Flyback1 czyli prosta przetwornica napięcia na transformatorze ADSL

Inspiracja: http://www.dos4ever.com/flyback/flyback.html
(Powyższa strona jest przetłumaczona na elektrodzie w dziale artykuły tłumaczone)

Tym razem zadaniem na weekend było zbudowanie przetwornicy dostarczającej napięć +6 -6V z napięcia 25-40V. Zostanie ona użyta w nieco większym projekcie zasilacza (napięcie -6V będzie tam potrzebne do zasilania wzmacniaczy operacyjnych, +6 dla „logiki”). Oczywiście najprościej było by użyć tam drugiego transformatora 50Hz (lub innego z odpowiednimi uzwojeniami), ale ponieważ chciałem przyjrzeć się nieco bliżej działaniu przetwornicy typu flyback, postanowiłem zbudować bezpieczną dla zdrowia miniaturkę powszechnego w zasilaczach rozwiązania. Jest wiele różnych kontrolerów pwm przeznaczonych do tego zastosowania (można by tu zastosować np coś z rodziny UC3842) ale zgodnie z inspiracją użyłem nieśmiertelnej kostki 555 (podobno można na niej nawet zrobić odbiornik radiowy ) . Użycie transformatora ADSL wynikało z faktu, że mam tego złomu pod dostatkiem. Skoro już jesteśmy przy finansach. Koszt części do przetwornicy wyniesie zapewne poniżej 10zł. Ponieważ wszystkie części miałem na magazynie, więc musi wystarczyć przybliżony szacunek. Zapewne najdroższy byłby transformator (można gdzieniegdzie znaleźć ich ceny), ale nikt nie będzie takiego specjalnie kupował, zresztą nie do zasilaczy są one przeznaczone. Co innego jak mamy ich kilogram, a można je do czegoś spożytkować.

Przedstawiona przetwornica może dostarczyć bez problemu 100mA na każde z napięć, przy czym stabilizowane jest +5.8V (patrz sprzężenie zwrotne).

Na co jaka część (dawno nie było tego działu dla piaskowniczan więc poprodukujmy się chwilkę )

Na początek zacznijmy od „kontrolera” PWM który jest zasilany ze źródła stałoprądowego zbudowanego na 78L05 o wartości 9.3mA ustalonej rezystorem R7. Rezystor R8 1k użyty jest z powodu ograniczenia maksymalnego napięcia stabilizatora 78L05. Dla <30V może on wynosić 0R (można go pominąć). Elementy R3 R4 oraz C10 ustalają częstotliwość generatora na max około 65kHz. R5 służy do spolaryzowania wejścia komparatora (kontrola wypełniania). Rezystor R2 dla tak miniaturowej przetwornicy można by sobie darować, ale ja dałem na bramkę 47R. Również R1 można by zastąpić zwora, ale 10R zadziała tutaj jak zabezpieczenie tranzystora. W bardziej rozbudowanej wersji można by mierzyć na nim prąd płynący przez mosfet, puki co można sobie tutaj podejrzeć, jak wygląda prąd transformatora, czy się przypadkiem nie nasyca itp. Dioda D2 służy tylko i wyłącznie zabezpieczeniu mosfeta, ponieważ katalogowe napięcie DS wynosi 100V. Bez tej diody tranzystor BSS296 pracuje poprawnie z szpilkami dochodzącymi do 200V (ale nie wiadomo jak długo by tak pociągnął). Jeśli kogoś razi jej podłączenie w taki sposób, informuję, że pojemność tranzystora i transformatora jest na tyle duża, że dioda ta nie ma praktycznie żadnego wpływu na sprawność działania przetwornicy.




