В чем суть ШИМ?

Возьмите обычный вентилятор. Если его включить, он будет дуть с одинаковой силой.

Что произойдет, если с равной периодичностью дергать рубильник — включать вентилятор всего на полсекунды, а на следующие полсекунды выключать?

Двигатель вентилятора не может мгновенно набрать максимальную скорость вращения, поэтому за такой небольшой промежуток времени он как следует не разгонится. Но и остановиться за то же время он не успеет, так как продолжит крутиться по инерции. Так что вентилятор продолжит дуть, но с гораздо меньшей мощностью. Попробуйте поэкспериментировать со своим домашним вентилятором. Так и работает простейший ШИМ-регулятор. Вместо человека с выключателем используется транзистор — MOSFET — он то открывается на некоторое время (ВКЛ), то закрывается (ВЫКЛ). Только делает это с частотой не два раза в секунду (2 Гц), а от нескольких тысяч и до миллионов раз в секунду (кГц, МГц). Вы так точно не сможете. Такой транзистор работает в ключевом режиме и, соответственно, называется «ключевым».

Но питать таким напряжением процессор по-прежнему нельзя, потому что на выходе выключателя (транзистора) оно будет той же амплитуды, что и на входе, т.е. те же 12 вольт, только в виде прерывистых импульсов.

Устройство buck converter, или понижающего DC-DC преобразователя

Чтобы получить необходимое нам постоянное напряжение, к ключевому мосфету VT1 добавим еще несколько элементов:

• катушка индуктивности — L;

• конденсатор — C;

• синхронный транзистор — VT2.

Транзистор VT1 часто называют верхним плечом, а VT2 — нижним.

Катушка и конденсатор образуют сглаживающий LC-фильтр, который и «расплющит» импульсы в желанную «прямую». Синхронный транзистор VT2 замыкает цепь и тем самым обеспечивает непрерывное течение тока, когда VT1 выключен.

Технически можно разделить цикл преобразования на две стадии: накачка энергии в катушку с конденсатором и стадию разряда.

Первая стадия — накачиваем энергию

Когда транзистор VT1, он же мосфет верхнего плеча, открыт, синхронный транзистор VT2 —  мосфет нижнего плеча — закрыт. В катушке L накапливается энергия, плавно нарастает ток. Заряжается выходной конденсатор C.

Вторая стадия — стадия разряда

В определенный момент времени, который наступает в зависимости о того, какое напряжение нам нужно на выходе (об этом ниже, в главе про расчеты), транзистор VT1 закрывается, открывается синхронный VT2. Он нужен, чтобы соединить вход катушки с отрицательным выводом нагрузки и создать замкнутую цепь. Пусть мы и разорвали на этот краткий миг связь с источником питания, но катушка никуда не делась. Она, благодаря накопленной энергии, поддерживает силу и направление тока, а конденсатор обеспечивает неизменный ток на нагрузке.

После завершения второй стадии, транзистор VT1 снова открывается, а VT2 закрывается, и цикл начинается заново. Причем для наибольшей эффективности циклы повторяются с высокой частотой — у современных компьютерных комплектующих 300-500 тысяч раз в секунду. Измеряется в килогерцах, кГц.

Еще раз отмечу, что транзисторы работают в ключевом режиме. Для упрощения, в схеме их можно представить в виде обычных выключателей, которые включаются и выключаются поочередно:

Никакой другой функции транзисторы в схеме не выполняют, а ток, протекающий через ключи примерно равен току нагрузки.

Как из импульсов 12 В получаются постоянные 1 В?

Благодаря непрерывно повторяющимся циклам, на выходе мосфета VT1 формируется высокочастотный прямоугольный однополярный сигнал амплитудой 12 В:

После транзистора VT1 установлен обычный Г-образный низкочастотный LC-фильтр, который способен выделить из этого сигнала постоянную составляющую путем ослабления первой и последующей гармоник спектра — набора синусоидальных сигналов кратной частоты, из которого состоит прямоугольный сигнал. Первая гармоника равна частоте прямоугольного сигнала, а последующие кратны ей.

Отношение амплитуд первой гармоники на входе и выходе фильтра называется «коэффициентом сглаживания», поэтому LC-фильтр также называется «сглаживающим». Последующие кратные гармоники идут с более высокой частотой и меньшей амплитудой, поэтому их при расчете не учитывают. Если фильтр эффективно справляется с первой, то с остальными проблем не будет. По итогу прямоугольные импульсы сглаживаются, образуют близкую к прямой линию постоянного усредненного напряжения. Высокие 12-вольтовые «горки» равномерно размазались в 1-вольтовую «прямую»:

То, что линия напряжения не совсем прямая — это нормально. В реальных условиях идеальных LC-фильтров не существует — гармоники никогда не подавляются полностью. Как раз то, что принято называть «пульсациями напряжения». Вот, как это выглядит на реальной осциллограмме:

Как настраивается преобразователь

Уровень напряжения на нагрузке зависит от длительности первой и второй стадий в рамках одного цикла. Чем дольше открыт транзистор VT1, тем шире прямоугольные импульсы нашего высокочастотного сигнала, а значит, тем выше будет по итогу усредненное напряжение после LC-фильтра.

Если мы поделим время первой стадии (t1) на длительность полного цикла (Тполн.), то получим безразмерную величину, которая называется коэффициентом заполнения (D).

Скважность или коэффициент заполнения?

Небольшая ремарка: именно «коэффициентом заполнения» обозначена длительность импульса относительно длительности цикла. Скважность (S) — обратная величина, т.е. отношение времени цикла к длительности импульса (Tполн / t1) — может быть от единицы до бесконечности. Эти две характеристики часто путают, но расчеты можно производить обоими способами. Я предпочитаю считать через D — коэффициент заполнения. Так, на мой взгляд, удобнее.

Величина D может быть от 0 до 1, а значит её можно перевести в проценты. Т.е. импульс занимает от 0 до 100 % времени от всего цикла.

D =  Tполн./t1

Чтобы узнать выходное напряжение (Uout), нужно коэффициент заполнения умножить на входное напряжение (Uin).

А чтобы узнать коэффициент заполнения, делим Uin на Uout. Получается простейшая формула:

D = Uin / Uout * 100 %

Пример: чтобы получить из 12 вольт типичное для центрального процессора напряжение в 1,2 вольта, коэффициент заполнения должен быть равен 10 %:

1,2 / 12 = 0,1 * 100 % = 10 %

Это значит, что первая стадия (накачки энергии) займет всего 10 % времени от общей длительности цикла, а оставшиеся 90 % времени уйдут на стадию разряда. Т.е. транзистор нижнего плеча VT2 в этом случае работает в 9 раз дольше, чем VT1.

Еще раз визуально:

О потерях на преобразователе

Любой проводник имеет ненулевое сопротивление и нагревается, когда через него проходит ток. Мосфет в ключевом режиме — тоже проводник, как обычный выключатель. И сопротивление (Rds) между его входом и выходом (сток-исток) не равно нулю. Значит, чем выше сопротивление, тем сложнее будет электронам пробиться через него, что приведет к падению напряжения на транзисторе и последующему увеличению тепловыделения. С ростом тока нагрузки проблема только усугубляется. Кроме того, наивысший КПД транзисторов достигается при относительно небольшой силе тока, что делает подбор компонентов еще более сложной задачей.

Решение тривиально: в мощных преобразователях, чтобы минимизировать потери, используется не один узел с парой транзисторов, одной катушкой и одним конденсатором, а несколько параллельно подключенных фаз, которые могут управляться единым контроллером.

Синхронный транзистор VT2 открыт многократно дольше чем VT1, поэтому VT2 часто дублируют и стараются подобрать продвинутую и дорогую модель с более низким Rds.

Почему «фазы»?

Параллельно подключенные преобразователи не просто так называют «фазами». Процесс переключения транзисторов в каждом узле происходит не одновременно, а с небольшим сдвигом по фазе.

На выходе после LC-фильтров все фазы объединяются в одну, а пульсации из-за сдвига по времени не складываются. Поэтому размах пульсаций становится значительно ниже, чем если бы они работали одновременно, а частота — выше.

Так что даже несколько десятков фаз в преобразователе на материнской плате неправильно называть «избытком». Ведь это не только меньшие потери, но и лучшее качество напряжения. Меньше пульсаций напряжения — меньше выбросов во внутренние узлы процессора — выше стабильность всей схемы, особенно при разгоне.

Те же принципы справедливы и для графического чипа видеокарты, процессора смартфона и любой другой «тонкой» электроники. Но в этом случае разработчики уже за нас рассчитали потребляемую мощность и количество необходимых узлов. А вот при выборе материнской платы пользователь должен сам определить, что ему нужно, учесть потребляемую мощность процессора. Тем более, если в планах серьезный разгон.

- ЭМС по EN55022,

- Микросекунды 2кВ провод-провод, 4кВ провод-земля

Но в рамках этой статьи мы не будем касаться этих параметров.

Отладка будет построена по схеме повышающего контроллера с диодным мостом. Поскольку выходная мощность достаточно высока, выберем двухканальную топологию (2-phase interleaving). Это два ключа, два диода и два дросселя, работающие поочерёдно со сдвигом фазы 180 градусов.

Теперь выберем компоненты.

Сам корректор построен на двухканальном контроллере UCC28070A. Не смотря на то, что это ушедший из России Texas, микросхема продаётся на Aliexpress. Я много раз покупал, проблем с ними не было. Тексас составляет очень подробные мануалы и даташиты для своих компонентов, плюс есть дизайн-калькуляторы в Экселе. Но, при желании, можно и самому надёргать формул с апноутов и вбить в Эксель.

Транзисторы.

Использованы WML36N65C4 от Wayon. Лучше будут работать WML53N65C4, у них менее "омный" канал и они быстрее. Можно купить в Компэле, но он работает только с юрлицами. Расчётный ток ключей - 9А, поэтому использовать можно всё, что умеет кочегарить 18-20А (с двойным запасом) при температуре корпуса 100 градусов.

Диоды.

Поскольку корректор работает в неразрывном токе, ставим диоды на карбиде кремния (SiC) G4H06510AT, продаются в Промэлектронике. Можно, конечно, использовать ультрафасты, но для них надо обязательно замедлить отпирание ключей. И КПД при этом будет немного ниже.

Драйвер ключей.

У меня в запасе есть FAN3224T, это двойной драйвер нижних ключей от Fairchild (ONS). Контроллер выносим в тихое место, а драйвер располагаем около транзисторов.

Датчики тока.

Здесь у разработчика есть выбор - или резистивные шунты, или трансформатор тока. Я использовал самодельные трансформаторы тока на мелких колечках R10 из материала DMR44. Тексас рекомендует коэффициент трансформации 50...150, согласно даташиту. Поэтому выберем провод 0,2мм, которым наматываются 70 витков провода 0,2мм в один слой, или 100 витков в 2 слоя, по вашему желанию. Кольца есть в Лэпкосе.

Дроссели.

Я выбрал кольца 77894, это сендаст с проницаемостью 60. К сожалению, Магнетикс тоже дезертировал из России, но его место с удовольствием заняли азиаты, которые предлагают свои аналоги по ценам в 5 раз ниже. KS106-060A доступен в продаже, тоже в Лэпкосе.

Выходные конденсаторы

Типовая ёмкость для такого корректора - 1000мкФ 450В. Если позволяют нормы по пульсации выходного напряжения, можно использовать вдвое меньшую ёмкость. У меня по компоновке платы влезают 2 штуки 390мкФ 450В. Купить можно где угодно.

ЭМС фильтр - двухзвенный. В первом звене работает синфазный дроссель, который может быть выполнен на материале R10K от DMEGC, тоже есть в Лэпкосе. Кольцо диаметром 30мм. Обмотка выполняется в 1 слой. В отладке применён дроссель с двухслойной обмоткой, но от второго слоя эффекта практически нет, т.к. сказывается межслойная ёмкость, и помеха просто пролезает через неё без существенного ослабления. В дифференциальном звене можно использовать тот же сендаст, жёлто-белую распылёнку 26-го материала. Рассчитывайте на 100мкГн на макс.токе на нижней границе сети (1000Вт/КПД/180*1,41 = 8А)

Отдельная платка - это системный источник питания. На него возложен целый ряд функций и задач - он формирует напряжения питания и для узлов сетевой стороны, и для вторичной, а так же выполняет следующий алгоритм при включении в сеть:

1. При включении дать зарядиться электролитам через NTC термистор.

