Блок питания (инвертор) с адаптивным ограничением тока

Предисловие

Хочу заранее предупредить уважаемых читателей данной статьи о том, что данная статья будет иметь не совсем привычную для читателей форму и содержание. Поясню почему.

Предоставленный Вашему вниманию материал абсолютно эксклюзивен. Все устройства о которых пойдёт речь в моих статьях разрабатываются, макетируются, настраиваются и доводятся до ума лично мной. Чаще всего всё начинается с попытки реализовать на практике какую-нибудь интересную идею. Путь бывает очень тернист , и занимает, порой, довольно длительное время и каков будет конечный результат , и будет ли он вообще – заранее не известно. Но, практика подтверждает – дорогу осилит идущий…, и результаты, порой превосходят все ожидания…А как увлекателен сам процесс – словами не передать.Надо признать,что знаний и умений у меня (как у всех , надо отметить)  хватает не всегда, и мудрые и своевременные советы только приветствуются, и помогают довести задумку до логического конца. Вот такая специфика…

Эта статья адресована не столько начинающим, а скорее к людям уже имеющим необходимые знания и опыт, которым тоже интересно ходить нехожеными тропами, и которым стандартные подходы к решению задач не столь интересны…Важно понять, что это не материал для бездумного повторения, а скорее – направление в котором нужно двигаться…Не обещаю читателям больших подробностей про очевидные, общеизвестные и понятные грамотному в электронике вещи…, но обещаю, что главная СУТЬ будет всегда хорошо освещена.   

Про инвертор

Инвертор, о котором пойдёт речь, появился на свет именно описанным выше образом…К сожалению, я не могу, не нарушая правил публикации данных статей, осветить подробно, как он появился на свет, но уверяю, что схемы двух крайних вариантов инвертора ещё нигде не публиковались…Более того – предпоследний вариант схемы уже практически используется, а крайний (надеюсь – самый совершенный из них), пока лишь на бумаге и ещё не макетировался, но в работоспособности его не сомневаюсь, а изготовление и его проверка займёт всего пару дней…

Знакомство с микросхемой для полу-мостового инвертора IR2153, произвело хорошее впечатление - довольно маленький потребляемый по питанию ток, наличие дид-тайма, встроенный контроль питания…Но у неё два существенных недостатка – отсутствует возможность регулировать длительность импульсов на выходе и довольно маленький ток драйверов…(реально он не озвучен в даташите, но вряд ли он больше чем 250-500 мА…). Необходимо было решить две задачи – придумать, как реализовать регулировку напряжения инвертора, и как увеличить ток драйверов силовых ключей…

Эти задачи удалось решить введением в схему оптических драйверов полевых транзисторов, и дифференцирующих цепей на выходах микросхемы IR2153 (см. Рис.1)

Рис.1     

Пара слов о том , как работает регулировка длительности импульсов. Импульсы с выходов IR2153 поступают на дифференцирующие цепи состоящие из элементов С2, R2, светодиод оптического драйвера, VD3-R4- транзистор оптрона…, и элементов С3,R3,светодиод оптического драйвера, VD4-R5- транзистор оптрона…Элементы дифференцирующих цепей рассчитаны таким образом, что, при закрытом транзисторе оптрона обратной связи, длительность импульсов на выходах оптических драйверов практически равна длительности импульсов на выходах IR2153. При этом , напряжение на выходе инвертора – максимально.

В момент, когда напряжение на выходе инвертора достигает напряжения стабилизации , начинает приоткрывается транзистор оптрона …, это приводит к уменьшению постоянной времени дифференцирующей цепи , и , как следствие, к уменьшению длительности импульсов на выходе оптических драйверов. Это обеспечивает стабилизацию напряжения на выходе инвертора. Диоды VD1,VD2 ликвидируют отрицательный выброс, возникающий при дифференцировании.

Тип оптических драйверов умышленно не озвучиваю. Вот почему – оптический драйвер полевого транзистора , это большая отдельная тема для разговора. Номенклатура их очень велика – десятки …, если не сотни типов …, на любой вкус и цвет. Чтобы понять их назначение и их особенности , необходимо поизучать их самостоятельно.

Представленный инвертор имеет ещё одну важную особенность. Поясню. Так как основное предназначение инвертора – зарядка литиевых ( хотя – можно любых, конечно) аккумуляторов, пришлось принять меры по ограничению тока на выходе инвертора. Дело в том, что если подключить к блоку питания разряженный аккумулятор , ток зарядки может превысить все разумные пределы…Чтобы ограничить ток зарядки на необходимом нам уровне, в цепь управляющего электрода TL431, введён шунт Rш…Как это работает ? Минус заряжаемого аккумулятора подключается не к минусу инвертора , а к верхнему по схеме выводу Rш…При протекании тока через Rш, повышается потенциал на управляющем электроде TL431…, что приводит к уменьшению напряжения на выходе инвертора , и , как следствие , к ограничению тока зарядки. По мере зарядки аккумулятора , напряжение на нём растёт, но вслед за ним, растёт и напряжение на выходе инвертора , стремясь к напряжению стабилизации.Короче - простая , и эффективная до безобразия штуковина. Изменив номинал Rш, легко ограничить ток заряда на любом нужном нам уровне.  Именно поэтому, сам номинал Rш не озвучен…   ( ориентир – 0,1 Ом и ниже…) , его легче подобрать экспериментально.

Предвидя множество поучающих комментариев о «правильности» и «неправильности» принципов зарядки литиевых аккумуляторов , большая просьба – от подобных комментариев воздержаться и поверить на слово,что я более чем в курсе , как это делается…Это большая , отдельная тема …, и в рамках этой статьи она обсуждаться не будет.

Несколько слов о ВАЖНЫХ особенностях настройки сигнальной части инвертора…

Для проверки работоспособности и настройки сигнальной части инвертора необходимо подать +15 Вольт в цепь питания сигнальной части от любого внешнего блока питания и проконтролировать осциллографом наличие импульсов на затворах силовых ключей. Затем , необходимо имитировать срабатывание оптрона обратной связи ( подав напряжение на светодиод оптрона ) и убедиться , что при этом происходит ПОЧТИ полное сужение импульсов на затворах силовых ключей. При этом , удобнее щупы осциллографа подключить не штатно, а иначе – сигнальный провод щупа к одному из затворов силового ключа , а общий провод щупа осциллографа – к затвору другого силового ключа…Это даст возможность видеть импульсы разных полутактов одновременно …( то , что в соседних полутактах мы увидим импульсы противоположной полярности , здесь значение не имеет ).Теперь САМОЕ важное – необходимо убедится ( или добиться ), чтобы при ВКЛЮЧЕННОМ оптроне обратной связи управляющие импульсы НЕ сужались до нуля ( остались минимальной длительности , но не потеряли прямоугольную форму…). Кроме того, важно, подбором резистора R5 ( или R4 ) добиться , чтобы импульсы в соседних полутактах были ОДИНАКОВОЙ длительности…( разница вполне вероятна , из-за разницы характеристик оптических драйверов ). См. Рис.2

Рис.2

После этих хлопот , подключение инвертора к сети 220 Вольт , пройдёт , скорей всего без проблем. Очень желательно при настройке подключить к выходу инвертора небольшую нагрузку ( автомобильную лампочку на 5 Вт )…Из-за ненулевой минимальной длительности управляющих импульсов , без нагрузки , напряжение на выходе инвертора может быть выше напряжения стабилизации . Это не мешает эксплуатации инвертора , но , от этого неприятного момента , надеюсь избавиться в следующем варианте инвертора .

Важное про рисунок печатной платы – она имеет ряд особенностей…

Последние несколько лет использую платы разработанные под аля-планарный монтаж элементов…То есть – все элементы расположены со стороны печатных проводников . Таким образом припаяны ВСЕ элементы схемы …, даже те, которые от рождения не предназначены для планарного монтажа . Это значительно уменьшает трудоёмкость изготовления. Кроме того – плата имеет абсолютно плоскую нижнюю часть и появляется возможность разместить плату непосредственно на радиаторе. Подобная конструкция заметно упрощает процесс замены элементов при настройке и ремонте. Некоторые соединения ( самые неудобные , для разводки печатным способом ) выполняются изолированным монтажным проводом. Это вполне оправданно , так как позволяет значительно уменьшить размеры платы.

Сам рисунок печатной платы (см.Рис.3) , это скорее ОСНОВА для именно Вашей конструкции .Её окончательный рисунок будет необходимо корректировать под используемые именно Вами оптические драйвера . Надо иметь ввиду , что разные оптические драйверы имеют РАЗНЫЕ корпуса , и нумерация и назначение выводов , может отличаться от приведённой на схеме в данной статье. Представленная плата пережила уже штук десять модификаций в отношении сигнальной части. Корректировка сигнальной части, порой очень значительная , отнимает совсем не много времени.

 
Рис.3 

Приводить точный перечень элементов в рамках данной статьи я не планирую. Причина проста – главная цель всей этой возни, сделать полезную вещь с минимальными трудозатратами из максимально доступных элементов. То есть -  собирайте, из того что есть. Кстати – если выходное напряжение инвертора не планируется делать более двадцати вольт , то в качестве выходного трансформатора можно использовать любой трансформатор от компьютерного блока питания ( собранного по полу-мостовой схеме). Фото ниже - общий вид собранного инвертора, чтобы Вы имели представление , как это выглядит ( лучше - один раз увидеть , чем сто раз услышать ). Очень прошу быть снисходительными к качеству сборки, но у меня просто выхода нет - руки всего две... Паяешь текущий вариант, а в голове уже следующий вариант почти созрел... И иначе - никак...- через ступеньку не прыгнешь...

Да, вот про что забыл упомянуть – наверняка возникнут вопросы про мощность инвертора. Отвечу так – максимальную мощность подобного инвертора заочно трудно оценить…, она определяется, в основном, мощностью применяемых силовых элементов, выходного трансформатора и максимальным  пиковым током выхода оптических драйверов . При больших мощностях большое влияние начнут оказывать сама конструкция, демпферные цепи силовых ключей…, понадобится применение синхронных выпрямителей вместо диодов на выходе…Короче – это уже совсем другая история, значительно более сложная в реализации…Что касается описанного инвертора, я использую его для зарядки LiFePO4 аккумулятора с напряжением 21,9 Вольт (ёмкость – 15А/ч) током 7-8 Ампер…Это та грань, где температура радиатора и трансформатора находится в разумных пределах и не требуется принудительного охлаждения…На мой вкус – дёшево и сердито.. 

Более подробно говорить о данном инверторе в рамках данной статьи я не планирую. Всё осветить не возможно (и отнимает такую тучу времени, надо заметить...), так что будет более разумно обсудить возникшие вопросы в отдельной теме на форуме паяльника. Там я выслушаю все пожелания и критические замечания, и отвечу на вопросы.

Не сомневаюсь - очень многим может не понравится подобный подход. А многие уверены, что всё уже придумано до нас... Уверяю - это не так...

Но это не конец истории. Если будет интерес, то можно будет продолжить разговор …, ведь есть ещё один , крайний вариант сигнальной части. …Надеюсь – продолжение следует.

Дополнения от 25.06.2014

Вот так получается и в этот раз - ещё не успели высохнуть чернила в статье, а уже появились очень интересные мысли, как сделать сигнальную часть инвертора более совершенной...

Хочу предупредить, что все рисунки, помеченные подписью "проект" в полностью собранном инверторе НЕ проверялись! Но если, работоспособность отдельных фрагментов схемы была проверена на макете, и их работоспособность подтвердилась, я буду оговаривать особо.

Принцип работы доработанной сигнальной части, по-прежнему основан на дифференцировании импульсов с микросхемы IR2153. Но с точки зрения правильности построения электронных схем, подход здесь более грамотный.

Пара пояснений - собственно дифференцирующие цепи теперь включают в себя C2, R2, R4 и C3, R3, R5 плюс диоды VD1, VD2 и оптрон обратной связи. Диоды, устраняющие отрицательные выбросы возникающие при дифференцировании - исключены..., так как в них нет необходимости - полевые транзисторы допускают подачу напряжения затвор-исток +/-20 Вольт. Продифференцированные импульсы , меняющие свою длительность при воздействии оптрона обратной связи , поступают в затворы транзисторов Т1, Т2, которые включают светодиоды оптических драйверов...

Данная схема проверена на макете. Она показала хорошую работоспособность и большую гибкость в настройке. Настоятельно рекомендую к использованию.

На фото ниже - фрагмент принципиальной схемы с изменённой сигнальной частью и рисунок печатно платы с коррекциями под доработанную сигнальную часть...

Продолжение следует...

Дополнение от 29.06.14

Вот так выглядит крайний вариант сигнальной части инвертора, о котором я упоминал в начале статьи. Наконец, нашёл время сделать его макет и посмотреть в реалии на его работу… Посмотрел…, и таки – да, именно он и будет назначен самым совершенным из предложенных… Схему можно назвать удачной и потому, что все элементы в ней выполняют функции, для которых и предназначены от рождения.

В этом варианте регулятора использован иной, более привычный, способ изменения длительности управляющих. Импульсы с выходов IR2153 преобразуются из прямоугольной, в треугольную форму, интегрирующими цепями R2,C2 и R3,C3. Сформированные треугольные импульсы поступают на инвертирующие входы сдвоенного компаратора LM393. На неинвертирующие входы компараторов поступает напряжение с делителя R4,R5. Компараторы сравнивают текущее значение треугольного напряжения с напряжением с делителя  R4,R5, и в моменты, когда величина треугольного напряжения превышает напряжение с делителя R4,R5, на выходах компараторов возникает низкий потенциал . Это приводит к включению светодиода оптического драйвера… УВЕЛИЧЕНИЕ напряжения с делителя R4,R5 приводит к УМЕНЬШЕНИЮ длительности импульсов на выходах компараторов. Именно это позволят организовать обратную связь выхода инвертора с формирователем длительности импульсов, и обеспечить, тем самым, стабилизацию и управление выходным напряжением инвертора. При срабатывании оптрона обратной связи, транзистор оптрона приоткрывается, напряжение с делителя R4,R5 – увеличивается, что приводит к уменьшению длительности управляющих импульсов…, при этом, выходное напряжение – уменьшается… Величина резистора R6* определяет степень влияния цепи обратной связи на длительность формируемых импульсов… – чем номинал резистора R6* меньше, тем меньше длительность импульсов при срабатывании оптрона обратной связи…  При настройке, изменение номинала резистора R6*, позволяет добиться того, что длительность сформированных импульсов в момент срабатывания оптрона обратной связи будет стремиться (или будет равной – здесь это не страшно) к нулю. Рисунки ниже, помогут понять суть работы компараторов.

Пара слов о важном при настройке. Сама процедура настройки, достаточно проста, но сделать её без осциллографа – даже не пытайтесь... Это равносильно попыткам ехать с завязанными глазами... Особенность (и это, скорее, его достоинство, чем недостаток) в том, что он позволят сформировать импульсы с любым соотношением длительностей в соседних каналах... Нужно понимать, что формирователь может как изменить (ввести или устранить полностью) длительность дид-тайма между импульсами соседних каналов, но даже сформировать их так, что импульсы соседних каналов будут «накладываться» друг на друга..., что, естественно – недопустимо... Ваша задача – контролируя осцилографом импульсы на выходе драйверов, изменяя номинал резистора R4*, выставить на неинвертирующих входах компараторов такое напряжение, при котором на выходах драйверов будут сформированы импульсы, разделённые дид-таймом 1-2 мкС (чем дид-тайм шире – тем риск сквозных токов – меньше).

Затем, необходимо включить оптрон обратной связи, и, изменяя величину резистора R6*, выбрать его таким, при котором длительность формируемых уменьшится до нуля. Во время этой процедуры, будет не вредно проконтролировать МОМЕНТ ИСЧЕЗНОВЕНИЯ формируемых импульсов. Очень желательно, чтобы полное исчезновение формируемых импульсов происходило ОДНОВРЕМЕННО... Неодновременное исчезновение возможно, если сильно различны параметры интеграторов R2,C2 и R3,C3. Это можно вылечить небольшим изменением номиналов элементов одного из интеграторов. Я сделал это практически. Для удобства, временно, вместо цепи транзистор оптрона-R6*,  подключил потенциометр на 20 Ком, и выставил длительность импульсов на грани исчезновения. Разница в длительности сформированных импульсов, оказалась ничтожной… Но и её я устранил, уставив добавочной конденсатор (всего 30 пФ), параллельно конденсатору С3.

Пара слов об особенностях работы оптических драйверов... При настройке выяснилось,что оптические драйвера лучше работают при большем токе светодиодов .Причём, есть ещё один важный ньюанс – светодиод оптродрайвера потребляет больший ток не в течение всей длительности импульса , а лишь в достаточно короткие периоды (1-2мкС), совпадающие по времени с положениями фронтов импульсов. Это важно, так как позволяет понять, что средний ток потребляемый светодиодом оптодрайвера реально совсем не высок.Этими соображниями обусловлен выбор номинала резистора R7. Реально измеренный ПИКОВЫЙ ток светодиода оптодрайвера, при указанном на схеме номинале составляет 8-10 мА.

В схему добавлен диод (VD5) в цепи в цепи питания нижнего драйвера. Поясню зачем. Применяемые мной оптодрайвера, имеют встроенною систему контроля питания. В связи с тем, что в цепи питания верхнего драйвера всегда используется диод, напряжение питания верхнего драйвера всегда оказывается чуть ниже напряжения питания нижнего драйвера. Поэтому, при снижении напряжения питания, импульсы с выхода верхнего драйвера исчезают чуть раньше, чем  нижнего. Чтобы сблизить моменты отключения драйверов и введён диод VD5.На эти моменты всегда следует обращать пристальное внимание…

Здесь же, самое время заметить, что данный формирователь можно использовать (после небольшого изменения логики работы компаратора) вместе с обычными (не оптическими) драйверами полу-мостов. Кто не понял о чём речь, посмотрите, к примеру, что такое IR2113.  Подобных – тьма …, и их применение может оказаться даже более предпочтительным, чем оптических…  Но это тема для  следующего дополнения к статье…Не обещаю, что проверю на практике их работу, но хотя бы на уровне принципиальных схем нескольких вариантов – нет проблем….

Вот так – буков много – но реально настройка сводится к подбору двух резисторов.   Хочу особо отметить, что данный формирователь НЕ критичен к своему питанию – в диапазоне питания микросхемы IR2153 (9-15 Вольт), он работает абсолютно адекватно. Исчезновение импульсов с выходов IR2153 при снижении её питания (в момент выключения блока), приводит к закрытию силовых ключей.

Ещё пара советов – не стоит пытаться заменить IR2153 неким аналогом на дискретных элементах – это не продуктивно… Реально, это возможно, но просто не разумно – количество деталей вырастет в разы (в оригинале – их всего три…, куда уж меньше). Кроме того, придётся решать вопросы, по поведению аналога при включении и выключении (а они будут однозначно). Борьба с этим ещё более усложнит схему, и смысл этой затеи сведётся  на   нет…

Для тех, кому данная тема интересна, прилагаю для удобства откорректированные под данный формирователь рисунки печатных плат. Среди них – собственно формирователь в виде субмодуля... – с них удобнее начать первое знакомство. ОСОБО подчеркну – если решите попробовать настроить формирователь автономно (не подключая силовые ключи), помните, что при настройке необходимо соединить «виртуальный» общий верхнего драйвера, с реальным общим проводом ( иначе – у верхнего драйвера будет отсутствовать питание).

Хотя дальнейшее изменения инвертора я не планировал, но надо заметить, что наличие всего одной цепи регулировки длительности, позволят легко ввести в него любые защиты по току. Это, отдельная интересная тема, и мы, возможно,  вернёмся к ней позже…

В заключение данного дополнения напомню – от рождения, основное назначение инвертора – зарядка литиевых аккумуляторов. Особыми, очень важными свойствами, его наделяет применение в схеме Rш…Кто не осознал его назначение, рекомендую вникнуть ещё раз в тот раздел статьи, в котором о нём идёт речь.

Если не использовать Rш (перемкнуть) – будем иметь обычный инвертор со стабилизацией напряжения (но, без всякой защиты по току, естественно…).  

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Блок питания
• Инвертор
• Литий-ионный аккумулятор