Ponieważ szkoda byłoby nie wykorzystać możliwości separacji galwanicznej, tranzystor sterujący wejście CON timera 555 zastąpiłem transoptorem, który po stronie wtórnej jest sterowany klasycznie regulatorem TL431. Użycie takiej referencji umożliwiło bardzo dokładną stabilizację napięcia, niezależnie od obciążenia. R9 R10 R11 ustalają napięcie, które bez wlutowanego R9 wynosi równe 5V (akurat do mojego zastosowania potrzebowałem nieco więcej, stąd dodatkowy rezystor przesuwający napięcie do 5.8V). Kondensator C12 zapewnia odpowiednią stabilność pętli regulacji napięcia wyjściowego), R6 R12 dostarczają zasilanie do transoptora, oraz ustalają odpowiedni „punkt pracy” TL431. Ze względu na stabilność pętli regulacji, mimo niewielkiego prądu jaki będzie pobierany z przetwornicy, kondensator filtrujący w gałęzi +5V musi mieć dość sporą pojemność. Eksperymentalnie ustaliłem jego wartość na 100uF (tantal). W gałęzi -5V pozostał kondensator ceramiczny 4uF. L1 L2 C1 C2 to filtr wygładzający napięcie. Typ użytego transoptora jest mi nieznany, wyjęty ze starego telefonu stąd dwie diody. Można bez problemu zastosować dowolny transoptor z jedną diodą (nie przypuszczam aby parametr sprzężenia optycznego miał większe znaczenie, a nie będę już tego sprawdzał). Znany natomiast jest model użytego transformatora z modemu ADSL - CE1069. Transformatory te posiadają najczęściej po dwa uzwojenia na każdej ze stron. Manipulując przełożeniem, można bez problemowo dostosować je do pracy w dowolnej konfiguracji podwyższającej lub obniżającej napięcie dla zakresu do około 40V. W moim przypadku uzwojenie pierwotne to połączone w szereg dwa uzwojenia, co docelowo dało przekładnie 4:1 (dokładniejsze dane transformatora znajdują się w załączniku FLYBACK1 CE1069.pdf). W założeniu transformatory te są skonstruowane do przenoszenia częstotliwości od 30kHz do ponad 1MHz, jednak w naszym przypadku z powodu strat oraz zakłóceń, warto pozostać przy max 100kHz (jak widać na zdjęciu przekrój drutu jest niewielki, w rekompensacie za straty, prawdopodobnie większa „impedancja” wyjściowa przełoży się na skuteczniejszą filtrację napięcia). Diody za „trafkiem” to dowolne szybkie diody impulsowe. Z powodu maksymalnego prądu rzędu 100mA, wystarczyły 1N4148.
Ciekawostką jest fakt, że nieobciążona przetwornica działa z częstotliwością 3kHz, co wpływa na poprawę sprawności dla małych obciążeń, jednak nie polecam użytkować jej z tak małymi prądami.(Bez obciążenia transformator nie piszczy mimo 3kHz, piski natomiast można zaobserwować nawet z nominalnym obciążeniem w przypadku niestabilnej pracy sprzężenia zwrotnego regulacji napięcia spowodowanej np. zastosowaniem Cmos-owej wersji układu 555, lub zbyt małą pojemnością w filtrze +5V).

Na dokładkę parę zdjęć, kilka oscylogramów, oraz katalog transformatorów, gdyby ktoś przypadkiem chciał z nimi trochę poeksperymentować.

Fajne! Ranking DIY

Ciekawy projekt, ale mam wątpliwości czy ten transformator może poprawnie pracować w tym układzie, na tak niskiej częstotliwości.
Transformator ma małe wymiary i dużą indukcyjność (rdzeń o małym polu przekroju i bez szczeliny), obawiam się że ma bardzo mały prąd nasycenia, sprawdzałeś czy się nie nasyca?

Poniżej nieco bardziej obciążony układ:
Zasilanie +30V
Wejście 75mA (2250mW)
Wyjście 2x 680mW (1360mW)
Jak widać sprawność wzrosła do 60%
Na obrazku napięcie na źródle mosfeta.
Nie wygląda, żeby cokolwiek miało się nasycać.
Prawdopodobnie największe straty to oporność uzwojeń, niestety dość sporo cienkiego drutu tam jest nawinięte.

Witam.

Przepraszam za te słowa, ale twój temat niczego ciekawego nie wnosi.
Na pierwszy rzut oka można by dostrzec to źródło prądowe, ale cóż mi po nim kiedy charakterystyka poleci na diodzie zenera ? (jaki jest sens budowania źródła prądowego które ostatecznie odwrócisz na diodzie ? ) Ponadto NE555 przy takim zasilaniu też może wykazywać lichą stabilność parametrów. (zasilasz to na granicy przyzwoitości)

Przepraszam, ale jestem na NIE

Wrzuć tam TNY268 i cała strona pierwotna znika w postać jednego scalaka. Różnica układowa w stosunku do aplikacyjnej będzie polegać na zasileniu sterownika przez wejście BYPASS

Używam tego układu w aplikacjach ~12V i działa bez problemu choć trochu "syfi"

Cytat:

(jaki jest sens budowania źródła prądowego które ostatecznie odwrócisz na diodzie

Użycie źródła wynikało z minimalizacji poboru mocy i zostało dobrane dla napięcia zasilania NE555 w granicach 4.7V podczas normalnej pracy z obciążeniem. Timer pracuje jeszcze przy 3V (wg. DS zasilanie tego układu to 4.5-15V).
Odnośnie diody zenera, proponuje się lepiej przyjrzeć schematowi.

