Power Electronics
http://valvol.ru/

Step-up на NE555
http://valvol.ru/topic2587.html		 Страница 1 из 1
Автор:  Aleksander8 [ 25-05, 18:24 ]
Заголовок сообщения:  Step-up на NE555
Появилась задача сделать ламповый предусилитель для бас-гитары. Питание от БП для светодиодных лент 12V \ 36W. По советам из интернета, для анодного напряжения будет применён повышающий преобразователь на NE555.
Изображение
Собственно, для его повторения ума не надо. Но заинтересовал принцип его работы и критерий выбора номинала дросселя.
В теории каким-то, непонятным для меня образом, в расчёте исчезают реальные значения Ton и Toff ключа, которые в данном случае можно получить из Datasheet-а на NE555 и формула определения индуктивности дросселя принимает вид:
L = (Vout \ 2*f*Iout)*k^2*(1-k),
где к = Vin/Vout.
Если считать по этой формуле, минимальная индуктивность дросселя будет равна 599 мкГн.
Каким же всё-таки образом правильно рассчитывать минимальную индуктивность?
Автор:  valvol [ 25-05, 22:01 ]
Заголовок сообщения:  Re: Step-up на NE555
Aleksander8 писал(а):
Если считать по этой формуле, минимальная индуктивность дросселя будет равна 599 мкГн.
Каким же всё-таки образом правильно рассчитывать минимальную индуктивность?

Трудно что-то сказать, т.к. отсутствуют желаемые режимы работы преобразователя (мощность, частота, режим работы дросселя ...), а также информационный источник из которого позаимствована формула.
Скачайте книгу Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры, под ред. Найвельта Г.С. Там, начиная с стр. 328, приводится пример расчёта повышающего преобразователя для непрерывного и прерывистого режима работы дросселя.
Автор:  Aleksander8 [ 25-05, 22:34 ]
Заголовок сообщения:  Re: Step-up на NE555
Извините, не указал источник:
http://radiohlam.ru/teory/boost1.htm
Расчёт генератора по приведённой схеме:
f = 31169 Гц;
Ton = 16,7 мС;
Toff = 15,2 мС;
Vin = 12 В;
Vout = 180 В;
Iout = 0.02 А.
Автор:  valvol [ 25-05, 23:22 ]
Заголовок сообщения:  Re: Step-up на NE555
Aleksander8 писал(а):
Если считать по этой формуле, минимальная индуктивность дросселя будет равна 599 мкГн.

По предложенной методике так и получается.
Попробуйте посчитать по более капитальной методике из справочника под редакцией Найвельта.
Автор:  Aleksander8 [ 26-05, 17:46 ]
Заголовок сообщения:  Re: Step-up на NE555
Спасибо за книгу.
По Найвельту коэффициент заполнения импульса меньше единицы при Vin = 12В и Vout = 55В. При необходимости получения более высокого Vout, коэффициент заполнения импульса становится больше единицы, что уже нереально для указанной выше схемы. Не знаю, могут ли ШИМ-контроллеры работать в таком режиме.
Если использовать значение коэффициента заполнения импульса из расчёта NE555, то минимальное значение индуктивности получится в пределах от 2300 до 2400 мкГн.
Ещё вопрос: возможно ли для применения сердечника дросселя повышающего преобразователя использовать кольца из распылённого железа от компьютерных материнских плат?
Автор:  valvol [ 27-05, 01:56 ]
Заголовок сообщения:  Re: Step-up на NE555
Aleksander8 писал(а):
По Найвельту коэффициент заполнения импульса меньше единицы при Vin = 12В и Vout = 55В.

В том-то и проблема, что реальный коэффициент повышения преобразователя конечен. Выход может быть в автотрансформаторном включении дросселя или в последовательном включении нескольких повышающих ступеней.
Aleksander8 писал(а):
Ещё вопрос: возможно ли для применения сердечника дросселя повышающего преобразователя использовать кольца из распылённого железа от компьютерных материнских плат?

Чтобы это решить, надо сначала идентифицировать эти кольца - размеры, цвета раскраски...
Автор:  Aleksander8 [ 27-05, 09:12 ]
Заголовок сообщения:  Re: Step-up на NE555
valvol писал(а):
В том-то и проблема, что реальный коэффициент повышения преобразователя конечен. Выход может быть в автотрансформаторном включении дросселя или в последовательном включении нескольких повышающих ступеней.

Понятно, что повышать выходное напряжение до бесконечности невозможно. Тем не менее, схема в начале топика работает. Судя по всему, при таком маленьком номинале дросселя, выходное напряжение устанавливается за некоторое количество периодов. Где-то писали, что схема работает, как насос, накачивая выходной электролит, пока накачку не остановит компаратор. Загвоздка в том, что в интернете схем таких несколько. Но как их посчитать, непонятно.
valvol писал(а):
Чтобы это решить, надо сначала идентифицировать эти кольца - размеры, цвета раскраски...

