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

Przetwornice Push-Pull bez dławika wyjściowego - herezja czy objaw geniuszu?

CosteC 08 Sty 2019 21:47 4617 44
  • Niedawno opublikowany artykuł "Najprostsza przetwornica impulsowa do TDA7294" mimo wyczerpującej natury i szczegółowości przyciągnął heretyków którzy wierzą, że przetwornice push-pull nie potrzebują dławika wyjściowego bo działają i jakoby działały równie dobrze.

    Pora więc sprawdzić co daje dławik wyjściowy w tak prostej przetwornicy. Jako przykład do symulacji wybrałem przetwornicę z poprzedniego artykułu. Do symulacji poczyniłem następujące uproszczenia:
    - Transformator jest idealny (brak rozproszenia i rezystancji). Indukcyjności są przyjęte tylko aby zachować przekładnię 3:7.
    - Dławik wyjściowy jest idealny (brak rozproszenia i rezystancji)
    - Ścieżki na PCB są idealne (bez indukcyjne i nadprzewodzące)
    - Kondensatory wyjściowe 4700 uF 50 V mają ESR reprezentatywnego NICHICON'a UVR1H472MRD6: 34 mOhm. Raczej dobry kondensator.
    - Kondensatory wyjściowe 100 nF maja ESR 10 mOhm.
    - Rezystory obciążenia są dobrane dla około 2x 50 W obciążenia jako, projekt był dla około 100 W mocy wyjściowej
    - Napięcie zasilania to 14.4 V - założyłem zastosowanie car-audio i idealny akumulator.
    - Częstotliwość kluczowania 30 kHz - bardzo niska jak na dzisiejsze standardy.
    - Modele diod i kluczy z bibliotek LTSpice.
    - Pomiary dokonane po ustaleniu się stabilnego punktu pracy ( 50 okresów kluczowania, wstępne naładowanie kondensatorów)

    Uproszczenia są znaczne ale nie powinny zaciemnić podstawowych różnic w sposobie pracy obu wersji. Nie jest to praca doktorska tylko pokaz sklecony w 15 minut. Symulacja w LTSPICE XVII. Szczerze powiedziawszy sam byłem ciekawy jak duże będą różnice i czy krytyczne dla konstrukcji czy też tylko pogorszą parametry użytkowe.

    Schemat:
    Przetwornice Push-Pull bez dławika wyjściowego - herezja czy objaw geniuszu?
    Plik symulacji jest w załącznikach.

    Wykresy podstawowych wielkości dla wersji z dławikiem sprzężonym:
    Przetwornice Push-Pull bez dławika wyjściowego - herezja czy objaw geniuszu?
    Wykresy podstawowych wielkości dla wersji bez dławika:




    Przetwornice Push-Pull bez dławika wyjściowego - herezja czy objaw geniuszu?

    Podsumowanie







    AspektDławik 2x 10 uH Bez dławika Różnica
    C1 RMS ripple 128 mA (0.30 App)330 mA (2.2 App)2.3x gorzej
    V.out+ ripple 9.7 mVpp75 mVpp 7.9x gorzej
    Straty na C1 2.21 W 3.00 W 1.3x gorzej
    Straty na D1 0.533 W 0.614 W 1.15x gorzej
    Straty na M1 0.518 W 1.56 W 3x gorzej
    Prąd wejściowy RMS 6.7 A 7.64 A 1.14x gorzej


    Wnioski:
    Osobiście nieco zaskoczył mnie mały wzrost strat diod wyjściowych, spodziewałem się też większego wzrostu strat kondensatów wyjściowych.
    Wersja bez dławika działa, daje też ciut wyższe napięcie wyjściowe. Bez dławika spada sprawność i dramatycznie rosną szumy. Półprzewodniki pracują z wyższymi prądami.

    Wnioski pozostawiam wam.

    Czy katowanie kondensatorów wyjściowych 2.3 razy wyższym prądem RMS i ponad 7 razy wyższym szczytowym jest warte oszczędności? Trudno policzyć wzrost ich temperatury ale nie da się zaprzeczyć, że wystąpi i skróci ich żywotność.
    Czy trzy razy wyższe straty na kluczach są opłacalne? Pomijam już resztę.
    Czy zmiana prądów trójkątnych (a więc narastających powoli) na praktycznie prostokątne i związane z tym przepięcia i emisja zakłóceń jest akceptowalna?
    Czy do zastosowań audio właściwym jest podnosić szumy na zasilaniu 8 razy w imię braku jednego dławika na używanym rdzeniu z zasilacza ATX?

