Разработка маломощного резервного источника питания 220 вольт, с синусом на выходе. топик-ссылка

Дорогое сообщество, дабы не плодить копипаст материала, публикую ссылку на цикл статей: Разработка маломощного резервного источника питания с синусом на выходе. В данном цикле рассказывается о разработке устройства РИП АВР (резервный источник питания с автоматическим вводом резерва) от постановки задачи до пусковой наладки и сдачи в эксплуатацию (в бытовое применение).

Комментарии (59)

RSS свернуть / развернуть
Ссылка битая. Статья отличная
0
  • avatar
  • Wic
  • 12 февраля 2016, 09:31
Спасибо. Исправил ссылку.
0
Не слишком удобно читать там, а комментировать здесь. Я бы все же предпочел копию.

Теперь к комментариям.

Первое. С чем связан выбор мостовой схемы? При заданных условиях обычно используется пуш-пул, он проще в управлении, содержит вдвое меньше ключей и на них высаживается вдвое меньшая мощность. С выпрямлением проблем тоже не возникнет, получается двухполупериодный выпрямитель со средней точкой.

Второе. Зачем диоды? Если уж есть ключи, то можно использовать синхронное выпрямление. Требуется только небольшое изменение программы.

Ну и по поводу скорости перехода на РИП и синхронизации с сетью. Если не дать насосу остановиться, то можно избежать стартовых токов, а схемотехнически это не должно быть сложно — только завести мониторинг сетевого напряжения на МК. Вот на программу заметно повлияет, да.
0
  • avatar
  • Vga
  • 12 февраля 2016, 11:05
Нашел ответ насчет пуш-пула
Для пуш пула необходимо две равнозначные низковольтные обмотки на 5 ампер для 60 Вт. Габариты уже другие. А во время работы одной полуобмотки, потери во второй тоже будут.
Во-первых, с чего обмотки на 5А? Ток каждой полуобмотки в пушпуле вдвое меньше, чем в мосте, так что количество меди в обоих топологиях идентично (в пушпуле провод обмтки вдвое длиннее, но в 1.41 раза тоньше). Во-вторых, просвети насчет потерь во второй полуобмотке и их порядка. По моим наблюдениям — при низком входном напряжении мосты и полумосты обычно не используют, пушпулы оказываются выгодней.
0
Интересно, как пушпулом закачать в обмотку транса 60 Вт мощности, при вдвоем меньшем токе? 12 вольт на входе, значит и 5 ампер необходимо.
0
Напряжение на обмотке пушпула вдвое выше — 24В.
0
А где его взять? АКБ 12 вольт.
0
На нижнем конце обмотки 0В (транзистор открыт). На отводе +12В (от АКБ). Сколько на верхнем конце обмотки?
0
А что это нам даст? Нам ведь нужно передать 60 Вт в первичную (высоковольтную обмотку). Как ни крути 5 ампер.
0
24В, 60Вт — 2.5А.
Ну или заглянем с другой стороны — на полуобмотке 12В и через нее течет ток в 5А. Но течет он только на протяжении одного полупериода, на протяжении второго ток течет через вторую полуобмотку.
Как ни крути, средний ток через обмотку пуш-пула вдвое меньше, чем через обмотку моста.
0
Через общую обмотку да, но ведь через полуобмотку 5 ампер, так что и сечение и все остальное с вытекающими. А на низковольтных полевиках при таких токах потери составят 0,0135 Ом * 5 А * 2 = 0,135 Вт. Динамические потери от переключений останется как и в пул пуше. Так как переключаться с частотой шим будет только один транзистор в плече.
0
Через общую обмотку да, но ведь через полуобмотку 5 ампер, так что и сечение и все остальное с вытекающими
Средний ток полуобмотки — 2.5А, так что сечение вдвое меньше. Потому как полуобмотка работает только половину времени.
Впрочем, если у тебя трансформатор готовый с обмоткой без отвода — то для штучного изделия мост может быть выгоднее.
0
Да трансформатор готовый. ТТП-60, тороидальный. И штучное исполнение. В дальнейшем, может еще пару штук изготовлю на мощность Ватт в 200, после полной отладки данного прототипа.
0
Если уж есть ключи, то можно использовать синхронное выпрямление
Расскажите по подробнее.
Ну и по поводу скорости перехода на РИП и синхронизации с сетью.
Пока данная функция не закладывается, но в плане модернизации — конечно.
При заданных условиях обычно используется пуш-пул
Что то схема не очень получается
0
Расскажите по подробнее.
А что тут рассказывать? Мосфету полярность сигнала на стоке в общем-то пофигу. Когда на нем обратная полярность — выдаешь сигнал на открытие. Можно сделать на МК, можно подумать над получением такого сигнала вообще прямо с обмотки.
Что то схема не очень получается
Что это за изврат? Пуш-пул при подаче напруги на выходную обмотку будет работать как выпрямитель, аналогично мосту.
0
Не много не правильно изобразил схему. Такую схему Вы предполагаете?
0
Что то опять поторопился. Не правильно N-канальные транзисторы.
0
Опять изврат какой-то. Я же сказал — пуш-пул:
0
А как в обратном направлении напряжение снимать для заряда АКБ?
0
А ты подставь вместо транзисторов их паразитные диоды и подумай, что получилось.
Кстати, для заряда тебе еще придется делать повышающий преобразователь. Ну или еще одну обмотку (дешевые промышленные UPS так и делают). Потому как рабочай выдаст 12В амплитудного (и выпрямленного, соответственно, тоже), а батарее надо 13.8В (если речь идет о свинцовой АКБ).
0
Вот поэтому в оригинальной статье, и предлагалось такое решение:
Поэтому есть предложение, домотать вторичку витков на 5-6. То есть получилась низковольтная обмотка с отводом. С крайних выводов обмотки снимаем повышенное напряжение для заряда АКБ, во время работы от сети. А на крайний и средний вывод подаем напряжение с моста, когда работаем от АКБ.

