Ogranicznik prądowy z cewką zamiast rezystora - jak uniknąć oscylacji?

Question

Poszukuję porady, czy da się zrobić ogranicznik prądowy za pomocą cewki zamiast rezystora. Chodzi mi o większą sprawność takiego układu niż zwykłego rezystora. Chciałbym skorzystać tutaj z tego, że - jak rozumiem - prąd na cewce rośnie według stałej czasowej. Więc jeśli będę ładował kondensator...

LEDówki · Accepted Answer

Będzie wpadać w oscylacje, ale będą one gasły. Wzór na częstotliwość ogólny, ale za C podstawiasz wypadkową pojemność kondensatorów połączonych szeregowo, czyli 1/C = 1/C1 + 1/C2. Albo C = (C1 + C2)/(C1 * C2).
Do poczytania chociażby teoria równoległego obwodu rezonansowego.

jarek_lnx · Accepted Answer

Jeśli układ będzie miał małe straty, to po podaniu napięcia będzie oscylował bardzo długo.

Żeby oscylacje zanikły szybko, straty w obwodzie LC muszą być bardzo duże.

Cewka nie może ograniczyć prądu stałego, bo dla prądu stałego jest tylko rezystancją uzwojenia.
A żeby ograniczała szybkość ładowania, do kondensatora jako element zapewniający miękki start musiałaby być bardzo duża.

Jedyny sensowny sposób na ogranicznik prądu stałego to wykorzystać cewkę w układzie impulsowego regulatora prądu. Schemat obwodu mocy typowej przetwornicy obniżającej:

Sterowanie trzeba uzależnić od prądu.

Dodano po 1 [godziny] 36 [minuty]:

cada99 napisał:
Natomiast totalnie nie rozumiem układów rezonansowych. I czy taki układ CLC jak poniżej nie będzie wpadał w jakieś oscylacje i nie będą się na nim tworzyć przepięcia.

Zobacz przebiegi prądu i napięcia:

Na początku napięcie kondensatora 0 V, prąd cewki 0 A, kondensator ładuje się do napięcia wejściowego 10 V. W chwili, kiedy osiągnie to napięcie, ładowanie się nie kończy, bo cewka zgromadziła maksimum energii i płynie 10 A, więc ładowanie kondensatora trwa dalej prądem z cewki do 20 V, prąd cewki spada do zera, a następnie zaczyna płynąć w odwrotnym kierunku, napięcie kondensatora spada, kiedy osiągnie 10 V, prąd cewki płynie dalej, aż rozładuje kondensator i cykl się powtarza.

Jedyny sposób na pasywny obwód ładowania kondensatora jest taki:

Z 10 V na wejściu ładujemy kondensator do 18 V.

chudybyk · Accepted Answer

Czasem stosuje się też termistory NTC rozruchowe, których rezystancja maleje po włączeniu urządzenia. W niektórych zastosowaniach prrzydatne.

_jta_ · Accepted Answer

Kondensator 1µF na ogół ma większy ESR, niż kondensator 1mF, a L/C jest takie samo.

jarek_lnx · Accepted Answer

Dla idealnych cewek i kondensatorów działa tak samo.

Rzeczywista cewka ma straty na rezystancji drutu, kondensator elektrolityczny też ma spore straty. Obniżenie napięcia wynika tylko z tych rezystancji

Cewka w LTspice nie jest idealna ma 1 mΩ (co można zmienić) realne cewki mają więcej

SlawekKedra · Accepted Answer

@cada99 Ściągnij sobie PSU Designer 2 ze strony Duncanamps To jest bardzo wygodne i proste narzędzie do symulacji takich prostych zasilaczy RLC. Pokazuje co się dzieje od startu.

