Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa

Tatalek 04 Dec 2022 11:53 1635 12
  • Powodem dla którego zainteresowałem się budową przetwornicy samowzbudnej była potrzeba uzyskania w najprostszy sposób izolowanego zasilania (+15V 0V -5V ) do sterowania dużym tranzystorem IGBT (Cies = 28 nF) .

    W dalszej części opisu podjąłem próbę której celem było wykonanie obliczeń , zbudowanie prototypu przetwornicy , weryfikacja na ile obliczenia pokrywają się z rzeczywistością , oraz moje doświadczenia przy uruchamianiu i sprawdzaniu działania przetwornicy.

    Poniżej zdjęcia prototypu
    Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa

    Założyłem że zasilanie przetwornicy będzie stabilizowane a wartość będzie się mogła zawierać między 20 a 35 V , częstotliwość pracy około 20 kHz , będzie to przetwornica z rdzeniem wchodzącym w nasycenie. Informacje o tym jak działa taka przetwornica można znaleźć np. w czasopiśmie Elektronika Praktyczna 9/97 w 4 części artykułu ?Sterowniki impulsowe?

    Wybrałem rdzeń kubkowy P26/16 z materiału F-830. Schemat przetwornicy na załączonym poniżej schemacie . Końce/początki zwojeń do baz tranzystorów gdy przetwornica nie chce wystartować zamienić miedzy tranzystorami powinno pomóc.

    Poniżej dane rdzenia
    Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa

    i schemat przetwornicy
    Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa

    Przy wybranej częstotliwości pracy (20kHz) i napięciu zasilającym 35 V obliczyłem liczbę zwoi z zależności N= Vin/(4*f*Bmax*Ae).
    N- liczba zwoi,
    Vin ? napięcie wejściowe w [V],
    f- częstotliwość [Hz] ,
    Bmax ? maksymalna indukcja rdzenia przy której się nasyca odczytana z wykresu [T] ,
    w przypadku wybranego rdzenia odczytałem i przyjąłem 0,45T - wykres magnesowania rdzenia załączony na poniższym rysunku,
    Ae- przekrój rdzenia odczytany z noty katalogowej rdzenia [m2].

    Charakterystyka magnesowania rdzenia z materiału F-830
    Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa

    Po podstawieniu danych do wzoru otrzymałem 10,5 zwoi. Przyjąłem 10 zwoi. Liczba zwoi uzwojenia sterującego bazami tranzystorów należy dobrać tak aby nie przekraczała max napięcia złącza baza emiter . Nawinięto 1 zwój co daje 3,5 V przy zasilaniu 35 V. Uzwojenie strony wtórnej należy zawinąć nawinąć zgodnie z zależnością U1/U2=Z1/Z2 napięcie wyjściowe dobrać do własnej aplikacji. Do testów nawinąłem 3 zwoje co daje przemienny przebieg prostokątny o amplitudzie około +/-10 V Średnica drutu użytego do nawinięcia uzwojeń 0,35 mm.

    Następnie policzyłem wartość prądu przy jakim rdzeń się nasyci z zależności H*L=I*z
    gdzie
    H natężenie pola magnetycznego w [A/m]
    L -długość drogi strumienia [m] ? odczytana z moty katalogowej le ,
    z-liczba zwoi.
    I = H*L/z.
    Z charakterystyki magnesowania rdzenia odczytałem że nasycenie rdzenia występuje przy H= 400A/m .
    Po podstawieniu do zależności I = H*L/z otrzymałem prąd około 1,5A .