0
0
  • avatar
  • Helix
  • 12 февраля 2016, 12:45
Я бы рекомендовал на схемах изображать сразу те детали, которые будете ставить.
Даже если их в базах протеуса нет, можно взять аналогичные и просто поменять название.

Можно сделать нормальный рисунок отсутствующей микросхемы, гугл в помощь.
Ну хотя бы вот.

А третьей части еще нет?
Полагаю, мы увидим много несколько горелых полевиков )))
0
Полагаю, мы увидим много несколько горелых полевиков )))
Если Вы видите какие либо критические ошибки, огласите, дабы избежать «горелых» полевиков.
0
А как связаны DC_BUS+, DC_BUS-, +12_ACU, GND между собой на этой схеме?
0
Упс.
Вот на этой.
Your text to link...
0
Схема привязки к GND указана на схеме № 1. Ссылка.
Или отдельно:

0
Ага.
Было бы понятнее разрисовать силовые цепи целиком, с выносками на логику, а логику и измерительные цепи отдельно.
0
Учту на будущее.
0
Промоделируйте отдельно форму фронтов на затворах полевиков с выбранными драйверами, резисторами в затворах, частотой ШИМ и током через каналы полевиков. Интересно посмотреть.

Полученная индуктивность в 10 миллигенри довольна внушительна. Но и емкость получилась приличная. Так как у нас на выходе с фильтра переменка, то полярным конденсатором не обойдешься. В схему заложил два керамических конденсатора в параллель — 4.7 мкФ, X7R, 25В (1206).
Расчет дросселя по полученным данным производил в программе Coil32. Вот ссылка на архив с программой. Ферритовое кольцо для такого дросселя выбрал со следующими параметрами: Кольцо N87 R25x15x10. Вот скрин расчета в программе.

Я подозреваю, что здесь не учитывается, что через фильтр должно идти 50Гц значительной мощности.
0
Вот фото отчет симуляции.

Это схема для симуляции, в режиме запуска. Ток 6 Ампер.


Осциллограмма затвора нижнего ключа. Амплитуда и фронт в норме.


Осциллограмма верхнего ключа. Тоже в норме.
0
Ага.
Здесь не 20 кГц?
0
Протеус совсем тормозит. Поэтому здесь 5 кГц. Фильтр рассчитан на частоту среза 1 кГц. Так все довольно адекватно.
0
fDRV = 100 Hz частота преобразования, так как наш конденсатор работает в промежутке 10 мс,
Почему?
DMAX = 1 максимальный коэффициент заполнения при минимальном входном напряжении.
Вот это вообще интересно.
0
Почему?
Так как верхний ключ будет открыт в течении всего полупериода, то есть 10мс. А нижний противоволожный ключ будет управляться синусоидальной шим, для обеспечения синусоидального тока в обмотке. Отсюда в пересчете на частоту F=1/t=1/10мс = 100 Гц.
Вот это вообще интересно.
Коэффициент заполнения имеется в виду, что в течении 10 мс ВСЕ 10 мс он будет открыт.
0
Похоже, у вас все рассчитано!