Жёлто\белый 13Х7Х5 - производитель рекомендует - Дроссели DC/DC преобраз-ей до 50 кГц
Зелёный\синий 14Х7Х6.5 - производитель рекомендует - Дроссели DC/DC преобраз-ей свыше 50 кГц.
Одно дело, рекомендации производителя, и совсем другое - радиолюбительский опыт. Как говорит сатирик М.Задорнов, а что будет, если...? Например, если взять сердечник несмотря на его окраску, по пробной обмотке определить и намотать дроссель 100 мкГн и поставить в вышеуказанную схему? Возможно кто-нибудь так и делал. Понимаю, что не профессионально, но интересно.
Автор:  valvol [ 27-05, 11:20 ]
Заголовок сообщения:  Re: Step-up на NE555
Aleksander8 писал(а):
Тем не менее, схема в начале топика работает.

Очень может быть, что при определённых условиях эта схема сможет обеспечить требуемый коэффициент повышения. Главная проблема здесь в дросселе. Существует эффект магнитной вязкости, который ограничивает максимальную скорость изменения индукции в сердечнике. При большом коэффициенте умножения требуемая скорость изменения индукции может быть не достигнута и тогда вся энергия, запасенная в сердечнике в нем и рассеится.
Правильный выбор затрудняется отсутствием соответствующих данных от производителя. Можно случайно выбрать или спроектировать правильный дроссель и не иметь проблем, а можно и наоборот.
Однако однозначно, что более высокочастотные сердечники меньше подвержены этому эффекту.
Aleksander8 писал(а):
Судя по всему, при таком маленьком номинале дросселя, выходное напряжение устанавливается за некоторое количество периодов. Где-то писали, что схема работает, как насос...

Дроссель должен накапливать энергию потребляемую нагрузкой. Поэтому, при уменьшении его величины, необходимо увеличить частоту коммутации.
Что касается проектирования повышающих преобразователей, существует множество методик в той или иной мере учитывающих множество факторов, влияющих на его работу. В справочнике Найвельта приводится достаточно качественная методика. Следую рекомендациям этой методики можно получить гарантированный результат. При отклонении от рекомендаций, результат может быть не достигнут.
Aleksander8 писал(а):
Жёлто\белый 13Х7Х5 - производитель рекомендует - Дроссели DC/DC преобраз-ей до 50 кГц
Зелёный\синий 14Х7Х6.5 - производитель рекомендует - Дроссели DC/DC преобраз-ей свыше 50 кГц.

Лучше использовать более высокочастотный сердечник, который гарантированно имеет меньшую магнитную вязкость и меньший уровень потерь.
Автор:  Aleksander8 [ 27-05, 12:13 ]
Заголовок сообщения:  Re: Step-up на NE555
valvol писал(а):
Дроссель должен накапливать энергию потребляемую нагрузкой. Поэтому, при уменьшении его величины, необходимо увеличить частоту коммутации.
Что касается проектирования повышающих преобразователей, существует множество методик в той или иной мере учитывающих множество факторов, влияющих на его работу. В справочнике Найвельта приводится достаточно качественная методика. Следую рекомендациям этой методики можно получить гарантированный результат. При отклонении от рекомендаций, результат может быть не достигнут.

По Найвельту к-т заполнения больше единицы, т.е. недостижим для NE555. Используем реальный к-т заполнения приведённой схемы. Подставляем его в формулу вычисления минимальной индуктивности из источника того же автора и получаем Lmin = 2,4 мГн.
Получается, что схема работает неким своим собственным образом, противоречащем теории, что было уже интуитивно понятно по проведённым расчётам из двух других источников. Получается, что такие "выкрутасы" не подлежат расчётам :evil: .
valvol писал(а):
Лучше использовать более высокочастотный сердечник, который гарантированно имеет меньшую магнитную вязкость и меньший уровень потерь.

Спасибо. Не знал.
Автор:  valvol [ 27-05, 19:50 ]
Заголовок сообщения:  Re: Step-up на NE555
Aleksander8 писал(а):
Тем не менее, схема в начале топика работает.

В модели схема работает. При этом дроссель работает в разрывном режиме (ток протекает треугольными импульсами). Амплитуда тока до 2A. Действующее значение тока 0.6A
В предлагаемых методиках, критерием для расчёта дросселя являлась непрерывность тока в нем. Поэтому и индуктивность получилась большая. Однако, не смотря на большую индуктивность, дроссели для неразрывного режима подвергаются меньшим импульсным (0.4-0.6А) и действующим (0.33-0.37А) токам и поэтому имеют практически такой же габаритный размер, как и для дросселя в разрывном режиме. Через электронные ключи в неразрывном режиме протекают меньшие токи, что благоприятно сказывается на общей эффективности преобразователя и уровне генерируемого шума.
Но суррогатный ШИМ контроллер на 555 не способен формировать импульсную последовательность с заполнением близким к 1. По сути он является неким симбиозом ШИМ и ЧИМ. При старте он формирует импульсы с заполнением 0.546 и частотой 29.2кГц. В номинальном режиме заполнение 0.467 и частота 34.7кГц. Т.е. особого выбора нет. Если мы хотим использовать 555, то неразрывный режим не достижим. Однако, разрывный режим, не смотря на меньшую эффективность, может быть полезным в случае использования не достаточно быстрого диода VD1 (не Шоттки). В этом случае у диода появляется время на обратное восстановление. А так как сам преобразователь имеет не большую мощность (180В * 0.02А = 3.6Вт), то его эффективность также не очень важна.
Вывод: Предложенная в начале схема преобразователя работоспособна и вполне может быть использована по предполагаемому направлению.
Автор:  Aleksander8 [ 27-05, 23:39 ]
Заголовок сообщения:  Re: Step-up на NE555
Спасибо за подробный ответ.
Посмотрел все книги по данной тематике, которые смог найти. Только в одной (без титульного листа, т.е. без указания автора) нашёл режим разрывного тока. К сожалению, расчёт по методике, изложенной в этой книге показал индуктивность дросселя = 2.4-2.7 мГн. Что ещё больше.
Придётся просто повторить схему только с расчётом номинала R1 под необходимое выходное напряжение.
Автор:  Aleksander8 [ 29-05, 22:04 ]
Заголовок сообщения:  Re: Step-up на NE555
Т.к. повышающий преобразователь является частным случаем обратноходового преобразователя, воспользовался методикой, изложенной в AN-16 от Power Integrations.
Если приравнять индуктивность дросселя к индуктивности первичной обмотки трансформатора, взять коэффициент потерь 0,9 (по методике, если он равен 1, то потери на стороне первичной цепи, если нулю, то на стороне вторичной) и К.П.Д.= 0,5, получим индуктивность, равную 76,8 мкГн. При К.П.Д. = 0,8, индуктивность - 124,77 мкГн.
С учётом того, что преобразователь работает в режиме прерывистого тока дросселя.
Правомерен ли такой подход к расчёту?
Автор:  valvol [ 29-05, 23:51 ]
Заголовок сообщения:  Re: Step-up на NE555
Эти методики придуманы для нормальных ШИМ контроллеров, а не для 555.
Что касается разрывного режима, то его может обеспечить широкий спектр индуктивностей, в диапазоне от очень маленьких до граничной (за счёт роста амплитуды тока).
Все необходимые формулы легко выводятся из простых соотношений. Граничное значение индуктивности, обеспечивающее граничный, между разрывным и неразрывным, режим можно найти по формуле:
L=Vi^2*кпд/(2*P*F)=12^2*1/(2*180*0.02*30000)=666мкГ
Однако эта формула справедлива только для того случае, когда ШИМ-контроллер способен обеспечить соответствующий коэффициент заполнения:
D=(Vo-Vi)/Vo
Для соотношения Vi=12 и Vo=180 имеем D=(180-12)/180=0.9333
Автор:  Aleksander8 [ 30-05, 19:17 ]
Заголовок сообщения:  Re: Step-up на NE555
Большое спасибо.
Автор:  valvol [ 03-06, 02:01 ]
Заголовок сообщения:  Re: Step-up на NE555
Изображение
Решил создать некую методику именно для 555 таймера.
Так как у таймера имеет место комбинированное регулирование, то сначала, для определения параметров индуктивности, необходимо оценить его регулировочную характеристику в крайних точках. Для этого мы должны определить формируемые длительности в зависимости от управляющего напряжения Vc на ножке 5.
Используя известное выражение для RC-цепи, определим время зарядки конденсатора C4:
t1=-(R5+R6)*C4*ln((Vin-Vc)/(Vin-0.5*Vc))
и время разрядки конденсатора C4:
t2=-R6*C4*ln(0.5)
Для удобства, сводим все расчёты в таблицу Excel
Изображение
Здесь вроде бы всё ясно. Во второй и третьей строке рассчитываются параметры импульсной последовательности для различных значений управляющего напряжения Vc. В данном случае, эти значения взяты из модели предложенной схемы. Но можно выбрать и другие. Например, если выкинуть резистор R4, то верхнее значение Vc станет равным Vc = 2 * Vin / 3 = 8В. Нижнее значение Vc устанавливается автоматически схемой регулирования и соответствует ситуации, когда мощность передаваемая преобразователем равна номинальной мощности нагрузки. Для расчёта, необходимо выставить желаемое значение Vc, которое, допустим, на 1.5...2 Вольта ниже верхнего.
В 6-й строке для требуемой мощности определяются индуктивность и амплитудное значение тока в индуктивности. Энергия, накапливаемая в индуктивности пропорциональна квадрату амплитуды тока (ток оказывает большее влияние, чем сама индуктивность). Поэтому рассчитанное значение индуктивности не минимальное, а максимальное. В большей индуктивности просто не накопиться требуемая энергия. С другой стороны, некоторое уменьшение индуктивности будет скомпенсировано увеличением тока.
Рассчитанные параметры хорошо совпадают с результатами моделирования.
Таблицу можно взять здесь.
Страница 1 из 1 Часовой пояс: UTC + 4 часа
Powered by phpBB® Forum Software © phpBB Group
http://www.phpbb.com/