Імпульсні перетворювачі напруги. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Перетворювачі напруги, випрямлячі, інвертори

 Коментарі до статті

Міфи, казки, легенди та тости про імпульсні трансформатори

По світу ходить багато міфів про високочастотних силових трансформаторів і дроселів. Намагатимемося їх розвінчати. На жаль, з магнітними компонентами пов'язана менш членороздільна частина підручників і посібників, що ускладнює загалом прості звичайні предмети і явища. Так, багато невідомих змінних, так, багато тонкощів, які треба знати, але якраз про них теорія замовчує, а популярна література бреше, пропонуючи емпіричні формули для конкретних завдань як рішення на всі випадки життя. Наприклад.

міф перший. Чим більший відсоток площі вікна сердечника заповнений міддю – в ідеалі 100% – тим краще. Неправильно. У багатьох конструкціях 100% заповнення, порівняно зі скажімо 75% (те ж число витків, різний переріз дроту) призведе на ВЧ до більших втрат. Не можна сліпо переносити методи розрахунку із 50 Гц на 500 кГц.

міф другий. В оптимальному трансформаторі втрати на опорі обмотки та втрати в осерді збігаються. Неправильно. Часто одна цифра втрат відрізняється від іншої на 1-2 порядки. Ну і що – це зовсім не головний критерій для конструктора. Цей підхід також є спадщиною "п'ятдесяти Герц" - так забезпечують температурну рівновагу в масивних мережевих трансформаторах. А у нас вся обмотка – один або два шари, і умови теплообміну набагато спрощуються.

міф третій. Індуктивність розсіювання має становити 1% від індуктивності намагнічування. Неправильно. Вона має бути настільки низькою, наскільки можливо – без суттєвого погіршення інших важливих параметрів. Чи зможете довести до 0.1% - чудово. А буває, і на 10% доводиться зупинитися.

міф четвертий. Індуктивність розсіювання є функцією проникності осердя. Неправильно. Індуктивність розсіювання обмотки практично не залежить від того, чи є у витку сердечник чи ні. Точніше, вся різниця вкладається в 10% (і це за мю в кілька тисяч!). Можете перевірити.

міф п'ятий. Оптимальна щільність струму в обмотках – 2А на кв.мм. Або 4А. Або 8А. А пес із ним. Щільність струму не має значення. Має значення тепловиділення у дроті, та здатність, або нездатність, конструкції в цілому забезпечити тепловий баланс на допустимій температурі. Залежно від ефективності охолодження (від випромінювання у вакуум до охолодження в киплячій фазі) - допустима щільність струму змінюється на два порядки. Ridley будує трансформатори 20 років, але ми так і не дізналися "оптимальну густину струму" - для нас важлива лише температура трансформатора.

міф шостий. В оптимальному трансформаторі втрати у первинці та у вторинному рівні рівні. Неправильно. А якщо не рівні, тоді що? Головне, щоб жодна не перегрівалася.

міф сьомий. Якщо діаметр дроту менший за глибину скін-ефекту, то суттєвих втрат на ВЧ немає. Дуже шкідливе твердження. У багатошарових обмотках навіть за дуже тонкого дроту - втрати будуть.

міф восьмий. Резонансна частота трансформаторного ланцюга у відсутності навантаження має суттєво перевищувати частоту перетворення. Неправильно. Вона не відіграє значення. В ідеальному трансформаторі - індуктивність прагне нескінченності, отже резонансна частота на урвище прагне нуля... і що? А те, що важливий резонанс не на урвище, а на КЗ вторинного ланцюга. Ось цей резонанс повинен відстояти від частоти, що несе, на два порядки вгору, не менше.

Вимірювання імпедансу трансформатора

Варіант підключення приладу

У цій конфігурації аналізатор відображає імпеданс трансформатора від 10Гц до 15 МГц, для станів короткого замикання навантаження і обриву навантаження. Для імпульсних трансформаторів з короткими обмотками необхідно забезпечити КЗ найкоротшим шляхом з мінімальними втратами. Адже замикаюче півкільце навіть діаметром кілька сантиметрів вже має індуктивність, порівнянну з індуктивністю розсіювання первички. Індуктивність розсіювання залежить від частоти! Як баласт Rsense R=0.1..1 Ом. Омічний опір обмоток вимірюйте лише низькоомним мостом або омметром із генератором струму. Провівши цикл вимірів, можна визначити:

Індуктивність намагнічування - Опір обмотки - Індуктивність розсіювання - Частоту та добротність резонансу на КЗ та на обрив - Ємність обмотки (до 3 пФ на виток).

