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.

Rzadko zadawane pytania: przetwornica do zasilania w czterech ćwiartkach

ghost666 12 Mar 2021 19:31 2253 16
  • Rzadko zadawane pytania: przetwornica do zasilania w czterech ćwiartkach
    Pytanie: Co to jest zasilacz czterokwadrantowy?

    Odpowiedź: Jest to taki zasilacz, który może pracować we wszystkich czterech ćwiartkach układu współrzędnych I/V, tj. może wytwarzać dodatnie i ujemne prądy oraz napięcia.

    Chociaż proste przetwornice napięcia mogą generować napięcie stałe na swoim wyjściu, wykorzystując do tego napięcie wejściowe, to istnieją aplikacje, w których to nie wystarczy. Przykładem niech będzie sterowanie napięcia w punkcie, do którego podłączone są kondensatory. Kondensatory te mogą być naładowane do dowolnego napięcia. Jeśli trzeba wymusić w punkcie niższe napięcie, to konieczne jest przynajmniej częściowe rozładowanie tego elementu. Oznacza to, że w takim zastosowaniu zasilacz musi być w stanie nie tylko dostarczać, ale także odprowadzać prąd, zgodnie z wymaganiami chwili. Taki zasilacz nazywa się czterokwadrantowym, lub inaczej – zasilaczem pracującym w czterech ćwiartkach. Do takich zastosowań można użyć np. zasilacza z funkcją rozładowywania kondensatora na wyjściu. Może on szybko rozładować kondensatory wyjściowe. Rysunek 1 przedstawia taką funkcję dla stabilizatora impulsowego, który obniża napięcie. Przełącznik S2 jest włączany na dłuższy okres, po wyłączeniu działania przetwornicy typu buck celem rozładowania kondensatora wyjściowego.

    Rzadko zadawane pytania: przetwornica do zasilania w czterech ćwiartkach
    Rys.1. Rozładowywanie kondensatora wyjściowego poprzez prosty układ do tego dedykowany.


    Elegancki sposób sterowania prądami i napięciami zapewnia czterokwadrantowa przetwornica DC/DC. Typowa przetwornica typu buck działa tylko w jednej ćwiartce. Może ona generować dodatnie napięcie z dodatnim przepływem prądu; to znaczy, że prąd płynąć może tylko z wyjścia przetwornicy do jej obciążenia. Napięcie na wyjściu przetwornicy zawsze będzie tylko dodatnie, względem masy układu.

    Dzięki przetwornicy czterokwadrantowej można nie tylko rozładować kondensatory wyjściowe, ale także wygenerować napięcie ujemne. Jest to możliwe, ponieważ prąd może płynąć w kierunku obciążenia lub być odbierany od obciążenia. Tak jest w przypadku poprzedniego układu o szybkim rozładowaniu kondensatorów wyjściowych. Czterokwadrantowa przetwornica DC/DC może zrobić jeszcze więcej. Oprócz generowania napięć może również konfigurować prąd na dowolnym poziomie. Prąd ten może być dodatni lub ujemny. Takie przetwornice pracujące w czterech ćwiartkach są często używane w uniwersalnych zasilaczach laboratoryjnych. Użytkownik takiego systemu może na przykład przetestować diodę LED przy stałym ustawieniu prądu wyjściowego. Można również badać np. ogniwo słoneczne, z pomocą czterokwadrantowego przetwornika, który może działać jako obciążenie, które pochłania z góry określony prąd.

    Innym ciekawym zastosowaniem takich układów jest przyciemnianie wyświetlaczy LCD lub przyciemnianie szyb, z wykorzystaniem tej technologii. Często wymaga to precyzyjnie ustawionego napięcia w zakresie zarówno dodatnim, jak i ujemnym, aby uzyskać odpowiedni poziom zacienienia w zależności od dostępnego światła i żądanej jasności w pomieszczeniu.

