Skocz do zawartości

Przetwornica oparta o LT3580, dobór elementów i ocena schematu.


RobertG

Pomocna odpowiedź

Chciałbym zaprojektować przetwornicę małej mocy, z 12V na 1100V,  będzie ona używana do zasilania lampy fotopowielacza, więc pobierana moc będzie bardzo mała. Znalazłem fajny dokument z designem, na którym się bazuję: https://arxiv.org/pdf/1606.00649.pdf na jego podstawie powstał mój schemat poniżej, co do którego mam kilka pytań, nie znam się na przetwornicach, więc może mądrych, może nie, ale to co mogłem ogarnąłem samemu 🙂

Na schemacie widać : 
1. przetwornicę LT3580 ( https://www.tme.eu/Document/68ac11f4f26b33b9606fcb99dec7a7aa/LT3580IMS8EPBF.pdf ), 
2. Kilka stopni mnożnika napięcia opartego o mnożnik Cockcroft–Walton (te diody u góry),
3. Dzielnika napięcia wyjściowego (ten tasiemiec rezystorów po prawej), który poprzez wzmacniacz operacyjny (działający jako bufor) podaje info o napięciu wyjściowym do pinu feedback przetwornicy.
4. Dodatkowego wzmacniacza też działającego jako bufor, by info o napięciu wyjściowym wysłać do płytki kontrolującej
5. Rezystora mierzącego pobierany prąd (to info też idzie do płytki kontrolującej)
6. Układu włączającego/wyłączającego przetwornicę (to też jest sterowane przez płytkę kontrolującą)
7. Termistora (to też jest sterowane przez płytkę kontrolującą).

circuit_14_11_2020.thumb.png.f62a9f507b8442ce816483deb9975984.png

Moje pytania:

1. Jak oszacować, jaki prąd będzie pobierała przetwornica? Myślę tak, napięcie wyjściowe=1100V, pobierany prąd wyjściowy=10uA, to po przemnożeniu daje 12mW. Jak oszacować sprawność w procentach przetwornicy? Strzelając, że to będzie jakieś 70%, przetwornica będzie więc pobierać 12mW/70% = 17mW, tak?

2. Czy wybrałem dobre wzmacniacze operacyjne? Link do datasheetu MCP6V51: https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/MCP6V51-Data-Sheet-DS20006136A.pdf
Szukałem czegoś z unity gain, rail to rail input/output, małym input bias i żeby 12V zasilania to nie było dla niego za dużo.

3. Jak określić clearance na PCB między komponentami, na których panuje wysokie napięcie? Tu znalazłem normę IPC-2221A (link http://www-eng.lbl.gov/~shuman/NEXT/CURRENT_DESIGN/TP/MATERIALS/IPC-2221A(L).pdf#page=52&zoom=100,0,0 ) 
jest to określone na stronie 43, nie rozumiem, co oznaczają te kolumny B1..AZ. Urządzenie będzie używane domowo, więc zakładam, że tyczy się go kolumna B2?

4. Chciałbym zdalnie móc zmienić napięcie wyjściowe w granicach 1000V-1200V, mój pomysł jest taki, żeby U1 pracował jako sumator napięć i żeby sumował napięcie z dzielnika z napięciem podawanym z płytki kontrolnej. Czy to dobry pomysł?

5. W datasheecie mowa jest o kalkulowaniu parametrów cewki, ale u mnie jest transformator, więc którą indukcyjność powinienem wziąć? Uzwojenia wtórnego, pierwotnego, połączyć je jakoś?

Z góry dzięki za odpowiedzi.

 

Edytowano przez RobertG
Link do komentarza
Share on other sites

Ech, ktoś musi, ale ponieważ nie piszesz w dziale "Początkujący", nie będę owijał w bawełnę. Nie rozumiesz działania przetwornicy boost - to w zasadzie wystarczy za komentarz. Cały układ nie zadziała i wszelkie pozostałe Twoje pytania są w tym kontekście zbędne. Jak rozumiem zrobiłeś układ w dobrej wierze znajdując gdzieś jakieś bloki i łącząc je trochę na pałę w nadziei, że może zadziała - doskonały przykład projektowania bez zrozumienia. Jeśli chciałbyś wiedzieć dlaczego Twój pomysł nie ma szans, to pokrótce:

Pomijając pojemnościowe pompy ładunkowe i skupiając się tylko na układach z indukcyjnością przetwornice DCDC dzielą się na takie co magazynują energię w rdzeniu dławika i na transformatorowe. Mimo wielości topologii te pierwsze poznać bardzo łatwo: na wyjściu mają diodę. Ten niepozorny element sprawia, że obciążenie dostaje energię tylko w jednej fazie działania. Druga (a w zasadzie pierwsza licząc w kolejności czasowej) jest przeznaczona do wpompowania energii do rdzenia. Do tego służy jakiś układ sterowania i klucz tranzystorowy, które wtedy muszą traktować cewkę jak swoją. Dlatego schemat przetwornicy (buck, boost, flyback i wielu innych) nie kończy się na cewce a obejmuje zasięgiem także diode i kondensatory wyjściowy. Dopiero to wszystko razem działa. Fakt do zapamiętania: obciążenie dostaje paczki energii tylko w jednej fazie cyklu pracy - nie twierdzę, że dokładnie w połowie - to może być 10 a może 90% całego okresu.