Про струмове управління

Потактне обмеження струму, правильно реалізоване, дозволяє створити невбивний ПН. Для цього датчик струму повинен бути швидким (затримка кілька наносекунд) і бути навантажений безпосередньо на керуючий вхід ІС контролера.

Помилкове спрацювання захисту від паразитних сплесків пригнічується RC ФНЧ. Ось тут треба визначитися з компромісом швидкість-перешкодостійкість, щоб зайва фільтрація не проморгала реальне перевищення струму.

Контролери з відключенням захисту передньому фронті імпульсу також панацея. Ті 100 нс затримки (або близько того), протягом яких захист сліпа - також можуть вбити ПОНЕДІЛОК. Тому буває доцільно примусово обмежити швидкість перемикання транзистора (що також знижує рівень наведень і випромінювання як датчик струму, так і в простір).

Як протестувати струмовий захист?

Закоротіть вихід ПН - після випрямляча та вихідного фільтра. На жаль, при КЗ у самому випрямлячі вашим транзисторам ніякий струмовий захист не допоможе.

Підключіть щуп до датчика струму. Поступово підвищуйте напругу живлення до моменту, коли контролер починає генерувати несучу. На осцилографі ви повинні спостерігати вузькі піки – схема захисту повинна швидко відключати відкриті транзистори. Амплітуда імпульсів має відповідати поріг спрацьовування захисту. Підвищуйте напругу живлення до максимуму. Тривалість імпульсів має звузитися. Амплітуда може підрости (за рахунок затримок поширення струмової ОС) але не суттєво. А якщо росте пропорційно до вхідної напруги - стоп, ваша ОС занадто повільна.

Потім - це принципово - цикл вимірювань слід повторити за мінімальних і максимальних температур повітря

Це важливо: параметри фериту, на якому намотаний трансформатор струму, можуть так спливти з температурою, що мало не здасться.

Про снаббери

Снаббер (snubber - заспокоювач) - RC ланцюг, паралельна обмотці - для шунтування ВЧ дзвону. Дзвін обов'язково має бути пригнічений, інакше можливі відмови, зайві наведення та нестійкість перетворювача. Як правило, RC шунт достатній для заспокоєння непокірних обмоток, якщо частота дзвону перевищує несе приблизно на два порядки або вище. А якщо ні – то треба шукати обхідні шляхи, адже тоді в смугу пропускання шунту потрапить і суттєва частка несучої та її найближчих гармонік.

Перше. Визначити частоту паразитних коливань. Для початку запустити схему на малому струмі навантаження. Пробник осцилографа – щоб не вносити зміни до контуру – повинен мати мінімальну власну ємність. Якщо ні, спробуйте піднести щуп до дзвінкого контуру без електричного контакту. Врахуйте - частота дзвону плаває разом із напругою первинного ланцюга.

Друге. Розрахуйте еквівалентний RLC контур під частоту та добротність коливань. З боку первинки відома (повинна бути відома!) індуктивність розсіювання. З боку вторинки – відомі ємності діодів.

Характеристичний опір Z = 2 * Pi * f * L (для відомої L), Z = 1 / (2 * Pi * f * C) для відомої С

Третє. Для початку спробуємо тільки R-шунт, R=Z. Порахуємо теплові втрати на шунті. Якщо вони непристойно високі, доповнюємо ланку ємністю С=1/(Pi*f*R). Збільшення ємності марно - втрати зростають, придушення дзвону не покращується (ємність на ВЧ повністю проводить).

Четверте. Перерахуємо потужність втрат на R : P = 2 * C * V * F Несуша - це втрати, що тільки несе без виділення тепла на дзвоні. Перевіряємо у реальній схемі. Перше наближення - зазвичай - відразу підходить більшості випадків.

Для мікросхем контролерів

Розташування компонентів та розведення трас поруч із ІС принципово важливі! Це повторюють у кожному датасіті, але не заважає і знову повторити.

Насамперед - частотозадаюча ємність генератора. Розмістіть її біля самої ноги ІВ. Не за п'ять міліметрів, а чим ближче - тим краще. Інакше, можливі незрозумілі явища - наприклад, схема, розрахована на 100 кГц, загенерує на мегагерцях, з Яузи вилізе русалка і т.п. Причому на прототипі вона може й не виплисти, а в серійній платі проявиться у всій красі.

