Меню

Резонансный источник питания своими руками

Основные идеи, лежащие в основе резонансного режима работы

в идеале метод, использующий широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), является ответом на поиски практически совершенного стабилизированно­го источника питания. Мы уже говорили, что в импульсном источнике ключ либо включен, либо выключен и управление осуществляется с нулевым рас­сеянием мощности, в отличие от линейного стабилизатора, где стабилиза­ция происходит из-за рассеяния мощности в проходном элементе. В реаль­ных условиях, широтно-импульсная модуляция дает разумный подход к переключению без потерь за счет более низкой частоты переключения, на­пример, в диапазоне 20 – 40 кГц. Глядя на ситуацию с другой стороны, может сказать, почему этот частотный диапазон так долго был популярен.

От самого начала стабилизации с помощью ШИМ, конструкторы пы­тались продвигаться в сторону более высоких частот, поскольку при этом можно уменьшить размеры, вес и стоимость магнитного сердечника и конденсаторов фильтра. При высокой частоте переключения появляются и другие преимущества. Используя более высокие частоты можно ожи­дать уменьшение радиопомех и электромагнитных шумов; можно ожи­дать меньших проблем при экранировке, развязке, изоляции и ограниче-

НИИ в схеме. Можно также ожидать более быстрого срабатывания, а так­же снижения выходного сопротивления и величины пульсаций.

Главным препятствием на пути применения более высоких частот были практические трудности создания быстрых и достаточно мощных переключателей. Из-за того, что невозможно достичь мгновенного включения и выключения коммутатора, на нем во время переключения имеется напряжение и одновременно через него протекает ток. Другими словами, трапецеидальные, а не прямоугольные колебания характеризу­ют процесс переключения. Это, в свою очередь, приводит к потерям пе­реключения, которые сводят на нет теоретически высокий к.п.д. идеаль­ного коммутатора, который мгновенно включается, имеет нулевое сопротивление во включенном состоянии и мгновенно выключается. На рис. 18.2 сравнивается ШИМ и режим переключения в резонансном ре­жиме, который будет рассмотрен подробнее.

clip image002 thumb59

Рис. 18.2. Осциллограммы, показывающие разницу между ШИМ и резонансным режимом. При ШИМ потери переключения появляются из-за одновременного протекания тока через коммутатор и наличия напряжения на нем. Обратите внимание, что эта ситуация отсутствует при резонансном режиме работы, который для стабилизации напря­жения использует частотную модуляцию (ЧМ).

Из вышесказанного очевидно, что на идеальном переключателе не дол­жно быть никакого падения напряжения во время включенного состояния. Все эти рассуждения говорят о том, что высокий к.п.д. был трудно дости­жимой задачей, особенно при высоких частотах переключения до тех пор, пока не был достигнут прогресс в создании импульсных полупроводнико­вых приборов. Следует указать также, что одновременно был необходим прогресс в создании других устройств, таких как диоды, трансформаторы и конденсаторы. Надо отдать должное работникам всех областей техники за то, что частота переключения при использовании широтно-импульсной модуляции была повышена до 500 кГц. Тем не менее, на высоких часто­тах, скажем на частоте 150 кГц, лучше рассмотреть другой метод. Итак, мы приходим к резонансному режиму работы источника питания.

Также давно было известно, что резонансные выходные цепи инвер­тора стабилизируют работу электродвигателей и сварочного оборудова­ния. Обычно в разрыв провода, ведущего от источника постоянного на­пряжения к инвертору, включалась катушка с большой индуктивностью. При этом инвертор ведет себя по отношению к нагрузке как источник тока, что дает возможность легче удовлетворить условию существования резонансных явлений. В этом случае существующие тиристорные инвер­торы правильнее назвать квазирезонансными — колебательный контур периодически подвергается ударному возбуждению, но непрерывные ко­лебания отсутствуют. Между импульсами возбуждения, колебательный контур отдает запасенную энергию в нагрузку. Примеры упоминавшихся схем приведены на рис. 18.3, 18.4 и 18.5.

Стоит повторить, что в источниках питания и инверторах иногда исполь­зовалось благотворное влияние резонансных свойств дросселя в выходном фильтре. И последнее, несмотря на впечатляющий прогресс по сравнению с примитивными источниками питания, здесь, тем не менее, имеются вредные последствия нежелательных резонансов. Они проявляются в виде паразитных колебаний, радиопомех, электромагнитных шумов, бросков напряжения и связанных с ними сбоев в работе схемы, что снижает к.п.д., а также повреж­дает или даже разрушает активные и пассивные компоненты схемы.

Из сказанного выше должно бьггь ясно, что широкое использование ре­зонансного режима работы началось после создания специализированных ИС управления. Эти ИС освободили конструкторов от проблем со сбоями, кото­рые неизбежно сопутствуют стремлению использовать резонансный режим на частотах несколько сот килогерц ити несколько МГц, где малые размеры компонент могут дать заметное сокращение габаритов, веса и стоимости.

clip image004 thumb36

Рис. 18.3. Пример резонансного высоковольтного источника, работа­ющего в радиочастотном диапазоне. Это восстановленная старая схема использует электронные лампы в генераторе Мейснера. Рабочая частота определяется повышающей обмоткой Z1 и ее собственной распределенной емкостью. Никакой стабилизации частоты не предусматривается.

clip image006 thumb20

Рис. 18.4. Пример запускаемого током инвертора с резонансным кон­туром на выходе. Обратите внимание на присутствие катушки с боль­шой индуктивностью L в цепи питания и конденсатора, входящего в состав резонансного контура на выходе. Подобный метод применим и к инверторам с самовозбуждением. Эти схемы обычно не имеют стаби­лизации.

clip image008 thumb9

Рис. 18.5. Пример квази-резонансного инвертора с одним тиристором. Выбирая соответствующий тиристор, можно получить выходную мощность нескольких киловатт и частоту переключения около 30 кГц. Если частота пульсаций немного ниже резонансной частоты последо­вательного XС-контура, то на нагрузке будет хорошее синусоидальное напряжение. Стабилизация в схеме отсутствует. General Electric Semiconductor Products Dept.

Читайте также:  Полуфабрикаты своими руками для продажи

Интересно, что резонансный стабилизатор напряжения имеет много общего с давно популярной схемой широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Действительно, согласно структурной схеме, источник импуль­сов постоянной длительности и переменной частоты вместе с резонанс­ным «контуром» используется вместо схемы ШИМ. В процессе работы из-за наличия ZС-контура через коммутатор или протекает ток, или к нему приложено напряжение, имеющие форму отрезков синусоиды. Фор­ма сигналов при переключении, в отличие от высокочастотных ШИМ схем, такова, что никогда не бывает одновременного присутствия напря­жения на коммутаторе и протекания через него тока. Поэтому потери коммутации пренебрежимо малы даже при высоких частотах.

Рис. 18.6 иллюстрирует резонансный режим работы. Сигнал ошибки получен также, как в источниках питания с ШИМ, то есть как разность между выходным и опорным напряжениями. Это напряжение рассогла­сования поступает на генератор, управляемый напряжением, выходной сигнал которого запускает ждущий мультивибратор. Схема модуляции, по существу, является преобразователем напряжение – частота. Им­пульсы ждущего мультивибратора, имеющие фиксированную длитель­ность и переменную частоту повторения, поступают на вход коммутато-ра(ов). Часто на выходе ждущего мультивибратора включают усилитель мощности, чтобы обеспечить более высокое мгновенное значение тока и низкое сопротивление. В качестве коммутаторов обычно применяется один или два мощных МОП-транзистора.