Zupełnie inaczej jest w przetwornicach transformatorowych. I tu kolejna (wydaje mi się) poważna dziura w wiedzy: transformator nie jest tylko cewką uzwojenia pierwotnego czy wtórnego. Staraj się traktować ten element jak.. hm, obiektyw aparatu fotograficznego? Dokonuje pewnej zamiany napięcia, prądu, impedancji widzianej (podłączonej) po jednej stronie na drugą stronę. Natomiast sam z siebie w zasadzie nie istnieje. Obiektyw tylko załamuje promienie, ale nie powinien ich np. tłumić. Duży obraz zamienia na mały (i odwrotnie, całkowicie symetrycznie) i tylko od tego co pokażesz po jednej stronie wynika to co zobaczysz po drugiej. Oczywiście w rzeczywistości transformatory (tak jak obiektywy) nie są tak idealne (mają pojemności pasożytnicze, indukcyjność rozproszenia itp itd), ale w zabawie dla początkujących możesz tak zakładać. W takiej przetwornicy rdzeń służy jedynie do bardzo ścisłego (najlepiej 100%) związania strumienia generowanego przez stronę pierwotną i przepchnięcia go przez uzwojenie strony wtórnej. Nie gromadzisz nigdzie energii, ona natychmiast przepływa z jednej strony na drugą i nie zostaje w rdzeniu. Inaczej mówiąc po stronie pierwotnej widzisz impedancję tego co podłączyłeś po stronie wtórnej, "przemieloną" przez przekładnię (w tym wypadku w kwadracie) transformatora. Taka przetwornica może pompować energię przez transformator cały czas więc zwykle ma dwie identyczne połówki cyklu w których przepuszcza prąd raz w jedną a raz w drugą stronę uzwojenia pierwotnego. Na wyjściu ma wtedy rzecz jasna prostownik pełnookresowy - bo może i musi go mieć. Najlpeszym przykładem jest tu zwykły zasilacz 50Hz albo topologia bridge.

Jak to się ma do Twojego pomysłu? Otóż wziąłeś przetwornicę pompującą energię w rdzeń (boost) i podłączyłeś do niej obciążenie (powielacz) wymagające jednakowego przepływu prądu w obie strony. To nie zadziała. A transformator nie jest tu niczemu winny, choć to przez niego pompa energii (scalak, główny klucz i jego sterowanie) widzą dwukierunkowe obciążenie jak na dłoni.

Jak to poprawić? Na Twoim miejscu, gdym miał chwilę czasu poczytałbym generalnie o topologiach przetwornic i je zrozumiał. To daje naprawdę sporo wiedzy i wyczucia co się daje zrobić, a co nie. A jeśli chcesz dostać jakiś skrót, to masz ode mnie dwa kierunki:

Próbować kontynuować to w topolgii step-up. Choć przejście 12-1200V wydaje się spore, to jednak nie-niemożliwe. Problemów jest jednak wiele: klucz (tranzystor) musi wytrzymywać pełne napięcie wyjściowe wiec musisz użyć elementu dyskretnego no i będziesz pracował na wypełnieniach >99%. 

Wziąć na warsztat flyback. Na pierwszy rzut oka to układ z transformatorem, ale widząc tylko jedną diodę na wyjściu już wiesz, że to typowa przetwornica "asymetryczna", przekazująca energię przez pompowanie rdzenia i "transformatorem" ten element jest tylko z wyglądu na schemacie. Działa to akurat bardzo podobnie do boost: w pierwszej fazie załączasz klucz i ładujesz rdzeń (taki specjalny, ze szczeliną - gdzieś ta energia musi się pomieścić) a dioda wyjściowa jest zablokowana bo "widzi" minus na anodzie. Wtedy obciążenie pobiera energię wyłącznie z kondensatora wyjściowego. W drugiej fazie klucz wyłączasz, prąd pierwotny zanika natychmiast (co jest istotną różnicą w stosunku do buck lub boost) a energia z rdzenia rozładowuje się przez uzwojenie wtórne, gdzie napięcie jest podwyższane dzięki przekładni. Kondensator wyjściowy ładuje się wtedy przez otwartą diodę (plus na anodzie) i wyjście dostaje kolejną "paczkę" energii. Dopóki nie przekroczysz 50% wypełnienia flyback jest bardzo stabilny. Nie potrzebujesz żadnego powielania a jedynie nawinięcia dwóch uzwojeń 1:100. Co więcej, ponieważ układ jest trywialny w sterowaniu, możesz się oprzeć na regulacji tzw. burst: jakaś płytka sterująca (i tak coś tam ma być) mierzy napięcie i gdy spadnie ono poniżej wartości minimalnej, doprowadzasz do bramki tranzystora jeden lub więcej impulsów - zawsze o tej samej długości (policzysz sobie ile trzeba czasu by przy zadanej indukcyjności i napięciu zasilania nie nasycić rdzenia) i okresie powtarzania. Taka paczka (tak jak jeden impuls) przesyła na wyjście określoną ilość energii więc napięcie wyjściowe podskakuje zawsze o tyle samo. I znów czekasz aż spadnie. Taki schemat jest z definicji stabilny i wymaga tylko wyjścia timera procesora. Żadnych scalaków, tajemniczych przetwornic Lineara itp.

Czy to jakoś rozjaśnia?

Link do komentarza
Share on other sites

(edytowany)
24 minuty temu, marek1707 napisał:

Ech, ktoś musi, ale ponieważ nie piszesz w dziale "Początkujący", nie będę owijał w bawełnę. Nie rozumiesz działania przetwornicy boost - to w zasadzie wystarczy za komentarz. [...] doskonały przykład projektowania bez zrozumienia.

Dział "Sprawdzanie schematów" jest poddziałem "Początkujący", a o tym, że na przetwornicach się nie znam, napisałem w pierwszym akapicie. Mógłbyś być milszy czasami 🙂
 

24 minuty temu, marek1707 napisał:

Jak to się ma do Twojego pomysłu? Otóż wziąłeś przetwornicę pompującą energię w rdzeń (boost) i podłączyłeś do niej obciążenie (powielacz) wymagające jednakowego przepływu prądu w obie strony. To nie zadziała.

Podałem link do schematu na którym bazowałem ( https://arxiv.org/pdf/1606.00649.pdf ) i idea jest 1:1 taka sama, autorzy piszą, że zadziała i że działa wyśmienicie, a są to pracownicy naukowi chińskich uniwersytetów. Według Ciebie urządzenie z linku też nie zadziała?