2. Спустя полсекунды подать питание на контроллер корректора.

3. Как только корректор довёл напряжение на банках до 350В - включить реле, которое зашунтирует термистор.

4. Одновременно с этим подать питание на второй каскад.

5. Напряжение питания на вторичную сторону подаётся сразу же при включении.

6. И отдельный узел - защита от обрыва нуля (защита от 380), которая отключает весь корректор от сети при подаче на вход напряжения свыше 320В переменного тока. Этот узел нужен будет мне в дальнейшей работе с отладкой. Для обычных условий применения он необязателен.

Разумеется, системный источник должен работать в очень широком диапазоне напряжения питания. Он должен уметь стартовать на нижней границе сети (180В) и выдерживать напряжение питания вплоть до верхней границы сети 380В, которая составляет 440В, а её выпрямленное значение - более 600. Поэтому, несмотря на невысокую мощность, здесь нельзя использовать типовые интегральные контроллеры с предельным напряжением ключа 700В. Лучше построить системный источник на обычной UC3842 и использовать мелкий транзистор в DPAK или SOT223 с напряжением 900-950В.

Конструкцию системного источника я описывать не буду, это информация для отдельной статьи.

Все цифры с ТЗ вбиваем в калькулятор параметров, получаем номиналы компонентов и список ограничений:

1. Кольца 77894 могут обеспечить такую мощность на частоте не ниже 100кГц. 83 витка дают нам 150мкГн при полном токе и 500мкГн без нагрузки.

2. Для токовых трансформаторов макс. рабочий цикл должен быть ограничен значением 0,9, не выше.

3. Рекомендуемая Тексасом схема коррекции пилы на малой мощности не требуется, если применены токовые трансформаторы - они дают сигнал высокой амплитуды, которую легко выделить среди шумов.

4. Одного выпрямительного диодного моста GBU810 мало - он сильно греется. Я попробовал использовать 2 в параллель - стало немного лучше. Но в финальный вариант я заложил 25-амперный мост GBJ2510 - на нём ещё ниже потери и выше КПД. В живой отладке остались 2 моста в параллель.

Чертим-рисуем в Алтьиуме схемы:

Фильтр ЭМС. Реле и системный источник не показаны

Силовой каскад.

И мозги

... и получаем вот такую красоту:

В Альтиуме, конечно, всё красиво, но отладка выглядит не так сексуально (я б не вдул™):

Важные моменты по сборке:

1. Под кольца необходимо подложить прокладки из текстолита, ПЭТ плёнки, любого диэлектрика. Бутафорская жёлтая лента здесь - не столько для изоляции, сколько для маркировки. Электролитов это тоже касается.

2. Транзисторы применены в корпусе Fullpack, они монтируются на радиатор напрямую. Диоды же - голый TO220. Поэтому нужны теплопроводящие подложки. И я ставлю по 2 подложки для лучшей электроизоляции. Тепла с диодов рассеивается немного, поэтому на нагреве 2 подложки не сказываются.

3. Системный источник отлаживается вообще отдельно. Или до установки на плату, или вначале на плату распаяйте всё кроме корректора и наладьте выходные напряжения и мощность, пороги переключения, сработки, задержек и пр.

Первое включение в розетку проводите через мощную галогеновую лампу от прожектора на 500-1000Вт. Для первого включения вместо всей выходной ёмкости можно поставить конденсаторы поменьше, раза в 2-3. Будет проще запуск через лампу. Убедитесь, что корректор формирует на выходе нужные 400В. Проверьте все напряжения питания. Подержите плату полчаса - проверьте, что ничего не перегревается, не дымит и не воняет.

После этого можно убрать лампу и включиться напрямую в сеть через автомат 10А. Обязательно встаньте двухканальным осциллографом на точки CS1 и CS2 - проверьте работу датчиков тока с ростом мощности. Форма сигнала должна быть ровным треугольником на малой мощности, постепенно переходящим в трапецию с ростом нагрузки.

На что нагружать? Я сделал такую вот переключаемую нагрузку на лампочках

Лампы по 100 и по 200Вт включены парами по 2 последовательно. На каждую пару сзади панели - выключатель. Правда, бытовые выключатели не могут размыкать постоянный ток, формируется дуга. Включать могут. Выключать - нет.

И не забывайте, что задача корректора - прежде всего сделать синус на входе, а не 400В. Поэтому обязательно надо чем-то наблюдать форму входного тока. У меня специализированные приборы. Если их нет - можно использовать токовый трансформатор, нагрузив его расчётным резистором и смотреть осциллографом.

В конечном результате прибор показывает измеренные параметры:

Ключевые параметры:

Левый столбец сверху вниз: напряжение и ток по входу, входная мощность, коэффициент мощности, частота. Дальше не нужно.

Правый столбец сверху вниз: напряжение и ток по выходу, выходная мощность, пульсация выходного тока (не важно для корректора), КПД.

Красная синусоида - форма напряжения в сети, зелёная - форма входного тока. Есть небольшое фазовое опережение током напряжения, тут могут влиять и ёмкости в фильтре ЭМС, и сам корректор может чудить. Можно исправить, а можно оставить так - третья гармоника всего 5.5%

Если есть ЛАТР - проверьте работу корректора на нижней границе сети и на верхней. На нижней будет хуже КПД, но лучше форма тока. На верхней - наоборот.

Берегите электросеть, и о своих глазах не забывайте - пользуйтесь защитой.

Можно конечно попытаться сделать самому, но иногда стоит купить готовый. Потому что собрать хороший блок питания. Особенно для начинающих не так уж и просто.

В сегодняшнем обзоре, а так же видео общий обзор импульсного блока питания конструктора. Который практически готов для использования. Единственное что ему нужно разместить в каком-то корпусе и подать на него входное напряжение.

Ссылка где можно приобрести подобные блоки питания по довольно привлекательной цене и чаще всего с бесплатной доставкой можно посмотреть  на Ютубе перейдя по ссылке видео :

Этих блоков питания существует несколько разновидностей. Практически все они шестидесятивольтовые. А вот по току они различаются.

Встречаются разновидности 8 А с маркировкой XY6008, также блоки питания 14 амперные маркировка  XY6014 и блоки питания 20 А маркировка XY6020

Основные параметры Блока Питания

Особенность :

1. Использование высококачественных материалов, прочных.

2. Удобное управление, пульт дистанционного управления с полностью цифровой клавиатурой.

3. Точные детали, высококачественный источник питания.

4. Поддержка защиты от перегрева, внешний датчик температуры, прикрепленный к аккумулятору, при перегреве автоматически прекращает зарядку.

5. Широкий спектр использования.

Параметры.

Диапазон входного напряжения: 6-70,00 В

Диапазон выходного напряжения: 0-60,00 В

Диапазон выходного тока: 0-20,0 А ( Всё зависит от модели блока питания)

Диапазон выходной мощности: 0-900 Вт ( Всё зависит от модели блока питания)

Разрешение измерения входного напряжения: 0,01 В

Разрешение измерения настройки выходного напряжения: 0,01 В

Разрешение измерения текущей настройки: 0,01 А

Точность измерения входного напряжения: ±(1%+5 слов)

Настройка выходного напряжения и точность измерения: ±(0,4%+1 слово)

Настройка выходного тока и точность измерения: ±(0,5%+3 слова)

Типичное значение выходной пульсации: 100 мВ VPP.

Диапазон рабочих температур продукта: -10°C-40°C.

Диапазон измерения емкости: 0-99999Ач

Диапазон измерения энергии: 0–9999 Втч.

Статистическая погрешность мощности и энергии: ±2%

Диапазон измерения времени работы: 0-1000 ч.

Максимальное выходное напряжение: (входное напряжение + 1,1)-2

Охлаждающий вентилятор включен: Ток>2А Мощность>50 Вт Температура>50°C

Вентилятор охлаждения включается и затем выключается: ток <1,5 А, мощность <45 Вт, температура <45°C.

Защита от перегрева: по умолчанию 110°C.

Настройка яркости экрана: 0–5, всего 6 уровней.

Экран дисплея: цветной ЖК-дисплей с диагональю 1,8 дюйма.

Внимание.

В том случае если вы этот блок питания Используйте для зарядки аккумуляторов.

Этот продукт не имеет защиты от переворота выхода, положительный и отрицательный разворот батареи повредит оборудование, нет функции защиты от обратного потока.

Зарядка аккумулятора требует определенного опыта, непрофессионалам не следует заряжать напрямую, чтобы предотвратить возгорание и взрыв.

Обзор меню

Главное меню этого блока питания состоит чаще всего из пяти иногда встречается шести подменю:

В этих подменю собраны все основные режимы работы, а также настройки данного блока пита.

Настройки настолько расширенные что можно настроить даже цвета практически всех главных параметров.

Габариты этого блока питания при его очень привлекательных возможностях довольно скромные даже можно сказать миниатюрные.

Комплектации Также можно чаще всего выбрать по своему усмотрению Поэтому если вас интересует устройство которое можно подключить к компьютеру или смартфону Выбирайте с wi-fi адаптером.

Это позволит вам анализировать а также управлять этим устройством дистанционно при помощи того же компьютера или смартфона.

Пульт управления чаще всего с устройствами идёт по умолчанию.

Так же на примере этого блока питания Вы можете посмотреть видео как работает  режим стабилизации тока в различных лабораторных блоках питания

Схем на просторах интернета существует много. Есть даже очень простые. Включающие в себя только резисторы и конденсаторы.

DC DC преобразователь

Немного сложнее с добавлением ещё пару транзисторов. Но не все очень простые схемы адекватно работают.

А есть очень сложная и запутанные схемы. Которую собрать для начинающего электронщика не всегда под силу.

И поэтому надо выбирать что-то оптимальное — среднее. Желательно под свои конкретные задачи.

Зачем например собирать мощный двухполярный блок питания для вашего устройства. Если второе напряжение используется только для питания например операционного усилителя  или какого-нибудь другого устройства с низким потреблением.

Бывают такие задачи когда питающие напряжения несимметричные и отличаются друг от друга.

Один из вариантов как сделать двухполярный блок питания

Один из методов как из однополярного блока питания сделать двухполярный. Это использование DC DC преобразователя на отрицательное напряжение.

Подключается он как обыкновенный потребитель к источнику питания. А на выходе мы получаем дополнительное напряжение. Как изображено на блок-схеме.

Некоторые скажут. Зачем тогда городить самому этот dc-dc преобразователь. Если можно использовать готовые китайские модули.

• Во-первых большинство из них на выходе имеют положительную полярность. А нам нужна отрицательная.

• Во-вторых интересно же самому что-то попробовать сделать своими руками. И разобраться как это работает.

Реализация Блока Питания на NE555

И тут нам поможет очень популярная и дешёвая микросхема таймер ne555. И схема, чтобы собрать на ней задающий генератор прямоугольных импульсов, очень проста. И всего лишь имеет три дополнительных Радиодетали. Два резистора и один конденсатор.

И мы получаем полнофункциональный ШИМ контроллер. Который можем использовать для  дальнейших своих целей.

Простая схема — Генератор на ne555

Хотя с таким же успехом можно взять и готовый китайский модуль.

Готовый Модуль — Генератор на ne555

Остаётся добавить несколько радиодеталей и наша схема готова.

Использовать мы будем два электролитических конденсатора. Один как разделительный, другой как фильтрующий. Ещё нам понадобятся два диода и один стабилитрон.

Собираем это всё по схеме приведённой ниже:

Dc-Dc преобразователь отрицательной полярности на ne-555

Как работает Dc Dc на таймере NE555

Нужное нам напряжение  отрицательной полярности мы получаем на стабилитроне.

Ниже изображены две осциллограммы на аноде и на катоде диода D1.

На верхней осциллограмме представлен импульсный сигнал отрицательной полярности. На нижней этот же сигнал отфильтрованный конденсатором

Больше осциллограмм можно посмотреть ВИДЕО представленном ниже.

Номиналы радиодеталей представленных на схеме можно изменить. Их можно подбирать под ваши конкретные задачи.

По какому принципу это всё работает практически. С объяснениями и осциллограммами в разных точках схемы можно посмотреть в видео представленном ниже: