Генератор синуса, 300В 20 кГц 600 Вт Опции

[termik]

Добый день.
Необходимо питать оборудование для ультразвуковой сварки.

Сейчас для этого разработали генератор, но он выдает "двухполярный" меандр, а не синус. В принципе, всё работает, но пьезоизлучатель эффетивнее функционирует от синусоидального напряжения. Можно конечно поставить последовательно дроссель - но на нем будет рассеиваться энергия, он занимает место, да и в идеале его надо немного подстраивать когда от нагревания плывет частота пьезоизлучателя.

Возникла идея сразу делать синус, а не фильтровать меандр.. Погуглив, я пришел к выводу, что мощный синус лучше всего делать по принципу усилителя класса Д.
Собственно вопросы:
1. Правильно ли я думаю насчет усилителя класса Д?
2. Я неопытен в этой сфере, поэтому опасаюсь что займусь изобретением велосипеда. Подскажите пожалуйста типичные решения такой задачи.

Сейчас меандр генерируется микросхемой AD9833, она также умеет выдавать синус. Я так понимаю, что нужно этот синус пропустить через компаратор с пилой, и получить шим-импульсы. Только вот что неясно: генерируемый микросхемой синус является однополярным, соответственно после того как его, в виде шим импульсов, пропустим через полевики(получается вообще через один полевик) - он и останется однополярным, и не удастся его подать на развязывающий трансформатор?

Если я задаю слишком глупые вопросы и создается впечатление, что я не хочу думать сам - это не так, курю форумы уже три месяца, и с нулевых почти знаний в электронике разработал генератор на h-мосте. Буду очень признателен, если попинаете в нужном направлении, разжевывать необязательно!

Прикладываю схему того, что уже сделано. В идеале бы использовать этот же H-мост, просто немного изменить часть схемы, выдающую управляющие импульсы на затворы.

Сообщение отредактировал termik - Aug 22 2013, 09:59

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Iptash]

Может просто линейный усилитель мощности с вых. повышающим трансформатором?

[Herz]

Может просто линейный усилитель мощности с вых. повышающим трансформатором?

Линейный на 600Вт ещё поди найди. Не аудиофильский же покупать? С классом Д идея привлекательная, но всё равно понадобится фильтр, а это тот же дроссель, габариты и сложности с АЧХ: пьезоизлучатель - нагрузка непростая.

[shf_05]

самому лучше микросхемы класса Д не делать, есть готовые.
в журнале компоненты и технологии за прошлый год вроде были схемы усилителей класса Д и С на полевых транзисторах microsemi, до нескольких МГц десятки и сотни вольт, сотни Ватт.

[stells]

наверное с усилителем есть смысл связываться, если предполагается работа в некотором диапазоне частот

[In_an_im_di]

Работает же всё, так зачем трогать? только ради "повышения эффективности пьезоизлучателя"? непонятно.

[termik]

так может работать еще лучше)
на мой взгляд, это отличный повод чтобы трогать)))
всё-таки вопрос остается открытым - есть ли какие-нибудь типовые решения/микросхемы, которые принимают на вход сигнал, а на выходе рулят H-мостом по принципу усилителя класса д?

Сообщение отредактировал termik - Aug 23 2013, 10:14

[AlexandrY]

так может работать еще лучше)
на мой взгляд, это отличный повод чтобы трогать)))
всё-таки вопрос остается открытым - есть ли какие-нибудь типовые решения/микросхемы, которые принимают на вход сигнал, а на выходе рулят H-мостом по принципу усилителя класса д?

Для 300 В и 600 Вт нереально. Слишком высокая частота ШИМ-а получается, пара мегагерц.

Типовые 3-х фазные силовые сборки для инверторов в районе киловатта, из последних сил тянут 20 КГц ШИМ. У них dead time около 1 мкс.
А здесь на два порядка надо выше.

Разумнее применить многоступенчатую аппроксимацию синусоиды.

