Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Odwrócony step-down - źródło napięciowe - na UC3843

atom1477 16 Lut 2017 21:04 1689 3
  • #1 16 Lut 2017 21:04
    atom1477
    Poziom 43  

    Od dłuższego czasu na forum widnieje temat:
    Odwrócony step-down - źródło prądowe - na UC3843
    Układ jest bardzo ciekawy, ale działa w trybie stabilizacji prądu. I nic dziwnego bo w takim układzie nie można bezpośrednio zastosować stabilizacji napięcia.

    Przedstawiam więc układ odwróconego Step-Downa, ale w układzie stabilizatora napięcia. Odwrócony Step-Down to jedyny sposób żeby ze sterownika UC3843 zrobić przetwornicę obniżającą napięcie (inną niż Flyback).
    Dość długi opis teoretyczny:

    Spoiler:
    Występuje tu jednak problem z pomiarem napięcia wyjściowego, bo nie będzie ono już mogło być mierzone względem masy. Napięcie wyjściowe jest bowiem wytwarzane od plusa zasilania w dół, a nie od masy w górę.
    Potrzebny jest więc układ konwertujący wartość napięcia wyjściowego na napięcie odnoszone względem masy.
    Taki układ jest dość prosty do wykonania. Można użyć do tego układu na wzmacniaczu operacyjnym. Ja jednak zrezygnowałem z takiego rozwiązania gdyż wzmacniacz operacyjny może wprowadzać opóźnienia, które negatywnie wpłyną na pracę układu. Cały układ przenoszenia poziomu napięcia jest bowiem elementem sprzężenia zwrotnego, i powinien działać szybko.
    Na szczęście jest inne dość proste rozwiązanie, charakteryzujące się bardzo szybką pracą:
    Odwrócony step-down - źródło napięciowe - na UC3843
    Działanie układu jest bardzo proste. Dla uproszczenia przyjmijmy że napięcie zasilające wynosi 24V.
    Napięcie wyjściowe odkłada się na rezystorze R7 oraz złączu B-E tranzystora T6.
    Napięcie UBE wynosi klasycznie 0.7V. A więc na rezystorze R7 napięcie wyniesie 4.3V, i będzie przez niego przepływał prąd 4.3mA (bo rezystor ma wartość 1k).
    Jednak tranzystor ma kolektor podłączony rezystorem do masy.
    W takim przypadku tranzystor otworzy się i zdecydowana większość prądu z rezystora R7 nie spłynie do bazy tranzystora, lecz do jego kolektora i dalej do R11.
    Z bazy będzie wypływał jedynie niewielki prąd zależny od odwrotności wzmocnienia tranzystora. Jeżeli tranzystor będzie miał wzmocnienie równie 100x, to około 1% prądu wypłynie z bazy, a około 99% wypłynie kolektorem do rezystora R11.
    A więc można w uproszczeniu przyjąć że cały prąd wypłynie kolektorem.
    W takim wypadku prąd w R11 będzie prawie równy prądowi R7. A ze względu na równość rezystancji R7 i R11, napięcia na nich także będą prawie równe.




    Taki układ pracuje jako taki powiedzmy "powielacz" napięcia. Napięcie z rezystora R7 jest powielane na rezystorze R11.
    Gdy napięcie na R7 wzrośnie do np. 8V, to napięcie na R11 również wzrośnie do 8V.
    Zmieniając proporcje rezystorów można też uzyskać zarówno tłumienie jak i wzmacnianie zmian napięcia.
    Układ ma jednak pewną małą wadę. Mianowicie "powiela" napięcie jedynie z R7, a nie całe napięcie wyjściowe. Zatem napięcie na R11 będzie zawsze mniejsze o 0.7V niż całe napięcie wyjściowe.
    Na szczęście w przypadku przetwornicy napięcia, napięcie wyjściowe jest zwykle stałe, a więc to przesunięcie napięcia nie będzie miało znaczenia. Można je bowiem skompensować odpowiednio dobierając rezystory.
    Układ ma jednak też inną niebezpieczną wadę.
    Powiela jedynie napięcia do pewnego momentu.
    Gdy napięcie na R7 będzie wzrastało, to napięcie na R11 również.
    Napięcia 5, 8V czy 10V będą konwertowane poprawnie. Zawsze UR11 będzie równe UR7.
    Natomiast po przekroczeniu napięcia 12V, stanie się coś niedobrego.
    Np. dla napięcia na R7 wynoszącego 13V, napięcie na emiterze tranzystora wyniesie 13V względem plusa zasilania 24V, czyli 11V względem masy.
    Nie będzie więc możliwości żeby tranzystor wymusił napięcie 13V na rezystorze R11, bo żeby to zrobić musiał by na kolektorze mieć napięcie wyższe niż na emiterze. A jest to niemożliwe dla tranzystora PNP.
    Zatem nastąpi inwersja, i od tej pory wraz ze wzrostem napięcia na R7, napięcie na R11 będzie już spadało.
    Jest to niebezpieczna sytuacja, bo gdyby z jakichś powodów przetwornica dała za wysokie napięcie wyjściowe, to nie będzie już możliwe zmierzenie tego napięcia. Na R11 będzie mierzone jakieś niskie napięcie, a więc UC3843 będzie myślał że napięcie wyjściowe jest niskie i będzie je próbował podnieść. Co jeszcze bardziej pogorszy sytuację.
    Zmieniając proporcje rezystorów możemy jedynie zmienić napięcie przy którym dojdzie do inwersji.
    Np. dla rezystora R11 o wartości 2 krotnie mniejszej niż R7, inwersja ta wystąpi nie w połowie zakresu (24V / 2 = 12V) lecz w 2/3 zakresu (24V * 2/3 = 18V, czyli dla 18V na R7 i 6V na R11).
    W przypadku przetwornicy chcieli byśmy żeby inwersja nie występowała nawet dla napięcia wyjściowego równego napięciu wejściowemu. Czyli dla przypadku gdy napięcie wyjściowe wyniesie 24V.
    Inwersji możemy się pozbyć dopiero dla bardzo dużej proporcji rezystorów, a to dzięki spadkowi napięcia na UBE tranzystora.
    Nawet dla bazy zwartej do masy, na emiterze będzie 0.7V, a więc kolektor będzie w stanie jeszcze wymusić na R11 napięcia od 0 do jakichś 0.5V.
    Można by więc tak dobrać wartości rezystorów żeby napięcie wyjściowe równe 24V odpowiadało 0.5V napięcia na R11, i inwersji by już nie było.
    My jednak chcemy żeby napięcie wyjściowe (czyli to na R11) mogło osiągać wartość 2.5V, bo tyle wynosi napięcie referencyjne układu UC3843.
    A więc taka metoda nic nam nie da.
    Na szczęście można sztucznie podnieść napięcie UBE tranzystora za pomocą dodania diody Zenera:
    Odwrócony step-down - źródło napięciowe - na UC3843
    W takim przypadku nawet dla napięcia wyjściowego równego 24V (czyli dla przypadku gdy linia wyjściowa oznaczona "-" będzie na poziomie masy), emiter tranzystora będzie ciągle 4V nad masą, a więc kolektor będzie w stanie wymuszać napięcia na R11 w zakresie 0...3.7V.
    Taki układ jest już pozbawiony wady z postaci inwersji.
    Natomiast warto jeszcze wspomnieć o jednej małej wadzie takiego układu. Mianowicie napięcia UBE oraz napięcie diody Zenera będzie się zmieniało z temperaturą. Z racji że te dwa elementy są połączone szeregowo, współczynnik temperaturowy wyniesie -4.4mV/K. W niektórych zastosowaniach może to mieć znaczenie. Żeby uzyskać współczynnik temperaturowy zbliżony do 0, należało by użyć diody Zenera na napięcie 6.2V. Takie diody mają zwykle współczynnik temperaturowy równy 2mV/K, co w połączeniu ze współczynnikiem temperaturowym tranzystora -2.2mV/K da w efekcie współczynnik bliski 0.
    Takie rozwiązanie sprawdzi się jednak tylko dla wysokich napięć wyjściowych. Muszą one być bowiem wyższe niż napięcie na diodzie Zenera i złączu B-E tranzystora, aby wystarczająco duża część napięcia mogła odłożyć się jeszcze na R7. Można przyjąć że na R7 powinna się odkładać co najmniej 1/3 całego napięcia wyjściowego. A więc dla diody Zenera 6.2V napięcie wyjściowe musiało by być ustawione co najmniej na 11...12V.
    Ja nie potrzebowałem wysokiej stabilności temperaturowej napięcia wyjściowego, a więc zastosowałem diodę Zenera 3.3V.

    Schemat gotowego układu wygląda tak:
    Odwrócony step-down - źródło napięciowe - na UC3843
    Napięcie wyjściowe to 8V.
    Wynika ono z napięcia diody Zenera oraz wartości rezystorów.
    Układ UC3843 stara się ustabilizować napięcie na swojej nóżce VFB na wartości 2.5V.
    A więc takie napięcie musiało by występować na R11 o wartości 1k. Zatem przez R11 musi płynąć prąd 2.5mA.
    Żeby uzyskać taki prąd to praktycznie taki sam prąd będzie musiał przepłynąć przez R7. Skoro ma on wartość 1.6k, to spadek napięcia na nim wyniesie 4V.
    Do tego dochodzi spadek napięcia na złączu B-E tranzystora oraz na diodzie Zenera. 0.7V + 3.3V = 4V.
    4V + 4V = 8V. Zatem napięcie wyjściowe będzie stabilizowane na wartości 8V, licząc od plusa zasilania (24V) w dół.
    Dodatkowo zrobiłem sobie opcję podniesienia napięcia wyjściowego do 12V, poprzez dołączenie dodatkowego rezystora równolegle do R11.
    Rezystor R9 ma za zadanie zasilać diodę Zenera odpowiednim prądem. Bez niego dioda zasilała by się tylko prądem bazy tranzystora, a jak wcześniej pisałem jest on bardzo mały (jest to drobny ułamek prądów w R11 i R7, które swoją drogą też były by za małe dla diody Zenera). Rezystor D9 trzeba dobrać dla zapewnienia diodzie prądu około 5mA przy zakładanym napięciu wyjściowym (u mnie 8V, więc wyszedł R9 ≈ 1k).
    Pozostałe elementy przetwornicy są typowe i działają tak samo jak w przetwornicy z tematu "Odwrócony step-down - źródło prądowe - na UC3843", a więc nie będę ich już opisywał.
    Jedyną różnicę jest jeszcze tylko stabilizator napięcia 15V (wymagany, skoro przetwornica ma być zasilana napięciami tak wysokimi jak 24V) oraz dodany tranzystor T5 (pracujący jako Slope-Compensation wymagane przy pracy z napięciowym sprzężeniem zwrotnym).

    Cały układ wykonałem jako zasilacz do lodówki turystycznej 12V mającej być używanej w TIRze z instalacją 24V.

    2 3
  • #2 17 Lut 2017 08:21
    _lazor_
    Moderator Projektowanie

    Nie pozwolenie by kondensatory załadowały się pełnym napięciem zasilania. W sumie taki dzielnik napięcia pojemnościowo-indukcyjny powstaje.
    Tak sobie myślę, że bez problemów można dać dzielnik napięcia bezpośrednio do "wirtualnej" masy. Zrobię symulację w falstadzie jak znajdę chwilę czasu.

    0
  • Pomocny post
    #3 20 Lut 2017 01:39
    feryster

    Poziom 16  

    @atom1477

    Bardzo ładne rozwinięcie, szkoda tylko, że zrezygnowałeś z możliwości ograniczenia strat w rezystorze Rsense (u Ciebie R15-R18) - osobiście użyłbym dwóch rezystorów SMR 0R051 3W lub WSR3 0R05 3W i ograniczył spadek napięcia na nich do 350mV (razem 14A).

    Zaskakuje, że dla obciążenia rzędu 10 A ustalasz prąd szczytowy dławika na poziomie 18 A przy deklarowanym prądzie dławika ledwie 10 A - osobiście użyłbym raczej DTMSS-40/0,068/30, który przy 18A ma jeszcze ok. 40 µH, co zapewnia poprawną pracę przy pełnej możliwej mocy (prąd wyjściowy ok. 16A) i bardzo dobre parametry przy obciążeniu 10 A.

    0
  • #4 20 Lut 2017 07:32
    atom1477
    Poziom 43  

    Hm, dziękuję za zwrócenie uwagi. U mnie taki układ zmniejszający straty jest (Tylko dołączony od strony druku, stąd zabrakło go na schemacie. Układ zbudowałem ponad rok temu i o tym zapomniałem.). A przy okazji ten układ ogranicza też prąd klucza do około 10A (pewien wpływ na ograniczanie ma też T5 i R4).
    Poprawiłem schemat w pierwszym poście (ten rezystor to R20, nie pamiętam czy miał dokładnie 10k ale chyba tak).
    Dławik nawinąłem samodzielnie. Utrzymywał on jeszcze z 60µH przy prądzie 10A.
    Faktycznie można było wspomnieć o tym dławiku. Gdy się użyje gotowego to trzeba zwrócić uwagę na charakterystykę jego indukcyjności w zależności od prądu. Czyli w praktyce wybrać dławik na większy prąd.

    0