    Rysunek 2 pokazuje, co oznaczają cztery ćwiartki w odniesieniu do źródła zasilania. Kwadranty układu współrzędnych są przedstawione z napięciem na osi X i prądem na osi Y. Prąd i napięcie mogą być dodatnie lub ujemne.

    Rzadko zadawane pytania: przetwornica do zasilania w czterech ćwiartkach
    Rys.2. Czterokwadrantowy przetwornik napięcia.


    Przetwornica DC-DC może być zatem używany jako źródło energii i jej pochłaniacz. Innymi słowy, układ taki może działać jako źródło zasilania lub obciążenie elektryczne. LT8714 firmy Analog Devices to kontroler do czterokwadrantowego stabilizatora napięcia. Posiada on wszystkie funkcje wymagane dla tego typu regulacji. Na przykład za pomocą tego układu można precyzyjnie utrzymać napięcie 0 V na wyjściu. Rysunek 3 przedstawia uproszczony schemat obwodu z omawianym sterownikiem i stopniem mocy. Ten ostatni składa się z dwóch cewek L1 i L2, dwóch kluczy Q1 i Q2 oraz kondensatora sprzęgającego CC. Wyjaśnienia dotyczące odpowiednich operacji w każdym z kwadrantów, a także zachowania przy przejściu z jednej ćwiartki do drugiej można znaleźć w karcie katalogowej LT8714.

    Rzadko zadawane pytania: przetwornica do zasilania w czterech ćwiartkach
    Rys.3. Uproszczony schemat obwodu przedstawiający topologię czterokwadrantowego przetwornika napięcia.


    W niektórych zastosowaniach wymagany jest zasilacz działający w czterech kwadrantach. Można go łatwo zbudować za pomocą zoptymalizowanego, scalonego kontrolera, takiego jak LT8714. Konstrukcja obwodu jest bardzo prosta, a jego działanie, szczególnie wokół często krytycznego punktu zwrotnicy 0 V, jest czyste i niezawodne.

    Istnieją alternatywy dla stosowania regulatora czterokwadrantowego, takie jak przełączanie topologii stabilizatorów, które muszą być połączone ze sobą równolegle, aby umożliwić funkcjonowanie w wielu ćwiartkach. Jednak rozwiązanie takie jest często bardziej kosztowne w porównaniu ze stosowaniem dedykowanego rozwiązania czterokwadrantowego.

    Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-183.html

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 10322 posts with rating 8606, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Computer ControlsComputer Controls
  • Computer ControlsComputer Controls
  • #3
    ghost666
    Translator, editor
    Szyszkownik Kilkujadek wrote:
    ghost666 wrote:
    W niektórych zastosowaniach wymagany jest zasilacz działający w czterech kwadrantach.

    Gdzie na przykład?


    Do charakteryzacji ogniw PV lub jako symulator akumulatorów.
  • #4
    TechEkspert
    Editor
    Czy taki układ to czasem nie jest serce Source Measure Unit (SMU)?
    Testowałem kiedyś takie urządzenie: SMU.
  • #5
    arkady25
    Level 16  
    ghost666 wrote:

    Do charakteryzacji ogniw PV lub jako symulator akumulatorów.


    To ja też zapytam, gdzie na przykład, bom ciekaw?
    Przykład z ogniwami PV i akumulatorami nie jest właściwy.
    Umyślnego przebiegunowania akumulatorów kwasowych raczej nie robi się codziennie.
  • #6
    Marek_Skalski
    VIP Meritorious for electroda.pl
    Wystarczy otworzyć ds-a, a tam takie aplikacje:
    Four Quadrant Power Supplies - logiczne, przecież to jest taki właśnie zasilacz ;)
    Bidirectional Current Sources - może do symulacji układów o zmiennej reaktancji?
    High Power, Low Frequency Signal Amplification - niestety, nie wiadomo jak niska jest ta częstotliwość.
    Test and Measurement - tutaj to wszystko można wrzucić ;)
    Electronic Window Tinting - to jest chyba najciekawsza aplikacja - duże powierzchnie LCD?