[Herz]

так может работать еще лучше)
на мой взгляд, это отличный повод чтобы трогать)))
всё-таки вопрос остается открытым - есть ли какие-нибудь типовые решения/микросхемы, которые принимают на вход сигнал, а на выходе рулят H-мостом по принципу усилителя класса д?

Если что, готовы новый излучатель покупать? Спрашиваю вполне серьёзно, ибо имелся опыт, сын ошибок трудных...

[termik]

Читаю про многоступенчатую аппроксимацию синусоиды, пока кажется сложнее шима.

Если что, готовы новый излучатель покупать? Спрашиваю вполне серьёзно, ибо имелся опыт, сын ошибок трудных...

Да) Поделитесь опытом пожалуйста, что разумнее - фильтровать меандр или делать сразу синус?

[stells]

Поделитесь опытом пожалуйста, что разумнее - фильтровать меандр или делать сразу синус?

наверное не просто фильтровать меандр, а делать на выходе резонансный контур

[_Pasha]

Посмотрите на схемные решения для индукционных печей. При том, что "пьезик" в УЗ-сварке является элементом резонансной цепи. Типовое исторически устойчивое решение для УЗ - генератор на тиристорах с подстройкой резонанса катушками. Все равно горит. Я чего хочу сказать: вынужденные колебания пьезоэлемента - это тот уровень энергетической эффективности, когда что синус что меандр. Лучше не будет. Лучше - только генератор. Имхо, конечно.

Сообщение отредактировал _Pasha - Aug 23 2013, 15:15

[Burner]

последовательно дроссель - но на нем будет рассеиваться энергия

А чего бы на нем рассеиваться? Можно сделать добротность 200 - получишь 3 Вт тепла. Подстройка - если езда частоты умещается в 0,5 резонансного интервала - не нужна. Тут зависит от добротности всего контура. Чем она больше, тем он уже. Контур необходим. Т. е., резонанс, как я понимал, на голой пьезокерамике, или +чуток конденсаторов для подгонки. Тогда добротность системы будет минимальна, соотв. и необходимость подстройки. Шо касается класса D, то, в принципе, релейная схема может быть оптимальна. Особенно если особой спектральной чистоты от ультразвука не требуется.
У ней максимальное быстродействие при данной тактовой частоте. Т. е., там и тактов нет. Это похоже на ту структуру с пилой, о которой Вы упоминали, только вместо пилы - интеграл выходного напряжения(до дросселя). Просто компаратор с гистерезисом, который переключает полевики по сравнению вашего 20к синуса с интегралом напряжения и/или по току. Т. е., норм. нужен шунт или ТТ, шоб ничего не сгорело. Особенно при 600 Вт и высокодобротной нагрузке. Это вам не динамики. Раз у Вас мост - то имеет смысл сделать 2 компаратора, т.с. с 3 положениями - плюс, ноль(нагрузка закорачивается мостом) и минус. Быстродействие лучше(соотв. форма сигнала), нагрев дросселя меньше. Дроссель все равно нужен, только меньший раз в 5, и подстраивать действительно ниче не надо. Это дело с 2 компараторами можно провернуть и с тактовым сигналом, но я рассказать щас это не смогу. Думал когда-то, но уж забыл, а придумывать щас некогда. Мож., сами. Или действительно возьмите такой драйвер моста для класса D.
Заметим, что с этим делом Вас ждет сюрприз - восстановление обратного диода в полевике. Когда даешь просто меандр, его нет. Норм. диод приходится отсекать шоткой по старому рецепту IR. У полевиков, которые выдерживают 300 В, эти диоды много медленнее тех 60 В, что ставят в усилках. Ну если отсекать не захотите - берите полевики ST, напр. У них этот заряд вроде раза в 2 меньше, чем у IR.

[_Pasha]

А чего бы на нем рассеиваться? Можно сделать добротность 200 - получишь 3 Вт тепла. Подстройка - если езда частоты умещается в 0,5 резонансного интервала - не нужна.

