Projektowanie przetwornic samowzbudnych

[AZ12]

Witam

Powinien być jeszcze rezystor pomiędzy bazą, a emiterem. Służy on do rozładowania ładunku zgromadzonego w złączu tranzystora przy przerwaniu prądu. Co do przetwornicy obniżającej to kilkanaście lat temu zbudowałem taką z tranzystorem Darlingtona PNP jako kluczem i słynnym układem UC3842. Można było osiągnąć moc kilkudziesięciu watów przy zasilaniu napięciem stałym ok. 30V.

[Einherjer]

Podoba się, nie było odpowiedzi, bo jestem bardzo mocno zajęty ostatnio. Mamy w ten sposób pokazane wszystkie trzy podstawowe układy pracy przetwornic, tylko w wersji samowzbudnej. Właściwe to odpowiedziałeś na moje pierwotne pytanie, bo wiedząc, że przetwornica pracuje na granicy ciągłości prądu dławika i jak dobrać liczbę zwojów uzwojenia w obwodzie bazy, mogę już sobie policzyć wszystko inne, dobrać rdzeń itd. Na razie pierwszy układ przećwiczyłem w LTSpice, działa zgodnie z oczekiwaniami, dałem trzy niebieskie diody LED jako obciążenie. Jak tylko będę miał możliwość to też go zbuduję. Mam gdzieś rdzenie EF16 ze szczeliną i inne potrzebne szpeje. Chętnie też potem dowiem się więcej na temat uzwojenia zwrotnego i podobnych patentów.

[Tomek Janiszewski]

Powinien być jeszcze rezystor pomiędzy bazą, a emiterem. Służy on do rozładowania ładunku zgromadzonego w złączu tranzystora przy przerwaniu prądu.

Nic nie zrozumiałeś. Istotą proponowanych układów jest m.in. właśnie wyeliminowanie tego rezystora, kradnącego cenny prąd bazy podczas przewodzenia. Rozładowanie zachodzi tu w obwodzie baza - uzwojenie bazowe - dioda (i bocznikujący ją kondensator) - emiter. Skuteczniej zrobić się tego nie da, bez względu na to ile by nie miałrezystor między emiterem a bazą, potrzebny tu jak dziura w moście. Niezależnie od powyższego ładunek który trzeba odpompować z bazy jest nawet w takim najprostszym układzie minimalny: dzięki temu że tuż przed zatkaniem tranzystor wychodzi ze stanu nasycenia dzięki niedostatecznemu prądowi bazy.

Co do przetwornicy obniżającej to kilkanaście lat temu zbudowałem taką z tranzystorem Darlingtona PNP

I po wuj? Darlington w tym zastosowaniu to głównie zwiększone o całe napięcie złączowe napięcie nasycenia (np. 1V zamiast 0,2V) i co niemniej istotne - dodatkowe problemy z rozładowaniem ładunku w aż dwóch szeregowo połączonych złączach.

jako kluczem i słynnym układem UC3842.

Ale Autorowi nie o takie obcowzbudne przetwornice chodziło, nieprawdaż?

[Tomek Janiszewski]

Chętnie też potem dowiem się więcej na temat uzwojenia zwrotnego i podobnych patentów.

Masz to u mnie jak w banku, 3maj tak dalej! Pozostałe dwie konfiguracje też przećwiczyłeś?

[Einherjer]

Nie, pozostałych jeszcze nie. Przyszła za to książka ""Tranzystorowe przetwornice napięcia stałego" no ale ona też skupia się na przeciwsobnych przetwornicach i nie jest dla mnie bardzo odkrywcza. Jak się wie, że taka przetwornica pracuje "od nasycenia do nasycenia" to resztę już całkiem łatwo sobie dopowiedzieć.

[k4be]

Ten temat przypomniał mi układ, który wiele lat temu wymyśliłem do zasilania diod świecących z sieci energetycznej. Układ zasilał łańcuch 24 diod 3,2V/60mA, dając moc około 5W. Jest to typowa topologia przetwornicy obniżającej napięcie.

Do punktów J3 i J4, poprzez rezystor bezpiecznikowy i filtr przeciwzakłóceniowy, była dołączona sieć 230V, natomiast punkty J1 i J2 to wyjście dla LED. Dławikotransformator był nawinięty na jakimś rdzeniu typu RM ze szczeliną powietrzną. Układ bez filtra zakłóceń mieścił się do rurki o długości około 2,5cm i średnicy wewnętrznej około 1,8cm.
Po załączeniu zasilania rezystory R5-R6 ładują bramkę tranzystora T1, doprowadzając w końcu do jego otwarcia i przepływu prądu przez obciążenie włączone równolegle z C4, oraz przez L1B. Wskutek tego indukuje się prąd również w L1A i poprzez kondensator C2 dodatkowo wysterowuje bramkę T1. Dioda D3 zapobiega przebiciu bariery izolacyjnej w tym tranzystorze. Prąd w uzwojeniu L1B narasta, powodując również spadek napięcia na R1-R2. Gdy spadek ten osiągnie napięcie przewodzenia B-E tranzystora T2, tranzystor ten się otwiera i uniemożliwia dalsze wysterowanie T1. Skutkuje to spadkiem prądu drenu, powodując odwrócenie kierunku przepływu prądu przez C2 i "twarde" wyłączenie T1. Gdy tranzystor się wyłączy, prąd płynący przez L1B powoduje wystąpienie na tym uzwojeniu napięcia o kierunku przeciwnym niż poprzednio, prowadząc do spolaryzowania D2 w kierunku przewodzenia i przepływ prądu w obwodzie L1B-D2-(C4+LED). Prąd cewki będzie spadał, i kiedy spadnie do zera, "odbicie" napięcia wynikające z oscylacji rezonansu własnego dławika, plus przepływ prądu z R6-R5, powodują powtórzenie cyklu. Kondensator C1 zapobiega wysterowaniu T2 przez "szpilkę" prądową pojawiającą się podczas załączania T1.
Napięcie stałe występujące na kondensatorze C5 - prostowane diodą D1 - można wykorzystać do wysterowania bazy T2 w inny sposób, na przykład tranzystorem transoptora wysterowanego wtedy, gdy napięcie wyjściowe osiągnie pożądaną wartość - pozwoli to na stabilizację napięcia. W tym układzie nie wykorzystano tego, i jedynym parametrem decydującym o momencie wyłączenia jest prąd źródła.
Prąd przez obciążenie płynie zarówno wtedy, gdy T1 jest włączony (R1/R2-T1-L1B-LED), i kiedy jest wyłączony (T1B-D2-LED). Dzięki temu pojemność C4 może być bardzo niewielka - właściwie jedynym celem użycia tego kondensatora jest ochrona diod świecących przed impulsami prądowymi różnego pochodzenia.

[Tomek Janiszewski]

To jest w istocie generator samodławny zrealizowany na tranzystorze MOSFET i użyty w konfiguracji przetwornicy obniżającej. Stosownie do zastosowanego elementu kluczującego uległ znacznej rozbudowie układ sterowania elektrody wejściowej. Tranzystor bipolarny stanowi tu najprostszy możliwy komparator, choć jego parametry w tej roli pozostawiają wiele do życzenia. Do komparatorów zamierzałem dojść później, najpierw postaram się przedstawić przykłady uzwojenia zwrotnego. Kondensator C4 ma jeszcze jedną rolę do spełniania: pozwala zasilać LED-a prądem praktycznie stałym, bez niego przez tę diodę płynąłby prąd trójkątny, taki jak w dławiku przetwornicy pracującej w trybie krytycznym. Jest on elektrolityczny, więc chyba jego pojemność wynosi 100uF a nie 100nF?

[staszeks]

Może jeszcze jedna książka: (a nawet więcej)
https://www.studmed.ru/nayvelt-gs-istoc ... 360db.html
tłumacz google pomoże.

[Tomek Janiszewski]

Zanim przedstawię przykład przetwornicy z uzwojeniem zwrotnym - pokażę jeszcze jeden, istotny dla dalszych rozważań etap rozwojowy. Jest rzeczą oczywistą że na rdzeniu transformatora mogą znaleźć się dodatkowe uzwojenia, dzięki czemu jedna przetwornica może dostarczyć wielu różnych napięć, dodatnich i ujemnych, wyższych i niższych od napięcia zasilającego. W każdym jednak przypadku dioda prostownicza dodatkowej sekcji musi przewodzić wyłącznie podczas zatkania tranzystora. Tym samym stosowanie mostków Graetza czy powielaczy napięcia (bardzo częsty błąd na schematach tworzonych przez osoby nie znające się na rzeczy!) jest niedopuszczalne. Przykład takiej przetwornicy przedstawia poniższy rysunek:

Jest to oczywiście rozwinięcie przetwornicy odwracającej z pierwszego rysunku w poście https://www.forum-trioda.pl/viewtopic.p ... 76#p387076. Dodatkowe uzwojenie zawiera połowę zwojów uzwojenia głównego (kolektorowego) i zostało odwrócone względem niego, w konsekewncji została też odwrócona biegunowość diody prostowniczej i kondensatora filtrującego Wobec powyższego napięcie dostarczane przez dodatkową sekcję równe jest ujemne i równe co do modułu połowie napięcia dostarczanego przez sekcję główną, z niewielkimi odchyłkami wynikającymi z napięć przewodzenia diod. Jeśli np. sekcja główna zostanie obciążona zostanie tak aby napięcie wyniosło +10V (np. odpowiednią diodą Zenera) to napięcie na wyjściu sekcji pomocniczej wyniesie -5V, i mało zależeć będzie od rezystancji obciążenia, o ile tylko nie będzie ono zbyt mała.
A co się stanie jeśli w tym stanie rzeczy obciążeniem sekcji pomocniczej uczynić... baterię zasilającą, jak na rysunku poniżej?

Tym razem nadmiar energii (np w sytuacji gdy zmniejszy się prąd obciążający sekcję główną) zostanie zwrócony do zasilania! Także wtedy gdy obciążenie sekcji głównej zostanie całkowicie odłączone. Napięcie wyjściowe takiej przetwornicy zależeć będzie praktycznie tylko od napięcia zasilającego i stosunku liczby zwojów uzwojenia głównego i pomocniczego, które w tym przypadku staje się uzwojeniem zwrotnym. Stąd już tylko krok do dołożenia jeszcze jednego uzwojenia zawierającego kilkakrotnie więcej zwojów niż uzwojenie główne (może ono być wykonane jako jego przedłużka) - i mamy najprostszą przetwornicę przydatną do zasilania lamp NIXIE. Przydałoby się jeszcze dokonać pewnych modyfikacji, aby zarówno napięcie zasilające jak i wyjściowe było dodatnie. Ale to już nie powinno być trudne.

[Tomek Janiszewski]

Halo, halo! Szanowny Autorze, jak tam? Mam kontynuować, czy dać Ci jeszcze czas na przyswojenie sobie tego co napisałem dotąd? Temat wyzwalania (a raczej zatykania) tranzystora kluczującego poprzez komparator kontrolujący prąd czeka jako następny w kolejce!

[Einherjer]

Przetrawić przestawiłem, ale nie mam w ogóle czasu na hobby. Spokojnie, co ma wisieć nie utonie.

[Tomek Janiszewski]

O.K., będę pamiętał. Daj znać jak będziesz miał czas!

[atom1477]

To i ja przedstawię swoją.
Takie coś:

Na schemacie brakuje wejściowego kondensatora filtrującego.
R20 i C16 to sprzężenie zwrotne pozwalające na generację drgań.
D14 zabezpiecza złącze B-E tranzystora przed przewodzeniem do tyłu (blokowało by to pracę przetwornicy).
Uzwojenie pomocnicze przez diodę D5 generuje ujemne napięcie, które po przekroczeniu wartości wyznaczonej diodą D8 zaczyna zamykać tranzystor. Czyli stabilizuje napięcie. Tyle że nie wprost, bo za pomocą uzwojenia pomocniczego L2. Można to zrobić wprost z uzwojenia wyjściowego L3, ale wtedy napięcie wyjściowe musiało by być ujemne (albo zasilające być dodatnie, a tranzystor być typu PNP).
Mi zależało na izolacji galwanicznej wyjścia od wejścia, więc i tak nie miałem wyjścia (choć można by jeszcze do izolacji użyć transoptora PC817).
Przy użyciu uzwojenia pomocniczego, jakość stabilizacji zależy od sprzężenia uzwojenia L2 z uzwojeniem L3. Na rdzeniu toroidalnym to sprzężenie jest całkiem dobre. Może nie jest to najszczęśliwszy rdzeń do takiej przetwornicy (brak szczeliny), ale jednak działa.
Napięcie wyjściowe to około 9V. Nieobciążonej wzrastało jedynie do 10V. Obciążanej do 10mA spada powoli do 9V.
R22 i D10 to tylko dodatkowe elementy (musiałem zagwarantować że napięcie nigdy nie wzrośnie ponad 10V). Normalnie przetwornica może działać bez nich.
Przetwornica z wartościami jak na schemacie daje te 9V (nieobciążona 10V) przy zasilaniu 12 albo 24V. Czyli jest całkiem stabilna mimo niestabilnego zasilania.
Chyba robiłem jakieś charakterystyki tej przetwornicy. Jak znajdę to zamieszczę.
Uzwojenie L3 ma 2 razy więcej zwojów niż L2, więc napięcie wyjściowe jest mniej więcej 2 razy większe od napięcia diody D8. Mniej więcej, bo dochodzą spadki na D5, złączu BE tranzystora, oraz na D4. Dało by się wyliczyć jakie konkretnie zachodzą tu proporcje napięć, ale nie chciało mi się tego robić.
Można to dobrać eksperymentalnie. Zwiększając ilość zwojów cewki L3 można uzyskiwać o wiele wyższe napięcia. Nie próbowałem, ale na pewno się da.

[AZ12]

Witam

Tego typu przetwornice były stosowane jako zasilacze stand-by w zasilaczach komputerowych ATX z początku 21 wieku. Przy większych mocach na wyjściu zamiast diody Zenera D7 lepiej dać prosty stabilizator, może być na tranzystorach.

[Tomek Janiszewski]

R20 i C16 to sprzężenie zwrotne pozwalające na generację drgań.

A jaką postać mają te drgania? C16 ma pojemność zaledwie 1nF, toteż obstawiam ze to on właśnie, a nie indukcyjność transformatora decyduje o częstotliwości kluczowania. W efekcie prąd kolektora zmienia się w wąskich granicach zamiast od zera do maksa, i częstotliwość staje się niepootrzebnie duża, co nie tylko zwiększa straty mocy ale i naraża tranzystor na drugie przebicie w czasie załączania, gdyż załącza się od razu duży prąd, zamiast narastający od zera. Oglądałeś ten przebieg?

D14 zabezpiecza złącze B-E tranzystora przed przewodzeniem do tyłu (blokowało by to pracę przetwornicy).

To należało osiągnąć poprzez odpowiedni dobór przekładni z kolektora na bazę (patrz wyżej). W istocie zaś rola D14 polega głównie na rozładowywaniu kondensatora C16, naładowanego prądem bazy w czasie przewodzenia tranzystora. Bez niej czas przewodzenia byłby bardzo krótki, a moc przetwornicy - znikoma. Lepiej jednak kiedy nic nie musi się przeładowywać, generując niepotrzebne straty.

Uzwojenie pomocnicze przez diodę D5 generuje ujemne napięcie, które po przekroczeniu wartości wyznaczonej diodą D8 zaczyna zamykać tranzystor.

Niekiedy sam stosowałem podobną metodę regulacji, jednak zawsze ze wzmacniaczem błędu, oddziałującym na źródło prądowe zastępujące rezystor R4. Wówczas precyzja regulacji była nieporównanie lepsza.

Przy użyciu uzwojenia pomocniczego, jakość stabilizacji zależy od sprzężenia uzwojenia L2 z uzwojeniem L3.

Wobec powyższego warto by sprawdzić przebiegi napięciowe na gorących końcówkach wszystkich uzwojeń, czy nie ma drgań gasnących lub innych impulsów przepięciowych.

Na rdzeniu toroidalnym to sprzężenie jest całkiem dobre. Może nie jest to najszczęśliwszy rdzeń do takiej przetwornicy (brak szczeliny), ale jednak działa.

Istnieją tzw. rdzenie proszkowe, przystosowane do pracy ze składową stałą pola magnetycznego (występującą we wszelkich przetwornicach zaporowych). Oddalone od siebie ziarna proszku ferromagnetycznego dają w efekcie rdzeń z niemagnetyczną szczeliną rozłożoną w całej jego objętości.

Napięcie wyjściowe to około 9V. Nieobciążonej wzrastało jedynie do 10V. Obciążanej do 10mA spada powoli do 9V.
R22 i D10 to tylko dodatkowe elementy (musiałem zagwarantować że napięcie nigdy nie wzrośnie ponad 10V). Normalnie przetwornica może działać bez nich.

Co niestety świadczy o nienajlepszej jakości stabilizacji.
Tymczasem Autor jakby zapomniał o założonym przez siebie temacie, stąd brak dalszego ciągu. Temu co przedstawiłem dotąd daleko jeszcze do stanu docelowego. Napomknę na razie że zauważalne usprawnienie pracy przetwornicy przynosi bezpośrednia kontrola prądu tranzystora kluczującego. W tym celu w emiter albo też między zimnym końcem uzwojenia kolektorowego a masą (na schemacie z 8 listopada 2021) należy włączyć bezindukcyjny rezystor o wartości ułamka oma (w zależności od maksymalnego prądu). Przekroczenie założonego spadku napięcia na tym rezystorze wyzwala za pośrednictwem komparatora (oczywiście komparator ten musi poprawnie działać przy napięciach wejściowych zbliżonych do zera lub napięcia zasilania, w przypadku takim jak na schemacie mogłyby to by odpowiednio wzmacniacz operacyjny LM301 bez korekcji częstotliwościowej lub LM311; popularny LM339 lub LM393 byłby zdecydowanie za wolny) multiwibrator monostabilny (może być wykonany na tym samym komparatorze, uzupełnionym o odpowiednie sprzężenie zwrotne) który oddziałuje na sterowane źródło prądowe zastępujące rezystor oznaczony na schemacie gwiazdką odcinając prąd na kilka mikrosekund. Pozbawiony prądu bazy tranzystor kluczujący pozostaje jeszcze przez krótką chwilę w stanie nasycenia (za sprawą ładunku zgromadzonego w bazie) po czym zaczyna z niego powoli wychodzić. Jednak pojawiający się wówczas wzrost napięcia między kolektorem a emiterem przenosi się przez sprzężenie indukcyjne na bazę, wytwarzając impuls zatykający tranzystor. Ten ostatni proces odbywa się błyskawicznie, bowiem baza jest w tym momencie całkowicie opróżniona z ładunku. Dzięki temu impuls prądu zatykającego jest dużo słabszy, niż wtedy gdy wymusza się zatkanie nasyconego tranzystora. Przetwornice w których zastosowano taki dwuetapowy sposób kluczowania cechują się nie tylko wysoką sprawnością i niezawodnością pracy, ale i bardzo niskim poziomem wytwarzanych zakłóceń. Ujemne napięcie zatykające tranzystor utrzymuje się tak długo póki energia zgromadzona w rdzeniu podczas przewodzenia tranzystora nie wyczerpie się całkowicie, nawet jeśli w tym czasie ponownie załączy się źródło prądowe zasilające bazę. Dopiero gdy prądy w uzwojeniach spadną do zera - nastąpi ponowne załączenie tranzystora, wspomagane przez indukcyjne dodatnie sprzężenie zwrotne, i rozpocznie się kolejny cykl.
Czy wszystko co napisałem wyżej było zrozumiałe? Autorze, to pytanie zwłaszcza do Ciebie!