    Ogólnie, to goście z Analoga robią ciekawe rzeczy, tylko czasami są kompletnie niepraktyczne, a przynajmniej w zastosowaniach cywilnych.
  • #7
    krisRaba
    Level 30  
    To ja podam życiowy przykład :D Zasilanie sterownika silnika DC, który w określonych stanach pracy robi za generator.
    Zwykły zasilacz w stanach dynamicznycznego hamowania się obraża, bo zaczyna działać zabezpieczenie nadnapięciowe na wyjściu.
    Są klocki do wstawienia pomiędzy zasilacz a sterownik silnika, by tak się nie działo, ale alternatywą jest właśnie zasilacz czterokwadrantowy, którego wzrost na szynie zasilania nie martwi, bo jest w stanie zdławić obce napięcie.
  • #8
    Marek_Skalski
    VIP Meritorious for electroda.pl
    A jesteś pewien, że ten układ może współpracować z silnikami? Nie bardzo widzę możliwość oddawania energii na stronę zasilania lub zamianę w ciepło, więc chyba nie do tego był projektowany. Nawet gdyby ten układ mógł robić za rekuperator, znowu rozbijemy się o zasilacz, który jest gdzieś wcześniej w instalacji, a jeżeli trzeba mu dołożyć jakieś akumulatory energii, to wracamy do istniejących już rozwiązań stosowanych od lat. Tutaj pojemności C_IN oraz C_OUT są dość skromne, symboliczne wręcz.
    Warto zauważyć, że przedmiotowy układ nie nadaje się do pracy w sieci 115 lub 230 V AC, nie mówiąc o wyższych napięciach jakie są w elektrykach.

    Na stronie 34. widać układ zawierający ogniwo Peltiera (jeżeli dobrze rozszyfrowałem TEC). I tutaj już ma to sens, ponieważ do tej pory sterowanie takie robiono za pomocą PWM, np. układ DRV593, który jest kilka razy droższy. Z drugiej strony, po doliczeniu tranzystorów, rezystorów pomiarowych (shunts) i drobnicy, to koszt pewnie wyjdzie podobny.
  • #9
    zgierzman
    Level 29  
    arkady25 wrote:
    Przykład z ogniwami PV i akumulatorami nie jest właściwy.
    Umyślnego przebiegunowania akumulatorów kwasowych raczej nie robi się codziennie.


    Nie, nie podłącza się akumulatorów z odwrotną polaryzacją.

    Ale zasilacz który może udawać akumulatory nie jest prosty w swojej konstrukcji.

    Musi pobierać prąd kiedy do zacisków ma przyłożone napięcie w pewnych zakresach, a oddawać prąd kiedy to napięcie jest niższe niż zadane.

    To jest praca w I i IV kwadrancie, i po to buduje się takie zasilacze - żeby móc testować przy ściśle określonych parametrach i nie zastanawiać się nad kondycją jakiegoś testowego akumulatora.

    Akumulatory mają inne napięcie podtrzymania, powiedzmy 14,2 V, a inne napięcie kiedy są odłączone od ładowarki. 12 z kawałkiem, no może 13 z wąsem jeśli są nowe. Jeśli podłączysz ładowarkę, która ma na wyjściu 14,2 V to akumulator będzie prąd pobierał (ładowanie), ale w instalacjach PV aku pracuje w cyklach ładowanie-rozładowanie, więc równie często prąd oddaje.
  • #10
    krisRaba
    Level 30  
    Marek_Skalski wrote:
    A jesteś pewien, że ten układ może współpracować z silnikami?

    Nie odnosiłem się konkretnie do układu z artykułu, tylko zasilacza czterokwadrantowego ogólnie.
    Mam takie rozwiązanie w jednym projekcie i mimo że za cenę jednego zasilacza czterokwadrantowego mógłbym kupić 4 inne tej samej mocy, to było to najszybsze rozwiązanie problemu ;-)
    Z kolei w innym projekcie, po tamtych doświadczeniach mam już układ z rezystorem "hamującym" i sterownik można zasilać z byle czego ;-)
  • #11
    arkady25
    Level 16  
    zgierzman wrote:
    ...
    Ale zasilacz który może udawać akumulatory nie jest prosty w swojej konstrukcji.

    Musi pobierać prąd kiedy do zacisków ma przyłożone napięcie w pewnych zakresach, a oddawać prąd kiedy to napięcie jest niższe niż zadane.
    ...


    Ale przecież symulator akumulatora nie musi odwracać polaryzacji, więc nie musi pracować w czterech ćwiartkach.
    Mi datasheet trochę rozjaśnił, ale pierwsze przykłady były nieprzemyślane .
  • #12
    zgierzman
    Level 29  
    arkady25 wrote:
    Ale przecież symulator akumulatora nie musi odwracać polaryzacji, więc nie musi pracować w czterech ćwiartkach.


    Ale są aplikacje, gdzie potrzeba pracować np. w I i II, albo w I i III...

    arkady25 wrote:
    pierwsze przykłady były nieprzemyślane


    Było OK, ale spodziewałeś się, że dostaniesz przykład, kiedy w jednej aplikacji wymagana jest praca czterokwadrantowa...
  • #13
    arkady25
    Level 16  
    zgierzman wrote:
    Było OK, ale spodziewałeś się, że dostaniesz przykład, kiedy w jednej aplikacji wymagana jest praca czterokwadrantowa...


    Chyba nie dziwisz się.
    Spodziewałem się konkretów, jak na portal techniczny przystało, a nie lania wody.

    Jakoś mam wrażenie że ten układ samodzielnie nie jest w stanie funkcjonować w 4 ćwiartkach. Jakiegoś obciążenia na wejściu chyba wymaga w 2 i 4 ćwiartce.

    A już tak dodatkowo to schemat w dokumentacji wprost na 1 kwietnia:
    Rzadko zadawane pytania: przetwornica do zasilania w czterech ćwiartkach

    Kiedyś widziałem schemat mikrokontrolera.
    W obudowie z jedną nogą. :D :crazyeyes:
  • #14
    karol.motala
    Level 2  
    Szyszkownik Kilkujadek wrote:
    ghost666 wrote:
    W niektórych zastosowaniach wymagany jest zasilacz działający w czterech kwadrantach.

    Gdzie na przykład?


    Zasilacze 4Q stosuje się w akceleratorach cząstek do zasilania korektorów orbity (quadrupole magnets).
  • #15
    ghost666
    Translator, editor
    karol.motala wrote:
    Szyszkownik Kilkujadek wrote:
    ghost666 wrote:
    W niektórych zastosowaniach wymagany jest zasilacz działający w czterech kwadrantach.

    Gdzie na przykład?


    Zasilacze 4Q stosuje się w akceleratorach cząstek do zasilania korektorów orbity (quadrupole magnets).


    Kwadrupole w akceleratorze to chyba co innego niż cztery ćwiartki płaszczyzny I/V zasilacza...
  • #16
    jarekgol
    Level 17  
    Patrząc na rys.3 nie rozumiem jak można uzyskać ujemne napięcie na wyjściu. Dodatnie ok, rozładowanie kondensatora - ok, ale ujemne jakoś mi nie wychodzi. Być może rysunek jest zbyt uproszczony?
  • #17
    karol.motala
    Level 2  
    ghost666 wrote:
    karol.motala wrote:
    Szyszkownik Kilkujadek wrote:
    ghost666 wrote:
    W niektórych zastosowaniach wymagany jest zasilacz działający w czterech kwadrantach.

    Gdzie na przykład?


    Zasilacze 4Q stosuje się w akceleratorach cząstek do zasilania korektorów orbity (quadrupole magnets).


    Kwadrupole w akceleratorze to chyba co innego niż cztery ćwiartki płaszczyzny I/V zasilacza...


    W tym konkretnym przypadku kwadrupole są obciążeniem dla zasilaczy 4Q.
    Akurat dla tego typu magnesów potrzeba zasilaczy, które pracują w czterech ćwiartkach.