Vidlákovo elektro 87. 3 fázová nábojová pumpa.

16. října 2014 v 5:46 | Petr |  Vidlákovo Elektro
Minule jsme narazili na paradox, že nikomu se nechce babrat se stavbou záporného napájení pro operační zesilovače a proto to každý chce "odrbat" pomocí "virtuální země" - odporovým děličem generovaného napětí, ke kterému vztáhneme napětí signálů. Přitom operační zesilovače snesou značný "binec" na napájecích napětích, ale šumy na "napětí země" se zesiluje spolu se signálem....

Tedy jsem se dostal ke smutné nutnosti postavit pro jeden "zatím tajný" obvod záporné napájení pro operační zesilovače. Jako člověk, který nenávidí cívky mi zbyly nábojové pumpy s kondenzátorem a ani ty nejsou vůbec bez problémů.


Mám totiž bohaté a špatné zkušenosti s nábojovými pumpami typu NE555 "pumpuje" přes diodový spínač náboj. Tato nábojová pumpa sice neprodukuje magnetické rušení a vždy se rozkmitá a vždy z ní "něco leze" čímž je mnohem "více vidlácká" než spínané zdroje s tlumivkou, ale její vlastnosti nejsou nic moc. Zejména pokud potřebujete proud větší než nula-nula-nic miliampérů dojdete k tomu, že záporné napětí na výstupu je nepatrné a plné elektrického rušení.


Zakže jsem přemýšlel - jak to dělají "opravdu velcí kluci". JE známo, že hlavní problém jednoduché nábojové pumpy je, že polovinu času obvod jede jenom z filtračního kondenzátoru. Proto by se hodilo rozdělit činnost nábojové pumpy na vice fází. Moderní motherboardy se vyloženě chlubí že mají 16 fázové spínané zdroje - sice s tlumivkami ale i tak... Nedá se postavit vícefázová nábojová pumpa s kondenzátory ? Kolika fázová ? 16 fázová určitě ne - nechci aby byla složitější než zbytek obvodu. Tak 2 fázová ? U práce se signálem a jeho invertovanou formou jsou problémy, že pokud signál nemá přesně 50% střídu (které je složité dosáhnout) tak se signál a jeho invertovaná forma různě překrývají a to taky není ono. Ideální a dostatečne vidlácké by byla 3 fázová nábojová pumpa kdy během přepínání kondenzátoru č. 1 a 2 bude kondenzátor č. 3 zásobovat systém - pěkně jako 3 fázový proud, který se usměrňoval ve starých svářečkách a vše běželo celkem uspokojivě i bez filtračních kondenzátorů.


Tím se dostáváme k otázce jak "vidláckým způsobem" generovat 3 fázový signál. Paradoxně to není tak těžké jak se zdá. Pokud se podíváte na můj milovaný kruhový oscilátor ze 3 invertorů - ten vždy kmitá tak, že fázový rozdíl mezi hradly se rozprostře tak že fázový rozdíl je 120 stupňů.



Takže jsem myslel myslel a vymyslel následující strašidelný obvod nahoře vidíte "kruh z invertorů" které jsou "zpomaleny" RC obvody R1+2+3 a C1+2+3. Všechny 3 invertory fungují zároveň jako zdroj "hodinového signálu" a zároveň jako výkonvý prvek pumpy. Z 6 invertorového integrovaného obvodu typu 74HC04 vám zbydou ještě 3 invertory, které se dají použít na něco jiného nebo se z nich dá zapojit "druhý kanál".


Jak se spínání pěkně překrývá vidíte na grafu. Zbývá, jako obvykle několik nepatrných poznámek.
  • Pokud na to "máte žaludek" můžete zpomalovací RC členy vyhodit - problém je v tom, že celý obvod tím bude místo slušných 50-100 KHZ kmitat na 3-10 MHz což bude mít negativní vliv na účinnost, protože při takové rychlosti se diody už chovají spíše jako kondenzátory.
  • Pokud by vás napadlo místo "dvou třífázových" udělat jednu "šestifázovou" nábojovou pumpu prostě tím, že spojíte všech 6 hradel do kruhu - nedělejte to - u více než 3 hradel se vyskytují nepravidelnosti často typu "jedno překlopené hradlo krouží kolem dokola" což znamená, že výkon 6 fázové pumpy může být výrazně horší než dvou třífázových.
Připadá vám obvod jako monstrum ? Pokud byste totéž dělali s 3 NE555 měli byste pasivních součástek ještě více, ale stále máte možnost použít marketingovými kecy obklopené nábojové pumpy typu MAX1044. Tím jsme tedy pro dnešek skončili zbývá už zase jenom rada paní Kubáčové novomanželkám : když vás manžel štve - nemluvte s ním včetně dobrých rad.
 

Buď první, kdo ohodnotí tento článek.

Komentáře

1 Petr Petr | E-mail | 16. října 2014 v 7:32 | Reagovat

Jaká je tedy rada paní Kubáčové novomanželkám?

2 Igi Igi | E-mail | Web | 16. října 2014 v 8:14 | Reagovat

Je to pekné, ale má to jednu nevýhodu - obvod 74HC04 šlape na 5V, ak potrebujem iné výstupné napätie tak sa to nedá použiť. Šikovné ak treba iba -5V na výstupe. + za riešenie.

3 Mirek Mirek | 16. října 2014 v 9:15 | Reagovat

Co je špatného na TC7660 (TME asi 14,-Kč)? Tam stačí dva kondenzátory - a to je vše.

4 m.marianek m.marianek | 16. října 2014 v 10:27 | Reagovat

[2]: Kdo vám brání použít CMOS obvody řady 4000, které mají napájení až do 18V?
Další možnost pro výrobu vyššího napětí je násobič (se všemi jeho negativními vlastnostmi). V případě násobiče bych doporučoval schottkyho diody.

5 m.marianek m.marianek | 16. října 2014 v 11:00 | Reagovat

Jen pro doplnění pane Kubáči, vámi nenáviděné cívky umožňují u vícefázových zdrojů podstatné potlačení střídavé složky proudu ve výstupním filtru, čímž snižují namáhání filtračních kondenzátorů velkými střídavými proudy. A právě pro to se to v PC takhle dělá, uhřátí kondenzátorů vlastním ztrátovým teplem a teplíčkem od procesoru je jedna z nejčastějších závad PC. Je velmi vhodné, když se napětí měničem snižuje ve stejném poměru jako je počet fází (u třífázového 1:3, u čtyřfázového 1:4 atd.), střídavé složky výstupního proudu se pak takřka dokonale odčítají a výsledný filtrační kondenzátor pak může být menší. To je něco, co u nábojové pumpy bohužel nebude fungovat. Jinak vaši nenávist k cívkám chápu, taky jsem je jako kluk neměl rád (a dodnes nemám), špatně se to kupuje, blbě se to měří a nedodržení materiálu a přesného postupu výroby cívky může zmršit celou konstrukci. To mi připomíná jednu veselou příhodu jak se můj kolega pěkně nadrbal s opravou stroboskopického osciloskopu u kterého děvočka ve výrobní fabrice omylem zaměnila feritové jádro transformátorku, který transformuje a symetrizuje jehlové impulzy pro vstupní diodové spínače. Impulzy mají délku do 100ps a v podstatě je není čím změřit. Špatné jádro zmršilo jejich průběh, takže osciloskop ukazoval jaksi podivně a já dodnes obdivuji kolegu, že na to přišel.

6 kolemjdoucí kolemjdoucí | 16. října 2014 v 11:21 | Reagovat

[3]: Co je špatného na TC7660? No přeci poštovné... :D Tohle doma v šuplíku nikdo běžně nemá.

(ale shodou okolností jsem ho teď měl napsaný v objednávce v několika kusech, ovšem jako ICL7660, takže přepisuji na TC, děkuji za tip na úsporu a posílám pozdrav ;)

7 Igi Igi | E-mail | 16. října 2014 v 17:34 | Reagovat

[4]:: Nič mi nebráni použiť radu 4000, ani zapojenia s CMOS 555 a ani 7660, tak isto viem použiť aj riešenie s cievkami. Vyjadroval som sa len k priamo použitej schéme a ku konkrétnemu použitému IC. Ak Vám vadí čo píšem, ignorujte moju poznámku ak máte pocit že to nebolo k veci a k obsahu článku. Vy zase píšete v [5]: o cievkach a tie sa tu v  zapojení nenachádzajú, ale to by táto debata zase išla do stratena.

8 Dalík Dalík | 17. října 2014 v 18:34 | Reagovat

m.marianek: naprosto netuším, o čem píšete. Co to je vícefázový zdroj a to snižování napětí...?
Neměl byste nějaký vhodný odkaz třeba k prostudování? Děkuji.

9 Dalík Dalík | 17. října 2014 v 21:28 | Reagovat

m.marianek: něco píšou na wiki tady: http://en.wikipedia.org/wiki/Buck_converter

ale o poměru snižování napětí jsem se nedočetl..

10 m.marianek m.marianek | 18. října 2014 v 12:04 | Reagovat

[9]: No, to je přesně ono v kapitole "Multiphase buck". S tím poměrem je to tak, že odečítání střídavých složek jednotlivých větví (fází) funguje nejlépe, když je počet větví stejný jako poměr výstupního a vstupního napětí. Proč? Protože ve stejném poměru jsou strmosti pilovitých proudů procházejících indukčnostmi. Jako příklad vezmeme snižování napětí
3:1. Spínač přivádějící napětí na indukčnost je 1/3 periody seplý a 2/3 rozeplý, indukčnost se tedy vybíjí dvakrát déle, než se nabíjí. Strmost vzrůstání nabíjecího proudu je dvakrát větší, než strmost vybíjecího a když použijeme tři identické regulátory a každý bude spínat jinou třetinu cyklu, budou se vždy dvě indukčnosti vybíjet a jedna nabíjet. Jeden proud tedy roste vzhůru a dva s poloviční strmostí klesají. Když výstupy tlumivek spojíme, budou se nám pilovité průběhy proudu v uzlu odečítat a zůstene jen střední (stejnosměrná) složka proudu. Tohle ovšem funguje ideálně jen když je poměr dob sepnuto/rozepnuto 1:2 a z toho vjde poměr napětí 1/3. Pokud použijeme jiný poměr, tak se proudy nebudou odečítat ideálně a nějaká složka zvlnění proudu zůstane, ale pořád je to lepší, než jednofázový zdroj.

11 Dalík Dalík | 18. října 2014 v 22:57 | Reagovat

á..promyslím to..děkuji moc

12 Dalík Dalík | 20. října 2014 v 21:35 | Reagovat

Ano, tak už bych řekl, že to chápu, děkuji!

13 TeX TeX | 23. listopadu 2014 v 22:30 | Reagovat

Netočí ten tajný projekt  motorkem z harddisku ? Že by cenrifuga nebo tak něco :) To zapojení je hezký, ale zbytečně složitý

14 TeX TeX | 23. listopadu 2014 v 22:33 | Reagovat

Ale jestli jde jen o to záporné napětí tak bych dal dvě baterky...

15 Dan Dan | E-mail | 30. ledna 2015 v 22:01 | Reagovat

Už to zapojení někdo postavil? Já jen, že jsem si to zkoušel nasimulovat v simulátoru (Proteus 8). Napřed mi to vůbec nekmitalo, po přidání jednoho rezistoru 3k3 mezi vstup invertoru a zem se to rozkmitalo, ale výstupní napětí bylo nízké (asi -2.5V). Zapojení mi fungovalo až po výměně 74HC04 za obvod 40106 (Hex inverting Schmitt trigger) a to i bez přídavného rezistoru. Tak nevím, jestli je chyba v použitém obvodu, nebo v simulátoru (nebo jeho modelu 74HC04), nebo ten simulátor jen neumím používat :) Každopádně kdyby to někomu nejelo, tak to může zkusít s něma Schmittama.

16 Dan Dan | E-mail | 31. ledna 2015 v 0:21 | Reagovat

[15]: Hmm, tak nic, chyba byla jen u mě, nakonec jsem to rozkmital pomocí tlačítka a funguje to i s 74HC04. Ten rezistor navíc tomu nedělal dobře.

17 DolfyCzech DolfyCzech | E-mail | 11. prosince 2015 v 3:26 | Reagovat

Pěkný máslostroj :) Já bych zbylé tři invertory použil jako výkonové prvky, kaskádu bych nechal jako zdroj hodin. Stávající zapojení bude podle odebíraného proudu měnit svůj kmitočet. Pokud by byly hodiny a výstup na jiných hradlech, zátěž zdroje tak nebude měnit kmitočet hodin. Jinak je to zapojení velice inspirující, v podstatě asi nejsnazší způsob jak generovat symetrický vícefázový signál. Jen ještě nějak vykutit, jak u toho měnit kmitočet. Trojitý tandem asi neseženu, čili možná místo invertorů použít komparátory...

Nový komentář

Přihlásit se
  Ještě nemáte vlastní web? Můžete si jej zdarma založit na Blog.cz.
 

Aktuální články

Reklama