Там частота поболее ездит. То, что видел - где-то на 40% вверх.

[AlexandrY]

Читаю про многоступенчатую аппроксимацию синусоиды, пока кажется сложнее шима.

Схемотехнически выполнить формирование синусоиды из фазосмещенных меандров не сложнее, а только несколько дороже.
Но благодаря модульному принципу такая схема легко масштабируется до нужной чистоты синусоиды или мощности сигнала.
Скажем на 8-и меандрах можно сделать приближение к синусоиде где будут подавлены гармоники вплоть до 13-й.

8-мь синхронных меандров частотой 20 КГц с заданными смещениями вы легко можете сделать использовав микроконтроллеры семейства Kinetis от Freescale. ))

[termik]

Посмотрите на схемные решения для индукционных печей. При том, что "пьезик" в УЗ-сварке является элементом резонансной цепи. Типовое исторически устойчивое решение для УЗ - генератор на тиристорах с подстройкой резонанса катушками. Все равно горит. Я чего хочу сказать: вынужденные колебания пьезоэлемента - это тот уровень энергетической эффективности, когда что синус что меандр. Лучше не будет. Лучше - только генератор. Имхо, конечно.

Спасибо, благодаря вашей подсказке нашел очень интересный цикл статей
http://www.icct.ru/Practicality/Practicality.php

Уфф, сколько же новых незнакомых слов)))) Попробую разобраться) А Шоттки если что у меня в схеме есть)

Сообщение отредактировал Herz - Aug 26 2013, 06:10

Причина редактирования: Избыточное цитирование

[НЕХ]

про ультразвук есть информация и форум -
http://www.psb-gals.ru/forum/
трехуровневый инвертор - уже не плохое приближение к sin...
только надо ли это ? - на производстве китайская ультразвуковая сварка использует
автогенератор на паре биполярных транзисторов.
и не ругают генератор шибко...в ушах нестерпимая боль в метре

Сообщение отредактировал НЕХ - Aug 25 2013, 23:10

[Tarbal]

Представим двухтактный усилитель с трансформаторным выходом.
Коллекторы транзисторов подключены к двум концам первичной обмотки трансформатора, а средняя точка к питанию.
Если соединить коллекторы транзисторов конденсатором, таким что вместе с катушкой он создает колебательный контур на желаемую частоту, а потом транзисторы открывать в противофазе в разных полупериодах, то на вторичной обмотке будет желаемый сунус. Причем ширина импульса открывания транзисторов (оба импульса желательно сделать одинаковыми) позволит регулировать энергию на выходе.
Транзисторы будут работать в ключевом режиме, а значит КПД будет высоким.


Сообщение отредактировал Tarbal - Aug 26 2013, 03:21

[shf_05]

автору топика- задумаетесь над D усилителем, поглядите прелюбопытнейшую инфу http://www.microsemi.com/document-portal/d...ge-rf-generator
http://www.ti.com/lsds/ti/amplifiers-linea...aramCriteria=no
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tas5631b.pdf

[shf_05]

Причем ширина импульса открывания транзисторов (оба импульса желательно сделать одинаковыми) позволит регулировать энергию на выходе.
Транзисторы будут работать в ключевом режиме, а значит КПД будет высоким.

тогда можно и усилитель класса С с нагрузкой в коллекторе(или стоке) в виде LC контура попробовать, высокодобротный контур выделяет первую гармонику, такие в мощных ВЧ передатчиках применялись.

[Tarbal]

тогда можно и усилитель класса С с нагрузкой в коллекторе(или стоке) в виде LC контура попробовать, высокодобротный контур выделяет первую гармонику, такие в мощных ВЧ передатчиках применялись.

То о чем я говорю я видел в промышленном устройстве.

[shf_05]

изменяя угол отсечки можно изменять вых. мощность.

[_Pasha]

изменяя угол отсечки можно изменять вых. мощность.

Давайте не будем про режим С, ибо этот кипятильник потребует водяного охлаждения. Ключевой режим и полевики безальтернативны.

[shf_05]

наверно можно и обдувом обойтись, ключевой режим конечно вне конкуренции, но ведь и УМ класса AB на 500Вт люди делают если это не серийное изделие, а опытная установка.
к слову о ключевом режиме - можно и прямоугольные импульсы выдавать, мощность менять уровнем питающего напряжения, а фильтр на выходе сделать пошире.
автору решать

[Tarbal]

изменяя угол отсечки можно изменять вых. мощность.

Согласитесь, что регулирование мощности длительностью импульса выглядит изящнее.

[shf_05]

Согласитесь, что регулирование мощности длительностью импульса выглядит изящнее.

Да, а вы согласитесь, что "мощность менять уровнем питающего напряжения" еще лучше.

[Tarbal]

Да, а вы согласитесь, что "мощность менять уровнем питающего напряжения" еще лучше.

Не соглашусь. Менять длительность импульса можно на маломощной части устройства, цифровыми методами, а менять уровень питающего напряжения надо силовыми, аналоговыми устройствами. Усложнение силовых устройств ведет к снижению надежности и появлению новых проблем.


я не говорю уже о возрастании стоимости

Сообщение отредактировал Tarbal - Aug 30 2013, 16:29

[shf_05]

в этом вы правы, а спектр сигнала при такой модуляции будет шире, чем просто прямоугольников.

[Herz]

в этом вы правы, а спектр сигнала при такой модуляции будет шире, чем просто прямоугольников.

О чём Вы?

Не соглашусь. Менять длительность импульса можно на маломощной части устройства, цифровыми методами, а менять уровень питающего напряжения надо силовыми, аналоговыми устройствами. Усложнение силовых устройств ведет к снижению надежности и появлению новых проблем.


я не говорю уже о возрастании стоимости

Штука в том, что автору нужен был синус. А как регулировать мощность он и не спрашивал. Наверняка это реализовано.
К варианту получения синуса, предложенному Вами, регулировка мощности ШИМом применима крайне плохо, ни о каком широком диапазоне регулировки с сохранением формы говорить не приходится. Этот вариант вообще хорошо работает только с меандром и применяется, например, в автогенераторных преобразователях для люминисцентных ламп.
Вторая причина - опасность подмагничивания сердечника при несимметричном регулировании.
А для регулировки мощности поступают именно так: управляют питающим напряжением нерегулируемого генератора, работающего на трансформатор. Вот как у драйверов резонансных преобразователей. Именно резонанс на фиксированной частоте позволяет получить синус.

[Tarbal]

В предложенном мной решении тоже есть резонатор. Первичная катушка с конденсатором создает колебательный контур, а ключи подкачивают в него энергию. В клуч открывается и магнитном поле запасается энергия, потом ключ размыкается и происходят свободные колебания до следующего полупериода, когда второй транзистор закачает энергию аналогичным образом.

I= T*U/L
W=L*I^2/2
Изменяя Т изменяем W.

Я допускаю, что вы правы, но на слово не поверю.
Вы можете подсказать, что почитать о проблемах этого решения?

В схеме сходу не разберешься посмотрите на даташит этого чипа:

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/uc3871.pdf

Сигнал с ползунка потенциометра заведен в цепи PWM. А наличие PWM узла говорит, что используют ШИМ.
Да и использование потенциометра в качестве балласта стрёмно.

А регулирование мощности это в подарок к сунусу

Сообщение отредактировал Herz - Sep 1 2013, 08:13

Причина редактирования: Избыточное цитирование

[shf_05]

О чём Вы?

если изменять вых. мощность изменением питания при постоянной скважности 0,5, то коэф. 1-й гармоники в сигнале будет больше, чем при скважности 0,1, 0,05 и т.д. менять уровень напряжения питания можно ШИМом.
если автору надо красивый синус с высоким КПД и с произвольной частотой, то усилитель класса D самое то, советую искать готовые микросхемы или драйверы (сейчас их полно) или искать решения именно для ультразвука.
Скорее всего еще придется изменять частоту "настройки" фильтра на резонанс в пьезоэлементе, чтобы снимать с него максимум возможной мощности.

[Herz]

если изменять вых. мощность изменением питания при постоянной скважности 0,5, то коэф. 1-й гармоники в сигнале будет больше, чем при скважности 0,1, 0,05 и т.д. менять уровень напряжения питания можно ШИМом.

Вы уверены? Скважность, вообще-то, это отношение периода к длительности импульса. И меньше единицы быть не может по определению.

[shf_05]

Вы уверены? Скважность, вообще-то, это отношение периода к длительности импульса. И меньше единицы быть не может по определению.

извините, постоянно путаю (не знаю почему) скважность с обратной величиной.
про спектр сигнала, ведь, чем уже длительность импульса, тем "шире расползается спектр", то же справедливо и для пачки импульсов.
может быть конкретно в этом приложении это не принципиально, но все же скажем автору надо получить Кг на выходе фильтра 1%, на входе фильтра пусть 10%, при меньшей длительности импульса будет 20% и т.д., правда при этом гармоники будут в более высокочастотной части спектра, и полосовой фильтр с ними справится и получим тот же 1%. Но тут смотря какой фильтр и какие соотношения основной гармоники в спектре.

[muravei]

извините, постоянно путаю (не знаю почему) скважность с обратной величиной.

Я тоже , но для себя запомнил , что меандр имеет скважность 2.
А по теме, думаю , что важнее синуса, генерить на частоте мех. резонанса.

[Tarbal]

Я тоже , но для себя запомнил , что меандр имеет скважность 2.

Я и не знал А судя по названию наоборот, хотя исключений из правил много, а здесь просто название.

А по теме, думаю , что важнее синуса, генерить на частоте мех. резонанса.

А это и есть синус. Только у синуса одна частота.

[muravei]

Я и не знал А судя по названию наоборот, хотя исключений из правил много, а здесь просто название.

Название от узора и "грецской" реки.

А это и есть синус. Только у синуса одна частота.

Частота может и одна,только если она не совпадет с собственным резонансом излучателя , то магнитостриктор, например, и не дрыгнет.

[Burner]

Скажем на 8-и меандрах можно сделать приближение к синусоиде где будут подавлены гармоники вплоть до 13-й.

Это, сталбыть, нужны 8 последовательных включаемых источников напряжения. Напряжения, возможно, типа 1-2-4.. Имеешь тогда точность до 1/256 .
Типа ЦАП. Но наверно, там по- другому, а то маленькие источники очень часто маслать будут. Раз 50 за полупериод. Тут впору ADUM ставить вместо оптики. Там, наверно, те же 30 кГц, только импульсы разной шрины и с разными сдвигами.
Источники - типо мосты на полевиках, каждый с питанием от своей обмотки общего транса. Плюс, минус, ноль(это когда включены оба нижние полевика, и мостик прикидывается проводником). По идее, кажному управление надо 2 оптопарами делать. Чтоб плюс и минус передать. На трансе лучче меандр, чтоб не париться с ШИМом.
Только засада может быть в генерации энергии нагрузкой. А хуже того, если рулить троичной логикой - т. е., некоторые источники включать встречно.
Я бы против этого ставил еще в каждый источник компаратор перенапряжения с поглотительным резистором.

[Tarbal]

Название от узора и "грецской" реки.

Это я в незапамятные времена прочитал в журнале Радио. С тех пор знаю.

Частота может и одна,только если она не совпадет с собственным резонансом излучателя , то магнитостриктор, например, и не дрыгнет.

Я о том, что если нужна одна частота, то это только синус.