Выход коммутатора(ов) связан с резонансным Z С-контуром и выход­ным трансформатором. Видно, что амплитуда почти синусоидального напряжения, приложенного к первичной обмотке трансформатора, зави­сит от близости резонансной частоты ZС-контура к величине, обратной фиксированной длительности импульсов переменной частоты, поступа­ющих от коммутатора. Таким образом, стабилизацию постоянного вы­ходного напряжения можно реализовать с помощью частотной модуля­ции. Слишком высокая добротность Z С-контура будет препятствовать выделению мощности, а очень низкая вызовет чрезмерно большие пи­ковые значения тока в коммутаторе.

clip image010 thumb5

Рис. 18.6. Упрощенная схема резонансного стабилизированного источ­ника питания. В первом приближении можно считать, что здесь вместо широтно-импульсного модулятора в популярном ШИМ стабилизаторе применен преобразователь напряжение – частота.

Резонансный режим может быть получен разными путями: можно использовать или последовательный, или параллельный L С-контур. А номинальная рабочая частота может быть как ниже, так и выше соб­ственной резонансной частоты Z С-контура. В любом случае стабилиза­ция требует работы на падающем участке резонансной кривой. На рис. 18.6, индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора дос­таточно высока, так что практически не влияет на резонансную частоту Z С-контура.

Не всегда с первого взгляда на схему можно сказать, что использует­ся резонансный режим, потому что на принципиальной схеме могут от­сутствовать в явном виде индуктивность или емкость, а иногда и то и другое. В таких случаях используются паразитные реактивные сопротив­ления, такие как индуктивности рассеяния выходного трансформатора, а также паразитная или распределенная емкость. Иногда используется вы­ходная емкость коммутатора. В некоторых случаях параллельный колеба­тельный контур образуется вторичной обмоткой выходного трансформа­тора и либо подключенным к ней конденсатором, либо паразитной емкостью.

Для того, чтобы избежать недоразумений из-за неаккуратных выска­зываний в технической литературе, хорошо бы вспомнить следующие факты, относящиеся к резонансным стабилизаторам:

— В резонансном Z С-контуре колебания всегда происходят на его ре­зонансной частоте независимо от частоты импульсов, с помощью кото­рых осуществляется ударное возбуждение. Однако в большинстве случаев условия для существования свободных колебаний отсутствуют. На схему выпрямителя поступают полупериоды синусоидального колебания.

— Использовать можно как последовательные, так и параллельные ре­зонансные контуры. Иногда, на принципиальной схеме нет в явном виде катушки индуктивности или конденсатора, входящих в состав резонанс­ного контура. В таких случаях используется индуктивность рассеяния трансформатора или паразитная емкость. Имеются также схемы, в кото­рых конденсатор включается во вторичной обмотке выходного трансфор­матора, а не в первичной. Несколько схем показано на рис. 18.7.

— Одна из наиболее популярных схем использует последовательный резонансный контур, в котором выходную мощность получают от кон­денсатора через высокоомную первичную обмотку выходного трансфор­матора. Такой источник соответственно называется преобразователем или стабилизатором с последовательным резонансом и параллельной нагрузкой. К сожалению, иногда об этих устройствах говорят как о схемах с парал­лельным резонансом (рис. 18.7В).

— В идеале существует два способа получения почти нулевых потерь при коммутации. Один с переключением при нулевом токе, который яв­ляется наиболее популярным и допускает работу с частотами около 2 МГц, а другой с переключением при нулевом напряжении, позволяющий работать на частоте до 10-МГц. Переключение при нулевом токе использует для ударного возбуждения контура импульсы постоянной длительности и переменной частотой повторения. Фиксированный интервал времени между импульсами используются в режиме переключения с нулевым на­пряжением.

— Чаще всего (особенно при переключении с нулевым током) диапа­зон изменения частоты распространяется от низких частот до 80 % от ре­зонансной частоты контура. Это обеспечивает время, достаточное для того, чтобы ток катушки индуктивности уменьшился до нуля или стал от­рицательным. Импульс, определяющий время включенного состояния.

заканчивается, когда ток принимает отрицательное значение; момент его окончания не очень критичен. Отрицательный ток катушки индуктивнос­ти подразумевает, что ток теперь течет не через мощный МОП-транзис­тор, а через фиксирующий диод. Длительность импульса определяется RC-цепью, подключенной к управляющей ИС. Величины R и С удобно определять по графикам, предоставляемым изготовителем ИС. Типичные данные, иллюстрирующие выбор величины RC для определения длитель­ности импульса, а также частоты генератора показаны на рис. 18.8.

Читайте также:  Простая карповая оснастка своими руками

clip image012 thumb3

Рис. 18.7. Различные варианты извлечения мощности из резонансного контура. R обычно представляет собой комбинацию выпрямителя, фильтра и нагрузки. (А) Низкоомная нагрузка с выходным трансфор­матором и без него. (В) Высокоомная нагрузка с выходным трансфор­матором и без него. (С) Резонанс и извлечение мощности путем использования паразитных реактивностей.

clip image014 thumb2

Рис. 18.8. Примеры графиков для определения параметров резонанс­ного стабилизированного источника. Эти кривые соответствуют ИС GP605, но типичны для схем других изготовителей. (А) Допустимые комбинации емкости и сопротивления в зависимости от максимальной частоты генератора. (В) Допустимая емкость в зависимости от минимальной частоты генератора. (С) Комбинация резистора и емкости для выбранной длительности импульса. В зависимости от того, имеем дело со схемой А или В, ЛС-цепи будут разными. Gennum Соф.

— Надо быть уверенным, что «частота переключения» соответствует частоте, с которой импульсы поступают на резонансный контур. Не обя­зательно это частота генератора в управляющей ИС. В двухтактном им­пульсном источнике питания частота генератора будет вдвое выше часто­ты переключений. Для однотактных ИИП эти частоты обычно совпадают.

— К переключению без потерь приближается источник, работающий в прерывистом режиме. Это просто означает, что на каждый импульс дол­жен быть только один период колебаний в Z С-контуре. Практически это требует наличия «мертвого времени» между завершением одного цикла колебания и появлением следующего импульса. Вот почему частота по­вторения импульсов не должна приближаться к резонансной частоте

LC-контура. Удоалетворсние этого требования приводит к некоторому уменьшению выходной мощности.

— В резонансные источники питания часто вводят защиту по току, что делает их похожими на источники с ШИМ, имеющими такую защи­ту. Действительно, можно найти ссылку на работу резонансного источ­ника S режиме ограничения тока. Однако имеется существенное отличие. В системе с ШИМ учитывается нарастание тока, и ограничение макси­мального тока источника происходит в любой момент в пределах всего цикла. В резонансном источнике, учитывается часть синусоидального ко­лебания; это допускает ограничение максимального тока ИИП, но не мгновенно. 8 обоих случаях доспигается защита, но в резонансных ис­точниках не так быстро или точно, как в источниках с ШИМ, имеющих токовую защиту. В источниках с ШИМ слежение за величиной тока реа­лизует стабилизацию с прямой связью; в резонансных источниках считы-ватше величины тока приводит к использованию метода выключения.

— Последнее, но самое существенное, коммутаторы в резонансных ИИП не испытывают одновременного воздействия напряжения и тока во время процесса переключения. Это приводит к высокому к.п.д. со значи­тельным уменьшением р^ассеиваемой мощности в коммутаторах, что в свою О’щ^едь ©сдабляет температурные ароблемы, сптеобствуя высокой плотности компоновки элементов.

Источник

Данная статья посвящена LLC резонансному источнику питания для усилителей мощности звуковой частоты.

С момента изготовления мною первого резонансного ИИП по схеме RPS300, до написания данной статьи прошло более года. За это время мною было изготовлено три экземпляра данного источника питания на заводских печатных платах и несколько (сбился со счета), аналогичных RPS300, источников питания на самодельных печатных платах. Все они запускались сразу же после завершения сборки, без каких-либо проблем и отлично показали себя в работе. Чтобы быть до конца честным, следует добавить что некоторые, кто повторял за мной этот блок питания, с проблемами все таки сталкивались. Поэтому рекомендовать к повторению данное устройство могу только тем, кто имеет достаточный опыт и знания в сфере построения импульсных источников питания.

