Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Wyszukiwarki naszych partnerów

Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
Europejski lider sprzedaży techniki i elektroniki.
Proszę, dodaj wyjątek elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Falownik półmostkowy do ogólnego zastosowania

_lazor_ 31 Sty 2017 11:20 12018 18
  • Witam,

    Jest to wycinek znacznie większego projektu, który realizuje. Jednak aktualny projekt jest wystarczający by być osobnym projektem i może pomóc wielu osobom przebić się ponad projektowanie czegoś zwanym błędnie ZVS.
    Dlaczego ZVS jest błędne? Ponieważ jest to nazwa stanu pracy przetwornicy i nie jest to nazwa żadnej przetwornicy. Poprawną nazwą przetwornicy błędnie nazywanej "ZVS" jest przetwornica Mazzilliego.

    Sama przetwornica Mazzilliego jest naprawdę ciekawa i warto zapoznać się jak taka przetwornica działa, ale w sumie nic więcej, ponieważ jest nieprzewidywalna z faktu swojej budowy i zasady działania. Dodatkowo większość projektów, które widziałem nie posiadają żadnych walorów edukacyjnych. Po prostu ludzie na ślepo lutują oklepany schemat, ciesząc się iskrą i niczego się nie ucząc.
    Przykładem jest, spory prąd jałowy w aplikacjach gdzie na wyjście przetwornicy mazzilliego podłącza się trafopowielacz. Prawdopodobną przyczyną jest fakt, że trafopowielacze nie działają poprawnie powyżej częstotliwości na jaką zostały zaprojektowane. Częstotliwość zazwyczaj zapewne wynosi 15625 Hz, a z jaką częstotliwością działa przetwornica mazzilliego?
    Różna w zależności od użytego dławika i kondensatora oraz obciążenia, czego niestety już nikt nie sprawdza.
    Dodatkowo dość sporą wadą jest zakres zasilania, od 12 do 40V, co powoduje przepływ ogromnych prądów, w stosunku do efektów.

    Dlatego chce przedstawić początkującym i tym już średnio zaawansowanym falownik półmostkowy na leciwym, ale jednak nadal dobrym sterowniku IR2153 oraz IR21531S. Zaletami tego układu jest wbudowany układ oscylacji, który naprawdę ułatwia konstrukcję falownika.
    Wadą jest niestety stały dead time wynoszący w zależności od modelu 0.6us lub 1.2us oraz żadnych dodatkowych bajerów (sterowanie do mostka mosfet, sterowanie aktywnego PFC, układy synchronizujące itp). Jednak dzięki brakowi wszystkich tych bajerów układ jest łatwiejszy dla początkujących.

    falown..pdf Download (66.29 kB) prostow...pdf Download (61.97 kB) PCB Pri...pdf Download (17.77 kB)

    Do sterowania mosfetami dołożyłem szeregowo do bramki diodę i równolegle do tej diody tranzystor PNP, dzięki temu mosfet załącza się stosunkowo wolno, ale bardzo szybko się wyłącza. Dodatkowo w wielu konstrukcjach między bramką a źródłem jest dodawany rezystor, dzięki tranzystorowi PNP nie jest wymagany.




    Jeśli już jesteśmy przy tym rezystorze to służy on do zabezpieczenia bramki, by przy dużym dU/dt nie indukowało się napięcie między bramką a źródłem co może doprowadzić do otwarcia się klucza i najzwyklejszego zwarcia.
    Tranzystor PNP powinien być szybki (kilka Mhz) i uciągnąć stosunkowo spore impulsy prądu (myślę, że do 200-300mA).

    Rezystancje na bramkach na schemacie są zdecydowanie za małe, aktualnie stosuje 50ohm ale planuję dać jeszcze większe. Niestety nie planuję poprawiania schematu (chroniczny brak czasu), ale jednak trzeba o tym pamiętać.

    kondensatory C30 i C31 służą jako magazyny energii, które będą w stanie oddać ją w bardzo dużym impulsie, co powinno odciążyć kondensatory elektrolityczne.

