Evgeny  |
Отправлено: 14 Декабря, 2008 - 22:25:07 
|
Администратор
Сообщений всего: 2395
Дата рег-ции: Нояб. 2005
Откуда: Псков
|
Вывод 4. Микросхема UC3845 также была проверена в работе (плата преобразователя показана на фото). Хорошо себя зарекомендовал преобразователь по схеме Waldemar Szymanski . Но такой конвертер работает в режиме прерывистых токов, что теперь уже не очень интересно для эффективного преобразователя.
За простоту предложенного решения (и подобных моих схем: Pskov-1100, 1100M, M200) приходится платить недостаточным использованием трансформатора, который работает примерно половину общего времени, а половину простаивает в паузах между уже закончившимся обратным ходом и ещё не начавшимся прямым.
Для улучшения преобразователя необходимо применение схем с поддержанием граничного режима. Это позволяет при том же самом трансформаторе практически в два раза увеличить выходную мощность преобразователя. Или при той же самой выходной мощности применить трансформатор в два раза меньше.
Например, в сравнении с преобразователем M200, при использовании граничного режима с одного трансформатора получается примерно та же мощность, что выдают два таких же трансформатора, работающие в модулях М200 противофазно , но с заполнением прямого хода менее 50%.
Было собрано и несколько других преобразователей, в том числе и на микроконтроллере AVR с внешним драйвером.
При этом если длительность прямого хода сделать фиксированную, а управлять только длительностью паузы, то граничный режим уже достигается. Но преобразователь питается от аккумулятора, снижающего напряжение питания примерно на 30% по мере разряда. Это влечёт за собой увеличение времени заряда конденсатора. При снижении питания на 30% время заряда увеличивалось в некоторых схемах почти в два раза, в других - в полтора. Вообще нечуствительную к снижению питания схему, если имеется в виду работа трансформатора на максимуме перед насыщением, не получить. Если же сделать управление и временем прямого хода, например добавив датчик тока в первичную цепь, то можно достигать лишь 30% -ного увеличения времени заряда при 30% снижении напряжения питания.
Прикреплено изображение
-----
Евгений В. |
| |
|
| Evgeny |
Отправлено: 15 Декабря, 2008 - 04:58:35
|
Администратор
Сообщений всего: 2395
Дата рег-ции: Нояб. 2005
Откуда: Псков
|
Подводя итог, приведу ещё несколько теоретических (большей частью, не проверенных на практике) примеров.
Рассмотрим снова преобразователь M200. Его трансформаторы выполнены на чашках Ч21 из феррита М2000НМ1, с каждого из четырех таких трансформаторов снимается примерно по 50 Ватт мощности. Длительность прямого хода около 45%.
1. Изменив схему управления так, чтобы поддерживался граничный режим, мощность можно удвоить и с каждой чашки Ч21 реально получить приблизительно по 100 Ватт.
2. Применив вместо материала М2000НМ1 импортный феррит с более высокой индукцией насыщения, например феррит марки N87 фирмы EPCOS, мощность можно, вероятно, ещё увеличить, ориентировочно - раза в полтора, и получить уже 150 Ватт с одной чашки Ч21.
3. Вставив в отверстие чашек цилиндрический неодимовый магнит, можно сместить петлю гистерезиса в обратную сторону с тем, чтобы сердечник работал не на половине кривой намагничивания от нуля до насыщения, а на целой кривой, уже с двойным размахом, от минус насыщения до плюс насыщения. Профессионалы не любят так делать - магнитик нужно подобрать по силе и по месту установки, это хлопотно и в промышленных изделиях проще выбрать типоразмер трансформатора побольше, чем мудрить с магнитиками. Но в любительской конструкции вполне можно и с магнитиками поковыряться, создав противоположное предварительное подмагничивание в материале сердечника. Это ещё повысит мощность. Теоретически, максимум - в два раза, а практически - как получится. Наверное, раза в полтора, то есть до 225 Ватт.
4. Ещё больше поднять мощность можно увеличивая частоту переключения, хотя бы до двухсот килогерц. Правда здесь возможен конструктивный предел, так как нужно уменьшать индуктивность обмоток, то есть количество витков, а меньше одного витка в обычном трансформаторе уже не сделать простым способом. Хотя два полувитка, работающие параллельно, ещё можно организовать и в стандартном сердечнике на чашках.
5. Конечно, трансформатор - это лишь часть конвертора. Основные потери всё же в ключах. Но в преобразователе можно использовать более новые транзисторы с улучшенными параметрами. Например, IRF2804s-7p имеет сопротивление открытого канала 1.6 миллиом против 10 миллиом у IRL3705N, применённого в М200.
6. Уменьшить потери можно увеличивая скорость переключения транзисторов. Особенно это актуально для транзисторов с "тяжёлым" затвором, имеющим емкость порядка 10 нанофарад. Здесь могут выручить новые драйверы с повышенным выходным током, например, восьмиамперные. Ещё больше увеличить скорость закрытия транзистора можно применяя для питания драйвера дополнительный источник отрицательного напряжения.
Я не проверял на практике большинство из предложенных улучшений, так как не ставил себе задачу разработать самый совершенный преобразователь и меня больше интересовало оптимальное соотношение цены устройства и его качества. Даже при таком, не самом сложном подходе, разработка улучшенного преобразователя с заранее заданными параметрами отняла у меня неприлично много времени, пока требуемый мне результат был всё же получен.
Но, как видно, резервы для улучшения удельной мощности обратноходовых преобразователей ещё далеко не исчерпаны. Пути такого улучшения известны, их достаточно много - вопрос лишь в практической реализации, в выборе компромисса между высокими результатами и сложностью, стоимостью, в нахождении простой и технологично изготавливаемой конструкции.
Прикреплено изображение
-----
Евгений В. |
| |
|
| Evgeny |
Отправлено: 16 Декабря, 2008 - 04:20:51
|
Администратор
Сообщений всего: 2395
Дата рег-ции: Нояб. 2005
Откуда: Псков
|
Цитата: Питать обратноход 3 вольтами это... извращение. Допустим средний ток 20 ампер (при выходной мощности 50 ватт и кпд около 80%), тогда средний ток за прямой ход 40 ампер! Ток в "треугольнике" может достигать 120 ампер. Вобщем это как-то необычно. Тут соглашусь, так как и правда - извращение. Особенно при подсевшем аккумуляторе - питание получается всего 2,5 Вольта. Но по ряду причин мне нужно именно такое питание - пришлось выкручиваться.
Кстати, при среднем токе в 20 Ампер и указанных условиях ситуация будет не такая, как Вы пишете. Дело в том, что при граничном режиме коэффициент заполнения (Duty cycle) получается значительно больше 50% (за счёт короткого обратного хода), и импульсный ток превышает средний не в четыре, а всего в два раза (с хвостиком).
Это происходит таким образом: поддерживая граничный режим, преобразователь сначала делает прямой ход. При этом в более простой схеме транзистор открывается просто на заданное фиксированное время. В более сложной - транзистор держится открытым до возрастания тока в первичной обмотке до заданного значения и для этого нужен какой-либо датчик тока. Или отдельный, например резистор порядка нескольких миллиом, либо ток можно измерять по падению напряжения на открытом транзисторе. Дальше преобразователь переходит на обратный ход, закрывая транзистор. Во вторичной стороне открывается диод и возникает вторичный ток, который в первый момент равен только что прервавшемуся первичному току, умноженному на коэффициент трансформации. Первичный ток при прямом ходе плавно возрастал до своего максимума, соответственно вторичный ток начинает плавно убывать со своего максимума до нуля. На этом обратный ход можно и закончить. Так происходит при граничном режиме. В том случае, когда конденсатор уже заряжен до какого-то напряжения, время обратного хода, за который вторичный ток спадает до нуля, существенно короче времени прямого хода. Но это при коэффициенте трансформации 1:10 ( ну или 1:15). Если во вторичной обмотке намотать витков больше, чем нужно, вторичный ток будет спадать медленнее.
Осциллограмма из симулятора на рисунке. Красным - ток через транзистор, синим - ток во вторичной обмотке (сдвинут вниз на 5 Ампер, чтобы графики не сливались). Ситуация показана в момент, когда конденсатор заряжен до половины, то есть до 200 Вольт. Коэффициент трансформации 1:15. Видно, что длительность обратного хода примерно раза в четыре короче прямого хода, то есть коэффициент заполнения 80%. С дальнейшим повышением напряжения на конденсаторе, обратный ход ещё укорачивается.
То есть при среднем токе 20 Ампер, ток в вершине треугольника будет не выше 50А. Это ток в транзисторе. Но и о среднем ровном 20 Амперном токе потребления от аккумулятора тоже говорить не приходится - от аккумулятора потребление идёт почти так, как идёт ток в транзисторе. Конденсаторы по питанию немножечко сгладят, но при низком напряжении и большом токе толку от них мало. Реально при указанных условиях ток потребления от аккумулятора будет такой же точно пилообразный, но с импульсами не в 50, а в 40 Ампер. Это уже не так страшно, как 120. Но и 40 Ампер может выдать только очень хороший аккумулятор.
А в привычном обратноходовом преобразователе, работающем просто с фиксированной частотой и с каким-то фиксированным заполнением, ситуация чуть другая и в его цикл работы, помимо прямого хода и обратного хода добавляется пауза, так как транзистор держится закрытым дольше, чем нужно для прекращения вторичного тока. Получается сначала прямой ход, потом короткий обратный, потом пауза - транзистор всё ещё закрыт,
ток во вторичной обмотке уже прекратился, но преобразователь не начинает новый прямой ход, так как выдерживает фиксированное время для обратного хода. Во время этой паузы на транзисторе возникают свободные колебания напряжения (наверное - в индуктивности рассеяния). Они довольно велики по амплитуде и их хорошо видно осциллографом. То есть просматривая напряжение на транзисторе наглядно видно когда происходит прямой ход, когда во вторичной обмотке потёк ток, и момент, когда этот ток прекратился и начались колебания.
Так как в наших схемах напряжение конденсатора во много раз больше, чем напряжение аккумулятора, то обратный ход при заряде конденсатора можно постепенно укорачивать и к концу заряда делать совсем коротким. За счёт этого время между прямыми ходами сильно сокращается. По существу остаются только прямые ходы, следующие друг за другом почти без перерыва (особенно при трансформации 1:10). За счёт этого и выходит, что средний ток получается равен примерно половине от максимального импульсного. Соответственно, уменьшаются потери и повышается КПД, так как потери зависят в том числе и от времени использования транзистора в течении всего цикла работы. Уменьшение коэффициента заполнения увеличивает потери (при равной мощности), увеличиние заполнения напротив, уменьшает потери.
Прикреплено изображение
-----
Евгений В. |
| |
|
| Evgeny |
Отправлено: 16 Декабря, 2008 - 05:52:01
|
Администратор
Сообщений всего: 2395
Дата рег-ции: Нояб. 2005
Откуда: Псков
|
4EPHO6bIJIb пишет: Можете рассказать по подробнее о своих творениях. Стараюсь, насколько это возможно.
Цитата:ЗЫ откуда такие чудовищные планы по поводу мощности ч21? И скажите честно откуда идея с магнитом? Ну Ч21 - это только для примера. Я не думаю, что с неё действительно удастся получить несколько сотен Ватт, так как при увеличении мощности потери также будут расти и чашка должна будет просто перегреться. Либо к ней нужно будет прикрутить по радиатору с каждой стороны, видел такие в некоторых приборах.
Ну и самое главное: мощность преобразователя ограничивается не сердечником трансформатора, который легко можно заменить на более крупный, а двумя другими факторами:
1. Аккумулятором, то есть его способностью выдать ток большой силы.
2. Мощностью тепловых потерь, выделяющихся на транзисторе преобразователя.
Про магнитики идея возникла случайно во время экспериментов по совсем посторонней теме, которой как-то пришлось заниматься. Там как раз магниты использовались с ферритовым сердечником, но для другой цели. Поскольку идея очень простая, меня удивило, что я нигде раньше не встречал такого способа уменьшения дросселя - хотя это должно прийти в голову любому, как очевидный выход. Тем более в каждом старом телевизоре магнитик к дросселю приделан в регуляторе линейности строк - это подталкивает к мыслям в нужном направлении. Правда там назначение магнитов противоположное - сместить работу сердечника дросселя на нелинейный участок кривой намагничивания, а нам надо в обратную сторону. Потому я предположил, что наверное, в идее с магнитами есть какие-то серьёзные недостатки и решил поспрашивать у более опытных разработчиков силовой электроники. Первые два знакомых специалиста не встречались с подобными решениями, третий ответил, что магниты в предложенном варианте применяются, но редко, и он видел такое дело в каких-то хитрых устройствах, - но ему этот способ не нравится и он в своих разработках его не использует, так как более предсказуемый и повторяемый путь в промышленно-производимом изделии - использовать стандартные сердечники с известными параметрами, а не мудрить невесть что. В принципе, я с этим согласен и не имею планов экспериментировать со всеми возможными способами уменьшения сердечника, чтобы выяснить их практическую пригодность. Тем более, что до определённого предела уменьшение трансформатора оправдано, а дальше уже остальные элементы койлгана оказываются настолько больше преобразователя, что смысл выкроить ещё чуть-чуть места уже теряется.
-----
Евгений В. |
| |
|
| Evgeny |
Отправлено: 16 Декабря, 2008 - 06:19:57
|
Администратор
Сообщений всего: 2395
Дата рег-ции: Нояб. 2005
Откуда: Псков
|
4EPHO6bIJIb пишет:вы замеряли кпд этих устройств? Даже и не собирался.
(был уверен, что спросите) 
Я больше ориентируюсь на допустимый нагрев. По числу выстрелов аккумулятор, как правило, имеет достаточный запас, потому КПД, как просто некоторое число, не так важен для достижения конечного результата. Более важно то обстоятельство, что любой преобразователь во время работы выделяет какое-то тепло. Если КПД даже невысок, то есть тепловых потерь получится сравнительно много, но тепло это удастся эффективно отвести и рассеять, преобразователь не перегреется. С другой стороны, даже при высоком КПД, но при плохом теплоотводе, преобразователь будет перегреваться.
По этой причине я оснащаю все собираемые преобразователи тепловой защитой - на корпус транзистора ставлю интегральный датчик температуры, срабатывающий точно при 85 градусах. По замыслу, датчик должен отключать преобразователь при перегреве. Если это происходит в штатном режиме работы, при номинальной выходной мощности, то нужно либо снижать потери (увеличивать КПД), либо улучшать охлаждение. И какое там будет в это время конкретное значение КПД - 80 процентов или даже все 90% - не важно. Всё равно, если получается сильный перегрев, то придётся в конструкции что-то менять. Но во время моих экспериментов тепловая защита ни разу не сработала при включенном преобразователе. Если же корпус транзистора разогреть паяльником, защита сразу срабатывает, то есть исправна. Так что при таком слабом нагреве КПД меня не интересует, впрочем, я уже дискутировал с Вами о КПД и о его дутых цифрах, приводимых в разных других местах.
Кроме того, КПД измерять я толком не научился. Только про амперметр не надо рассказывать - если это называть измерением КПД, то я и на глаз скажу число точнее.
Для измерения реального значения КПД мне, вероятно, будет необходим двухканальный запоминающий осциллограф (имеется), пишущий данные в компьютер, прецизионный или просто тарированный датчик тока (резистивный имеется, 33 миллиома, точность 1 процент). Дальше останется перемножить интегральные значения тока и напряжения на полном цикле заряда конденсатора известной ёмкости до известного напряжения (ёмкость могу измерить с точностью только 5 процентов). Ну и после поделить энергии выхода и входа.
Но включение резистивного датчика тока 33 миллиома в цепь 3-х вольтового аккумулятора при 20-Амперах уже значительно меняет работу преобразователя, а при импульсе в 40 Ампер на таком датчике тока питание сядет почти в два раза.
Бесконтактных датчиков тока, способных работать с осциллографом, то есть с полосой хотя бы несколько сотен килогерц, я не имею. И стоимость таких датчиков (LeCroy, или Hewlett-Packard ) я прекрасно знаю - хороший быстрый датчик стоит несколько тысяч долларов. Таких датчиков, к сожалению, и у моих знакомых нет ни у кого. А датчики попроще имеют задержку в несколько микросекунд - ими толком ничего не измеришь.
Потому КПД я даже теоретически могу измерить лишь с другим источником питания, имеющим несколько большее напряжение, чем аккумулятор, чтобы компенсировать падение на резистивном датчике тока. Но это уже не совсем эквивалентный случай, строго говоря. Получается, что простого способа измерить точно абсолютное значение КПД я не знаю, измерения получаются только относительные, по ним вполне можно смотреть в конкретной схеме как изменяется КПД в тех или иных случаях: снижается, повышается. Можно примерно оценить, насколько велики изменения, но узнать точную цифру, чтобы написать: "КПД преобразователя составил столько-то процентов" и чтобы это была правда - не так просто, как многим кажется. Впрочем, если мне будет сильно надо, я КПД, конечно измерю так или иначе. Но это, как я уже объяснил, сильно хлопотно и просто ради любопытства делать такие измерения нет желания.
Потому я просто поставил датчик температуры, в надежде, что по времени, через которое он будет срабатывать, я смогу косвенно судить о потерях и по крайней мере иметь представление, лучше стало, или хуже. Но датчики я купил на 85 градусов, а до этой температуры нагрев не доходит. Надо было выбрать датчики другие, градусов на 60 или даже на 50 - тогда бы точно срабатывали. Но меня ситуация и так устраивает: не прегревается - да и ладно.
Можно конечно, включить амперметр, да перемножить ток на напряжение. После этого расчитать КПД и радостно сказать всем, сколько получилось. Вот только такие числа ничего общего с реальным КПД не имеют. Это я утверждаю совершенно со всей ответственностью, так как собственноручно таким способом мне уже удавалось "наизмерять" КПД=105%. Вы про эту цифру спрашивали, или про настоящее значение КПД, которое "по правде", а не "по амперметру"?
Кстати, этот случай с неправильным измерением КПД был довольно забавным, я планирую как-нибудь написать о нём более подробно в одной из историй в теме "от администратора" (когда будет время).
-----
Евгений В. |
| |
|
| Aleks82 |
Отправлено: 16 Марта, 2009 - 13:50:06
|
Сообщений всего: 6
Дата рег-ции: Март 2009
Откуда: Москва
|
Здраствуйте, у меня вопрос по преобразователю Псков-1100М
Вместо транзистора IRL3507N возможно использовать один из следующих: IRFZ24N, STP60NF06, STP55NE06 ?
А то в магазине небыло нужного, а такие дома есть. По рабочему напряжению вроде они проходят а вот по напряжению открытия незнаю, и где этот праметр смотреть в даташите? Есть какойто VGS Gate-source Voltage, он у этих трех +-20В, у IRL +-16В.(Отредактировано автором: 16 Марта, 2009 - 13:50:41) |
| |
|
|
www.FoAr.ru - ФОрум АРсенала » Архив (только для чтения) » Преобразователи напряжения (Модератор: нет)
Описание: Продолжение