Edytowano przez RobertG
Link do komentarza
Share on other sites

Paru studenciaków z chin robiło detektor czastek i pewnie na tym się znają. Elektronika tam zabrakło, sklecili jak umieli i tyle. Jeśli im to zadziałało, to mieli sporego farta. Nie zadali sobie trudu by cokolwiek pomierzyć, impedancja powielacza (widziana przez transformator) w fazie pompowania rdzenia widocznie była na tyle duża, że pozwoliła na narośnięcie prądu i jakieś ułomne zakończenie cyklu przez kontroler. A dokładniej: nie działało to wcale i dlatego spróbowali, pewnie już po zrobieniu płytek, uratować układ przez dodanie kondensatora (swoją drogą u Ciebie go zabrakło), który - jak piszą "wraz z pierwotnym uzwojeniem transformatora (bzdura - coś takiego nie istnieje osobno, przypis mój) tworzy układ rezonansowy na częstotliwości bliskiej przełączaniu, przez co transformator dostaje wyższe napięcie.. itd". Słyszałeś kiedyś podobny bełkot? Podtrzymuję zdanie, że jest to kompletna amatorka, układ zrobiony bez zrozumienia zasad i działający przy sporym udziale szczęścia. Rozumiem, nie musisz wierzyć przypadkowym osobom z internetu, ale może nie wiem, zapytaj jakiegoś znajomego co rozumie a najlepiej także projektuje tego typu układy zasilania? Pokazałem Ci jak to się robi zgodnie ze sztuką, zdecyduj sam.

A w ścieżce "Strona główna -> Elektronika i programowanie -> Elektronika -> Sprawdzanie schematów " nie widzę nigdzie słowa "Początkujący". Trochę Ci współczuję, bo się napaliłeś i narobiłeś na bezdurno, ale gdybym ja miał zaprojektować sobie skrzypce to pewnie też bym wylądował z ręką w takim nocniku.. Plus jest taki, że jeszcze niczego nie zbudowałeś, a na etapie schematów zmiany w projekcie wciąż są tanie 🙂 No i paru ludzi dowie się jak tego nie robić.

EDIT: Pomijam fakt, że osoba która rysowała sam schemat nie miała pojęcia o tym co to w ogóle jest. Odejście wysokiego napięcia jest wzięte od czapy z powielacza, akurat z miejsca gdzie tętnienia będą ogromne, na samym (tym poprawnym choć niewykorzystanym) wyjściu brakuje pojemności "zbierającej" napięcie wyjściowe a Ty zrobiłeś dokładnie to samo. Dalej: wzmacniacz współpracujący z dzielnikiem wysokoomowym jest odwracający a dalej jest już tylko wtórnik. Z braku czasu pewnie jeden z autorów w ostatnią noc coś zmalował w Paincie przypominając sobie co tam właściwie zrobili i poszło do druku. Jak w tym kontekście można te obrazki traktować poważnie?

Edytowano przez marek1707
Link do komentarza
Share on other sites

Zarejestruj się lub zaloguj, aby ukryć tę reklamę.
Zarejestruj się lub zaloguj, aby ukryć tę reklamę.

jlcpcb.jpg

jlcpcb.jpg

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

20 minut temu, marek1707 napisał:

Dalej: wzmacniacz współpracujący z dzielnikiem wysokoomowym jest odwracający a dalej jest już tylko wtórnik.

To akurat u mnie jest ok, bo u mnie tego wzmacniacza nie ma.

Dzięki za wszystkie informację, cóż widzę, że muszę zacząć od nowa.

 

 

Link do komentarza
Share on other sites

Chyba, że ich PMT wymagał napięć ujemnych dla dynod. Wtedy powielacz jest podłączony dobrze, daje kolejno wzrastające napięcia ujemne a wzmacniacz musi być odwracający. No ale wtedy u Ciebie jest źle. Co nie zmienia faktu, że napędzanie tego z układu boost jest bzdurą. Jeśli tylko jesteś w stanie nawinąć na jakimś rdzeniu ferrytowym ze szczeliną trafo 1:100 to zapomnij o powielaczach diodowych, zrób flyback z jedną diodą i dzielnikiem rezystorowym (i tak musisz tę drabinkę rezystorów tam mieć do pomiaru) i popychaj go wprost z procesora. A jeśli bardzo przywiązałeś się do idei powielacza, to nawiń troszkę inaczej (jeszcze jedno identyczne uzwojenie pierwotne, dużo mniej na wtórnym, np. 1:10 na rdzeniu bez szczeliny) i zrób prosty bridge.

  • Lubię! 1
  • Pomogłeś! 1
Link do komentarza
Share on other sites

(edytowany)

Trochę poczytałem i wiele rzeczy się rozjaśniło, zdecydowałem się na flyback i zacząłem wyliczać wartości elementów. Chciałbym teraz by urządzenie było zasilane z 5V, nie z 12V.

Znalazłem tutoriale, jak to się liczy i coś jest chyba nie tak, bo o ile uzwojenie pierwotne wychodzi mi 28uH, to wtórne to 130H🙄 W tutorialach nie liczą wtórnego. Policzyłem uzwojenie pierwotne, zaś wartości wtórnego wziąłem ze wzoru Np/Ns = sqrt(Lp/Ls), gdzie Ns, Np, stosunki liczby zwojów, a L to indukcyjności. Myślę, że liczę dobrze ale wyniki są za duże.

Znalazłem tez wzór na minimalną ilość zwojów po stronie pierwotnej (http://www.g4jnt.com/HV_SMPSU.pdf - strona 3, na samym dole), i policzyłem (dla takiego rdzenia: https://www.tdk-electronics.tdk.com/inf/80/db/fer/rm_8.pdf ), wychodzi 25, więc wtórne powinno mieć 5500, nawijanie tego zajęłoby sporo czasu..

Nie jest też dla mnie jasne, jaki wybrać przekrój drutu dla pierwotnego (dla wtórnego też, ale tego nie szukałem na razie) uzwojenia, znalazłem taką tabelkę: https://www.powerstream.com/Wire_Size.htm - myślę, że trzeba wybrać taki, który w tabelce "Maximum amps for power transmission" ma większą wartość, niż mój policzony prąd szczytowy dla strony pierwotnej. Tak?

Tu jest mój skrypt z danymi wejściowymi i kalkulacjami (to jest Matlab/Octave), to, co mnie zastanawia, to czy dobrze liczę primary_turns_min i l_secondary.

 

%% Input parameters


v_in = 5; % input voltage
v_out = 1.1e3; % output voltage
i_out = 10e-5; % output current
v_divider = 2.5; % output voltage of the fedback voltage divider
r_divider_top = 50e6; % upper resistor value in the fedback voltage divider
f_osc = 1e4; % frequency of oscilator




%% Total power consumption
pmt_power = i_out * v_out;
efficiency = 0.7; %% assumed value for flyback topology 
total_power_consumption = pmt_power / efficiency;

%% np/ns is transformer turn ratio
n_p = 1;
n_s = v_out / v_in;

%% Output voltage seen by the primary side
v_prim = v_out * (n_p / n_s);

%% Duty cycle
d_c = v_prim / (v_prim + v_in);

%% Peak current flowing in primary transformer winding
i_peak_secondary = (2 * i_out) / (1 - d_c);

%% Peak current flowing in primary transformer winding
i_peak_primary = i_peak_secondary * (n_s / n_p);

%% Time when the switching transistor is on
t_on = d_c / f_osc;

%% Inductance of the primary transformer winding
l_primary = v_in * t_on / i_peak_primary;

%% Inductance of the secondary transformer winding
l_secondary= ((n_s)^2) * l_primary;

%% Minimum Gdrain-sourceS voltage of the switching transistor
mosfet_drain_source_min = v_prim + v_in;

%% Minimum turns on primary side to avoid transformer saturation
max_flux_density = 0.15; % value in teslas, constant
cross_section_in_mm2 =  64.9; % Ae from https://www.tdk-electronics.tdk.com/inf/80/db/fer/rm_8.pdf
cross_section_in_m2 = cross_section_in_mm2 * 1e-6;
primary_turns_min = (v_in * t_on) / (cross_section_in_m2 * max_flux_density);

%% Bottom resistor value of the fedback voltage divider
r_divider_bottom = r_divider_top * (1 / ((v_out / v_divider) - 1));

%% Show results
printf("-------- %s --------\n", strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S", localtime(time())))

printf("\n-------- Input parameters:\n");
printf("v_in: %.3f V\n", v_in);
printf("v_out: %.3e V\n", v_out);
printf("i_out: %.3e A\n", i_out);
printf("efficiency: %.3e\n", efficiency);
printf("f_osc: %.3e\n", f_osc);
printf("v_divider: %.3e V\n", v_divider);
printf("r_divider_top: %.3e Ohm\n", r_divider_top);

printf("\n-------- Calculated parameters:\n");
printf("total_power_consumption: %.3e W\n", total_power_consumption);
printf("r_divider_bottom: %.3e Ohm\n", r_divider_bottom);
printf("n_p / n_s = %.3e / %.3e\n", n_p, n_s);
printf("d_c: %.3e\n", d_c);
printf("i_peak_secondary: %.3e A\n", i_peak_secondary);
printf("i_peak_primary: %.3e A\n", i_peak_primary);
printf("t_on: %.3e s\n", t_on);
printf("l_primary: %.3e H\n", l_primary);
printf("l_secondary: %.3e H\n", l_secondary);
printf("mosfet_drain_source_min: %.3e V\n", mosfet_drain_source_min);
printf("primary_turns_min: %.3e\n", primary_turns_min);

printf("-------------------------------------\n\n");

@marek1707 będę wdzięczny za pomoc.

 

Edit: wyniki:

-------- 2020-11-16 17:38:57 --------

-------- Input parameters:
v_in: 5.000 V
v_out: 1.100e+03 V
i_out: 1.000e-04 A
efficiency: 7.000e-01
f_osc: 1.000e+04
v_divider: 2.500e+00 V
r_divider_top: 5.000e+07 Ohm

-------- Calculated parameters:
total_power_consumption: 1.571e-01 W
r_divider_bottom: 1.139e+05 Ohm
n_p / n_s = 1.000e+00 / 2.200e+02
d_c: 5.000e-01
i_peak_secondary: 4.000e-04 A
i_peak_primary: 8.800e-02 A
t_on: 5.000e-05 s
l_primary: 2.841e-03 H
l_secondary: 1.375e+02 H
mosfet_drain_source_min: 1.000e+01 V
primary_turns_min: 2.568e+01
-------------------------------------

 