    Rezystory w bazach tranzystorów dobrałem tak żeby prąd płynący w kolektorze był większy lub równy 1,5 A.
    Stąd R = (U-1)*h21e min/ Icnas
    (1- we wzorze to spadek napięcia UBE, U- napięcie uzwojenia sterującego w moim przypadku 3,5 V )
    Icnas - prąd przy którym następuje nasycenia rdzenia
    Prąd bazy tranzystorów musi być mniejszy od maksymalnego prądu bazy dla Bd139 który wynosi 100 mA ,
    wzmocnie tranzystorów h21e = 40-160. Po podstawieniu do zależności R = (U-1)*h21e min/ Icnas
    otrzymałem 66 ? i wybrałem rezystor 51 ?.
    Przy napięciu uzwojenia sterującego 3,5V wartość średnia wyniesie Ib = ((Uster-Ube )/Rb )/2 około 25 mA.
    Rezystor R1 ma zapewnić start przetwornicy założyłem że prąd o wartości 2 mA powinien wystarczyć stąd wartość 15 k? , przy tej wartości przetwornica uruchamia się za każdym razem.

    Po włączeniu częstotliwość pracy przetwornicy zmieniała się wraz z wartością obciążenia oraz zmianą napięcia zasilającego. Częstotliwość pracy przetwornicy bez obciążenia przy napięciu 30 V wyniosła około 29 kHz , dla 24 V 23 kHz a dla 12 kHz 15,5 kHz , ze wzrostem napięcia częstotliwość rośnie ze spadkiem maleje co łatwo wytłumaczyć tym że przy niższym napięciu prąd potrzebuje więcej czasu żeby osiągnąć wartość przy której nasyci się rdzeń.

    Poniżej załączyłem przebiegi napięcia na bazach i kolektorach tranzystorów , które wprowadziły mnie w zakłopotanie i których nie potrafię wyjaśnić .

    Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa

    Pierwsze to ujemne napięcie na bazie większe niż to którego się spodziewałem oraz przepięcia na kolektorach o wartościach przekraczających dopuszczalne wartości użytych tranzystorów.
    Jeśli chodzi o ujemne napięcia na bazach jest ono sumą napięć z uzwojeń sterujących pomniejszonych o spadek napięcia na złączu baza emiter przewodzącego tranzystora oraz o spadek napięcia na rezystorze podłączonym do jego bazy, jednak nie jestem pewny jak zamyka się przepływ prądu w bazach tranzystorów skoro uzwojenia sterujące są podłączone między bazy tranzystorów. W takim przypadku należało by zrewidować wartości rezystorów podłączonych do baz , czego nie zrobiłem ponieważ uznałem że prąd średni bazy tranzystora pomimo wyższego napięcia sterującego nie wzrośnie powyżej 100 mA i tranzystory nie powinny się uszkodzić a mniej niż 1 zwoju nie jestem w stanie nawinąć.

    W literaturze znalazłem schemat przetwornicy przeciwsobnej z diodą podłączoną katodą do środkowego odczepu uzwojenia sterującego i anodą do minusa zasilania. Wykonałem dwie próby w takim układzie ale za każdym razem kończyło się zniszczeniem jednego z tranzystorów.

    Po nieudanych próbach z diodą w jej miejsce połączyłem kondensator o wartości 1 uF jak na poniższym schemacie

    Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa

    Po włączeniu zasilania byłem pozytywnie zaskoczony. Poniżej przedstawiam uzyskane przebiegi na bazach i kolektorach tranzystorów oraz kondensatorze względem minusa zasilania.

    Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa Prosta samowzbudna przetwornica przeciwsobna jednotransformatorowa

    W układzie z kondensatorem częstotliwość przetwornicy wyniosła około 52 kHz czyli znacznie wyżej od zakładanej w obliczeniach , ponadto częstotliwość przetwornicy rośnie podczas obniżania napięcia zasilającego i maleje podczas wzrostu . Takiego zachowania przetwornicy nie potrafię wyjaśnić, ale może są osoby które znają odpowiedź i podzielą się wiedzą.

    Sprawdziłem pracę przetwornicy z podłączonym rezystorem 100 ? do uzwojenia wtórnego, który służył jako obciążanie. Przy zmianie napięcia zasilającego przetwornica pracowała w zakresie od 3 do 30 V, oczywiście przy dużych zmianach częstotliwości odpowiednio od 50kHz(30 V) do 80 kHz (3V) .Nie spodziewałem się że przetwornica będzie pracowała w tak szerokim zakresie .
    W mojej subiektywnej ocenie uważam że opisana przetwornica jest tanią i prostą alternatywą dla przetwornic ze sterownikiem w postaci układu scalonego gdzie potrzebujemy izolacji galwanicznej oraz niewielkiego obciążania.