jarek_lnx · Accepted Answer

U mnie działa :)Nie widzisz że parametr startup spowalnia czas narastania? jest to zrobione celowo,to nie jest błąd programu.Mimo że potrafię to pokazać w symulacji, to jest to absurd niemożliwy w praktyce cewka 10nH to 1cm drutuWażnym parametrem obwodu rezonansowego jest rezystancja charakterystyczna r=√(L/C) tu wynosi 31mΩ żeby dobroć była wysoka suma wszystkich rezystancji (źródła, cewki, kondensatora, klucza) musi być wielokrotnie niższa, co jest niemożliwe do zrealizowania.Rezystancja charakterystyczna na poziomie 1Ω to już niepraktyczne, czyli w praktyce cewka musi być większa od kondensatora.

cada99 · Answer

Bardzo dziękuję, ten przykład wyjaśnił mi sytuację i wygląda na to że powinienem zastosować właśnie taki układ. W zależności jak szybko spadnie napięcie kondensatora. To cewka wpompuje wyższe lub niższe napięcie zgromadzoną podczas przepływu energią.
Mogę to też połączyć z mosfetem jak pokazano wyżej. Ale to już kwestia co będzie miało mniejsze straty przy danym napięciu, dioda, mosfet czy IGBT.

LEDówki · Answer

MOSFET będzie miał najmniejsze straty. IGBT to tranzystor bipolarny połączony z MOSFET, więc straty mocy będą większe, największe będą w diodzie. Jarek pewnie to rozwinie, bo ma z tym styczność i doświadczenie.
Napisz, jeśli to nie tajemnica, jak duże prądy mają płynąć, jakie napięcia są - zasilania, spadek na kondensatorze (można dobrać indukcyjność i częstotliwość kluczowania tak, żeby był jak najmniejszy).

cada99 · Answer

No nie, w IGBT tranzystor bipolarny jest jedynie załączany przez MOSFET. A ten kabaret jest zdaje się po to, aby izolować układ logiczny od napięcia IGBT, które może przekraczać 1000 V. Tak więc IGBT ma straty na poziomie 1,1 V, ciut więcej niż zwykły bipolarny z powodu, że IGBT są na ogół masywniejsze i na wysokie napięcia. Inaczej można wsadzić zwykły bipolar.
Dlatego piszę, że zależy od konkretnego układu, co będzie korzystniejsze.

jarek_lnx · Answer

W układzie LDC nie masz kontroli nad napięciem kondensatora poza zmianą napięcia wejściowego.Jeśli układ startuje z rozładowanym kondensatorem, kondensator naładuje się podwójnym napięciem wejściowym pomniejszonym o straty w diodzie. Ten układ nie będzie zdolny doładować kondensatora. Dopóki napięcie na kondensatorze jest wyższe od wejściowego. A jeśli nie wystartuje od zera, tylko to i końcowe napięcie da niższe.IGBT jest sens stosować mniej więcej PRZY >300 V i >10 A, czyli tam, gdzie wysokie Rdson MOSFET-a jest na tyle istotną wadą, że możemy zaakceptować wszystkie wady IGBT.@cada99 Nadal nie wiem, do czego dążysz, chcesz zrobić układ do ładowania kondensatorów? O jakich parametrach? Jaki czas ładowania? pojemność? napięcie?Inaczej jeśli chcesz po prostu zrobić filtr zasilania CLC, wtedy cewka nie ma zadania ograniczać prądu, a jedynie jest reaktancją poprawiającą filtrację.Cewka która pojawiła sie w moim przykładzie, która pozwala pokazać że coś działa - 1mH 10A, nie jest bardzo skuteczna, bo wydłuża czas do ładowania do zaledwie 3ms, przy 1mF. Taka cewka waży 2,5kg ledwie nadaje się do ładowania kondensatora 1mF, nie jest to ani tanie, ani małe, ani lekkie rozwiązanie, dla większych kondensatorów i wyższego napięcia oraz dłuższych czasów, potrzebne są jeszcze większe cewki.

cada99 · Answer

Dokładnie to mam na myśli, że doładowanie nastąpi dopiero po rozładowaniu kondensatora poniżej napięcia zasilania cewki. I wtedy aż tak nie wybije powyżej wejściowego. Tak naprawdę, jak tam dać za kondensatorem diodę Zenera, to napięcie na kondensatorze pozostanie na niższym poziomie bez tego skoku początkowego.
Łatwiej to zrobić na tranzystorze, no ale tak tylko wspomniałem.

