Согласование ёмкостной нагрузки в мостовой схеме. Опции

[Dmitry_Ternovsky]

Здравствуйте, уважаемые коллеги.

Сейчас предо мной стоит задача подавать синусоидальное напряжение на гидроаккустическую антенну. Схема замещения элемента антенны приведена на рисунке ниже.
Количество элементов в антенне может изменяться (сейчас 6 шт.).
Рабочая частота 200кГц. Эффективное напряжение - не менее 18В. Работаю от источника 30В DC.
Антенну включаю в мостовую схему.

Если бы частота была на порядок меньше, то использовал бы принцип усилителя D-класса. Но частота высокая и подаю напряжение с моста частотой 200кГц.

Моделирую схему в MicroCap.
Если никакой дополнительной схемы соглассования не использовать, то на антенну будет подаваться миандр частотой 200кГц и напряжением 30В, что не очень хорошо - хочу получить синсоиду.
Да и напряжение на анетенне не регулируется кроме чем напряжением источника питания.
Ставлю согласующий дроссель. Но импеданс антенны таков, что синусоиды на антенне все равно не получается, а появляются искажения и синусоида далека от идеальной. Выбор номинала дросселя произвожу подбором, а это очень неприятно, хотелось бы стоять на крепкой почве науки.

Область для меня новая, поэтому прошу помощи.
Уверен, что есть определенные методы решения этой задачи, и согласование нагрузки (в моем случае емкостной) с источником сигнала.
Прошу подсказать литературу и информацию по вопросу согласования.

Может кто-то подскажет какую схему согласования применить в моем конкретном случае...буду очень благодарен!
И какие схемы вообще используются.

Вынужден просить помощи чтобы в кротчайшие сроки решить задачу.

Большое спасибо за внимание к теме!

Сообщение отредактировал Dmitry_Ternovsky - Feb 15 2013, 12:13

Эскизы прикрепленных изображений

 

[MikeSchir]

Прошу подсказать литературу и информацию по вопросу согласования.


Большое спасибо за внимание к теме

Думаю лучшая литература это "курс радиопередающих устройств".
А про передатчики для подводной ультразвуковой связи очень много всего, достаточно порыть в Гугле.
Эквивалентная схема антенны "слегка" идеализирована, спорить не буду, занимался давно, тогда же когда и дайвингом.

[galya]

Подводные электроакустические преобразователи(расчёт и проектирование) Ленинград."Судостроение"1983г. под ред.Богородского В.В.
Скребнёв Г.К. Комбинированные гидроакустические приёмники.СПб..."Элмор"...1997г.

[НЕХ]

Поищите тут
http://www.psb-gals.ru/forum/viewforum.php...aafdf1e9e319244

[Dmitry_Ternovsky]

Поищите тут
http://www.psb-gals.ru/forum/viewforum.php...aafdf1e9e319244

Спасибо за ссылку, подчеркнул для себя несколько моментов.
Правда все ставят дроссель для компенсации емкостной нагрузки.
Это подходит для работы на одной выбранной частоте, а для работы в диапазоне частот (в моем случае 190-210кГц) этот вариант не подходит.

Для прояснения привожу некоторую схему на рис.1 - работа антенны в мостовой схеме.
L1 и L2 - согласующие дроссели.
На рис.2 приведен расчет cosФ... в засисимости от частоты он различен. Я выделил интересующий меня диапазон частот.
Как можно получить cosФ=1 в приведенном диапазоне частот 190-210кГц ?
В идеале ступеньку или ее подобие.

вопросы те же - литература или ссылка на схемы.

Спасибо.

Сообщение отредактировал Dmitry_Ternovsky - Feb 18 2013, 07:50

Прикрепленные файлы

 1.pdf ( 11.98 килобайт ) Кол-во скачиваний: 102
 2.pdf ( 214.36 килобайт ) Кол-во скачиваний: 77

 

[galya]

...подключайте пьезоэлемент через согласующий трансфоматор...
..ваши рисунки(2.pdf) приведены из симулятора..???....они же изменятся при погружении в воду...надо же симуляцию делать с эквивалентом нагрузки...