    Cool? Ranking DIY
    About Author
    Tatalek
    Level 11  
    Offline 
    Tatalek wrote 22 posts with rating 207. Live in city Gdansk. Been with us since 2008 year.
  • #2
    acctr
    Level 26  
    Jak wygląda sprawność takiej przetwornicy?
    Przetwornice mają często sprzężenie zwrotne umożliwiające regulację napięcia. Tutaj jest to możliwe?
  • #3
    żarówka rtęciowa
    Level 37  
    Witam

    Układ przedstawiony przez autora tematu jest odmianą oscylatora Royera i używany do wytwarzania napięcia przemiennego do zasilania lamp CCFL w monitorach i telewizorach LCD. Stosowane były również w magnetofonach jako generatory prądu podkładu i kasowania głowic. Po podłączeniu na wyjściu prostownika staje się transformatorem prądu stałego.

    Zamiast rdzenia kubkowego można użyć rdzenia ferrytowego typu ETD, a nawet gotowy transformator np: z zasilacza ATX.

    acctr wrote:

    Przetwornice mają często sprzężenie zwrotne umożliwiające regulację napięcia.


    Tak, ale dotyczy to przekształtników prądu stałego typu DC/DC oraz sieciowych zasilaczy impulsowych. Jest zalecana w konfiguracji przepustowej (Forward) i niezbędna przy zaporowej (Flyback).
  • #4
    Urgon
    Editor
    AVE...

    Mam wrażenie, iż wartość C2 może być trochę za duża. Tak 10-100 razy. Kolega wartość dobierał eksperymentalnie?

    Od siebie dodam, iż podobne przetwornice bywają budowane przez entuzjastów wysokich napięć do zasilania transformatorów Flyback ze starych telewizorów kineskopowych, choć tam zwykle pracują w nich tranzystory MOSFET. Wariant tej przetwornicy, z uzwojeniem nawiniętym na ferryt zdjęty z kabla VGA spotkałem na YT, gdzie po stronie wtórnej pracował pojedynczy zwój - twórca w ten sposób zrobił lutownicę transformatorową zasilaną z ogniw litowo-jonowych.
  • #5
    coberr
    Level 20  
    ze względu na izolację uzwojeń oraz (zwłaszcza) wyprowadzeń - wybrałes jeden z NAJGORSZYCH MOŻLIWYCH RDZENI do tego konkretnego zastosowania :)

    Czy ja dobrze widzę? rdzen skręcony zostal zwykłą śrubą i nakrętką stalową ocynkowaną?

    Nie podałeś innych parametrów tranzystor - ktorym to ustrojstwo steruje.

    Pozatym znamy tylko pojemność "Cbe". Niestety nie znamy pojemności pomiędzy bazą a kolektorem - a ta ma bardzo duże znaczenie - dlaczego? o tym poniżej.

    Jaki obwód kluczuje Twoj IGBT? jakim napieciem ten obwód jest zasilany? (tu kłania sie własnie wpływ pojemności pomiedzy kolektorem a bazą (Bramką) i w efekcie to - co będzie wyrabiało się w obwodzie sterującym .
  • #6
    Krzysztof Kamienski
    Level 43  
    coberr wrote:
    Jaki obwód kluczuje Twoj IGBT? jakim napieciem ten obwód jest zasilany? (tu kłania sie własnie wpływ pojemności pomiedzy kolektorem a bazą (Bramką) i w efekcie to - co będzie wyrabiało się w obwodzie sterującym .
    Przecież to jest gotowa przetwornica oparta na dwóch tranzystorach bipolarnych o układzie znanym od kilkudziesięciu lat. :D Jakie IGBT ? Jakie bramki? Na wyjściu pewnie szybka dioda Shottky i kondensator elektrolityczny (nie dorysowane), oraz stabilizatory monolityczne. Tylko ze śrubą zgoda, bo rdzeń ? Od lat także stosowany rdzeń kubkowy. Autor napisał, co ma wychodzić z tej przetwornicy finalnie, albo ja się pogubiłem?
    Tatalek wrote:
    izolowanego zasilania (+15V 0V -5V )
  • #7
    Tatalek
    Level 11  
    Urgon wrote:
    Mam wrażenie, iż wartość C2 może być trochę za duża. Tak 10-100 razy. Kolega wartość dobierał eksperymentalnie?

