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