Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Przetwornice indukcyjne cz.28 - Jak działa przetwornica rezonansowa (ZVS)?

W poprzednim odcinku omawialiśmy różne odmiany generatora Royera i doszliśmy do wersji, zawierających dodatkowy dławik w obwodzie zasilania i dodatkowy kondensator, dołączony równolegle do uzwojenia roboczego. Przypomnijmy, że już w roku 1959 w pracy P.J. Baxandalla, wśród wielu innych oscylatorów, pojawiła się koncepcja pokazana na rysunku 1, gdzie z konieczności zaproponowano wykorzystanie bipolarnych tranzystorów PNP.
Article Image

I pojawia się kluczowe pytanie: dlaczego już trzeci miesiąc grzebiemy się w takich starociach sprzed kilkudziesięciu lat, realizowanych na przestarzałych tranzystorach germanowych? Po co omawiamy układy, których działanie zależy od szeregu trudno uchwytnych czynników, które zależnie od parametrów elementów być może działają, a być może nie...

Rys.1 Koncepcja oscylatora z roku 1959 (praca P.J. Baxandalla)

Otóż zajmujemy się tym archaicznymi układami sprzed dziesięcioleci nie z jednego, tylko z kilku ważnych powodów. Już chyba zauważyłeś, że podobne układy bywają wykorzystywane do dziś i to zaskakująco często. Są używane, działają, ale przytłaczająca większość użytkowników nie wie, jak działają, co owocuje zabawnymi pomyłkami i lękiem przed zmianami typów i wartości elementów.

Zajmujemy się nimi także z powodu nazwiska twórcy, a ściślej jednego z twórców: Georga H. Royera. Na niektórych wcześniejszych rysunkach pokazane są schematy układów, nazywanych przetwornicami Royera, a wszystkie zawierają dodatkowy kondensator bocznikujący uzwojenie główne.

Podobieństwo schematu jest, ale układy te nie pracują na zasadzie „prawdziwego” generatora Royera! Rdzeń zastosowanego w nich transformatora nie wchodzi w nasycenie i zasada pracy jest zupełnie inna od wcześniej omawianej, bo podstawą jest... obwód rezonansowy. Te różnice są przyczyną niemałego i dość poważnego zamieszania.

Ponadto przy pracy rezonansowej można zdecydowanie zmniejszyć straty, stosując tzw. przełączanie ZVS (zero voltage switching), czyli przełączanie przy zerowym napięciu. A kwestie ZVS i ZCS (zero current switching) są bardzo ważne właśnie ze względu na silne dążenie do uzyskania maksymalnej sprawności i wiążą się z tzw. przetwornicami rezonansowymi, które wykorzystują odmienną, zaskakującą zasadę działania. Choćby tylko z uwagi na te czynniki musimy dokładniej zgłębić temat.

Rys.2 Schemat przetwornicy z roku 1973

Rysunek 2 pokazuje schemat przetwornicy z roku 1973, wykorzystanej do wytwarzania napięcia żarzenia dla lampy oscyloskopowej (Tektronix). We wtórnym uzwojeniu transformatora indukuje się przebieg zmienny, który zasila grzejnik lampy.

Rysunek 3 przedstawia znaleziony gdzieś w Internecie schemat podgrzewacza (pieca) indukcyjnego. Tu nie widać uzwojenia wtórnego. Podczas pracy jałowej układ pracuje jedynie jako oscylator i rzeczywiście nie ma wtedy uzwojenia wtórnego, do którego przekazywana byłaby energia. Jednak włożenie metalowego (dobrze przewodzącego prąd) przedmiotu w obszar pola magnetycznego cewki powoduje, że zaczyna on pełnić funkcję nietypowego uzwojenia wtórnego.

Mianowicie w tym przedmiocie, w objętości metalu indukują się prądy wirowe. Prądy te, płynąc przez rezystancję metalu powodują zamianę energii elektrycznej na ciepło, co podgrzewa metal i przy odpowiednio dużej mocy może go nawet stopić. Nieduże hobbystyczne konstrukcje według schematów podobnych jak na rysunku 3 pozwalają bez problemu rozgrzać do czerwoności gruby gwóźdź czy wkrętak.

Rys.3 Schemat podgrzewacza (pieca) indukcyjnego

Z kolei rysunek 4 pokazuje schemat prościutkiego systemu przekazywania energii na odległość (kilku do kilkunastu centymetrów). Od niedawna jak najbardziej praktycznym zastosowaniem jest realizacja bezprzewodowych ładowarek dla smartfonów. W tej chwili najpopularniejsze są standardy nazywane Qi (WPC) oraz PMA (AirFuel), gdzie wykorzystywane są znacznie bardziej skomplikowane rozwiązania – chętni mogą zbadać ten interesujący i aktualny temat samodzielnie.

Tematyka przekazywania energii na odległość (wireless power transfer – WPT) cieszy się dużym zainteresowaniem i otoczona jest mgłą tajemniczości. Wielu amatorów uważa, że słynny Nikola Tesla potrafi ł przesyłać energię elektryczną na duże odległości i że jego tajemnica zaginęła. Prawda jest taka, że przy użyciu prostych metod i częstotliwości do kilku megaherców transmisja energii na odległość ma sens wtedy, gdy ta odległość nie jest większa od średnicy cewki nadawczej. Układ z rysunku 4 jest przykładem prostej realizacji – więcej informacji choćby na stronie: https://bit.ly/2V064cz.

Rys.4 Schemat prostego systemu przekazywania energii na odległość

Jak działa przetwornica Mazilli ZVS driver?

Jednak najpopularniejszą obecnie wersję przetwornicy omawianego właśnie rodzaju pokazuje rysunek 5.

Jest to tak zwany Mazilli ZVS driver (oscillator/converter/driver), nazwany tak od nazwiska pomysłodawcy: Vladimiro Mazzilli. Dwa tranzystory MOSFET, garstka elementów dyskretnych i transformator pozwalają zbudować przetwornicę o dużej sprawności energetycznej, powszechnie wykorzystywaną do wytwarzania wysokich napięć (bardzo często z wykorzystaniem transformatorów ze starych kineskopowych telewizorów albo innych transformatorów).

Budowa i uruchomienie tego rodzaju przetwornicy zazwyczaj nie sprawia problemów nawet początkującym, a uszkodzenia zdarzają się stosunkowo rzadko. Nie przeczy temu znaczna liczba wpisów na forach dotyczących problemów, ponieważ z zasady zgłaszane są niemal wszystkie kłopoty, a tylko niewielka liczba sukcesów.

Rys.5 Schemat najpopularniejszej obecnie wersji przetwornicy

Takie przetwornice pracują, wytwarzają widowiskowe efekty (łuk elektryczny, grzanie indukcyjne, itp.), tylko nasuwa się pytanie: jak działają?

Czy przetwornica ZVS to układ Royera?

Nazywane są układami Royera, ale to określenie wprowadza w błąd, bo nie ma tu nasycania rdzenia, tylko jest to przetwornica rezonansowa. Nazywane są często ZVS flyback driver, co rodzi pytania zarówno o szczegóły dotyczące ZVS, czyli przełączania przy zerowym napięciu, jak i o to, dlaczego pojawia się słowo flyback, jeżeli układ bardzo przypomina przeciwsobną przetwornicę forward?

W niektórych źródłach można znaleźć następujące uproszczone i nie do końca ścisłe informacje. Mówi się, że układ można porównać do klasycznego multiwibratora i jest w tym sporo prawdy. Najbardziej uproszczony schemat analizowanej przetwornicy zawiera transformator z odczepem w połowie uzwojenia pierwotnego i synchronicznie sterowany przełącznik według rysunku 6a. Układ jest bardzo podobny do wcześniej omawianej przetwornicy forward push-pull, tylko mamy dodatkowo kondensator, który z indukcyjnością uzwojeń tworzy obwód rezonansowy.

Rys.6 Uproszczony schemat analizowanej przetwornicy

Dla ułatwienia analizy możemy pominąć zarówno obciążenie, jak i wtórne uzwojenie transformatora i rozpatrywać tylko uzwojenie pierwotne, które ma jakąś indukcyjność L według rysunku 6b. Wyraźnie widzimy tu obwód rezonansowy LC. A wspomniane synchroniczne sterowanie przełącznika-klucza polega na tym, że to obwód rezonansowy określa częstotliwość oscylacji i to obwód rezonansowy powoduje przełączanie.

Na obwodzie rezonansowym, między punktami A, B, występuje przebieg sinusoidalnie zmienny, którego średnia wartość jest równa zeru. Przez połowę okresu napięcie w punkcie B jest dodatnie względem punktu A i wtedy punkt A jest zwarty do masy według rysunku 7a. W ciągu tego półokresu w punkcie B napięcie jest dodatnie, a konkretnie występuje tam połówka sinusoidy dodatnia względem masy.

Przez drugą połowę okresu biegunowość napięcia na obwodzie LC jest odwrotna. Nie mówimy, że jest ujemna, ponieważ wtedy punkt B jest zwarty do masy i zgodnie z rysunkiem 7b w punkcie A pojawia się napięcie... dodatnie względem masy. A konkretnie drugi półokres sinusoidy.

Rys.7 Napięcia w punktach A i B

Przypomina to działanie prostownika dwupołówkowego. Owszem, ale nas interesują dwa proste fakty:

  • Po pierwsze, w każdej połowie okresu do masy zwarty jest jeden z punktów A, B i wtedy napięcie w tym punkcie równa się zeru (nie jest i nie może być ujemne, jak przypuszczają niektórzy mniej zorientowani).
  • Po drugie w każdej połowie okresu w tym punkcie, który akurat nie jest zwarty do masy, występuje dodatnia połówka sinusoidy.

I tu od razu BARDZO WAŻNY szczegół: jaką amplitudę ma ta połówka sinusoidy? Tylko zupełnie niezorientowani mogą przypuszczać, że amplituda jest równa wartości napięcia zasilającego. NIE!

W rzeczywistości jest dużo większa!

Na razie przeprowadzamy bardzo uproszczoną (i niezbyt prawdziwą) analizę, wiec można to wytłumaczyć tak: jeżeli jeden z punktów A, B jest zwarty do masy, to całe napięcie zasilania występuje nie na „całym” obwodzie rezonansowym, tylko na połowie uzwojenia. A więc na drugiej połowie uzwojenia powinno występować takie samo napięcie. Już mamy podwójną wartość napięcia zasilania.

Działanie przetwornicy rezonansowej

Dodatkowo mamy do czynienia z obwodem rezonansowym, który z prostokąta robi sinusoidę inaczej mówiąc, wydziela z prostokąta pierwszą harmoniczną. Przebieg prostokątny jest złożeniem nieparzystych harmonicznych i amplituda tej pierwszej jest większa niż amplituda „prostokąta”. W efekcie amplituda półsinusoid w punktach A, B jest w idealnym przypadku π (ok. 3,14) razy większa od napięcia zasilającego.

W rzeczywistości zamiast przełącznika pracują dwa klucze załącz/wyłącz w postaci dwóch MOSFET-ów. Ich automatyczne przełączanie rzeczywiście realizowane jest przez obwód rezonansowy w zaskakująco prosty sposób. Uproszczona wersja schematu takiej przetwornicy rezonansowej pokazana jest na rysunku 8.

Rys.8 Uproszczona wersja schematu przetwornicy rezonansowej (z MOSFET-ami)

Można sobie wyobrazić, że w chwili włączenia zasilania chciałyby przewodzić oba MOSFET-y, jednak z uwagi na nieuniknione różnice, jeden z nich okaże się szybszy, a gdy zacznie on przewodzić, to napięcie na jego drenie będzie bliskie zeru, co wyłączy drugi tranzystor i rozpocznie wytwarzanie oscylacji.

Załóżmy teraz, że podczas normalnej pracy w pełni otwarty jest tranzystor T1, więc punkt A jest zwarty do masy. Gdyby nie było kondensatora C, w przetwornicy nierezonasowej przez połówkę uzwojenia płynąłby liniowo rosnący prąd, który doprowadziłby do nasycenia rdzenia i uszkodzenia tranzystora(-ów). Kondensator C wraz z całkowitą indukcyjnością uzwojenia tworzy obwód rezonansowy LC, a w takich obwodach charakterystyczne jest, że energia krąży między pojemnością i indukcyjnością i występują sinusoidalne przebiegi napięcia i prądu (wzajemnie przesunięte o ćwierć okresu).

Najprościej mówiąc, przy zwarciu punktu A do masy napięcie w punkcie B najpierw będzie rosnąć, a potem będzie się zmniejszać zgodnie z zależnością sinusoidalną. W każdym razie napięcie dodatnie w punkcie B (dodatnia połówka sinusoidy) będzie utrzymywać T1 w stanie przewodzenia.

Pamiętamy, że typowe tranzystory mocy MOSFET mają napięcie progowe (UGSth) wynoszące mniej więcej 3V. Możemy przyjąć, że gdy napięcie bramki, czyli napięcie w punkcie B, jest większe niż te 3V, to tranzystor T1 jest otwarty, nasycony. Gdy jednak pod koniec półokresu malejące napięcie w punkcie B zmniejszy się poniżej 3V, nastąpi zatkanie tranzystora T1.

Ponieważ w obwodzie LC nadal trwa proces rezonansowy, napięcie na tym obwodzie rezonasowym zmieni kierunek (biegunowość), a to będzie powodować pojawienie się dodatniego napięcia w punkcie A, przewodzenie tranzystora T2, czyli zwarcie punktu B do masy. Teraz dodatnia połówka sinusoidy w punkcie A będzie utrzymywać w stanie przewodzenia klucz T2, a pod koniec półokresu zmniejszające się do zera napięcie wyłączy T2 i włączy T1, co powtórzy cykl pracy.

Rys.9 Dławik umieszczony w obwodzie zasilania

W układach z rysunków 2...5 realizacja układu jest nieco inna, mianowicie bramki nie są bezpośrednio podłączone do drenów „przeciwstawnych” tranzystorów, tylko są polaryzowane przez rezystory dołączone do plusa zasilania, natomiast dodatkowe diody zapewniają wyłączanie. Ponadto w obwodzie zasilania umieszczony jest dławik, jak pokazane jest na rysunku 9.

Nie zmienia to zasady działania, a wręcz polepsza (umożliwia) pracę, bo rezystor podciągający otwiera tranzystor, gdy choć trochę wzrośnie napięcie na drenie właśnie zatykanego przeciwległego tranzystora. O dławiku w obwodzie zasilania zwykle pisze się, że wygadza on przebieg prądu i w ten sposób polepsza działanie układu.

Rys.10 Przetwornica indukcyjna z dwiema diodami Zenera

W realnych rozwiązaniach (rysunek 10) obowiązkowo stosowane są dodatkowo dwie diody Zenera (o napięciu 10V...18V), które ograniczają napięcie na bramkach MOSFET-ów i w ten sposób zabezpieczają je przed przebiciem. Dopuszczalne napięcie bramki UGSmax to tylko ±20V, a jak wiemy, amplituda półsinusoid na drenach jest około 3,14 razy większa od napięcia zasilania.

Według opisów dwa dodatkowe 10-kiloomowe rezystory mają zabezpieczać przez zatrzaśnięciem (latchup). Przebiegi zmierzone w realnym układzie (według rysunku 5) na bramce i drenie jednego z tranzystorów pokazane są na rysunku 11.

Rys.11 Przebiegi zmierzone na bramce i drenie jednego z tranzystorów - przetwornica (Rys.5)

Takie mocno uproszczone, uspokajające informacje wystarczają wielu użytkownikom, którzy cieszą się, że ich przetwornica działa. Jednak u osób dociekliwych takie „wyjaśnienia” rodzą więcej pytań niż odpowiedzi. Dlatego w kolejnym odcinku nadal będziemy zajmować się tym bardzo pożytecznym i popularnym układem.

Tematyka materiału: przetwornice indukcyjne, zasilacze, generator Royera
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich maj 2019
Udostępnij
UK Logo