Edytowano przez RobertG
Link do komentarza
Share on other sites

Hm, jakoś nie bardzo chce mi się wnikać w Twoje obliczenia, miałem ciężki dzień, przepraszam. Za to mogę pokrótce opisać jak ja to robię szacując tego typu układzik. Powiedzmy, że na początku wyobrażam sobie sterowanie. Tym razem niech będzie to mały procesorek z wyjściem PWM - np. ATmega 8MHz z timerem puszczonym bez wstępnego podziału i 8-bitowym PWM. Dostajemy zatem ok 30kHz. Żeby pracować z wypełnieniem mniejszym niż 50%, czyli w trybie DCM gdzie energia wpompowana do rdzenia w fazie aktywnej cyklu, w drugiej fazie całkowicie się rozładowuje na wyjście i prąd "pierwotny" spada do zera, musimy zapewnić, by faza "ładowania" była krótsza niż połowa okresu, czyli <16us. Nasz PWM powinien zatem generować impulsy od zera do tych 16us, ale nie dłuższe. Gdy flyback wchodzi do trybu CCM staje się trudny do opanowania (na pewno o tym czytałeś, powstaje tzw. RHPZ), a nie chcemy liczyć i pisać skomplikowanego filtra cyfrowego w pętli sprzężenia zwrotnego regulacji napięcia. Niech będzie, że od strony wyjścia potrzebuję 1200V/100uA, czyli 0.12W. To przy częstotliwości 30kHz daje nam energię 4uJ na jeden impuls pracy przetwornicy. Na wejściu musimy zatem wpompować co najmniej tyle w rdzeń. Przy 5V i czasie max. 16us zrobimy to za pomocą cewki ok. 700uH. Jeśli taką indukcyjność podłączymy na 16us do napięcia 5V to zgromadzi się w niej (w polu uwięzionym w rdzeniu rzecz jasna) jakieś 4.5uJ co powinno pokryć straty. To jest nasze górne ograniczenie na indukcyjność uzw. pierwotnego przy tym zasilaniu i tej częstotliwości. Przy liczeniu prądu trzeba pamiętać, że cewka to szeregowy obwód RL i ma swoją niezerową rezystancję więc prąd nie rośnie liniowo z czasem. Ponieważ jednak nie chcemy pracować "na oparach" przy granicy magicznego wypełnienia 50% a także dlatego, że w zasadzie nie ma dolnego ograniczenia indukcyjności, to zakładamy cewkę powiedzmy 100uH. To pozwoli na pracę przy mniejszym wypełnieniu (więcej czasu w okresie na rozładowanie się rdzenia) i da zapas na podciągnięcie mocy gdyby coś tam obciążyło wyjście. No a skoro trzeba zrobić uzwojenie 100uH to musimy obejrzeć rdzeń. Nie wiem który model Ty brałeś pod uwagę, no ale powiedzmy, że kupujemy ten z otworem na śrubkę i szczeliną 0.1mm. Ma AL=630 a przekrój taki jak reszta, czyli 52mm2. Dla takich parametrów indukcyjność 100uH dostajesz dla ok. 12 zwojów. Tyle zatem musisz nawinąć na pierwotnym. Ponieważ optymalna przekładnia wynika wprost ze stosunku napięć, na wtórnym musisz zmieścić prawie 2900 zwojów. Moim zdaniem porażką jest decyzja o zejściu z 12 do 5V na wejściu. Drut grzeje się od RMS prądu a nie od wartości szczytowej, ale tutaj żadna z tych wartości nie będzie powalająca. Na pierwotnym dostaniesz zaledwie jakieś 67mA/RMS ale trzeba pamiętać, że przy dużych częstotliwościach prąd płynie cienką warstwą więc przekroje podawane dla energetyki 50Hz są nic nie warte w układach impulsowych. Tutaj można przyjąć częstotliwość powiedzmy 100kHz (to zaledwie 3 harmoniczna założonych podstawowych 30kHz) a ze wzoru na głębkość przewodzącego "naskórka" w miedzi dostajemy jakieś 0.21mm. Nia ma zatem sensu używać tutaj drutu grubszego niż fi 0.5mm i tym spokojnie możesz nawinąć pierwotne. Na wtórnym przy takiej mocy i przekładni problem nie istnieje w ogóle. Nawijasz czym masz najcieńszym licząc wcześniej ile to warstw wyjdzie i każdą izolując od poprzedniej jakąś taśmą. Oczywiście możesz liczbę zwojów wtórnego znacznie zmniejszyć - to w zasadzie, dopóki masz jedno uzwojenie wtórne, nie ma wpływu na nic oprócz sprawności. To nie jest transformator w potocznym rozumieniu tego słowa, ale to już pewnie rozumiesz. Indukcyjność uzwojenia wtórnego jest w stanie wygenerować dowolnie duże napięcie. Jedyny kłopot jest taki, że mała jej wartość (mała przekładnia i stosunkowo mało zwojów na wtórnym) wyładuje tę samą energię w postaci wyższej, ale krótszej szpilki prądu. To daje wyższy RMS, większe straty, większe tętnienia na wyjściu (wyższe wymagania na ESR kondensatora filtra) i większe zakłócenia EMI. Jeśli nawiniesz nawet i 1000 zwojów to i tak będzie działało i wcale niedużo gorzej, chyba, że użyjesz drutu grubo poniżej 0.1, to wtedy straty na jego rezystancji mogą już być bolesne. No ale wszystko do policzenia. Nawijając pamiętaj, że pierwotne na samym początku, potem izolacja a potem wtórne ładnie i równo, bo cały czas masz na uwadze indukcyjność rozproszenia (tę widoczną po zwarciu przeciwnego uzwojenia - powinna być zerowa). Im ona większa, tym flyback bardziej "kopie" w tranzystor klucza. Tak czy tak, na pewno jakiś układ gaszący w drenie zapodać trzeba, szczególnie gdy transformator nawijasz ręcznie i jest to Twój pierwszy (dla wroga?). Przy tego typu pracach w zasadzie konieczny jest miernik indukcyjności - choćby do weryfikacji rdzenia, uzwojeń albo prostego testu jakości, czyli pomiaru właśnie indukcyjności rozproszenia. No i sonda prądowa gdy już zdecydujesz się wreszcie podłączyć zasilanie..

O flyback'ach jest sporo literatury, na pewno wiele już znalazłeś skoro sam liczysz. Układ jest prosty, szczególnie w DCM bo rzeczy dzieją się osobo: raz lewa a raz prawa strona 🙂 

https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN-4140.pdf.pdf

https://www.fujielectric.com/products/semiconductor/model/power_supply/technical/box/pdf/Fly-Back_transformer_Design_Rev_1_0_E.pdf

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/tech-articles/1000-V-Output-No-Opto-Isolated-Flyback-Converter.pdf

https://www.ti.com/lit/ml/slup127/slup127.pdf

https://www.mouser.com/pdfDocs/Doc1500_ForwardvsFlyback.pdf

Ponieważ w zasadzie każdy układ boost można przekształcić na flyback, to wiele scalaków podwyższających ma swoich datasheetach przykłady takiego zastosowania. To też może być źródło fajnych przykładów. Oczywiście jest też parę rozwiązań dedykowanych do flybacków, bo jest też parę "myków", których klasyczny chip step-up nie zna i nie wykorzysta. Generalnie jest tu dużo swobody i być może stąd też biorą się trudności na początku: nie bardzo wiadomo jak powinien wyglądać "szkolny" proces projektowania a co dokument to inne podejście. Chyba najlepiej zrobić kilka przetwornic tego typu, pomierzyć, poprawić, poeksperymentować i nabrać wyczucia. Złą wiadomością jest fakt, że niektóre czynniki nie wpływają wprost na oczywiste parametry, a na te drugoplanowe jak sprawność czy poziom zakłóceń. No i naprawdę warto, szczególnie przy większych mocach (a dla flyback'a to już i 5W może być sporo a 50W to raczej górna granica sensowności) zamawiać transformatory u tych co to umieją robić. Myślę tu o sposobach nawijania, zalewania, ekranowania itp. To naprawdę pomaga i jeśli chce się coś produkować i spełniać jakieś normy np. emitownych zakłóceń, to bez tego od razu można się poddać. 

