Высоковольтный преобразователь напряжения

Конструкции любых блоков питания, источников тока для любых назначений. Микроконтроллеры и все, что с ними связано

Модераторы: poty, Алаев Ян

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2286
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 10 раз
Поблагодарили: 3 раза
Контактная информация:

Высоковольтный преобразователь напряжения

#1

Сообщение Алаев Ян » 20 окт 2014, 12:22

Boost Converter High Voltage Supply
Изображение

Содержание:
Спойлер
Показать
1. Начало /viewtopic.php?f=16&t=131&p=1411#p1411
2. Амплитуда тока насыщения дросселя /viewtopic.php?f=16&t=131&p=3522#p3522
Использование в проектах:
Спойлер
Показать
Ламповый предварительный SRPP усилитель на 12AU7/ECC82/ECC802/6SN7/6Н8С /viewtopic.php?f=93&t=236&p=6907#p8555
Стремление к совершенству рождает шедевры!
https://vk.com/alaevlabs

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2286
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 10 раз
Поблагодарили: 3 раза
Контактная информация:

Начало

#2

Сообщение Алаев Ян » 22 окт 2014, 11:44

Изготовление высоковольтного преобразователя напряжения началось с испытательной платы на LM555/NE555 в режиме частотно-модулированного сигнала.
2014-10-19 14.51.16.jpg
На странице 10 Datasheet представлен режим работы 555-микросхемы, где описана возможность частотно-модулированного выходного сигнала, возникающего при подаче управляющего воздействия на вывод "5" 555-микросхемы.
Режим РРМ.png
Была собрана тестовая плата по схеме:
Преобразователь на 555 микросхеме.gif
Преобразователь на 555 микросхеме.gif (2.46 КБ) 712 просмотров
Для желающих помоделировать - полезная ссылка http://www.ti.com/product/TLC555/toolssoftware


Напряжение питания схемы - около 10В. Управляющее напряжение подавалось на вывод "5" с шагом в 1В. Выходной сигнал снимался с вывода "3".
Все это контролировалось осциллографом HANTEK 6022BE.
Желтый луч - выходной сигнал вывода "3"
Зеленый луч - управляющее напряжение вывода "5"


Итак, включаем, запускаем и смотрим...
Запустился генератор при управляющем напряжении около 260 мВ.
260мВ - запуск генератора NE555.PNG
Момент запуска генератора
Это нелинейный и нестабильный участок работы генератора, просто хотелось посмотреть, где же он включится.

Управляющее напряжение 1В:
1В - на 5 ноге NE555.PNG
Управляющее напряжение 2В:
2В - на 5 ноге NE555.PNG
Управляющее напряжение 3В:
3В - на 5 ноге NE555.PNG
Управляющее напряжение 4В:
4В - на 5 ноге NE555.PNG
Управляющее напряжение 5В:
5В - на 5 ноге NE555.PNG
Управляющее напряжение 6В:
6В - на 5 ноге NE555.PNG
Управляющее напряжение 7В:
7В - на 5 ноге NE555.PNG
Управляющее напряжение 8В:
8В - на 5 ноге NE555.PNG
Управляющее напряжение 9В:
9В - на 5 ноге NE555.PNG
Управляющее напряжение 10В:
10В - на 5 ноге NE555.PNG
Что я ожидал увидеть... Я ожидал, что будет некий постоянный параметр, например, скважность импульсов или длительность импульса и будет переменный параметр - частота. Но, судя по полученным результатам, выходной сигнал сочетает в себе как частотную модуляцию, так и широтно-импульсную модуляцию.
Скриншот 2014-10-20 11.16.24.png
Анализ полученных результатов
Исследование NE555.xlsx
(14.88 КБ) 25 скачиваний
Как вывод: начиная с 2-3В управляющего напряжения на выводе "5" - изменение частоты генерации происходит сравнительно линейно. Длительность управляющего импульса (в %), относительно управляющего воздействия, также изменяется линейно. Что позволяет сделать вывод, что в данной схеме включения происходит одновременная частотная и широтно-импульсная модуляция.

Скачать Spice модели можно тут:
TLC555 TINA-TI Spice Model.zip
TLC555 TINA-TI Spice Model
(9.11 КБ) 45 скачиваний

[Расширение tsc было запрещено, вложение больше недоступно.]

[Расширение tsc было запрещено, вложение больше недоступно.]

TLC555 PSpice Model (Rev. D).zip
TLC555 PSpice Model (Rev. D)
(84.42 КБ) 52 скачивания
Моделирование преобразователя напряжения на NE555
Перед сборкой преобразователя напряжения в железе, решил немного поиграться с компьютерной моделью.
Скриншот 2014-10-22 11.55.00.png
Схема модели
На схеме представлено включение NE555 в режиме частотного управления полевым транзистором. Если менять ток нагрузки и следить за показаниями осциллографа - наглядно видно, как микросхема перестраивается на новую частоту генерации.
Скриншот 2014-10-22 11.56.25.png
Осциллограммы
Модель Tina для желающих:

[Расширение tsc было запрещено, вложение больше недоступно.]

Стремление к совершенству рождает шедевры!
https://vk.com/alaevlabs

Аватара пользователя
poty
Профи
Профи
Сообщения: 3277
Зарегистрирован: 24 мар 2014, 10:00
Откуда: Россия, Москва
Благодарил (а): 3 раза
Поблагодарили: 14 раз

Преобразователь напряжения на 555-й

#3

Сообщение poty » 04 фев 2015, 23:53

Исследовать в симуляторе адекватно не получилось. Но общая канва такова. Управление микросхемой NE555 достаточно линейно как в условиях меандра, так и в условиях классической астабильной схемы:
Меандр, линейность.jpg
Меандр, управление
Классика, линейность.jpg
Классика, управление
Почему я провёл такие эксперименты? Потому что результаты измерения во включении меандром меня удивили:
Меандр, пульсации.jpg
Меандр без стабилизации
Меандр, пульсации, стабилизация.jpg
Меандр со стабилизацией
По идее без стабилизации (т.е., искусственных ограничений частоты) выходная амплитуда должна быть больше, а выходит наоборот.
А вот в классическом включении - всё как и ожидалось:
Классика, пульсации.jpg
Классика без стабилизации
Классика, пульсации, стабилизация.jpg
Классика со стабилизацией
Общий вывод - стабилизация позволяет удерживать выходное напряжение, но выходное сопротивление не уменьшает, т.е., реальной стабилизации не происходит. Кроме того, на выход просачиваются достаточно большие лохмотья частоты преобразования.
Тем не менее, так как нам нужно применить именно эту схему, я предлагаю предпринять аналоговые методы в цифровой по сути цепи:
Мой вариант.jpg
Предлагаемые изменения
Схема стабильна, поскольку ОС напрямую не влияет на выходное напряжение, то есть, нет классической обратной связи:
Стабильность и эффективность.jpg
Стабильность и эффективность
Подавление входных пульсаций - ужасное, но нам оно не нужно:
Подавление входных помех.jpg
Подавление входных помех
Что улучшилось:
- значительно уменьшились пульсации частоты преобразования
- немножко уменьшилось выходное сопротивление, но основная часть этого уменьшения - за счёт увеличения ёмкости выходного конденсатора.
Владислав

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2286
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 10 раз
Поблагодарили: 3 раза
Контактная информация:

Амплитуда тока насыщения дросселя

#4

Сообщение Алаев Ян » 01 июн 2015, 01:34

Изначально, эти исследования я начал проводить для того, чтобы построить простой, надежный и главное удобный и гибкий в своих вариантах преобразователь напряжения. Но, прежде чем делать такой преобразователь, нужно обязательно хорошо понимать то, с чем ты работаешь. Сердцем такого преобразователя, я думаю, можно назвать дроссель, который накапливает определенную порцию энергии и отдает ее в нагрузку на обратном ходе преобразования. А вот для того, чтобы понять сколько энергии может запасти в себе этот дроссель, как оказывается, нужно проделать немало исследовательской работы. Простое бездумное включение неизвестного дросселя, вероятнее всего, ни к чему хорошему не приведет. Либо КПД будет низкий, либо схема выйдет из строя из-за сгоревшего управляющего транзистора, так как дроссель войдет в насыщение раньше, чем вы успеете что либо предпринять.
Я руководствовался информацией приведенной тут. Там все подробно и понятно написано, хотя, я задавал много вопросов при изучении этой статьи. Для тех, кому недостаточно той информации, которая приведена в первоисточнике, я сделаю несколько пояснений, хотя, бОльшая часть работы и обсуждений была проведена вне рамок этого Форума, просто хочется, чтобы мысли о том, что не так все просто, как кажется изначально, остались в сознании читателей.

Итак, дроссель, который будет накапливать нашу энергию для преобразователя. Что мы о нем знаем? Максимум, что можно сделать применив простые методы - измерить его индуктивность и активное сопротивление. Все! Допустим, измерили, но этих данных нам катастрофически недостаточно. Активное сопротивление почти не оказывает никакого влияния на результат, так как дроссели, которые мы будем применять, имеют достаточно большие габариты и намотаны толстым (сравнительно) проводом. Следовательно, активное сопротивление достаточно мало и им можно пренебречь. Основной параметр, который нам нужно знать - амплитуда тока насыщения. Тут вариантов два - либо нужно использовать фирменный дроссель, на который есть техническая документация и точно написано, какой ток он выдерживает, либо нужно проводить измерения самостоятельно. По моей практике, крайне редко можно встретить дроссель с заранее известными параметрами. У меня в запасе есть только дроссели одного типа, на который есть datasheet, все остальное многообразие дросселей не имеет никаких данных и полностью обезличены. Т.е. можно только замерить, других вариантов нет.

Для тестирования параметров дросселей я использовал схему:
testbench2.gif
testbench2.gif (4.69 КБ) 1038 просмотров
Я повторил схему почти на 100%, правда, применил некоторые другие детали и попытался ее чуток модернизировать для более удобного анализа происходящих процессов. Микросхему N1 я применил SN74HC14N, резистор R1 я уменьшил где-то до 100 Ом (мне были нужны очень короткие импульсы для тестирования быстронасыщающихся дросселей), транзистор Т1 я применил IRFZ48V, переключатель S1 и референсную индуктивность L1 я не устанавливал, диод D3 1N4007, ну и, наконец, токоизмерительный резистор R4 у меня 0.2 Ом. Изначально мне не понравилось, что сигнал на токоизмерительном резисторе снимается относительно "+12", не понравилось, так как мне хотелось так же одновременно видеть что происходит с управляющим сигналом, приходящим с инвертора N6 относительно земли. Поэтому, я попытался немного модернизировать схему, поставив на выход N6 развязывающий высокочастотный трансформатор 1:1 чтобы можно было спокойно наблюдать прохождение импульсов осциллографом, у которого нет гальванической развязки земель входных каналов. Сначала я предполагал, что там могут быть некоторые задержки и планировал длительность импульса заряда дросселя оценивать именно по управляющему сигналу, но оказалось, что линейный процесс нарастания тока в дросселе начинается сразу с появлением управляющего импульса и длительность управляющего импульса можно оценить по осциллограмме снятой с датчика тока. Поэтому, если вы еще не сделали выход N6 в этой схеме, то можете и не делать его, он не нужен и все можно наблюдать исключительно по датчику тока. В этом случае, выход N6 нужно просто замкнуть с выходами всех других инверторов для улучшения их нагрузочной способности.

Собрав стенд у меня получилась вот такая платка:
2015-05-25 02.19.07.jpg
Стенд для тестирования тока насыщения дросселей
Работать с такой приставкой/стендом очень просто. Вставляем дроссель, выставляем минимальную длительность импульса (ручку переменного резистора до упора влево), подаем питание 12В и смотрим на осцилл. Регулируем длительность импульса до момента появления нелинейной зависимости нарастания тока в дросселе (плавный заворот или резкое изменение угла наклона) это зона начала насыщения дросселя. По осциллограмме мы можем определить сразу два параметра: первый и самый главный - амплитуда тока насыщения дросселя (считаем по закону Ома исходя из номинала токоизмерительного резистора) и второй параметр - длительность импульса закачки энергии в дроссель до момента его насыщения. У вас должно получиться что-то подобное:
image1.jpeg
5 мкс/5А/10 мкГн
image2.png
5 мкс/5А/10 мкГн
image2.png (5.85 КБ) 1038 просмотров
image3.jpeg
60 мкс/2А/390 мкГн
image4.png
60 мкс/2А/390 мкГн
image4.png (5.86 КБ) 1038 просмотров
image5.jpeg
30 мкс/2А/170 мкГн
image6.png
30 мкс/2А/170 мкГн
image6.png (6.59 КБ) 1038 просмотров
Получив столь драгоценную информацию, можно переходить к следующему этапу - к управлению ключевым транзистором, ведь теперь мы знаем как им управлять, чтобы наш дроссель не вышел за пределы возможного и при этом запас в себе оптимальное количество энергии. Продолжение следует...

Часть 3. Неправильная частота генерации
Итак, ранее мы определили, какой импульс должны применить для нормальной работы индуктора, рассчитали по формуле, какая должна быть длительность паузы при установленных условиях работы. Определились с частотой работы преобразователя. Осталось дело за малым, рассчитать правильные номиналы частотозадающих элементов, установить их и все будет работать так, как запланироавли. Но, как показала практика, это только на бумаге так, в реальности все зависит от того, какую частоту генерации вы хотите получить.

Открываем datasheet:
NE555-st.pdf
(502.64 КБ) 36 скачиваний
Находим необходимую информацию о том, какие должны быть номиналы частотозадающих элементов под необходимые нам условия:
Скриншот 2015-06-01 00.56.19.png
К примеру, я применил следующие номиналы: R1=1800 Ом, R2=2660 Ом, С1=0,93 нФ (все параметры проверены мультиметром для более точного определения частоты генерации). Теперь, если подставить эти значения в приведенные формулы, то мы должны получить следующие результаты:
Время импульса (t1) - 2.87 мкс, время паузы (t2) - 1.71 мкс, частота преобразования 217 кГц, период 4.6 мкс.

Что мы имеем на самом деле:
Импульсы.jpg
Пороги.jpg
В реальности получилось, что частота генерации стала 143 кГц, соответственно, длительность импульса/паузы и период съехали пропорционально.
Почему же формула не сработала? Почему расчетное значение так сильно отличается от действительности? Все дело в быстродействии внутренних компараторов. Компараторы имеют задержку на включение и прежде чем компаратор успевает сработать, реальный сигнал уже успевает "проскочить" через свой порог... Лечится это очень просто, либо нужно снизить частоту преобразователя (формула начнет работать), либо нужно подстроить частоту путем подбора нужных резисторов и конденсатора, что придется сделать многократно и потом отследить форму сигнала по осциллографу.
Взгляните еще раз на эту осциллограмму.
Пороги.jpg


На частоте, когда компаратор успевает срабатывать адекватно, пороги равны 1/3 и 2/3. Здесь видно, что этот баланс не соблюдается, отсюда берется и съехавшая вниз частота преобразования (питание схемы от напряжения 12.45В).

Мы проделали небольшую исследовательскую работу по этому вопросу и оказалось, что микросхемы в DIP корпусе, например, в тех же условиях генерят на частоте около 160 кГц, т.е. параметр "отклонения от расчетного значения" индивидуальный для каждого образца и должен быть проверен в случае необходимости генерации точных значений длительности импульса и длительности паузы.

Хочу отметить важный момент. 555 микросхема в своем традиционном включении не может работать в режиме заполнения менее 50%. Это означает, что в традиционном включении длительность импульса всегда больше длительности паузы. Но это бывает крайне неудобно, к примеру, мы определились с частотой и длительностью импульса, а вот длительность паузы у нас становится предельно маленькой и есть вероятность не успеть за этот промежуток времени отдать накопленную энергию дросселем на выход преобразователя. Для решения этой задачи очень удобно применять обычный диод, который шунтирует собой R2.
Скриншот 2015-06-01 00.56.19.jpg
В этом случае длительность импульса t1 и длительность паузы t2 становятся независимыми друг от друга и вы можете рассчитать необходимые вам параметры управляющего сигнала. К примеру, у меня длительность импульса меньше раза в 3, чем длительность паузы. Включение шунтирующего диода позволяет на практике формировать нужные значения длительности и паузы с большой точностью, что очень удобно! Продолжение следует...
Стремление к совершенству рождает шедевры!
https://vk.com/alaevlabs

Аватара пользователя
poty
Профи
Профи
Сообщения: 3277
Зарегистрирован: 24 мар 2014, 10:00
Откуда: Россия, Москва
Благодарил (а): 3 раза
Поблагодарили: 14 раз

#5

Сообщение poty » 01 июн 2015, 20:47

Алаев Ян писал(а):По осциллограмме мы можем определить сразу два параметра: первый и самый главный - амплитуда тока насыщения дросселя (считаем по закону Ома исходя из номинала токоизмерительного резистора) и второй параметр - длительность импульса закачки энергии в дроссель до момента его насыщения.
Уточню: второй параметр зависит от напряжения, подаваемого на дроссель (чем больше напряжение, тем быстрее будет "заряжаться" дроссель), поэтому либо исследования нужно проводить с тем напряжением, которое будет использоваться в готовом устройстве, либо нужно рассчитать этот импульс по формуле, приведённой в статье, на которую была приведена ссылка ранее.
Владислав

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2286
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 10 раз
Поблагодарили: 3 раза
Контактная информация:

#6

Сообщение Алаев Ян » 01 июн 2015, 22:05

Справедливое замечание. В своих рассуждениях я подразумевал, что в рабочем проекте дроссель будет работать в тех же условиях, что и на испытательном стенде.
Стремление к совершенству рождает шедевры!
https://vk.com/alaevlabs

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2286
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 10 раз
Поблагодарили: 3 раза
Контактная информация:

#7

Сообщение Алаев Ян » 11 июн 2015, 11:11

Для желающих помоделировать - модель NE555 для LTSpice
NE555.zip
Модель NE555 для LTSpice
(2.32 КБ) 33 скачивания
Стремление к совершенству рождает шедевры!
https://vk.com/alaevlabs

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2286
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 10 раз
Поблагодарили: 3 раза
Контактная информация:

#8

Сообщение Алаев Ян » 04 июл 2015, 01:25

Собран первый образец высоковольтного преобразователя напряжения.
Впереди испытания на нагрузочную способность.
IMG_4304.JPG
Высоковольтный преобразователь напряжения. Версия 1.
IMG_4297.JPG
Высоковольтный преобразователь напряжения. Версия 1.
IMG_4238.JPG
Высоковольтный преобразователь напряжения. Версия 1.
IMG_4241.JPG
Высоковольтный преобразователь напряжения. Версия 1.
IMG_4244.JPG
Высоковольтный преобразователь напряжения. Версия 1.
IMG_4248.JPG
Высоковольтный преобразователь напряжения. Версия 1.
IMG_4250.JPG
Высоковольтный преобразователь напряжения. Версия 1.
IMG_4252.JPG
Высоковольтный преобразователь напряжения. Версия 1.
IMG_4253.JPG
Высоковольтный преобразователь напряжения. Версия 1.
Стремление к совершенству рождает шедевры!
https://vk.com/alaevlabs

Аватара пользователя
poty
Профи
Профи
Сообщения: 3277
Зарегистрирован: 24 мар 2014, 10:00
Откуда: Россия, Москва
Благодарил (а): 3 раза
Поблагодарили: 14 раз

#9

Сообщение poty » 23 янв 2016, 19:04

После достаточно длительного периода, я попытаюсь рассказать о проекте высоковольтного преобразователя напряжения. В идеале, конечно же, хорошо было бы привести результаты практических испытаний, но по разным причинам это на данный момент невозможно. Кроме того, в таких устройствах любые практические испытания - лишь ориентир, поскольку количество "элементов влияний" настолько велико, что фактически превращает устройство в уникальное для каждого практического применения. Я также попытаюсь ответить на животрепещущие вопросы, появившиеся на странице отзывов по платам высоковольтного преобразователя.
Итак, какова была постановка задачи:
1. Входное напряжение 10-18В. Исходили из следующих ограничений: а) возможность непосредственного питания NE555 от входного напряжения; б) возможность управления выходным напряжением распространённых высоковольтных MOSFET (преодоление порогового напряжения открывания); в)обеспечение адекватного соотношения входных и выходных токов.
2. Стабилизированное входное напряжение. Предполагалось что входным питанием будут распространённые импульсные блоки питания, которые в подавляющем большинстве стабилизированы изнутри. Кроме того, это позволило отказаться от усложнения разрабатываемой платы, которое в большинстве случаев бы не использовалось.
3. Защита от высокого выходного импеданса входного напряжения. Предусматривается входной C2LC-фильтр и защитный диод обратного импульса входных индуктивностей. Кроме того, предусматривается LC развязка питания NE555 и усилителя ошибки стабилизации.
4. Индикация наличия входного напряжения.
5. Возможность применения как выводных, так и SMD деталей (где это возможно), включая две версии корпуса NE555.
6. Расчётные величины по выходу - 400В и 100мА. Однако, на практике придётся жертвовать либо тем, либо другим. Объяснение - ниже.
7. Использование NE555 в режиме фиксированной частоты или с использованием стабилизации с обратной связью, описанной выше.
8. Возможность использования независимой регулировки длительности импульса и паузы (описано выше).
9. "Разгрузка" разрядки затвора управляющего транзистора.
10. CLC фильтрация на выходе.
11. Индикация выхода на расчётный режим.
Кроме этого, я добавил возможность использования так называемого "соединение Кельвина", при котором блок питания подключается к потребителю по 4-х проводной схеме (пара - для питания; пара - для сенсора напряжения стабилизатора).

[upd=1453557249][/upd]
Некоторые соображения:
Предполагалось, что устройство будет простым, но учёт всех требований привёл к тому, что количество вариаций в его сборке стал достаточно большим. Несмотря на это, расчёт устройства всё равно оказывается более сложным делом, чем его реализация.
Устройство оптимальнее работает на высоких входных напряжениях. Это связано с тем, что при низких напряжениях уровень управляющего MOSFET-ом выходного напряжения NE555 не обеспечивает ввод транзистора в насыщение, его внутреннее сопротивление в открытом состоянии увеличивается, соответственно, часть входной мощности рассеивается бесполезно.
Заявленные 400В и 100мА, скорее всего, недостижимы одновременно. КПД получающегося преобразователя составляет около 60%. Т.о., 400Вх100мА=40Вт превращаются во входную мощность не менее 67Вт. При входном напряжении, допустим, в 12В входной ток будет составлять 5,6А, именно на такой (или больший) ток должна быть рассчитана транзитная индуктивность, при этом значение этой индуктивности не должно превышать 10мкГн, или частота переключения станет слишком низкой. Теоретически, это возможно, все части платы на это рассчитаны, но практически это не проверялось. Ещё одним ограничением является тепловое сопротивление радиатора, которое можно применить в конструктиве платы, при таких больших токах рассеяние на ключевом транзисторе может быть значительным. Расчётный предел рассеяния - 15Вт, но он сильно зависит от конструкции корпуса транзистора.

[upd=1453559115][/upd]
В разработанной конструкции отсутствует защита от короткого замыкания. Причин здесь несколько:
- автоматическая защита от короткого замыкания потребовала бы учёта значительного рассеяния мощности после срабатывания и была бы едва ли не сложнее основного устройства; соответственно, размеры устройства были бы увеличены, однако, кроме экспериментальных целей, эта возможность никогда бы не была использована
- увеличение выходного сопротивления блока (так как сенсор тока необходимо было бы размещать после последнего конденсатора фильтра); кроме того, это не устранило бы проблемы наличия конденсаторов вне пределов платы (например, в подключенном устройстве);
- базовую защиту от КЗ можно реализовать многими способами, например, установкой обычного плавкого предохранителя, самовосстанавливающихся предохранителей и даже с помощью простейшего источника тока на DN2540, включенного вместо индуктивности выходного фильтра.
По последнему пункту выскажусь подробнее. Если соединить затвор DN2540 с истоком, то этот Depleted mode MOSFET станет выполнять роль источника тока с ограничением в районе 100-120мА (сток - к накопительному конденсатору буст-регулятора, исток - к выходу платы). Потеря напряжения на нём в режиме насыщения вряд ли превысит 3-4 Вольта. Этот транзистор выдерживает 400В, поэтому реально будет выполнять роль защиты от КЗ... если бы не выходной конденсатор. Замыкание его (выходного конденсатора) выводов может привести к его разрушению. Выходом из ситуации будет исключение выходного конденсатора на плате (или уменьшение его до минимальных значений, при которых можно применить неэлектролитический конденсатор, например, до 100нФ) и использование для фильтрации конденсатора на том устройстве, которое запитывается. Естественно, при КЗ с подключенным потребителем, КЗ может разрушить уже конденсатор этого самого потребителя, но в этом не сможет помочь никакая схема защиты от КЗ в блоке питания.
Для того, чтобы подтвердить работоспособность такого ухищрения, я провёл симуляцию полной схемы с предложенным выше изменением. Выходной конденсатор я не удалял, предполагая, что он так или иначе будет где-то расположен. Кроме того, я замерил все интересные значения напряжений, токов и мощностей рассеяния в разных "уголках" схемы.
Начальные данные:
Напряжение питания: 12,4В
Выходное напряжение: 299В на нагрузке 22кОм (13,6мА)
Стабилизация включена.
Применяемый транзистор: IRF840
Применяемая катушка индуктивности: 5 мкс/5А/10 мкГн из вышеприведённых испытаний Яна
Фактически, большинство параметров "снято" с той платы, которая продемонстрирована Яном чуть выше.
Буду замерять в следующих режимах:
- Включение при КЗ на выходе.
- Восстановление после КЗ при включении.
- Увеличение тока нагрузки на 10%.
- Восстановление нормального тока нагрузки.
- Уменьшение входного напряжения на 10%.
- Увеличение входного напряжения на 10% (от номинального).
- Короткое замыкание во время работы.

[upd=1453583119][/upd]
Схема, на которую буду ссылаться:
BREV.jpg
Схема высоковольтного преобразователя
[upd=1453589529][/upd]
Я буду анализировать ток входного источника напряжения Vin, ток накопительных конденсаторов C=C2+C8, ток трансферной индуктивности L4, ток диода D5, ток выходного конденсатора C9 и фильтрующего C10, мощности рассеяния коммутирующего транзистора VT3 и DN2540, установленного вместо L5.
Нормальный устоявшийся режим:
От входного источника (12,4В) потребляется ток 600мА с небольшой переменной составляющей (не более 30мА), мощность по входу 7,44Вт.
При этом на выходе - 299В, ток 13,6мА, пульсации частотой 94кГц, амплитудой пик-пик 12мВ. КПД=55%.
Максимальный ток C = 2,9А, L4 = 3,5А, D5 = 2,8А, C9 = 2,8А, C10 = 97мА. Мощности рассеяния VT3 = 3,5Вт, DN2540 = 11мВт (при падении напряжения 1,5В).

Включение с КЗ:
От входного источника (12,4В) потребляется ток 1,1А, мощность по входу 13,64Вт.
Максимальный ток C = 2,9А, L4 = 3,8А, D5= 3,8А, C9 = 2,8А, C10 = 12мА. Мощности рассеяния VT3 = 2Вт, DN2540 = 10,3Вт.

КЗ из рабочего режима:
От входного источника (12,4В) потребляется ток 1,1А, мощность по входу 13,64Вт.
Частота преобразования 90,5кГц.
Максимальный ток C = 3,1А, L4 = 4,3А, D5 = 4,3А, C9 = 3,9А, C10 = 14мА. Мощности рассеяния VT3 = 2,6Вт, DN2540 = 12,3Вт (напряжение скачком изменяется от 1,5В до 272В до 50В на котором впоследствии остаётся).
При этом понятно, что переход к короткому замыканию повышает ток через C10 (разряд) до нескольких десятков ампер.

Увеличение нагрузки (тока) на 10%:
От входного источника (12,4В) потребляется ток 640мА с небольшой переменной составляющей (не более 25мА), мощность по входу 7,94Вт.
При этом на выходе - 295В, ток 14,9мА, пульсации частотой 93,2кГц, амплитудой пик-пик 13мВ, время установления 70мс, восстановления - 66мс. КПД=55%.
Максимальный ток C = 2,9А, L4 = 3,6А, D5 = 3А, C9 = 2,9А, C10 = 107мА.
Коэффициент регулирования - 7 (изменения напряжения на выходе в 7 раз меньше изменения тока нагрузки).

Уменьшение входного напряжения на 10%:
От входного источника (11,2В) потребляется ток 620мА с небольшой переменной составляющей (не более 25мА), мощность по входу 6,94Вт.
При этом на выходе - 286В, ток 13мА, пульсации частотой 91,4кГц, амплитудой пик-пик 12мВ, время установления 149мс. КПД=54%.
Максимальный ток C = 2,8А (при установлении - до 7,5А), L4 = 3,4А, D5 = 2,8А, C9 = 2,8А, C10 = 97мА. Мощности рассеяния VT3 = 3,6Вт, DN2540 = 13мВт.
Коэффициент регулирования - 2,2 (уменьшение напряжения на выходе в 2,2 раза меньше изменений напряжения на входе).

Увеличение входного напряжения на 10%:
От входного источника (13,6В) потребляется ток 570мА с небольшой переменной составляющей (не более 20мА), мощность по входу 7,75Вт.
При этом на выходе - 307В, ток 14мА, пульсации частотой 97,5кГц, амплитудой пик-пик 12мВ, время установления 89мс. КПД=55%.
Максимальный ток C = 2,9А (при установлении - до 10,5А), L4 = 3,5А (при установлении - до 4,1), D5 = 2,9А (при установлении - до 3,5А), C9 = 2,9А (при установлении - до 3,5А), C10 = 97мА. Мощности рассеяния VT3 = 3,6Вт, DN2540 = 11мВт.
Коэффициент регулирования - 3,6 (увеличение напряжения на выходе в 3,6 раза меньше изменений напряжения на входе.

Приведённые цифры говорят об эффективности и скорости работы ОС, а также о прогнозируемых амплитудах, которые необходимо учитывать при выборе деталей. Насколько это приемлемо для Ваших применений - решать Вам.
Владислав

Аватара пользователя
poty
Профи
Профи
Сообщения: 3277
Зарегистрирован: 24 мар 2014, 10:00
Откуда: Россия, Москва
Благодарил (а): 3 раза
Поблагодарили: 14 раз

#10

Сообщение poty » 28 окт 2016, 14:18

Я прошу прощения, что не заметил раньше одну ошибку, присутствующую и в моей симуляции: R3 и R5 должны быть подключены к 8 ноге 555!!!

Я прошу прощения. В прошлый раз упустил из виду, что переход база-эмиттер может служить в качестве стабилитрона и шунтировать другой переход база-эмиттер. Предлагаю изменить схему вот так, возвратясь к справедливому замечанию Яна и переместив развязку по земле до всей схемы в общем:
Новая версия.jpg
Новая версия
В этом случае, всё получается хорошо, на рисунке видно, что напряжение стабилизируется на том же уровне, что и раньше, пульсации не увеличились, через диод протекает примерно 1,2мА.
Владислав

Закрыто