0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Синхронный выпрямитель своими руками

11. Синхронные выпрямители.

Диодный выпрямитель прямоугольного напряжения, выполненный на теоретически идеальных диодах, не может иметь КПД выше 94.6% если напряжение на нагрузке равно 5В. Такой же выпрямитель на реальных диодах с падением напряжения 0.8В не позволяет получить КПД выше 86.2%. Диоды Шоттки с падением напряжения 0.5В позволяют получить КПД 0.909. Применение синхронного выпрямителя (СВ) на полевых МДП — транзисторах с падением напряжения 0.1. 0.2В повышает КПД до 0.962 и более.
n=Uэф/(Uэф-Uси нас)

Входные ёмкости полевых МДП — транзисторов больше выходных, но значительно меньше чем у соответствующих биполярных транзисторов. Так, например, у КТ908 Свх=10нФ, в то время как у 75 — ваттного 2П904 Свх — не более 200пФ.

Характеристики переключения измеряются долями и единицами наносекунд, что на один — два порядка превосходит быстродействие биполярных транзисторов.

Недостатки:
— значительная амплитуда входных отпирающих импульсов (от 5 до 15 В);
— спад крутизны S при больших токах стока.

Анализ вольт — амперных характеристик некоторых МДП транзисторов при Uзс=15В

позволяют сделать следующие выводы:

— при снижении тока, протекающего через транзистор, пропорционально снижается напряжение сток-исток, т.е. при параллельном включении дополнительно повышается КПД;
— потери мощности на управление незначительны, т.к. ток в цепи затвора близок к нулю;
— на затвор необходимо подавать максимально возможный потенциал как прямом, так и в запирающем направлении.

Основные требования к МДП — транзисторам для применения в СВ:
— прибор должен быть полностью закрыт при нулевом потенциале затвора или при подаче на затвор запирающего потенциала;
— сток и исток прибора должны быть взаимозаменяемыми, т.е. прибор должен отпираться в обратном направлении так же хорошо, как и в прямом.

По способу управления схемы СВ с полевыми транзисторами делятся на две группы:
— с управлением по цепи затвор — сток:

— с управлением по цепи затвор — исток:

В свою очередь по способу включения транзисторов СВ бывают:
— прямого включения

Чаще используют схемы инверсного включения. Схемы

при выпрямленном напряжении 10. 15 В (зависит от Uзи нас) можно упростить до вида

При работе СВ на нагрузку с ёмкостной реакцией необходимо управление транзисторами в зависимости от зарядного тока, что позволяет схема с трансформатором тока (с инверсным включением транзисторов и с управлением по цепи затвор — исток):

ПТ как переменный электрически управляемый резистор.

При относительно малых стоковых напряжениях (меньше Uси нас) открытые каналы ПТ ведут себя практически как линейные резисторы, проводимость которых зависит от напряжения затвора.

Проводимость транзистора с управляющим p-n переходом:
Gк=Gко(1-Uзи/Uзи отс)

Проводимость МДП — транзистора с индуцированным каналом:
Gк=b[Uзи — Uзи пор]

где b — постоянный коэффициент, зависящий от геометрических размеров и материала диэлектрика с размерностью A/B.

При смене полярности стокового напряжения линейность сопротивления (или проводимости ) не нарушается, поэтом полевой транзистор может использоваться как переменный электрически управляемый линейный резистор для постоянного и переменного токов.

В качестве примера на рисунке показан управляемый аттенюатор схемы АРУЗ магнитофона:

В качестве активного элемента можно использовать транзистор типа КП103К(Л,М) или набор транзисторов типа КР504НТ3В.

Следует заметить, что на обратное напряжение стока накладываются дополнительные ограничения. Для ПТ с управляющим p-n переходом необходимо, что бы [Uси] = 29.

Применение отражателя тока в гетеродине повышает стабильность частоты примерно на порядок по сравнению с обычным генератором:

Простой генератор качающейся частоты (от 300Гц до 3.4кГц):

Период качания от 0.15 до 0.5 с устанавливают резистором R2. На транзисторах VT1 — VT3 и конденсаторе С2 собран генератор пилообразного напряжения, амплитуда которого, а соответственно и верхняя частота качания регулируются резистором R6. Нижнюю частоту устанавливают резистором R18. С помощью переключателя S1 можно установить необходимые дискретные частоты.