По-друге - ємності в ланцюгах живлення - також розпаяти якомога ближче до ніг ІВ.

Вихід пили генератора (там, де він доступний ззовні) не любить, коли його навантажують (як і я). Тому при відборі сигналу з цього виходу будьте обережні - навіть 100 кім навантаження може змінити форму пили. Найправильніше генерувати пилку паралельно, не підключаючись до первинного ланцюга генератора.

ІС 3842, 3843 дозволяють встановлювати паузу між імпульсами від 5 до 30% періоду. 3844, 3845 – до 70%. Якщо необхідно подовжити паузу, можна обійти ці обмеження, змінивши час задайте R, C. Потім додайте ще один резистор з виведення RTCT на плюс живлення - це прискорить заряд і сповільнить розряд, подовжуючи доступний час паузи.

ІС UC3825 - мінімальний час паузи (абсолютний, в мілісекундах) жорстко задається ємністю Сt, дивись документацію. Але можна діяти і так, як описано вище - включаючи резистор до Сt. Ось тільки час це буде плавати все з напругою живлення.

Вихідні драйвери ІС не люблять індуктивні навантаження - наприклад, ізолюючі трансформатори - що призводить до брязкоту сигналу на затворі. Причому якщо воно не проявляється в лабораторії, то в реальному житті обов'язково випливе в невідповідний момент. Адже параметри трансформатора плавають… Тому рекомендується захищати затвор діодами, а паралельно первинці транчформатора – резистором.

Контролери першого покоління, особливо старих років випуску, бувають виключно нестабільні як за опорними напругами (з цим можна жити), так і за тимчасовими параметрами, аж до невірної послідовності спрацьовування тригерів і надмірного дрейфу частоти, що несе (залежить від стабільності опорних рівнів). Якщо хочете - використовуйте ІС або нещодавнього випуску, або з суфіксами, що вказують на "покращені" варіанти. Тобто. TL594, а не TL494 і т.д.

Наприклад, недокументована особливість брянських ІС КР1156ЕУ2 (аналог 3825) - при 12В харчуванні, правильної розводки, при заборонному рівні на вході ILIM вихід 14 в низькому рівні (норма) а на вихід 11 пролазять короткі, приблизно 100нс піки - "не до 9в. Десь тригер не працює як слід. Адже цих обрізків достатньо, щоб відкрити затвор і (а раптом) вбити схему.

Про частоту зрізу петлі ОС

Про вимірювання коефіцієнта посилення ПН із замкнутою петею ОС - найкраще вимірювати її так, як викладено в наступному розділі, використовуючи аналізатор спектра (генератора мало).

Для прямохідних і зворотнохідних ПН при управлінні по напрузі - частота зрізу повинна бути не більше чверті нульової частоти передавальної функції на правій половині комплексної площини. Якщо виконання цієї умови не дозволяє надійно стабілізувати вихід – отже, треба переробляти вихідний фільтр.

Для всіх ПН – частота зрізу не повинна перевищувати 1/8 несучої частоти.

Підвищення частоти зрізу обмежено неминучими шумами, дзвонами та іншими паразитними явищами в ПН рівнем близько 15 кГц. Якщо з якоїсь причини вам треба її зрозуміти, неминуче ускладнення схеми – введення зовнішнього, швидкісного підсилювача помилки у петлі ОС.

Найголовніше – частота зрізу ОС не самоціль. Важливо вихідний опір в діапазоні частот, необхідних навантаженням, придушення нестабільності вхідної напруги та придушення вхідних шумів.

Вимірювання петлі ОС

Обов'язково виміряйте поведінку петлі ОС, перш ніж запустити прилад в експлуатацію.

Прилад, про який йдеться далі - вводить у розрив ланцюга ОС (точки 1-2) джерело напруги (свіп-генератор). Потім записуються спектри сигналу у двох будь-яких точках схеми та виводиться АЧХ відношення цих спектрів. Відношення вихідного спектра до вхідного є передатна характеристика (по амплітуді). Можна повторити пристрій якісно, ​​використовуючи генератор з трансформаторним виходом та стабілізацією напруги на вторинній обмотці та осцилограф.

Вимірювання параметрів петлі аналізатором спектру АР102В - ПН з оптронною розв'язкою

Точки підключення щупів каналів А і дозволяють виміряти різні передавальні функції