Главная > Analog circuits > Step-Up. Лабораторная работа.

Step-Up. Лабораторная работа.

В прошлой статье я совершил экскурс в теорию бестрансформаторных DC-DC преобразователей напряжения, построенных на основе накопительных индуктивностей (есть ведь еще и преобразователи на переключаемых конденсаторах, и они, вообще говоря, тоже бестрансформаторные). Сейчас же мы построим разобранный в предыдущей статье повышающий преобразователь на макетке и посмотрим, насколько теория расходится с реальной жизнью.

Итак, мы хотим построить повышающий преобразователь со следующими параметрами:

  • входное напряжение — 5В;
  • выходное напряжение — 12В;
  • номинальный ток нагрузки — 50 мА.

Реальность сразу же начинает вносить свои коррективы. В предыдущей статье в качестве ключа фигурировал MOSFET. Но у меня нет подходящих полевиков, которые мне было бы удобно втыкать в макетку, а делать переходник c SMD долго и лень. Для опытов у меня есть биполярники. А именно, BC547. Можно ли использовать его?

Посмотрим даташиты. Вообще говоря, известно, что предельный долговременный коллекторный ток этого транзитора  — 100 мА (чего хватает совсем впритык). Но, если покопаться в документации глубже, можно найти информацию о том, что предельный пиковый ток (в импульсе длительностью менее 10 мс) составляет 200 мА. Да, даташит по последней ссылке относится к BC847, но этот прибор — по факту просто SMD-версия BC547. В общем, похоже, что BC547 подходит. Хорошо.

При моделировании в Proteus я ставил диод 1N4148W. Этот диод — SMD-версия диода 1N4148. Ну, тут вроде никаких проблем нет — скорость переключения 4 нс, пиковый ток больше 400 мА, все совсем хорошо, можно даже особо не вчитываться. Этот диод в моих запасах есть, будем использовать его.

Конденсатор на 22 мкФ есть, дроссель на 1 мГн я вынул из отслужившей свое сберегайки; остальная мелочевка тоже вроде есть. Чтобы особо не заморачиваться, генерировать управляющий сигнал будем с помощью вечно воткнутого в мою макетку контроллера ATmega48.

Еще, чтобы не было скучно, нам понадобится хорошая музыка (если не хватит этой, можно продолжить с этой):

Давайте для начала нарисуем скорректированную схему в Proteus:

sch_proteus

Конденсатор C2 — так называемая ускоряющая (форсирующая) емкость. В импульсных схемах на биполярных транзисторах это совершенно необходимая вещь — без нее выключение биполярника затягивается на целую вечность по сравнению с целевыми таймингами. Дело в том, что, пока через базу течет открывающий ток, в ее объеме накапливается избыточный заряд, который позже, когда открывающий потенциал уже снят (и мы хотим чтобы транзистор закрылся по-возможности мгновенно), еще достаточно долго продолжает держать транзистор открытым.

Форсирующая емкость работает следующим образом: когда транзистор открыт, конденсатор заряжается до того напряжения, которое присутствует на R2. При этом на левой по схеме обкладке присутствует положительный потенциал. Когда, закрывая транзистор, мы заземляем левый по схеме вывод R2 (и C2, разумеется), конденсатор играет роль источника напряжения обратной полярности, подключенного к базе. Потенциал на конденсаторе вышибает заряд, накопленный в базе, и транзистор закрывается гораздо быстрее.

Емкость форсирующего конденсатора выбирается экспериментально (порядка нанофарад). У меня был конденсатор на 10 нФ, и я взял его.

Прикинем параметры импульсного режима по методике, приведенной в предыдущей статье. Ток нагрузки у нас 50 мА, исходя из этого примем пульсации тока в дросселе равными 25 мА. Этот выбор достаточно произволен; можно было бы взять любое значение между нулем и пятьюдесятью миллиамперами. Однако, например, 40 мА — уже близко к границе режима неразрывного тока дросселя, а при чем-то вроде 1 мА рабочая частота получится совершенно запредельной. Я остановился на 25 мА как на золотой середине.

calculation

Подставим в Proteus. Естесственно, рассчитанное им выходное напряжение получится меньше по упомянутым в предыдущей статье причинам (а в реальности оно будет еще меньше). Покрутим коэффициент заполнения и подгоним выходное напряжение к желаемому (большая картинка — кликабельно):

modelling

Тут коэффициент заполнения получается где-то 62%.

Заодно глянем на прогнозируемый Протеусом ток ключа. Где-то 150 мА в пике… Нормально. BC547 пойдет.

Напишем гениально простую программу для ATmega48 (я приведу здесь уже окончательный вариант, выдающий тайминги, требуемые для реальной схемы):

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

#define nop()		{asm volatile ("nop");}

void main(void)
{
	DDRD=_BV(PD5);

	while (1)
	{
		PORTD|=_BV(PD5);
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		PORTD&=~_BV(PD5);
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
		nop();
	}
}

Разумеется, такой стиль написания кода годится только для экспериментальных целей, равно как и использование контроллера в качестве таймера 555.🙂

Воткнув детали в беспаечную макетку, для начала включим в коллектор транзистора вместо катушки и всей остальной силовой части простой резистор (я воткнул 220 Ом), расчехлим двухканальный осциллограф, убедимся, что все работает, и немного поэкспериментируем с вот такой схемой:

exp_res

Сначала не будем подключать конденсатор. Не забываем, разумеется, что каскад инвертирующий, и потому напряжение канала 2 растет, когда транзистор закрывается. Посмотрим, что будет на выходе…

nocap

Господи, ужас какой! Транзистор остается открытым еще чуть ли не 2 мкс после того, как мы уже хотим, чтобы он закрылся. Да, реально частота получилась около 114 кГц. Ну, где-то рядом с рассчетной.

Подключим конденсатор. Для сравнения, приведу одну осциллограмму в том же масштабе, а на второй, более растянутой, померяем время перехода транзистора в закрытое состояние при наличии ускоряющей емкости:

MAP003

MAP004

Воот, 280 нс — это уже гораздо приличнее. Теперь ясно видно, что конденсатор оказывает радикальнейшее влияние на время переключения транзистора.

Вроде все работает. Можно собрать собственно силовой каскад (для начала нагрузив его на резистор) и даже попытаться включить оный:

P1070369

Разумеется, на выходе мы получим напряжение несколько меньше ожидаемого. Поправим коэффициент заполнения и подключим основную нагрузку:

P1070376

Ух ты… Работает! Собственно, откуда взялись рассчетные параметры преобразователя — этот отрезок светодиодной линейки потребляет именно 50 мА при напряжении на нем 12 В.🙂

Давайте на радостях еще немного потыкаем осциллографом в преобразователь и посмотрим, где какие напряжения присутствуют (токи я не промерял — у меня нет подходящего низкоомного выводного резистора, да и лень).

Разумеется, самое интересное — это выходное напряжение:

MAP007

Ну во, все замечательно. RMS — желаемые 12 Вольт, даже слегка больше. Но еще интереснее, разумеется, посмотреть на пульсации. Для этого переключим осциллограф в режим закрытого входа и посмотрим:

out_pul

Они есть, да. Конденсатор на выходе маловат, потому их размах достаточно большой — порядка 300 мВ. Хотя, кстати, для питания светодиодной линейки — более чем нормально.

Поглядим их RMS:

MAP001

Из всех измерений на картинке выше можно верить только значению RMS. Все, что относится к частоте и времени некорректно, так как неравномерные выбросы сбивают осциллограф с толку. Такие вещи случаются, и это надо иметь в виду.

Для полноты картины, напряжение на коллекторе:

MAP002_305

Здесь видны финальные параметры получившегося реального преобразователя:

  • рабочая частота — около 114 кГц;
  • коэффициент заполнения — около 70% (каскад инвертирующий!).

Таким образом, если сравнивать полученное в реальности с расчетами, получаем, что частота отличается примерно на 3%, а коэффициент заполнения — чуть больше, чем на 10%. По-моему, отличное согласование, если учесть, что тут мы сравниваем значения, полученные из элементарных формул и реальные данные, снятые с построенного преобразователя.

Разумеется, было бы странно не померять КПД (данные отдельного промера).

На входе преобразователя — 5 В, 220 мА (потребляемая мощность — 1.1 Вт). На выходе — 12.6 В, 60 мА (0.76 Вт). Отсюда КПД — чуть меньше 70%. Для конструкции, собранной на на коленке из чего попало, вполне неплохо.

Напоследок пара гламурных фотографий:

P1070374

P1070379

Рубрики:Analog circuits
  1. Андрей
    07/01/2015 в 02:20

    Да просто супер — фонарик Акулы!

    • YS
      07/01/2015 в 13:04

      Не совсем понял, о чем вы, но на спам не похоже… Так что оставлю тут.🙂

  1. 21/04/2015 в 22:21
  2. 21/04/2015 в 22:19
  3. 21/04/2015 в 21:52

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s