входят:

Пример печатной платы типового импульсного блока питания с кратким обозначением радиоэлектронных узлов показан на рисунке ниже:

Как работает импульсный блок питания?

ИБП выдает стабилизированное напряжение за счет применения принципов взаимодействия компонентов инверторной схемы. Переменное сетевое напряжение 220 вольт идет по проводам на выпрямительное устройство. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет применения конденсаторов, выдерживающих пики до 300 вольт, и отделяется помехоподавляющим фильтром.

Диодный мост выпрямляет проходящие через него переменное напряжение, которые затем преобразуются схемой реализованной на транзисторах. Далее высокочастотные импульсы прямоугольной формы следуют с заданной скважностью. Они могут преобразовываться:

Читайте так же:
Как резать волнистую керамическую плитку

В первом случае ВЧ импульсы следуют на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку. За счет высокой частоты получается отличная эффективностьприменения трансформатора, снижаются габариты магнитопровода, а следовательно и вес конечного устройства.

В подобных схемах ИБП работают три взаимосвязанных цепочки: ШИМ-контроллер; транзисторный каскад из силовых ключей; импульсный трансформатор

Каскад из силовых ключей обычно состоит из мощных полевых, биполярных или IGBT транзисторов. Для последних, как правило, создана отдельная система управления на других маломощных транзисторах либо ИМС (драйвера). Силовые ключи могут быть реализованы по различным схемам: полумостовой; мостовой; или со средней точкой.

Импульсный трансформатор его обмотки, размещены вокруг магнитопровода из альсифера или феррита. Они способны передавать ВЧ импульсы с частотой следования до сотен кГц. Их работу обычно дополняют цепочки из стабилизаторов, фильтров, диодов и других элементов.

В ИБП без гальванической развязки высокочастотный разделительный трансформатор не применяется, а сигнал следует сразу на фильтр нижних частот.

Все ИБП имеют в своем составе радио компоненты, реализующие отрицательную обратную связь (ООС) с выходными параметрами. Поэтому они обладают отличной стабилизацией выходного напряжения при плавающих нагрузках и колебаниях сети питания. Методы реализации ООС зависят от используемой схемы для работы ИБП. Она может реализоваться у ИБП, работающих с гальванической развязкой за следующий счет:

В обоих вариантах эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера. При применении схемы без гальванической развязки ООС обычно создается за счет подсоединения резистивного делителя.

Простой импульсный блок питания схема которого реализована на микросхеме HV-2405Е в своем внутреннем составе содержит предварительный импульсный стабилизатор напряжения и выходной линейный стабилизатор.

Величина тока, которую способен выдать импульсный блок питания, зависит от емкости C1. Конденсатор С2 адает временную задержку активации микросхемы для стабилизации переходных процессов. Емкость C3 используется для уменьшения пульсации выпрямленного выходного напряжения.

Термистор R1 защищает микросхему от пробоя током заряда конденсатора С1. В схеме был использован малогабаритный термистор марки MZ21-N151RM.

Для получения выходного напряжения в 18 В резистора R1 должен быть составлять 13 кОм, для 15 В — 10кОм,для 12 В — 6,8кОм, а для 9 В — 3,9 кОм.

Микросборка IR2153 это универсальный драйвер управления полевыми и IGBT транзисторами. Разрабатывалась она специально для использования в схемах электронного балласта энергосберегающих ламп, поэтому её функциональные возможности при конструирование блока питания немного ограничены. Микросхема позволяет создать на ее базе простой и надежный источник питания.

Делитель напряжения, собран на неполярном бумажном конденсаторе С1 и электролитических конденсаторах С2 и СЗ, которые создают неполярное плечо сумарной емкостью 100 микрофарад.

Два левых по отношению к схеме диода являются поляризующими к конденсаторной цепи. При указанных номиналах радиокомпонентов, ток короткого замыкания будет около 0,6А, а напряжение на выводах емкости С4 при отсутствие нагрузки приблизительно равно 27 В.

Первичная обмотка трансформатора Т2 преобразователя подсоединена в диагональ моста, образованного транзисторами VT1, VT2 и емкостями С9, С10. Базовые цепи транзисторов питаются от второй и третей обмоток трансформатора Т1, на первичную обмотку которого идет ступенчатое напряжение с формирователя, построенного на микросхемах DD1, DD2.

