Impulsspannungswandler. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Spannungswandler, Gleichrichter, Wechselrichter

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Mythen, Märchen, Legenden und Trinksprüche rund um Impulstransformatoren

Weltweit gibt es viele Mythen über Hochfrequenz-Leistungstransformatoren und Drosseln. Versuchen wir, sie zu entlarven. Leider befasst sich der am wenigsten artikulierte Teil von Lehrbüchern und Handbüchern mit magnetischen Komponenten, was im Allgemeinen einfache Alltagsgegenstände und -phänomene verkompliziert. Ja, es gibt viele unbekannte Variablen, ja, es gibt viele Feinheiten, die bekannt sein müssen, aber die Theorie schweigt darüber, und die populäre Literatur lügt und bietet empirische Formeln für spezifische Probleme als Lösungen für alle Gelegenheiten an. Zum Beispiel.

Mythos eins. Je größer der Anteil der mit Kupfer gefüllten Kernfensterfläche ist – idealerweise 100 % – desto besser. Falsch. Bei vielen Konstruktionen führt eine 100-prozentige Füllung im Vergleich zu beispielsweise 75 % (gleiche Windungszahl, unterschiedlicher Drahtquerschnitt) zu größeren Verlusten bei HF. Man kann Berechnungsmethoden nicht blind von 50 Hz auf 500 kHz übertragen.

Zweiter Mythos. Bei einem optimalen Transformator fallen die Verluste im Wicklungswiderstand und die Verluste im Kern zusammen. Falsch. Oftmals unterscheidet sich eine Verlustzahl um ein bis zwei Größenordnungen von der anderen. Na und – das ist überhaupt nicht das Hauptkriterium für den Designer. Dieser Ansatz ist auch ein Erbe von „Fifty Hertz“ – so wird der Temperaturausgleich in massiven Netztransformatoren sichergestellt. Aber unsere gesamte Wicklung besteht aus einer oder zwei Schichten und die Bedingungen für die Wärmeübertragung sind viel einfacher.

Der dritte Mythos. Die Streuinduktivität sollte 1 % der Magnetisierungsinduktivität betragen. Falsch. Sie sollte so niedrig wie möglich sein, ohne andere wichtige Parameter wesentlich zu beeinträchtigen. Wenn Sie es auf 0.1 % bringen können – großartig. Und manchmal muss man bei 10 % aufhören.

Vierter Mythos. Die Streuinduktivität ist eine Funktion der Kernpermeabilität. Falsch. Die Streuinduktivität einer Wicklung ist praktisch unabhängig davon, ob sich in der Windung ein Kern befindet oder nicht. Genauer gesagt liegt der gesamte Unterschied innerhalb von 10 % (und das bei einem Mu von mehreren Tausend!). Du kannst nachschauen.

Fünfter Mythos. Die optimale Stromdichte in den Wicklungen beträgt 2A pro mm². Oder 4A. Oder 8A. Und der Hund ist bei ihm. Die Stromdichte spielt keine Rolle. Was zählt, ist die Wärmeableitung im Draht und die Fähigkeit oder Unfähigkeit der Struktur als Ganzes, ein thermisches Gleichgewicht bei einer akzeptablen Temperatur sicherzustellen. Abhängig von der Kühleffizienz (von der Strahlung ins Vakuum bis zur Abkühlung in der Siedephase) ändert sich die zulässige Stromdichte um zwei Größenordnungen. Ridley baut seit 20 Jahren Transformatoren, aber wir haben immer noch nicht die „optimale Stromdichte“ gelernt – für uns zählt nur die Temperatur des Transformators.

Mythos Sechs. Bei einem optimalen Transformator sind die Verluste auf der Primär- und Sekundärseite gleich. Falsch. Und wenn sie nicht gleich sind, was dann? Die Hauptsache ist, dass keiner von ihnen überhitzt.

Siebter Mythos. Wenn der Durchmesser des Drahtes geringer ist als die Tiefe des Skin-Effekts, treten bei HF keine nennenswerten Verluste auf. Eine sehr schädliche Aussage. Bei mehrlagigen Wicklungen kommt es auch bei einem sehr dünnen Draht zu Verlusten.

Mythos Acht. Die Resonanzfrequenz des Transformatorkreises im lastfreien Zustand sollte die Wandlungsfrequenz deutlich überschreiten. Falsch. Sie spielt keine Rolle. In einem idealen Transformator geht die Induktivität gegen Unendlich, daher tendiert die Resonanzfrequenz im Ausschaltzustand gegen Null ... na und? Und die Tatsache, dass Resonanz nicht für einen offenen Stromkreis, sondern für einen Kurzschluss im Sekundärkreis wichtig ist. Diese Resonanz sollte mindestens zwei Größenordnungen höher als die Trägerfrequenz sein.

Messungen der Transformatorimpedanz

Geräteverbindungsmöglichkeit

In dieser Konfiguration zeigt der Analysator die Transformatorimpedanz von 10 Hz bis 15 MHz für Lastkurzschlüsse und Lastunterbrechungen an. Bei Impulstransformatoren mit kurzen Wicklungen ist es erforderlich, einen Kurzschluss auf kürzestem Weg mit minimalen Verlusten sicherzustellen. Denn bereits ein sich schließender Halbring weist selbst bei einem Durchmesser von mehreren Zentimetern eine Induktivität auf, die mit der Streuinduktivität des Primärteils vergleichbar ist. Streuinduktivität ist frequenzabhängig! Als Vorschaltgerät Rsense R=0.1..1 Ohm. Messen Sie den ohmschen Widerstand der Wicklungen nur mit einer niederohmigen Brücke oder einem Ohmmeter mit Stromgenerator. Nach einer Reihe von Messungen können Sie Folgendes bestimmen:

Magnetisierungsinduktivität – Wicklungswiderstand – Streuinduktivität – Frequenz und Gütefaktor der Resonanz bei Kurzschluss und Leerlauf – Wicklungskapazität (bis zu 3 pF pro Windung).

Über die aktuelle Kontrolle

Die Taktstrombegrenzung ermöglicht Ihnen, richtig umgesetzt, eine unzerstörbare Spannungsversorgung zu schaffen. Dazu muss der Stromsensor schnell sein (einige Nanosekunden Verzögerung) und direkt auf den Steuereingang des Controller-ICs geladen werden.

Fehlauslösungen des Schutzes gegen parasitäre Bursts werden durch den RC-Tiefpassfilter unterdrückt. Hier müssen Sie sich für einen Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Rauschimmunität entscheiden, damit bei einer übermäßigen Filterung der tatsächliche Überstrom nicht verloren geht.

Auch Controller, die den Schutz an der Vorderflanke des Impulses deaktivieren, sind kein Allheilmittel. Diese 100 ns Verzögerung (oder so), während der der Schutz blind ist, können auch die Nutzlast zerstören. Daher kann es ratsam sein, die Schaltgeschwindigkeit des Transistors zwangsweise zu begrenzen (was auch das Ausmaß der Interferenzen und Strahlung sowohl in den Stromsensor als auch in den Weltraum verringert).

Wie teste ich den Stromschutz?

Schließen Sie den PN-Ausgang kurz – nach dem Gleichrichter und Ausgangsfilter. Leider hilft im Falle eines Kurzschlusses im Gleichrichter selbst kein Stromschutz Ihren Transistoren.

Schließen Sie die Sonde an den Stromsensor an. Erhöhen Sie die Versorgungsspannung schrittweise, bis der Controller beginnt, einen Träger zu erzeugen. Auf dem Oszilloskop sollten schmale Spitzen zu sehen sein – die Schutzschaltung sollte die offenen Transistoren schnell abschalten. Die Impulsamplitude muss der Schutzschwelle entsprechen. Erhöhen Sie die Versorgungsspannung auf das Maximum. Die Dauer der Impulse sollte schmaler werden. Die Amplitude kann (aufgrund von Verzögerungen bei der Ausbreitung der Stromrückkopplung) ansteigen, jedoch nicht wesentlich. Und wenn sie proportional zur Eingangsspannung ansteigt – stoppen Sie, Ihr Betriebssystem ist zu langsam.

Anschließend sollte – das ist von grundlegender Bedeutung – der Messzyklus bei minimaler und maximaler Lufttemperatur wiederholt werden

Das ist wichtig: Die Parameter des Ferrits, auf dem der Stromwandler gewickelt ist, können mit der Temperatur so stark schwanken, dass es nicht so groß erscheint.

Über Snubber

Snubber (Dämpfer – Dämpfer) – RC-Kreis parallel zur Wicklung – zur Überbrückung von HF-Klingeln. Das Klingeln muss unterdrückt werden, da sonst Ausfälle, übermäßige Störungen und Instabilität des Konverters möglich sind. Normalerweise reicht ein RC-Shunt aus, um widerspenstige Wicklungen zu beruhigen, wenn die Nachschwingfrequenz die Trägerfrequenz um etwa zwei Größenordnungen oder mehr überschreitet. Und wenn nicht, müssen wir nach Workarounds suchen, denn dann fällt ein erheblicher Teil des Trägers und seiner nächsten Harmonischen in den Shunt-Durchlassbereich.

Erste. Bestimmen Sie die Frequenz parasitärer Schwingungen. Betreiben Sie die Schaltung zunächst mit einem niedrigen Laststrom. Der Oszilloskop-Tastkopf muss – um keine Veränderungen an der Schaltung vorzunehmen – eine minimale Eigenkapazität aufweisen. Wenn nicht, versuchen Sie, die Sonde zum Klingelkreis zu bewegen, ohne elektrischen Kontakt herzustellen. Bitte beachten Sie, dass die Ruffrequenz mit der Spannung des Primärkreises schwankt.

Zweite. Berechnen Sie die äquivalente RLC-Schaltung für die Frequenz und den Gütefaktor der Schwingungen. Auf der Primärseite ist die Streuinduktivität bekannt (muss bekannt sein!). Auf der Sekundärseite sind die Kapazitäten der Dioden bekannt.

Charakteristische Impedanz Z = 2 * Pi * f * L (für bekanntes L), Z = 1 / (2 * Pi * f * C) für bekanntes C

Dritte. Versuchen wir zunächst nur den R-Shunt, R=Z. Berechnen wir die Wärmeverluste am Shunt. Wenn sie unangemessen hoch sind, ergänzen wir die Verbindung mit der Kapazität C = 1 / (Pi * f * R). Eine Erhöhung der Kapazität bringt nichts – die Verluste nehmen zu, die Nachschwingunterdrückung verbessert sich nicht (die HF-Kapazität ist vollständig leitend).

Vierte. Berechnen wir die Verlustleistung mit R neu: P = 2* C * V * F Nichttrocknung ist der Verlust nur des Trägers ohne die Freisetzung von Wärme während des Klingelns. Lassen Sie es uns in einer realen Schaltung überprüfen. Die erste Näherung ist in der Regel für die meisten Fälle sofort geeignet.

Über Controller-Chips

Die Platzierung und Verlegung der Komponenten in der Nähe des ICs ist von entscheidender Bedeutung! Dies wird in jedem Datenblatt wiederholt, aber es schadet nicht, es noch einmal zu wiederholen.

Zunächst einmal die Frequenzeinstellungsfähigkeit des Generators. Platzieren Sie es ganz am Fuß der IP. Keine fünf Millimeter, aber je näher, desto besser. Andernfalls sind unerklärliche Phänomene möglich – beispielsweise erzeugt eine für 100 kHz ausgelegte Schaltung Megahertz, eine Meerjungfrau taucht aus der Yauza auf usw. Darüber hinaus erscheint es vielleicht nicht auf einem Prototyp, aber auf einer Produktionsplatine wird es in seiner ganzen Pracht erscheinen.

Zweitens sollten auch die Kapazitäten in den Stromkreisen so nah wie möglich an den Beinen des ICs angelötet werden.

Der Ausgang der Generatorsäge (wo er von außen zugänglich ist) mag es nicht, belastet zu werden (so wie ich). Seien Sie daher bei der Auswahl eines Signals von diesem Ausgang vorsichtig – selbst eine Last von 100 kOhm kann die Form der Säge verändern. Es ist am besten, die Säge parallel zu erzeugen, ohne sie an den Primärkreis des Generators anzuschließen.

Mit den ICs 3842, 3843 können Sie eine Pause zwischen den Impulsen von 5 % bis 30 % der Periode einstellen. 3844, 3845 - bis zu 70 %. Wenn Sie die Pause verlängern müssen, können Sie diese Einschränkungen umgehen, indem Sie das Timing von R, C ändern. Fügen Sie dann einen weiteren Widerstand vom RTCT-Pin zum positiven Strom hinzu – dies beschleunigt den Ladevorgang und verlangsamt den Entladevorgang, wodurch die Pause verlängert wird verfügbare Pausenzeit.

IC UC3825 – die minimale Pausenzeit (absolut, in Millisekunden) wird durch die Kapazität Ct starr festgelegt, siehe Dokumentation. Es ist aber auch möglich, wie oben beschrieben vorzugehen – indem man einen Widerstand an Ct anschließt. Es ist nur so, dass diese Zeit ständig mit der Versorgungsspannung schwimmt.

IC-Ausgangstreiber mögen keine induktiven Lasten – wie z. B. Trenntransformatoren – was zu Signalsprüngen am Gate führt. Wenn es sich außerdem nicht im Labor manifestiert, wird es im wirklichen Leben sicherlich im ungünstigsten Moment auftauchen. Schließlich schweben die Parameter des Transformators... Daher wird empfohlen, das Gate mit Dioden und parallel zur Primärseite des Wandlers – mit einem Widerstand – zu schützen.

Controller der ersten Generation, insbesondere ältere, können sowohl hinsichtlich der Referenzspannungen (damit kann man leben) als auch hinsichtlich der Timing-Parameter extrem instabil sein, bis hin zur falschen Triggersequenz und übermäßigen Drift der Trägerfrequenz (je nachdem). die Stabilität der Referenzwerte). Wenn Sie möchten, verwenden Sie eine IP entweder aus einem aktuellen Erscheinungsjahr oder mit Suffixen, die auf „verbesserte“ Optionen hinweisen. Diese. TL594 und nicht TL494 usw.

Zum Beispiel ein nicht dokumentiertes Merkmal des Bryansk IC KR1156EU2 (Analog 3825) – bei 12-V-Stromversorgung, korrekter Verkabelung, mit einem Hemmpegel am ILIM-Eingang, Ausgang 14 ist auf niedrigem Pegel (normal) und kurz, ca. 11 ns Am Ausgang 100 treten Spitzen auf - „unterschnittene“ Fronten der Trägeramplitude bis zu 9 V. Irgendwo funktioniert der Auslöser nicht so, wie er sollte. Aber diese Reste reichen aus, um den Verschluss zu öffnen und (was wäre, wenn) den Stromkreis zu unterbrechen.

Über die Grenzfrequenz der OS-Schleife

Informationen zur Messung der PN-Verstärkung mit einer geschlossenen Rückkopplungsschleife: Am besten messen Sie sie wie im nächsten Abschnitt beschrieben mit einem Spektrumanalysator (ein Generator reicht nicht aus).

Bei Vorwärts- und Rücklauf-PNs sollte die Grenzfrequenz bei Spannungssteuerung nicht mehr als ein Viertel der Nullfrequenz der Übertragungsfunktion auf der rechten Hälfte der komplexen Ebene betragen. Wenn die Erfüllung dieser Bedingung keine zuverlässige Stabilisierung des Ausgangs ermöglicht, muss der Ausgangsfilter erneut durchgeführt werden.

Für alle PN sollte die Grenzfrequenz 1/8 der Trägerfrequenz nicht überschreiten.

Eine Erhöhung der Grenzfrequenz wird durch unvermeidliches Rauschen, Klingeln und andere parasitäre Phänomene im PN auf einem Niveau von etwa 15 kHz begrenzt. Wenn Sie es aus irgendeinem Grund verstehen müssen, ist die Komplikation der Schaltung unvermeidlich – die Einführung eines externen Hochgeschwindigkeits-Fehlerverstärkers in die OS-Schleife.

Das Wichtigste ist, dass die Grenzfrequenz des Betriebssystems kein Selbstzweck ist. Wichtig ist die Ausgangsimpedanz über den von der Last benötigten Frequenzbereich, die Unterdrückung von Eingangsspannungsinstabilität und die Unterdrückung von Eingangsrauschen.

OS-Schleifenmessung

Messen Sie unbedingt das Verhalten der OS-Schleife, bevor Sie das Gerät in Betrieb nehmen.

Das im Folgenden besprochene Gerät führt eine Spannungsquelle (Sweep-Generator) in den offenen Stromkreis des Betriebssystems ein (Punkte 1-2). Anschließend werden die Signalspektren an zwei beliebigen Punkten der Schaltung aufgezeichnet und der Frequenzgang des Verhältnisses dieser Spektren angezeigt. Das Verhältnis des Ausgangsspektrums zum Eingangsspektrum ist die Übertragungscharakteristik (in Amplitude). Mit einem Generator mit Transformatorausgang und Spannungsstabilisierung an der Sekundärwicklung sowie einem Oszilloskop können Sie das Gerät effizient nachbilden.

Messen von Schleifenparametern mit einem Spektrumanalysator AR102V - PN mit Optokoppler-Isolation

Die Anschlusspunkte für die Sonden Kanal A und B ermöglichen die Messung verschiedener Übertragungsfunktionen