Внешний вид одного из собранных экземпляров RPS300:

5 371 1

Схема RPS300:

5 371 2

Авторский вариант блока питания рассчитан на выходное напряжение +/- 42 В. Далее будут перечислены номиналы всех элементов требующих расчета (Rfmin, Rfmax и других), а также номиналы резонансной цепи и моточные данные силового трансформатора установленные в авторском варианте RPS300. То есть, если вам так же требуется блок питания с выходным напряжением +/- 42 В, то можно ничего не рассчитывать, а использовать указанные ниже номиналы элементов и моточные данные трансформатора.

Моточные данные трансформатора и номиналы элементов резонансной цепи:

5 371 3

Величина зазора в сердечнике трансформатора подбирается экспериментально, таким образом, чтобы получить индуктивность первичной обмотки с разомкнутыми вторичными обмотками, равную расчетному значению из программы (в авторском варианте 310 мкГн).

Смотрим получившуюся передаточную характеристику:

5 371 4

Из нее видим, что Fmin = 52 кГц, а Fmax = 84 кГц. Подставив эти значения в калькулятор получаем номиналы частотозадающих резисторов и конденсатора софт-старта:

5 371 5

5 371 6

Разделяющая пластиковая перегородка вырезается из пластика по размерам каркаса:

5 371 7

Перегородка должна иметь толщину 3 мм. Она может быть выполнена как из одного куска пластика толщиной 3 мм, так и из нескольких более тонких кусков пластика склеенных вместе. В авторском варианте используются две склеенные вместе перегородки каждая из которых имеет толщину 1,5 мм.

Если перегородки установлены правильно, то каркас должен быть разделен на две равные части по 7,5 мм каждая:

Читайте также:  Пояс подводного охотника своими руками

5 371 8

5 371 9

После того как перегородка вклеена и клей высох, каркас готов к намотке обмоток. Первыми наматываются вторичные обмотки, которые должны размещаться в нижней части каркаса (ближе к выводам):

5 371 10

После намотки всех вторичных обмоток, наматывается первичная обмотка в верхней части каркаса.

Обмотки наматываются согласно следующей схеме:

5 371 11

На печатной плате, выводы трансформатора нумеруются следующим образом:

5 371 12

Неиспользуемые выводы можно удалить.

Если все сделать правильно, то вы получите трансформатор с индуктивностью рассеивания первичной обмотки 55 мкГн +/- 5%, что автоматически означает отсутствие необходимости в дополнительном дросселе Lr. В одном из авторских вариантов RPS300, индуктивность рассеивания первичной обмотки получилось достаточной чтобы не использовать дополнительный дроссель, а в другом пришлось добавить небольшой дросселек с индуктивностью около 5 мкГн.

Фото еще одного авторского экземпляра RPS300:

5 371 13

5 371 14

По авторскому варианту блока питания на этом все. Если вам необходим блок питания с другим выходным напряжением, придется все рассчитывать самостоятельно и придумывать свою конструкцию силового трансформатора. Подробно о том, как производится расчет LLC резонансного ИИП вы можете прочитать в предыдущей моей статье по данной теме.

Под этой статьей вы сможете найти Lay-файл печатной платы RPS300.00, а также архив с гербер-файлами готовый для заказа заводских печатных плат. Кроме того, там же вы сможете найти Lay-файл альтернативной печатной платы для RPS300 от Антона Наймушина, которая так же имеет габариты 100х100 мм, может быть вами самостоятельно переведена в гербер и отправлена на завод для изготовления плат.

