FERYSTER® Sp. z o.o.

Pracując przy projektowaniu elementów indukcyjnych na zamówienie, bardzo często zdarza się, że klient nie zdecyduje się ostatecznie na zakup, bądź też projekt wymaga kilku iteracji, zanim osiągnie ostateczny kształt. Każdy taki projekt i iteracja wymagają wykonania przynajmniej jednego prototypu aby zweryfikować parametry i często te „iteracje” zostają w Firmie. Zazwyczaj trafiają one do utylizacji, ale moja miłość do elementów indukcyjnych sprawia, że te dławiki, transformatory, przekładniki, cewki RF często lądują na mojej półce Wystawa Sztuki Współczesnej w oczekiwaniu na lepsze czasy.

Jednym z takich elementów jest Bardzo Ładny Dławik, który nie znalazł nowego domu, ale żal mi było się go pozbyć. Zastanawiałem się więc co mogę na nim zbudować. Normalnie robi się to na odwrót - to do projektowanego urządzenia dobiera się elementy, ale ponieważ dla mnie „projektowanym urządzeniem” jest element indukcyjny, stąd i moja perspektywa jest odwrócona.

Aż wymyśliłem - dławik otrzymał kolejne uzwojenia i stał się transformatorem: oparty na toroidalnym rdzeniu proszkowym MS-106075-2 otrzymał indeks TI-TMSS27-2x28T-1:1-BIAS by zostać sercem zasilacza o parametrach:

• napięcie zasilania: 12 woltów,
• moc wyjściowa: około 2,3 wata
• napięcie wyjściowe: symetryczne ± 18 woltów
• częstotliwość pracy: około 100 kHz
• sprawność: …posiada.

Będzie on separował masy, zapewniał symetryczne napięcie eliminujące kondensatory wyjściowe wzmacniacza oraz zastępował istniejącą przetwornicę boost, którą mimo wielu zabiegów i tak słychać przy braku wysterowania.

Zasilacz ma pracować w topologii samowzbudnego rezonansowego push-pull-a, w układzie niemal identycznym do tego stosowanego w zasilaczach dla lamp CCFL, często nazywanego też (nie do końca poprawnie) układem Royer’a. Wybrałem tę konfigurację z trzech powodów: - prototyp można poskładać i uruchomić na kolanie, - mogłem do niego włożyć jeszcze kilka dodatkowych dławików z Wystawy, - przebieg prądu roboczego ma kształt niemal czystej, pozbawionej harmonicznych sinusoidy.

Ma on jednak jedną bardzo dużą wadę, która dyskwalifikuje go w większości zastosowań - obciążenie wyjścia transformatora obciąża tank LC, powodując odkształcenie przebiegu sinusoidalnego (harmoniczne!) i spadek napięcia na wyjściu. Konieczne było więc „usztywnienie” układu LC poprzez zwiększenie stosunku prądu cyrkulującego do prądu roboczego. Tę rolę objął (również ujmującej urody) dławik DTMSS-20/0,025/5,0-H nawinięty na rdzeniu toroidalnym MS-080026-2 z użyciem licy w.cz. 90x0,1. Nie jest to jednak pierwszy lepszy dławik. Aby zminimalizować straty od wysokich prądów rezonansowych ma on: rdzeń o przenikalności 026 - generalnie czym niższa przenikalność tym niższe straty „w żelazie”, licę z izolowanych od siebie emalią drutów o średnicy 0,1 mm - ma ona zminimalizować efekt naskórkowości („wypychania” prądu szybkozmiennego z wewnątrz drutu na powierzchnię, przez co efektywny przekrój drutu jest mniejszy niż rzeczywisty). Typowo w takich układach tank rezonansowy składa się z uzwojenia pierwotnego transformatora (gdzie rdzeń transformatora ma szczelinę powietrzną, co pozwala na osiągnięcie lepszej tolerancji indukcyjności, typowo ±10% wobec ±25% dla rdzeni bez szczeliny) i równoległego do niego kondensatora, ale w ze względu na dużą indukcyjność transformatora, aby osiągnąć taki sam prąd rezonansowy, konieczne byłoby obniżenie częstotliwości pracy do 3,5 kHz, co z pewnością psułoby wrażenia odsłuchowe wzmacniacza…

Na wejściu układu konieczny jest też szeregowy dławik służący jako impedancja pomiędzy wejściem DC a transformatorem i do tego celu użyłem DTMSS-12,7/0,05/0A6-H. Ponieważ on będzie miał lekkie życie, dławik na małym MS-05075-2 nawinięty licą 8x0,18 w zupełności wystarczy.

Niestety, duży prąd rezonansowy nie eliminuje problemu harmonicznych całkowicie, dlatego na wyjściu transformatora, za prostownikiem pełnomostkowym w układzie Graetza znajduje się filtr typu π z kolejnym mieszkańcem Wystawy: malutkim dławikiem szpulkowym DSZ-4/3,3/0,6-V, mającym za zadanie „połknąć” wszystkie wyższe harmoniczne. Szpulkowe RSZ także są rdzeniami proszkowymi (ze szczeliną rozproszoną) więc nadają się do pracy w filtrach gdzie występuje stały prąd roboczy, chociaż tu także chciałem użyć nawiniętych ładną licą rdzeni toroidalnych (mamy nawet takie maleństwa jak MS-031075-8 o średnicy zewnętrznej 8 mm) ale żadnego nie miałem niestety na półce.

Dodatkowo zwiększenie prądu rezonansowego pociąga za sobą znaczny wzrost strat, stąd w stanie jałowym przetwornica pobiera ponad 0,7 wata, głównie na grzanie elementów LC. Być może w miarę popularyzacji nowszych materiałów Micrometals o lepszych parametrach jak SenMax (rdzenie SM-), SenPreum (SP-) czy GX na moją półkę trafi nowy ładny dławik i pozwoli te straty zmniejszyć

Zgodnie ze swoją naturą zasilacz uruchomił się bez problemu, oscylując ładnie na ~107 kHz i wykazując wszystkie spodziewane zachowania. Na zdjęciu termowizyjnym widać, że najcieplejszym elementem bez obciążania wyjścia jest dławik rezonansowy (po lewej), po podaniu obciążenia dołączają do niego nieśmiało klucze (po prawej).

Widać to także na wykresach. Dziwne przegięcie charakterystyki spowodowane jest przeciążeniem zasilacza, choć nie jestem do końca pewien czy tanku LC, czy może dławika wejściowego. Sama sprawność choć nie oszałamiająca, nie jest też najgorsza:

Również stabilność napięcia wyjściowego jest akceptowalna, jak na układ bez sprzężenia zwrotnego. Tyczy się jednak niestety tylko sumy napięć - napięcia mierzone względem masy rozjeżdżają się stopniowo w miarę wzrostu obciążenia, aż do różnicy 1 V, która przy zasilaniu wzmacniacza jest niedopuszczalna i będzie musiała zostać skorygowana dodatkowymi zabiegami.

Chcąc sprawdzić poziom zakłóceń na wyjściu posłużyłem się oscyloskopem z funkcją FFT. Jednak nie mogłem dopatrzyć się tam ani częstotliwości głównej, ani jej harmonicznych. Szukając co może być tego przyczyną, natrafiłem jednak na inne zakłócenia w okolicach 800 kHz - okazało się, że to oscylacje od komutacji kluczy, występujące pomiędzy dławikiem wejściowym, a transformatorem, mające znacznie większą amplitudę niż harmoniczne częstotliwości kluczowania, zaciemniały obraz:

Aby je stłumić wypadałoby wyposażyć klucze w gasiki, ale to jeszcze bardziej pogorszyłoby sprawność, a nie wpłynęłoby znacząco na zachowanie wzmacniacza. Na szczęście na wyjściu wzmacniacza nie widać ich wcale, jest tylko sygnał, szumy i częstotliwość kluczowania.

Podsumowując, uważam, że jak na pierwszą iterację projektu zbudowanego z tego co akurat miałem pod ręką wyniki są zadowalające i po pewnych modyfikacjach układ w 100% będzie spełniał stawiane przed nim zadanie.

Opracowanie:
Jakub Kalus
Konstruktor-elektronik
j.kalus@feryster.pl
tel. 68 360 00 77 w. 39