Moje pytanie jest bardziej ogólne. Dotyczy np. załączania dużych kondensatorów do zasilania i unikania piku prądowego. Jednocześnie nie mając ogranicznika prądowego w postaci rezystorów rujnujących sprawność.
Dzięki temu, co mi wytłumaczyłeś, zrozumiałem, jak użyć cewki do poszczególnych zastosowań.
Żadnych filtrów nie chcę robić, jedynie ogranicznik prądu. Dostałem dwa rozwiązania, z diodą i z tranzystorem.

LEDówki · Answer

Opornik szeregowy do pomiaru prądu. Do tego komparator i przerzutnik. Prąd w cewce osiągnie np. 1 A, tranzystor wyłączy się. Prąd będzie płynął cewką, kondensatorem i diodą. Później cykl musi się powtórzyć. Przy założonym napięciu musi się skończyć ograniczanie prądu. UC3843 do tego się nada. Może są lepsze rozwiązania, ale dokumentacja UC3843 wyjaśnia, jak działa ogranicznik prądu. Jarek zamieszczał schemat przetwornicy z XL404016 i dołożonym ogranicznikiem prądu z dodatkowym komparatorem. Tylko że to są rozwiązania na napięcia do 30 V i prądy do 9 A. Do ograniczenia prądu może posłużyć układ sterowania LED. Żarówki 0,3 A ładnie się na nim rozświecają.

jarek_lnx · Answer

TakAle to musi być dioda która wytrzyma duże moce strat. W praktyce takie diody są rzadkie więc układ z tranzystorem. Można też uniknąć przepięcia w inny sposób również tracąc energie z cewki Rezystory po naładowaniu kondensora, należy zewrzeć. Energia wytracona w rezystorach będzie równa energii zgromadzonej w kondensatorze (sprawność 50%) tak samo będzie w układzie z cewką i diodą Zenera połowa na starty Przykład układu impulsowego:

cada99 · Answer

Rezystory cały czas tam musiałyby być, aby ograniczać prąd płynący na kondensatory. Przy zasilaniu jednofazowym masz przecież przechodzenie przez zero. I w tym właśnie problem, że przy dużym poborze prądu trzeba by instalować gigantyczne baterie kondensatorów. To coś jak zasilacz stabilizowany.
Generalnie dowiedziałem się tego, co chciałem, i nie jestem aż taki żółtodziób

jarek_lnx · Answer

W wielu urządzeniach masz rezystor zwierany przekaźnikiem po naładowaniu kondensatorów, może być też zwierany triakiem. Rezystor potrzebny jest w obwodzie przez ułamek sekundy, nie ma potrzeby ani sensu aby był na stałe. Stosuje się też termistory NTC do ograniczania prądu łączeniowego, po naładowaniu kondensatorów i nagrzaniu NTC rezystancja spada co zmniejsza straty mocy w NTC, czasem jest NTC zwierane przekaźnikiem. Jak trzeba dużych kondensatorów to się je stosuje, zobacz jakie baterie kondensatorów są w falownikach mocy kilkudziesięciu kW. Tam też stosuje się ograniczenie prądu ładowania bo żaden bezpiecznik by tego nie wytrzymał.

_jta_ · Answer

Zwykle filtr Pi z dwoma kondensatorami i dławikiem podłącza się tak, że jeden kondensator jest podłączony do mostka, i dostaje z niego prąd, a z drugiego dostaje prąd obciążenie - a to jak ma być podłączone? Większą (ale niewiele większą) sprawność uzyskuje się przez to, że dławik powoduje wydłużenie czasu, przez który mostek przewodzi w każdym półokresie napięcia sieci. Główny zysk, to mniejsze straty w transformatorze, więc z takiego samego transformatora można wyciągnąć większą moc na wyjściu. Poza tym, ten sam transformator da wyższe napięcie na wyjściu. Ale może na to wystarczy dławik między mostkiem, a kondensatorem? Problemem jest spora indukcyjność takiego dławika wymagana, by miał on realny wpływ na działanie układu - a przez to opór uzwojenia, na którym są straty. Układ z trzeciego rysunku w #3 pozwala uzyskać większy prąd, niż sam transformator z mostkiem i filtrem z elementów pasywnych, ale musi jeszcze mieć kondensator (o małej pojemności, ale wytrzymujący spore prądy) po lewej stronie.

cada99 · Answer

Podbiję jeszcze temat, bo zainstalowałem sobie owo LTspice i porobiłem trochę testów do projektowania przetwornicy. Ale nie widzę zależności, jak wyszukiwać to maksymalne podbicie napięcia w układzie LC. Jest na to jakiś prosty wzór?

_jta_ · Answer

Jeśli masz stałe napięcie na wejściu, a na wyjściu jest potrzebne niższe, to wypada użyć przetwornicy w układzie buck - coś takiego, jak w #3, ale zwłaszcza na wejściu potrzebny jest kondensator o małym ESR/ESL (można szybko przełączać, żeby wahania prądu cewki (i na wyjściu) były małe, ale to oznacza szybkie i duże wahania prądu na wejściu, i kondensator musi je przyjąć. Jeśli chodzi o ograniczenie prądu przy włączaniu, a docelowo napięcie ma być takie, jak na wejściu, to układ LC; żeby nie było oscylacji przy nagłym włączeniu napięcia, to przydałby się jeszcze jakiś tłumik RC (szeregowo R i C - po ustaleniu się napięcia nie powinien już przez niego płynąć prąd) - najlepiej dobrany tak, by uzyskać tłumienie krytyczne (szybkie gaszenie oscylacji).

cada99 · Answer

Mi chodzi właśnie o podbicie napięcia, a nie obniżanie. I chodzi mi o wzór, który określa, na jakiej cewce dla danego kondensatora będzie ono maksymalne.

_jta_ · Answer

Dla idealnej cewki i idealnego kondensatora będzie ono 2x większe od napięcia zasilania. A jak nie chcesz oscylacji, to dodaj diodę szeregowo z cewką.

Dla rzeczywistych elementów trzeba brać pod uwagę np. nasycenie rdzenia cewki, które powoduje straty - więc trzeba dobrać cewkę tak, aby dla napięcia zasilania U i prądu I, powyżej którego zaczyna się nasycenie, było C·U² < L·I².

Dodatkowo, można rozważyć użycie kondensatora nieliniowego (np. ceramicznego ferroelektrycznego), którego pojemność maleje przy wzrośnie napięcia - to pozwoli uzyskać jeszcze wyższe napięcie.

Promuję tematy:
24.11.2004 Ładowarka akumulatorków z płynną regulacją - LM 317
23.02.2003 Prostownik do ładowania akumulatorów (auto)

cada99 · Answer

No ok, doczytałem, że jest coś takiego jak prąd nasycenia cewki. Natomiast mam następujący problem. Dla elementów z powyższego przykładu tzw. 1 mH i 1 mF następuje podbicie napięcia o 80%. Zacząłem się bawić tymi wartościami i jak dałem bardziej realny kondensator 1 µF, to już nie widziałem takiego podbicia dla 1 µH, dopiero dla bodaj 30 µH. Chyba że coś pokręciłem w tym programie.
No i zastanawiam się, jak przeliczyć, gdzie jest ten szczyt na parametrach LC, tzn. dla kondensatora 1 µF. Inne parametry niż pojemność i indukcyjność na razie pomijam.

