Резонансные фильтры
До сих пор мы с вами рассматривали фильтры состоящие либо из конденсаторов, либо из катушек индуктивности, но не из обоих этих компонентов одновременно. Вы уже знаете, что комбинации L и C, как правило, резонируют, и это свойство можно использовать при проектировании полосовых и полосно-заграждающих фильтрующих схем.
Последовательные LC цепи дают минимальный импеданс в резонансе, в то время как параллельные LC цепи дают максимальный импеданс на резонансной частоте. Учитывая это, у нас есть две основных стратегии для проектирования либо полосовых, либо полосно-заграждающих (режекторных) фильтров.
Существуют две основные схемы полосовых резонансных фильтров: последовательная LC схема (пропускающая сигнал) и параллельная LC схема (закорачивающая сигнал). Давайте смоделируем и противопоставим эти две схемы:
Последовательный полосовой резонансный LC фильтр
Последовательные LC компоненты пропускают в нагрузку сигнал на резонансной частоте, и блокируют сигналы других частот.
series resonant bandpass filter
v1 1 0 ac 1 sin
l1 1 2 1
c1 2 3 1u
rload 3 0 1k
.ac lin 20 50 250
.plot ac v(3)
.end 
Последовательный полосовой резонансный фильтр: пик напряжения находится на резонансной частоте 159.15 Гц.
Обратите внимание на пару моментов: в полосе пропускания (в диапазоне частот вблизи пика напряжения нагрузки) этого фильтра практически нет затухания сигнала (в отличие от полосовых фильтров, изготовленных только из конденсаторов или катушек индуктивности).
Кроме того, поскольку данный фильтр работает по принципу последовательного LC резонанса, резонансная частота которого не зависит от сопротивления цепи, величина нагрузочного резистора не искажает пика частоты.
Однако, различные значения нагрузочного резистора будут изменять «крутизну» графика Боде («селективность» фильтра).
Другая схема полосового резонансного фильтра включает в себя колебательный контур (параллельное соединение LC). Она закорачивает сигналы слишком высокой или слишком низкой частоты, и не пропускает их в нагрузку:
Параллельный полосовой резонансный фильтр
На резонансной частоте колебательный контур будет иметь высокий импеданс, позволяющий сигналу проходить на нагрузку с минимальным затуханием. На частоте, выше или ниже резонансной, колебательный контур будет обладать низким импедансом, который будет закорачивать большую часть сигнала через последовательный резистор R1:
parallel resonant bandpass filter
v1 1 0 ac 1 sin
r1 1 2 500
l1 2 0 100m
c1 2 0 10u
rload 2 0 1k
.ac lin 20 50 250
.plot ac v(2)
.end 
Параллельный полосовой резонансный фильтр: пик напряжения находится на резонансной частоте 159.15 Гц.
Аналогично фильтрам верхних и нижних частот, в которых для ослабления нежелательных частот применяются последовательное сопротивление и параллельный «закорачивающий» компонент, данная резонирующая схема не способна доставить полное напряжение источника на нагрузку. При соединении нагрузочного сопротивления с выводами фильтра, на его последовательном сопротивлении всегда будет падать некоторое количество напряжения.
Стоит отметить, что эта схема полосового фильтра очень часто применяется в аналоговых радиоприемниках, она служит для выбора конкретной радиочастоты из множества частот, поступающих от антенны. В большинстве аналоговых радиоприемников вращающийся диск выбора станции приводит в действие переменный конденсатор, расположенный внутри корпуса.
При помощи переменного конденсатора радиоприемник настраивается на одну из вещательных станций
Переменный конденсатор и катушка индуктивности с воздушным сердечником, показанные на фотографии простого приемника, представляют собой основные элементы фильтра, который выделяет сигнал одной радиостанции из множества других.
Последовательные и параллельные резонансные LC контуры можно использовать как для выделения нужной нам частоты из определенного диапазона, так и для блокировки ненужной частоты диапазона, создавая тем самым полосно-заграждающий (режекторный) фильтр. Для реализации вышесказанного существуют две основные стратегии: использование либо последовательного, либо параллельного резонанса. Сначала мы с вами рассмотрим последовательный резонанс:
Последовательный резонансный режекторный фильтр
Когда последовательный LC контур достигнет резонанса, его очень низкий импеданс закоротит сигнал через резистор R1 (предотвращая тем самым прохождение этого сигнала к нагрузке).
series resonant bandstop filter
v1 1 0 ac 1 sin
r1 1 2 500
l1 2 3 100m
c1 3 0 10u
rload 2 0 1k
.ac lin 20 70 230
.plot ac v(2)
.end 
Последовательный резонансный режекторный фильтр: Частота режекции (заграждения) = резонансной частоте LC (159,15 Гц).
Далее мы рассмотрим параллельный резонансный режекторный фильтр:
Параллельный резонансный режекторный фильтр
Параллельный LC контур на резонансной частоте обладает очень высоким импедансом, который отсекает сигнал от нагрузки. На всех остальных частотах сигнал свободно проходит к нагрузке.
parallel resonant bandstop filter
v1 1 0 ac 1 sin
l1 1 2 100m
c1 1 2 10u
rload 2 0 1k
.ac lin 20 100 200
.plot ac v(2)
.end 
Параллельный резонансный режекторный фильтр: Частота режекции (заграждения) = резонансной частоте LC (159,15 Гц)
Обратите внимание, что отсутствие последовательного резистора делает затухания «нужных» сигналов минимальными. С дугой стороны, амплитуда сигнала на частоте режекции очень мала. Можно сказать, что это очень «избирательный» фильтр.
Во всех этих конструкциях резонансных фильтров селективность в значительной степени зависит от «чистоты» используемой индуктивности и емкости.
При существовании каких-либо паразитных сопротивлений (особенно это касается катушек индуктивности), уменьшается способность фильтра тонко различать частоты, а также возможно возникновение антирезонансных эффектов, которые будут искажать частоту режекции.
А теперь, небольшое замечание для тех, у кого в данный момент возникли вопросы по проектированию фильтров нижних и верхних частот. После анализа стандартных конструкций RC и LR фильтров нижних и верхних частот, у вас может возникнуть идея, что более эффективные фильтры можно получить путем объединения емкостных и индуктивных элементов друг с другом:
Индуктивно-емкостной фильтр нижних частот
Катушки индуктивности в этой схеме должны блокировать любые высокие частоты, а конденсатор должен высокие частоты закорачивать. Их совместная работа должна пропускать к нагрузке только низкие частоты.
На первый взгляд такая стратегия кажется очень хорошей, она позволяет избавиться от последовательного сопротивления.
Однако, проницательный читатель поймет, что что любая комбинация конденсаторов и катушек индуктивности в цепи может вызвать резонансные эффекты, происходящие на определенной частоте.
Резонанс, как мы уже видели раньше, может вызывать странные вещи. Давайте проведем SPICE анализ вышеприведенной схемы, и посмотрим, что произойдет в широком диапазоне частот:
lc lowpass filter
v1 1 0 ac 1 sin
l1 1 2 100m
c1 2 0 1u
l2 2 3 100m
rload 3 0 1k
.ac lin 20 100 1k
.plot ac v(3)
.end
Неожиданная реакция L-C фильтра нижних частот.
То, что должно было быть фильтром нижних частот, оказалось полосовым фильтром с пиком в районе 526 Гц! Емкость и индуктивность данной фильтрующей схемы достигают резонанса именно на этой частоте, создавая большое падение напряжения на конденсаторе С1 (это напряжение передается на нагрузку независимо от ослабляющего влияния L2).
Выходное напряжение на нагрузке в данный момент фактически превышает входное напряжение (напряжение источника)! Немного поразмыслив можно прийти к выводу, что если L1 и С2 находятся в резонансе, они ложатся тяжелым грузом (благодаря очень низкому импедансу) на источник переменного напряжения.
Давайте проведем тот же самый SPICE анализ, только отобразим на графике напряжение С1 — vm(2), ток источника — I(v1) и напряжение на нагрузке — vm(3):
Ток увеличивается при нежелательном резонансе L-C фильтра нижних частот.
Мы видим, что напряжение на С1 и ток источника максимальны на той же частоте, на которой напряжение нагрузки тоже максимально. Наши ожидания, что данный фильтр будет исполнять функцию простого фильтра нижних частот, не оправдались.
Проблема состоит в том, что L-C фильтр имеет входной и выходной импедансы, которые должны быть согласованы. Импеданс источника напряжения должен соответствовать входному импедансу фильтра, а выходной импеданс фильтра должен быть согласован с «Rнагрузки». Входной и выходной импедансы рассчитываются по следующей формуле:
Z = (L/C)1/2
Подставив значения компонентов из вышерассмотренной схемы в данную формулу, мы можем найти импеданс фильтра, и соответствующие ему Rг и Rнагрузки:
Для L= 100 мГн, C= 1мкФ Z = (L/C)1/2=((100 мГн)/(1 мкФ))1/2 = 316 Ом
На нижеприведенной схеме мы добавили Rг = 316 Ом к генератору (источнику напряжения), и изменили Rнагрузки с 1000 Ом до 316 Ом. Обратите внимание: если нам нужно управлять нагрузкой 1000 Ом, то отношение L / C придется скорректировать так, чтобы оно соответствовало этому сопротивлению.
Эта схема соответствует L-C фильтру нижних частот
LC matched lowpass filter
V1 1 0 ac 1 SIN
Rg 1 4 316
L1 4 2 100m
C1 2 0 1.0u
L2 2 3 100m
Rload 3 0 316
.ac lin 20 100 1k
.plot ac v(3)
.end
На следующем рисунке показана амплитудно-частотная характеристика L-C фильтра нижних частот, когда импедансы источника и нагрузки соответствуют входным и выходным импедансам фильтра.
Основным недостатком рассмотренного нами L-C фильтра нижних частот является то, что при изменении величины нагрузки фильтра произойдет значительное изменение напряжения. Особенно этот недостаток нежелателен для L-C фильтров источников питания.
Данный недостаток может быть смягчен при помощи дросселя насыщения. Принцип действия дросселя насыщения основан на изменении магнитной проницаемости ферромагнитных материалов при подмагничивании сердечника постоянным током. При насыщении ферромагнитных материалов увеличивается их магнитное сопротивление.
Это приводит к уменьшению величины магнитного потока, создаваемого ампер-витками переменного тока, а следовательно, и к уменьшению э. д. с. самоиндукции, наводимой в этих обмотках. Таким образом, индуктивное сопротивление рабочих обмоток дросселя насыщения при увеличении тока подмагничивания уменьшается.
Уменьшение тока в обмотке подмагничивания приводит к увеличению индуктивного сопротивления рабочих обмоток.
Несмотря на паразитный резонанс, фильтры нижних частот, составленные из конденсаторов и катушек индуктивности, часто используются на выходе AC/DC источников питания. Они отфильтровывают нежелательное переменное напряжение из постоянного. Возникает резонный вопрос, почему именно эти фильтры находят широкое применение в источниках питания?
Ответ заключается в выборе размеров компонентов фильтра и частот, возникающих в AC/DC преобразователе (выпрямителе). Роль фильтра в преобразователе напряжения довольно проста, он отделяет постоянное напряжение от небольшого количества относительно высокочастотного переменного напряжения.
Катушки индуктивности и конденсаторы фильтра имеют довольно большие значения (несколько Генри для катушек индуктивности и тысячи мкФ для конденсаторов), что делает резонансную частоту фильтра очень, очень низкой. Постоянное напряжение, конечно-же, имеет нулевую частоту, а значит, оно не может заставить LC-цепь резонировать.
Пульсирующее напряжение, с другой стороны, является несинусоидальным переменным напряжением, состоящим из основной частоты (которая по крайней мере в два раза превышает частоту исходного переменного напряжения) и множественных гармоник.
Для преобразователей напряжения, работающих от бытовой сети переменного тока частотой 50 Гц, самая низкая частота, которую когда-либо будет видеть фильтр, составит 100 Гц, и эта частота намного больше резонирующей точки фильтра. Таким образом, возникновение паразитного резонанса в таком фильтре полностью исключено.
Следующий SPICE анализ рассчитывает выходное напряжение (переменное и постоянное) для рассмотренного выше фильтра. Грубое приближение смешанной частоты на выходе AC/DC преобразователя обеспечивает последовательное соединение источников постоянного и переменного (120 Гц) напряжения.
ac/dc power supply filter
v1 1 0 ac 1 sin
v2 2 1 dc
l1 2 3 3
c1 3 0 9500u
l2 3 4 2
rload 4 0 1k
.dc v2 12 12 1
.ac lin 1 120 120
.print dc v(4)
.print ac v(4)
.end
v2 v(4)
1.200E+01 1.200E+01 DC voltage at load = 12 volts
freq v(4)
1.200E+02 3.412E-05 AC voltage at load = 34.12 microvolts
Как видно из анализа, на нагрузку приходят все 12 вольт постоянного напряжения и только 34,12 микровольт из 1 вольта переменного напряжения. Таким образом, данная конструкция фильтра очень эффективна для применения в источниках питания.
Все, что мы с вами рассмотрели касаемо фильтров нижних частот (использующих конденсаторы и катушки индуктивности), полностью применимо и к фильтрам верхних частот.
Получаем синусоиду от инвертора — Изготовление и наладка, плюсы и минусы решения
Изготовление и наладка силового фильтра гармоник на 50Гц для подключения к инвертору с целью получения синусоидального напряжения 220В (10+)
Получаем синусоиду от инвертора — Изготовление и наладка, плюсы и минусы решения
Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь
Изготовление и наладка
Обмотка выполняется жгутом проводов, суммарным сечением около 2.5 мм2. Например, тремя проводами толщиной 1 мм. Не забудьте проверить, поместится ли обмотка в окно. При расчете используйте коэффициент заполнения 0.5, плотнее мне намотать не удавалось.
Наладка. Для каждой катушки проделываем следующую процедуру. Собираем катушку индуктивности, устанавливаем в сердечник прокладку рассчитанной толщины. Собираем схему, показанную на рисунке. В качестве Rn мы использовали электрическую лампочку накаливания, в качестве вольтметра переменного напряжения — тестер, рассчитанный на измерение сетевого переменного напряжения.
| Вашему вниманию подборка материалов:Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам |
Меняя толщину прокладки в сердечнике, добиваемся резонанса. Определяем его по максимальному напряжению на Rn. Я взял прокладки немного потолще. Постепенно уменьшал толщину. Сначала напряжение на Rn росло, потом начало уменьшаться. Тут и надо остановиться.
Одна особенность — при проверке прокладки сердечник нужно сжимать, так, чтобы зажать прокладку, иначе может образовываться дополнительный зазор, который испортит нам наладку.
Настройку контура нужно проводить именно с тем конденсатором, с которым будет работать катушка, так как у конденсаторов может быть достаточно большой разброс емкости (для фазосдвигающих конденсаторов допустимый разброс до 20%), а нам нужен резонанс.
Обе катушки настроены и собраны. Все, собираем схему, включаем в инвертор и проверяем. Форму выходного сигнала можно увидеть на осциллографе. У меня она получилась похожей на синусоиду с несколько заостренными пиками.
Преимущества и недостатки решения
Основным недостатком описанного фильтра является его низкая энергоэффективность. В холостом режиме, без нагрузки он потребляет 60 Вт, рассеивая их виде тепла. Он довольно массивный, тяжелый. Для изготовления требуется много медной проволоки и трансформаторного железа.
Преимущества фильтра в его высокой надежности, устойчивости к перегрузкам, хорошей фильтрации высокочастотных гармоник, наиболее опасных для приборов.
На выходе фильтра напряжение имеет форму, отличную от синусоидальной, содержащую некоторый уровень третьей и пятой гармоник. Однако большинство приборов к таким уровням этим гармоникам не чувствительно.
От фильтра питали (не одновременно): телевизор, спутниковую связь, компьютер, холодильник, циркуляционный насос, горелку котла, компьютерный томограф, аппарат искусственной вентиляции легких. Особенно скажу про два последних прибора. Они наотрез отказывались работать от покупного преобразователя 12В в 220В синусоида.
Видимо, мешали высокочастотные помехи импульсного преобразователя в синус на выходе. От нашего фильтра все заработало.
(читать дальше…) :: (в начало статьи)
Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.
Резонансный фильтр 50 гц своими руками — О металле
Для чего нужно бесперебойное питание для насоса отопления? Принцип создания ИБП своими руками.
Какой лучше бесперебойник выбрать для циркулярного прибора отопительной системы? Чтобы величина напряжения, поступающего от блока питания на реле, находилась в пределах 20—25 В, необходимо подобрать резисторы для электронной схемы.
- В то же время по частоте в 50Гц активное и реактивное сопротивление контуров составит доли Ом, что позволит без нагрева элементов проводить.
- Поиск данных по Вашему запросу:
- Схемы, справочники, даташиты:Обсуждения, статьи, мануалы:
Дождитесь окончания поиска во всех базах.По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам
ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Инвертор 12В 220В 50Гц на IR2153 Модуль
Силовой резонансный фильтр 50гц своими руками
Профиль продукции Вертикальный двухбарабанный водотрубный паровой и водогрейный котёл с. Ключевые технологии, например, резка листовой стали, прокатка, бурение барабана и трубчатых пластин, применяют передовую технологию обработки на станках с ЧПУ.
Таким образом можно уменишить автомобильный термин и продлить срок службы котла. Резка стальных труб, прокатка резьбовых труб и обработка конвективных труб применяют передовую технологию обработки на станках с ЧПУ.
Сварка продольных и кольцевых швов, сварка внутри труб и барабанов , сварка труб и фланцев, сварка других ключевых частей, применяют передовую технологию автоматической дуговой сварки под флюсом или газовой экранированной сварки, чтобы гарантировать качество сварки.
Панели цепной решётки, панели передной и задной дымовой коробки режут машиной для плазменной резки с ЧПУ, чтобы они выглядят ровными и крвсивыми.
С переда до зада колосниковой решётки установленны отдельные ветровые склады разных количеств по разным тоннажам. Потребитель может распределять подачу ветра по разным обстановкам горения, чтобы обеспечить полное горение топлива.
Вторичный вход ветра, проведение пертурбацию дымового газа в топке обеспечивают полное горение летучих веществ.
Отдельный вторичный вентилятор позволяет удобному котролю и лёгкой регулировке расхода и давления ветра. Проект Заряд Автономное энергоснабжение. Новый бестопливный генератор на постоянных магнитах в роторе и бифилярных катушках в статоре.
Генератор выполнен и показан в двух вариантах, мощностью на Генератор свободной энергии: схема практическая, Свободная энергия — процесс выделения большого количества этого элемента.
Причем в данном случае человечество не участвует в подобной выработке. Сила Генератор Серла, новый ролик Проект Заряд Именно генератор, но это видео будет интересно прежде всего тем, кто увлекается этой темой и знает основную суть. Способы получения бесплатного электричества.
Сила свободная энергия генератора генератор магнитного. Select Page. Профиль продукции Вертикальный двухбарабанный водотрубный паровой и водогрейный котёл с цепной решёткой серии SZL применяет быстродействующий монтажный или сборочный состав.
Верхняя часть является тепловой поверхностью корпуса, нижняя часть является оборудованием для горения.
В передной части корпуса водяные охлаждающие стены со всех сторон, верхняя часть которых присоединяется к барабану и нижняя часть которых присоединяется к коллектору.
В задней части кучный конвективный трубный пучок между верхним и нижним баробаном. Высокотемпературный дымовой газ выведёт в отдельный экономайзер после того, как вторичный обратный ход смывает конвективную тепловую поверхность.
В конце концов дымовой газ вступает в пылеочиститель и выдыхает в атмосферу через дымовую трубу. Устройство подачи толива: подаётся топливо равномерно и прекращает возврат огня. Никола Тесла Имя при рождении серб. Термин «вакуум» означает, что давление не превышает 20 мм рт.
- Для Проект Заряд Автономное энергоснабжение.
- Генератор выполнен и показан в двух вариантах, мощностью на свободная энергия генератора генератор магнитного advantages Генератор свободной энергии: схема практическая, Свободная энергия — процесс выделения большого количества этого элемента.
- Сила свободная энергия генератора генератор магнитного Генератор Серла, новый ролик Проект Заряд Именно генератор, но это видео будет интересно прежде всего тем, кто увлекается этой темой и знает основную суть.
- Для около свободная энергия генератора генератор магнитного производителя Мы являемся производителем промышленных котлов в Китае с летним опытом работы, чтобы обеспечить котлы с газовым топливом, котлы, работающие на биомассе, угольный котел, котел на электростанциях и т.
Бош конденсационный котел, Так как. Полезности Планшет lenovo tbi как сделать скриншот экрана Можно ли читать мантру тем кто делал приаорту Смотрите также Схема ограничителя напряжения Как делать фигурки из шариков Принципиальная схема фильтра Подпишитесь!
Полезности Ключевые технологии, например, резка листовой стали, прокатка, бурение барабана и трубчатых пластин, применяют передовую технологию обработки на станках с ЧПУ. Планшет lenovo tbi как сделать скриншот экрана Панели цепной решётки, панели передной и задной дымовой коробки режут машиной для плазменной резки с ЧПУ, чтобы они выглядят ровными и крвсивыми.
Можно ли читать мантру тем кто делал приаорту Новый бестопливный генератор на постоянных магнитах в роторе и бифилярных катушках в статоре.
Возможно ли сделать генератор свободной энергии своими руками? Смотрите также Способы получения бесплатного электричества. Как сделать услугу в 1с 8 3 Select Page.
Схема ограничителя напряжения Верхняя часть является тепловой поверхностью корпуса, нижняя часть является оборудованием для горения.
Таким образом оброзуется камера сгорания для привлечения излученной теплоты. Как делать фигурки из шариков В задней части кучный конвективный трубный пучок между верхним и нижним баробаном. Автоматические производственные линии. Сварка трубной основы и фланца применяет сварку роботом.
Как сделать силикон своими руками Устройство подачи толива: подаётся топливо равномерно и прекращает возврат огня. Принципиальная схема фильтра Термин «вакуум» означает, что давление не превышает 20 мм рт. Оставьте сообщение.
Генератор для газового котла: типы, характеристики и компании
Убираем фон 50 Гц. Режекторный фильтр
Коллаж автора
- Известный многим меломанам и музыкантам низкочастотный «гул» в усилителях звуковой частоты вызывается проникновением составляющей переменного тока с частотой 50 Герц.
- Причиной этого могут быть различные недостатки схемы — недостаточная ёмкость фильтрующих конденсаторов (часто возникает из-за их «высыхания» со временем) или, например, плохая экранировка проводов и неправильные схемы заземления.
- Также гул может появиться при подключении к усилителю какого либо внешнего устройства, тогда и причину этого явления следует искать в этом внешнем устройстве…
Если найти источник помехи проблемно, то существует способ избавиться от неё, добавив в предварительные каскады усилителя простую схему режекторного фильтра (его ещё называют полосно-заградительным). Такой фильтр может быть настроен на какую-то определённую частоту, которую он пропускать не будет. То есть, режекторный фильтр это противоположность фильтра полосового (который наоборот — пропускает только определённую частоту или полосу частот)
Подобные фильтры широко используются не только в звуковой аппаратуре, но и в кабельных телесетях для подавление помех, например. На графике ниже наглядный пример принципа работы фильтра — значительный «завал» коэффициента усиления на частоте 50 Гц:
Простую схему такого фильтра можно собрать на микросхеме — операционном усилителе (ОУ), включенном по типовой схеме согласующего каскада с высоким входным сопротивлением:
Рисунок автора
При изготовлении фильтра можно использовать любую микросхему ОУ, желательно с полевыми транзисторами на входе (TL061, 062(два канала), TL071(072) и другие).
Качество фильтрации и точность настройки на нужную частоту зависят от точности подбора номинала элементов.
При использовании пассивных элементов (резисторов и конденсаторов) с точностью подбора 1% можно добиться значительного ослабления сигнала (до 40 децибел).
Для того, чтобы «вырезать» из спектра сигнала помеху с частотой 50 Гц, сопротивления в этой схеме должны быть: R1=R2 =10 кОм, R3=R4 = 68 кОм, а емкости С1=С2 = 0,047 мкФ.
А вот ещё одна схема подобного фильтра, найденная в интернете (при желании Вы можете сами отыскать множество вариантов, в том числе с теоретическими «выкладками» и формулами расчёта нужной частоты для каждой схемы):
В этой схеме фильтрующее звено включено в цепь обратной связи ОУ и имеется возможность изменять параметры фильтра с помощью переменного резистора в некоторых пределах и точнее подстроиться под частоту помехи.
Питать обе схеме можно от любого маломощного блока питания со стабилизированным двуполярным напряжением в пределах Uпит. микросхемы ОУ ( 3 … 18 вольт). Например от такого стабилизатора…
* прошу ставить «палец-вверх» если статья была полезна
Кстати здесь Вы можете посмотреть простую схему для проверки исправности оксидных конденсаторов (электролитов) на плате усилителя, блоке питания, материнской плате компьютера и др. Прибор меряет эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (ЭПС / ESR), а этот параметр зачастую даже важнее, чем непосредственно сама ёмкость конденсатора…
Мощный резонансный блок питания на FAN7621. LLC resonant power supply
В статье рассматривается чип FAN7621.С развитием полупроводниковых приборов, особенно в области силовой электроники, в нашу жизнь прочно вошли импульсные источники питания. Насколько мне известно, в Европе уже несколько лет полностью запрещено изготовление устройств с питанием от обычного 50Гц силового трансформатора. И в этом есть масса плюсов. Экономия металла, экономия электроэнергии как экологический аспект, выигрыш в массогабаритных показателях.
Импульсные блоки питания непрерывно совершенствуются. Уже нигде не используется ЧИМ, только ШИМ, на невысоких частотах преобразования вовсю используются гибриды IGBT. Совсем недавно появилась, и начала прочно входить в нашу жизнь, технология резонансных преобразователей.
Содержание / Contents
Как то мне принесли на показ источник питания.По утверждению даташита этого БП – его мощность достигала 500Вт при очень скромных размерах платы- 100х100 мм. А радиаторы силовых ключей вызвали мой истерический смех…Как? 500Вт на этих радиаторах? Издеваются???Полез на сайт производителя и прочитал волшебное слово resonant topology.
Ну как я могу пройти мимо и не пощщупать так сказать!Изучение этой темы вынудило меня обратиться к сайтам разработчиков полупроводников для силовой электроники. И только в одной конторе еще не всех инженеров подвинули маркетологи — Fairchild Semiconductor. У них нашлось пара интересных для меня вещей.
Контроллер FAN7621 (он единственный из всех в DIP корпусе ) и сборка FSFR2100.
Решил начать с FAN7621.
Для изучения был использован даташит на FAN7621 и application note AN-4151.
Данная конструкция является моей вольной интерпретацией документа по имени AN-4151 от Fairchild Semiconductor — нет, не реклама, даже семплы у них не заказывал! Просто они оказались ближе остальных к людям. Все неточности на моей совести.Одной из проблем любого ИБП является его КПД.
Тепловые и коммутационные потери, потери на обратном восстановлении выпрямительных диодов – вот те немногие факторы, что усложняют жизнь конструторам и разработчикам таких блоков питания.Одним из вариантом повышения КПД является использования резонансной схемы.
Изначально резонансная схема БП (LC resonant converter ) была предложена для увеличения рабочей частоты преобразователя, снижения коммутационных потерь и уменьшения размеров моточных узлов.Еще она интересна тем, что форма передаваемого тока в нагрузку близка к синусоиде и ключи в преобразователе работают в режиме “мягкого переключения” (ZVS – zero volage switching ).
Как это работает, я до конца не понял и объяснения человеческим языком не нашел, так что пока принцип работы LC resonant converter-а. Это попроще…Полумостовой преобразователь нагружен на резонансную цепь, в которую входит силовой трансформатор, индуктивность Lr и емкость Cr. У этой цепи есть некая резонансная частота.На эту цепь подается напряжение Vd, с частотой, близкой к резонансной для этой цепи, тем самым, меняя частоту в сторону резонанса, можно увеличивать напряжение на выходе трансформатора. Соответственно изменяя частоту в противоположную сторону, и уходя от резонанса, можно это напряжение уменьшать. Трансформатор с нагрузками является частью резонансной цепи, и от изменения импеданса всей цепи меняется напряжения на нагрузке. Разработчики называют это изменение DC gain. И оно, для этого варианта конвертера всегда меньше единицы.Здесь есть одна засада – диапазон регулирования сильно зависит от нагрузки. Поэтому и рекомендуют использовать такую схему при номинальной или близко к номинальной нагрузке.Теоретически, при стремлении нагрузке к минимуму, необходимо увеличивать частоту контура до бесконечности, что невозможно.Этот недостаток можно частично устранить, если использовать трансформатор, как часть индуктивности резонансной цепи.Эта топология называется LLC resonant converter.Здесь трансформатор зашунтирован индуктивностью Lm. Это снижает эффективность работы схемы, но при работе на “высокой” стороне снижение коммутационных потерь более предпочтительно потерям в индуктивностях. К тому же, эту индуктивность можно конструктивно представить как часть первичной обмотки. Единственное уточнение.Значение индуктивности Lm в несколько раз больше Lr. Поэтому приходится вводить зазор в сердечник. Но зато можно поддерживать постоянное напряжение на выходе при разных уровнях нагрузки путем незначительного изменения частоты переключения.Более понятно это видно на графике.Старт происходит на частоте выше 100кГц, потом частота снижается, приближаясь к резонансной, и поддерживается на нужном уровне обратной связью, как в обычном стабилизированном БП. В общем фишечка интересна, и ее обязательно надо пощупать.Вообще, вышеуказанный апнот и даташит написан для тупых вроде меня, и достаточно подробно. Что и послужило толчком для повторения.Поэтому больше расскажу о том, как и что делал.Для начала надо определиться, что я буду питать. Появилась идея заменить в одном из моих усилителей БП на жалком гибриде таймера и драйвера — IR2153. В общем подопытный кролик выбран — начнем!Нужно получить двухполярное напряжение +/- 30В для умзч, и +24В для защиты АС.В принципе ничего сложного.Единственное уточнение – для УМЗЧ стабилизация ИБП не только не обязательна, но и противопоказана. А нам надо управлять резонансной частотой в зависимости от нагрузки.Поэтому стабилизировать буду шину защиты АС, а питание мощника пусть будет само по себе.Рисую схему.
Сама по себе FAN7621 обладает всеми видами защит, и по умолчанию в даташите на нее отрисована схема токовой защиты по одной полуволне в первичной обмотке.
Но там же и рассказано, что можно использовать монитроинг по обоим полуволнам тока.Вот так:Или вот так:Также пришлось видоизменить под свою концепцию питание контроллера.В даташите нарисовано питание от какого-то стороннего дежурного БП на 16-20В, я же решил применить самопитание и запуск на проверенной схеме от параметрического стабилизатора.Минимально напряжение для запуска заявлено 14.
5В, защита от перенапряжения – 23В.Вот в этом коридоре и надо работать.От 15В мы стартуем, потом самопитание подхватывает и за счет диода D2 отсекает пусковой стаб от контроллера. При повышении до 23В мы радостно отключаемся.Думаю должно работать.Ну а теперь самое интересное.Когда-то давно, мне под разбор попался скоропостижно разбитый маленьким ребенком моего коллеги LCD телевизор.
Внутри был вполне себе солидный БП, совмещенный с драйвером подсветки.И я еще тогда удивился, зачем первичка и вторичка на разных катушках, да еще и разнесены на каркасе? Но тогда я был болен лампами и ИБП на TL494, и кроме удивления такой избыточностью, никакого практического интереса это у меня не вызвало…
Вот же дебил какой я был невнимательный! У меня же в руках был резонансник…
Причем живой.
А я яростно выкусывал кусачками перегородку и шлифовал надфилем поверхность катушки.Вот эту перегородку, как на фото.И только вот недавно я понял, для чего была эта избыточность…Как я рассказывал выше, для LLC топологии требуется Lm поместить в трансформатор.Для этого нужно, чтоб обмотка была не только компактно намотана, но и как можно меньше была подвержена влиянию вторичной обмотки.Нужно получить не только требуемую индуктивность первички, но и невысокую индуктивность рассеяния.Схема намотки, а также параметры трансформатора указаны в даташите.В апноте AN-4151 также дан расчет трансформатора. Там немного другие данные. Расчет довольно большой, зато расписан пошагово и с примерами.Самое долгое, ожидание контроллера. Почта работает быстро, поэтому не прошло и полутора месяцев, и вот контроллер установлен.Первое включение естественно через лампочку!И тишина….Оказалось, что стабилитрона на 15В маловато для запуска, на ноге питания при старте всего 13.8В при пороге в 14.5В.Меняю зенера на 16В – и вот:Ничего не стрельнуло, и даже чего то засветилось!Идет измерение питащего контроллер напряжения и частота импульсов на нижнем фете.Пробую крутить регулировку напряжения на выходе. Напряжение меняется, частота тоже.Работает!Теперь надо нагрузить вторую обмотку – ту, что 2*30В нерегулируемая.Сразу закономерность – от нагрузки на другую обмотку меняется напряжение на стабилизированной. В принципе все верно, резонанс распространяется на все обмотки.Но диапазона регулирования вверх явно не хватает- не могу вытянуть +24В. Минимальная частота – 71кГц.Пришло время разобрать цепь управления частотой.Вот эта цепь:Мы имеем здесь три настраиваемых цепи.1. Софтстарт.2. Задание минимальной частоты.3. Задание максимальной частоты.Работает оно просто, как табурет. Чем меньше сопротивление между ногой RT и массой, тем выше частота.Начнем с софт-старта. Электролит Сss и резистор Rss образуют цепь плавного пуска. В момент подачи питания на контроллер, электролит имеет низкое сопротивление, и резистор Rss подключается параллельно Rmin, который, в свою очередь определяет нижнюю границу частоты контроллера. Общее сопротивление цепи меньше Rmin — частота зависит от общего сопротивления Rss и Rmin. По мере заряда Сss, сопротивление цепи СssRss растет до бесконечности и перестаяет отказывать влияние на общее сопротивление в цепи RT.В цепи остается только Rmin.Процесс приближается к резонансу.Пока на выходе нет напряжения, оптопара полностью закрыта, и резистор Rmax не подключен в цепь RT-масса. Но напряжение растет, пропорционально этому открывается транзистор оптопары, и начинает подключаться резистор Rmax, повышая частоту и удерживая ее значение для требуемого выходного напряжения. Вот таким простым способом реализуется регулировка выходного напряжения.Так как у меня минимальный порог не достаточен для удержания напряжения в цепи +24В, то нужно мне увеличить сопротивление Rmin.И заодно, так как БП предстоит заряжать “банки” по шинам питания УМЗЧ, софтстарт сделаю более затяжным, увеличив Css до 22мкф. с измененными номиналами:Вперед!Теперь напряжение подтягивается нормально, есть запас вверх – начинаю мучить его.В качестве нагрузке по шине 30+30В сначала была гирлянда из лампочек 220В*60Вт.Три штуки. При напряжении на них в ~60В суммарная нагрузка на БП всего 18вт, поэтому был добавлен “водоем” для охлажедния ПЭВ-ок, использованных в качестве нагрузки.ПЭВ-ки включены гирляндой 10+5+5+5+5+10 Ом.Осциллограммы для разных нагрузок:Голубой – затвор нижнего ключа.Желтый – форма тока в первичке (преобразование на резисторах токовой защиты)Нагрузка 18Вт. (три лампы 220В*60Вт )Запускаю всю гирлядну.Нагрузка 96Вт. (40 Ом)Откидываю одну секцию на 10 Ом.Нагрузка 127Вт. (30 Ом)Дальше эксперимент провалился – сработала защита.От перенапряжения. На питании контроллера при этом 23.3В – почти порог.Вода успела нагреться в ведерке градусов до 45.Также сильно нагрелись диоды выпрямительного моста на шине 30+30В.Там стоят попарно включенные SF56.Видимо сюда просятся Шоттки. По осциллограммам видно, что БП пытается подтянуть “падающую” под нагрузкой напругу, снижая частоту. При этом также растет вторичная напруга на питании контроллера.Напруга 30+30 проседает, от минимума до максимума – 3в.С небольшой нагрузкой – 63.2В, при 127Вт – 60.2В.Получается просадка 1.5В на плечо – довольно неплохо.Я думал будет хуже.В общем, решил я продолжить эксперимент. Снизил напряжение на шине, которая мониторится, +24В. У меня стояло 24.5В сделал 23В. При этом напряжении реле на 24В уверенно защелкнулись, но напряжение на шине самопитания не вышло за пределы допустимого.Заодно случайно потестил защиту от КЗ ( она же токовая перегрузка ).Дело в том, что провода к нагрузочной лампочке у меня просто припаяны, что видно на фото.А рядом лежали ножницы. Я начал тянуть к себе щуп прибора – лампочка подвинулась цоколем к ножницам – щелчок и тишина.БП четко отключился. Защита у него триггерная, поэтому пока не снимется питание контроллера, точнее на упадет ниже 11В, он снова не запускается.Подождал разрядки кондера в первичке и перезапуск.Перезапуск прошел успешно,Нагрузил на 25 Ом и кратковременно на 20 Ом. Все стартует и работает.Ждал срабатывания токовой, напряжение на ноге CS растет, но до уровня начала ограничения в -0.6В пока не дотягивает. Я больше переживаю за выпрямитель – он сильно начинает греться. Надо срочно найти Шоттки, Вольт, эдак, на 100.Зато правду говорят. Резонансник хорошо работает под нагрузкой. Если без нагрузки от транса слышен какой-то шорох, и слегка нагреваются силовые ключи, то под нагрузкой наступает полная идиллия – радиаторы комнатной температуры, транс не шуршит.Правда я его пока не пропитал ничем – может и не будет шуршать после пропитки. Что-то надо делать с выпрямителем. Есть два варианта переделки – увеличить кол-во диодов или все же поставить Шоттки. Второй вариант победил.Поменял радиаторы на силовой части и выпрямителе.На выходе – Шоттки 20А 200В – включенные мостом попарно. С обратной стороны правого радиатора на фото их еще две штуки.Пропитал трансформатор лаком НЦ.Ну и проверить надо, что получилось:Теперь ситуация улучшилась кардинально.Вот что получается при нагрузке в 125Вт:И при нагрузке 145Вт.Самое интересное, что пропали выбросы на токоизмерительном резисторе. С чем это связано – я не могу объяснить. Погоняю Нагрузка плавает в ведерке с водой.Электролизные процессы на оголенных выводах можно наблюдать почти сразу.Радиатор силовых ключей не поменял температуру. Выпрямитель слегка нагревается, но не так быстро, как на ультрафастах. Через несколько минут вода в ведре начинает нагреваться уже ощутимо. Палец окунать уже не комфортно, а на поверхности резисторов образуются пузырьки – там явно уже жарко.Радиатор выпрямителя нагревается до 40-45 градусов, радиатор силовых ключей холодный, как будто они и не работают…Для БП без обдува на активной нагрузке почти в 150Вт это неплохой результат…Интересно, как бы себя чувствовал компьютерный БП без обдува в аналогичных условиях?Ну и для ознакомления намерил всякую чушь по ходу дела.Форма напряжения до выпрямителя с минимальной нагрузкойТоже, с максимальнойПульсации на выходах + — 30В. После моста по два конденсатора в плече Nichicon PL(M) 470мкф 63В с неизвестным ресурсом (стояли в проработавшем несколько лет в режиме 24*7*365 качественном БП), зашунтированные пленкой 1мкф 250В.С минимальной нагрузкой:И тоже самое, с максимальной.Пульсации с частотой преобразования, поэтому то, что кажет прибор в нижнем углу – от фонаря.Немного на размах и форму влияет расположение щупов относительно БП и друг-друга, так что результат приблизительный. “Иголки” похоже от коммутации диодов, надо подумать о снабберах…Наверняка у читателей возникнут вопросы.Где киловатт? Даешь сварочник! Почему не пытал на нагрузке выше 150Вт?Но я же еще только учусь! (с) К тому же мне не требуется мощность в нагрузке выше 60Вт, и то при этом стекут на пол радиаторы УМЗЧ, а соседи закидают меня помидорами. Так что реально оно будет работать на 10-15Вт на канал, и то по праздникам.Резисторы токовой защиты уже установлены на ограничение тока в 2.5А по силовым ключам, и подбирать другой номинал пока не вижу необходимости.Ради интереса привожу осциллограммы старта:И остановки:Голубой – затвор нижнего ключа.Желтый – питание контроллера.Ну, а теперь собственно то, для чего делалась плата и БП.Сразу вылез косяк. БП отказался стартовать на банки по 10000мкФ+2200мкФ в каждом плече каждого канала. Суммарно по 24400 мкФ в плечо. Просто срабатывает токовая.Пришлось еще сильнее “затянуть” по времени софт-старт.Теперь конденсатор Css=47мкФ. Но на глаз это не заметно.В динамиках звенящая тишина. На холостом ходу сильнее греются силовые ключи, трансформатор, и конденсатор резонансного контура. Все около 40 градусов.Шоттки ледяные. Ну вполне логично, КПД резонансника выше при номинальной мощности, о чем прямо сказано в апноте.
Что понравилось в общем.
1. Интересно. Познавательно.2. Работа защит контроллера безупречна. Спалить силовые ключи вряд ли удастся. Разве что специально гвоздей насыпать на плату.3. Хорошо разжеванная документация.4. Хороший КПД для резонансной топологии.
Из минусов.
1. Без приборов, на глаз – ничего не получится.2. Намотка многожильным проводом.3. Транс должен быть секционирован. (хотя можно самому секционировать, но я заказал готовый)Но я думаю у многих есть LC-метр и осциллогаф? Да, осцилл должен быть развязан от БП гальванически — иначе бабах обеспечен…Я например применил ТС-180 , включенный с Ктр = 1. Там как раз все обмотки впослед и получим 220-230В.
В планах попробовать FSFR2100 — оно уже в дороге. Попробовать ради интереса резонансник для ламп – чисто экспериментально.
Ну а пока все.
Платы и схемы: ????resonant_st.zip
174.44 Kb ⇣ 276
Аппноут AN-4151: ????AN-4151.pdf
1.05 Mb ⇣ 248
Даташит FAN7621: ????FAN7621.pdf
630.6 Kb ⇣ 232
С уважением, Алексей.
Загрузка...