    C21 kondensator ceramiczny 1uF wystarcza

    D20 szybka dioda coś z serii ES1x (w moim wypadku ES1A)

    element oznaczony jako 29 kondensator zapewniający scalakowi możliwość impulsowego poboru energii bez spadków napięcia. kondensator ceramiczny

    Rezystory o wartości 0ohm użyłem jako zworek by nie prowadzić dwóch warstw na PCB

    Elementy C28, Pot1, R4, R5 służą do programowania częstotliwości falownika.


    KOMENTARZ DO PCB

    Chociaż sterownik i wyprostowane napięcie posiadają wspólną masę to należy ją odseparować by prądy płynące w obwodzie mocy nie oddziaływały na obwody sterujące.

    Czerwona linia to zworka zrobiona z przewodu, do której wpinam się z przekładnikiem prądowym by kontrolować przebieg prądu na drenie górnego mosfet.

    Falownik półmostkowy do ogólnego zastosowania
    Falownik zasilony z 230V i podłączoną żarówką 35W z testowym obwodem rezonansowym.

    Króciutki pokaz:

    https://www.youtube.com/watch?v=XGpy8__5Dzk

    zakupiłem na szybko na pewnym portalu trafopowielacz i nawinąłem na jego rdzeń 6 zwojów. Napięcie zasilania 30V (na wyjściu falownika około 13-15V, nie mierzyłem). Prąd w stanie jałowym 200mA (wartość z zasilacza laboratoryjnego, może się mijać z prawdą). Częstotliwość pracy 15kHz, przy 20kHz, prąd na zasilaczu laboratoryjnym 400mA.

    Niestety aktualnie układ działa, ale pracuje w niekontrolowanych warunkach (przebiegi prądu są wręcz tragiczne). Jednak w następnym kroku dopasuję do układu obwód rezonansowy co by chociaż przełączać klucze w ZVS. Jednak o tym napisze inny tekst.


    PODSUMOWANIE

    Dlaczego warto wybrać falownik od przetwornicy Mazzilliego?
    - Regulowana częstotliwość pracy
    - Możliwość wprowadzenia sprzężenia zwrotnego (regulowanie częstotliwością pracy falownika)
    - Różnorodność sterowników na bazie których można zbudować bardziej skomplikowane aplikacje
    - Możliwość pracy nawet z zasilaniem 3 fazowym (po wyprostowaniu na prostowniku 3 fazowy)
    - możliwość zastosowania IR2453 dzięki któremu można płynie przejść na topologię full bridge

    wady:
    - jak ktoś zechce budować falownik na 230V wymagana jest już wiedza i trochę sprzętu (transformator separujący, autotransformator, sondy x100, sondy różnicowe itp)
    -im większą energią ma sterować układ tym większe boom robi i nawet odłamki mogą latać. Tym bardziej trzeba mieć doświadczenie i wiedzę.


    Fajne!
  • #2 31 Sty 2017 17:39
    KJ
    Poziom 31  

    Kiedyś w trakcie kombinowania z elektronicznymi cewkami tesli na szybko zbudowałem coś podobnego z tym że nie na IR2153S a na jeszcze starszym i równie dobrym TL494 jako generator oraz GDT do sterowania bramek. Efekty miałem chyba troszkę bardziej widowiskowe:

    Link


    Trafopowielacz pierwszy lepszy jaki znalazłem w szafce, pierwotne nawinięte jedną parą z kabla UTP - akurat nic innego pod ręką nie miałem. Przebiegi były tragiczne ale dało się tym nawet grać :D

    Link


    Faktem jest że większość ludzi bezmyślnie powiela schematy "ZVS-a" ale z drugiej strony jest to prosty tani układ w zupełności wystarczający do "pobawienia się" iskrami a jak ktoś chce więcej to i tak czeka go budowa cewki tesli a tu już rozwiązania sterowania tranzystorami muszą być kompletnie inne. Przynajmniej u mnie nigdy nie sprawdziły się żadne układy z serii IR. Dalej stosuję poczciwe transformatory sterujące - przynajmniej nie ma się co zepsuć ;)

  • #3 31 Sty 2017 18:18
    _lazor_
    Poziom 24  

    KJ napisał:
    Faktem jest że większość ludzi bezmyślnie powiela schematy "ZVS-a" ale z drugiej strony jest to prosty tani układ w zupełności wystarczający do "pobawienia się" iskrami a jak ktoś chce więcej to i tak czeka go budowa cewki tesli a tu już rozwiązania sterowania tranzystorami muszą być kompletnie inne. Przynajmniej u mnie nigdy nie sprawdziły się żadne układy z serii IR. Dalej stosuję poczciwe transformatory sterujące - przynajmniej nie ma się co zepsuć ;)


    Cóż tutaj masz rację, wszystko zależy od zamiarów. Jeśli ktoś chce tylko zapalić iskrę a następnie wrzucić to do kartonu odpalając to co jakiś czas to ZVS jest faktycznie dobrym rozwiązaniem.
    Niestety nie zgodzę się, że dla tych co chcą więcej zostaje cewka tesli, no chyba że chodzi o długość iskry, ale dla mnie jak się domyślasz to nie wyznacznik jakości.
    Mam swój autorytet jeśli chodzi o zasilacze, zrobił na mnie i nie tylko na mnie ogromne wrażenie upychają np 10kW zasilacz do 10kg urządzenia:

    Link


    Urządzenie z praktycznie pierwszej sekundy. Zasila magnetron i naprawdę wyciąga się z niego 10kW, testowałem :D Powiem Tobie, że wrażenie to robi, gdy tytan po prostu paruje w próżni. W filmiku idealnie naparowywanie chromu, który jednak wytrzymuje znacznie mniej niż tytan.

  • #4 31 Sty 2017 18:38
    KJ
    Poziom 31  

    W tym zakresie mocy zbudowałem tylko boost z 540 na 800V DC mocy teoretycznej 12kW - praktycznie wytrzymuje więcej i prawdopodobnie będę go przebudowywał na 18kW bo jednak trochę mało te 12kW no i w planach jest druga sztuka. Zależy co planujesz, oczywiście miałem na myśli zabawę wyładowaniami a tu w sumie za wielkiego wyboru nie ma. Jeżeli zaś chodzi o przetwornice w ogóle to dla mnie autorytetem są estradowe wzmacniacze audio w klasie D (które w sumie same w sobie są przetwornicą) gdzie w obudowie o rozmiarach 1U racka 19" i wadze poniżej 10kg upycha się dziś 20kW mocy wyjściowej.

  • #5 31 Sty 2017 18:59
    _lazor_
    Poziom 24  

    boost na 12kW? Jeśli to zasilasz z 3 faz i nawet spora częstotliwość to w sumie nawet możliwe, ale dławik musi być ogromny by gromadzić taką energię. Myślę, że pełny mostek z uzwojeniami 1:1.5 byłby znacznie mniejszy i sprawniejszy od boost convertera.

    Przetwornica klasy D to nie jest przypadkiem właśnie falownik pełnomostkowy? Bo takie moce można już tylko na rezonansach uzyskiwać, po prostu fizycznie nie da rady w innej topologi uzyskać takiej sprawności.

  • #6 31 Sty 2017 19:18
    KJ
    Poziom 31  

    Oj tam znowu ogromny dławik ... raczej 4 mniejsze ;) Boost a nie transformator dlatego że wydawało się to znacznie prostsze w budowie. Sprawność jest rzędu 95%. Zasilanie oczywiście wyprostowane 3 fazy, duże też nie jest. Opis tutaj: https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic2324400.html Obudowa jest na dzień dzisiejszy inna a w zasadzie zostało to wkomponowane w większy pulpit obsługujący przy okakzji całą resztę pokazu. Schematów nie publikuję.

  • #7 31 Sty 2017 19:45
    _lazor_
    Poziom 24  

    Ciekawy ta 2 fazowa przetwornica boost, dwa razy mniej energii zmagazynowanej w jednym z dławików, jednak nadal przy pełnej mocy to przeszło 25A co powiem Tobie szczerze to już ogromne dławiki, bo pewnie mnóstwo uzwojeń leci by uzyskać 1mH i to w dodatku przynajmniej 2.5mm^2, chociaż ja bym osobiście użył coś ciut większego bo współczynnik temperatury dla dławika to przynajmniej 0.3-0.4 a jednak prądy tam śmigają spore.

    Nie powiem, miło się tak pisze, bo zawsze człowiek się dowie czegoś nowego, a ta 2 fazowa przetwornica boost jest warta uwagi.

  • #8 31 Sty 2017 19:55
    KJ
    Poziom 31  

    Owszem rozwiązanie nie jest idealne jednak działa już ładnych parę lat. Na jedną fazę masz 2 dławiki więc prąd na każdy to jakieś 12-13A maksymalnie ;) O temperatury się raczej nie boję gdyż urządzenie nie jest przeznaczone do pracy pod pełnym obciążeniem dłużej niż 30-40minut bo po prostu nie ma takiej potrzeby w tym zastosowaniu ;)

  • #9 31 Sty 2017 20:17
    _lazor_
    Poziom 24  

    Nie zauważyłem, że to wszystko dublujesz i masz 4 dławiki. W takim wypadku to się zgadza. Kondensatory na wejściu masz chyba aż nadto jak dla 3 faz.
    Mnie ostatnio kusiło by coś takiego zbudować do płynnej regulacji napięcia na wyjściu, bo PWM do tego się jak najbardziej nadaje, jednak będę próbować zastosować pewien algorytm (oraz sterownik z elementów dyskretnych), który pozwala wyłączyć przetwornicę gdy na wyjściu ma odpowiednie napięcie lub prąd. Dzięki temu sprawności szybują pod niebiosa.

  • #10 31 Sty 2017 20:32
    KJ
    Poziom 31  

    Kondensatory takie akurat były na stanie ;) Teraz tam jest 1100uF na wejściu i 2300na wyjściu.

  • #11 04 Lut 2017 22:35
    _lazor_
    Poziom 24  

    Zrobiłem kilka nowych prób, tym razem już elegancko na rezonansie:

    Link


    Przebiegi:
    Falownik półmostkowy do ogólnego zastosowania Falownik półmostkowy do ogólnego zastosowania

    Ogólnie widać bardzo ładnie się pali łuk, znacznie ładniej niż w przypadku braku rezonansu.
    Rezonans zrobiłem na kondensatorach równoległych do kluczy oraz na indukcyjności rozproszonej rdzenia (a że dziadostwo jest z szczeliną to tej indukcyjności za wiele nie ma bo około 25uH). Oczywiście dodając większy dławik w szeregu dało by to znacznie większe prądy w rezonansie (i mniejszą częstotliwość rezonansową), jednak w tym wypadku ponad 5A w amplitudzie dało w kość mosfetom i grzały się dość mocno.
    Napięcie (niebieski przebieg) mierzyłem na jednym z kondensatorów.

    Z ciekawostki układ z zapalonym łukiem pobiera znacznie mniej prądu.

  • #12 04 Lut 2017 22:54
    KJ
    Poziom 31  

    Tesla paląca 4,5m iskrę do uziemionego pręta także pobiera zauważalnie mniej prądu niż siejąca krótszymi wyładowaniami do powietrza - też mnie to zawsze trochę dziwiło. Warto by było zerknąć oscyloskopem na bramki mosfetów bo 5A to nie jest jeszcze jakiś ekstremalny prąd. Inna kwestia że IRF740 to raczej liche tranzystory do takich zabaw, do tego mają dość wysoki RDSON. Zobacz chociażby IRFP460 albo IRFPS40N60 ale ten pewnie będzie drogi. Może warto spróbować na IGBT ?

  • #13 05 Lut 2017 08:57
    _lazor_
    Poziom 24  

    Model transformatora jest taki, że indukcyjność rozproszenia transformatora oraz obciążenie jest do niego równoległe. Więc prawdopodobnie gdy dochodzi do wyładowania to rezystancja leci mocno w dół i cała energia zgromadzona w rezonansie "wycieka" na stronę wtórną, tworząc jedno, ale za to porządne wyładowanie.
    A jak nie ma gdzie wkładać energii (obwód rezonansowy magazynuje energię) to zaczyna spadać prąd na wejściu.

    ogólnie używam MDF10N65B, nie są idealne, ale dzięki temu że mają taką rezystancję to układ rezonansowy się nie rozbiegał za mocno.

    Kolejnym krokiem będzie zrobienie zewnętrznego dławika i ustawienie tak rezonansu by dochodziło do niego gdy zapala się łuk, jednak będę ograniczał dobroć układu do wartości 1-2. Powinno to zdecydowanie polepszyć parametry pracy takiego urządzenia, ponieważ po co nam rezonans gdy energia nie jest przekazywana do łuku?
    Takiego rozwiązania nie zastosuje się na przetwornicy mazzilliego czy na klasycznej cewce tesli :D

  • #14 05 Lut 2017 11:31
    KJ
    Poziom 31  

    Na klasycznej TC to nie ale przy podwójnym rezonansie zasadniczo jest podobnie. Do tego można uzyskać przełączanie mostka idealnie w zerach prądu co skutkuje możliwością rozbujania obwodu rezonansowego do prądów rzędu 2000A i więcej ;)

  • #15 05 Lut 2017 11:56
    _lazor_
    Poziom 24  

    KJ napisał:
    Na klasycznej TC to nie ale przy podwójnym rezonansie zasadniczo jest podobnie. Do tego można uzyskać przełączanie mostka idealnie w zerach prądu co skutkuje możliwością rozbujania obwodu rezonansowego do prądów rzędu 2000A i więcej ;)


    Rozbujanie układu zależy od dobroci układu, a dobroć zależy od (pierwiastka(L/C))/R gdzie R to wszelakie rezystancje przewodów, kluczy i gdy podłączone w szeregu obciążenie. By osiągnąć takie prądy na elementach biernych panoszy się bardzo wysokie napięcie, co nie jest pożądane, tak samo jak prąd rzędu 2000A nie jest w żadnym stopniu pożądany.
    Dlaczego? Bo to powoduje jedynie straty a tylko nieznacznie zwiększa przekazywaną energię.
    Tak jak pisałem dla mnie najważniejsze to jak największa kontrola nad układem oraz jak największa sprawność. Ciężko powiedzieć coś o sprawności, gdy nie mierzy się strony wtórnej. Ja już prawie skompletowałem sprzęt pomiarowy strony wtórnej, spokojnie do 40kV będę mógł robić pomiary :D

    cewka tesli czy z pojedynczym czy podwójnym rezonansem nie będą sterowalne gdy źródło sterowania nie zależy od Ciebie. Jedynie to co ludzie nazwali sobie SSTC (solid state tesla coil), jest sterowalne, ale to nadal jest falownik:
    http://danyk.cz/sstc3_en.html

    Tak przy okazji to nie, mój projekt nie bazował na powyższym linku, gdzie schemat zawiera mnóstwo błędów i to że działa, nie znaczy że podziała długo.

  • #16 05 Lut 2017 12:14
    KJ
    Poziom 31  

    W typowej DRSSTC prądy rzędu 2kA i napięcia rzędu kV są bardzo pożądane - im krótszy impuls o większej amplitudzie tym lepsza iskra na wyjściu - długo by pisać ;) Co do sprawności to zmierzyć nie jestem w stanie można zaryzykować że jest wysoka bo skoro urządzenie pobiera z sieci 20kW to gdyby była niska powiedzmy 50% to 10kW z moich 20 włożonych powinno się wydzielić gdzieś jako ciepło ... co na pewno dałoby się odczuć empirycznie, tym czasem wszystkie elementy są prawie zimne nawet po 20min ostrego iskrzenia ;) Co do maksymalnego prądu w rezonansie to jest dokładnie tak jak piszesz z tym ze praca tego co ludzie nazywają SSTC ma w ogóle mało wspólnego z optymalną pracą obwodu pierwotnego, bo to jest zwykłe chamskie kluczowanie prądu w pierwotnym z częstotliwością rezonansową wtórnego. Kondensator który tam się znajduje ma za zadanie tylko blokowanie ewentualnej składowej stałej, a to co ty tworzysz zdecydowanie bardziej przypomina w sposobie pracy DRSSTC a nie SSTC. Bo rozumiem że dążysz do stworzenia po pierwotnej stronie trafa obwodu rezonansowego pracującego z częstotliwością optymalną dla samego trafa. W sumie nigdy nie próbowałem czegoś takiego budować natomiast chodziło mi to po głowie wielokrotnie. Proponuję jednak ponownie przemyśleć układ bo z mojego doświadczenia z tego typu obwodami jasno wynika że rezonans + sztywny generator to zawsze najgorsze rozwiązanie jakie można sobie zafundować. Proponuję sprzężenie zwrotne lub PLL ;) ale pewnie dojdziesz do tego sam za jakiś czas ;). Co do sterowalności prądu to w klasycznej DRSSTC faktycznie jest z tym problem ;) ale proponuję zerknąć na coś co się nazywa QCW ;) Co do schematu z linku - tak to jeden wielki błąd ;) Bo żadna TC mająca w obwodzie pierwotnym sztywny generator nie będzie dobrze działać nigdy ;)

  • #17 05 Lut 2017 12:36
    _lazor_
    Poziom 24  

    Zgodzę się, że sztywna częstotliwość na pewno nie jest optymalna, ale zaskoczę Cię bo można się wpiąć z sprzężeniem zwrotnym w ten układ. Trochę przy tym zabawy jest, ale spokojnie zrobiłem na tym układzie ograniczenie prądu i napięcia. Oczywiście odchodziło to do rezonansu i traciło na sprawności.
    Oczywiście będę w przyszłości korzystał z pętli PLL, to jest nieuniknione, ale jednocześnie nie chce przekraczać dobroci układu powyżej 2. Magnetron z nagrania które wrzuciłem ma dobroć ograniczoną do około 1.5. Niestety ale plazma tam paląca się musi być bardzo kontrolowana, bo jednak ona pali się w próżni a jej temperatura sięga rzędu kilku jak nie kilkunastu tysięcy stopni. No ale tam ir2153 też nie ma, jest sterownik na elementach dyskretnych i TDA1060.

  • #18 05 Lut 2017 12:45
    KJ
    Poziom 31  

    Jeszcze można zrobić pełny mostek z przesunięciem fazy. Wtedy można sobie zrobić układ samowzbudny po stronie pierwotnej który jest najlepszym możliwym rozwiązaniem w obwodach rezonansowych a prąd regulować dowolnie przesunięciem fazowym, ale jest to driver bardzo trudny w realizacji. Co do kontrolerów bramek to ja osobiście za IR-ami nie przepadam ale może to dlatego że tranzystory które chcę sterować mają pojemności bramkowe zaczynające się od 15nF ;) no i te bootstrapy nigdy mi nie chciały stabilnie działać, zawsze je zastępowałem izolowanym zasilaniem.

  • #19 05 Lut 2017 20:53
    _lazor_
    Poziom 24  

    Falownik półmostkowy do ogólnego zastosowania
    Wykonałem dodatkową cewkę do rezonansu po za indukcyjnością rdzenia, dokładnie malutką 50uH cewkę. Powyżej zdjęcie gdy nie pali się łuk.

    Falownik półmostkowy do ogólnego zastosowania

    Jak widać aktualnie jest odwrotnie prąd wzrasta razem z zapaleniem się łuku co jest już bardziej intuicyjne. Co prawda łuk jest zdecydowanie mniejszy niż w dwóch poprzednich przypadkach, jednak prąd też znacznie mniejszy w stanie bez zapalonego łuku.
    Niestety trafopowielacz to jednak rdzeń do flyback i nie wyciągnie się jego pełnego potencjału falownika, przede wszystkim z faktu małej indukcyjności uzwojenia pierwotnego, która powinna dążyć do nieskończoności (w idealnych warunkach), dzięki czemu bez obciążenia płynął by prąd rzędu kilku mA.
    Pozostało mi jeszcze tylko dodanie mocy krążącej i będę przerzucał się na własny transformator, już mam wszystko przygotowane tylko siąść i nawijać na karkas.

 
Black Friday do -15%
Zamknij 
Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
Ferguson