A do szybkiej ewaluacji własnych pomysłów polecam jak zwykle narzędzie Texasa:

https://www.ti.com/tool/POWERSTAGE-DESIGNER

  • Lubię! 1
  • Pomogłeś! 1
Link do komentarza
Share on other sites

(edytowany)

Trochę doczytałem o tym całym flyback i jak to się wszystko liczy, i tak powstała obecna wersja (widać niżej), myślę, że jest ok, choć trochę martwi mnie, że z tego co znalazłem, dokładność napięcia wyjściowego powinna być na poziomie co najmniej 1%, bo od niego silnie zależy amplituda impulsów z PMT.

flyback.thumb.png.a983bb3491b491eeb30716981d00777e.png

Zrobiłem też taki szkic jak elementy by były umieszczone na PCB, ta szara puszka to obudowa EMI (taka z wieczkiem), pomysł mam taki, by generator wysokiego napięcia, a także akwizycja danych (część analogowa, mikroprocesor) były na jednej PCB, jeśli przetwornica będzie powodować za dużo zakłóceń to  zamontuję ją na osobnej płytce i zamknę w metalowa obudowę. Wciąż będzie to jednak tylko jeden model płytki, więc zapłacę w płytkarni tylko raz (Chińczycy robią 10 sztuk PCB przy zleceniu). 

render.thumb.png.3ba2f26043d1e82696fa95ce6fab7465.png

Poszukałem też, jak zbiera się dane z PMT i właściwie po to piszę ten post, nie wiem, czy idę w dobrym kierunku. Zrobiłem symulację i wygląda, że byłoby ok (przez ok mam na myśli, że impulsy przypominają krzywą Gaussa, i są w rozsądnej amplitudzie i długości dla ADC). To jest wzmacniacz ładunkowy (charge amplifier), pole – zero network (R4, C3, chodzi o to, by impuls miał kształt "szpilki", bez niego po "szpilce" powstaje taki "garb" o odwrotnej polaryzacji), układu różniczkującego, czterech układów całkujących. Na wyjściu powinno być coś co by przypominało krzywą Gaussa i na symulacji rzeczywiście wychodzi.

Można też użyć bardzo szybkiego ADC+FPGA i pominąć wszystko, prócz pierwszego wzmacniacza, ale uznałem, że to zbyt drogie i trudne. Zamiast filtrów RC można użyć linii opóźniających, ale to też wydaje mi się trudniejsze, więc wybrałem taką opcję, jak wyżej.

processing_circuit.thumb.png.e38c5823fe1667a2588be55767be0ab5.pngprocessing_output.thumb.png.b208b0cbce8d8b5562c76a32969b3896.png

Co do ADC, myślę o MCP33131-10-E (Kanały: 1; 16bit; 1Msps;), a do tego PIC32MZ0512EFE064-I/PT (https://www.mouser.com/datasheet/2/268/PIC32MZ-EF-_Family-DS60001320F-1545741.pdf). Wiem, że użycie ADC z bardzo dużą liczbą bitów nie wiele da, jeśli sygnał wejściowy będzie bardzo zaszumiony, a nie wiem, jak to oszacować, więc poszukałem czegoś, co jest tanie, choć może trochę na wyrost. Ludzie w amatorskich warunkach, do akwizycji danych używają kart dźwiękowych z tego, co widziałem.

Czy gdzieś popełniłem wpadki jak z tą nieszczęsną przetwornicą z pierwszego postu?

Pozdrawiam.

 

 

Edytowano przez RobertG
Link do komentarza
Share on other sites

Hm, trudno oceniać układ jeśli nie wiemy czym się kierowałeś, tj. jakie założenia Ci przyświecały. Oczywiście najważniejszy tu jest transformator, jego rdzeń, sposób nawinięcia, izolacji itp, ale już np. dioda czy MOSFET? Sa podane jakieś typy, ale nie wiedząc jakie prądy (pierwotne) planowałeś i jakie napięcie wyjściowe (coś się zmieniło?) to nie wiem co napisać. Dioda powinna wytrzymywać dwukrotność Uout, bo przecież w stanie blokowania na katodzie widzi Uout a na anodzie jest wtedy -Uout. A jest na niecałe 2kV - z tego co znalazłem, a przede wszystkim to zwykły prostownik 50Hz (czs blokowania: 1.5us). Nie dość, że na schemacie widzimy symbol Schottky (zupełnie tu niepotrzebny a wręcz szkodliwy) to Ty potrzebujesz tzw. superfast rectifier. Może najtaniej byłoby dać ze trzy popularne SM4007 szeregowo? A jeśli nie lubisz łaczenia diod w ten spsób (i słusznie) to może pomyśl o dwóch-trzech osobnych sekcjach uzwojenia wtórnego i takiej samej liczbie prostowników? Wtedy każda dioda (np. SM4007) pracuje tylko "na siebie", ale wyjścia poszczególnych stopni (dzięki naturalnej ich izolacji) są połączone szeregowo i dają sumę. To typowe rozwiązanie. Kondensatory 470uF raczej niewiele tu pomogą, choć jak rozumiem wstawiłeś je po to by mieć "prąd stały" w pomiarze na oporniku przed dławikiem. Próbowałbym z jakimiś bardzo dobrymi, polimerowymi (OS-CON?), max kilkadziesiąt uF. Jakiś niewielki dławik (bobek ferrytowy?) wstawiłbym w zasilanie drivera - ten element produkuje o wiele szybsze (szerokopasmowe) szpile niż sam MOSFET.

Pamiętaj o kierunku uzwojeń transformatora. Na schemacie nie ma kropek ale wiem że już wiesz, że to kluczowe do działania flyback'a 🙂 

Twoja przetwornica daje teraz napięcie dodatnie, ale gdybyś jednak postanowił, że ma być minus (widziałem takie zasilania powielaczy), to flyback jest z gruntu izolowany. Wystarczy, że bez żadnych modyfikacji układowych obecne wyjście ("anode") dołączysz do swojej masy a na drugim końcu (odpiętym wtedy rzecz jasna od GND) dostaniesz -1kV.

Pomyśl o innym, mniej energochłonnym i wygodniejszym sposobie pobrania sprzężenia zwrotnego od napięcia. Wystarczy, że nawiniesz trzecie uzwojenie, np. z taką samą liczbą zwojów jak pierwotne (a więc łatwizna), dasz mu diodę i mały kondensator i weźmiesz z niego ok. 5V. Wtedy wystarczy prosty dzielnik np. 1/2 zamiast wysokonapięciowego potwora 1/2100. Jeśli dobrze nawiniesz transformator, to korelacja napięcia niskiego do tego wyjściowego będzie lepsza niż 1%, szczególnie przy stałym obciążeniu - a to ten przypadek.

Jeśli potrzebujesz naprawdę dobrej stabilizacji, pomyśl o stabilizatorze liniowym. Rób sobie powiedzmy 1.2kV i stabilizuj to jakimś tranzystorem HV na tyle ile potrzebujesz. Bazę możesz sterować z jakiegoś wzmacniacza operacyjnego w typowym układzie przez kolejny tranzystor w układzie kaskody - na pewno znajdziesz w literaturze 🙂 

A teraz część analogowa:

Spróbuj to zaprojektować ten fragment jako układ zasilany tylko z napięcia dodatniego - to znacznie upraszcza układ zasilania a nie widzę istotnego powodu dla którego musisz robić jak teraz. Wyprodukuj sobie napięcie na poziomie np. 2.5V i na tym oprzyj wszystkie wejścia "+" wzmacniaczy reszty łańcucha. 

Naprawdę nie potrzebujesz wzmacniaczy z GBP 500MHz.

Na wyjściu masz filtr dolnoprzepustowy i naprawdę daje się to robić dużo bardziej efektywnie. Zacznij od konfiguracji Sallen-Key'a. To klasyczny filtr drugiego rzędu,, a więc w jedym stopniu (wzmacniaczu) masz dwa takie jak narysowałeś. Niestety S-K nie jest wygodny do pracy z zasilaniem asymetrycznym (choć warto go znać) i tutaj bardziej będzie pasował stopień tzw. MFB. Ten ma "wolne" wejście "+" wzmacniacza i pasuje tu idealnie. Dwa takie stopnie zrobią to samo co Twoje cztery. Przyjmuje się, że w filtrze powinien pracować wzmacniacz o GBP co najmniej 100 razy większym niż F0 filtra. Jeśli przewidujesz coś w okolicy 1.5kHz (jak widzę) to wystarczy wzmacniacz <1MHz (a więc nawet LM324 chyba że wolisz coś mniej szumiącego). Prądu ciągnie sporo mniej, kosztuje ułamek tego Lineara a i możliwość niezauważonego podwzbudzenia się układu na 50 czy 300MHz żadna. Oczywiście do wszystkich typowych konfiguracji filtów aktywnych są kalkulatory. Ja jak zwykle polecam narzędzie Texasa:

https://www.ti.com/design-resources/design-tools-simulation/filter-designer.html

Niestety obecna wersja pracuje już tylko online. Ja mam jeszcze fantastyczne FilterPro działające na kompie lokalnie.

Pierwszy wzmacniacz może być trochę szybszy i (tu dobrze wymyśliłeś) powinien mieć małe prądy polaryzacji więc FET na wejściu obowiązkowy, ale wciąż LTC6862 to potężny overkill. No i wymaga zrobienia (w konfiguracji bipolarnej) dziwacznych +/-2V. Czy zasilanie całego toru z +5V nie byłoby prostsze?

No to chyba tyle, tak na szybko, jeszcze przed założeniem okularów...  🙂 

  • Lubię! 1
  • Pomogłeś! 1
Link do komentarza
Share on other sites

 

Dnia 23.11.2020 o 19:57, marek1707 napisał:

Sa podane jakieś typy, ale nie wiedząc jakie prądy (pierwotne) planowałeś i jakie napięcie wyjściowe (coś się zmieniło?) to nie wiem co napisać.

Co do parametrów, to pozmieniało się - znalazłem sklep, gdzie można kupić nowe PMT, jedyny model [datasheet] jaki jest dostępny, ma maksymalne napięcie pracy 1k8V, więc myślę, że chciałbym go zasilać 1k5V, czyli dość dużo więcej, niż oryginalnie planowałem.

Pomysł ze stabilizatorem liniowym wydaje mi się fajny i na tym się skupiłem (lecz utknąłem kompletnie) i po to w sumie piszę ten wpis. Mam takie coś jak poniżej ( wzorowałem się na tym  )

stabilizator.thumb.png.b0ce28cc7146245247636dfc789eefc1.png

Zasymulowałem to i wygląda, że działa, dorzuciłem tu kilka stopni tranzystorów bo nie znalazłem takich o odpowiednim napięciu kolektor-emiter, by wystarczył jeden. Czy teraz wystarczy, że te źródła napięciowe zastąpię diodami Zenera (i dodatkowym rezystorem między bazą Q3, a emiterem Q8) i zwiększę wartości R7, R4, czy też jest to całkiem źle?

