Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Bezstratny stabilizator Kulawińskiego

22 May 2010 22:02 4592 7
  • Level 28  
    Jakiś czas temu stanąłem przed typowym problemem stabilizacji o regulowanym napięciu wyjściowym. Prześledziłem istniejące rozwiązania i projekty Kolegów na tym forum.
    Problem podstawowy w zasilaczach o regulowanym napięciu wyjściowym to wytracanie mocy na tranzystorze regulacyjnym w zakresie małych napięć wyjściowych i duzych prądach obciążenia. Mam na myśli typową stabilizację liniową. Wiem, że dla redukcji tych mocy stosuje się np. transformatory wieloodczepowe z przełączaniem za pomocą przekażników. Trochę niewygodne.

    Czy można prościej ?

    Bezstratny stabilizator Kulawińskiego

    W klasycznym ukladzie: transformator - mostek prostowniczy - kondensator filtrujący napięcie na kondensatorze (za którym jest dopiero blok właściwego stabilizatora) jest równe maksymalnemu szczytowemu napieciu mostka.
    Zadałem sobie pytanie: czy zawsze musimy ładować kondensator do maksymalnego napięcia mostka ? Przecież możemy wykorzystać właściwości przebiegu, jakim jest napięcie na mostku - wyprostowana sinusoida o niwielkiej z punktu widzenia współczesnych układów przełączających częstotliwości.
    Doszedłem do wniosku, że wystarczy pomiędzy mostek a kondensator wstawić klucz, który przerywa ładowanie kondensatora w momencie, w którym napięcie na kondensatorze osiągnęło pożądaną wartość.
    Klucz jest załączany w okolicach zera napięcia na mostku, a wyłączany w momencie, w którym napięcie mostka (i kondensatora) osiagnęło zadaną wartość. Gdyby klucz był elementem idealnym, to w układzie nie byłoby wogóle strat mocy.

    Teoretyczne założone przebiegi napięcia na kondensatorze ilustruje wykres na dole rysunku: napięcie na kondensatorze podąża po odcinku sinusoidy za napięciem mostka (klucz zamknięty); w punkcie oznaczonym wykrzyknikiem klucz zostaje otwarty; napięcie na mostku przechodzi przez swoje maksimum (a na kondensatorze już spada ze względu na obciążenie). Cykl powtarza jak w klasycznym mostku z tym, że przerywamy ładowanie kondensatora w zadanym punkcie sinusoidy, a nie w szczycie. A włączanie klucza następuje w zerze przebiegu, czyli wtedy przez klucz nie płynie prąd (bo napięcie na kondensatorze jest wyższe niż napięcie na mostku) i nie mamy start przełączania.

    Schemat przedstawiony na rysunku jest modelem pozwalającym prześledzić zachowanie układu zbudowanego wg tej koncepcji; nie ma zastosowania praktycznego choćby ze względu na rodzaj zastosowanego klucza, ale pozwala lepiej zrozumieć samą ideę.
    Rezytory R1 i R2 tworzą dzielnik dla napięcia mostka a ich stosunek określa poziom napięcia na mostku, przy którym nastąpi włączenie tranzystora T1.
    Jeśli napięcie na mostku wynosi 0V (początek półokresu sinusoidy) to tranzystor T1 nie przewodzi. W bazę tranzystora T2 wpływa prąd rezystora R3 i po osiągnięciu przez mostek napięcia powyżej 0.7V tranzystora T2 zaczyna przewodzić. Czyli zaczyna również przewodzić tranzystor T3 - klucz. Kondensator C jest ładowany współbieżnie z narastającym napięciem półokresu sinusoidy. Po osiągnięciu napięcia na mostku wartości, przy której napięcie bazy tranzystora T1 wynosi ok. 0.7V tranzystor T1 zaczyna przewodzić, odcina tranzystor T2 a ten odcina klucz T3 pozostawiając konendensator C z napieciem, do którego się zdążył naładować.
    Napięcie na mostku osiąga dalej swoje maksimum, potem opada i wpunkcie oznaczony na wykresie znakiem zapytania nastapiłoby ponowne załączenie klucza.
    Do tego nie możemy dopuścić, bo chcemy, aby załączenie klucza nastąpiło dopiero wtedy, gdy napięcie na mostku spadnie poniżej napiecia na kondensatorze. Stosowne opóźnienie wprowdza nam kondensator C1 (stała czasowa R3C1) - klucz ponownie załącza wtedy, gdy już napięcie na mostku jest niższe, niż napięcie kondensatora C. Prąd w momencie załączania klucza nie płynie i nie ma strat przełączania. I kolejne cykle powtarzają się doładowując kondensator wyjściowy.
    Praktyczna realizacja powyższej koncepcji stabilizatora - wkrótce.
    Na razie proszę Szanownych Kolegów o uwagi i pytania, na które postaram się wyczerpujaco odpowiedzieć.

