logo elektroda
logo elektroda
X
logo elektroda
Adblock/uBlockOrigin/AdGuard mogą powodować znikanie niektórych postów z powodu nowej reguły.

Rzadko zadawane pytania: przetwornica do zasilania w czterech ćwiartkach

ghost666 12 Mar 2021 19:31 2823 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

    Fajne? Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    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.
    https://twitter.com/Moonstreet_Labs
    ghost666 napisał 11960 postów o ocenie 10197, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • #3 19315733
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Szyszkownik Kilkujadek napisał:
    ghost666 napisał:
    W niektórych zastosowaniach wymagany jest zasilacz działający w czterech kwadrantach.

    Gdzie na przykład?


    Do charakteryzacji ogniw PV lub jako symulator akumulatorów.
  • #4 19316670
    TechEkspert
    Redaktor
    Czy taki układ to czasem nie jest serce Source Measure Unit (SMU)?
    Testowałem kiedyś takie urządzenie: SMU.
  • #5 19318796
    arkady25
    Poziom 16  
    ghost666 napisał:

    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 19318870
    Marek_Skalski
    VIP Zasłużony dla elektroda
    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 19319960
    krisRaba
    Poziom 31  
    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 19320069
    Marek_Skalski
    VIP Zasłużony dla elektroda
    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 19320200
    zgierzman
    Poziom 31  
    arkady25 napisał:
    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 19320674
    krisRaba
    Poziom 31  
    Marek_Skalski napisał:
    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 19320861
    arkady25
    Poziom 16  
    zgierzman napisał:
    ...
    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 19320940
    zgierzman
    Poziom 31  
    arkady25 napisał:
    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 napisał:
    pierwsze przykłady były nieprzemyślane


    Było OK, ale spodziewałeś się, że dostaniesz przykład, kiedy w jednej aplikacji wymagana jest praca czterokwadrantowa...
  • #13 19322956
    arkady25
    Poziom 16  
    zgierzman napisał:
    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 19324299
    karol.motala
    Poziom 2  
    Szyszkownik Kilkujadek napisał:
    ghost666 napisał:
    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 19324646
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    karol.motala napisał:
    Szyszkownik Kilkujadek napisał:
    ghost666 napisał:
    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 19329658
    jarekgol
    Poziom 38  
    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 19352082
    karol.motala
    Poziom 2  
    ghost666 napisał:
    karol.motala napisał:
    Szyszkownik Kilkujadek napisał:
    ghost666 napisał:
    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.

Podsumowanie tematu

Zasilacz czterokwadrantowy to urządzenie zdolne do pracy w wszystkich czterech ćwiartkach układu I/V, co oznacza, że może generować zarówno dodatnie, jak i ujemne prądy oraz napięcia. Użytkownicy podają różne zastosowania, takie jak charakteryzacja ogniw PV, symulacja akumulatorów, oraz zasilanie sterowników silników DC, które w pewnych warunkach mogą działać jako generatory. W dyskusji poruszono również kwestie związane z konstrukcją zasilaczy czterokwadrantowych, ich zastosowaniem w akceleratorach cząstek oraz wyzwaniami związanymi z oddawaniem energii. Uczestnicy wymieniają różne aplikacje, w których zasilacze te są niezbędne, oraz podkreślają ich zalety w testowaniu i pomiarach.
Podsumowanie wygenerowane przez model językowy.
REKLAMA