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...
Но сегодня выдался выходной день, я решил уже приступать к ней с новой силой. За это хотелось бы выразить благодарность Максиму Горшенину из IMAXAI
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.
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.
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.
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:
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.
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.
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.
Как мы видим, напряжение на затворе ключа совпадает с временем срабатывания ключа. И это собственно логично и очевидно.
Отсюда родилась немного иная схема
Первая часть представляет из себя усилитель
Вторая часть - это собственно сам компаратор с опто-драйвером HCPL3180
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://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/166967/AD/AD8613.html
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
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.
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...
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?
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.
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
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=
Время задержки равна 1 Наносекунде. Соблюдая пропорциональность мы можем уже вычислять необходимую Емкость и Индуктивность.
На двух рисунках показана схема искусственной линии задержки с сосредоточенными параметрами, рассчитанное на волновое сопротивление 1 кОм, время задержки оставляет примерно 400 нанСек.
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.
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
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
Относительно недорогие, если покупать на Алиэкспресс.
Процесс симуляции не составил затруднений. Промежуточный вариант схемы уже выглядел примерно так...
Осциллограмма сигнала на входе и на затворе
Синим показан сигнал с выхода компаратора и тут можно судить о задержке которую будут вносить опто-драйвера типа HCPL3120 HCPL3180