Convertidores de tensión de pulso. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.

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Mitos, cuentos de hadas, leyendas y brindis sobre transformadores de pulso

Hay muchos mitos en todo el mundo acerca de los transformadores y bobinas de potencia de alta frecuencia. Tratemos de desacreditarlos. Desafortunadamente, la parte menos articulada de los libros de texto y manuales está asociada con los componentes magnéticos, lo que complica objetos y fenómenos cotidianos generalmente simples. Sí, hay muchas variables desconocidas, sí, hay muchas sutilezas que debes conocer, pero la teoría calla sobre ellas, y la literatura popular miente, ofreciendo fórmulas empíricas para problemas específicos como soluciones para todas las ocasiones. Por ejemplo.

Mito uno. Cuanto mayor sea el porcentaje del área de la ventana central llena de cobre, idealmente 100%, mejor. Equivocado. En muchos diseños, una cobertura del 100 %, en comparación con, por ejemplo, el 75 % (mismo número de vueltas, diferente tamaño de cable) dará lugar a mayores pérdidas de RF. No puede transferir métodos de cálculo a ciegas de 50 Hz a 500 kHz.

Segundo mito. En un transformador óptimo, las pérdidas por resistencia del devanado y las pérdidas en el núcleo son las mismas. Equivocado. A menudo, una cifra de pérdidas difiere de otra en 1 o 2 órdenes de magnitud. Entonces, ¿qué? Este no es el criterio principal para el diseñador. Este enfoque también es un legado de "cincuenta Hertz": así es como se garantiza el equilibrio térmico en los transformadores de red masivos. Y tenemos todo el devanado: una o dos capas, y las condiciones de transferencia de calor se simplifican mucho.

El tercer mito. La inductancia de fuga debe ser el 1% de la inductancia de magnetización. Equivocado. Debe ser lo más bajo posible sin degradar significativamente otros parámetros importantes. Puedes subirlo hasta un 0.1 %, genial. Y a veces hay que parar en el 10%.

Cuarto mito. La inductancia de fuga es una función de la permeabilidad del núcleo. Equivocado. La inductancia de fuga del devanado es prácticamente independiente de si hay un núcleo en la bobina o no. Más precisamente, toda la diferencia se ajusta al 10% (¡y esto es con mu de varios miles!). Puedes comprobar.

Quinto mito. La densidad de corriente óptima en los devanados es de 2A por mm4. O 8A. O 20A. Y el perro está con él. La densidad de corriente no importa. Lo que importa es la disipación de calor en el cable y la capacidad o incapacidad del diseño como un todo para proporcionar un equilibrio térmico a una temperatura aceptable. Dependiendo de la eficiencia del enfriamiento (desde la radiación al vacío hasta el enfriamiento en la fase de ebullición), la densidad de corriente permitida cambia en dos órdenes de magnitud. Ridley ha estado construyendo transformadores durante XNUMX años, pero nunca descubrimos la "densidad de corriente óptima", solo nos importa la temperatura del transformador.

Mito seis. En un transformador óptimo, las pérdidas en el primario y secundario son iguales. Equivocado. Y si no es igual, ¿entonces qué? Lo principal es que ninguno de ellos se sobrecaliente.

Séptimo mito. Si el diámetro del cable es menor que la profundidad del efecto pelicular, entonces no hay pérdidas de RF significativas. Una declaración muy dañina. En devanados multicapa, incluso con un alambre muy delgado, habrá pérdidas.

Mito ocho. La frecuencia de resonancia del circuito del transformador en ausencia de carga debe exceder significativamente la frecuencia de conversión. Equivocado. ella no importa En un transformador ideal, la inductancia tiende a infinito, por lo que la frecuencia de resonancia para un circuito abierto tiende a cero... ¿y qué? Y el hecho de que la resonancia sea importante no es para un circuito abierto, sino para un cortocircuito del circuito secundario. Esta resonancia debe ser al menos dos órdenes de magnitud superior a la frecuencia de la portadora.

Medidas de impedancia del transformador

Opción de conexión del dispositivo

En esta configuración, el analizador muestra la impedancia del transformador de 10 Hz a 15 MHz, para condiciones de cortocircuito de carga y carga abierta. Para transformadores de impulsos con devanados cortos, es necesario proporcionar un cortocircuito a lo largo del camino más corto con pérdidas mínimas. Después de todo, el semianillo de cierre, incluso con un diámetro de varios centímetros, ya tiene una inductancia comparable a la inductancia de fuga del primario. ¡La inductancia de fuga depende de la frecuencia! Como balasto Rsense R=0.1..1 Ohm. Mida la resistencia óhmica de los devanados solo con un puente de baja resistencia o un ohmímetro con un generador de corriente. Después de un ciclo de mediciones, puede determinar:

Inductancia de magnetización - Resistencia del devanado - Inductancia de fuga - Frecuencia de resonancia y factor de calidad para cortocircuito y circuito abierto - Capacitancia del devanado (hasta 3 pF por vuelta).

Sobre el control actual

La limitación de corriente por tacto, implementada correctamente, le permite crear un PN indestructible. Para ello, el sensor de corriente debe ser rápido (latencia de unos nanosegundos) y cargarse directamente en la entrada de control del controlador IC.

El filtro de paso bajo RC suprime los falsos disparos de la protección contra ráfagas parásitas. Aquí es necesario decidir sobre un compromiso entre la velocidad y la inmunidad al ruido, de modo que el filtrado excesivo no pierda el exceso de corriente real.

Los controladores con protección desactivada en el borde de ataque del pulso tampoco son una panacea. Esos 100ns de retraso (más o menos) durante los cuales la defensa está ciega también pueden matar al PN. Por lo tanto, es aconsejable limitar por la fuerza la velocidad de conmutación del transistor (lo que también reduce el nivel de interferencia y radiación tanto en el sensor de corriente como en el espacio).

¿Cómo probar la protección actual?

Cortocircuite la salida PN, después del rectificador y el filtro de salida. Desafortunadamente, con un cortocircuito en el rectificador mismo, ninguna protección actual ayudará a sus transistores.

Conecte la sonda al sensor de corriente. Aumente gradualmente el voltaje de suministro hasta que el controlador comience a generar una portadora. En el osciloscopio, debe observar picos estrechos: el circuito de protección debe apagar rápidamente los transistores abiertos. La amplitud de los pulsos debe corresponder al umbral de protección. Eleve la tensión de alimentación al máximo. La duración de los pulsos debe reducirse. La amplitud puede crecer (debido a retrasos en la propagación de la retroalimentación actual), pero no de manera significativa. Y si crece en proporción al voltaje de entrada, deténgase, su sistema operativo es demasiado lento.

Luego, esto es importante, el ciclo de medición debe repetirse a temperaturas mínimas y máximas del aire.

Esto es importante: los parámetros de la ferrita, en los que se enrolla el transformador de corriente, pueden flotar tanto con la temperatura que no parecerán pequeños.

Acerca de los amortiguadores

Amortiguador (amortiguador - amortiguador) - Circuito RC paralelo al devanado - para derivar el timbre de alta frecuencia. El repique debe suprimirse, de lo contrario son posibles fallas, captaciones excesivas e inestabilidad del convertidor. Por lo general, una derivación RC es suficiente para silenciar los devanados rebeldes si la frecuencia de llamada supera a la portadora en aproximadamente dos órdenes de magnitud o más. Y si no es así, debe buscar soluciones alternativas, porque entonces una proporción significativa de la portadora y sus armónicos más cercanos caerán en el ancho de banda de derivación.

Primero. Determine la frecuencia de las oscilaciones parásitas. Para empezar, haga funcionar el circuito con una corriente de carga baja. La sonda del osciloscopio, para no realizar cambios en el circuito, debe tener una autocapacitancia mínima. De lo contrario, intente acercar la sonda al circuito de llamada sin contacto eléctrico. Tenga en cuenta que la frecuencia de llamada flota con el voltaje del circuito primario.

Segundo. Calcule el circuito RLC equivalente para frecuencia y factor Q. Desde el lado primario, se conoce la inductancia de fuga (¡debería conocerse!) En el lado secundario se conocen las capacidades de los diodos.

Impedancia característica Z = 2 * Pi * f * L (para L conocida), Z = 1 / (2 * Pi * f * C) para C conocida

Tercero. Para empezar, probemos solo la derivación R, R=Z. Calculemos las pérdidas de calor en la derivación. Si son indecentemente altos, complementamos el enlace con la capacidad C=1 / (Pi * f * R). El aumento de la capacitancia es inútil: las pérdidas aumentan, la supresión del timbre no mejora (la capacitancia en RF es completamente conductiva).

Cuatro. Volvamos a calcular la potencia de pérdida por R : P = 2* C * V * Fcarrier: esta es la pérdida de solo el portador sin generación de calor en el timbre. Comprobamos en un circuito real. La primera aproximación, como regla, es inmediatamente adecuada para la mayoría de los casos.

Acerca de los chips de controlador

¡La ubicación y el enrutamiento de los componentes cerca del IC son fundamentales! Esto se repite en cada hoja de datos, pero no interfiere con la repetición de nuevo.

En primer lugar, la capacidad de ajuste de frecuencia del generador. Colóquelo al pie de la IP. No cinco milímetros, pero cuanto más cerca, mejor. De lo contrario, son posibles fenómenos inexplicables: por ejemplo, un circuito diseñado para 100 kHz generará megahercios, una sirena saldrá del Yauza, etc. Además, puede que no aparezca en el prototipo, pero en la placa de serie aparecerá en todo su esplendor.