Простой индикатор скрытой проводки:

Вдали от токоведущих частей он издаёт короткий звуковой сигнал частотой около 3кГц и периодом следования около 2 с, длительность которого определяется элементами R1, R2, C1. По мере приближения к токоведущим частям частота следования звуковых сигналов повышается. В качестве датчика использован конденсатор в виде кружка из двустороннего стеклотекстолита, одна обкладка которого припаяна к гильзе — корпусу и подключена к подложке ПТ, а вторая — к затвору.

Вариант прибора со световой индикацией:

Пример усилителя с регулируемым коэффициентом передачи:

Коэффициент передачи можно изменять в пределах от 1 до 1000, при этом искажения малы вплоть до ограничения сигнала напряжением питания. Уменьшению искажений способствует линеаризирующая цепочка R2C1.

Другие способы компенсации нелинейности:

Частным случаем усилительного режима является ключевой режим, характеризующийся двумя крайними состояниями. Достоинством электронного ключа на ПТ является высокое быстродействие и практически полное отсутствие расхода мощности коммутируемого сигнала. Для примера, ослабление ключа, представленного на этом рисунке:

Читать еще:  Точечная роспись кружки буквами. Мастер-класс

— более 80дБ на частоте 100МГц.

Пример упрощённого аналогового ключа:

Инжекционно — полевой транзистор (ИТП) представляет собой прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением на основе биполярного и полевого транзисторов — так называемого негатрона. Эквивалентная схема негатрона:

Вольт — амперная характеристика ИПТ:

Пример реализации генератора импульсов:

После подачи напряжения питания на генератор конденсатор C1 заряжается до напряжения Umax , после чего происходит лавинообразное включение ИПТ, который вызывает разряд конденсатора до напряжения Umin, после чего ИПТ выключается и процесс повторяется.

Период колебаний изменяется от 2 до 100 мс при изменении сопротивления резистора R1 от 1.7 до 100МОм.

Усовершенствованный генератор, коэффициент перестройки по частоте которого на порядок больше (Т=0.4. 240мс при изменении R1 от 0.03 до 34 МОм):

Каскодный аналог негатрона:

может эффективно использоваться в генераторных устройствах, датчиках, фильтрах, компенсаторах затухания сигнала, в линиях связи, в устройствах задержки и памяти. Вольтамперная характеристика такого негатрона:

Питание негатронов от одного или двух генераторов тока способствует улучшению стабильности характеристик и расширению их функциональных возможностей:

Вольтамперная характеристика негатрона с генератором тока:

При соответствующем выборе параметров элементов схемы

вольтамперная характеристика может проходить через ноль тока и напряжения:

Поэтому он может эффективно использоваться в компенсаторах затухания сигнала в линиях связи, для улучшения параметров широкополосных трансформаторов, в устройствах памяти.

Другая разновидность полевых транзисторов — ДМОП транзисторы , которые изготавливают методом двойной диффузии с горизонтальной структурой [n-p-n-n] и индуцированным каналом n — типа. Такой транзистор представляет собой интегральную схему, состоящую из множества МОП — транзисторных ячеек, соединённых параллельно. Каждая из ячеек и в целом мощный полевой транзистор могут быть представлены эквивалентной схемой, включающей последовательно три полевых транзистора (обогащённый, обеднённый и с p-n переходом), шунтированные паразитным биполярным транзистором (также мощным), поскольку количество биполярных транзисторов, включённых параллельно, равно количеству ячеек.

Синхронный выпрямитель своими руками

БП с синхронным выпрямителем.

Автор: vantik
Опубликовано 20.09.2011
Создано при помощи КотоРед.

Всем привет! Пришла мне как-то идея, сделать себе домой сетевое хранилище. Так как без дела лежала древняя материнка Р3 800Мгц, и пару винтов, оставалось дело только за блоком питания. Найти ATX блок питания было не проблема, но так как я легких путей не искал, решил создать проблем себе на одно место, а именно сделать блок самому да не простой, а с пассивным охлаждением.

Хотелось, чтоб вся конструкция издавала минимальное количество шума, поэтому на материнку был установлен куллер с регулировкой оборотов в зависимости от температуры. При испытании выяснилось, что процессор 800Мгц греется незначительно (40-50°С) и куллер в 80% времени вообще не вращается.

Блок питания, тут немного сложнее, при некотором размышлении была выбрана следующая модель:

Идея такова, основа AC-DC преобразователь вход 220в выход 12в 10А, итого 120Вт, далее два DC-DC преобразователя c 12в на 5в 10А, и с тех же 12в на 3,3в 10А.

Далее мной более подробно будет рассмотрена схема AC-DC преобразователя из 220в в 12в, а именно его контроллера. Топология была выбрана полумост, по-моему, идеально подходившая для данной задачи. В чем же прикол? А прикол в том чтобы добиться минимального нагрева блока, чтобы не пришлось его охлаждать принудительно. Но добиться минимального нагрева можно только увеличив КПД.

В импульсных источниках питания с выходами работающим на больших токах, основные потери приходятся на выпрямительные диоды, так как падение напряжения на диоде составляет в среднем 0.6В, то, при выходном токе в 10А, потери будут составлять аж 6Вт! Ух, жарко! Да, вот с этой жарой и приходиться бороться вентиляторам. А как же бороться нам… С помощью СИНХРОННОГО выпрямления.

Суть синхронного выпрямления — это использование мощных полевых транзисторов, работающих параллельно с выпрямительными диодами. Они открываются всякий раз, когда выпрямителю нужно проводить ток, тем самым уменьшая падение прямого напряжения до менее, чем 0,1в. Здесь главной проблемой является управление этими транзисторами, так как они должны открываться с задержкой относительно транзисторов первичной части, и закрываться чуть раньше, чтобы не вызывать сквозных токов и исключать опасные режимы работы.

На сегодняшний день, на рынке электронных компонентов имеется достаточно большой выбор ШИМ-контролеров с синхронным выпрямлением, правда не всегда имеется возможность купить их в магазинах, да и цены на них не сильно интересные. После некоторого времени напряжения моих не многочисленных извилин, была придумана довольно простая схема для реализации синхронного выпрямления на довольно доступных элементах. Полностью электрическую принципиальную схему я приводить не буду а только отдельные узлы, скажем так, самые интересные.

На рис 2 представлена силовая часть преобразователя, схема классическая за исключением выпрямителя, здесь выпрямительные диоды расположены по «минусу», сделано это специально чтобы можно было подключить к ним N-канальные полевики, которые имеют сопротивление канала пониже чем у аналогичных P-канальников, да и стоят поменьше, и управлять ими в нашем случае попроще.

Читать еще:  Водородный генератор своими руками. отопление дома водородом

Контроллер выполнен на базе довольно популярной микросхемы sg3525.Питание на микросхему подается от вспомогательного источника через параметрический стабилизатор. Выходное напряжение преобразователя подается на первую ногу микросхемы через делитель напряжения, на вторую ногу заводится опорное напряжение с 16-й ножки. Остальные элементы нужны для софтстарта, установки частоты генератора у меня она, кстати, составляет 140 кГц и компенсации обратной связи. В общем все стандартно из д.ш. за исключением стабилизатора 78l05 питающего выходной каскад микросхемы. Зачем так сделано, это уже интереснее, а надо это для следующего узла, формирующего импульсы для управления полумостом, ну и наконец, транзисторами синхронного выпрямления.

Работу этого узла разберем по подробней, немного напряжем мозг, и посмотрим, что же здесь происходит, для этого обратим внимание на диаграмму.

На верхнем графике показан управляющий импульс приходящий от контроллера SG3525 от одного из его плеч, обозначенным как А. Амплитуда его составляет 5в, так как питание каскада осуществляется от стабилизатора 78l05, длительность нас сильно не интересует. При его появлении происходит следующее: конденсатор C1 через диод D2 и резистор R1 начинает заряжаться, что видно на графике в точке А1. При достижении порогового значения напряжения на входе 1 логического элемента 2-И (микросхемы 74hc08), происходит его переключение точка E1, временной интервал t1-t2 зависит от значения цепочки R1C1. Емкость конденсатора C1 должна быть небольшой в пределах 1-10nF, что бы она максимально быстро разряжалась через диод D1 когда значение импульса принимает нулевое значение временной интервал t3. Подобное происходит и в точке А2, только в обратной последовательности, сначала конденсатор C3 через диод D5 очень быстро заряжается интервал t1, а затем уже через цепочку R3 D6 относительно плавно разряжается интервал t3-t4, при достижении порогового значения на входе 9 логического элемента 2-И (микросхемы 74hc08), происходит его переключение в 0, точка C1 интервал времени t4. Далее управляющие сигналы с выходов логических элементов E1 и C1 поступают на драйверы, в моем случае это lm5111-1m. Вот так и формируются задержки, необходимые для транзисторов в нашем источнике о которых я упоминал выше.

Немного о практическом использовании. У меня схема контроллера располагается на вторичной части источника, гальванически развязанная от первичной. Транзисторы полумоста управляются через разделительный трансформатор. Сам контроллер питается от дежурного источника питания, логику 74hc08 можно заменить на аналогичную с 12в питанием, при этом соответственно добавить стабилизатор, например, LM7812 запитав выходной каскад ШИМ-контроллера и логику. Драйверы можно использовать различные главное совместимые по входу с предыдущим каскадом. Входы логики подтянутые резистором R5 к «+» можно использовать для реализации защиты по току, не забывая задействовать 10 вывод микросхемы sg3525, кстати для ее запуска необходимо подтянуть этот вывод к «земле».

Кроме микросхемы sg3525 можно использовать похожие, только обязательно с двухтактным выходом (можно и однотактным дополнив его соответствующим драйвером). Времена задержки t1-t2 и t3-t4 необходимо выбирать в зависимости от скорости включения и отключения транзисторов, у меня они были установлены по 500 наносекунд.

Описывать работу других DC-DC преобразователей (12в-5в и 12в-3.3в), я не буду, так как это уже отдельная тема для статьи. Лучше приведу фотографии действующего устройства.

Фотографии блока питания сделаны рядом с материнской платой, чтобы можно было оценить его размеры.

Фото платы контроллера, впаянной вертикально к силовой части блока.

Модули DC-DC преобразователей на 5в и 3.3в.

Здесь видны транзисторы полумоста.

Слева от платы контроллера расположенны транзисторы выпрямителя, кстати irf3710 по два в параллель и без радиатора.

Снова в трансе

В прошлом посте так и не прозвучало основной мысли. Она оказалась размазанной мелкими конкретностями. Тем не менее, через день она вылезла из-под завалов конкретики, отрясла обсыпанный штукатуркой воротник — и сформулировала себя: «Не существует простых вещей».

Трансформатор на 50 Гц, проще которого ничего не бывает в природе, с трудом поддается расчету. Но все-таки поддается. Опыт изготовления трансформатора для предыдущего источника питания внушил надежду на возможность точного математического расчета.

В следующей модели источника PSL-2402 трансформатор считать нужно несколько по-другому. Этот источник на ток 2 А, тут уже становится критичным нагрев выпрямителя. Даже выпрямитель на диодах Шоттки (два моста) давал бы потери около 5 Вт. Это не так и много, но требуется некое конструктивное решение, позволяющее отвести тепло от моста. Например, поставить мост на радиатор. К сожалению, это сильно ограничивает возможности компоновки устройства. Было бы лучше, если бы выпрямитель вообще не грелся, тогда его можно будет разместить где угодно.

Читать еще:  Делаем печку-буржуйку своими руками

И такой выпрямитель есть — это синхронный выпрямитель на MOSFET. Известно, что падение напряжения на открытом MOSFET намного ниже падения на диоде, это можно испльзовать для минимизации потерь в выпрямителе. Выпрямитель на MOSFET в простейшем случае выглядит так:

Но у него есть недостатки. Один из них — напряжение исток-затвор обычно не должно превышать 20 В, поэтому схема годится только для низковольтных решений. Правда, простая модификация схемы позволяет ее применить для напряжений повыше. Например, в паяльной станции на напряжение 24 В я использовал такой синхронный выпрямитель:

Только транзисторы ставил самые дешевые, IRFZ34 и IRF9Z34, сделав из них молотком и зубилом корпус D2PAK. Второй недостаток схемы — использование N и P-канальных транзисторов. Последние намного дороже и хуже. Но есть и еще один недостаток, куда более существенный. Такая схема может работать только на активную нагрузку: нагреватели, лампочки и т.д. Если попытаться сгладить выходное напряжение конденсатором, схема работать не будет. Связано это с тем, что транзисторы открываются на время всего полупериода. При этом емкость будет разряжаться, когда текущее значение переменного напряжения меньше напряжения на емкости. Это неправильно. Транзисторы должны открываться только тогда, когда мгновенное значение переменного напряжения выше напряжения на емкости. Так работают обычные диоды, так можно заставить работать и транзисторы. Каждым транзистором должен управлять компаратор, который срабатывает, когда входное напряжение превышает выходное. В итоге схема двух выпрямительных мостиков становится примерно такой:

Вообще удивительно, почему в наше продвинутое время продолжают массово выпускаться примитивные мосты типа всяких KBU407 на обычных диодах. По идее, в корпусе моста сегодня должны прятаться четыре MOSFET и схема управления. Причем схема управления отдельно уже сделана, только как и все микросхемы от LT, стоит так, словно она из чистого золота.

Мечты о светлом будущем при жизни можно оставить, пока остается лишь делать синхронный выпрямитель на россыпи. Что и реализовано в PSL-2402. Вообще, синхронный выпрямитель был и в его предшественнике, PSL-3604. Но там не стоял так остро вопрос места. Здесь же пришлось урезать все до минимума. Во-первых, не ставить в цепь неинвертирующего входа компаратора резистор. Смещение нуля в данном случае не так критично. Потом остро встал вопрос с питанием компараторов. Конденсаторы достаточной емкости разместить было просто негде. Максимум, что можно было себе позволить, это танталовые емкости в корпусе Case D. Такие нашлись только на 10 мкФ. Моделирование показало, что основным потребителем является нагрузочный резистор компаратора. Его малый номинал обеспечивает высокую скорость переключения MOSFET. Но нужна ли она? Частота работы выпрямителя (50 Гц) — низкая. Ток при включении транзистора плавно нарастает. Моделирование показало, что рассеиваемая мощность начинает расти только при повышении номинала резистора в затворе до 47 кОм и выше. В итоге удалось обойтись конденсаторами 10 мкФ.

Схема определена, можно начинать расчет. Как и для предыдущего трансфолрматора, сделал несколько итераций между програмой расчета трансформаторов и PSpice, в итоге все данные были получены: сердечник 70х40х30, первичка 1600 вит. (7.27 вит./V), вторички 2х55 вит. и 2х50 вит. Благодаря большему размеру сердечника и, соответственно, меньшему количеству витков на вольт, удалось уместить пару обмоток в один слой, при этом выводы оказались в нужном месте.

Начало намотки второй пары обмоток. Мотать в два провода 1 мм утомительно, болят руки держать провод все время в натяжении.

Но вот вторая пара обмоток тоже намотана, получился один слой, выводы в нужных местах.

Готовый трансформатор с разделанными клеммами можно видеть на заглавном фото поста. Настала пора проверки. Рискованная операция, но надо. Включаю сеть — все напряжения в норме. Что ж, это успех.

Внутри корпуса PSL-2402 трансформатор смотрится тоже хорошо, вписываясь в плотную компоновку.

И нет никаких перекрещивающихся проводов, что видно и на фото сзади.

И вот два источника питания, PSL-2401 и PSL-2402, готовы. Не хватает только процессоров. Поэтому свет в окнах пока не горит.

P.S. Все-таки процессор в одну из плат управления я запаял. Но это не значит, что я его смог купить. Он был подарен одним хорошим человеком. Барыги из города Минска, если вы читаете этот блог, как вам не стыдно обманывать и без того несчастных радиолюбителей? Ну не хотите вы привозить STM32F100C8T6B, ну не устраивает вас и без того немалая накрутка, так и скажите, что не привезете. Зачем кормить обещаниями? Не понимаю.

Upd: обращение оказалось эффективным, сегодня получил сообщение, что процессоры пришли, их можно купить на рынке в Ждановичах. В воскресенье поеду за удачей.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector