Приветствую друзья, не все так однозначно у меня происходит с этой статьей. поскольку работая над своим супер-зарядным устройством, а оно нестандартно в плане типовых решений, приходится использовать и нестандартные подходы или решения в том же выпрямителе. Да и как иначе тут быть, сами статьи занимают очень много времени, это сложная рутина и приходится писать статью несколько дней подряд, а потом бывает выключился свет или компьютер, и все статья пропала, переписывать заново. Все статьи приходится писать попутно с работой над своим проектом, и кроме всех житейский сложностей, когда в очередной раз часть статьи прошло ушла в никуда, уже просто руки не поднимаются закончить начатое, а это очень обидно...
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/1ac/75e/893/1ac75e89398fe7a5d92432e16ec50440.png)
Но сегодня выдался выходной день, я решил уже приступать к ней с новой силой. За это хотелось бы выразить благодарность Максиму Горшенину из IMAXAI
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/306/86e/7d3/30686e7d3cdc0a7513b311f2691d81d2.png)
Хотелось бы отметить, что Максим Горшенин топит за отечественную Российскую микроэлектронику и ни только. Поскольку в одном из роликов упомянул обо мне - этим он простимулировал заняться статьей. У него есть свой канал на Youtube RuTube VK Дзен Telegram. При желании вы можете легко найти его данные.
Что же касается меня, то на данный момент я занимаюсь разработкой устройств, в том числе зарядного устройства для аккумуляторов, которая отличается от философии современных зарядок, а вместе с ним и топологией. С одной стороны есть претензии претендующие на вызов основным законам термодинамики, с другой - эти законы термодинамики подобные устройства не отменяют. Причина состоит в том, что энергия. которая рассеивается в виде Джоулева тепла весьма ничтожна, собственное внутреннее сопротивление современных Литий-Ионных аккумуляторов крайне ничтожно. Но чтобы уйти в рассуждения и философию - это дело отдельных статей, а мне бы хотелось поговорить о некоторых частный случаях, с которыми я, как любитель, столкнулся и пытаюсь на данном этапе разрешить посредством симулятора LTSpice.
А теперь к существу вопроса.
Мне сейчас приходится использовать некоторый узел, содержащий реактивный элемент в виде катушки индуктивности. которая замыкаясь на источник ЭДС накапливает в себе энергию в виде магнитного поля. далее обмотка размыкается и сбрасывает энергию в конденсатор. Схема приведена ниже.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/8f4/8d6/a0b/8f48d6a0bf328033bb8bae4e0035b288.png)
Но вот тут оказался нюанс. На резисторе R1 или обмотке L1 в момент сброса LTSpice показал выброс. Я долго пытался разобраться отчего он может происходить, поскольку сейчас у меня лишь кусок схемы, оказалось, что причина в диоде D1. и что-то мне подсказывает. что в модели диода заложено свойство кристалла диода иметь некий переводный процесс, связанный с восстановлением проводимости ведущее к закрытию самого диода.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/299/ea6/ed2/299ea6ed23b8cfcf4e12fb74f3b589bf.png)
Я обозначил такой выброс красным квадратиком. Поскольку у меня специфические требования, мне этот выброс кране нежелателен. и у меня встал вопрос о том, как от этого избавиться. да и по всей своей сути я перфекционист и очень медлительный человек. И кроме врожденной медлительности я еще пытаюсь залазить очень глубоко в какие-то процессы, которые к тому же отбирают дополнительное время, а еще найти решение, которое просто идеально подходило под мои идеальные требования.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/963/c39/833/963c3983344a21040bbb975fdd8f1fc3.png)
Оказывается, что для модели в LTSpice задача решалась уже давно известным способом. На самом деле я применил ключ, который в момент срабатывания диода включался, поскольку сам Mosfet не имеет напряжения P-N перехода, а лишь сопротивление канала, что идеально подходит к моему случаю, как раз это сопротивление крайне ничтожно и теперь ток начинает протекать через это сопротивление открытого канала. А это дает в свою очередь возможность или время на восстановление диода и его закрытию. Это подтвердил LTSpice на своем графике.
Некоторые соображения относительно супер-выпрямителя или синхронного выпрямителя можно найти много интересных статей.
Однако меня заинтересовала вот такая статья
Что будет если MOSFET транзистор заменит выпрямительный диод в источнике питания?
Что будет если MOSFET транзистор заменит выпрямительный диод в источнике питания?
В самой статье была указана следующая схема:
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/1d7/c76/2f0/1d7c762f0128a571b2ef8cf8af481917.png)
Суть самой схемы состоит в том, что сам Mosfet является диодом, снимая потенциал на этом диоде сигнал поступает на компаратор, который сравнивает сигнал и включает или выключает ключ.
Однако (поправьте меня, если я что-то тут не понимаю), говорится о работе схемы с индуктивностью, как реактивным элементом. Но меня терзают ни только смутные интуитивные сомнения, так же LTSpice показывает, что тут вряд ли что-то будет толковое в условиях, когда к источнику переменного тока подключают диод и индуктивность, а сливать энергию ЭДС самоиндукции будет просто некуда.
для этих целей я поднакидал схемку. Диод взял первый попавшийся в библиотеке.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/12c/e75/6d0/12ce756d02e07cad920f76104c3b84e3.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/c36/88f/598/c3688f59809abfcb7a1f1fbc67f346af.png)
![зеденым мы вили зеденым мы вили](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/3ca/6ee/e07/3ca6eee07092e6691b923db42e0cc468.png)
График зеленым мы видим напряжение на участке номер два, показанный стрелкой, а синим-первый участок цепи. Уж как-то непонятно. Но если сравнивать участок на резисторе зеленым цветом, наверное как-то с этим жить можно. Стоит ли? Не знаю. Это уже философия автора.
Далее мне удалось найти модели LM383 1N4007 элементов в библиотеке. Ссылки, если кому-то станет интересен этот вопрос я поделюсь чуть позже. А вот результатом того, что получилось - ниже.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/87e/de8/5ba/87ede85baad594040a060d69b091da79.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/8ba/05f/f52/8ba05ff52eb29e296fcb473effc47840.png)
А теперь, если же мы измерим напряжение на источнике ЭДС и ток через него, то мы увидим вот такую картину и хвосты, которые я обозначил красным. Тот хвост, который уж сильно меня насторожил.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/847/b98/42c/847b9842c810b6a682bfedbd272cc442.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/0bb/851/bc6/0bb851bc62ce73de7a17efcb587066f0.png)
Как мы видим, напряжение на затворе ключа совпадает с временем срабатывания ключа. И это собственно логично и очевидно.
Отсюда родилась немного иная схема
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/476/609/ea4/476609ea46ba74bab063ef3634a35604.png)
Первая часть представляет из себя усилитель
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/bb2/5b6/dfe/bb25b6dfe36028ee4a21ee9d177c9ddb.png)
Вторая часть - это собственно сам компаратор с опто-драйвером HCPL3180
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/d1e/04a/8ed/d1e04a8edeeeda62c5803f4971ad85cb.png)
Шустрый ОУ AD8033 работающий до 80 МГц усиливает сигнал на шунте с 0,075 Вольт до 3 Вольт. далее сигнал поступает на компаратор и сравнивает значение. Здесь срабатывание установлено на 1.25 Вольт. В идеальном случае система должна была бы открывать и закрывать затвор в одно и то же время. Но увы, симулятор пытается. по всей видимости. указать на то. что LM383 срабатывает в течение 1-1.5 мкСек, далее подключается задержка в срабатывании опто-драйвера 200 наноСек и более. сейчас пока выдаю данные из даташита.
Но симулятор выстроил эту задержку. В принципе уже в этой схеме симулятор показывает, что проблема, которую я собирался устранить принципиально устранена. Но мне все же как перфекционисту это пока еще не нравится.
В поисках более интересного решения, я решил залезть вот сюда.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/2a2/491/18a/2a249118a7fa9edb669790f5c911a6e6.png)
https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/166967/AD/AD8613.html
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/51b/c61/688/51bc61688b37252ee889ee5184619043.png)
Суть идеи заключается в использовании двух ОУ в качестве компаратора. Один компаратор срабатывает на низкий уровень сигнала, при этом создавая условия для открытия ключа, второй срабатывает на высокий уровень. Но и тут оказалось не все так просто, хоть данная система и позволяет использовать гистерезис в системе компараторов, к сожалению любая полуволна проходит два раза свой минимум и максимум по напряжению.
В поисках решений пришлось перевернуть интернет и LTSpice на предмет шустрых компараторов, и благо такое есть в библиотеке
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/e5a/875/d0f/e5a875d0faf4c38378f9471a949edc74.png)
Раскручивая клубок мысленных хитросплетений, нашлось вот это...
https://static.chipdip.ru/lib/222/DOC000222623.pdf
https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=627713
https://www.rlocman.ru/i/File/2017/07/06/AD8591_8592_8594.pdf
Выше по ссылкам на запрос в Гугл был найдена уже готовая схема и как раз пояснялись проблемы работы выпрямителей с использованием Операционных Усилителей.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/1f7/fc2/ec3/1f7fc2ec3f5eac5f1720f4f46f632ee6.png)
Когда входной сигнал снова становится положительным, усилитель должен выйти из насыщения и отреагировать настолько быстро, насколько позволяют его скорость нарастания и время восстановления после насыщения. На реакцию требуется некоторое время, и к тому моменту, когда усилитель будет готов реагировать на положительный входной сигнал, этот сигнал может измениться
Собственно в предыдущей статье эта проблема была как раз освещена, и автор предложил весьма интересную идею - использовать в качествен диода микросхему AD8591 и усовершенствовать схему совместно с шустрым компаратором...
Однако я не могу сказать, что микросхема AD8591 меня сильно вдохновила. но все же...
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/3a0/928/2f9/3a09282f92d53b0bffb3994ccbdbfb66.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/f01/5b3/ea6/f015b3ea61a8801e645d70c11e3e9e9a.png)
Говорить о работе с такими задержками как 1-5 МГц, куда хотелось бы залезть в будущем своими шаловливыми ручонками, если они окажутся не такими уж кривыми явно не будет иметь смысла. 100-200-300 кГц навскидку - ДА. Но перфекционизм куда сильнее..
Но вот теперь такая мысль пришла в голову, если уж городить огород, то почему бы и нет?
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/bd7/049/1dc/bd70491dcea8486dbc4169e717ee3876.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/bd4/c05/f98/bd4c05f98e4cb0c9fa5c8f0e668877fe.png)
Если посмотреть внимательно, то можно увидеть. что Зеленый сигнал на пересечении линий эпюр напряжений на конденсаторах за счет задержки заставляет подумать о том, что если начинать срабатывать сигнал прямого хода, когда индуктивность запасет энергию магнитного поля, как раз это расстояние во времени можно подобрать с времени задержки управляющих элементов. Сигналы между точками на графике как раз и дают нам время срабатывания усилителей. компараторов, драйверов и самих ключей, чтобы момент открытия канала Сток-Исток MOSFET-а rпришел в строго в нуль напряжения, тогда когда срабатывает диод. через который индуктивность сбрасывает свою энергию в конденсатор.
Но у решения типа RC-цепочка есть один недостаток - нужно конденсаторы разряжать, следовательно отсюда приходит на ум вывод - все это приведет к усложнению схемы. Но ведь мы хотим иметь что-то максимально простое, при этом нам нужно смещать фазу сигнала. Отсюда вопрос - что это делает эффективно? Эффективно линия задержки или LC с сосредоточенными параметрами. примерно то же самое. что делает ВЧ-сигнал в коаксиале.
![Линия задержки с сосредоточенными параметрами Линия задержки с сосредоточенными параметрами](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/ea1/3a0/f74/ea13a0f74ce36b9bea420f91e14e8ca9.png)
W = (kLя/kСя)1/2 = (Lя/Ся)1/2, Тз = k(Lя • Ся)1/2
Наконец-то наступили выходные, удалось только полдня посидеть за LTSpice, ураганный ветер, дождь с грозой и как результат отключение света. Дождь и ветер были такими, что валились деревья на микрорайоне. Слава Богу - заряженный power bank. Это как раз то, что спасает ситуацию, плюс смартфон с интернетом.
Конечно же, набирать текст одним пальцем дело утомительное, и могут появляться ошибки, которые постараюсь , в случае возникновения их убрать. Так же хотелось бы поблагодарить ребят, которые дали обратную связь и даже предложили интересные мысли. в общем, большое спасибо. приятно осознавать, что есть активное комьюнити, с которым интересно и приятно вести интеллектуальную дискуссию. но пока я ходи красный как помидор. дали свет, хоть и отключили воду...постараюсь дописать все то, что так хотелось.
Если вернуться к линии задержки - основная мысль состояла в том. чтобы за счет задержки отрегулировать процесс включения ключа в нужный момент времени с учетом частоты и времени задержки включения Операционных Усилителей , драйверов и ключей.
Основная формула волнового сопротивления линии выглядит так
![Jnc.lf z b cnfk gkf Jnc.lf z b cnfk gkf](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/040/2f3/cfe/0402f3cfe7643d271e0b4c3d3c6118b8.png)
Отсюда я и начинаю плясать. Для пристрелок есть мысль посмотреть расчеты на три вида сопротивлений, волновых и нагрузочного на линию - 1кОм, 3 кОм, 5 кОм. Для удобства есть мысль использовать 1 ком, что в Омах = 1000. Для того, чтобы узнать параметр L/C из которого вычисляется корень квадратный, нам нужно возвести 1000 в квадрат, 1000^2=1000000. Данный параметр нам говорит о пропорциональности между индуктивностью в Генри и емкостью в Фарадах, то есть 1000000/1.
Если предположить, что у нас С = 1 pF, то индуктивность, для заданного волновго сопротивления будет равна 1 мкГн..
Теперь посчитаем время задержки. tЗ = (L*C)^2 = (0.000001*0.000000000001)^2=
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/474/156/251/474156251164c7187317d19c20661ca4.png)
Время задержки равна 1 Наносекунде. Соблюдая пропорциональность мы можем уже вычислять необходимую Емкость и Индуктивность.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/729/688/666/729688666a8f2b17e7b21d3d017b390a.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/4e7/862/be0/4e7862be0073216b78c1079cf84ac3a8.png)
На двух рисунках показана схема искусственной линии задержки с сосредоточенными параметрами, рассчитанное на волновое сопротивление 1 кОм, время задержки оставляет примерно 400 нанСек.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/e83/81b/cad/e8381bcad1acea235f91ed5530620a32.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/2bd/721/843/2bd72184312f03e9362d2941c74e97cf.png)
На картинке показаны графики синим - основной сигнал на генераторе, темно-зелёным цветом напряжение на R1, светло-зеленым напряжение на R4. R6 я поставил, чтобы проверить что будет с амплитудой, судя LTSpice фаза не меняется, меняется амплитуда.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/4be/7cb/80d/4be7cb80de5c3dbfb48ab89165694d36.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/48a/138/94e/48a13894ea5e7103f23e2af45b6f5ebe.png)
На картинках показаны способы включения LC цепочек для получения задержки на время равное примерно 900 нанСек. В первом случае используется два звена, во втором - одно.
теперь, когда у нас происходит время заряда индуктивности в основной (силовой) схеме, диод и ключ закрыты, цепь сдвигает управление на вторую половину, которая образовывается в результате отключения индуктивности и через ЭДС-самоиндукции заряжал ёмкости. То есть до появления отрицательной полуволны можно сдвинуть фазу таким положительную фазу через задержку таким образом, чтобы с опережением срабатывал блок ключей с учетом их задержки включения или отключения
Теперь, если вернуться к схеме, то LM393 выше 200-300 кГц выдавать какие-то странности, то есть по им можно сказать что это уже предельная частота следуя из симулятора. Поэтому Стало интересно вернуться к более шустрому компаратору. который уже заложен в библиотеке симулятора
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/9bb/38c/a28/9bb38ca284642164cb11301cf92afacd.png)
Технические характеристики аналогового компаратора AD8561 |
Время задержки распространения 7-8 нанСек. Работа от двух полярных источников +.- 5V. Коэффициент усиления входного сигнала не менее 3000. Внутренняя защелка выхода и время установки защелки 0.5 нанСек.
http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/comparator/data/ad8561.htm
https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/48478/AD/AD8561.html
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/b49/2f9/835/b492f9835072fc8b526623dd2b57b728.png)
Относительно недорогие, если покупать на Алиэкспресс.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/a47/99a/2e0/a4799a2e05e486524da7202c17aba88a.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/229/f2c/0fa/229f2c0fac0c242f6e8b1e0fc9c69cd9.png)
Процесс симуляции не составил затруднений. Промежуточный вариант схемы уже выглядел примерно так...
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/3e7/b34/7a7/3e7b347a7e69a263d9ebd1c96dc1c42b.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/442/5ab/2c2/4425ab2c2be3f7156a8ce14efaf95d2c.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/a9d/0bd/88a/a9d0bd88a57e6c3d82944f4cdf86c735.png)
Осциллограмма сигнала на входе и на затворе
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/a83/37b/34c/a8337b34c9ee6af202936f45a137ede5.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/602/227/10b/60222710b5bf21494b6b0ed4efc34dcb.png)
Синим показан сигнал с выхода компаратора и тут можно судить о задержке которую будут вносить опто-драйвера типа HCPL3120 HCPL3180