PE AR 06/05

Ještì jednou k tlumivce
akumulaèního mìnièe
Ing. Josef Jansa
Tento pøíspìvek se zabývá ovìøením funkce akumulaèního vzestupného mìnièe [1], možnostmi zlepšení jeho úèinnosti a prùbìhy dìjù v pracovní tlumivce obecnì.
V PE 6/2004 bylo na s. 22 (viz [1]) popsáno velmi pìkné zapojení mìnièe 12/24 V
s výkonem až 120 W. Jednoduchá konstrukce s použitím moderního IO MAX1771, který
kromì výkonového tranzistoru obsahuje
všechny potøebné øídicí a regulaèní obvody,
pøímo vybízí k ovìøení, zda lze autorem deklarované vlastnosti dále zlepšit použitím tlumivky s jádrem KOOL Mµ [2].
Ovìøení konstrukce
Pøedem je nutné podotknout, že byla sestavena jen jedna jediná, autorem [1] dodaná
sada souèástek. Nelze proto zcela vylouèit,
že dále popsané zvláštní chování mìnièe
bylo zpùsobeno možnými nestandardními
vlastnostmi konkrétního integrovaného obvodu èi spínacího tranzistoru.
Mìniè po osazení pracoval na první pokus a potenciometrem P1 bylo možno velmi
pøesnì nastavit požadované výstupní napìtí
24 V. S ohledem na zmínku autora [1] o maximální pracovní frekvenci až 300 kHz pouze
ponìkud pøekvapivì pùsobilo, že pøi chodu
do velmi malé zátìže (napø. telefonní žárovka) mìniè slyšitelnì pískal (vysvìtlení viz dodatek).
Po pøipojení zátìže 5 Ω, tedy pøi pokusu
odebírat z mìnièe výkon asi 115 W, ovšem
mìniè okamžitì „zkolaboval“ - zaèal se vùèi
zdroji napájecího napìtí 12 V chovat jako témìø dokonalý zkrat. Toto podivné chování trvalo i pøi pokusu mìniè s pøipojenou zátìží
pøímo zapnout. Ovìøit jeho vlastnosti pøi uvádìném maximálním výkonu tak nebylo vùbec
možné.
Bližší opatrné zkoumání ukázalo, že se
podobnì mìniè chová nejenom se zatìžovacím rezistorem 5 Ω, ale i s rezistory s vìtším
odporem - 7 Ω a 10 Ω, které byly k dispozici.
Ty však bylo možné, by vìtšinou až na nìkolikátý pokus, k již nastartovanému mìnièi
alespoò pøipojit a zmìøit tak níže uvedenou
úèinnost. Nebylo však možné s nimi mìniè
zapnout - výsledkem takové snahy byl vždy
uvedený kolaps. Teprve se zátìží 25 Ω mìniè startoval a pracoval zcela bez problémù.
Protože šlo pøi tìchto pokusech mìnièi
evidentnì „o život“ (bohužel se tak nakonec
stejnì stalo), nebyl režim kolapsu promìøován a pøíèina závady tedy nebyla stoprocent-
Obr. 1.
nì urèena. Pøesto se však uvedené podivné
chování stalo impulsem k bližšímu zkoumání celého zapojení se snahou možnou pøíèinu alespoò vytipovat.
Studiem katalogového listu integrovaného obvodu MAX1771 tak bylo zjištìno, že
autor [1] vypustil (nahradil zkratem) malý
snímací odpor RSENSE mezi vývodem IO 8 a
zemí. Na tomto odporu vzniká ve fázi sepnutí tranzistoru a tedy „nabíjení“ tlumivky malý
úbytek napìtí, který vývod IO 8 zjevnì monitoruje. Dosáhne-li proud tlumivkou maximální
pøípustnou hodnotu, danou velikostí RSENSE,
IO spínací tranzistor rozepne. Tím je zajištìno, že se za žádných okolností nemùže pøesytit tlumivka nebo proudovì pøetížit tranzistor.
Nahrazení odporu RSENSE zkratem vede
k tomu, že IO uvedenou informaci o proudu
nedostává. Doba sepnutí tranzistoru je tak
bez ohledu na tlumivkou a tedy i tranzistorem protékající proud konstantní, a to maximálnì možná, daná výhradnì parametry IO
- v konkrétním pøípadì bylo namìøeno asi
16 µs, což velmi dobøe koresponduje s údajem výrobce. Lze si jistì snadno pøedstavit,
že za tìchto okolností se mùže pøi velkém
zatížení mìnièe pøesytit tlumivka.
Aèkoliv tedy vypuštìní odporu RSENSE
zøejmì není dobré øešení (omluvou je nespornì skuteènost, že se požadovaná hodnota øádu mΩ velmi obtížnì realizuje), nelze,
jak výše uvedeno, vylouèit i ojedinìlou závadu IO èi spínacího tranzistoru a tudíž možnost, že øada dalších realizovaných mìnièù
bude pracovat bez zmínìných problémù.
Ponechme tedy „kolapsové“ chování mìnièe
stranou a vìnujme se zajímavìjšímu tématu,
jímž je jeho úèinnost.
Mìøení úèinnosti
Úèinnost mìnièe byla zkoumána v osvìdèeném „jednovoltmetrovém“ zapojení
podle obr. 2 ve [3]. Nejdøíve byl mìniè osazen originální, v sadì souèástek dodanou
dvojicí tlumivek SFT1240. Mìøením byla
zjištìna indukènost tlumivek 72 µH a stejnosmìrný odpor 26 mΩ, paralelnì tedy
L = 36 µH a RDC = 13 mΩ. Tlumivky byly navinuty na jádøe prùmìru asi 20 mm.
Pozn.: Protože ne zcela bìžné zapouzdøení
jader tìchto tlumivek do plastových krytek
i zmínka o „advanced amorphous metal alloy core“ v katalogovém listu jejich výrobce,
firmy TDK, naznaèovaly „nìco lepšího“, byly
tlumivky ještì pøed vlastním mìøením úèinnosti promìøeny na pracovišti popsaném ve
[2]. Zjištìné wattové ztráty však velmi pøesnì korespondovaly s bìžným žlutobílým železoprachovým materiálem typu –26 a rozhodnì neodpovídaly amorfní slitinì. Protože
však i indukènost a stejnosmìrný odpor
mìly být podle katalogového listu mírnì odlišné, je otázka, zda se opravdu jednalo o zmínìné tlumivky TDK.
Výsledky mìøení v režimu 12/24 V s rùznými zatìžovacími rezistory (postupnì 56,
25, 19, 10 a 7 Ω) jsou zachyceny na obr. 1.
Úèinnost mìnièe byla velmi dobrá - pohybovala se od 80 do 91 %, což svìdèí o správném výbìru zejména spínacího tranzistoru a
Schottkyho diody.
Poté byl mìniè osazen pouze jedinou
železoprachovou tlumivkou (bìžné žlutobílé jádro prùmìru 25 mm) s L = 34 µH a
RDC = 9 mΩ. Úèinnost byla prakticky zcela
shodná jako v pøedchozím pøípadì a potvrdilo se tedy, že dodané tlumivky mají nejspíš
opravdu bìžné železoprachové jádro. Zároveò toto srovnání ukázalo, že zmenšení RDC
nepøineslo žádnou viditelnou výhodu a že je
tudíž úèinnost mìnièe ovlivnìna spíše wattovými ztrátami ve feromagnetickém jádøe
tlumivky než odporem jejího vinutí.
Uvedené zjištìní bylo pøíslibem možného úspìchu pøi zámìnì dodaných tlumivek za typ s jádrem KOOL Mµ. Proto
byly realizovány celkem tøi varianty tlumivek s tìmito jádry, a sice velikosti 20 mm
(L = 24 µH, RDC = 5,6 mΩ), 25 mm (L = 33 µH,
RDC = 7 mΩ) a paralelní kombinace dvou tlumivek na jádøe velikosti 25 mm (výsledné parametry L = 35 µH, RDC = 9 mΩ).
Výsledky mìøení úèinnosti mìnièe
(obr. 1) ukázaly, že jsou rozdíly mezi rùznými variantami tlumivek s jádry KOOL Mµ velmi malé - úèinnost se pohybovala mezi 92 až
94 %, a to bez ohledu na odebíraný proud.
Z toho lze uèinit závìr, že ztráty v tlumivkách
byly natolik malé, že je zastínily další ztráty
mìnièe. Úèinnost kolem 93 % lze proto považovat za prakticky nejvyšší, jakou je možno z mìnièe „vyždímat“.
Protože se graf úèinnosti mìnièe s železoprachovými tlumivkami a KOOL Mµ tlumivkami liší zejména v oblasti malých výkonù až pøekvapivì (obr. 1), byla mìøení pro
jistotu zopakována - s týmž výsledkem.
Ve snaze osvìtlit rozdíl mezi obìmi skupinami tlumivek ještì z jiného úhlu byly z namìøených dat stanoveny rovnìž celkové
ztráty mìnièe. Namìøené výsledky (obr. 2)
ukazují, že tlumivky se železoprachovým jádrem mají v celém mìøeném rozsahu výkonù pøibližnì o 2 W vìtší ztráty než tlumivky
s jádrem KOOL Mµ. Toto zpracovnání výsledkù mìøení rovnìž lépe odhalilo drobné
rozdíly mezi samotnými tlumivkami KOOL Mµ
Obr. 2.
Praktická elektronika A Radio - 06/2005
19
Obr. 3.
Obr. 5.
- v oblasti velkých výkonù, tj. i nezanedbatelných indukcí v jádøe, se namìøené hodnoty
vzornì „seøadily“ podle velikosti jádra a tedy
podle indukce v nìm.
Pro zajímavost byl mìniè ještì promìøen
pøi napájení z 5 V a zatížení odporem 25 Ω
- výsledky srovnání jsou na obr. 3. Úèinnost
mìnièe je nyní podstatnì menší, nebo se
vlivem nízkého napájecího napìtí podstatnì
více projeví ztráty ostatních obvodových prvkù, zejména tranzistoru.
Závìr
Z provedených mìøení vyplývá, že pùvodnì použitou dvojici tlumivek SFT1240 lze
pøi zachování téže úèinnosti nahradit jedinou
železoprachovou tlumivkou, navinutou pro
jistotu na o stupeò vìtším jádru R25. Vzhledem k pomìrnì vysoké cenì jedné tlumivky
SFT1240 (v katalogu GM electronic 2004 za
56,50 Kè) se to nepochybnì vyplatí.
Pokud má mìniè pracovat s lepší úèinností, je vhodné zvážit použití tlumivky s kvalitnìjším jádrem KOOL Mµ, zvláštì je-li i pøi
odbìru malých množství cena tohoto jádra
(firma PMEC Šumperk) podstatnì nižší než
cena dvou hotových tlumivek SFT1240. Odmìnou za trochu práce s navíjením bude trvalá úspora asi 2 W, o nìž bude mìniè
ménì høát.
Pro vizuální porovnání všech použitých
tlumivek je pøipojen obr. 4.
Dodatek
Pøi zkoumání èinnosti mìnièe byla poøízena celá øada oscilogramù, dokumentujících a osvìtlujících nìkteré ne zcela bìžnì
známé aspekty funkce jeho tlumivky. Tyto
oscilogramy byly získány v zapojení podle
obr. 5, kdy kanál 1 digitálního osciloskopu
snímal napìtí na kolektoru spínacího tranzistoru a kanál 2 prostøednictvím proudové
sondy s pøevodem 100 mV/1 A zobrazoval
proud protékající tlumivkou. Protože jde
o mìøení nepochybnì zajímavá a ne každý
má možnost je uskuteènit, zde alespoò nìkterá z nich:
Obr. 6 ukazuje mìniè 10/24 V s tlumivkou KOOL Mµ 33,5 µH do zátìže 25 Ω. Namìøený rozkmit proudu tlumivky 4,96 A pøi
opakovací frekvenci 36,5 kHz velmi dobøe
koresponduje s teoretickou hodnotou
4,74 A, získanou simulací programem Tlumivka [4], a hodnotou 4,84 A, získanou ze
vztahu ∆I = U 1//(L.t on). Napìtí na tranzistoru se cyklicky mìní mezi nulou (tranzistor
sepnut, tlumivka se „nabíjí“) a výstupním napìtím 24 V (tranzistor rozepnut, tlumivka se
„vybíjí“ do výstupních kondenzátorù). Jedná
se o uèebnicový pøíklad správné funkce mìnièe.
Pozn.: Výpoèty velmi dobøe souhlasí s namìøenou skuteèností zejména u tlumivek
s jádry KOOL Mµ, která se vyznaèují nezávislostí permeability na støídavé magnetické
indukci. V pøípadì tlumivek se železoprachovými jádry je tøeba poèítat s tím, že skuteèná (efektivní) indukènost mùže být násobkem indukènosti naprázdno (blíže viz
[2]).
Obr. 7 ukazuje tentýž mìniè, avšak pøi
vstupním napìtí 12 V. Díky vìtšímu napájecímu napìtí je i strmìjší nárùst proudu tlumivkou. Vzledem ke konstantnímu „nabíjecímu“ èasu tlumivky ton = 16,2 µs tak rozkmit
tohoto proudu dosáhne 5,84 A. Vzhledem
k vìtší energii, kterou nyní tlumivka v každém cyklu „pøelévᓠdo zátìže, prodlužuje
mìniè dobu rozepnutí spínacího tranzistoru
a opakovací frekvence tak klesá. Doba rozepnutí je nyní blízko stavu, v nìmž se úplnì
„vybije“ magnetické pole tlumivky a zánikne
její proud - viz naznaèené zákmity na obou
prùbìzích. Mìniè pracuje na hranì tzv. pøerušovaného režimu.
Tento režim je výraznìjší pøi dalším
zmenšení zátìže - na obr. 8 jsou prùbìhy
mìnièe 12/24 V se železoprachovou tlumivkou 34,5 µH a zátìží 56 Ω. Nyní je obèasné
pøerušení proudu tlumivkou zcela zøejmé.
Obr. 4.
20
Praktická elektronika A Radio - 06/2005
Nelze hovoøit o konstantním opakovacím
kmitoètu a rovnìž až dosud relativnì jednoduché výpoèty ztrácejí vesmìs svoji platnost.
Na obr. 9 je zachycen týž mìniè pracující do telefonní žárovky, tedy s velmi malým
výkonem. Jde o typický pøerušovaný režim,
v nìmž proud tlumivkou v každém cyklu na
dlouhou dobu úplnì zaniká. Opakovací frekvence proto klesá až na 2,3 kHz, což je též
vysvìtlením v úvodu zmínìného „pískání“
mìnièe. Rozkmit proudu tekoucího tlumivkou je v obou pøípadech (obr. 8 a obr. 9) jen
asi polovièní oproti výpoètùm a odpovídá pøibližnì dvojnásobné hodnotì efektivní permeability železoprachového jádra oproti permeabilitì poèáteèní.
Nulový proud tlumivkou znamená též nulové napìtí na ní - proto v okamžiku zániku
proudu tlumivkou klesne napìtí na tranzistoru z hodnoty výstupního napìtí na hodnotu
napìtí napájecího. Tento jev je provázen zákmity, jejichž velikost je ovlivnìna ztrátami
v tlumivce - èím kvalitnìjší tlumivka, tím vìtší zákmity.
Vliv kvality tlumivky na zákmity v pøerušovaném režimu ukazují další dva obrázky.
Pro snazší srovnání obou oscilogramù byl
tentokrát použit mìniè s konstantním kmitoètem a promìnnou støídou, popsaný ve [3],
zatížený v režimu 10/24 V telefonní žárovkou. Je zøejmé, že mìniè osazený tlumivkou
se železoprachovým jádrem (obr. 10) zakmitává v pøerušovaném režimu citelnì ménì
než mìniè s kvalitnìjší tlumivkou s jádrem
KOOL Mµ (obr. 11), nebo jeho zákmity jsou
silnì tlumeny podstatnì vìtšími wattovými
ztrátami v jádøe.
Poslední oscilogram (obr. 12) dokumentuje chování tlumivky pøi prùtoku znaènì
vìtších proudù, než na jaké je navržena.
V tomto experimentu byl opìt použit mìniè
podle [3], osazený tlumivkou 24 µH s relativnì malým jádrem KOOL Mµ prùmìru
12 mm a zatížený v režimu 12/24 V odporem 5 Ω. Obrázek prozrazuje, že proud tlumivkou dosahuje špièkové hodnoty až 19 A,
což je vzhledem k výstupnímu proudu 4,8 A
a napájecímu proudu asi 10 A jistì pozoruhodná velikost. Proud tlumivkou pøitom neklesá pod 5,6 A a indukce v jádøe se tak pohybuje mezi 0,75 T a 1 T. To jsou hodnoty
velmi vysoké, zasahující hluboko do oblasti
nasycení použitého feromagnetika. Dùsledkem je zmìna tvaru proudu tlumivkou (srovnejme s obr. 6) - objevuje se výrazná a nebezpeèná špièka. Ztráty v tlumivce prudce
narùstají, tlumivka se silnì ohøívá a úèinnost
mìnièe se zmenšuje.
Jaké závìry je možné uèinit z tìchto mìøení? Urèitì je vhodné mìniè navrhnout tak,
aby se pokud možno nedostával do pøerušo-
Obr. 6.
Obr. 7.
Obr. 8.
Obr. 9.
Obr. 10.
Obr. 11.
vaného režimu. Toho lze snadno dosáhnout, pokud mìniè pracuje za
konstatních podmínek do málo promìnné zátìže, jsou-li ovšem zátìž
a/nebo vstupní napìtí promìnné ve velkém rozmezí, pøerušovanému
režimu se vyhnout nelze. V takovém pøípadì je asi výhodnìjší zvolit
zapojení s konstatním spínacím kmitoètem než zapojení s konstatní
dobou sepnutí tranzistoru, nebo se tak vyhneme možnému poklesu
kmitoètu mìnièe až do akustické oblasti. Je rovnìž vhodné alespoò
poèetnì stanovit proud tlumivkou a ujistit se, že ani pøi kritické kombinaci minimálního vstupního napìtí a maximálního výstupního výkonu
nepøekroèí indukce v jejím jádøe bezpeènou mez.
Literatura
[1] Budínský, Z.: Mìniè napìtí s regulací od 12 do 24 V/120 W.
PE 6/2004.
[2] Jansa, J., Jansa, J. jun.: Tlumivky s práškovými jádry pro spínané
zdroje. PE 1/2004.
[3] Jansa, J.: Návrh tlumivky akumulaèního vzestupného mìnièe.
PE 6/2004.
[4] Program Tlumivka na www.pmec.cz
Praktická elektronika A Radio - 06/2005
Obr. 12.
21