Внешний вид RPS300 от Антона Наймушина:

5 371 15

5 371 16

Источник

LLC Резонансный ИИП на базе IRS27952 [2018]

5 355 1

Далее приведу некоторые технические характеристики, моего экземпляра резонансного ИИП на базе IRS27952:

Осциллограммы формы тока через первичную обмотку резонансного трансформатора (при разных значениях выходной мощности):

5 355 2

5 355 3

Описываемый ИИП имеет в наличии софт-старт, защиту от короткого замыкания в нагрузке и стабилизацию выходного напряжения, которая точно поддерживает выходное напряжение преобразователя на одном уровне, во всем диапазоне выходных мощностей. При работе на выходной мощности до 200Вт, нет никакого ощутимого нагрева, ни одного из элементов блока питания. Силовые ключи на радиатор не устанавливались. При выходной мощности 276Вт, ключи становятся едва ощутимо теплыми, но уже ощутимо начинает разогреваться первична обмотка трансформатора. Защита от КЗ работает исправно. При замыкании выхода преобразователя, прекращается генерация, блок питания переходит в спящий режим и находится в нем до того момента пока короткое замыкание не будет устранено. После устранения короткого замыкания, по прошествии определенного времени, блок питания самостоятельно перезапускается и продолжает работу в нормальном режиме.

Схема резонансного импульсного источника питания на базе IRS27952:

5 355 4

Расчет резонансной цепи. Для расчета нам потребуется программа ResonantSMPS из состава пакета All In One, авторства Старичка. Сразу скажу, что метод расчета описанный далее, является упрощенным и опытный глаз сможет найти в нем некоторые упущения, сделано это намерено, ради того чтобы максимально упростить расчет, чтобы максимальное числом неподготовленных радиолюбителей смогло повторить данный резонансный ИИП. И так, открываем программу и вводим исходные данные:

5 355 5

5 355 6

Я использовал сердечник ETD29 и поэтому на плате посадочное место сделано под этот тип и размер сердечника, под любой другой сердечник придется корректировать печатную плату. А вам необходимо выбрать такой сердечник, чтобы он подходил по габаритной мощности и вся обмотка уместилась на его каркасе. После выбора сердечника, жмем кнопку «Рассчитать» и смотрим что у нас получилось:

5 355 7

5 355 8

5 355 9

5 355 10

Запоминаем значения Fmin и Fmax. У нас они равны: Fmin=54кГц, Fmax=87кГц. Эти значения нам будут нужны для дальнейших расчетов.

Расчет номиналов обвязки IRS27952. В самом конце этой статьи нужно скачать файл NominaliObvyazki.xlsx. Для открытия его вам потребуется Microsoft Excel. Открываем файл и видим следующее:

5 355 11

5 355 12

Все номиналы обвязки (кроме емкости конденсатора софт-старта), автоматически округляются до ближайших стандартных значений. Тут же можно видеть фактические значения минимальной, максимальной частот и частоты софт-старта, которые получатся с применяемыми стандартными номиналами обвязки. Емкость конденсатора софт-старта набирается из нескольких конденсаторов, керамических SMD и электролитического, для этого предусмотрено достаточно места на печатной плате. На этом расчет можно считать оконченным.

5 355 13

5 355 14

5 355 15

5 355 16

Как убедиться что все получилось, что получившийся ИИП действительно резонансник? Необходимо с помощью осциллографа смотреть форму тока через первичную обмотку трансформатора. Для этого, в случае наличия дополнительного резонансного дросселя, на него наматывается временная пробная обмотка из 2-3 витков тонкого провода, нагружается на резистор сопротивлением 330-750Ом, а к этой обмотке подключается осциллограф. Форма тока должна быть синусоидальной или близкой к синусоидальной (примерно такой, как показано на моих осциллограммах выше). Если резонансного дросселя нет, то на его место, временно устанавливается токовый трансформатор. Он представляет из себя ферритовое кольцо с обмоткой содержащей 40-50 витков тонкого провода, нагруженная на резистор 330-750Ом, к которой подключается осциллограф и второй обмоткой из одного витка, которая включается на место резонансного дросселя.

5 355 17

Немного фотографий:

5 355 18
5 355 19
5 355 20
5 355 21

В завершении статьи хочу поблагодарить Илью Симонюка за предоставленные для опытов микросхемы IRS27952 и другие SMD элементы!

Источник

Adblock
detector