Задающий генератор формирователя выполнен на инверторах DD1.1, DD1.2 и генерирует колебания частотой 120 кГц. Импульсы с выходов триггеров DD2.1 с частотой 60 кГц и DD2.2 с частотой30 кГц идут на входы элементов DD1.3 я DD1.4, а уже на их выходах генерируются импульсные последовательности со скважностью 4.

Трансформатор Т1 предает это ступенчатое напряжени на базу транзисторов VT1, VT2 работающих в ключевом режиме и поочередно открывает их.

Два источника выходного напряжения выполнены на стабилизаторах напряжения серии К142. Так как, выпрямленное напряжение импульсное на входах фильтров установлены оксидные конденсаторы К52-1 небольшой емкости, хорошо работающие на данной частоте преобразования.

Схема импульсного блока питания собрана на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита. Со стороны радиокомпонентов фольга сохранена и является общим проводом.

Транзисторы устанавливаются на радиатор размерами 40 на 22 мм.

В схеме применены постоянные сопротивления С2-1 (R7) и МТ, подстроечный резистор СП3-196 (R9), емкости КТП-2а (С1, С2), К50-27 (С4, С5), К52-1 (С7, C11, C16, С20), K73-17 на номинальное напряжение 400 (С3) и 250 В (С9, С10), КМ-5 (С6, С14) и КМ-6 (остальные). Индуктивности L1, L2, L4 — ДМ-2,5 L3 — ДМ-0,4.

Первый трансформатор собран на кольцевом магнитопроводе К 10Х6Х5 из феррита 2000НМ. Его первичная обмотка состоит из 180 витков провода ПЭЛШО 0,1, 2 и 3 обмоткиимеют по 18 витков ПЭЛШО 0,27. Магнитопровод второго трансформатора К28Х16Х9 из феррита марки 2000НМ. Его первичная обмотка состоит из 105 витков провода ПЭЛШО 0,27, обмотки 2 и 4 из 14 и 8 витков монтажного провода МГТФ сечением 0,07 мм , 3-я обмотка из 2Х7 витков ПЭВ-2 диаметром 1 мм.

Основа конструкции полумостовой драйвер на микросхеме IR2151. Сигнал с генератора усиливается каскадом на мощных полевых транзисторах. Резистор 47к должен быть с мощностью от 2 ватт. Диод FR107 можно заменить на FR207 и т.п. Электролитические конденсаторы необходимы для сглаживании пульсаций и снижения уровня сетевых помех, их емкость от 22 до 470 мкф. Предохранитель на 3 ампера. Импульсный трансформатор позволяет получить двухполярное напряжение 12 или 2 вольт, поэтому на выходе можно получить 5, 10, 12 и 24 вольта.

Таким БП можно запитать мощные УНЧ или же приспособить его под 12 вольтовый усилитель из серии TDA. Если БП дополнить регулятором напряжения, то можно собрать полноценный импульсный лабораторный блок питания.

Читайте так же:
Как включается амперметр в схему

импульсный трансформатор от компьютерного БП БП в сборе

Выпрямитель лучше всего собрать на ультрабыстрых диодах на 4-10 ампер их можно позаимствовать из того же компьютерного блока питания. Этот блок питания можно применить еще в качестве зарядного устройства для автомобильного аккумулятора, так как выходной ток более 10 ампер.

Помните были такие популярные в свое время телефоны наподобие Русь 26. К каждому из них шел не плохой сетевой адаптер имеющий на выходе два стабилизированных напряжения +5В и +8 В при токе нагрузки до 0,5 А его можно использовать для питания множества радиолюбительских самоделок и сегодня.

Рассмотрим схему этого БП:

Блок питания из адаптера старого Аона

Напряжение сети 220 В через замкнутые контакты тумблера SA1 и защитное сопротивление R1 идет на первичную обмотку трансформатора Т1. Со вторичной обмотки оно пониженое до 11 В переменного тока, выпрямляется выпрямителем, на диодах Шотки VD1 — VD4. Использование таких диодов снижает потери мощности на выпрямителе примерно на 1 В повышает напряжение на конденсаторе фильтра С7.

Импульсный блок питания содержит два линейных стабилизатора DA1 и DA2. Первый выдает стабилизированное выходное напряжение +5 В, а второй +8 В.

Тумблером SB1 можно выбирать напряжение +5 В или + 8 В. При этом, если тумблер находится в положении «+5 В», загорается светодиод HL2, если в положении «+8 В», то HL3.

Для удобства, на выход канала «+5 В» можно добавить USB-розетку и использовать для наладки устройств с питанием от USB порта компьютера.

Подробная инструкция для изготовления самодельных импульсных блоков питания разной мощности на основе электронного балласта старой люминесцентной лампы. Электронный балласт это почти готовый импульсный Блок Питания, но в ней отсутствует разделительный трансформатор и выпрямитель.

Плюсы ИБП над стандартными аналоговыми

При сравнении конструкций БП с одинаковыми показателями выходных мощностей ИБП обладают следующими преимуществами:

Недостатки ИБП

Высокочастотные помехи, т.к они работают по принципу преобразования ВЧ импульсов, то они в любом исполнении генерируют помехи, транслируемые в пространство. Это создает дополнительное требование связанное с их подавлением различными методами.

В некоторых случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает применении ИБП для отдельных типов точной цифровой техники.

Ограничения по мощности ИБП имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и при пониженных нагрузках. Если в выходной цепи случится резкое падение тока за пределы критического значения, то схема запуска может сглючить или ИБП станет выдавать напряжение с искаженными свойствами.

Как работает импульсный блок питания

Многих радиолюбителей интересует, как работает и на каких механизмах базируется импульсный блок питания. Подробно рассмотрим на примере блока от двд плейера BBK DV811X. Данный блок был выбран потому, что все компоненты схемы здесь стоят свободно, понятно и не залиты клеем. Это очень поможет новичкам разобраться с принципом их работы. Для сравнения типичный блок питания от ноутбука. Сложно сразу понять, что здесь и где.
Для четкого разъяснения всех моментов построим принципиальную схему. Максимально просто расскажем о каждом элементе, зачем он тут стоит и какую функцию выполняет.

Купить импульсные источники питания в этом китайском магазине.

Рассмотрим общие принципы работы блоков питания.
Для начала линейный.

1

В нем сетевое напряжение подается на трансформатор, понижающий его после чего стоит выпрямитель, фильтр и стабилизатор. Трансформаторы в таких блоках обладают большими габаритами и чаще всего находят свое применение в лабораторных источниках питания и аудио усилителях.

Теперь импульсные блоки питания. 220 вольт выпрямляется, после чего постоянное напряжение преобразуется в импульсы с большей частотой, которые подаются на высокочастотный трансформатор. С выходных обмоток снимается напряжение и выпрямляется. Далее подается через цепь обратной связи в формирователь импульсов для поддержания стабильного напряжение на выходе путем регулирования длительности или скважности импульсов. Выпрямленное фильтруется для получения стабильного значения.
Объяснение схемы
Клеммы — питание от сети 220 вольт и сетевое кнопка, и видим предохранитель. При превышении тока, проходящего через предохранитель, его номинального порога, он сгорает, размыкая блок питания с сетью. Дальше мы видим сетевой фильтр.

2

3

Он состоит из двух конденсаторов и дросселя подавления электромагнитных помех.
Посмотрим на типовую схему этого фильтра. Таким фильтром оснащено большинство современных устройств. Он состоит из 2 X-конденсаторов и дросселя подавления электромагнитных помех. Это конденсаторы, которые были специально разработаны для применения сетевых фильтров. Они выдерживают всплески напряжения до нескольких киловольт и сделаны из негорючих материалов. Для противофазных помех, которые возникают между фазой и нейтралью, является кратчайшим путем следования, а значит они не дают помехам сети попасть в блок питания и, соответственно, шумам блока питания в сеть.
Что касается дросселей подавления электромагнитных помех, существует множество видов, но в целом, это катушки, намотанные на ферритовый сердечник. Помехи наводят ток разных знаков, компенсируя друг друга. Стоит добавить еще про синфазные помехи — между фазой и корпусом или между нейтралью и корпусом. Для компенсации таких помех часто применяют так называемые Y-конденсаторы. В случае перегорания они точно будут разомкнуты. Они также выдерживают всплески напряжения. Пару таких конденсаторов подключают между проводами сети и корпусом. А корпус в свою очередь подключается к заземлению.

Если в вашей розетке не будет заземления, то корпус устройства будет кусаться около 110 Вольт с очень маленьким током. В данном блоке питания предусмотрены посадочные места под эти конденсаторы.

Но производитель вывел сетевой провод без заземления. Поэтому нет никакого смысла в данных конденсаторах в данном случае. После сетевого фильтра стоит диодный мост, выполненный на 4 диодах 1n 4007. Выпрямленное напряжение подается на конденсатор. Он сглаживает его форму. Конденсатор в данном случае на 22 микрофарада, 400 вольт. Напряжение на конденсаторе должно быть около 290-300 вольт. Теперь нам надо преобразовать его в высокочастотную последовательность импульсов. Для начала посмотрим, что это за микросхема. Маркировка dh321. Рассмотрим, как В целом устроены подобные преобразователи.

Читайте так же:
Как правильно развести ножовку по дереву видео

Как работает импульсный источник питания

Сегодня я хотел бы рассказать об одном из сложных вопросов электроники — компенсации обратной связи применительно к импульсным источникам питания (ИИП).

Вопрос этот действительно сложен. О нем написаны толстенные талмуды (предмет называется ТАУ), требующие некислого знания  математики. Я попробую без привлечения сложной математики, объяснить что значат все эти полюсы и нули и как заставить ваш источник питания работать стабильно.

Эта статья – одна из самых сложных на этом сайте, и врядле хорошо пойдет с пивком.

Для чего нужна компенсация?

Сердцем любого источника питания является цепь обратной связи. Она должна поддерживать выходное напряжение на постоянном уровне. Для этого используется так называемый усилитель ошибки — он минимизирует рассогласование между опорным напряжением и выходным напряжением источника питания.

Естественно, на практике все оказывается не так ажурно. В любой системе есть задержки. Если задержка распространения сигнала оказывается сильно большой, то получается очень неприятная ситуация, к примеру:

Контроллер "видит", что на выходе источника слишком маленькое напряжение и начинает его повышать. Когда контроллер узнает, что напряжение достигло номинала, он отключается, однако напряжение продолжает нарастать — ведь в схеме есть задержка. Контроллер пытается скомпенсировать это нарастание и уменьшает напряжение. Однако, из-за задержки, напряжение опять падает ниже номинала.

Таким образом, наша отрицательная обратная связь превращается в положительную. На выходе нашего ИИП появляются колебания напряжения. Эти колебания бывают затухающие и незатухающие. Блоки питания в которых могут возникнуть незатухающие колебания называют нестабильными.

Наша задача получить затухающие колебания как можно меньшей амплитуды и продолжительности.

Обратная связь в импульсных блоках питания широкополносна — чем шире диапазон частот в котором работает наша обратная связь, тем меньше пульсаций на выходе.

Диаграмма Боде

Оказалось, что очень удобно представлять задержки и усиление в разных цепях с помощью так называемой диаграммы Боде. Она состоит из двх графиков — графика амплитудно-частотной характеристики (АЧХ ) и графика фазо-частотной характеристики (ФЧХ). На обоих частота откладывается в логарифмическом масштабе (1…10…100…1000). На амплитудном графике в логарифмическом масштабе (в дицибелах) откладывается коэфициент усиления. На фазовом графике откладывается задержка в градусах.

Теперь я буду говорить много умных слов. Чтобы вам было понятно, опишу некоторые из них —

Да, задержку в источниках питания измеряют в градусах. В градусах относительно той частоты на которой измеряется задержка.

image

Пример диаграммы боде для простых случаев:

Итак, тут мы видим фильтр высоких частот.

На верхнем графике показана передаточная характеристика этой цепочки (амплитудная характеристика). Красная линия – это настоящая  передаточная характеристика, а черная– ее линейная аппроксимация. Такие линейные аппроксимации очень удобно использовать на практике и дальше мы будем использовать только их. Наклон  этой красной линии — +20дБ/дек (при каждом увеличении частоты в 10 раз, коэффициент передачи цепочки увеличивается на 20дБ). Зеленой линией обозначена критическая частота. Для RC цепочки такая частота всегда равна image

На нижнем графике изображена ФЧХ этого фильтра. Так-же как и на верхнем, красная линия – настоящая, черная– аппроксимация. Для RC цепочки характерно, что излом фазовой характеристики начинается на декаду раньше критической частоты. На критической частоте достигает 45 градусов, а на декаду выше критической частоты, фазовая характеристика становится постоянной. Суммарное изменение фазы составляет +90 градусов.

Из-за характерного вида математического выражения передаточной функции в (!!внимание, маты!!) s-плоскости, такой излом назвали нулем передаточной функции. Это непонятное слово можно очень часто встретить в литературе посвященной обратной связи. Мы тоже будем его часто использовать.

Разберемся с противоположным примером:

image

Тут мы видим фильтр низких частот. Все точно так-же, как и для ФВЧ, только наклон амплитудной характеристики –20дБ/дек, а фаза изменяется на –90 градусов. Такой излом называют полюсом передаточной функции.

image

Для того, чтобы быть совсем уж справедливым, покажу еще LC фильтр, который очень часто стоит на выходе ИИП:

Тут все сложнее, но не намного. Во-первых, наклон амплитудной характеристики –40дБ/дек, во-вторых, фаза измениется уже на 180 градусов. Такая цепочка обладает двуполюсной передаточной характеристикой (да-да, она как два RC фильтра и скорость падения усиления в два раза больше – уловили закономерность?).

Еще такая цепочка обладает резонансным “горбом”. На практике (в источниках питания) он небольшой, поэтому на него смело забивают и аппроксимируют прямыми линиями.

Точно такие-же характеристики и у соответствующих активных фильтров.

Критерий устойчивости.

Теперь, когда мы знаем, что такое диаграмма боде, мы готовы узнать что нужно сделать, чтобы блок питания не подсвистывал.

Все очень просто. Во всей полосе частот, где суммарное усиление прямой и обратной связи больше 0дБ (1 раз), отставание по фазе не должно превышать 310 градусов. (180 градусов вносит инвертирующий вход усилителя ошибки).

В реальной жизни АЧХ и ФЧХ однозначно связанны так называемым (!!внимание, маты!!)  преобразованием Гильберта. Это дает нам возможность вывести очень простое правило (ради него по сути вы и читали весь предыдущий бред):

Читайте так же:
Как обжать сетевой кабель 8 провода
Скорость спада АЧХ разомкнутого контура обратной связи должны быть 20дБ/дек во всей полосе, где коэффициент передачи обратной связи больше 0дб.

В принципе, это правило не точно, системы со спадом в 40дБ/дек могут быть устойчивы. А вот системы со спадом в 60дб/дек более всегда неустойчивы. Но мы рисковать не будем, будем подчиняться правилу.

Нули точно противоположны полюсам. Тоесть если поставить нуль где-то около полюса то они компенсируются. Верно и обратное – полюс компенсирует нуль. Компенсирующие нули или полюса можно поставить немного раньше или немного позже компенсируемых. Главное, чтобы фаза не успела зайти в диапазон нестабильности.

Рассмотрим, к примеру, простую, но нестабильную схему

image

image

Диаграмма Боде от входа обратной связи (ножка 2) до напряжения на конденсаторе при разомкнутой петле обратной связи

На графике АЧХ, 80дБ – это усиление ОУ с открытой петлей. Сначала сказывается внутренний полюс ОУ (пусть, он будет на 10гц) и усиление спадает со скоростью 20дБ/дек. Если бы не полюса LC-фильтра то усиление продолжило бы спадать как показано желтой линией. Однако в игру входит фильтр настроенный на 50Гц и скорость спада усиления составляет уже 60дБ/дек. Усиление достигает 0 дБ в точке 650Гц

Теперь разберемся с ФЧХ. Инвертирующий вход операционника добавляет 180 градусов к фазе. И дальше фаза изменяется как и положено фазе однополюсной передаточной функции. Однако появляется LC фильтр и портит всю малину. Фаза теперь очень быстро доходит до –450 градусов (-180 от LC и –90 от операционника –180 от инвертирующего входа). Как вы наверняка знаете, 360 градусов для периодической функции это все-равно, что 0 градусов. Поэтому ФЧХ залазит за 360 и вылазит в нуле.

Красным отмечена зона нестабильности. В этой области отрицательная обратная связь становится положительной. На картинке есть небольшие зазорчики от –90 и –270 градусов до зоны нестабильности. Эти зазорчики называются зоной метастабильности. В этой зоне устройство будет работать, но работать будет криво, и поэтому туда лучше не соваться.

Как видно из графика, наше устройство станет прекрасным генератором где-то в диапазоне от 20 до 100 гц. Наше правило о том, что скорость спада АЧХ должна быть 20 дБ/дек не выполняется.

Эй, хватит трындеть. Давай, застабилизируй что-нибуть!

Для начала давайте стабилизируем предыдущую конструкцию. Не смотря на то, что она довольно простая, она требует довольно серьезного стабилизатора.

image

Возьмем L = 4.7uH, C = 1000u. ОУ – TL072, к примеру. В реальности такая схема работать не будет – ОУ не потянет такую большую нагрузку, но для примера — сойдет.

Передаточная характеристика такой схемы содержит три полюса — полюс ОУ на 15Гц и два полюса нашего LC фильтра на 2.32кГц

image

Диаграмма Боде этой схемы из симулятора:

image

Нам нужно добиться скорости спада АЧХ 20дБ/дек. Тоесть из трех полюсов которые сейчас есть в системе нужно оставить только один.

Компенсация (кроме совсем примитивных случаев) — процесс творческий. Существует множество компромиссов, на которые придется пойти. Я использую симулятор для того, чтобы “потыкаться” и выбрать лучшее решение.

Итак, компенсируем первый полюс. Для этого в обратную связь операционного усилителя вводим последовательную RC цепочку. Это аналог обычного RC ФВЧ, он дает нуль. R1 пытаемся сделать как можно большим, к примеру, мегаом. R2 пока ставим от балды. С2 выбираем так, чтобы он развернул фазу по максимуму до того, как LC фильтр ее дернет на 180 градусов. Тоесть ставим за декаду до частоты резонанса LC фильтра – на 232Гц.

image

Симулируем такую цепь, получаем такую АЧХ:

image

Примерно до 20кГц скорость падения АЧХ стала 40дБ/окт. Дальше у ОУ появляется еще один полюс и скорость падения вновь увеличивается. Это явление происходит вне полосы обратной связи и поэтому нас не интересует.

Осталось скомпенсировать еще полюса. Для этого вводим еще один фильтр. Теперь на вход:

image

На входе получилась цепочка чем-то напоминающая мост Вина. А на диаграмме Боде появился резонансный выброс.

image

Краешком этого выброса мы “подпираем” спадающую характеристику   до 10кГц. Видим, что фаза находится в пределах 180 градусов, что вообщем-то нас устраивает. Система будет слезка звенеть при изменении нагрузки, но зато уже не начнет осциллировать.

Все! петлю обратной связи можно замыкать!

Ну и что нам теперь с этим делать?

Настоящие импульсные источники питания имеют недостаток – проанализировать их не так просто как я сделал это с нашим примером. С другой стороны все импульсные блоки питания уже созданы и обмеряны. Нам останется только подстроить готовые диаграммы Боде конкретной топологии импульсного источника под конкретный случай. Сделать это достаточно просто, если понимать теорию изложенную в этой статье.

Если я пересилю лень, то напишу статью с рецептами приготовления обратных связей к конкретных топологиях ИИП.

Еще почитать

К сожалению, единственный человек, который пытался доступно описать эту тему – Dixon, за что ему огромное спасибо. Похоже он только обратной связью и занимался – других его статей я не видел. Его статьи:

Конечно-же существует море (хотя не такое уж и море) книг по ТАУ, но сразу хочу предупредить, что читать их нужно не с пивом, а как ландавшица — с водярой.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector