Меню

Расчет преобразователя напряжение частота

Преобразователь частоты в напряжение

В 1987 году в журнале «Радио» в разделе «Обмен опытом» была опубликована схема преобразователя частоты в напряжение (рис.1) [1]. Помнится, что очень хотелось собрать на ней частотомер, но как-то всё не получалось найти нужные транзисторы и схема так и осталась непроверенной.

Прошло много лет, всё забылось, а вот недавно понадобилось контролировать частоту на достаточно большом промежутке времени и сразу, вдруг, вспомнился тот преобразователь. А это значит, что пришло время его собирать…

Принцип работы перепечатывать из статьи не буду, приведу часть отсканированного текста (рис.2).

В схеме, непонятно почему, конденсатор С7 стоит «минусом» в общий провод, хотя понятно, что при подаче на инвертирующий вход операционного усилителя положительного напряжения на его выходе получается отрицательное. Давайте, будем считать это банальная опечатка и просто учтём её на будущее.

Указанные в статье полевые транзисторы сейчас уже можно не искать – есть удобные мультиплексоры аналоговых сигналов – например, 74HC4052. Операционный усилитель тоже лучше использовать более современный, а если же взять «спаренный», то после дополнительного каскада инверсии на выходе можно получить более удобное и привычное положительное напряжение.

Немного посидев с паяльником и макетной платой, получилась схема, показанная на рисунке 3, где входной синусоидальный сигнал преобразуется триггером Шмитта 74HCT14 (DD1) в прямоугольный, который управляет ключами мультиплексора 74HC4052 (DD2). Алгоритм их переключения таков, что при низком уровне на выводе 9 замкнут «верхний ключ» (13 и 12 выводы) и разомкнут «нижний» (3 и 2 выводы), а при высоком уровне на выводе 9 всё наоборот — разомкнут «верхний» и замкнут «нижний». Зарядный ток конденсатора преобразуется в напряжение и фильтруется на операционном усилителе ОР1.1, проходит через НЧ фильтр R6C5 и затем инвертируется и дополнительно фильтруется на ОР1.2.

Стабилизаторы напряжений питания VR1 и VR2 выбраны 5-тивольтовыми исходя из того, что в схеме стоит микросхема с 5-ти вольтовым питанием – 74HCT14. Можно, конечно, использовать только VR1, запитав от него микросхемы DD1 и DD2, а ОР1 питать от цепей +/-12 В и, тогда, изменив коэффициент усиления каскада на ОР1.2, можно получить большее выходное напряжение. При той же схемотехнике, что показана на рисунке 3, на выходе ОР1.2 получается +3,5 В при входной частоте 700 Гц («прирост» напряжения по 0,5 В на каждые 100 Гц).

При проверке работоспособности применялась программа SpectraPLUS, имеющая в себе утилиту генератора сигналов. На рисунке 4 тремя участками по пять минут показано состояние выходного напряжения при «линейном» изменении входной частоты от 0,1 Гц до 700 Гц.

Была проверена работа и с другими параметрами изменения частоты – на рисунке 5 результат «обратный по частоте» (т.е. от 700 Гц до 0,1 Гц), а на рисунке 6 – с логарифмической зависимостью изменения частоты. Графики сделаны при меньших временных интервалах.

На относительно больших скоростях свипирования заметны искажения фронтов в моменты резкого изменения частоты (рис.7), причина которых кроется в больших временных постоянных фильтров низких частот. Простое уменьшение номинальных значений конденсаторов С4, С5 и С10 проблему с искажениями фронтов несколько уменьшает, но тогда появляется проблема с плохой фильтрацией пульсаций сигналов на самых низких частотах. В данном случае проблема «затяжки» фронта решается выбором бОльшего времени свипирования.

Читайте также:  При каком напряжении заряжать авто аккумулятор

Чувствительность преобразователя около 0,85 В на частотах выше 10 Гц, но на частотах ниже зависит как от ёмкости разделительного конденсатора на выходе звуковой карты, так и от параметров входной цепи самого преобразователя. В связи с этим возможно изменение скважности при преобразовании входного сигнала в прямоугольник и чтобы его исключить, в схему следует добавить триггер DD3 (рис.8), делящий частоту сигнала в два раза и этим преобразующий его в сигнал с одинаковой длительностью «нулевого» и «единичного» состояний (меандр). Естественно, в этом случае для получения тех же значений выходных напряжений, входящая частота должна быть в два раза выше.

В приложении к тексту есть файл печатной платы в формате программы Sprint-Layout с разводкой под дополнительную микросхему 74HC74. Размер платы 60х45 мм, все детали установлены с одной стороны (рис.9 и рис.10), фольга на другой стороне используется как общий провод. Вид сделан со стороны печати, при ЛУТ нужно выбирать опцию «Зеркально».

Детали применены как для поверхностного монтажа, так и обычные выводные.

Стабилизаторы напряжений питания можно использовать и маломощных версий, с буквой «L» — просто здесь установлены те, которых было больше в наличии.

«Зарядный» конденсатор С3 в макетной плате использовался smd-шный 0805 Y5V , а в окончательном варианте был установлен плёночный «зелёный» китайский безымянный (виден на рис.10) — разницы в преобразовании замечено не было.

Конденсаторы С4 и С10 — неполярный, взяты из какой-то компьютерной акустики. Можно использовать и обычные полярные электролитические конденсаторы и тогда минусовой вывод С4 подключается к выводу 1 ОР1.1, а минусовой вывод С10 к выводу 6 ОР1.2.

Преобразователь, собранный с указанными номиналами элементов, в настройке не нуждается, но при внесении изменений или изменении условий, потребуется настройка. Например, если ёмкость конденсатора С3 взять 0,047 мкФ, то диапазон преобразуемых частот увеличится примерно вдвое. Также, если увеличить сопротивление R8 в два раза, то примерно настолько же увеличится и выходное постоянное напряжение. Питания операционных усилителей в этом случае следует брать +/- 12 В.

Андрей Гольцов, г. Искитим

Источник



Как рассчитать импульсный преобразователь электрической энергии? Часть 1

Александр Русу, Одесса, Украина

Проектирование преобразователей электрической энергии требует от специалиста четкого понимания всех процессов, происходящих в их силовой части. В отличие от преобразователей сигналов (усилителей, модуляторов, АЦП и пр.), для создания которых в большинстве случаев достаточно быть профессионалом лишь в области электроники, для разработки преобразователей ЭНЕРГИИ кроме этого необходимо неплохо разбираться в физике и иметь широкий кругозор в области электротехнических и магнитных материалов. Именно поэтому разработчики источников питания всегда пользовались, и будут пользоваться заслуженным уважением среди электронщиков.

Но, как показывает практика, чтобы в этой области выйти на высокий уровень профессионализма, необходимо не только много работать, но и, к сожалению, сжечь не одну коробку транзисторов, диодов и других недешевых электронных компонентов. Конечно, ошибки всегда можно списать на недостаток опыта или специфику разработки устройств силовой электроники, однако, анализируя свои собственные неудачи, мне приходится признать, что на сегодняшний день процесс импульсного преобразования электрической энергии до сих пор системно нигде не описан, что и является причиной многих, порой очень досадных инцидентов.

Читайте также:  Источник опорного напряжения отрицательное напряжение

В свое время я прочитал (и продолжаю этим заниматься до сих пор) немало книг, статей и других материалов, посвященных этому вопросу. Должен признать, что их авторы всегда честно пытались описать импульсный процесс преобразования с помощью самых различных моделей, точность которых иногда была порой избыточна, а методы анализа – в прямом смысле слова удивительными. Однако самостоятельная практика показала, что в понимании самого процесса импульсного преобразования все еще много «белых пятен» – вопросов, которые по разным причинам еще не нашли отражения в литературе. И тогда оставалось только действовать самому, ища нужные ответы. Правильные решения в виде работающих схем отправлялись заказчику, а неправильные – в коробку со сгоревшими деталями. Вот и получается, что опыт разработчика импульсных источников питания до сих пор состоит из двух приблизительно равных частей: известной, но, к сожалению, ограниченной теоретической базы и собственных «шишек», полученных за время работы.

Я искренне надеюсь, что эта статья сможет изменить это соотношение, уменьшив число «белых пятен», а значит – и количество времени, необходимое для формирования квалифицированного специалиста в области импульсного преобразования электрической энергии. Для этого я написал ее в формате примера расчета одной нестандартной схемы преобразователя (Рисунок 1). В этом примере последовательно по шагам описаны все основные этапы проектирования силовой части «с нуля», с акцентированием внимания на тех вопросах, ответы на которые в свое время мне пришлось искать самому. К сожалению, формат журнальной статьи имеет свою специфику, поэтому полный расчет от технического задания до прототипа здесь приводится. Да он на данном этапе и не нужен, поскольку большинство нерассмотренных вопросов либо интуитивно понятны, либо настолько хорошо освещены в известной литературе, что их грубое копирование здесь только бы навредило данному материалу.

Рисунок 1. Схема силовой части преобразователя.

И еще, целью статьи не является расчет схемы Рисунка 1. Целью статьи является описание ПРОЦЕССА расчета. Это означает, что данную методику можно применить не только для DC/DC преобразователей, как в приведенном примере, но и для широкого круга устройств: инверторов, выпрямителей, корректоров коэффициента мощности, преобразователей переменного напряжения и даже сглаживающих фильтров. Дело в том, что физические принципы импульсного преобразования электрической энергии с помощью индуктивных компонентов не зависят от того, в каких узлах они используются, поэтому порядок расчета в любом случае остается тем же, только нужно правильно подставить исходные данные.

Техническое задание

Прежде чем брать в руки калькулятор, нужно вначале определиться с тем, что должно получиться в итоге. Пусть нам необходим преобразователь, который из постоянного напряжения, изменяющегося в диапазоне от UВХ_MIN = 4 В до UВХ_MAX = 6 В (номинальное напряжение при этом равно UВХ = 5 В), должен сделать двуполярное напряжение UВЫХ1 = +12 В и UВЫХ2 = –12 В с максимальным током каждого канала IВЫХ1 = IВЫХ2 = 1 А. Гальваническая развязка входа и выходов не требуется.

Конечно, поставленную задачу можно было бы решить множеством других способов, некоторые из которых показаны на рисунке (Рисунок 2). Но схема Рисунка 1, во-первых, привлекает своим изяществом, а во-вторых, на этом примере можно показать всю последовательность действий в нестандартных ситуациях.

Определение величины преобразуемой мощности

С чего нужно начинать расчет? Самым главным параметром любого источника питания является мощность. Именно от нее напрямую зависят все остальные параметры преобразователя, в том числе масса, габариты и стоимость. В данном случае выходную мощность РВЫХ можно легко определить как сумму мощностей обоих каналов:

где РВЫХ1, РВЫХ2 – соответственно, выходная мощность первого и второго канала.

Однако на самом деле на массу, габариты и стоимость ключевое влияние оказывает не выходная, а преобразуемая мощность РПМ – скорость передачи энергии через магнитные или электрические поля элементов, изменяющих параметры электрической энергии. В нашем примере это процесс происходит в дросселе L1, поэтому именно от его режима работы зависят все остальные параметры схемы.

В общем случае, величина преобразуемой мощности может быть меньше мощности преобразователя. Это связано с тем, что за счет особенностей схемотехники силовой части часть энергии поступает в нагрузку непосредственно из источника первичного питания (с входа преобразователя), минуя магнитное поле дросселя. Этот вопрос подробно рассмотрен в [1], где и получены формулы, позволяющие рассчитать величину РПМ для четырех наиболее распространенных («базовых») схем:

где UВХ, UВЫХ – соответственно, напряжение на входе и выходе преобразователя.

Наша схема, на первый взгляд, не является ни одной из «базовых», однако посмотрим на нее внимательно. Если мысленно убрать из нее все элементы, относящиеся ко второму каналу преобразования (обмотку W2, VD1, C3), то останется классический повышающий преобразователь, а если убрать элементы первого канала (VD2, C2) – то обратноходовой (Рисунок 3).

Рисунок 3. Разделение схемы (Рисунок 1) на элементарные «базовые» преобразователи.

Для первого канала (повышающая схема) преобразуемая мощность РПМ1 зависит от соотношения напряжений на входе и выходе, причем, чем больше разница напряжений, тем больше РПМ1. Определим эту величину для худшего случая – при минимальном входном напряжении UВХ_MIN:

Во втором канале (обратноходовая схема) вся энергия проходит через магнитное поле дросселя, поэтому преобразуемая мощность РПМ2 не зависит от соотношения напряжений на входе и выходе:

Магнитопровод дросселя L1 является общим для двух каналов, поэтому, используя принцип суперпозиции, суммарную преобразуемую мощность РПМ можно представить в виде суммы преобразуемых мощностей первого и второго каналов:

Сравнивая результаты расчетов по формулам (1) и (5), видим, что РПМ

Источник