En segundo lugar, las capacitancias en los circuitos de potencia también deben soldarse lo más cerca posible de las patas del IC.

A la salida de una sierra generadora (donde es accesible desde el exterior) no le gusta que la carguen (como a mí). Por lo tanto, cuando seleccione una señal de esta salida, tenga cuidado, incluso una carga de 100 kΩ puede cambiar la forma de la sierra. Lo más correcto es generar la sierra en paralelo, sin conectar al circuito primario del generador.

IS 3842, 3843 le permiten configurar una pausa entre pulsos del 5% al ​​30% del período. 3844, 3845 - hasta 70%. Si necesita alargar la pausa, puede evitar estas limitaciones cambiando el tiempo de R, C. Luego, agregar otra resistencia desde el pin RTCT al power plus acelerará la carga y ralentizará la descarga, alargando la pausa disponible. tiempo.

IC UC3825: el tiempo de pausa mínimo (absoluto, en milisegundos) lo establece rígidamente la capacitancia Сt, consulte la documentación. Pero es posible hacer lo descrito anteriormente, conectando una resistencia a Ct. Ese es el momento en que flotará todo el tiempo con el voltaje de suministro.

A los controladores de salida IC no les gustan las cargas inductivas, como los transformadores de aislamiento, que provocan el rebote de la puerta. Además, si no se manifiesta en el laboratorio, en la vida real definitivamente surgirá en el momento más inoportuno. Después de todo, los parámetros del transformador flotan ... Por lo tanto, se recomienda proteger la puerta con diodos y, en paralelo con el primario del transformador, con una resistencia.

Los controladores de primera generación, especialmente los más antiguos, son extremadamente inestables tanto en términos de voltajes de referencia (puede vivir con esto) como en términos de tiempo, hasta una secuencia incorrecta de disparos y una deriva excesiva de la frecuencia portadora (depende de la estabilidad). de los niveles de referencia). Si lo desea, use IS un año de fabricación reciente o con sufijos que indiquen opciones "mejoradas". Aquellos. TL594 no TL494, etc.

Por ejemplo, una característica no documentada del Bryansk IC KR1156EU2 (análogo a 3825): con alimentación de 12 V, cableado correcto, con un nivel de inhibición en la entrada ILIM, la salida 14 está en un nivel bajo (normal) y corto, picos de aproximadamente 11 ns arrastre a través de la salida 100 - frentes "socavados" con amplitud de portadora de hasta 9V. En algún lugar, el gatillo no funciona correctamente. Pero estos cortes son suficientes para abrir el obturador y (y de repente) matar el circuito.

Acerca de la frecuencia de corte del bucle OC

Acerca de medir la ganancia de un FN de bucle cerrado: es mejor medirlo como se describe en la siguiente sección, usando un analizador de espectro (un oscilador no es suficiente).

Para fotovoltaica directa e inversa con control de voltaje, la frecuencia de corte no debe ser más de un cuarto de la frecuencia cero de la función de transferencia en la mitad derecha del plano complejo. Si el cumplimiento de esta condición no permite estabilizar la salida de manera confiable, entonces es necesario volver a hacer el filtro de salida.

Para todas las PN, la frecuencia de corte no debe exceder 1/8 de la frecuencia de la portadora.

El aumento de la frecuencia de corte está limitado por el inevitable ruido, zumbido y otros fenómenos parásitos en la PN a un nivel de unos 15 kHz. Si por alguna razón necesita entenderlo, la complicación inevitable del circuito es la introducción de un amplificador de error externo de alta velocidad en el circuito del sistema operativo.

Lo que es más importante, la frecuencia de corte del sistema operativo no es un fin en sí mismo. Importante impedancia de salida en el rango de frecuencia requerido por la carga, supresión de la inestabilidad del voltaje de entrada y supresión del ruido de entrada.

Medición de bucle

Asegúrese de medir el comportamiento del circuito de retroalimentación antes de poner el instrumento en servicio.

El dispositivo, que se analiza a continuación, introduce una fuente de tensión (generador de barrido) en la interrupción del circuito del sistema operativo (puntos 1 y 2). Luego, los espectros de la señal se registran en dos puntos cualquiera del circuito y se muestra la respuesta de frecuencia de la relación de estos espectros. La relación entre el espectro de salida y el espectro de entrada es la característica de transferencia (en amplitud). Puede repetir el dispositivo cualitativamente utilizando un generador con salida de transformador y estabilización de voltaje en el devanado secundario y un osciloscopio.

Medición de parámetros de bucle por analizador de espectro АР102В - PN con desacoplamiento de optoacoplador

Los puntos de conexión de las sondas de los canales A y B permiten medir diversas funciones de transferencia