cada99 · Answer

Hmmm, mam jeszcze problem z LTspice. Bo zauważyłem, że tam nawet po ustawieniu ładowania kondensatora przez diodę i minimalnych rezystancji źródła napięciowego i kondensatora, prąd ładowania jest żałośnie mały.
Może trzeba to gdzieś przestawić, aby źródło napięciowe miało wydajność 40 A?

jack63 · Answer

Wg. mnie nic się nie da ustawić. Przecież idealne źródło napięciowe może wydać prąd o nieskończonej wartości. Tak było w każdym Spice'sie jakiego używałem. No chyba że jest coś podobnego do : A chodzi o to aby początkujący nie zrażali się błędami konwergencji generowanym przez symulator. Dawniej, po prostu dokładało się szeregową rezystancję do indukcyjności. Może teraz jest inaczej?

jarek_lnx · Answer

W LTspice możesz wyświetlić każdy prąd i każde napięcie jednym kliknięciem i nie korzystasz z tego. Czy napięcie idealnego źródła spada pod obciążeniem? Jak mam głupi błąd w schemacie to i 40kA widuję.

cada99 · Answer

No właśnie trochę nie rozumiem, porobiłem screeny. Źródło napięciowe 24V o rezystancji 0.00001ohm żeby prądu nie zabrakło. Parametry elementów na screenach.

Duża cewka mały prąd - spoko

5 razy mniejsza cewka większy prąd - spoko

50 razy mniejsza cewka, niewiele większy prąd

500 razy mniejsza cewka, wpada w jakieś oscylacje, ale prąd nadal mały

5000 razy mniejsza cewka, prąd nadal żałośnie mały, czyżby kondensator za mały?

cewka 1nH a prąd nadal mały

SlawekKedra · Answer

W pierwszym wpisie wkleiłeś schemat zasilacza z filtrem CLC, który w domyśle zasilany jest pradem stałym tętniącym, takim jaki wychodzi z prostownika.
Na tych symulacjach jest całkiem co innego, całkiem inne obwody. W jaki sposób chcesz symulowac zachowanie tego pierwszego układu, symulacjami zupełnie innych układów?

cada99 · Answer

Ok, dzięki za rozwiązanie mojego problemu. Dopiero się uczę tego pożytecznego narzędzia.
Oczywiście powyższy absurdalny przykład służył tylko pokazaniu że coś się nie zgadza z tym narastaniem prądu.

Dodano po 4 [minuty]:

SlawekKedra napisał:
W jaki sposób chcesz symulowac zachowanie tego pierwszego układu, symulacjami zupełnie innych układów?

Ja po prostu zgłębiam temat obwodów z cewkami.

cada99 · Answer

Zrobiłem taki układ z diodą zawracającą prąd na cewkę, tylko zamiast kondensatora tranzystor, aby uzyskać nagłe zatrzymanie przepływania prądu. I widzę duży skok napięciowy na wejściu cewki, choć bardzo krótki. Może ktoś mi podpowie jak się go pozbyć. Użyłem dużej diody schottky, więc zgaduję że chodzi tutaj o jej czas przełączania lub pojemność. Da się z tym coś zrobić?

Ogranicznik prądowy z cewką zamiast rezystora - jak uniknąć oscylacji?

Czy da się ograniczyć prąd ładowania kondensatora cewką zamiast rezystora i jak uniknąć oscylacji oraz przepięć w takim układzie?

Post #1

Post #2

Post #3

Post #4

Post #5

Post #6

Post #7

Post #8

Post #9

Post #10

Post #11

Post #12

Post #13

Post #14

Post #15

Post #16

Post #17

Post #18

Post #19

Post #20

Post #21

Post #22

Post #23

Post #24

Post #25

Post #26

Post #27

Post #28

Post #29

Post #30

Podsumowanie tematu