Analogový měnič 48/230V s plechovým transformátorem

Varování: Příspěvek není návodem ale inspirací pro možný návrh podobného zařízení kvalifikovanou osobou případně pod dozorem jako školní projekt. Obsahuje části pod napětím životu nebezpečným. Autor nenese odpovědnost za újmy na zdraví nebo majetku vzniklé v souvislosti s následujícím příspěvkem. Autor si vyhrazuje právo příspěvek kdykoli změnit. 

Byl jsem požádán o návrh měniče 48/230V s plechovým transformátorem, robustní řešení, pokud možno bez procesoru.
Po úvodních nezdarech a několika otestovaných řešení, pokusů o co nejúspornější řešení z pohledu počtu součástek a bohužel i několika proražených můstcích a driverů jsem dospěl k jednomu dostatečně bytelnému řešení.

Analogový generátor sinusovky
Byl nápad použít generátor XR2206, ovšem ten jsem zavrhl především kvůli vysoké ceně a potom také kvůli divnému chování a to ujíždění střední hodnoty při změně amplitudy. Nicméně do výsledného zapojení se bezproblému dá přivést signál z libovolného generátoru, pouze nutmo myslet na to, že jeho amplituda je referencí pro výstupní napětí.
Nakonec jsem zůstal opět u Wienova můstku. Na něm je stále co vylepšovat, ovšem cílem byla jednoduchost a jedním nekompromisním způsobem, jak získat kvalitní sinusovku z mála součástek se ukázalo použití germaniových diod jako stabilizátoru amplitudy. Germaniový přechod má mírně odlišnou charakteristiku od křemíkového.
Vzhledem k teplotní závislosti Ge přechodu je vhodnější použít Schottku např. BAT48. Napětí výstupu pak neujíždí při změnách teploty na desce a sinusovka je stejně dobrá. Jde o to, aby úbytek na nelineárním prvku byl malý vzhledem k amplitudě výstupního napětí, pak tento úbytek způsobuje jen malé zkreslení.
Přičinnou nestability nebyly jen Ge diody ale především mnohaotáčkový trimr. Doplněn o paralelní odpor potlačující vliv trimru a napětí drží.

Driver H mostu
Nejprve jsme hledal jeden IO pro celý H můstek. Byl tu velmi hezký nápad použít IRS2453, což je vlastně čtyřkanálová obdoba IR2153. Nápad spočíval v tom řídit ho v režimu sigma-delta modulace injektáží proudu do časovacího kondenzátoru. To sice funguje velmi pěkně, ale pokud se injektáž provádí napětím přes odpor, pak není výstupní střída lineární s přiváděným napětím. Prakticky to má za následek obtížné využití rozsahu modulace, můstek dává malý rozkmit napětí. Takové zapojení si nicméně vystačí pouze s IRS2453 a jedním OZ jako zdrojem sinusovky. Schemata pro zajímavost na konci.

Další volbou byl HIP4080. Obsahuje na rozdíl od HIP4081 komparátor, který opět ušetří počet součástek. Zjistil jsem ale, že dodaný je přeznačený HIP4081, takže jsem komparátory musel dát externí. Zapojení fungovalo, výhodou je interní generátor deadtimu. Nicméně jsem při zapnutí zdánlivě bezdůvodně několikrát přišel o můstek zřejmě absencí obvodu pomalého náběhu nebo proudového omezení. Obvod také docela topí při buzení výkonnějších tranzistorů.

Cílem bylo nakonec budit i páry IRFP4110 např. takže jsem zvolil výkonnější drivery a to IRS21864, což je 14 nohá verze IRS2186, větší pouzdro má povolenou větší výkonovou ztrátu, proud 4A. Zapojení se tedy rozšířilo o externí obvod deadtimu z CMOS 4093, Schmitt NAND.

DC-offset
Plechové trafo, ale vlastně síť obecně, protože tam vždy nějaké jádro je, potřebuje nulovou stejnosměrnou složku. U procesorového řízení je to samozřejmost a nemusí se vůbec řešit, protože přesnost délky pulzů je daná pouze přesností driverů. U analogového řešení to vůbec samozřejmé není.
DC-servo je perfektní zapojení pro zesilovače, ale zde vzniká problém s velkou časovou konstantou RC článků nutných pro správnou funkci, někdy se musí nabít a musí se nabít signálem přímo z běžícího můstku pokud hrozí že deadtime nebude shodný na všech kanálech. Trafo se ale nedá s offsetem spustit, za můstkem by muselo být silové relé a čekat na ustálení DC serva.

Trimr na manuální ladění nemá smysl, vždy se nakonec začně přesycovat. To se nejlépe pozná podle zvuku z trafa a narůstajícího klidového proudu.

Řešením se ukázalo především nahradit LM324 vhodnějším a rychlejším LF347, který má symetrický koncový stupeň. Generátor trojúhelníku s ním tedy má střední hodnotu v polovině napájecího napětí, jako Wienův můstek. To u LM324 nenastane.

Nicméně na odstranění případného offsetu se zde podílí hlavně PI regulátor, výhoda oproti DC servu je rychlost správného nastavení.

Unipolární vs. Bipolární modulace
Jedná se o dva odlišné způsoby modulování PWM H můstku. Bipolární je prosté vzájemné invertování obou polomůstků. Pravý horní je buzen stejným signálem jako levý dolní atd..
Podle literatury je ale pro můstek se sinusovou modulací vhodnější unipolární řízení, kdy se invertuje nikoli PWM, ale vstupní analogový signál. Produkuje méně harmonických. Při kladné půlvlně např. se přepíná podle PWM pouze pravý můstek zatímco levý má sepnutý dolní trvale. Při záporné půlvlně je pravý horní sepnutý a PWM se pustí do levého polomůstku, ovšem inverzně.

Dalším vylepšením je myšlenka, že by se jeden polomůstek mohl spínat obdelníky 50Hz a sinusovku by dotvářel druhý můstek. Výsledkem je výrazné omezení spínacích ztrát, protože spínací frekvence PWM je obvykle minimálně o dva řády větší než síťová.

Zde je nutno si uvědomit, že při přepnutí můstku buzeného pouze 50Hz obdelníky je třeba na druhé straně ihned invertovat PWM, aby transformátor viděl příslušnou půlvlnu správného tvaru.
Jednoduchým řešením je prostě posouvat trojúhelníkový signál o výšku amplitudy tak, jak je na snímku osciloskopu dole.

Posun se zde ve schematu realizuje děličem R12, R13. Jejich poměr musí odpovídat poměru R5 a R9. Nicméně PI regulátor to dorovná i při odlišných hodnotách.

Proudové omezení je velmi primitivní a slouží především k bezpečnému startu měniče. Jinak nemá praktický význam protože jiný než odporový spotřebič by při snížení napětí vzal ještě větší proud.

Napětí 13,5V je jednoduše získáno lineárním stabilizátorem s proudovým omezením na 300mA, který zachrání drivery při průrazu můstku.

Tlumivky
Pokud se staví měnič z 12V, tak rozptylová indukčnost transformátoru obvykle stačí na dostatečné vyhlazení proudu. Pokud se stejné zapojení aplikuje na 48V zjistíme, že plechovým trafem prochází až příliš ochotně přímo PWM a přidání vyhlazovacího kondenzátoru na výstup způsobí překvapivé velmi rychlé přehřívání primáru 300VA trafa naprázdno prostě jalovým proudem vysoké frekvence.
Vyhlazovací tlumivky jsou nutnost, rozptylová indukčnost trafa nestačí. Jako jádra vyhoví železoprachové toroidy např z PC zdrojů.
Zde se uplatní výhoda unipolární modulace a to v tom, že zvlnění proudu na spínací frekvenci vyjde pro stejnou tlumivku poloviční než při bipolární, protože druhá polovina můstku drží, nepřipíná opačnou polaritu, tlumivka vidí poloviční VF napětí.

Schema

 Finální konstrukce v šasi

Porovnání s měničem s feritovými trafy

 Běh s 300VA 220/24V transformátorem na tenkých M plechách

 Posuv trojúhelníkového signálu na komparátoru

 Výstupní sinusovka měřená přímo na sekundáru trafa.

 Ladění s malým toroidem 230/30V

Provizorní chladič, testování v zátěži 300W

Video v zátěži

Závěr

První vývojové verze díky deformovanému průběhu, nebo přesycování trafa způsobovaly poměrně něpříjemný hluk z trafa to, že měnič funguje správně se pozná tak, že trafo ztichne takřka úplně. V sestaveném prototypu vznikají zatím největší ztráty na železoprachových tlumivkách. Ztráty na polovodičích jsou menší než u měniče s feritovými trafy, který jsem stavěl předtím hlavně díky absenci vysokonapěťového střídače.

Řešení zpětné vazby z primáru trafa přináší kompaktní provedení, deska má pouze 4 dráty, vstup a výstup, ale nutností je tvrdé trafo. Je počítáno s toroidem.

Stabilizace amplitudy Wienova článku se dá řešit jinak a lépe, ale zde nabízí hezké uplatnění předností germaniových polovodičů.

Literatura:

www.ijirst.org/articles/IJIRSTV1I7111.pdf

Pro zajímavost nebo inspiraci přikládám i schemata z předchozích nepříliš úspěšných vývojových variant.