    Jeśli istnieją merytoryczne argumenty przeciwko dławikowi wyjściowemu (poza kosztem, który to argument bardzo łatwo obalić w tym przykładzie) to zapraszam do dyskusji.


    Fajne! Ranking DIY
  • Mitronik
  • #2 09 Sty 2019 07:29
    noel200
    Poziom 24  

    Dławik gromadzi energię. Dlatego bez niego tak drastycznie pogorszyły się warunki pracy.
    Ale dławik często jest dla początkujących elektroników niepojętym do końca komponentem elektronicznym. W tym dla mnie. Jak kupić do jakiejś aplikacji, to jaki? Jak dobrać? O nawijaniu to już całkiem mowy nie ma. Trzeba kupić drut, rdzeń... A jaki ten rdzeń? Tyle ich jest...
    Więc jak jest okazja zbudować coś co działa tak samo, ale bez dławika nawet z większą ilością komponentów półprzewodnikowych czy kondensatorów to często właśnie ta droga jest wybierana.

  • #3 09 Sty 2019 07:50
    Strumien swiadomosci swia
    Poziom 43  

    Tak się skłąda że żaden wzmacniacz nie ma dławika na wyjściu, fabryczny czy niefabryczny.

  • Mitronik
  • #4 09 Sty 2019 08:06
    quniq
    Poziom 21  

    Jeżeli mowa o końcówkach klasy d, to tam jako dławik pracuje cewka głośnika. Zazwyczaj.

  • #5 09 Sty 2019 08:13
    zgierzman
    Poziom 19  

    Strumien swiadomosci swia napisał:
    Tak się skłąda że żaden wzmacniacz nie ma dławika na wyjściu, fabryczny czy niefabryczny.


    A artykuł jest o wzmacniaczu, czy o zasilaczu do wzmacniacza?
    Bo to jakby dwa różne urządzenia są. Nawet jeśli znajdują się na wspólnej płytce drukowanej...

  • #6 09 Sty 2019 09:40
    _lazor_
    Moderator Projektowanie

    Filtry stosuje się w zależności od zapotrzebowania... To nie jest religia że coś jest dogmatem. Jeśli z obliczeń wyjdzie że trzeba zastosować filtr to trzeba go zastosować, a jeśli wartość zakłóceń bez filtra nam nie przeszkadza to go nie stosujemy...

  • #7 09 Sty 2019 11:58
    Janusz_kk
    Poziom 17  

    _lazor_ napisał:
    Filtry stosuje się w zależności od zapotrzebowania... To nie jest religia że coś jest dogmatem.

    Dławik nie jest filtrem, do tego by wystarczył opornik czyli zwykły człon RC, dławik gromadzi energię i potem ją oddaje
    łagodzi w ten sposób uderzenia prądowe, juz ta prosta symulacja pokazuje że 2,3 krotnie.

  • #8 09 Sty 2019 12:03
    _lazor_
    Moderator Projektowanie

    Mhm, RC to filtr a LC to już magiczne gromadzenie energii w polu magnetycznym? Zastanów się dlaczego nie używa się filtra RC tylko LC...

    Common mode choke to również filtr... tak dla rozwiania wątpliwości.

    LC to również filtr i tak się go rozpatruje.

  • #9 09 Sty 2019 13:03
    Strumien swiadomosci swia
    Poziom 43  

    Jest takie coś jak stałość przepływu prądu i dławik oczywiście ogranicza narosty prądu łądującego kondensatory.

  • #10 09 Sty 2019 13:34
    Qdlaty78
    Poziom 12  

    Polecam program 2 klasy technikum elektronicznego, elektronika analogowa.
    Elektronika - Chwaleba, Moeschke, Płoszajski
    Przewodnik po elektronice - Mirosław Rusek, Robert Ćwirko.

    Dla rozrywki - Sztuka Elektroniki.

    Sorry, ale projektując układ, trzeba zacząć od tego co on ma robić. Warunki pracy i oczekiwane efekty. Zasilacz: jakiego przebiegu napięcia oczekujemy? Stabilizowanego, bezszumnego, idealnego? to musimy znać układ zasilany i jego parametry zastępcze RLC. Taki układ podłączamy do zasilacza w topologi jaka nam pasuje. Liczymy parametry filtra wyjściowego. Tak, ostatnim etapem "przygotowania napięcia" jest jego filtracja i zawsze jest to filtr RC lub LC.