Cytat:

Wrzuć tam TNY268 i cała strona pierwotna znika w postać jednego scalaka

Pomysł z TNY26x jest niezły, ciekawy jestem ile prądu realnie pobiera układ przetwornicy w analogicznych warunkach (z noty wynika niby 5mA).

Na zakończenie przypominam, że nie chodziło o zbudowanie super sprawnej ekstra niezawodnej przetwornicy, tylko o naukę i wykorzystanie najtańszych elementów "z szuflady" przy okazji sprawdzenie jaką moc może przenieś transformator z modemu ADSL, czy wogóle ma to jakikolwiek sens?

Ciekawe czy wiecie jaką moc uda się przenieść w transformatorze separującym ethernet ? Ja już wiem

bobeer napisał:

Ciekawe czy wiecie jaką moc uda się przenieść w transformatorze separującym ethernet ? Ja już wiem

Myślę, że nie więcej niż 5W. W większości są to cewki na rdzeniu toroidalnym nawinięte cienkimi drutami.

Myślisz, że projektanci byliby aż tak rozrzutni żeby takie małe trafko sygnałowe które pracuje przy mocach rzędu miliwatów nagle nadawało się do przenoszenia kilku watów ? upss chyba podpowiedziałem
Przy okazji tych trafek znalazłem ciekawą stronę:
http://www.d4magnetics.com/index.html

Poniżej pozostałości po poście kolegi "sylwek tedi " którego przemyślenia wylądowały jednak w koszu.
Myślę, że mimo to, trochę łopatologii może być pouczające.

Cytat:

Piszesz że osiąknąłeś łączną sprawność 60%. Czy to tak dużo jak na zasilacz impulsowy ? (to już tradycyjne trafo ma o wiele większą sprawność)

Przypuszczam, że powyższe stwierdzenie wynika z niezrozumienia opisu projektu oraz jego założeń. To, że nie chciałem marnować mocy na stabilizatorze zasilania "sterownika" nie oznacza, że cały flyback1 miał być konstrukcją o wysokiej sprawności. Na transformatorze z modemu ADSL ? To chyba jakieś kpiny.

Cytat:

Na czym ty chcesz oszczędzać stosując to źródło 10mA ? (kompletny bezsens)

Na ponad 10mA poboru prądu dla prostego stabilizatora na oporniku z diodą zenera, jeżeli mamy dobrać taki prąd, dla jakiego zmiany napięcia zasilającego o choćby 5V są jako tako stabilizowane na diodzie 4.7V
Lub w najlepszym razie 6mA poboru prądu przez stabilizator 78L05 w układzie szeregowym.

Dodam na rozbudzenie wyobraźni, że pobór prądu przez generator 555 rośnie proporcjonalnie do napięcia zasilania. Dla 5V to około 5mA, dla 15V - 15mA.

Cytat:

Ap ropo tego twojego "rewelacyjnego" układu zasilania timera, to obawiam się iż to on między innymi może być przyczyną takiej lichej sprawności, a nie jakieś tam straty w uzwojeniach.

Straty mocy jest bardzo łatwo prześledzić sprawdzając termometrem, lub nawet organoleptycznie elementy układu elektronicznego. Straty zamieniane na ciepło występują zarówno w elementach "przed" transformatorem - NE555, tranzystor, rezystor w jego źródle jak i w elementach za transformatorem. Najwyższą temperaturę w omawianym układzie ma transformator, oraz dławiki filtrujące, co mam nadzieję nie pozostawia żadnych złudzeń w kwestii, gdzie nam się marnuje najwięcej mocy.

Widzę, że pomysł z źródłem prądowym zamiast normalnego szeregowego lub równoległego stabilizatora wzbudza jakieś niezdrowe emocje. Podobnie, jak dioda zenera przez którą nie płynie prąd, co na schemacie jest wyraźnie zaznaczone (dioda ta to tylko pozostałość po wcześniejszej wersji właśnie z użyciem rezystora).
Jeśli kolega tak lubi krytykować, to niech się zdobędzie na wysiłek i udowodni, że układ zasilany przez opornik z diodą zenera

Cytat:

To już bardziej opłaca się zastosować 7555 diodę zenera, opornik i dwa kondensatory

zapewni mniejszy pobór prądu, od źródła prądowego, przy założeniu zmian napięcia zasilania (podczas obciążenia napięcie zasilania może się zmienić nawet o 10V 30-40V).