Ждем горелых полевиков третьей части!
0
Четвертая часть явно затянется. В ней будут показаны пусковые процедуры. В третей части, пока едут запчасти, и проектируется плата, расскажу об функционале и т.д. Возможно выложу код для МК.
0
По поводу второй статьи.

1) Диод, отвязывающий АКБ от шины питания при зарядке я бы заменил на мосфет. При токе в 6А даже на диоде шоттки потери будут заметные.

2) Зачем лишний шунт для защиты от перегрузки, если уже есть микросхема токового датчика? Усилить сигнал с низковольтного шунта — отнюдь не столь простая задача, как кажется. Лучше повесить компаратор на выход ACS712.

3) Для 5В я бы использовал LM7805. Она дешевле и мощнее, а ЖК с подсветкой кушает достаточно значительный ток. И стабилизатор на 3.3В я бы повесил на шину 5В, а не 12В.

4) В схеме зарядки не хватает одного диода для того, чтобы она превратилась в полноценный степ-даун.

В схему заложил два керамических конденсатора в параллель — 4.7 мкФ, X7R, 25В (1206).
А ты учел, что при большом напряжении у них резко падает емкость? К тому же, надо еще прикинуть, выдержат ли они такую нагрузку.

Транзисторы моста управляются от МК через драйверы полумостов IRS2101S
Она же безобразно хилая. И если для верхних ключей хватит и этого (там всего сотня герц), то дли нижних надо взять драйвер помощнее (для верхних можно вообще на рассыпухе драйвер собрать, примерно как в китайских ESC с N-FET'ами вверху), что-то вроде TC4420 или IR4427.

Сглаживающий зарядный дроссель имеет те же габариты и расчетные величины, что и дроссель в LC фильтре после моста.
А вот нифига. В отличие от дросселя фильтра он работает с постоянным подмагничиванием. Как минимум о ферритовых кольцах можно смело забывать. Или альсифер, или феррит с зазором. Ну и вообще, лучше вместо фильтра сделать нормальный степ-даун, и такой конской индуктивности не потребуется.
На самом деле, расчет индуктивности фильтра у меня тоже вызывает сомнения, но в этот вопрос вникать мне лень.

Чтоб не нагружать МК бесполезной работой, формирование сигналов импульсов моста собрано на логике И.
А что, МК загружен важной работой и его время ценно? Сдается мне, он все сэкономленные такты потратит на wait-цикл. К тому же, формирование сигналов и на МК будет аппаратным — два ШИМа (или даже один, переключаемый внутренним коммутатором на тот или иной пин) и сигналы для верхних ключей. Полагаю, если поковырять даташит выбранного МК, то можно вообще целиком формирование сигналов спихнуть на таймеры (один генерирует 50Гц, которые выдаются на верхние ключи и переключает канал ШИМа для нижних на втором, второй генерит ШИМ для нижних ключей, третий по DMA перезагружает регистры PWM второго для получения синуса). Вообще, брать такой откровенно избыточный МК и еще разгружать его от работы схемотехнически выглядит извратом.
Кстати, в схеме формирования сигналов ошибка — у тебя линии к транзистору защиты замыкают сигналы полуволн.
Здесь возможно появятся проблемы, и придется выводы МК настроить как выходы с открытым коллектором, и подтянуть линии к 5 вольтам, а сами выходы МК использовать толерантные к 5 вольтам.
Если отказаться от чтения из дисплея (а у тебя так и есть), то дисплей нормально воспринимает 3.3В сигналы.
0
  • avatar
  • Vga
  • 12 февраля 2016, 14:43
Диод, отвязывающий АКБ от шины питания при зарядке я бы заменил на мосфет. При токе в 6А даже на диоде шоттки потери будут заметные.
Возможно, это более правильно.
Лучше повесить компаратор на выход ACS712
Она уже 7-8 А практически не чувствует. Входит в насыщение. Попробую на шунте, если уже совсем не получится, поиграюсь с ACS712.
Для 5В я бы использовал LM7805.
NCP1117ST33 обеспечивает ток в 1А, с головой.
В схеме зарядки не хватает одного диода для того, чтобы она превратилась в полноценный степ-даун
Спасибо, добавим.
А ты учел, что при большом напряжении у них резко падает емкость?
Попробую заменить на пленочные.
Она же безобразно хилая
Так и затвор у этих транзисторов обладает малой емкостью, так что тока должно хватить.
Ну и вообще, лучше вместо фильтра сделать нормальный степ-даун, и такой конской индуктивности не потребуется.
А на чем его собрать на ток 6 ампер?
Кстати, в схеме формирования сигналов ошибка — у тебя линии к транзистору защиты замыкают сигналы полуволн.
На это и расчет. И все ключи закрываются.
0
NCP1117ST33 обеспечивает ток в 1А, с головой.
Ага. При падении напряжения на ней в 1В. А у тебя 7В и при 1А она самостоятельно выпаяется. А при 100мА (а подсветка ЖК спокойно может кушать 150-200, в зависимости от размера и цвета) будет неплохо так греться, под сотню (особенно если ты послежуешь примеру DIHALT'а и вместо полигона под ухо разведешь пятачок). Это что касается 5В стабилизатора, с 3.3В лучше (там только МК и он врядли будет жрать более 20-30мА, столько 1117 прожует даже при падении 9В на ней).
А на чем его собрать на ток 6 ампер?
А на чем ты собирался приведенную схему собирать? В ней те же 6А через транзистор и дроссель. Кстати, при таких токах и вменяемых для чоппера частотах потребуется драйвер и к этому транзистору.
На это и расчет. И все ключи закрываются.
Рассмотрел работу схемы в аварийном режиме. Молодец. А теперь рассмотри в рабочем.
0
Кстати, при таких токах и вменяемых для чоппера частотах потребуется драйвер и к этому транзистору.
Частота планируется 20 кГц. Разве биполярник не справится?
Это что касается 5В
Учтем при разводке. А чем LM7805 в данном случае лучше будет?
0
Частота планируется 20 кГц. Разве биполярник не справится?
Справится, но полевичок лучше. Потерь меньше. Тем паче у тебя 6А. Биполярнику при таком токе тоже драйвер не помешает (но там проще, просто усилитель тока — читай еще один транзистор).
А чем LM7805 в данном случае лучше будет?
Она большая и ушастая. На ней можно высадить (при должном теплоотводе) 8Вт, а на 1117 — около ватта.

P.S. Статьи в «обучающем» ключе лучше писать после того, как все заработало. Я сильно подозреваю, что при воплощении схемы в железе ты еще неоднократно впорешься в проблемы и все переделаешь. А если ты пишешь параллельно разработке и не обладаешь достаточным опытом, чтобы все запускалось без отладки (т.е. «здравствуйте, я специалист по разработке ИБП и сегодня буду пилить стопицотый ИБП, параллельно рассказывая об этом») — лучше писать статьи в стиле «я делаю».
+1
Она уже 7-8 А практически не чувствует. Входит в насыщение. Попробую на шунте, если уже совсем не получится, поиграюсь с ACS712.
Почему не взять 20-амперную версию?
0
Может и нужно. Упростим схему, уберем ОУ с обвязкой.
0
Ага, еще обратил внимание
1) Диоды в бутстрепном питании можно но 1N4148 заменить. Они побыстрее, хотя в данном случае оно и несущественно.
2) Схема синхронизации с сетью — я бы поставил просто резистор. И проще, и фаза не сдвигается, и для высокочастотных помех он в гвоздь не превращается (достаточно вспомнить, как весело от искрения в розетке/выключателе горят паяльники GS110 и светодиодные лампочки с конденсаторным балластом). Тока там достаточно порядка миллиампера-двух, резистор на полватта справится.
Кстати, а чем же плоха IR2101, окромя малым током? Так ведь для транзисторов в схеме и этого с запасом.
При частоте 20кГц и работе на мощные логические мосфеты, которые обычно имеют конскую емкость затвора? 2101 даже для сетевых источников мощностью более 100-200Вт слишком хилая.
0
которые обычно имеют конскую емкость затвора?
Емкость 1620 пФ. Фронт в IR2101 160 нс, напряжение 12 вольт, следовательно ток I=U*C/t=(12*1.6*10-9)/160*10-9=0.12A=120 мА. Так что вписываемся в параметры драйвера.
0
Ты еще посчитай, сколько при этом транзистор открываться будет и какие на нем будут потери.
Даташит указывает заряд затвора в 80нКл, что при токе в 0.12А даст около 600нс. ШИМ 20кГц, переключение два раза за период в 50мкс — получаем примерно 3% времени транзистор будет проводить в активном режиме. И греться соответственно.
Ток у драйвера, ЕМНИП, ограничивать надо отдельно, резистором. Но это надо в даташите смотреть.
0
0.12А даст около 600нс
Транзистор IRLZ44Z, затвор 24 нКл, так что 600/3,5= 171 нс. Примерно то, что и драйвер может обеспечить.
0
Ну, нагрев покажет. Практика, насколько я помню, показывает, что эти драйверы хилы даже для сетевых источников (где токи через транзисторы довольно скромные), а для низковольтных транзисторов обычно применяют драйверы с выходными токами от 1А.
0
Проверим. Пока остановился на этом драйвере.
0
Алсо, надо внимательней изучать схему «вольтодобавки» дополнительной обмоткой. Она действительно будет закорачиваться при работе преобразователя, насколько я вижу (неудобно изучать такие схемы, разбитые на кучу мелких кусочков, они хороши только для сервисманов — на странички влазят, а что читающий ман будет материться — это его проблемы).
0
  • avatar
  • Vga
  • 12 февраля 2016, 15:28
Она действительно будет закорачиваться
Да Вы правы, во время работы она будет нагружена только на диод. Что почти короткое. Как можно исправить данную схему?
0
Или делать полностью независимую обмотку для зарядки (как делают китайцы в своих ИБП), или делать более хитрую схему зарядки и коммутации аккумулятора (двухтранзисторный ключ и SEPIC/Buck-Boost/трансформаторный преобразователь).
Если у тебя ток зарядки сравним с током разрядки — то дополнительная обмотка окажется суровей рабочей.
0
Да, над этим узлом стоит поколдовать еще.
0
Нужно использовать одну обмотку с напряжением, достаточным для заряда, а выходное в режиме резерва подгонять шимом.
А шимить по-нормальному нужно так: нижний ключ замыкается, а полумост с другой стороны шимит. Это уменьшает потери на диодах во время закрытия верхнего ключа. И бутстрепная емкость будет не на 100гц, а на 20 кгц
0
Продолжение цикла: Часть №3. Работа над ошибками
0
  • avatar
  • Helix
  • 19 февраля 2016, 11:11
Подсветка ЖКИ будет не постоянна, в основном она будет выключена, так что потребление тока по этой шине будет раза в два меньше.
Плохой аргумент. Полагаю, при разумной длительности включения подсветки — ее будет достаточно для перегрева стабилизатора (ну, разве что, ты поставишь хороший дисплейчик с белой подсветкой, кушающей 20-40мА, желто-зеленые легко жрут 200).
Управлять данным мосфетом будет МК. При работе от АКБ, открываем, при зарядке АКБ от сети, закрываем.
На самом деле, при использовании транзистора в роли аналога диода управлять им от МК необязательно. Как правило, можно им управлять непосредственно от питания (появилось внешнее питание — закрыло транзистор).
В BOM по прежнему наблюдаю ферритовые колечки. И по прежнему не уверен, что даже дроссели фильтра будут работать в адекватном режиме (без подмагничивания — сдается мне, что 20кГц импульсы они будут отмолачивать в чоднополярных петлях гистерезиса), но для степ-дауна зарядки они не подойдут однозначно.
Также в ВОМе по прежнему IR2101, хотя уже несколько человек рекомендуют заменить на более вменяемую. Какой смысл брать именно ее с риском пролета, если все равно заказывать? Добро бы она в загашнике была…
0
но для степ-дауна зарядки они не подойдут однозначно
А если сделать в кольце немагнитный зазор, и индуктивность понизить до 200-300 мкГн?
Также в ВОМе по прежнему IR2101
Заменю на IR2110S
что даже дроссели фильтра будут работать в адекватном режиме
Как можно этого избежать?
0
А если сделать в кольце немагнитный зазор
Это довольно затруднительно. Поэтому в таких случаях используют или кольца из специального материала (порошковые «с распределенным зазором», например) или сердечники с зазором (такие, как Ш-образный).
Насчет индуктивности и прочих параметров — надо задаваться параметрами преобразователя и считать.
Заменю на IR2110S
Этот выглядит лучше. Хотя про 2101 приводили недостатки, о которых я не знал, так что стоит поспрашивать еще.
Как можно этого избежать?
Считать и разбираться, прежде всего. Я в этом вопросе не настолько разбираюсь, чтобы уверенно давать рекомендации. Как вариант — если считать на работу в режиме однополярных токов, то дроссель может получиться избыточным, но работать должен.
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.