Способы подавления пульсаций (фона) во вторичных источниках электропитания

[admin]

В статье произведён анализ работы типовых источников питания линейного типа. Математически обоснован расчёт сглаживающего фильтра. Выявлены причины проникновения пульсаций в нагрузку через узлы стабилизатора напряжения и предложен ряд конструкторских решений по их подавлению.

Ссылка на статью: //cxem.net/pitanie/5-421.php

Автор статьи: //cxem.net/profile/26270/

[Реклама]

Реклама: ООО ТД Промэлектроника, ИНН: 6659197470, Тел: 8 (800) 1000-321

[Владислав2]

Полезная тема, иногда напрягает. Сам всегда пользуюсь активным фильтром, умножителем ёмкости.

Изменено 13 февраля, 2023 пользователем Владислав2

[Реклама]

20% скидка на весь каталог электронных компонентов в ТМ Электроникс!

Акция "Лето ближе - цены ниже", успей сделать выгодные покупки!

Плюс весь апрель действует скидка 10% по промокоду APREL24 + 15% кэшбэк и бесплатная доставка!

Перейти на страницу акции

Реклама: ООО ТМ ЭЛЕКТРОНИКС, ИНН: 7806548420, info@tmelectronics.ru, +7(812)4094849

[shodan_micron_servis]

Тема сама по себе полезная, но вот для нежных аналоговых цепей не проработанная до конца.

Ни борьбы с синфазной помехой не отражено, ни борьбы с звоном выпрямителей, ни учтено современного состояния зашумленности цепей электро-питания.

Собранный по этой статье блок питания получится шумным в современных реалиях.

Изменено 13 февраля, 2023 пользователем shodan_micron_servis

[Реклама]

Выбираем схему BMS для корректной работы литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

 Обязательным условием долгой и стабильной работы Li-FePO4-аккумуляторов, в том числе и производства EVE Energy, является применение специализированных BMS-микросхем. Литий-железофосфатные АКБ отличаются такими характеристиками, как высокая многократность циклов заряда-разряда, безопасность, возможность быстрой зарядки, устойчивость к буферному режиму работы и приемлемая стоимость. Но для этих АКБ, также как и для других, очень важен контроль процесса заряда и разряда, а специализированных микросхем для этого вида аккумуляторов не так много. Инженеры КОМПЭЛ подготовили список имеющихся микросхем и возможных решений от разных производителей. Подробнее>>

Реклама: АО КОМПЭЛ, ИНН: 7713005406, ОГРН: 1027700032161

[Vlad-kompozit]

Борьба с шумами и пульсациями осуществляется похожими методами, а именно, введением фильтров, снижением паразитных емкостных связей и экранировкой. 

[ДядяВован]

@Vlad-kompozit , большое спасибо за статью!
Сейчас как раз занимаюсь источником питания, и необходимо мне пара стабилизаторов с низким падением напряжения на регулирующем транзисторе (или по другому LDO). Перепробовал несколько популярных схем на трёх транзисторах, но все они характеризуются "не хилым звоном", победить который до конца у меня не получилось.
Благодарю за идею "перевести УПТ режим повторителя напряжения с приращением (вольтодобавкой)". Подобного решения не встречал и сам не додумался.
Получилась такая схема (вход 8,2-14 В, выход 7,5-8 В / 0,3 А). Проверил и в LTspice и в макете. Абсолютно нет возбуда, даже без ёмкостей на выходе и на TL. Для больших токов не годится, т. к. потребует составной регулирующий транзистор, а это сразу ухудшает LDOшность стабилизатора. Но без составного вполне можно "выянуть" до 0,5-0,7 А на транзисторе BD136-140 с суффиксом 16.

[Vlad-kompozit]

 

ДядяВован можете спокойно ставить составной транзистор Дарлингтона, в моей схеме падение напряжения на переходах база-эмиттер компенсируется усилением "вольтодобавкой". Единственное предостережение не используйте наши транзисторы типа КТ972 и КТ973 - это наихудшая пара Дарлингтона, которая мне встречалась, лучше самому сделать её, например, из КТ814 и КТ818 или послабее КТ502 КТ816 и т.д. К данной идее я не сразу пришёл, это многолетний опыт мучений и анализ схем. Слишком большой резистор в цепи база-эмиттер выходного транзистора не стоит ставить, это ухудшит его скоростные характеристики, но и слишком низкоомный тоже нельзя, чтобы не ухудшить силовые параметры СН. Золотая середина это от нескольких сотен ом до нескольких единиц килоом. Попробуйте разбить цепь R1C2 фильтра на два звена, результат сравните в симуляторе. Номиналы R и С можно даже уменьшить или оставить прежние. Главное выбрать оптимальный ток для TL431.

[ДядяВован]

@Vlad-kompozit , ещё раз благодарю за идею.

4 часа назад, Vlad-kompozit сказал:

в моей схеме падение напряжения на переходах база-эмиттер компенсируется усилением "вольтодобавкой"

Мы может быть про разное говорим. Мне важно минимальная разница между Uвх и Uвых. Без составного транзистора я получил на макете значение примерно 0,25 В. Если составной, то неизбежно к этому прибавится Uбэ второго транзистора, т. е. в сумме уже будет около 1 В.

5 часов назад, Vlad-kompozit сказал:

Слишком большой резистор в цепи база-эмиттер выходного транзистора не стоит ставить

Согласен, 1 кОм там достаточно будет.

5 часов назад, Vlad-kompozit сказал:

Попробуйте разбить цепь R1C2 фильтра на два звена, результат сравните в симуляторе

Разбил на два звена, ёмкости те же, резисторов два по 1 кОм. В симуляторе стабильность опорного напряжения на TL431 улучшается на два порядка. С одним звеном изменяется напряжение в третьем знаке после запятой, при двух ступенях изменения в пятом знаке.
Оставлю наверное одну ступень. У меня это предварительный стабилизатор, после него будет еще одна ступень стабилизации на ИМС. Главное, что эта схема не "звенит" и не добавляет шумов. Если задумку получится реализовать, то опубликую конструкцию на сайте.

В Вашей схеме всё таки нельзя недооценивать важность "Дарлингтона". Для уменьшения пульсаций выходного напряжения при изменении тока нагрузки, необходимо обеспечить минимальное изменение тока коллектора транзистора VT1 (нумерация по рис.8 из Вашей статьи). А это возможно при максимальном коэф. усиления регулирующего элемента => составной транзистор. В противном случае, значительное колебание тока через VT1 приводит к изменению Uбэ этого транзистора. А эта величина непосредственно задаёт Uвых. Ну и в добавок при этом меняется ток через VD2, что также не добавляет стабильности Uвых.

[Vlad-kompozit]

@ДядяВован попробуйте всё же применить составной транзистор. Минимальное падение напряжения вход/выход в данной схеме определяется исключительно силовым транзистором, его напряжением насыщения Uкэ.нас. Отличие от других схем УПТ типа эмиттерных повторителей, в которых действительно управляющее напряжение падает на каждом переходе б-э транзисторов, данный УПТ даёт усиление по напряжению, которое определяется вольтодобавкой стабилитрона в цепи ООС, а следовательно, входное управляющее напряжение УПТ может быть практически любым, т.е. падение напряжения на переходах б-э не влияет на выходное. Проверьте в железе или в симуляторе. Схема включения выходного каскада с ОЭ, а не с ОК.

[ДядяВован]

@Vlad-kompozit , читаю Ваше сообщение, смотрю на схему из статьи... Вроде всё так и должно быть...
Но вот симуляция не согласна (LTspice).
На картинках зелёный график - это напряжение на конденсаторе фильтра выпрямителя (имитация "просадки" сети, допустим)
Синий график - выходное напряжение стабилизатора.

Составной транзистор. ΔU_min ~ 0,9 В

Спойлер

 

Один транзистор. ΔU_min ~ 0,2 В

Спойлер

Возможно,что-то делаю не так. В железе не проверял.

Изменено 20 февраля, 2023 пользователем ДядяВован

[Vlad-kompozit]

@ДядяВован , было бы неплохо в железе посмотреть. Симулятор может что-то не так видит.

[ДядяВован]

Может быть...
Если будет время, попробую макет собрать.
А Вы каким симулятором пользуетесь? Если не LTspice, может погоняете в своём?

[Vlad-kompozit]

Обычно собираю в железе и проверяю на приборах. Это последнее время стало лень так симулирую в микрокапе.

[ДядяВован]

3 часа назад, Vlad-kompozit сказал:

Обычно собираю в железе

А не осталось в железе схемы рис.8 из статьи? Измерить бы на ней минимальное падение напряжения на регулирующем транзисторе.

[Vlad-kompozit]

Тот проект уже разобрал, сейчас разрабатываю предварительный усилитель с темброблоком. Схема 8 переросла в двухполярный фильтр-стабилизатор напряжения с полевыми транзисторами для преда. Схему пока не публикую, могу на почту сбросить для ознакомления, если интересно.

[ДядяВован]

В принципе, можно подождать публикации, но если не трудно, бросьте. 

[ДядяВован]

В 20.02.2023 в 08:39, Vlad-kompozit сказал:

входное управляющее напряжение УПТ может быть практически любым, т.е. падение напряжения на переходах б-э не влияет на выходное

Перечитал ещё раз. Похоже мы всё таки о разном говорим. Попробую на примерах придти к "общему знаменателю". Возможно пригодится желающим повторить Вашу схему.

Вы ведёте речь об управляющем напряжении. Я на своих рисунках обозначил его как опорное (Uоп).
Для выходного каскада стабилизатора по схеме эмиттерного повторителя опорное напряжение должно быть выше выходного на величину падения напряжения база-эмиттер.
 

Спойлер

Если использовать составной транзистор, то ещё выше необходимо управляющее напряжение.
 

Спойлер

В Вашей схеме выходной каскад выполнен по схеме с общим эмиттером, поэтому опорное (управляющее) напряжение меньше выходного, даже может быть много меньше U_вых. 
Следовательно не требуется корректировка управляющего напряжения при использовании составного транзистора в качестве регулирующего элемента. Замена одиночного транзистора составным (и наоборот) не влияет на выходное напряжение стабилизатора.

Спойлер

Спойлер

НО! Применение составного транзистора делает необходимым повышение входного напряжения регулирующего элемента.
Для одиночного транзистора: U_вых = U_вх - U_{кэ нас.}
Для составного транзистора:  U_вых = U_вх - (U_бэ1 + U_{кэ2 нас.})
С этим мы ничего поделать не можем, таков принцип работы пары Дарлингтона.
Поэтому, если необходим стабилизатор с низким падением напряжения на регулирующем элементе (LDO), то целесообразнее использовать одиночный транзистор. Хотя, как я упоминал выше, это ухудшает стабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки.

PS Сейчас подумал, интересно было бы рассмотреть вариант Вашей схемы с полевиком (p-канал) в качестве регулирующего транзистора.
 

[Vlad-kompozit]

Формула выходного напряжения семы по рис. 8 иная  

Причина повышенных пульсаций в вашем случае скорее всего в другом. Нужно проанализировать режим работы силового (выходного) транзистора, скорее всего он работает в области насыщения, когда усилительные свойства нивелируются. Зачем вам сверхнизкое падение напряжение вход/выход? Это имеет смысл только в мощных СН при больших токах нагрузки 10-20А, чтобы не греть атмосферу. Для эффективного подавления пульсаций все транзисторы СН должны работать в линейном активном режиме. Всей картины я не вижу по вашим графикам, что происходит в схеме. Какие параметры меняются, нужно больше данных.

[ДядяВован]

5 часов назад, Vlad-kompozit сказал:

Зачем вам сверхнизкое падение напряжение вход/выход?

Я не говорю, что это постоянный режим работы стабилизатора. Минимизация падения напряжения на регулирующем элементе позволяет сохранить стабильность Uвых при снижении входного напряжения, допустим из-за снижения напряжения в сети, или при питании от АКБ. Вариантов много, схема-то универсальная.

5 часов назад, Vlad-kompozit сказал:

Формула выходного напряжения семы по рис. 8 иная

Какова бы не была формула выходного напряжения, а напряжение между точками 1 и 3 равно сумме U₁₂ + U23. Из этого можно прикинуть минимальную величину U₁₃.
 

Спойлер

 

[Vlad-kompozit]

Идея снижения разницы напряжения вход/выход ясна - стремление к лучшему. Я выяснил причину повышенных пульсаций в составном транзисторе. Всё дело в том, что первый транзистор (т.н. драйвер) входит в насыщение быстрее выходного из-за того, что его потенциал на коллекторе меньше на разницу потенциала база-эмиттер второго и переход коллектор-база становится прямосмещённым. Выход из этой ситуации может быть в применении первого транзистора с напряжением насыщения КЭ меньшим, чем у второго, либо коллектор первого транзистора перенести на минусовую шину, но в этом варианте входной (первый тр-р Дарлингтона) будет выделять много тепла, что опять потери КПД. В общем задача здесь решается дополнительным смещением потенциала коллектора первого транзистора к минусу, транзисторы должны работать в активном режиме и входить в насыщение либо оба сразу в идеале, либо только выходной. Здесь как раз можно применить конструкторские таланты. 

Ваш вывод: напряжение между точками 1 и 3 равно сумме U12 + U23 - НЕВЕРНЫЙ. Напряжение Uкэ VT3 открытого транзистора (обычно 0,2-0,5В) меньше потенциала перехода база-эмиттер (0,7В) того же транзистора. Это не линейная схема из сопротивлений последовательно включенных одно за другим, где можно воспользоваться вторым законом Кирхгофа, здесь сложнее механизм.

Изменено 23 февраля, 2023 пользователем Vlad-kompozit

[ДядяВован]

3 часа назад, Vlad-kompozit сказал:

здесь сложнее механизм

Возможно. Возразить мне нечего.
По моим познаниям о транзисторах, для работы составного VT2-VT3 необходимо чтобы потенциал эмиттера VT2 был меньше потенциала эмиттера VT3 на "величину падения напряжения на диоде", как пишут в "букварях".
Если не так, то это выходит за границы моих познаний, к сожалению. 

[Vlad-kompozit]

@ДядяВован  работа транзистора очень сложна. Если объяснить на рабоче-крестьянском языке, то в открытом транзисторе (режим насыщения) напряжение коллектор-эмиттер несколько меньше, чем напряжение база-эмиттер (тоже относится к полевым транзисторам с изолированным затвором MOSFET), переход коллектор-эмиттер становится прямосмещённым как и база эмиттер. Большая часть зарядов (дырки или электроны) из эмиттера прыгают аж бегом в коллектор под действием ускоряющего электрического поля базы, тем самым увеличивают проводимость коллектор-эмиттер, потенциал базы в этом режиме самый высокий.

Ещё один путь для снижение перепада напряжения вход/выход это применение мощного полевого транзистора вместо составного биполяра. Однако, следует избегать описанного режима насыщения транзисторов. Выходной транзистор должен быть в активном режиме с минимальным напряжением К-Э (сток-исток), но достаточным, чтобы не войти в область насыщения при скачках напряжения сети, иначе стабилизации и фильтрации не будет. Т.е. гнаться за предельно низким перепадом напряжения не очень разумно, но допустимо.

[ДядяВован]

22 часа назад, Vlad-kompozit сказал:

Ещё один путь для снижение перепада напряжения вход/выход это применение мощного полевого транзистора

Так а я про что?
 

В 23.02.2023 в 00:42, ДядяВован сказал:

интересно было бы рассмотреть вариант Вашей схемы с полевиком (p-канал) в качестве регулирующего транзистора

Более того, уже проверил это на модели. Мне понравилось. Думаю, в железе результат будет такой же.

В 23.02.2023 в 12:21, Vlad-kompozit сказал:

работа транзистора очень сложна

но глубоко изучена (уравнение Эберса-Молла, эффекты Эрли, Миллера ...)
Достаточно много в Ваших постах эмпирической составляющей. Есть утверждения с которыми я не согласен, но эта тема Ваша, поэтому я выхожу из дискуссии о транзисторах, ибо оффтоп получается.