Фильтр для ИБП

[multivibrator]

В продолжении моей прошлой темы по поводу переделки ИБП я столкнулся с трудностью фильтрации выходного напряжения. Задача - добиться 0.1% пульсаций при токе в 1-2A на линии 12V. Сейчас там 1% при токе в 0.5A.

Текущая схема - это выпрямитель, после него сразу дроссель ДГС (по моим прикидкам около 15-20 мГн индуктивность его), после дросселя конденсатор LowESR на 1000 мкФ.

Я так понимаю, что надо поставить ещё один LC фильтр после. Мои поиски по интернету никакой вменяемой информации мне не принесли. Я даже скачал книгу Хоровиц-Хилл, но там ничего по фильтрам не нашёл.

Сейчас стоят два вопроса:

1. Как считать фильтр? Считать ли выходной электролит на 1000 мкФ частью будущего фильтра? То есть будет не Г-фильтр, а П-фильтр?

2. Какую резонансную частоту фильтра выбрать? Я так понимаю, что если у меня напряжение пульсаций имеет частоту примерно 40 кГц, то чтобы добиться 0.1% - это надо в 10 раз уменьшить текущие пульсации. Это значит 20 дБ. Если мой фильтр будет давать 6дБ на октаву, то это надо примерно в 2³ = 8 раз частоту среза меньше брать чем 40 кГц. То есть 5 кГц.

Теперь надо понять какая должна быть индуктивность? Во всяких онлайн программах расчётов получается, что для того, чтобы оно фильтровало на малых токах надо чуть ли не 100мГн индуктивность. А для больших достаточно 20-40 мкГн, но я не понимаю откуда такие цифры.

В общем, я был бы рад, если бы подкинули мне литературы по этому поводу. Или просто посоветовали номиналы для фильтра.

Добавлено after 2 hours 42 minutes 42 seconds:
Я нашёл вот эту статью https://digteh.ru/Sxemoteh/filtr/LC_raschet/, которая вроде бы понятна (методически, по-крайней мере). Получается, что если я хочу построить LC фильтр двухзвенный на 1kHz (то есть дополнительный), то мне нужно взять 225µF конденсватор и 225µH катушку. Но согласно картинке по ссылке, конденсатор стоит со стороны источника питания, а не со стороны выхода. Как с этим быть?

Ну и остается вопрос о том, какую роль играют элементы _до_ фильтра. Я не понимаю, нужно ли их включать в расчеты или нет.

Добавлено after 4 hours 5 minutes 26 seconds:
Ну я провёл эксперимент. Поставил какой-то дроссель от ИБП, примерно на 30 мкГн. Ну и после него конденсатор на 47 мкФ. Вроде помогло, да. Теперь пульсаций не видно. Уж не знаю, правильно ли сделал и есть ли подводные камни какие-то...

[vem566]

Камней при построении фильтра импульсного источника до хрена и больше. Поэтому и нет однозначного толкового расчета. Особенно при изменении потребляемого тока в 100 раз.
Методом последовательного приближения только.

Какую резонансную частоту фильтра выбрать? Я так понимаю, что если у меня напряжение пульсаций имеет частоту примерно 40 кГц, то чтобы добиться 0.1% - это надо в 10 раз уменьшить текущие пульсации. Это значит 20 дБ. Если мой фильтр будет давать 6дБ на октаву, то это надо примерно в 2³ = 8 раз частоту среза меньше брать чем 40 кГц. То есть 5 кГц.

Это как? А где он возьмет эти 5 кГц? При подавлении пульсаций снижаются пульсации, а не частота. Как генератор работал на 40 кГц, так и работает. Там другая заморочка будет. При изменении тока меняется длительность импульса. Вот с этим борьба может быть долгой и безуспешной.
Здесь на сайте есть программы "Старичка". Для расчета всяких индуктивных элементов. Вполне себе можно ориентироваться на расчет дросселя. Дальше методом проб и ошибок.

[multivibrator]

5 кГц - это частота среза фильтра, чтобы на 40 кГц (на этой частоте лезут пульсации) он дал мне -20 дБ по частоте пульсаций основной

[Krismi70]

а пульсаций 100 Гц нет совсем ?

[Николай_С]

[uquote="multivibrator",url="/forum/viewtopic.php?p=4767057#p4767057"]В продолжении моей прошлой темы по поводу переделки ИБП я столкнулся с трудностью фильтрации выходного напряжения. Задача - добиться 0.1% пульсаций при токе в 1-2A на линии 12V. Сейчас там 1% при токе в 0.5A.[/uquote]А можно вопросы не по теме:
1. Почему Вы решили начать изучение Электроники с ИБП? Почему бы не пойти традиционным путём "от простого к сложному", начиная с аналоговой техники? Потренируйтесь рассчитывать фильтры (да и прочие параметры) для линейных стабилизаторов трансформаторных блоков питания.
2. В предыдущей теме Вы налетели на проблемы с групповой стабилизацией в ИБП. Вы разобрались в причинах их возникновения и какие выводы были сделаны?

[multivibrator]

Изучать электронику я начал давно. В детстве ещё. Тогда клепал всякие поделки и всё такое. Потом как-то забросилось это хобби. А вот недавно чего-то опять нашло. ИБП этот был выбран в целях сделать из мусора (там где он и был найден) что-то полезное. Тем более тот линейный ЛБП, который я себе ещё в детстве сделал, был давно подарен.

Есть ненулевая вероятность, что этот БП после его изготовления будет красоваться на полке исполняя роль тяжёлого зарядного устройства и, может быть, электровыжигателя по дереву

В причинах проблем групповой стабилизации я разобрался, да. Решил оставить её в итоге как есть по следующим причинам:

- при повышении потребления тока по 12V растет напряжение по линии 5V. Но так как на 5V я поставил линейный стабилизатор, то это не проблема.
- при повышении потребления тока по 5V растет напряжение по 12V - это не проблема потому что от 12V в основном питается DPS5005, который сам по себе стабилизирует уже что мне надо
- просадки напряжения по 5V, если от 5V есть большой ток (следствие того, что по 12V нет нагрузки и БП не может скомпенсировать потребление по 5V не увеличив слишком напряжение по 12V) мне показались сносными. на 6-10A просадка меньше полувольта. Меня это устроило.

По последнему пункту, если мне когда-нибудь понадобится сильный ток от точного источника 5V и при этом DPS5005 (основная часть будущего БП) будет занят чем-то другим, то я просто повешу на линию 12V балласт в 5-10Ом и дело с концом.

Добавлено after 9 minutes 40 seconds:
[uquote="Krismi70",url="/forum/viewtopic.php?p=4767206#p4767206"]а пульсаций 100 Гц нет совсем ?[/uquote]

Пульсаций 100Гц я не заметил нигде, хотя, признаться, и не искал целенаправленно. Ещё явно есть в налиции прочие ВЧ пульсации но мой осциллограф по причине ширины полосы до 1MHz показывает только слабо заметный зеленый туман вокруг

В любом случае от ВЧ я сделал все что мог (кроме маленького шунтирующего конденсатора на выходе, который я в самом конце поставлю): повесил на все диоды Шоттки RC цепочку, настроенную так, чтобы гасить паразитные колебания при закрытии диода. Ну а делать ещё какие-то кульбиты для подавления ВЧ мне на данном этапе не представляется ни возможным, ни целесообразным.

[vem566]

тобы на 40 кГц (на этой частоте лезут пульсации) он дал мне -20 дБ по частоте пульсаций основной

Такой неожиданный подход...
Если частота фильтра 5 кГц, то подавление 20 дБ. Но!!! Если настроить частоту фильтра на 1 кГц, то на 40 кГц получим подавление пульсаций уже -32 дБ! А если 100 герц взять, то вообще -52 получается!
Наверное прав Николай_С - освежить знания надо.

[multivibrator]

Ну да. Так и получается (нет?). Только вот сделать фильтр на 100Гц дорого (медь дорогая нынче

Не, ну иронию я уловил. Да по озвученной выше причине (не нашёл литературу по фильтрам) подводных камней я не вижу в этих рассуждениях.

[vem566]

Можно конечно продолжить иронию на тему, что увеличивая емкость и уменьшая индуктивность мы получим ту же частоту, но с экономией меди.
Если серьёзно, то мы имеем дело не с периодическим сигналом, а с импульсной помехой. И спектр частот, составляющий эту помеху очень широк. И гармоники по уровню мало уступают основной частоте. Обратите внимание на спектр хотя бы прямоугольного сигнала. А тут мы имеем вообще не понятную форму. Время выброса составляет достаточно мАлую величину от времени периода 40 кГц. Поэтому рассматривать её нужно именно как высокочастотную составляющую. Отсюда основная частота этой помехи будет совсем даже не 40 кГц. 40кГц - это частота её появления. Опять же - причина появления.
Компенсировав выбросы трансформатора можно очень заметно снизить эту помеху. Что там наворочено на эту тему в БП никто же не проверял. Если стоит в цепи первички RC цепочка, то кто её подбирал/расчитывал? Может поставили, что было под рукой или какие то "усредненные" параметры. А как с диодами выпрямителя? Та же история. В общем побороть эти помехи совсем не простое дело.

[multivibrator]

Я так понял, что просто так увеличивать индуктивность, уменьшая ёкмоесть (и наоборот) нельзя. Должен быть какой-то баланс. Ну и от ESR наверное зависит...

Гармоники основного сигнала лежат ведь всегда выше по частоте, но не ниже. Поэтому я так себе наивно полагаю, что срезав основной сигнал, гармоники тоже стухнут.

Компенсировав выбросы трансформатора можно очень заметно снизить эту помеху. Что там наворочено на эту тему в БП никто же не проверял.

ну тужа я в принципе не готов лезть. Как бы спортивный интерес тоже имеет границы свои

А как с диодами выпрямителя?

С диодами выпрямителя я как раз заморочился. Почитал статьи, посмотрел даташиты по поводу паразитной емкости перехода на разных токах / напряжениях. Пришёл к выводу, что используемая цепочка из 4.7Ом + 10 нФ это хорошее приближения для рабочий напряжений и используемой сборки из Шоттки и поставил эту цепочку на все диоды. Понятное дело, что для точной подстройки надо взять осциллограф (с частотой пропускания 20MHz, которого у меня нет), генератор частоты нужной амплитуды и смотреть что там происходит.

[vem566]

Гармоники основного сигнала лежат ведь всегда выше по частоте, но не ниже.

Гармоники лежат в обе стороны от основной частоты. И чем хреновей форма сигнала, тем больше их амплитуда.
Ну и Вы косвенно сами ответили на свои вопросы. Осциллограф с полосой 20 МГц для рассматривания сигнала 40 кГц.

[multivibrator]

почему гармоники могут быть меньше основной? Ведь если гармоника меньше, то тогда она и будет основной частотой. Конечно же, гармоники это лишь способ представления сложного сигнала для упрощения работы с ним. Но в рамках этого представления гармоники не могут быть ниже основной по определению. Ведь основная частота ω₀ это та, по которой все остальные функции в ряде Фурье вылазят. Ну эти самые exp(i n ω₀ t)

[vem566]

Не совсем верно. Основная частота - это частота максимальной амплитуды. А гармоники симметричны. Прямое преобразование Фурье позволяет находить спектр больше основной частоты. Но никто пока не отменил дуальность.
Был у меня период в жизни, когда занимался диагностикой тепловозов. Там частоту вибрации узла раскладывали в обе стороны, что бы выяснить резнанс механических элементов.

[multivibrator]

Ааа, ну тогда конечно да. Ну у себя я на осциллографе не видел ничего ниже 40kHz. Но сейчас поищу таки внимательнее, попереключаю диапазоны. А-то мало-ли.

[Николай_С]

[uquote="multivibrator",url="/forum/viewtopic.php?p=4767263#p4767263"]Изучать электронику я начал давно. В детстве ещё. Тогда клепал всякие поделки и всё такое. Потом как-то забросилось это хобби. А вот недавно чего-то опять нашло. ИБП этот был выбран в целях сделать из мусора (там где он и был найден) что-то полезное.[/uquote]Теперь понятно откуда взялась эта идея о модернизации компьютерного БП.
Дело в том, что за последние 20 лет подходы к конструированию радиоаппаратуры сильно изменились. Если в старые БП закладывался избыток по всем параметрам, что обеспечивало их универсальность и бесперебойную работу в течение долгого времени, то сейчас делают ставку на дешевизну и простоту замены. Потому и появился на помойке в изобилии радиохлам, который экономически нецелесообразно ни ремонтировать, ни модернизировать.
Если говорить конкретно о БП для бытового компьютера, то это сборник компромиссов, способный работать с определённым набором "конмлектухи" неприхотливой к питанию. В частности, нестабильность и шумность питания может достигать 10% от номинального напряжения. Именно по этой причине все устройства критичные к питанию являются внешними. Попытка доработать БП приводит к серьёзным переделкам. Проще создать конструкцию с нуля под те характеристики, которые вам необходимы. А ещё проще купить готовый ЛБП.

[multivibrator]

купить новый - это просто неспортивно Я тогда перечислю те доработки, которые я предпринял:

- заменил входные конденсаторы в первичной цепи на 330µF 400V. Они LowESR, хотя там наверное на это пофигу.
- сделал новые обмотки на ДГС для каналов -12 и -5V (чтобы ток держало такой же, какой и на +12 и +5),
- заменил сборку из быстродействующих обычных диодов F12C20 (или как их там) на сборку MBRF1645 (диоды Шоттки)
- Выкинул MAGAMP для стабилизации канала +3.3 В и вместо этого поставил линейный стабилизатор, который мне стабильно +5V должен давать (при условии что на вход хотя бы 5.1V идет), стабилизатор сделал на полевике IRFZ44N (45A верхний предел, который я конечно же не собираюсь выбирать).
- на все диоды Шоттки поставил параллельно каждому RC цепочку 4.7Ом + 10nF для глушения звона. После стабилизатора поставил еще один LC фильтр 30µH + 1000µF
- добавил по паре диодов Шоттки на каналы -5 и -12V (до этого там были слаботочные обычные диоды
- соорудил жирный радиатор, на который водрузил все диоды силовые и полевой транзистор от линейного стабилизатора

- добавил LC фильтр по выходу +12 30µH + 47µF (ввиду моего последнего поста про фильтры)
- конденсаторы во вторичной цепи (низковольтовой) поставил LowESR
- помимо просто двуполярного питания к этому БП в планах присобачить DPS5005. Ну а если будет желание заменю его на голову такого же формата, только более современную. На алике есть всякие.

судя по картине на осциллографе пульсаций нет, но есть какой-то ВЧ шум, который я вообще не могу увидеть на этом приборе. Собираюсь поставить шунтирующий конденсатор на 10nF где-то. Пока еще не знаю какого типа. У меня завалялся советский зеленый конденсатор (тип КМ вроде) на 47nF. Может его и поставлю.

собственно от основного ИБП осталась только цепь первичного питания, там где тяни-толкай. Её я не трогал.
Характеристик, мне необходимых, как таковых нет. Я был бы доволен, если просто можно питать всякие поделки наколеночные для первой поры. Одноплатники всякие, мобилки. Питать измерительные приборы я этим БП не собираюсь (пока). Максимальный ток по каждому из каналов не будет превышать 6A в номинальном режиме. 10-15A кратковременно.

[Николай_С]

Всё понятно, цель достигнута - удовольствие от проделанной работы получено.

[multivibrator]

ну еще до конца долго. Надо корпус сделать. Для этого я его в OpenSCAD смоделировал (переднюю панельку). Теперь надо раздобыть алюминий где-то и согнуть его.

Вообще у меня задача просто чтобы этот БП был хотя бы в первом приближении похоже на ЛБП. Ну там пульсации чтобы не 1%, а 0.1% были. Если где-то накосячил, буду рад советам, чтобы это исправить. Конечно же советы не должны включать "купите фабричный ЛБП"

[Николай_С]

[uquote="multivibrator",url="/forum/viewtopic.php?p=4767685#p4767685"]ну еще до конца долго. Надо корпус сделать.[/uquote]То есть конструирование в самом разгаре.
А можно увидеть крупные фото электронных доработок, которые уже сделаны?

[uquote="multivibrator",url="/forum/viewtopic.php?p=4767685#p4767685"]Вообще у меня задача просто чтобы этот БП был хотя бы в первом приближении похоже на ЛБП. Ну там пульсации чтобы не 1%, а 0.1% были.[/uquote]"Просто" не получится. Все более-менее простые доработки Вы уже сделали. Сильно это повлияло на результат?
Если и бороться с шумом, то делать это надо в месте его возникновения - высоковольтном ШИМ-преобразователе, а это ещё тот компромисс между ТТХ (включая КПД и шумность) и сложностью исполнения конструкции. Улучшая один параметр, резко осложняется ситуация с двумя другими. Производитель, естественно, стремится максимально упростить конструкцию.

[uquote="multivibrator",url="/forum/viewtopic.php?p=4767685#p4767685"]Конечно же советы не должны включать "купите фабричный ЛБП"[/uquote]То есть мы не ищем лёгких путей.
Тогда такой вариант: выкинуть компьютерный БП и использовать силовой трансформатор, например, ТС-270 с перемотанной вторичкой. На пару с DPS5005 чем не ЛБП?

[multivibrator]

Фото конечно можно. На фото видны новые радиаторы (от ЦПУ какого-то и еще с материнки какой-то снят был).

- Диоды, подключенные эмалированным проводом 1.2мм в плату.
- Домотанный дроссель ДГС,
- Полевой транзистор линейного стабилизатора (в самом верху большого радиатора)
- синенький подстроечный многооборотный резистор (для линейного стабилизатора)
- два больших зеленых конденсатора в высоковольтном выпрямителе

отдельно лежит дроссель и конденсатор на 47µF, которые я использовал в эксперименте по снижению пульсаций 40kHz.

Сильно это повлияло на результат?

ну вообще-то да. По каналу +12V с вышеуказанным дополнительным LC фильтром пульсаций я на своем осциллографе уже не вижу. По крайней мере на пределе 0.1V/дел. Про ВЧ я могу только догадываться. В планах повесить еще на провода по ферритовому колечку или маленькому дросселю (от ВЧ).

Еще не мерял, что там происходит по негативным каналам. Так как обмотки этих каналов на дросселе ДГС далековато от сердечника, и там может быть все более грустно. Но с этим я смогу смириться или поставлю еще по LC фильтру на них. В принципе мне нужно только два LC фильтра. Потому что ны выходе БП я планирую только + и -, и переключать их между ±12V и ±5V (а DPS5005 будет свой отвод иметь отдельный)










Безимпульсный вариант (как вы сказали с трансформатором сетевым) это, наверное, будет уже другой проект. Как тут указали - малошумящий линейный БП малой мощности. А на этом ИБП я уже многому научился. Чего стоит только MAGAMP (который так и не заработал