Pokud jste se někdy pokoušeli například o stavbu vlastního spínaného měniče, ať už s obvodem MC34063 či jiným, pravděpodobně jste se při jeho konstrukci dostali do bodu, kdy bylo potřeba vybrat vhodnou akumulační tlumivku. Toto je dle mého názoru tou nejsložitější částí celého návrhu a to ze dvou hlavních důvodů:

1. Tato problematika se na školách obecně moc neučí. Řeknete si možná tak o tom, že proud cívkou se nemůže skokově měnit a že ve střídavém obvodu napětí předbíhá proud. A hurá na další látku.
2. Na rozdíl od ostatních základních součástek se tlumivky v obvodech používají poměrně zřídka a jejich úloha navíc často nemusí být na první pohled zřejmá.

Pomineme-li samotnou indukčnost cívky, jedním z hlavních požadavků vždy bude, aby nedocházelo k přesycování jejího jádra. Přesycení je - zjednodušeně řečeno – stav, kdy je materiál jádra plně zmagnetizován a jakékoli další zvyšování proudu tlumivkou nevede k další magnetizaci. Jádro tak není schopno akumulovat žádnou další energii, což je pro správnou funkci obvodu klíčové. Navenek se přesycení projeví jako relativně prudký pokles indukčnosti, v závislosti na materiálu jádra.

Na internetu je naštěstí k dispozici docela velké množství informací ze kterých lze při návrhu čerpat, například tento dokument od Micrometals, který poměrně detailně popisuje návrh tlumivek s železoprachovými jádry – vhodné pro měniče a výkonové filtry - klikni.

Návrh cívek tu však rozebírat nebudu, to by vydalo na samostatný článek.

Předem je určitě dobré zmínit, že pokud se tím nechcete sami zabývat, máte samozřejmě vždy (v určitých mezích) možnost koupit cívku již hotovou. Toto má ale tu nevýhodu, že jste jednak vázaní na omezený výběr kombinací indukčnost-proud-materiál a větší tlumivky bývají navíc velmi drahé. Holá jádra lze často sehnat mnohem levněji, navíc je možné po správné identifikaci materiálu recyklovat cívky například z počítačových zdrojů.

Předpokládejme tedy, že jste si navinuli tlumivku vlastní. Před tím, než ji zapájíte do svého obvodu, si však nejspíš budete chtít ověřit, že skutečně má vámi předpokládané parametry. Změřit indukčnost je snadné. Tuto funkci dnes podporuje spousta obyčejných multimetrů, případně lze použít RLC most. Na výpočet průřezu drátu existuje jednoduchý vzoreček. Ale jak zjistit proud, při kterém dojde k přesycení?

Princip měření

Ke zjištění maximálního sytícího proudu můžeme využít skutečnosti, že při přesycení dochází v důsledku poklesu indukčnosti k prudkému nárůstu protékajícího proudu. Toto je znázorněno na obr. 1 a 2.

Obr. 1 – Graf znázorňující charakteristiku proudu protékajícího tlumivkou s feritovým jádrem bez mezery. Proud je měřen na odporu 0,1 ohm. Při 100 mV na dílek je tak zřejmé, že k přesycení došlo při cca 0,5 A (Ohmův zákon).

Obr. 2 – Typická charakteristika sycení železoprachového jádra (materiál 26). Nárůst proudu je podstatně pozvolnější. K přesycení došlo okolo 8 A.

Princip měření spočívá v připojení velmi tvrdého zdroje napětí na měřenou tlumivku v sérii s rezistorem o známém odporu. Na tento rezistor připojíme osciloskop v režimu „Single“ nebo „Normal“, kterým můžeme snadno sledovat průběh protékajícího proudu. Takovýto zjednodušený obvod je na obr. 3.

Obr. 3 – Nejjednodušší obvod pro měření proudu tlumivkou.

Přestože je možné toto jednoduché zapojení použít, v praxi to nedoporučuji a to hlavně z toho důvodu, že průběhy na menších tlumivkách jsou velmi rychlé – například celý děj na obrázku č.1 se odehrál během 20 mikrosekund, což je příliš i na ty nejlepší spínače – odskakování kontaktů při sepnutí může trvat i několik milisekund, o ručním spojování holých drátů ani nemluvě. Při sepnutí mechanických spínačů navíc dochází k jiskření, což celou situaci ještě zhoršuje. Na osciloskopu byste pravděpodobně viděli jen nicneříkající šum. Použití baterie, například olověného akumulátoru tak, jak je to nakresleno na obrázku také není příliš vhodné, jelikož lze při delším připojení cívku snadno spálit.

Mnohem lepším řešením je použití tranzistoru jako spínače a velkého kondenzátoru místo baterie. Pokud k tomuto přidáme ještě generátor krátkých (ideálně i nastavitelných) impulzů, dostaneme velice praktické zařízení, které lze použít na testování široké škály různých tlumivek.

Schéma a popis zapojení

Vezmeme-li v potaz všechny zmíněné úpravy, můžeme podle nich navrhnout obvod jako je na obrázku č. 4:

Obr. 4 – Schéma zapojení testeru

Po připojení napájení dojde k nabití kondenzátoru C8 přes rezistor R1, který omezuje proudovou špičku a přetěžování zdroje. Jako zdroj impulzů slouží obvod 555, který je zde zapojen v monostabilním režimu. Po stisknutí tlačítka SW1 obvod vytvoří krátký impulz, který je dále zaveden do komplementární dvojice tranzistorů Q1 a Q2. O jejich funkci si povíme za chvíli. C4 funguje jako tzv. debounce kondenzátor, který zamezuje vygenerování vícero po sobě jdoucích impulzů v důsledku odskakování kontaktů tlačítka při stisknutí. R2, R3 a C3 omezují délku impulzu. Pokud by v obvodu nebyly, impulz by byl roven času držení tlačítka + době nastavené potenciometrem RV1. Díky nim na délce stisku nezáleží. Délku impulzu je možné nastavit mezi cca 55 μs a 13 ms. Samotná 555 nedokáže na svém výstupu dodávat příliš velké proudy a tranzistory Q1 a Q2 jsou zde proto použity jako proudové zesilovače pro spínání MOSFETu Q3. V sepnutém stavu sice MOSFET na rozdíl od bipolárních tranzistorů neodebírá žádný proud, jeho hradlo má však určitou kapacitu, kterou je pro rychlé sepnutí potřeba co nejrychleji nabít. Tranzistor Q1 slouží pro nabíjení (spínání), Q2 pak pro vybíjení (rozpínání). C7 funguje jako zásobárna energie pro impulz. Špičkový proud je omezen na přípustnou hodnotu rezistorem R6. S jeho hodnotou je možné experimentovat, 10 ohmů se však ukázalo jako vyhovující. R7 pomáhá udržovat MOSFET v plně vypnutém stavu. Měřená tlumivka se připojuje na svorkovnici J2. Paralelně k ní je zapojena dioda D1, která zamezí vzniku vysokonapěťové špičky při rozepnutí MOSFETu. Proud tlumivkou je měřen na rezistoru R8. V předchozím návrhu tohoto zapojení byla možnost výběru měřicího rezistoru – 10/1/0,1 ohmů, to se však ukázalo jako vcelku zbytečné. Rezistor R9 vybíjí kondenzátor C8 po odpojení napájení.

DPS

Plošný spoj je realizován na dvouvrstvé desce o rozměrech 80 x 45 mm.

Obr. 5 – Návrh plošného spoje

Pokud se rozhodnete DPS upravovat, dbejte především na to, aby byly trasy, přes které teče velký proud co možná nejkratší. Předejdete tak oscilacím, způsobeným parazitními indukčnostmi a kapacitami. Toto se týká především spojů mezi součástkami C8, R8, J2, Q3 a D1. Přiložené Gerber soubory byly vygenerovány pro JLCPCB, jejich použitelnost u jiných výrobců nemohu zaručit.

Jak tester používat

Zařízení doporučuji napájet ze zdroje 12V/1A, ale proud postačí i nižší. Nejprve připojte měřenou tlumivku na konektor J2 tak, aby zde nevznikal příliš velký přechodový odpor - pozor na oxidaci. Poté nastavte potenciometrem nejkratší možný impulz. Na měřicí body vedle svorkovnice připojte sondu a zem osciloskopu, nastaveného v režimu Single, nebo Normal s vhodně zvolenou časovou základnou a napětím na dílek (toto je možné doladit později). Stiskněte tlačítko. Na displeji by se měla zobrazit charakteristika podobná těm na obrázcích 1 a 2. Pokud není celá, prodlužte impulz a měření opakujte. Bod přesycení lze identifikovat jako první „koleno“ na křivce.

Při měření je někdy možné si všimnout krátkých zákmitů na začátku charakteristiky, viz obr. 6.

Obr. 6 – Zákmity na měřicích bodech

Svůj podíl na nich má dle mého názoru parazitní kapacita diody D1. Avšak vzhledem k tomu, že trvají jen velmi krátkou dobu a měření nijak neovlivňují, není třeba se jimi znepokojovat.

Realizace

Obr. 7 – Osazená deska

Obr. 8 – Pohled z boku

Ke stažení

Gerber, rozpis komponentů - klikni