Регулятор постоянного тока 0...85vdc

[GND]

Прежде чем перейти к описанию того самого силового моста или полумоста, которым, собственно, и предназначена "руллить" cntrl_brd, я бы хотел поподробнее остановиться на одном важном моменте: а от чего на самом деле запитан тот самый мост и рулька? Не от сетки же осветительной напрямую? Да. Сейчас самое время поговорить о "прокладке" промежду сеткой и мостком, точнее о блоке питания моста и рульки. Как видно из схемы рульки, она довольно прихотливая особа. Ей нужно аж 4 уровня питающих напряжений, причём, как разной полярности, так и разной мощности. Например, микропроцессерная часть нуждается в 5-вольтовом источнике с максимальным потреблением в районе полампера. Сам шим- модулятор запитан от канала +24в. Усилитель мощности тгр также запитан от этого канала, и, в случае применения тгр-драйвера затворов, потребление по шине также может стремится к поламперу. Плюс обмотки промежуточных реле dc24v или вентилятор dc24v. в наихудшем случае, от шины +24в может потребоваться сила электрического потока в районе уже ампера, т.е. мощ вспомогательного блока может превысить 25вт. в самой рульке применены внешние оу mc33074, а им вообще нужно двуполярное питание, например, +/-12в, хоть и с небольшим потреблением в районе 5 сотых ампера... и это ещё не всё! оптические драйвера "легли и просят" ещё двух изолированных каналов +24в с небольшим, правда, потреблением, в районе 5...10 соток ампера! Короче, "прокладка" должна выдавать "на гора" семь! карл, семь! уровней напряжений!
pwr_brd
Синфазный двухобмоточный индуктор выполнен на ферритовом кольце R31x19x8 (ui ~ 3 300). Две обмотки намотаны эмаль-проводом ПЭТВ-2
D1.6mm по 14 витков каждая на противоположных секторах кольца. Индуктивность каждой обмотки L1 = L2 ~ 680uH (Al ~ 3.584uH/T).

Входной мостовой выпрямитель kbpc 3510 с круглыми выводами установлен на радиатор из алюминиевого профиля H = 40mm Ssrfs ~ 20 000mm2.
Это позволяет держать температуру корпуса на безопасном уровне при выпрямлении тока до Ibr ~ 15a rms на открытом пространсте без при-
нудительного охлаждения. При этом, максимальная выходная мощность выпрямителя составит, не менее, Pout ~ 1.2kW (Iout ~ 4.6a rms).
Пульсации выпрямленного напряжения на сглаживающих конденсаторах составят, не более, Vripl ~ 33v p-p. Действующий ток польсаций через
все конденсаторы, не более, Iripl 10.5a rms.

pwr_brd.PDF

(23.47 КБ) 3 скачивания

[GND]

входной мост установлен на радиатор, а сама плата смонтирована на втором этаже, и поток от вентилятора действительно практически не затрагивает это радиатор. вороятно, скадальный гопнический персонаж с того форума именно его и имел ввиду. Однако узость его рассудка не позволила ему осознать того факта, что этот радиатор и был изначально расчитан не естественную пассивную конвекцию, да ещё и с приличным запасом. Я было пытался "расширить" ему его кругозор, но модератор вовремя пресёк мои причардские поползновения и уберёг его узкий "кругозор" от расширения... а зря)))

[GND]

161 просмотр... значит кто-то ещё есть, кроме меня... продолжу, пока окончательно не забанили)))
chpr_sub
На плате chpr_sub расположен понижающий преобразователь на легендарной опять же американской микросхеме mc34063a фирмы Motorolla в планарном корпусе so-8.
Субмодуль расположен прямо на плате вспомогательного источника pwr_sub на однорядном штыревом разъёме с шагом 2.54mm и питается с его выхода +24v.
На выходе чоппера формируются постоянные стабилизированные напряжения +5v/1a, +12v/0.1a, -12v/0.1a служащие для питания платы cntr_brd и расположенных на
ней субмодулей adc_sub, pwm_sub, dsply_sub.
Чоппер выполнен по схеме с контролем тока намагничевания Im сердечника трансформатора с внешним ключём на p-канальном мосфете irf9024 (to-252) и драйвере
мосфета на npn биполярном транзисторе mmbt 2222a. Выходное напряжение основного канала +5v контролируется цепью оос по напряжению контроллера mc34063a, а
а на выходе дополнительных каналов +12/-12v установлены линейные регуляторы lm317 (to-252).
Трансформер чоппера выполнен на 10-выводном каркасе ферритового сердечника Е20х10х6 (Ш6х6) с воздушным зазором в центральном керне G ~ 180...200um.
Первичная и вторичная обмотка канала +5v мотаются одновременно, в два провода, эмаль-кабелем D0.55mm в один слой на всю ширину каркаса и содержат по 8-10
витков. Длина обоих отрезков, приблизительно, L ~ 0.7m. Обмотки сверху изолируются термоскотчем 50um в два слоя. Затем, также одновременно в два кабеля,
мотаются обмотки каналов +12v/-12v/-12v эмаль-проводом D0.355mm. Начала и концы обмоток подключаются к выводам каркаса согласно принципиальной и электро-
монтажной схемам субмодуля. Зазор в центральном керне делался путём постепенного стачивания центральнго керна на одной половинке сердечника точилом с ал-
мазным кругом с постоянным контролем удельной индуктивности AL. Недостаточная ширина зазора приведёт к насыщению сердечника, т.е. чоппер не сможет работать
с номинальной величиной входного напряжения +24v, избыточный зазор приведёт к невозможности передачи номинального потока энергии через трансформатор чоппера.

chpr_sub.PDF

(21.38 КБ) 2 скачивания

[GND]

какой же прекрасный форум! Вечная слава Олегу Петровичу и продолжателям его нужного людям дела...продолжаю продолжать))
flybck_sub
далее речь пойдёт о ключевом собмодуле платы pwr_sub, на котором расположен служебный источник питания dc24v/1a. Он запитан переменным напряжением ac230v с платы pwr_brd после синфазного фильтра, со второго экс-конденсатора и 20-мм защитных дисковых кэтайских варисторов ac275v. Источник обладает внушительным коэффициентом стабилизации как выходного напряжения, так и мизерным выходным сопротивлением, благодаря высокому усилению усилителя ошибки. Реальный диапазон работы источника на максимальной выходной мощности 24w простирается от ac85v до ac290v. выходное напряжение стоит на этом уровне с погрешностью менее +/- полпроцента. Это касается и выходного тока - от нуля и вплоть до 1а. Флаёр построен на легендарном американском шим-контроллере uc2844 (so-8). В 2024 году он отпразновал свой 40-летний юбилей! И, я так понимаю, с конвеера он не снят и до сих пор выпускается на заводах по всему миру. Слава коллективу фирмы Unitrod! Думаю, он даже пережил многих своих разработчиков и эта славная микра стоит как сверкающий монумент ихнему достижению 1984 года.
на плате, помимо собственно источника, смонтирован триггер овервольтажа сетевого питания. Верхний порог триггера - ac290v, нижний - ac230v. Если питающая сетка оказывается под опасным потенциалом, превышающем верхний порог, то триггер опрокинется и через транзисторную опторазвязку передаст сигнал fault на вход mcu. Контроллер обесточит стартовое реле ss_rly и остановит шим-модулятор, регулятор прекратит работу и будет изолирован от опасного напряжения конденсаторным балластом цепи софт-старта. При снижении сетевого напряжения до безопасного уровня ac230v триггер вернётся в своё первоначальное состояние и актиный низкий уровень fault будет убран со входа mcu.

flybck_sub.PDF

(30.77 КБ) 2 скачивания

[GND]

Трансформатор дежурного источника питания может быть выполнен на сердечнике Е34х14х9 N72 (ui~2 700, ue~1 770, Al~3 415nH/T) c зазором
в центральном керне G~800um. Первичная обмотка состоит из двух неравных полуобмоток, намотанных проводом ПЭТВ-2 1хD0.39mm по изоляции
в 3 слоя: Npri_1~76T; Npri_2~30T. Сначала на каркасе мотается первая половина, которая содержит 2 полных слоя провода с межслойной изо-
ляцией 50um. Вторая полуобмотка мотается последней поверх вторичных обмоток. Полуобмотки включаются последовательно синфазно и при соб-
ранном сердечнике без зазора дают индуктивность Lpri~38.5mH. Затем ценральный керн на одной половине Е-сердечника стачивается до полу-
чения Lpri_gap ~ 1 000...1 400uH.
Поверх двуслойной межобмоточной изоляции полиимидным термоскотчем эмаль-проводом ПЭТВ-2 D0.5mm по меди мотается в один слой выходная
обмотка +24v Nsec = 20T. Слой изоляции 50um, и затем две аналогичные обмотки питания оптодрайверов моста Ndrv_lo = 20T Ndrv_hi = 20T
с одним слоем межобмоточной изоляции.
Следом мотается слой обмотки питания шим-контроллера Npwm ~ 12...13T 1xD0.39mm и вторая полуобмотка первичной обмотки.

[GND]

Несколько скринов со стока силового ключика шим-контроллера и тока через ключик на одной развертке при разных нагрузках и разных питающих напряжениях

видно, что индуктивность рассеяния изолирующего трансформера флаера исчезающе мала, по сравнению с индуктивностью намагничения. укрывание вторичных обмоток первичной полуобмоткой дало результат. правда, я не пробывал пока мотать первичку полностью. было очень "страшно" загубить трансформаторный комплект с таким выдающимся 14-пиновым каркасом

[GND]

первая картинка - это граница стабилизации по нижнему порогу питающего напряжения, последняя - максимальный уровень выходного тока при номинальном питающем напряжении. но это не точно)))

[GND]

...далее речь пойдёт собственно о плате силового инвертора с шим-демодулятором brdg_brd. вариант 75в 5.55а.
Принцип работы регенеративного снаббера
=======================
Примем за начальный момент времени интервал паузы death_time. Снабберные конденсаторы C3/C5 в начальный момент времени t0 полностью разряжены.
В момент прихода положительного импульса на вход оптодрайвера моста, верхний и нижний транзисторы Q1/Q2 одновременно открываются. Через них и
открывшиеся вентили D4/D5 и снабберный индуктор L1 начинается заряд снабберных конденсаторов C3/C5. Снабберный индуктор L1 снижает импульс
зарядного тока до приемлемой величины Isnb_chrg <= 2.0a p-p. Через интервал Tchrg < tp_min процесс заряда завершается, напряжение на снабберных
ёмкостях максимально и приблизительно равно входному питающему напряжению моста Vс_snub ~ 315v. Этот момент обозначим как времени t1.
Снаббер готов к приходу заднего спадающего фронта входного положительного импульса.
Окончание входного импульса соответствует моменту времени t2. Транзисторы Q1/Q2 начинают одновременно закрываться, что влечёт за собой пере-
полюсовку входного напряжения силового трансформера и открытие диодных ключей D1/D2 однотактного моста. Энергия, запасённая в приведённой к пер-
вичной обмотке индуктивности рассеяния Ls_pri сливается в ёмкости C1/C2, шунтирующие шины питания PWR+ и PWR- по переменному току. Также, снаб-
берные конденсаторы начинают разряжаться через открывшиеся разрядные вентили снаббера D3/D6 также в те же шунтирующие ёмкости С1/С2. При этом,
напряжения на конденсаторах оказываются включенными встречно с растущем Vce соответствующего ключа. Так они замедляют рост Vce на обоих зак-
рывающихся ключах, разнося во времени моменты Vce_max и Ic_max, тем самым, снижая мгновенную мощность выключения PWR_off. Разрядные вентили
снаббера D3/D6 должны быть расчитаны на большие импульсные токи, не менее 20a p-p, и устанавливаться на небольшие отдельные радиаторы. Разрядные
вентили диодной диагонали моста D1/D2 установлены на общие радиаторы совместно с соответствующими парами транзисторов через изолирующие прокладки.

Расчёт снаббера
================
В косом мосте инвертора применены IGBT транзисторы fgh60n60sfd с затворными резисторами 4R7. Время спада тока tf
для Ic = 60a, t = 125C при Rg ~ 20R tf <= 100ns. Максимальный ток колектора не должен превышать Ic_max <= 20a.
Максимальное напряжение питания моста, не более +Vpwr <= 390vdc. Исходя этого, можно посчитать минимальную ёмкость
снабберного конденсатора, шунтирующего переход c-e транзистора в момент закрывания последнего:
Csnub_min >= Ic_max * tf / +Vpwr ~ 5.13nF.
Эта ёмкость в момент закрытия ключа будет перезаряжаться размагничивающим током индуктивности рассеяния Ls_pri
первичной обмотки Ipri_dchrg.
В момент прерывания управляющего импульса ton,-Ipri_dchrg = Ic_max. Э.д.с. самоиндукции Ls_pri сменит полярность
входного напряжения силового трансформера PT1 на противоположную величину -Vpwr.
Наличие этой эдс и сделает возможным разряд снабберных конденсаторов в шунтирующие конденсаторы на шинах +Vpwr/comm_pri
источника питания моста, тем самым, обеспечивая плавное нарастание коллекторного
напряжения Vce при резко снижающемся токе коллектора Ic выключающегося транзистора. В идеале, конечная цель применения
снаббера состоит в том, чтобы выключить ключ при нулевом Ic. Этим достигаются минимальные динамические потери в ключе
при выключении Poff_loss.
Итак, рассмотрим принцип работы снаббера. Пусть в начальный момент t0 оба ключа закрыты. При этом оба снабберных кон-
денсатора разряжены. В момент t1 на управляющие электроды обоих ключей поступает открывающий импульс. Транзисторы насчи-
нают открываться, снабберные конденсаторы Csnub1=Csnub2=0.01nF заряжаются через открытые ключи Qhi, Q2lo и снабберный
индуктор Lsnub ~ 100uH и блокирующий диод Dchrg. Зарядный ток имеет форму однополярного синусоидального импульса. Его
длительность равна:
tchrg = (2Pi*sqrt(Lsnub*1/2Csnub))/2. В нашем случае, tchrg ~ 2.22us Амплитуда зарядного тока ограничивается характери-
стическим сопротивлением последовательного LC-контура LsnubCcnub1Csnub2: Rsnub = sqrt(2Lsnub/Csnub) ~ 140R. Таким образом,
амплитуда зарядного тока снабберых конденсаторов не сможет превысить величины Isnub <= +Vpwr/Rsnub ~ 2.5a. На такую ампли-
туду тока и должны быть расчитаны все элементы зарядной цепи снаббера: снабберный индуктор и блокирующий диод снаббера Dchrg.
Важно также, чтобы минимальная длительность открывающего импульса ton_min была больше длительности зарядного импульса
ton_min > tchrg. Это позволит конденсаторам снаббера зарядится до максимума +Vpwr и быть полностью готовыми к работе в
момент окончания ton.
В момент времени t2 импульс зарядного тока снаббера заканчивается, а в момент времени t3, в свою очередь, заканчивается и
импульс ton. Верхний и нижний транзисторы моста закрываются. Снабберные конденсаторы начинают разряжаться через первичную
обмотку трансформатора и разрядные диоды Ddchrg в конденсаторы моста, шунтирующие питающую шину +330vdc. Таким образом,
к моменту прихода следующего открывающего импульса t4 снабберные ёмкости полностью разряжены и готовы к новому циклу работы.
Индуктор снаббера намотан на односекционном каркасе сердечника ее25/13/7 с зазором в центральном керне G500um. Для получе-
ния требуемой индуктивности Lsnub ~ 100mH требуется намотать Nsnub = sqrt(Lsnub/Al). Одновитковая индуктивность у такого
сердечника равна Al = 151nH/T, проницаемость ue = 131. Итак, Nmin ~ 26T. Для снижения нагрева дросселя, обмотку надо сделать
плоской косой из 3 эмаль-проводов D0.51-0.56mm виток-к-витку. Индукция в сердечнике при максимальной амплитуде зарядного
тока Ichrg ~ 4a не превысит Bm = 1000*u0*ue*Ichrg*Nmin/le = 1000*1.257e-03(mH/mm)*131*4(a)*26(T)/57.5(mm) ~ 300mT.
Поскольку время заряда снабберных емкостей выбрано tchrg ~ 3.3us, то минимальный открывающий импульс должен иметь
длительность, не менее ton_min > tchrg. Если же планируется другое значение ton_min, то максимально допустимое значение
снабберной индуктивности можно расчитать по формуле:
Lsnub_max <= 2*ton_min^2/(pi^2*Csnub).
Индуктор клампера намотан на пластиковом односекционном каркасе из комплекта ферритового сердечника ее25/13/7 №87 Эпкос с зазором
в центральном керне G500um. Обмотка выполнена "виток-к-витку" плоской косой из 3 эмаль-проводов D0.51mm (D0.545mm isolated) пэтв-2
одновременно до заполнения каркаса и содержит Nw ~ 40T. Длина намотки, приблизительно равна, Lwinding ~ 2.15m. Погонное сопритивление
одной медной жилы ф0.51mm R = 0.0859 Om*m (20C), таким образом, активное сопротивление катушки индуктора составит, приблизительно,
R(f=0) ~ 0.0859*2.15/3 ~ 61.6mOm.
Длина средней магнитной линии в таком сердечнике le = 57.5mm, эффективное сечение магнито-
провода Ae = 52.5mm2. Эффективная поницаемость сердечника с таким зазором ue ~ 131, а удельная индуктивность
AL ~ 151nH/T. Индуктивность индуктора снаббера получается, таким образом, не менее Lsnubb >= 240uH. Максимально допустимый размах
однополярного импульса тока в таком индукторе, при котором размах индукции в сердечнике не превысит Bmax <= 390mT, можно найти из
выражения: Isnub_max <= Bmax[mT]*le[mm]/(1000*u0[uH/mm]*ue*Nw) = 3.4a, где u0 = 1.257exp(-03)[uH/mm].
Снабберные конденсаторы имеют номинальные ёмкости Csnubb = 0.01uF 5-10% и расчитаны на максимальное постоянное напряжение
Vdc_max = 1 000vdc. Это соответствует переменному синусоидальному напряжению Vac <= 300-400vac (50-80kHz). В снаббере применены без-
индукционные полипропиленовые высокотоковые конденсаторы типа CBB-81. С такими конденсаторами снаббер наклоняет задний фронт импульса
на силовом трансформаторе приблизительно на tfall ~ 500ns при размахе импульса Vpri ~ 300v p-p.

Индуктор реактивного снаббера ассиметричного мостового инвертора выполнен на кольцевом ферритовом сердечнике R31x19x8 (ui~2 200, Al~2 600nH/T)
с одним поперечным припилом на всю глубину магнитопровода G ~ 1 000um. Обмотка состоит из 33 витков тройного эмаль-провода ПЭТВ-2 D0.5mm (по
изоляции), намотанного одновременно плоской "лентой", без скручиваний и перехлёстов. Результирующая индуктивность Lind ~ 100...110uH при импуль-
сах тока Iind ~ 1.5adc p-p.

Описание электрической принципиальной схемы
================
Индуктор выходного шим-демодулятора выполнен на кольцевом сердечнике Т157 из материала -52 или -2. Для получения индукивности 15...47uH
у индуктора, расчитанного на максимальный действующий ток подмагничивания Ibias ~ 5...15a rms, обмотка должна содержать 14-15 (14T) витков
двойного эмаль-провода 2хD1.6mm для сердечника из материала -52 или 33T 1хD1.6mm для сердечника -2. Суммарная длина провода обмоток для обоих
вариантов Lwire ~ 2 000mm.
При работе на максимальном выходном напряжении Vout_max = +75vdc, Iout ~ 5adc индуктор на кольце из материала -2 и одинарной обмоткой 33Т при пи-
тании от входного напряжения Vin = 230ac разогревался до +75...82С с включенным вентилятором.

Трансформатор тока CT 1:200 выполнен на кольце R22x14x6.5 (ui~3 450, Al~4 515nH/T) и содержит двуслойную выходную обмотку из эмаль-провода ПЭТВ-2
D0.39mm (по изоляции), состоящую из 200 витков. Длина провода, около Lwire ~ 4.2m. Индуктивность обмотки Lsec ~ 185mH. Первичная обмотка содержит
1 виток провода D1.6mm. Если трансформатор нагружен на однополупериодный выпрямитель и резистор Rload ~ 39R m=4, то это приведёт к ограничению импульсов
тока в первичной обмотке силового трансформатора на уровне Ipri pls ~ 20a p-p.

Силовой трансформатор РТ 50:35 выполнен на кольцевом сердечнике R48x31x19 (ui~6 000...10 000 (T37/T38); Al~14 940nH/T; w~97g) с пропилом
G ~ 1 200um и заливкой пропила эпоксидным двухкомпонентным компаундом.
Первичная обмотка однослойная, слой содежит 50 витков эмальпровода ПЭТВ-2 D1.6mm (по меди) Npri = 50T (1xD1.6mm). Длина провода обмотки Lwire ~ 3m,
сопротивление постоянному току Ra_pri ~ 0.03R.
Индуктивность намагничивания Lm первичной обмотки получилась Lpri~6 850uH. Это примерно соответствует эффективному полному зазору Geff ~ 80um,
при котором ue ~ 1 300...1 350nH/T (Al~2 740nH/T).
Поверх первичной обмотки намотана межобмоточная изоляция жёлтым трансформаторным скотчем 50um два слоя. Поверх изоляции расположен датчик температуры
- два последовательно включенных миниатюрных дисковых ntc-термистора 2k2 10% 25C. Они примотаны на внутреннюю и наружнюю поверхности тора и заизоли-
рованы скотчем.
Вторичная обмотка двуслойная, выполнена плоской лентой из 12 эмаль-проводов ПЭТВ-2 D0.5mm (по меди), содержит 35 витков (Nsec = 35T). Длина обмотки,
около, Lwire ~ 2.5m, сопротивление постоянному току Ra_sec ~ 0.03R, индуктивность обмотки Lsec ~ 3 410uH.
Последовательное синфазное включение обеих обмоток Lpri + Lsec даёт суммарную индуктивность Lsum ~ 20 000uH, измеренное значение индуктивности
первичной обмотки при закороченной вторичной Ls_pri ~ 30uH.
Вторичная обмотка также сверху изолировалась термоскотчем w = 11mm в один слой.
Трансформатор тестировался на постоянном токе в обоих обмотках: Ipri ~ 9.3adc; Isec ~ 11.6adc, сопротивление встроенного в обмотки термодатчика падало
с Rntc ~ 4k0 (~25C) до Rntc ~ 700R (~70C).

При работе на максимальном выходном напряжении Vout_max = 70vdc и выходном токе Iout ~ 5adc (Pout ~ 300...350w) сигнал с термодатчика в силовом транс-
форматоре имел постоянный уровень включения вентилятора 120x120x38mm 230...240vac 0.14a Vthrm >= 3 470mV.
Входное питание Vac_in ~ 230...240vac.
Длительность импульса прямого хода составляла tp ~ 3...3.5us. Амплитуда положительного импульса на выходной обмотке трансформера с учётом колебаний,
обусловленных паразитными параметрами, +Vsec ~ 256v; -Vsec ~ 216v.
Входное питание силового инвертора составило Vdc_in ~ 309v rms. Размах пульсаций 100Hz Vripl ~ 13...16v p-p.
Сигнал с трансформатора тока на прямом ходе при близкой к максимальной нагрузке Pout ~ 350w и питании от сети Vac ~ 230v имеет длительность tp ~ 3.5us
и полный размах Vct ~ 1v0 p-p. Размах пилообразной составляющей Vct_m ~ 0.8v. Пъедестал 0.2v, видимо, это прямое падение Vf на выпрямительном диоде
Шоттки на выходе датчика тока. С учётом СТ 1:200, размах тока в первичной обмотке Ipri ~ 0.8v/(39R/4)*200 ~ 16a p-p.

На плате инвертора расположены керамические высоковольтные Y-конденсаторы C9/C10 2n2 10% 2kV. С9 связывает по переменному току начала первичной и вто-
ричной обмоток силового трансформатора PT1 (плюсовые выводы обмоток), а С10 связывает шины возвратного тока rtrn_pri и rtrn_sec первичной и вторичной,
соответственно, частей инвертора. Без этих конденсаторов нормальная работа цифровой части регулятора невозможна.

brdg_brd.PDF

(23.2 КБ) 2 скачивания