 

Link do komentarza
Share on other sites

Ech, powiem Ci tak: unikam takich rzeczy jak ognia. Jeszcze równoległe łączenie tranzystorów jakoś się sprawdza, ale przyznam, że z szeregowego jeszcze nigdy w życiu nie byłem zadowolony. Polaryzacja baz/bramek zje masę mocy (Zenery to jednak kilka mA) a i tak będzie to słabe. Trochę zmieniłeś reguły w trakcie gry, bo jednak 1kV to co innego niż 1.5kV choćby dlatego, że przekraczasz prewną granicę dostępności elementów. Mimo wszystko, za wszelką cenę, próbowałbym prostych rozwiązań:

  • Pojedynczy tranzystor szeregowy, np. od Infineona - oni umieją w SiC, albo coś IXYSa. Do tego sterowanie bramką (nawet na drugim takim samym) i gotowe.
  • Nie wiem jak w końcu zrobisz DCDC, ale jeśli kilka uzwojeń szeregowo z osobnymi diodami, to może warto spróbować jedno z nich obciążyć stabilizatorem równoległym? Gdybyś to najniższe "przyduszał", to MOSFET stałby na masie i byłby łatwy w sterowaniu. Przecież nie musisz regulować napięcia od zera. Przy 4 sekcjach transformatora robiących w sumie te 1.6kV miałbyś regulację np. o 50% jednej sekcji, czyli 200V. Może wystarczy?
  • Przy tych prądach (360uA?) zrobienie filtra, nawet RC tłumiącego śmiecie z DCDC nie powinno być problemem. Nie wystarczy regulacja po stronie pierwotnej flyback'a? A sprzeżenie zwrotne z uzwojenia niskonapięciowego (unikasz dodatkowego dzielnika, skoro ten z PMT jest niedostępny)?

Czy kupujesz PMT w wykonaniu kompletnym? Z dzielnikiem i wyprowadzonymi dwoma kablami? To bardzo fajne i wygodne. Już Ci zazdroszczę. U mnie dwa gołe Philipsy(?) kiszą się od kilku lat w pudełku (muszę zajrzeć, może po tym czasie są już trzy?). A scyntylatory?

BTW: Widzę, że potrzebne jest napięcie ujemne.

  • Lubię! 1
  • Pomogłeś! 1
Link do komentarza
Share on other sites

(edytowany)
40 minut temu, marek1707 napisał:

Czy kupujesz PMT w wykonaniu kompletnym? Z dzielnikiem i wyprowadzonymi dwoma kablami? To bardzo fajne i wygodne. Już Ci zazdroszczę. U mnie dwa gołe Philipsy(?) kiszą się od kilku lat w pudełku (muszę zajrzeć, może po tym czasie są już trzy?).

Tego nie wiem, muszę wysłać zapytanie do sprzedawcy, bo na jego zdjęciach ta tuba jest dolutowana do jakiejś płytki, a według noty katalogowej, powinna mieć normalne piny jak każda inna tuba, ja bym wolał takie gołe piny + podstawka i polutować sobie tak samemu. To jest to: https://rhelectronics.net/store/new-hamamatsu-r1450-pmt-photomultiplier-tube-19mm-for-scintillation-counter.html

 

40 minut temu, marek1707 napisał:

A scyntylatory?

Kupię kryształy NaTI, znalazłem sklep i oni mają je w hermetycznych obudowach, co jest ważne, bo te kryształy są higroskopijne i od wilgoci tracą parametry. Z tego co patrzyłem mają jeszcze kilka innych kryształów w nie-zaporowych cenach, więc może "na spróbowanie" kupię jeszcze jeden, ale to musze poczytać o ich charakterystykach. Alternatywą są "plastikowe" kryształy, ale one ponoć są kiepskie do spektrografii, więc to odrzuciłem. To jest to: http://www.epic-scintillator.com/NaI-crystal-scintillator/NaI-scintillator-1inchx1inch

Co zaś się tyczy sensu dyskusji, muszę nad tym pomyśleć i poczytać. 

Edytowano przez RobertG
Link do komentarza
Share on other sites

Dziwna sprawa w tym sklepie. Zdjęcie przedstawia rurę z dolutowaną płytką, która wygląda na kompletną, tj. zawierającą już dzielnik (trochę mało oporników, ale może są po drugiej stronie?) i wysokonapięciowe kondensatory. Ze zdjęcia widzę, że Anoda wyciągnięta jest na środkową z tych trzech szpilek. Być może na którejś innej jest Katoda. Nie wiem po co dali takie wielkie złącze, skoro sygnały z dynod raczej nie są potrzebne. No a na kolejnym zdjęciu mamy jakaś okrągłą płyteczkę z samymi oporniczkami. I wreszcie w tekście jest informacja, zę za dopłatą dostarczają płytkę z dzielnikiem. To co, bez tego dostaniesz samą rurę a zdjęcie to ściema? Weź tam lepiej napisz zanim wydasz pieniądze. W tym sklepie mają też płytki-combo: dzielnik wraz ze wzmacniaczem z dwoma wyjściami (analogowym i do licznika) w wersjach na napięcie ujemne i dodatnie. Gdyby PMT miał przyjść goły, to może lepsze takie coś?

  • Lubię! 2
Link do komentarza
Share on other sites

Robert G prosił o wzór na obliczenie powielacza napięcia. Proste rozwiązanie znajduje się książce inż .Henryka Borowskiego  p.t. Zasilacze. Jest to książka dla radioamatorów z 1957 roku, w której jest opisane przybliżone wzory do rozwiązania problemu, Wzory (2) mogę wysłać zainteresowanemu.

 

Link do komentarza
Share on other sites

Dołącz do dyskusji, napisz odpowiedź!

Jeśli masz już konto to zaloguj się teraz, aby opublikować wiadomość jako Ty. Możesz też napisać teraz i zarejestrować się później.
Uwaga: wgrywanie zdjęć i załączników dostępne jest po zalogowaniu!

Anonim
Dołącz do dyskusji! Kliknij i zacznij pisać...

×   Wklejony jako tekst z formatowaniem.   Przywróć formatowanie

  Dozwolonych jest tylko 75 emoji.

×   Twój link będzie automatycznie osadzony.   Wyświetlać jako link

×   Twoja poprzednia zawartość została przywrócona.   Wyczyść edytor

×   Nie możesz wkleić zdjęć bezpośrednio. Prześlij lub wstaw obrazy z adresu URL.

×
×
  • Utwórz nowe...

Ważne informacje

Ta strona używa ciasteczek (cookies), dzięki którym może działać lepiej. Więcej na ten temat znajdziesz w Polityce Prywatności.