    Push-pull jest generatorem prostokąta, obciążanym przez odbiór energii z rdzenia przez uzwojenie wtórne. Z samym kondensatorem na wyjściu będzie działało, ale udary prądowe jakie przy rozładowywaniu będą walić w kondensator na wyjściu są potężne. I tu mała rada dla zrozumienia pojęcia dławika: Jak wam gdzieś na linii pojawiają się szpilki napięcia się, to co się wstawia na pałę niemal? Pojemność równoległą! Działa jak "taki tłumik". A co dla prądu stanowi taki "tłumik"? Indukcyjność moi mili. Szeregowa. A dla dociekliwych polecam książki z początku wpisu, tylko uwaga, tam mogą być całki!

  • #11 09 Sty 2019 13:46
    _lazor_
    Moderator Projektowanie

    Nie zapominaj jeszcze o koralikach ferrytowych. One już zamieniają na ciepło wszystkie zakłócenia wyższej częstotliwości (widziane jako rezystancja dla tych zakłóceń) a nie tylko tłumią zakłócenia (dławik jest widziany jako reaktancja dla zakłóceń)

  • #12 09 Sty 2019 13:48
    Janusz_kk
    Poziom 17  

    _lazor_ napisał:
    LC to już magiczne gromadzenie energii w polu magnetycznym? Zastanów się dlaczego nie używa się filtra RC tylko LC...

    Może zacznij od siebie, pisałem o L czyli o dławiku to że może być filtrem LC to nie wszystko, RC też może być ale nie ma tych własności co LC.

  • #13 09 Sty 2019 13:49
    lechoo
    Poziom 39  

    W rzeczywistym układzie indukcyjności rozproszone i pasożytnicze częściowo skompensują brak dławików wyjściowych... Przydałoby się wykonanie układu doświadczalnego i wykonanie na nim pomiarów.

  • #14 09 Sty 2019 13:53
    Janusz_kk
    Poziom 17  

    Ale my o tym wiemy, tyle że zakładanie tego jest błędem projektowym.

  • #15 09 Sty 2019 14:03
    _lazor_
    Moderator Projektowanie

    Jak już pisałem common mode choke też jest filtrem...
    https://www.we-online.com/web/en/passive_comp...m/blog_detail_electronics_in_action_61439.php

    sama indukcyjność jest również filtrem RL w szeregu z obciążeniem... Ogólnie skąd czerpiesz wiedzę że twierdzisz że dławik nie jest filtrem?!

  • #16 09 Sty 2019 14:05
    CosteC
    Poziom 26  

    Zastanawiam się na ile wyznawcy car-audio są ratowani w swoich projektach przez słabe wykonanie transformatorów. Przy transformatorze idealnym prądy ładowania ładowania są potężne ale co się dzieje gdy trafo jest kiepskiej jakości? Może za dławik im służy indukcyjność rozproszenia? Próbował ktoś?

  • #17 09 Sty 2019 14:08
    _lazor_
    Moderator Projektowanie

    Ja próbowałem wykorzystywać indukcyjność rozproszenia kiepsko nawiniętego transformatora do zrealizowania miękkiego przełączania w układzie rezonansowym. Spora tam jest indukcyjność.

  • #18 09 Sty 2019 14:14
    Janusz_kk
    Poziom 17  

    _lazor_ napisał:
    dławik nie jest filtrem?!

    Gdzie tak napisałem?
    Napisałem że jest czymś więcej niż tylko filtrem, jakby tylko to miał zadanie to wystarczyłoby zwykłe R.

    Dodano po 1 [minuty]:

    CosteC napisał:
    Może za dławik im służy indukcyjność rozproszenia?

    Tyle że ona daje piki napięcia na kluczach, i albo snubery się dodatkowo grzeją albo
    tranzystory kiedyś padną.

  • #19 09 Sty 2019 14:53
    rb401
    Poziom 34  

    CosteC napisał:
    Osobiście nieco zaskoczył mnie mały wzrost strat diod wyjściowych, spodziewałem się też większego wzrostu strat kondensatów wyjściowych.
    Wersja bez dławika działa, daje też ciut wyższe napięcie wyjściowe. Bez dławika spada sprawność i dramatycznie rosną szumy. Półprzewodniki pracują z wyższymi prądami.


    Przyglądnąłem się bliżej Twojej symulacji, wywaliłem z niej dławiki i widzę że program nie jest nawet w stanie "przetrawić" takiej bzdury układowej. Na drenach widać jakieś szpilki 800A, których nie widać na uzwojeniach a powinny być bo to w szeregu itp. .
    Z tego co widzę, analiza "bezdławikowego forward" na tej symulacji zupełnie nie odzwierciedla (ponurej) rzeczywistości. Choćby z Twojego założenia K=1 dla transformatora. Jeśli nieco obniżyć k np. do 0,999 to już symulacja działa bardziej sensownie z tym sam układ działa gorzej np. na uzwojeniach powstają spore oscylacje (co w praktyce jest odczuwalne jako sianie na RF). Tak że oceniam, szacowanie ilościowe skutków braku dławików, tak na sucho będzie obarczone dużą niepewnością.

    Myślę że mit o niekonieczności dławików w forward, wziął się z tego że w rzeczywistym układzie transformator będzie miał k<1 i obecność indukcyjności rozproszenia i rezystancji elementów (uzwojenia, ścieżki, ESR itd. ) ratuje układ przed natychmiastowym pójściem z dymem. Ale poleganie na tych indukcyjnościach to dziadostwo łagodnie mówiąc, bo nie są w tym miejscu gdzie trzeba. A generalnie dławiki nie pełnią w układzie roli "kosmetycznej' tylko wręcz fundamentalną dla tej konfiguracji, tak że dyskusja czy są potrzebne jest w zasadzie pozbawiona sensu.

  • #20 09 Sty 2019 16:01
    CosteC
    Poziom 26  

    @rb401 Dyskusję o konieczności dławików podjąłem bo niejaki @NIXIE_123 wystąpił jako adwokat bezdławikowości, nie on pierwszy i nie ostatni.
    W symulacji użyłem z lenistwa dławików 1 nH jako "braku dławika" co praktycznie daje zero, ale jak widać też wspomaga symulację. Bez nich rzeczywiście prądy powinny sięgać 14.4V/34mOhm czyli rzędu 400 A. Nie chciało mi się natomiast szacować rezystancji ścieżek, uzwojeń, mierzyć praktyczne rozproszenie transformatorów bo zacząłem podejżewać że to to ratuje dziadowskie car-audio. Tyle że IMHO te konstrukcje muszą być straszne - aby uratować przetwornicę 500 W trzeba rozproszyć mnóstwo ciepła...

  • #21 09 Sty 2019 16:04
    mkpl
    Poziom 37  

    Dławiki muszą być!. Napięcie za dławikiem zawsze będzie mniejsze bo kontroler nigdy nie wystawi 100% wypełnienia.

    Dławik ogranicza przede wszystkim prąd udarowy w układzie. Bez dławika ten prąd jest ograniczony wyłącznie rezystancjami w obwodzie i jakością (rozproszeniem) transformatora.

    W wzmacniaczach CA się go na wyjściu nie daje ale on jest po stronie pierwotnej transformatora i działa dokładnie tak samo. Przykład dla niedowiarków choćby przetwornica "ZVS" tez ma dławik ograniczający prąd przełączania.

    Kondensatory maja czas życia. Mają też ESR , poza esr mają też maksymalny prąd tętnień podawany w mA RMS przy 25*C. Sprawa rozbija się o moc wydzielaną w kondensatorze. Każde 5*C wynikłe z mocy wytracanej w ESR kondensatora skraca jego czas życia o połowę. Typowy czas życia to 1000h więc niewiele. Im lepszy kondensator z niższym ESR tym bardziej cierpi bo prądy udarowe są większe. Dlatego w wzmacniaczach audio kondensatory wcale nie są niskoprodukcyjne.

    Mając już ten dławik w układzie wystarczy wprowadzić proste sprzężenie zwrotne dla jednej z gałęzi i napięcie wyjściowe będzie stabilizowanie, niezależne od napięcia akumulatora oraz "uderzeń" basu. Co ciekawszym polecam pooglądać co się dzieje w takiej sytuacji z wzmacniaczami samochodowymi.

  • #22 09 Sty 2019 16:48
    Strumien swiadomosci swia
    Poziom 43  

    mkpl napisał:
    Mając już ten dławik w układzie wystarczy wprowadzić proste sprzężenie zwrotne

    Nie wiem czy jesteś projektantem czy nie ale to prawda bez dławika nie działa sprzężenie zwrotne pętli stabilizacji.
    I za Hu..... nie ustabilizujemu napięcia. Bo non stop jest napiecie wyznaczone przekładnią transformatora.
    Tylko o wypełnieniu zależnym od losu.

    Zasilacze tv nie mają dławików o prawidłowej indukcyjności i kondensatory wysychają jak żaby w lipcu.

  • #23 09 Sty 2019 19:02
    manski
    Poziom 21  

    Na wyższych uczelniach gdzie wykładany jest przedmiot energoelektronika , studentom wpajane są dwie święte zasady komutacji : 1. Prąd w indukcyjności nie może zmienić się skokowo . 2. Napięcie na kondensatorze nie może zmienić się skokowo . Budowanie przetwornicy forward ( a push-pull jest jedną z wersji forward ) bez dławików wyjściowych jest pogwałceniem tych zasad komutacji . Ktoś kto trochę "liznął" teorii energoelektroniki nie zniży się do zbudowania przetwornicy pracującej wbrew zasadom , choć taka przetwornica zbudowana z pogwałceniem teorii będzie pracować , ale taka praca jest zgodna z powiedzeniem " ludzie jedzcie g*wno , miliony much nie mogą się mylić " . Co ciekawe przetwornica bez dławików działa tym lepiej im gorzej jest wykonana bo wtedy rolę dławików przejmuje indukcyjność rozproszenia transformatora . Na elektrodzie jest kilka opisów jak ktoś spróbował powtórzyć sukces "bezdławikowca" i zrobił konstrukcję tak dobrze i tak dokładnie że paliły mu się tranzystory , lub gotowały elektrolity . Ale cóż w dobie "dzieci neostrady" większość ma rację bo jest ich więcej , tak jak powtarzana bezmyślnie nazwa pewnej przetwornicy ( głównej w układach HV ) " Flyback ZVS" i nie wytłumaczysz ignorantowi że flyback i ZVS się nawzajem wyklucza ( jak "masło margarynowe" , lub "margaryna maślana" ) , po prostu ktoś puścił w sieć taką nazwę i ona żyje własnym życiem , choćby była bez sensu .

  • #25 09 Sty 2019 19:27
    _lazor_
    Moderator Projektowanie

    flyback i ZVS się nie wykluczają. Cóż TI w końcu zrobił swój sterownik "High Frequency Active Clamp Flyback Controller". Że algorytm jest złożony? No jest, ale ZVS też jest.

    W sumie dlaczego push-pull jest aż tak popularna na elektrodzie? Głównie topologię push-pull spotykam na elektrodzie.

  • #26 09 Sty 2019 19:29
    Strumien swiadomosci swia
    Poziom 43  

    _lazor_ napisał:
    W sumie dlaczego push-pull jest aż tak popularna? Głównie topologię push-pull spotykam na elektrodzie.


    Bo jest jednotaktowa, rdzeń mały-moc duża, bez szczeliny, półprzewodniki na względnie niskie napięcie, prosty transformator czasami z ATX, popularne i tanie sterowniki.

  • #27 09 Sty 2019 19:59
    CosteC
    Poziom 26  

    Dodam że push-pull używa dwóch uziemionych kluczy zamiast jednego pływającego jak na przykład half-bridge albo dwu kluczowy flyback. To bardzo ułatwia sterowanie nieśmiertelnym a przestarzałym TL494. Tryb prądowy też jest zbyt trudny do ogranięcia, a napięciowy na TL494 wymaga tylko policzenia przekładni. Tania i prosta jeśli jeszcze pominąć dławik, no i działa bez sprzężenia zwrotnego które jest dla wielu złem i źródłem problemów. @mansky chyba powiedział resztę.

    Ogólnie ideał dla kogoś kto potrzebuje coś do car-audio. Smuci mnie stan amatorskiej elektroniki.

  • #28 09 Sty 2019 20:06
    Strumien swiadomosci swia
    Poziom 43  

    CosteC napisał:
    Smuci mnie stan amatorskiej elektroniki.

    A kto w ogóle tworzy takie wydumki, nikt . Każdy kupuje chiński badziew.
    Elektronika analogowa jest piękna.

  • #29 09 Sty 2019 20:12
    CosteC
    Poziom 26  

    Ta w sumie zawodowej też. Rekrutacja młodych to dramat. Polutował moduliki z Aliexpress i jest "embedded developerem", składa układy bez zrozumienia i jest "electronic designer", powtórzy kilka fraz bez sensu i "level expert unlocked". Chińczycy na zjedzą. Tam się czegoś wymaga nawet jak się produkuje chłam. Ba, jak trudno jest tak tanio produkować tak działający chłam. A oni potrafią robić dobrze. Polacy coraz rzadziej.

  • #30 09 Sty 2019 20:20
    Strumien swiadomosci swia
    Poziom 43  

    Swoją pierwszą p-p zrobiłem w 1998r na sg3524 i buz11 i trafku od atx wtedy mosfety dopiero wchodziły na rynek.
    Zasilało to końcówkę mocy na kd502.
    Dzisiaj nie ma z kim nawet na necie podyskutować o takich rzeczach, o kW przetwornicach czy podobnych sprawach np. buck 24/12V lub regulowane.