Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Taki zwyczajny zasilacz... Część 5 – Zakłócenia impulsowe

W ostatnim odcinku opisane były kłopoty, wynikające z obecności w układzie zasilacza małej przetwornicy. Problem samowzbudzenia został odłożony na bok. Najpierw trzeba dokładnie zbadać kwestie negatywnego wpływu zastosowanej przetwornicy.
Article Image

Skuteczność stabilizatora

Moje zdziwienie wywołał fakt, że na wyjściu półtoraamperowego stabilizatora LM317, ustawionego na napięcie 5,5V, pojawiły się zaskakująco duże tętnienia, ponad 300mVpp.

Od początku spodziewałem się różnych kłopotów, więc przezornie zrealizowałem moduł zasilacza z przetwornicą na oddzielnej płytce wtykanej w płytkę główną. Po wyjęciu tego modułu zasilacza zmierzyłem tętnienia na wyjściu stabilizatora U1 LM317 według rysunku 1.

Rys.1 Układ ze stabilizatorem LM317

Oczywiście były zaskakująco duże. Pomyślałem, że może przypadkiem trafiłem na jakiś felerny egzemplarz przetwornicy 5V/±15V. Jednak trzy inne egzemplarze (bez obciążenia ich wyjść) spowodowały podobne tętnienia, co pokazuje rysunek 2a. Sprawdziłem też inne posiadane małe przetwornice. Rysunek 2b pokazuje przebieg na wyjściu LM317 przy dołączeniu przetwornic produkcji QLT (QDC1S-0524S i QDC1S-0505S). Nieco mniejsze były tętnienia po dołączeniu przetwornicy Aimtec AM1S-0505SZ (rysunek 2c).

Przyzwyczajeni jesteśmy do tego, że scalone stabilizatory w katalogowych aplikacjach dają na wyjściu gładkie napięcie bez tętnień. Wobec tego może winę ponosi stabilizator? Może to wina wadliwego egzemplarza LM317?

Rys.2 Przebiegi przy różnych przetwornicach

Aby odpowiedzieć na to pytanie, warto zmierzyć prąd, jaki pobiera mała przetwornica. Ja zrobiłem to w układzie z rysunku 3.

Przebieg napięcia na rezystorze 0,1 oma pokazuje rysunek 4. Prąd 1mA na rezystancji 0,1 oma daje spadek napięcia 0,1mV. Według oscyloskopu średni spadek napiecia to +4,11mV, co daje średni prąd 41,1mA. W rzeczywistości średni pobór prądu przetwornicy QLT 5V/±15V nieobciążonym wyjściem, zmierzony dobrym woltomierzem RMS, wynosi 54,2mA. To w sumie niezbyt wiele, bo przy napięciu 5V oznacza 271mW mocy pobieranej w stanie jałowym.

Rys.3 Układ do mierzenia jaki prąd pobiera mała przetwornica
Rys.4 Przebieg napięcia na rezystorze 0,1 oma

Dużym zaskoczeniem są wartości szczytowe prądu pobieranego przez przetwornicę. 100mV spadku napięcia na rezystancji 0,1Ω to prąd 1 ampera! Zwróć uwagę na poziom zerowy na rysunku 4: maleńka przetwornica pobiera impulsy prądowe o amplitudzie około 1 ampera, a potem zwraca energię do źródła zasilania w postaci impulsów o amplitudzie około 1,2 ampera (wygląda to na tłumioną sinusoidę o częstotliwości około 450kHz). W każdym razie międzyszczytowa amplituda prądu przetwornicy to ponad 2 ampery!

Jaka jest rezystancja wyjściowa stabilizatora LM317?

Rezystancja ta, zobrazowana na rysunku 5 jako RW, jest znikoma dla prądów stałych. Według katalogów zmiana prądu obciążenia z 10mA do 1A zmniejsza napięcie wyjściowe typowo tylko o 5mV, co daje rezystancję wewnętrzną RW rzędu pięciu miliomów. Tak, ale tylko przy prądzie stałym i niewielkich częstotliwościach. Ze wzrostem częstotliwości ta rezystancja wyjściowa znacząco rośnie.

Informuje o tym pochodzący z katalogu rysunek 6. Nawet z kondensatorem CADJ=10uF, jak w naszym przypadku, przy częstot liwościach ponad 100kHz rezystancja wyjściowa stabilizatora LM317 wynosi ponad 0,2 oma.

A zmiany prądu 2A na rezystancji 0,2Ω powinny dać wahania napięcia 400mV. Mniej więcej tyle, ile wcześniej zmierzyłem w moim prototypie (rysunek 2a). Tętnienia takie zmniejsza kondensator na wyjściu kostki LM317. Tak, ale pojemność 10uF przy częstotliwości 100kHz ma reaktancję 0,16 oma, a do tego dochodzi nieunikniona rezystancja wewnętrzna ESR.

Rys.5 rezystancja wyjściowa stabilizatora LM317
Rys.6 Ze wzrostem częstotliwości rezystancja wyjściowa znacząco rośnie

Nic więc dziwnego, że impulsy prądu jak na rysunku 4 powodują stosunkowo duże wahania napięcia wyjściowego stabilizatora, które to napięcie zasila nie tylko przetwornicę, ale ma zasilać wszystkie kluczowe obwody naszego projektowanego zasilacza. Trzeba jakoś to napięcie wygładzić. Najprostszym sposobem wydaje się zwieszenie pojemności filtrujących obwód zasilania.

Owszem, to pomaga. Porównaj rysunek 2a z rysunkiem 7a pokazującym tętnienia na wyjściu stabilizatora po dołączeniu kondensatora 1000uF (klasycznego elektrolitu aluminiowego). Rysunek 7b przedstawia wpływ kondensatora tantalowego 220uF. A rysunek 7c – wpływ kondensatora ceramicznego 3,3uF.

Rys.7 Tętnienia na wyjściu stabilizatora po dołączeniu kondensatora 1000uF, 220uF, 3,3uF

W kartach katalogowych omawianych małych przetwornic niewiele uwagi poświęca się poruszanym kwestiom. Tylko w nielicznych można spotkać zalecenia, żeby na wejściu dodać kondensator – przykład na rysunku 8 nie zawiera jednak proponowanej pojemności i typu (zawiera tylko ostrzeżenie, że za duża pojemność na wyjściu uniemożliwi start przetwornicy).

Rys.8 Stabilizator z kondensatorem

My możemy włączyć dodatkowy kondensator filtrujący na wejściu. Powinien on mieć jak najmniejszą rezystancję szeregową ESR. Rysunek 9 pokazuje przebieg napięcia na wyjściu stabilizatora LM317 przy dołączeniu jak najbliżej wejścia przetwornicy dodatkowego kondensatora. Czarny przebieg to tętnienia bez dodatkowego kondensatora, tylko z elektrolitem 10uF na wyjściu kostki LM317. Małą rezystancję ESR mają kondensatory foliowe. Jak jednak widać na rysunku 9, kondensator MKT (poliestrowy) ma niewielki wpływ na tętnienia.

Rys.9 Przebieg napięcia na wyjściu stabilizatora LM317 przy dołączeniu jak najbliżej wejścia przetwornicy dodatkowego kondensatora
Fot.10 Badane kondensatory

Potężny „elektrolit” aluminiowy o pojemności 1000uF ma małą rezystancję ESR, ale znaczną indukcyjność, co powoduje silne przerzuty. Podobne efekty daje kondensator tantalowy 220uF. Trochę lepsze wyniki spowoduje włączenie małego ceramicznego kondensatora 10uF. Przerzuty są mniejsze, ale niewiele mniejsze z uwagi na dużą rezystancję ESR. Badane kondensatory widoczne są na fotografii 10.

Aby poprawić sytuację, można byłoby próbować włączyć równolegle kilka różnych kondensatorów. Można, ale lepiej pójść inną drogą. Trudno znaleźć kartę katalogową małej przetwornicy z filtrem jak na rysunku 11. Taki filtr z dławikiem o indukcyjności około 10 mikrohenrów i kondensatorem (0,68...2,2uF) ma zmniejszać przenoszenie zakłóceń do obwodów zasilania, by spełnić wymagania przepisów, dlatego kondensator włączony jest od strony źródła zasilania, a nie przetwornicy.

Rys.11 Mała przetwornica z filtrem

Nasz cel jest pokrewny, dlatego możemy spróbować włączyć na wejściu przetwornicy dławik według rysunku 11. Rysunek 12 przedstawia napięcie na wyjściu LM317 (zasilające główne obwody naszego zasilacza). Już włączenie separującego dławika o znikomej indukcyjności 1 mikrohenra daje zauważalny efekt. Dławik 10uH (który przy częstotliwości 100kHz ma reaktancję 6,3 oma) tłumi tętnienia więcej niż 20 razy. A przy indukcyjności 100 mikrohenrów tętnienia maleją do znikomej wartości 1 miliwolta (międzyszczytowo)!

Rys.12 Napięcie na wyjściu LM317 (zasilające główne obwody naszego zasilacza)

Rewelacja! Mały dławik skutecznie rozwiązuje problem tętnień!

Nie znamy jednak budowy wewnętrznej przetwornicy. Dodanie na jej wejściu szeregowego dławika o dużej indukcyjności może znacząco zmienić tryb pracy (tzw. tryb prądowy) i zmienić jej parametry, w tym być może zmniejszyć wydajność wyjścia. Ale nie powinno doprowadzić do uszkodzenia. Małe dławiki o dużej indukcyjności mają też małe prądy maksymalne (nasycenia).

Rys.13 Filtr pi dodany na wejściu przetwornicy

Można więc dodać na wejściu przetwornicy filtr pi według rysunku 13. Rysunek 14 pokazuje przebiegi na zaciskach wejściowych przetwornicy (kolor niebieski) oraz przebiegi na wyjściu stabilizatora LM317 z filtrem według

Rys.14 Przebiegi na zaciskach wejściowych przetwornicy i na wyjściu stabilizatora LM317 (Rys.13)

rysunku 13 z kondensatorami ceramicznymi 2×10uF i dławikiem 22uH oraz miniaturowym 100uH, mniejszym niż wykorzystany do realizacji rysunku 12. Wszystkie testowane dławiki pokazuje fotografia 15.

Można się zastanawiać, czy maleńki dławik 100uH ma dostatecznie duży prąd maksymalny (nasycenia). Jeśli byłaby to subminiaturowa wersja o długości korpusu około 5mm, to przy większym obciążeniu przetwornicy mógłby pojawić się problem. Należałoby to sprawdzić. Problemu nie będzie z dławikiem 100uH o długości korpusu co najmniej 7mm, bo mają one prądy maksymalne ponad 100mA. Ja jednak takiego większego nie miałem, więc zastosowałem miniaturowy dławik 33uH, jak widać na fotografii 16, co dało tętnienia w głównej szynie zasilania około 2mVpp (ok. 140kHz).

Fot.15 Testowane dławiki
Fot.16 Zastosowanie miniaturowego dławika 33uH

Inne dziwne zakłócenia

Skutecznie rozwiązaliśmy problem tętnień głównego napięcia zasilania, ale wypadałoby też sprawdzić, czy pola elektryczne i magnetyczne małej przetwornicy nie mają wpływu na pozostałe obwody naszego zasilacza.

Nasuwa się prosty, wręcz oczywisty wniosek, że jeśli takie zakłócenia przenikają do układu, to zaobserwujemy je na wyjściu naszego zasilacza, na obciążeniu. Nasza malutka przetwornica pracuje z częstotliwością około 140kHz. Interesuje nas teraz w sumie tylko to, czy na wyjściu pojawią się niepożądane napięcia zmienne o częstotliwości około 140kHz lub ich harmoniczne.

Rys.17 Odczyty po dołączeniu sondy oscyloskopu do wyjścia i rezystora obciążającego

Nic prostszego: dołączenie sondy oscyloskopu do wyjścia i do rezystora obciążającego (gdzie nie ma kondensatora filtrującego) daje na ekranie obraz, widoczny na rysunku 17a. Wyraźnie są to paczki impulsów, powtarzane z częstotliwością pracy przetwornicy. Ich wartość międzyszczytowa to około 700mV – dużo! Po rozciągnięciu jednej takiej paczki zobaczymy przebieg jak na rysunku 17b. Wygląda, że są to tłumione sinusoidy o częstotliwości około 25 megaherców.

Aż 25 megaherców – dziwne...

Dołączenie kondensatora wyjściowego 3,3uF (dobrej jakości ceramicznego) zmniejsza te śmieci, ale mniej niż 10 razy, jak pokazuje rysunek 17c.

Dziwne! Ale jeszcze dziwniejsze jest to, że dołączenie sondy oscyloskopu do masy według fotografii 18 daje na ekranie przebiegi jak na rysunku 19. A przecież to nieprawda! Nie powinno tam być żadnego sygnału!

Fot.18 Podłączenie sondy oscyloskopu do masy
Rys.19 Przebiegi po podłączeniu sondy oscyloskopu do masy

Co istotne, jeżeli odłączymy oscyloskop od masy naszego zasilacza według fotografii 20, wtedy nawet przy największej czułości (2mV/dz) na ekranie zobaczymy tylko odrobinę śmieci, jak pokazuje rysunek 21.

Fot.20 Odłączenie oscyloskopu od masy zasilacza
Rys.21 Przebieg po odłączeniu oscyloskopu od masy zasilacza

Mamy kłopot z masami. Zagadnienie jest trudne, bardzo szerokie i będziemy doń wracać, a na razie zamykamy ten wątek. Jeśli nawet na wyjściu naszego zasilacza są zakłócenia pochodzące od przetwornicy, nie są one duże.

Dlatego w następnym odcinku możemy wrócić do walki z samowzbudzeniem i do optymalizacji parametrów naszego zasilacza.

Tematyka materiału: przetwornica, stabilizator, zakłócenia, filtr
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich luty 2020
Udostępnij
UK Logo