    Tak dobrałem eksperymentalnie

    Dodano po 12 [minuty]:

    coberr wrote:
    ze względu na izolację uzwojeń oraz (zwłaszcza) wyprowadzeń - wybrałes jeden z NAJGORSZYCH MOŻLIWYCH RDZENI do tego konkretnego zastosowania

    Czy ja dobrze widzę? rdzen skręcony zostal zwykłą śrubą i nakrętką stalową ocynkowaną?

    Nie podałeś innych parametrów tranzystor - którym to ustrojstwo steruje.


    Czy mógłbyś podać parę szczegółów dlaczego ten rdzeń nie nadaje się do przetwornicy przeciwsobnej żebym w przyszłość nie popełniał błędów.

    Nie bardzo rozumiem co złego jest żelaznej śrubie w środku rdzenia kubkowego , czy w tej kwestii mogę liczyć podpowiedź.

    Parametry tranzystora mogę podać jego typ (FF450R12KT4) - ale to był tylko powód dla którego zbudowałem przetwornice bo potrzebowałem z niej zasilania do sterowania tranzystorem

    Dodano po 6 [minuty]:

    Krzysztof Kamienski wrote:
    Autor napisał, co ma wychodzić z tej przetwornicy finalnie, albo ja się pogubiłem?


    Taki był zamysł , do wyjścia przetwornicy mają być podłączone diody schottkiego napięcie wyfiltrowane .Na początku artykułu
    napisałem
    "W dalszej części opisu podjąłem próbę której celem było wykonanie obliczeń , zbudowanie prototypu przetwornicy , weryfikacja na ile obliczenia pokrywają się z rzeczywistością , oraz moje doświadczenia przy uruchamianiu i sprawdzaniu działania przetwornicy."

    Więc uważam że Kolega się nie pogubił, dziękuje :)
  • #8
    DVDM14
    Level 35  
    Tatalek wrote:
    Nie bardzo rozumiem co złego jest żelaznej śrubie w środku rdzenia kubkowego , czy w tej kwestii mogę liczyć podpowiedź.


    Stal ma duże straty histeretyczne przy tych częstotliwościach, będzie powodować ekstra straty.
  • #9
    coberr
    Level 20  
    Krzysztof Kamienski wrote:
    coberr wrote:
    Jaki obwód kluczuje Twoj IGBT? jakim napieciem ten obwód jest zasilany? (tu kłania sie własnie wpływ pojemności pomiedzy kolektorem a bazą (Bramką) i w efekcie to - co będzie wyrabiało się w obwodzie sterującym .
    Przecież to jest gotowa przetwornica oparta na dwóch tranzystorach bipolarnych o układzie znanym od kilkudziesięciu lat. :D Jakie IGBT ? Jakie bramki? Na wyjściu pewnie szybka dioda Shottky i kondensator elektrolityczny (nie dorysowane), oraz stabilizatory monolityczne. Tylko ze śrubą zgoda, bo rdzeń ? Od lat także stosowany rdzeń kubkowy. Autor napisał, co ma wychodzić z tej przetwornicy finalnie, albo ja się pogubiłem?
    Tatalek wrote:
    izolowanego zasilania (+15V 0V -5V )


    Faktycznie - częsciowo ma kolega rację - zapomniałem że to nie stopien sterujący a w sumie cała przetwornica.

    co do samego rdzenia kubkowego:

    Jest to chyba najgorszy wybor -jesli chodzi o izolację (sposób wyprowadzania koncówek uzwojeń). Już znacznie lepiej sprawdziłby się tutaj chociazby rdzen toroidalny.
    (zresztą szeroko stosowany w takich przetworniczkach - chociażby falowników).
    Stąd własnie należy zadac pytanie : jakim obwodem i pod jakim napięciem steruje ten IGBT? O ile różnica napięć nie jest jakaś duża - to nie ma problemu. ale jeśli są to setki woltów - należy juz ten fakt rozważyć.

    Śruba stalowa - przyczynia się do powstania sporych strat "w żelazie".
    Już znacznie lepiej spisują się tu śruby /podkładki i nakrętki mosiężne. Nie powinny aż tak smażyć rdzenia. Przy małych mocach stosuje się wręcz śruby z tworzyw sztucznych.
  • #10
    acctr
    Level 26  
    coberr wrote:
    Śruba stalowa - przyczynia się do powstania sporych strat "w żelazie".
    Już znacznie lepiej spisują się tu śruby /podkładki i nakrętki mosiężne. Nie powinny aż tak smażyć rdzenia. Przy małych mocach stosuje się wręcz śruby z tworzyw sztucznych.

    Racja, ale rdzeń opisany tutaj praktycznie nie ma szczeliny, więc jak te straty mają powstać?
  • #11
    Urgon
    Editor
    AVE...

    W moim radiometrze DP-66M przetwornica zasilająca detektory jest na rdzeniu kubkowym, i nie jestem pewien (bo nie pamiętam i nie mogę znaleźć zdjęć), ale rdzeń jest skręcony wkrętem M3...

    Wielką zaletą przetwornic samowzbudnych i samodławnych jest ich duża tolerancja dla elementów indukcyjnych. Ceną czasem jest nikczemna sprawność i inne problemy.

    Mam też propozycję: wykręć wkręt i sklej kubek taśmą. Zrób pomiary i zobacz, co wyszło. Możliwe, że będzie trzeba wywalić C2, albo zmniejszyć jego wartość...
  • #12
    Janusz_kk
    Level 36  
    coberr wrote:
    Jest to chyba najgorszy wybor -jesli chodzi o izolację (sposób wyprowadzania koncówek uzwojeń). Już znacznie lepiej sprawdziłby się tutaj chociazby rdzen toroidalny.

    Przesadzasz, popatrz jak sa chińskie przetwornice nawijane, to ci włosy dęba staną o ile je masz :)

    coberr wrote:
    Śruba stalowa - przyczynia się do powstania sporych strat "w żelazie".

    Przecież obwód magnetyczny jest zamknięty, przez tą śrubę nic nie 'płynie'.

    coberr wrote:
    Stąd własnie należy zadac pytanie : jakim obwodem i pod jakim napięciem steruje ten IGBT?

    Kolejny raz wyjeżdżasz z tym igbt, tam nigdzie takich nie ma tranzystorów, tam są zwykłe bipolarne, czyli sterowanie prądowe.
  • #13
    coberr
    Level 20  
    Janusz_kk wrote:
    coberr wrote:
    Jest to chyba najgorszy wybor -jesli chodzi o izolację (sposób wyprowadzania koncówek uzwojeń). Już znacznie lepiej sprawdziłby się tutaj chociazby rdzen toroidalny.

    Przesadzasz, popatrz jak sa chińskie przetwornice nawijane, to ci włosy dęba staną o ile je masz :)

    coberr wrote:
    Śruba stalowa - przyczynia się do powstania sporych strat "w żelazie".

    Przecież obwód magnetyczny jest zamknięty, przez tą śrubę nic nie 'płynie'.

    coberr wrote:
    Stąd własnie należy zadac pytanie : jakim obwodem i pod jakim napięciem steruje ten IGBT?

    Kolejny raz wyjeżdżasz z tym igbt, tam nigdzie takich nie ma tranzystorów, tam są zwykłe bipolarne, czyli sterowanie prądowe.


    nto sobie kolega jeszcze raz dokładnie poczyta oo czym pisze autor i o czym pisze ja...