    Pozdrawiam

    Mariusz
    [Szkolenie 22.06.2021, g.9.30] Zabezpieczenia Internetu Rzeczy (IoT) programowe i sprzętowe. Zarejestruj się za darmo
  • Level 28  
    Przy napięciu wyjściowym znacznie niższym od wejściowwego, nie przeniesiesz tym zbyt dużej energii, zaś dla małego poboru prądu straty w porównaiu ze zwykłym stabilizatorem na tranzystorze szeregowym nie będą dużo mniejsze.
    I podobnie przy niewielkim spadku napięcia na stabilizatorze straty tranzystora szeregowego też byłyby niewiele większe.
    Ponadto, nie zmniejszysz chyba zakłóceń w porównaniu do układów ze sterowanymi prostownikami tyrystorowymi. Tam następuje załączenie obciążenia przy niezerowej wartości napięcia, tutaj zaś, wyłączenie niezerowego prądu - w założeniu szybkie, jeśli straty mają być niewielkie.
  • VIP Meritorious for electroda.pl
    fotonn wrote:
    wyłączenie niezerowego prądu - w założeniu szybkie


    Pomijając inne aspekty działania takiego "bezstratnego stabilizatora", to przerywanie przepływu prądu w obwodzie z indukcyjnością jest przedsięwzięciem dość ... niewdzięcznym. Polecam analizy z podstaw układów elektronicznych.

    Przenoszę z "Układy elektroniczne DIY pomysły, problemy".
  • Level 21  
    No przecież to jest prostownik tyrystorowy, jeno bez tyrystora :D , i przechwytuje obie połówki ze względu na mostek przed nim. Możesz tym co najwyżej zasilić grzałkę, tudzież żarówkę.
  • Level 28  
    Zgodnie z obietnicą zamieszczam schemat prototypu.

    Bezstratny stabilizator Kulawińskiego

    Jako klucz z oczywistych przyczyn zastosowany został tranzystor MOSFET. Wybór padł na BUZ11 (był pod ręką, jest tani i ma doskonałe parametry). Topologia układu została zmieniona w stosunku do poprzedniego rysunku - tranzystor z kanałem typu N.

    Dzielnik 10k/220R z tranzystorem T tworzy układ prostego komparatora sterującego kluczem. Rezystor 1.2k zabezpiecza bazę tranzystora T przed uszkodzeniem w przypadku skrajnej pozycji suwaka potencjometru 10k.
    Dioda zenera 10V zabezpiecza bramkę klucza przed zbyt wysokim napieciem sterującym; kondensator 10nF i rezystor 10k tworzą układ opóżniający załączenie klucza na opadającym zboczu sinusoidy.
    Dodatkowe elementy: dioda D, rezystor 470R i kondensator pomocniczy 10uF spełniają dwa zadnia:
    -dostarczają napięcia polaryzującego bramkę tranzystora MOSFET (o stałym napięciu)
    -tworzą układ wygaszania przepięć powstałych w wyniku zaniku prądu obciążenia transformatora, a będących efektem wystepowania w rzeczywistym transformatorze indukcji rozproszenia.
    Całość zasilana była z transformatora TS8/022 firmy INDEL (2x6V połączone szeregowo), jako obciążenie użyłem żarówki 12V/5W.

    Pierwszy przebieg u dołu rysunku pokazuje zachowanie napięcia na mostku - narastanie sinusoidy (klucz włączony), przepięcie (tłumione) i opadanie sinusoidy.
    Drugi przebieg pokazuje napiecie sterujace bramką - 10V - klucz załączony, gwałtowne opadanie (działanie komparatora T); poziom 4V na którym napięcie bramki ustala się na pewien czas to moment rozładowywania indukcji rozproszenia, a następnie napięcie spada do 2V (klucz odcięty).

    Napięcie zarówki można było płynnie regulować. Nie byłem w stanie oszacować sprawności układu ze względu na sprawność samego transforamtora małej mocy.
    W każdym razie BUZ był zimny (bez radiatora).

    Pozdrawiam

    Mariusz
  • VIP Meritorious for electroda.pl
    Jest to niewątpliwie jeden z możliwych sposobów zasilania żarówki 12V/5W (chociaż są prostsze). Tylko dlaczego ma się to nazywać " Bezstratny stabilizator Kulawińskiego" ?.
    Ale cóż, wszak opis działu brzmi : "Tematy z pogranicza nauki i s-f", więc poczekajmy na wyniki pomiarów parametrów typowych dla oceny stabilizatora.

    ps. a "dioda D" to po co (w strukturze BUZ11 jest już taka dioda) ?
  • Level 26  
    Takie a raczej podobne rozwiązania można czasami spotkać.
    Z reguły stosuje się taki układ przed liniowym stabilizatorem ograniczając jego moc strat.Częściej jest to realizowane na tyrystorze regulując jego kąt zapłonu tak aby utrzymać niezbędną różnice Uwe/Uwy.
    Rzecz jasna układ stosuje się w raczej do układów o nieimpulsowym poborze prądu ze względu na czas reakcji. Nadaje sie do układów gdzie Uwej. zmienia sie w szerokim zakresie.
    Trochę lat temu w "Praktycznym Elektroniku" był stabilizator z podobna koncepcją.
  • Level 40  
    Witam
    Robiłem parę lat temu takie wynalazki. Niestety, przerywanie prądu powoduje duże przepięcia, więc zostaje regulacja na tylnej części sinusa. Stabilizator korzystający z takich rozwiązań, traci swoją podstawową zaletę i staje się podobny do zasilacza impulsowego. Teraz łatwiej zrobić zasilacz impulsowy, niż kombinować jak zmniejszyć straty w zasilaczu liniowym.