Convertitori di tensione a commutazione. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Convertitori di tensione, raddrizzatori, inverter

 Commenti sull'articolo

Miti, favole, leggende e brindisi sui trasformatori di impulsi

Ci sono molti miti in tutto il mondo sui trasformatori di potenza e sulle induttanze ad alta frequenza. Proviamo a sfatarli. Purtroppo la parte meno articolata dei libri di testo e dei manuali tratta di componenti magnetici, complicando oggetti e fenomeni di uso quotidiano generalmente semplici. Sì, ci sono molte variabili sconosciute, sì, ci sono molte sottigliezze che devono essere conosciute, ma la teoria tace su di esse e la letteratura popolare mente, offrendo formule empiriche per problemi specifici come soluzioni per tutte le occasioni. Per esempio.

Mito. Maggiore è la percentuale dell'area centrale della finestra riempita di rame, idealmente il 100%, meglio è. Sbagliato. In molti progetti, un riempimento del 100%, rispetto al 75% (stesso numero di spire, diversa sezione del filo) porterà a maggiori perdite in HF. Non è possibile trasferire ciecamente metodi di calcolo da 50 Hz a 500 kHz.

Secondo mito. In un trasformatore ottimale le perdite nella resistenza dell'avvolgimento e le perdite nel nucleo coincidono. Sbagliato. Spesso una cifra di perdita differisce da un'altra di 1-2 ordini di grandezza. E allora: questo non è affatto il criterio principale per il designer. Questo approccio è anche un'eredità di "cinquanta Hertz": ecco come viene garantito l'equilibrio della temperatura nei massicci trasformatori di rete. Ma il nostro intero avvolgimento è costituito da uno o due strati e le condizioni di trasferimento del calore sono molto più semplici.

Il terzo mito. L'induttanza di dispersione dovrebbe essere pari all'1% dell'induttanza magnetizzante. Sbagliato. Dovrebbe essere il più basso possibile senza compromettere in modo significativo altri parametri importanti. Se riesci a portarlo allo 0.1% - fantastico. E a volte devi fermarti al 10%.

Quarto mito. L'induttanza di dispersione è una funzione della permeabilità del nucleo. Sbagliato. L'induttanza di dispersione di un avvolgimento è praticamente indipendente dal fatto che nella spira sia presente o meno un nucleo. Più precisamente, l'intera differenza è entro il 10% (e questo è con un mu di diverse migliaia!). Puoi controllare.

Quinto mito. La densità di corrente ottimale negli avvolgimenti è di 2 A per mmq. Oppure 4A. Oppure 8A. E il cane è con lui. La densità di corrente non ha importanza. Ciò che conta è la dissipazione del calore nel filo e la capacità, o incapacità, della struttura nel suo complesso di garantire l'equilibrio termico a una temperatura accettabile. A seconda dell'efficienza del raffreddamento (dall'irraggiamento nel vuoto al raffreddamento nella fase di ebollizione), la densità di corrente consentita cambia di due ordini di grandezza. Ridley costruisce trasformatori da 20 anni, ma non abbiamo ancora imparato la "densità di corrente ottimale": tutto ciò che conta per noi è la temperatura del trasformatore.

Mito sei. In un trasformatore ottimale le perdite nel primario e nel secondario sono uguali. Sbagliato. E se non sono uguali, allora cosa? La cosa principale è che nessuno di loro si surriscaldi.

Settimo mito. Se il diametro del filo è inferiore alla profondità dell'effetto pelle, non si verificano perdite significative a RF. Un'affermazione molto dannosa. Negli avvolgimenti multistrato, anche con filo molto sottile, si avranno perdite.

Mito Otto. La frequenza di risonanza del circuito del trasformatore in assenza di carico dovrebbe superare significativamente la frequenza di conversione. Sbagliato. Lei non ha importanza. In un trasformatore ideale l'induttanza tende all'infinito, quindi la frequenza di risonanza all'interruzione tende a zero... e allora? E il fatto che la risonanza sia importante non per un circuito aperto, ma per un cortocircuito nel circuito secondario. Questa risonanza dovrebbe essere almeno due ordini di grandezza superiore alla frequenza portante.

Misure di impedenza del trasformatore

Opzione di connessione del dispositivo

In questa configurazione, l'analizzatore visualizza l'impedenza del trasformatore da 10 Hz a 15 MHz, per condizioni di cortocircuito e carico aperto. Per i trasformatori di impulsi con avvolgimenti corti è necessario garantire un cortocircuito lungo il percorso più breve con perdite minime. Dopotutto, un semianello di chiusura, anche con un diametro di diversi centimetri, ha già un'induttanza paragonabile all'induttanza di dispersione del primario. L'induttanza di dispersione dipende dalla frequenza! Come alimentatore Rsense R=0.1..1 Ohm. Misurare la resistenza ohmica degli avvolgimenti solo con un ponte a bassa resistenza o un ohmmetro con generatore di corrente. Dopo una serie di misurazioni è possibile determinare:

Induttanza magnetizzante - Resistenza dell'avvolgimento - Induttanza di dispersione - Frequenza e fattore di qualità della risonanza in cortocircuito e circuito aperto - Capacità dell'avvolgimento (fino a 3 pF per giro).

Informazioni sul controllo attuale

La limitazione della corrente di ciclo, correttamente implementata, consente di creare un'alimentazione di tensione indistruttibile. Per fare ciò, il sensore di corrente deve essere veloce (con qualche nanosecondo di ritardo) ed essere caricato direttamente sull'ingresso di controllo del circuito integrato del controller.

Il falso intervento della protezione contro i burst parassiti viene soppresso dal filtro passa-basso RC. È qui che occorre decidere il compromesso sull'immunità velocità-rumore, in modo che un filtraggio eccessivo non perda la reale corrente in eccesso.

Anche i controller che disabilitano la protezione sul fronte ascendente dell'impulso non sono una panacea. Quei 100 ns di ritardo (o giù di lì) durante i quali la protezione è cieca possono anche uccidere il carico utile. Potrebbe quindi essere opportuno limitare forzatamente la velocità di commutazione del transistor (il che riduce anche il livello di interferenze e radiazioni sia nel sensore di corrente che nello spazio).

Come testare la protezione corrente?

Cortocircuitare l'uscita PN - dopo il raddrizzatore e il filtro di uscita. Sfortunatamente, in caso di cortocircuito nel raddrizzatore stesso, nessuna protezione di corrente aiuterà i tuoi transistor.

Collegare la sonda al sensore di corrente. Aumentare gradualmente la tensione di alimentazione finché il controller non inizia a generare una portante. Dovresti vedere dei picchi stretti sull'oscilloscopio: il circuito di protezione dovrebbe spegnere rapidamente i transistor aperti. L'ampiezza dell'impulso deve corrispondere alla soglia di protezione. Aumentare la tensione di alimentazione al massimo. La durata degli impulsi dovrebbe ridursi. L'ampiezza può aumentare (a causa dei ritardi nella propagazione della retroazione di corrente), ma non in modo significativo. E se cresce in proporzione alla tensione di ingresso, fermati, il tuo sistema operativo è troppo lento.

Poi – questo è fondamentale – il ciclo di misure va ripetuto alle temperature minima e massima dell'aria

Questo è importante: i parametri della ferrite su cui è avvolto il trasformatore di corrente possono variare così tanto con la temperatura che non sembra molto.

A proposito di snubber

Snubber (smorzatore - smorzatore) - Circuito RC parallelo all'avvolgimento - per deviare la suoneria HF. Il suono deve essere soppresso, altrimenti sono possibili guasti, disturbi eccessivi e instabilità del convertitore. In genere, uno shunt RC è sufficiente per silenziare gli avvolgimenti indisciplinati se la frequenza di chiamata supera la portante di circa due ordini di grandezza o più. E in caso contrario, dobbiamo cercare soluzioni alternative, perché in tal caso una parte significativa della portante e le sue armoniche più vicine cadranno nella banda passante dello shunt.

Primo. Determinare la frequenza delle oscillazioni parassite. Per cominciare, eseguire il circuito con una corrente a basso carico. La sonda dell'oscilloscopio, per non apportare modifiche al circuito, deve avere una capacità intrinseca minima. In caso contrario, provare a spostare la sonda sul circuito che suona senza stabilire un contatto elettrico. Si prega di notare che la frequenza di chiamata varia con la tensione del circuito primario.

Secondo. Calcolare il circuito RLC equivalente per la frequenza e il fattore di qualità delle oscillazioni. Sul lato primario l'induttanza di dispersione è nota (deve essere nota!). Sul lato secondario sono note le capacità dei diodi.

Impedenza caratteristica Z = 2 * Pi * f * L (per L noto), Z = 1 / (2 * Pi * f * C) per C noto

Terzo. Per cominciare, proviamo solo lo shunt R, R=Z. Calcoliamo le perdite di calore sullo shunt. Se sono indecentemente alti, integriamo il collegamento con la capacità C = 1 / (Pi * f * R). Aumentare la capacità è inutile: le perdite aumentano, la soppressione del suono non migliora (la capacità HF è completamente conduttiva).

Il quarto. Ricalcoliamo la potenza di perdita di R: P = 2* C * V * Fla non essiccazione è la perdita del solo portatore senza rilascio di calore durante lo squillo. Controlliamolo in un circuito reale. La prima approssimazione – di regola – è immediatamente adatta per la maggior parte dei casi.

Informazioni sui chip del controller

Il posizionamento e l'instradamento dei componenti vicino al circuito integrato sono di fondamentale importanza! Questo si ripete in ogni scheda tecnica, ma non fa male ripeterlo ancora.

Innanzitutto la capacità di regolazione della frequenza del generatore. Posizionalo proprio ai piedi dell'IP. Non cinque millimetri, ma più vicino è, meglio è. Altrimenti sono possibili fenomeni inspiegabili: ad esempio, un circuito progettato per 100 kHz genererà a megahertz, una sirena emergerà dallo Yauza, ecc. Inoltre, potrebbe non apparire su un prototipo, ma su una scheda di produzione apparirà in tutto il suo splendore.

In secondo luogo, anche le capacità nei circuiti di alimentazione dovrebbero essere saldate il più vicino possibile ai piedini del circuito integrato.

L'uscita della sega a generatore (dove è accessibile dall'esterno) non ama essere caricata (come me). Pertanto, quando si seleziona un segnale da questa uscita, fare attenzione: anche un carico di 100 kOhm può modificare la forma della sega. È meglio generare la sega in parallelo, senza collegarsi al circuito primario del generatore.

Gli IC 3842, 3843 consentono di impostare una pausa tra gli impulsi dal 5% al ​​30% del periodo. 3844, 3845 - fino al 70%. Se è necessario allungare la pausa, è possibile aggirare queste restrizioni modificando i tempi di R, C. Quindi aggiungendo un altro resistore dal pin RTCT al positivo di potenza: questo accelererà la carica e rallenterà la scarica, allungando la durata. tempo di pausa disponibile.

IC UC3825: il tempo di pausa minimo (assoluto, in millisecondi) è fissato rigidamente dalla capacità Ct, vedere la documentazione. Ma è anche possibile fare come descritto sopra, collegando un resistore a Ct. È solo che questa volta fluttuerà continuamente con la tensione di alimentazione.

I driver di uscita IC non amano i carichi induttivi, come i trasformatori di isolamento, che provocano un rimbalzo del segnale al gate. Inoltre, se non si manifesta in laboratorio, nella vita reale emergerà sicuramente nel momento più inopportuno. Dopotutto, i parametri del trasformatore fluttuano... Pertanto, si consiglia di proteggere il gate con diodi e, in parallelo con il primario del trasduttore, con un resistore.

I controller di prima generazione, soprattutto quelli più vecchi, possono essere estremamente instabili sia in termini di tensioni di riferimento (con questo ci si può convivere) che in termini di parametri di temporizzazione, fino all'errata sequenza dei trigger e all'eccessiva deriva della frequenza portante (a seconda del la stabilità dei livelli di riferimento). Se lo desideri, utilizza un IP di un anno di rilascio recente o con suffissi che indicano opzioni "migliorate". Quelli. TL594 e non TL494, ecc.

Ad esempio, una caratteristica non documentata dell'IC Bryansk KR1156EU2 (analogico 3825) - con un'alimentazione a 12 V, cablaggio corretto, con un livello inibitorio all'ingresso ILIM, l'uscita 14 è a un livello basso (normale) e corto, circa 11 ns i picchi compaiono sull'uscita 100 - fronti “sottosquadro” dell'ampiezza della portante fino a 9 V. Da qualche parte il grilletto non funziona come dovrebbe. Ma questi scarti sono sufficienti per aprire l'otturatore e (e se) interrompere il circuito.

Informazioni sulla frequenza di taglio del loop del sistema operativo

Per quanto riguarda la misurazione del guadagno PN con un circuito di feedback chiuso, è meglio misurarlo come descritto nella sezione successiva, utilizzando un analizzatore di spettro (un generatore non è sufficiente).

Per i PN diretti e flyback quando controllati dalla tensione, la frequenza di taglio non deve essere superiore a un quarto della frequenza zero della funzione di trasferimento sulla metà destra del piano complesso. Se l'adempimento di questa condizione non consente una stabilizzazione affidabile dell'uscita, è necessario rifare il filtro di uscita.

Per tutti i PN, la frequenza di taglio non deve superare 1/8 della frequenza portante.

Un aumento della frequenza di taglio è limitato da inevitabili rumori, squilli e altri fenomeni parassiti nella PN ad un livello di circa 15 kHz. Se per qualche motivo è necessario capirlo, la complicazione del circuito è inevitabile: l'introduzione di un amplificatore di errore esterno ad alta velocità nel loop del sistema operativo.

La cosa più importante è che la frequenza di taglio del sistema operativo non è fine a se stessa. Ciò che è importante è l'impedenza di uscita nell'intervallo di frequenza richiesto dal carico, la soppressione dell'instabilità della tensione di ingresso e la soppressione del rumore di ingresso.

Misurazione del loop del sistema operativo

Assicurati di misurare il comportamento del loop del sistema operativo prima di mettere in funzione il dispositivo.

Il dispositivo, discusso di seguito, introduce una sorgente di tensione (generatore di spazzate) nel circuito aperto del sistema operativo (punti 1-2). Quindi gli spettri del segnale vengono registrati in due punti qualsiasi del circuito e viene visualizzata la risposta in frequenza del rapporto di questi spettri. Il rapporto tra lo spettro di uscita e lo spettro di ingresso è la caratteristica di trasferimento (in ampiezza). È possibile replicare il dispositivo in modo efficiente utilizzando un generatore con uscita del trasformatore e stabilizzazione della tensione sull'avvolgimento secondario e un oscilloscopio.

Misurazione dei parametri del circuito utilizzando un analizzatore di spettro AR102V - PN con isolamento optoaccoppiatore

I punti di connessione per le sonde dei canali A e B consentono di misurare diverse funzioni di trasferimento