Pytanie odnośnie zasilania

[Paulo]

Witam, jestem nowy na forum to się od razu przywitam 😉

Napisałem już identyczny post pod artykułem z kursu, lecz ten dział bardziej odpowiada jego tematyce. Proszę o usunięcie tamtego postu jakiegoś administratora tego forum, dziękuję.

Mam pytanie o zasilanie - najważniejszą część każdego układu 😃

1) Jeżeli mam zasilacz dajmy na to około 24V na wyjściu to czy najlepszym rozwiązaniem aby uzyskać jak najwydajniejsze i najstabilniejsze bez żadnych szumów źródło zasilanie np. do Arduino to przez przetwornicę obniżyć to napięcie do około 7-8V, a następnie już przez stabilizator np. L7805 obniżyć je do 5V? Mamy wtedy z jak najmniejszymi stratami uzyskane stabilne 5V niezależne od obciążenia, tak?

2) Jak to jest możliwe, że moja ładowarka z tel, która powinna dawać napięcie około 5V daje prawie 7,5 bez obciążenia, a przy obciążeniu spada do 6,5? 1,5V to chyba stanowczo za wysoka odchyłka prawda?

Tak samo mam zasilacz, który powinien dawać 12V, a daje nawet z obciążeniem prawie 21.. Jaka może być tego przyczyna?

3) Czy mając ładowarkę tel. 5V, która bez obciążenia daje 5,37V, a przy obciążeniem jej około 300mA napięcie spada jedynie do 5,28V (dopiero przy obciążeniu ją silnikiem i zatrzymaniem jego wału pobór prądu wynosi około 0,8A, wtedy napięcie spada do 5,04V). Czy mogę spokojnie to 5,3V włączyć równolegle z 5V, które daje Arduino, aby zwiększyć jego wydajność prądową? Czy jest pewne ryzyko i lepiej np. przez stabilizator z małym napięciem drop out obniżyć to 5,3V do równych 5V?

Dziękuję za odpowiedź.

[Lukaszm]

1)

bez żadnych szumów źródło zasilanie

takie źródło praktycznie nie istnieje. Ja nie widzę przeciwwskazań żeby zastosować tylko przetwornicę obniżającą do 5V.

Mamy wtedy z jak najmniejszymi stratami uzyskane stabilne 5V niezależne od obciążenia, tak?

Mógłbyś rozwinąć to "niezależne od obciążenia"? Co przez to rozumiesz?

2)

przy obciążeniu spada do 6,5?

obciążeniu jakim konkretnie? 5mA? 100mA? 1A?

Co do dużego błędu napięcia wyjściowego- zależy od typu przetwornicy. Nie jestem teraz pewien czy dobrze pamiętam, ale kiedyś czytałem że te najtańsze przetwornice działają bez sprzężenia zwrotnego (?) i przez to są duże zmiany napięcia wyjściowego w zależności od obciążenia.

3) Nie powinieneś tak robić. Jakbyś połączył źródła równolegle to popłynie spory prąd wyrównawczy.

przez stabilizator z małym napięciem drop out obniżyć to 5,3V do równych 5V?

Słaby pomysł. Pod obciążeniem napięcie wyjściowe zasilacza dodatkowego też spadnie, na regulatorze będzie za mały spadek i w rezultacie będzie to źle działało.

[Paulo]

1) Tak, wiem, że nic nie jest idealne, tylko, że przetwornica na wyjściu generuje sygnał piloksztaltny, o wysokiej częstotliwości, dodatkowo zasilanie pochodzące z sieci domowej dokłada dodatkowe zakłócenia i wahania napięcia. Wiec suma sumarum zakłócenia mogą być na tyle wysokie ze może szkodliwe to wpłynąć na działanie arduino, które jak każdy mikrokontroler jest wrażliwy na takie zakłócenia. Może ktoś jeszcze się wypowiedzieć na ten temat i wyrazić swoją opinię?

Niezależnie od obciążenia, taka jest cecha stabilizatorów, starają się utrzymać stałe napięcie na wyjściu niezależnie od obciazalnosci prądowej.

2) sprawdzilem teraz i przy 200mA 6,5V, a przy 0,8A spada do 5,5V. To i tak odbiega znacznie od deklarowanych 5V przez producenta.

Może i masz rację, ale dalej nie rozwiązuje to problemu, że zasilacz 12V daje na wyjściu 21 właśnie przy obciążenie nawet około 0,5A. Ma ktoś na ten temat jakieś zdanie?

3) czyli aby łączyć równolegle źródła zasilania należy jak najbardziej zbliżyć wartości tych napięć, aby zredukować prąd wyrównawczych tak?

[deshipu]

1) Tak, wiem, że nic nie jest idealne, tylko, że przetwornica na wyjściu generuje sygnał piloksztaltny, o wysokiej częstotliwości, dodatkowo zasilanie pochodzące z sieci domowej dokłada dodatkowe zakłócenia i wahania napięcia. Wiec suma sumarum zakłócenia mogą być na tyle wysokie ze może szkodliwe to wpłynąć na działanie arduino, które jak każdy mikrokontroler jest wrażliwy na takie zakłócenia. Może ktoś jeszcze się wypowiedzieć na ten temat i wyrazić swoją opinię?

Dlatego na wyjściu masz filtr z kondensaotrem, który ten przebieg piłokształtny wygładza ładnie do prostej linii. Podobnie wszelkie zakłócenia.

Niezależnie od obciążenia, taka jest cecha stabilizatorów, starają się utrzymać stałe napięcie na wyjściu niezależnie od obciazalnosci prądowej.

Niestety, to jest fizycznie niemożliwe. Żeby coś ci dawało stałe napięcie niezależnie od obciążenia, to musiałoby mieć nieskończenie wielką moc.

2) sprawdzilem teraz i przy 200mA 6,5V, a przy 0,8A spada do 5,5V. To i tak odbiega znacznie od deklarowanych 5V przez producenta.

Witamy w świecie tanich zasilaczy.

Może i masz rację, ale dalej nie rozwiązuje to problemu, że zasilacz 12V daje na wyjściu 21 właśnie przy obciążenie nawet około 0,5A. Ma ktoś na ten temat jakieś zdanie?

Unikałbym używania tego.

3) czyli aby łączyć równolegle źródła zasilania należy jak najbardziej zbliżyć wartości tych napięć, aby zredukować prąd wyrównawczych tak?

Nie rób tego. Po prostu zasilaj cokolwiek tam chcesz z twojego zasilacza, a nóżkę 5V z arduino zostaw w spokoju.

[Polecacz 101]

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

[Paulo]

Czyli generalnie zamiast kombinować z przetwornica i stabilizatorem, wystarczy zastosować filtr z jakiegoś elektrolitu do niskich częstotliwości + jakiś monolit do dużych Hz, tak?

Co do stabilizatora to każdy chyba rozumie ze chodzi o ściśle określone warunki pracy w których stabilizator jest w stanie dawać stałe napięcie przy danym zakresie obciazalnosci prądowej.

Nie używam wlasnie tych zasilaczy, są strasznie nieobliczalne. Pytam z czystej ciekawości. Jutro już pójdą na części 😃

Okej będę tego unikał. Ale teraz rodzi się kolejne pytanie:

Otóż arduino można zasilać właśnie bezpośrednio podłączając 5V z zasilacza do ping 5V i GND z GND. Możliwe są oczywiście pewne odchylenia, ale jak mój zasilacz daje 5,3V to czy nie są one zbyt duże? Posiada ktoś informacje o maksymalnym napięciu jakie można stosować by nic nie uszkodzić?

[marek1707]

1. Sposób który zaproponowałeś na początku jest często stosowany w przypadku czułej elektroniki. Szczególnie w sytuacji, gdy masz tak dużą różnicę napięć we-wy. Przetwornica DC-DC załatwia nam dużą sprawność, ale jednocześnie z definicji wprowadza wiele harmonicznych swojej częstotliwości przełączania do napięcia wyjściowego. Po niej musisz dać dobry filtr i dopiero wtedy stabilizator liniowy. Dlaczego filtr? Bo stabilizatory liniowe są wolne. Umieją dobrze regulować napięcie, ale bardzo dużo zakłóceń impulsowych z wejścia przenosi się na ich wyjście tak wprost. One nie są w stanie ich stłumić, nawet ich nie zauważają. A śmieci pochodzące z przetwornicy mają pasmo wielu MHz - przejdą przez stabilizator liniowy jak nóż przez masło. W przypadku pracy z sieci (np. zwykły transformator 230→12V/50Hz) plus prostownik plus duży kondensator mamy do czynienia z tętnieniami 50Hz i te stabilizator liniowy połyka i tłumi. Można spokojnie założyć, że zniweluje dużo śmieci do kilku kHz. Oczywiście zawsze ostateczną wyrocznią są dane katalogowe danego scalaka. Tam wykres zależności tłumienia zakłóceń w funkcji częstotliwości jest kluczowy. Czasem podawane są wykresy czasowe zachowania się układu podczas gwałtownych zmian na wejściu (line regulation) i obciążenia na wyjściu (load regulation). Bardzo wiele zależy od okolicznych kondensatorów.

2. Rzeczywiście wiele prostych zasilaczy sieciowych nie ma aktywnej regulacji napięcia, bo tak jest taniej. I tak przecież podłączasz to do czegoś, co ma w sobie o wiele bardziej skomplikowaną elektronikę i to ona de facto reguluje warunki ładowania wewnętrznego akumulatora. Potrzebne jest tylko źródło mocy o pewnych, zgrubnie określonych parametrach. I właśnie takie trzymasz w ręku. I jeszcze jedno: jeśli tabliczka znamionowa mówi: 5V/0.8A to znaczy, że 5V będzie przy prądzie 0.8A a nie że zawsze. Z tego tu skorzystano. To, że niektóre zasilacze wtyczkowe są porządnie stabilizowane wynika z innych przymusów np. takiego, że mają wyjście USB na którym musi być 5V ±0.2V bo tak przewiduje osobna norma. W zasadzie do zabaw z elektroniką potrzebujesz zasilacza laboratoryjnego: z regulowanym napięciem i działającym ograniczeniem prądowym. Wszystko inne to zastępstwo które albo akurat nie pasuje albo - tak jak Twój przypadek - łatwo może coś zniszczyć.

3. Arduino jak podobne mu komputerki składa się z samej płytki która wytrzyma wiele, posadzonych na niej scalaków i elementów biernych. Dane katalogowe każdego scalaka przewidują tzw. warunki eksploatacyjne i warunki graniczne. Te pierwsze są polecane i najczęściej są celem projektowym, te drugie mają klauzulę, że dociągnięcie do nich najprawdopodobniej spowoduje nieodwracalne pogorszenie parametrów. Sam sobie dopowiedz co to może znaczyć. W przypadku procesora (piszę bez żadnej gwarancji i nie biorę odpowiedzialności) to jest 6V, ale warunki typowe to 5V±5%. Jeżeli podłączysz do szyny 5V coś więcej niż daje wewnętrzny stabilizator, ten się po prostu wyłączy bo uzna, z napięcie wyjściowe jest większe niż miał dawać. Niestety to jest przypadek, gdy jest on poprawnie zasilany od strony wejścia. Jeżeli tam nic nie ma, zachowanie stabilizatora może być nieprzewidywalne. Akurat w przypadku Arduino chyba to działa. Natomiast co się stanie innym układom przy napięciu >5V nie wiem, masz pole do popisu. Możesz ściągnąć schemat, spisać nazwy wszystkiego, przejrzeć ich dane katalogowe i sprawdzić Absolute Maximum Ratings - bo tak to się nazywa. Mam nadzieję, że to tylko taki eksperyment myślowy.

EDIT:

ad.1 Arduino nie jest żadną czułą aparaturą więc i napięcie wyjściowe przetwornicy DCDC będzie mu odpowiadać. Oczywiście da się zrobić taką, która mimo napięcia średniego 5.0V nie będzie pasować, ale większość nowoczesnych, szybkich układów da radę. Byle tętnienia/szumy wyjściowe nie przekroczyły 50-100mV rms.

[Paulo]

Dziękuję bardzo za tak obszerną odpowiedź, dużo mi pomogła i wyjaśniła wiele rzeczy.

Wiem, że najlepszy byłby zasilacz laboratoryjny, ale takie niestety są drogie, a jak na moje aktualne wymagania myślę, że da się załatwić coś dużo tańszego. Co myślicie o sławnej i bardzo taniej przetwornicy opartej o układ LM2596? Jest również wersja z regulacją maksymalnego prądu wyjściowego. Czy taka gotowa płytka mogłaby służyć efektywnie jako swego rodzaju regulowany zasilacz? Oczywiście jako wejście do tego układu używałbym już porządnego zasilacza, chociażby z drukarki, lub laptopa.

Jak najbardziej to tylko moje przemyślenia, człowiek szuka różnych rozwiązań, jak widać niekoniecznie zawsze trafnych, ale w ten sposób się właśnie uczymy 🙂 A jestem dodatkowo typem człowieka, który zanim cokolwiek podłączy to zastanowi się kilkukrotnie, czy aby na pewno tak można i wszystko będzie działało zgodnie z założeniami, więc stąd takie pytania.

Myślę, że przeanalizuje to i poszukam tych wszystkich danych katalogowych, ale to nie w najbliższym czasie, nie jest to dla mnie aż takie istotnie obecnie.

A tak z ciekawości jeszcze, jakie znasz przykłady urządzeń z czułą aparaturą w których jest stosowany taki układ przetwarzania napięcia?

[marek1707]

Hm, jeśli potrzebujesz konkretnych przykładów, to może być trudno, bo z jednej strony jest ich mnóstwo a z drugiej nie zaglądałem do każdego z nich (choć do kilku tak). Na pewno takie systemy zasilania mają wszystkie sprzęty pomiarowe zasilane z sieci 230VAC. Na wejściu jest przecież przetwornica AC-DC (czyli czasem PFC + prostownik + konwersja DC-DC) robiąca jedno lub od razu kilka napięć a potem tory analogowe mają swoje własne regulatory liniowe. Wszelkie oscyloskopy, analizatory widma, generatory, analizatory protokółów telekomunikacyjnych, testery czyli wszystko to co zawiera ciekawą część analogową tak ma. To samo ze sprzętem samochodowym. Tam szyna 12V (lub 24V w większych pojazdach) zupełnie nie nadaje się wprost do zasilania czegokolwiek, no może oprócz diodek sygnalizacyjnych. Zwykła radiostacja samochodowa (nie myślę tu o sprzęcie CB za 100zł) ma całkiem rozbudowany blok zasilania. Sam projektuję wiele elektroniki, która jeździ w samochodach i na motocyklach różnych służb i wierz mi, że systemy zasilania w tym sprzęcie to czasem spory kawałek całości. Na dodatek kawałek, który widać w testach na zakłócenia zarówno generowane jak i przewodzone do zasilania. Tam użycie przetwornic DCDC z jednej strony jest koniecznością i błogosławieństwem (sprawność i moc w niedużej przestrzeni), ale z drugiej ciągnie za sobą cały ogon koniecznych do spełnienia wymagań na poziomy zakłóceń i odporność np. na przepięcia, zapady zasilania, zmiany polaryzacji itd. Dalej: wiele urządzeń bateryjnych - z uwagi na wygodę użytkowania - ma np. tylko jeden akumulator, miejsce na baterię 9V lub dwa paluszki a potrzebuje dla swoich czujników czy układów analogowych stabilizowanych i czystych napięć np. +12V czy ±5V. Nie ma szans zrobić tego bez przetwornicy DCDC a z kolei jej użycie wprowadza masę zakłóceń w paśmie pracy urządzenia. Myślę tu o przenośnych analizatorach widma, skanerach radiowych czy testerach GSM itp. To wynika z podstaw elektroniki: zasilanie w "obszarze zainteresowań" urządzenia powinno być tak czyste jak to tylko możliwe (i uzasadnione wymaganiami), bo przekłada się to bezpośrednio na poziom szumów a od tego zależy właściwie wszystko.

O ile np. we wzmacniaczu audio użycie przetwornicy pracującej na 500kHz i nie produkującej subharmonicznych w pasmie akustycznym (a niektóre tak mają) jest zupełnie OK o tyle ta sama przetwornica w krótkofalowym odbiorniku radiowym lub oscyloskopie będzie musiała być porządnie filtrowana i separowana, bo jej pierwsza i następne (bardzo silne) harmoniczne leżą w paśmie pracy urządzenia. A jeśli coś wchodzi do toru sygnałowego z zasilania i jest w paśmie, nic już z tym nie zrobisz - jest nieodróżnialne od prawdziwego sygnału.

EDIT: LM2596 pracuje na 150kHz więc spodziewaj się na wyjściu trójkąta o tej częstotliwości i amplitudzie 20-50mV w zależności od jakości i wielkości kondensatorów wyjściowych. Nie sądzę by znalazł się tam dodatkowy filtr LC. Natomiast dla małych poborów prądu i wysokiego napięcia wejściowego układ może wejść w tryb pracy nieciągłej (gdy prąd w dławiku maleje w pewnej chwili cyklu do zera) i wtedy możesz spodziewać się wahań nawet i ponad 100mV z nieokreśloną częstotliwością. Jeżeli to Ci pasuje, to OK. Typowo układy cyfrowe przeżywają takie warunki pracy, choć precyzyjne pomiary analogowe - szczególnie w szerszym paśmie - mogą być trudne. Moim zdaniem nie ma sensu wydawać pieniędzy na takie patenty. Trzeba uzbierać jeszcze trochę i kupić wygodny zasilacz, gdzie nic nie sterczy na wierzchu, masz jasne wskazania aktualnego prądu i napięcia a wszystko w jednym zgrabnym pudełku z dwoma zaciskami wyjściowymi.

[Paulo]

To wszystko jest bardzo interesujące co mówisz i rozważę zakup zasilacza laboratoryjnego, ale mam takie jeszcze jedno ostatnie już pytanie. Jakie praktyczne znaczenia ma informacja, czy dany układ pracuje na 150kHz, czy np 300kHz?

Dobra, jeszcze jedno też takie od strony typowo praktycznej. Zwiększanie pojemności kondensatorów wyjściowych wpływa pozytywnie, czyli zmniejsza tętnienia i amplitudę napięcia wyjściowego, czy negatywnie?

Dziękuję za cenne informacje i pozdrawiam.

[marek1707]

Hm, to zależy od tego ile w elektronice umiesz. Jeżeli myślisz, że wiesz już dużo bo zbudowałeś kilka układów, to kiloherce są bez znaczenia - komu to potrzebne - i tak jakoś zadziała. Jeżeli za Tobą wiele lat doświadczenia, setki wdrożonych projektów i wciąż czujesz, że wiesz przerażająco mało, to informacja o częstotliwości przełączania i amplitudzie jest kluczowa dla planowania dalszych fragmentów zasilania (plus dodatkowo definiuje klasę używanych elementów: dławika, kondensatorów i samego scalaka). Jeżeli na swojej płytce będziesz miał np. kawałek analogowy (jakiś wzmacniacz w torze pomiarowym czy choćby źródło napięcia odniesienia i przetwornik ADC) to musisz trochę nad ich zasilaniem popracować. Napędzane wprost z tak zaśmieconej szyny nie dadzą więcej jak 6-7 bitów. Reszta rozdzielczości utonie w szumie. A inaczej robisz filtr na 1MHz a inaczej na 150kHz, nieprawdaż? W każdym razie jeśli jakoś te 150kHz Cię niepokoi, zapomnij, przecież jakoś zadziała 🙂

Z kondensatorami to nie jest wprost. W przetwornicach impulsowych powinny być takie jakie wyszły z obliczeń i/lub symulacji. Zwiększanie ich pojemności tylko pozornie coś poprawia. Zauważ, że samych typów kondensatorów jest wiele i każdy jest do czegoś innego, bo ma inne parametry. Pozornie jest to tylko pojemność, ale pętla regulacji przetwornicy widzi jeszcze ich rezystancję szeregową i indukcyjności pasożytnicze. To wszystko razem tworzy skomplikowany element podłączany do wcale nieprostej pętli regulacji napięcia/prądu zawierającej wzmacniacz o czasem dość (celowo) pokrętnej transmitancji. Ktoś kiedyś policzył warunki stabilności tego układu i uznał, że zasilacz będzie poprawnie pracował dla takiej pojemności i takich ESR. Jeśli dospawasz kolejne (lub choćby tylko wymienisz na inne) kondensatory, tętnienia może i spadną (to zależy co tam miałeś w szufladzie, może też nie być żadnej zmiany jeśli wykopałeś zwykłe elektrolity), ale pogorszy się odpowiedź impulsowa, tj. przetwornica będzie wolniej i gorzej reagować na zmiany napięcia wejściowego i/lub obciążenia lub np. będzie gorzej pracować w zakresie małych prądów lub w ostateczności wpadnie w porządne oscylacje. Podsumowując: w tej dziedzinie nie ma łatwych rozwiązań, bo to nie są proste rzeczy. Z pozoru zwykłe bloki funkcjonalne zawierają całą masę wiedzy i dopóki jesteś składaczem trywialnych układzików z gotowych klocków, elektronika wydaje się prosta jak układanie puzzli. Im głębiej sięgasz, tym jest gorzej. Najlepiej myśl o tym jak o zagadnieniach optymalizacji. Projektuję coś pod konkretną aplikację i ma być tak i tak. Jedne rzeczy się poprawiają inne pogarszają, stopni swobody jest wiele, kołderka jest za krótka a trzeba znaleźć punkt, gdzie wszyscy są w miarę zadowoleni. Gdyby były proste wzory np. na pojemność wyjściową przetwornicy tak jak np. na moc wydzielaną w oporniku lub prawo Ohma, nudziłbym się pracy 🙂