Niestety pech sprawił, że znam zachowanie się układu z prostym zasilaczem równoległym i wiem, że nie będzie to rozwiązanie ani sprawniejsze, ani bardziej stabilne. Również użycie zasilacza szeregowego spowoduje zsumowanie prądu pobieranego przez timer555 oraz tegoż stabilizatora. Niech więc kolega łaskawie wytłumaczy, na jakich prawach fizyki opierał swoje przemyślenia. W innym razie przyjmuję, że kolega zasadniczo się myli.

Pozdrawiam !

Jaką masz częstotliwość przełączania klucza? Myślę, że w kwestii sprawności należało by się zastanowić nad lepszym sterowaniem bramki (szybsze sterowanie mniejsze straty).
Dodatkowo szczelina w rdzeniu sporo by poprawiła.

Pomijając wszystko przetwornice małej mocy z założenia mają małą sprawność. Wynika to z tego ze pobór prądu na potrzeby własne jest już znaczną częścią prądu pobieranego przez całą przetwornicę. Dla większych mocy ten stosunek znacznie wzrasta a razem z nim sprawność

Witam!
w/g mojej wiedzy trafo powinno być włączone w układ tak:

Pozdrawiam
Bogusław

Co konkretnie Koledze nie pasuje ?
Kierunek uzwojenia pierwotnego względem wtórnego, czy kierunki uzwojeń po stronie prostownika ?
Proszę uzasadniać swoją wiedzę, bo samo zamieszczenie obrazka nic nikomu nie tłumaczy oraz jest niejednoznaczne.
(Bardzo mało prawdopodobne żebym pomylił się w schemacie i rozpisce trafka.)

Źle są kierunki uzwojeń, wszystko jedno po której stronie. Zajrzyj sobie do linku, który wkleiłeś w pierwszym poście. Z uzwojeniami połączonymi tak jak na Twoim schemacie to nie jest flyback tylko kulawy forward.

Flyback gromadzi energię w rdzeniu (albo głównie szczelinie jeśli jest) w pierwszej części cyklu i oddaje do obwodu wtórnego w drugiej części.

W forward jest tak, że w momencie włączenia klucza większość energii przekazywana jest od razu do uzwojenia wtórnego, a po wyłączeniu klucza powinna następować demagnetyzacja rdzenia. Zazwyczaj robi się to albo na uzwojeniu pomocniczym z diodą, albo stosuje się układ z dwoma kluczami i dwiema diodami. Bez tego będzie narastać indukcja w rdzeniu, aż do nasycenia po kilku (-nastu, -dziesięciu) cyklach. U Ciebie tę rolę pełni dioda zenera, problem w tym, że w takim układzie powstają brzydkie skoki napięcia na drenie i cała energia zgromadzona w rdzeniu, a nie odebrana po stronie wtórnej, zostaje wydzielona w każdym cyklu w diodzie. W normalnych układach ta energia zawracana jest do kondensatora zasilania po stronie pierwotnej. Częściową demagnetyzację zapewnia też połączenie diody, kondensatora, dławika i drugiego kondensatora po stronie wtórnej, ale zachowanie tego jest trudne do przewidzenia.

Ujemne napięcie na źródle MOSFET-a wygląda brzydko. Skąd ono się tam wzięło?, oznaczałoby to, że przez jego wbudowaną diodę płynie prąd, problem w tym, że ten prąd popłynąłby raczej przede wszystkim przez diodę zenera i byłoby tam dużo niższe napięcie a nie -20 V, no chyba że ta dioda już dawno się spaliła.

Dziękuje za wychwycenie błędu !
Na schemacie faktycznie wszystko jest dobrze poza tym, że gałęzie +-5V są zamienione miejscami (na płytce połączenie jest ok, bo by to nie mogło działać jak Kolega zauważył).
Odnośnie mosfeta, to w wolnej chwili sprawdzę o co chodzi z tymi -20V na oscylogramie i poprawię schemat żeby się ktoś nie zdziwił .
Pozdrawiam !

Witaj Bobeer,
Na Twoim schemacie taki przebieg napięcia drenu MOSFETa:

występuje na kontakcie 4 trafa. Kontakt ten jest w specyfikacji trafa zaznaczony jako koniec uzwojenia. Z tego wynika, że przebieg na końcówce 7 będzie identyczny co do kształtu, ale o wysokości tylko 25%, bo Ty łączysz pierwotne uzwojenia w szereg, a jedno wtórne ma w sobie połowę zwojów jedego pierwotnego (strona LINE ma dwa razy tyle zwojów (TURN RATIO) co CHIP). Zaznaczyłem czarną poziomą kreską położenie masy przy pomiarze napięcia na kontakcie 7. Oznacza to, że dioda D4 nie ma szans na przewodzenie na polu FLY-BACK zaznaczonym na żółto.
Dla kontaktu 10 musisz powyższy rysunek obrócić "nogami" do góry, bo diodę D3 dołączyłeś do początku uzwojenia. A więc ta dioda również nie ma szans na przewodzenie w żółtej części przebiegu.
Ujemne śmieci na oscylogramie napięcia źródła są przypuszczalnie obrazem drgań w.cz. na zbyt długim przyłączu uziemienia sondy oscaloskopu. W obwodzie rezonansowym jest indukcyjność pętli przewodu masowego sondy, jej pojemność wejściowa i opornik źródła MOSFETa. Szybka zmiana napięcia na oporniku startuje przeładowanie pojemności na indukcyjność i odwrotnie. Taki sam proces widać na drenie w momencie jego blokowania. Ta piękna sinusoida ca. 500 kHz na drenie to jest rezonans trafa ze wszystkimi pojemnościami, szczególnie Css MOSFETa i diody D2.
Pozdrawiam,
Bogusław

Dodano po 46 [minuty]:

Witaj Shg,
Twoje stwierdzenie:

shg napisał:

Flyback gromadzi energię w rdzeniu (albo głównie szczelinie jeśli jest) w pierwszej części cyklu i oddaje do obwodu wtórnego w drugiej części.

jest pewnym uproszczeniem. Ładowana energią pola magnetycznego od prądu jest każda cewka, z rdzeniem, czy bez, ze szczeliną, czy bez. W nadajniku telegraficznym A0, albo A1, który "musi" pracować w klasie C (z całkowitym odcięciem drenu wzgl. anody przez okres dłuższy niż 50% okresu drgań obwodu rezonansowego na wyjściu ), proces FLY-BACK umożliwia w ogóle powstanie mocy wyjściowej. Bez procesu FLY-BACK nie byłoby możliwe powielanie częstotliwości w stopniu końcowym. Wtedy kąt przewodzenia klucza jest odpowiednio krótszy - dla podwajacza nie więcej, jak 25% okresu na siatce wzgl. bramce.
Pozdrawiam
Bogusław.

Witaj Bobeer,
drastyczna zmiana częstotliwości Twojej przetwornicy po zdjęciu obciążenia wywołana jest naruszeniem zasady ciągłości sterowalności elementu wykonawczego.
Polega to na umożliwieniu schematowi na ustawienie na pinie IC1/5 takiego napięcia, przy którym generator "staje". Zanim znowu się on "obudzi" mija prawie 200µsek.
Wklej tutaj proszę oscylogram napięcia na w/w pinie, kiedy przetwornica nie jest niczym obciążona.
Aby uniknąć w/w efektu trzeba pin OK1/3 powiesić na dzielniku oporowym pomiędzy IC1/8 i IC1/1 o takiej wartości, przy której zwarcie pinów 3 i 4 transoptora nie powoduje jeszcze zrywania drgań generatora IC1 (wypadanie "paczki" impulsów).
Oporniki tego dzielnika w sumie nie powinny przewodzić więcej prądu, jak 300µA.
Można też doborem opornika R12 ograniczyć prąd diody OK1 tak, żeby VR1 nie był w stanie przesunąć napięcia IC1/5 poniżej poziomu, przy którym IC1 "staje".
Elementy C12 i C9 noszą znamiona akcji ratowniczej, kiedy zmuszony byłeś ustabilizować pętlę.
Zacznij od wprowadzenia małego opornika (100R ... 1k) szeregowo z C12 i ustal, przy jakiej jego wartości pętla zaczyna się wzbudzać.
Wprowadzona do pętli rezystancja ma charakter proporcjonalny i ją przyspiesza.
Przyspieszenie pętli oznacza skrócenie przesunięcia fazowego pętli, co ZAWSZE prowadzi do jej "uspokojenia".
Jak powyższe działania przyniosą pożądany efekt, to wklej tutaj proszę odpowiedź napięciową przetwornicy na skok prądu obiążenia od 10% do 90% w dowolnej gałęzi wyjściowej.
Częstotliwość tych skokowych zmian obciążenie powinna być tak dobrana, żeby pętla miała czas ustabilizować się po każdej zmianie prądu.
Przeregulowania na tym oscylogramie dostarczą Ci wiele informacji.
Pozdrawiam,
Bogusław.