[Dmitry_Ternovsky]

...подключайте пьезоэлемент через согласующий трансфоматор...

Спасибо за рекомендацию.

Но трансформатора хотелось избежать как раз...
почему? потому что это лишний моточный элемент и он всегда не желателен, да и работает схема на 200кГц, а следующая задача будет на 600кГц и не охота бороться с паразитами трансформатора.
Но если иного выхода не найду, то, конечно, смирюсь и поставлю его.

Правда ожидал что есть более изящное решение, и поэтому открыл эту тему

..ваши рисунки(2.pdf) приведены из симулятора..???....они же изменятся при погружении в воду...надо же симуляцию делать с эквивалентом нагрузки...

Да, рисунки приведены из симулятора.
Свойства антенны действительно изменяться при погружении в воду, но пока мне не узнать в какую сторону - тема для нас новая и пока работаю с тем, что есть. Не исключаю что это эквивалентная схема уже погруженной антенны.
Думаю так: "вода сама является хорошим фильтром и излучаемый антенной сигнал будет ближе к синусоиды за счет свойств воды."

К сожалению, на данный момент, у меня нет знаний в этой области, поэтому если кто-то располагает такими - просьба подтвердить или опровергнуть.

Сообщение отредактировал Dmitry_Ternovsky - Feb 18 2013, 13:26

[тау]

Как можно получить cosФ=1 в приведенном диапазоне частот 190-210кГц ?

"cosФ=1 в приведенном диапазоне" получить с таким излучателем нельзя. Но зачем он Вам ? Вы чубайс ?
если не ставить этот косинус во главу угла , то вот такая схема неплохо заставляет работать излучатель в диапазоне 190-210 К.
Раскачка от меандра. Конденсатор 43nF полипропиленовый. Дроссель рассчитаете.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[тау]

немного увеличив потери можно пригладить неравномерность коэффициента передачи (от входа до эквивалента активной нагрузки излучателя ==84 Ом) в полосе 190-210 , оставив коэффициент передачи около 5.
Dmitry_Ternovsky, впрос можно ? а зачем вам вообще полоса 20 килогерц?

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Dmitry_Ternovsky]

"cosФ=1 в приведенном диапазоне" получить с таким излучателем нельзя. Но зачем он Вам ? Вы чубайс ?
если не ставить этот косинус во главу угла , то вот такая схема неплохо заставляет работать излучатель в диапазоне 190-210 К.
Раскачка от меандра. Конденсатор 43nF полипропиленовый. Дроссель рассчитаете.

Спасибо за внимание к вопросу!

Приведенный способ решения кажется мне не приемлемым.
Представляете как увеличится реактивный ток на заряд-разряд внесенной емкости?
К тому же таких элементов в излучаетеле 6!!!

Увеличив емкость в несколько раз мы:
1. увеличим нагрузку на источник в несколько раз.
2. потери в контуре на актичном сопротивлении
3. наверное, самое главное - коммуктационные потери на переключение транзисторов, а следовательно и размер пропорционально потерям.

ищу более изящное решение...

Dmitry_Ternovsky, впрос можно ? а зачем вам вообще полоса 20 килогерц?

В излучателях, работающих в такой шумной среде как вода, используют сложный частотно изменяющийся сигнал для шумоподавления (в том числе эхоподавления)... всех тонкостей мат обработки, к сожалению, не знаю

[тау]

Увеличив емкость в несколько раз мы:
1. увеличим нагрузку на источник в несколько раз.

ну это не совсем так. Например с номиналами по последнему рисунку на частоте основного резонанса пьезика мощность
из источника 7 Вт ,
на 0,7 Омах 2,1 Вт
на нагрузке 5.5 Вт

на частотах 190 и 210 мощность на демпфирующем резисторе увеличивается , ессно. Но зато сохраняется активная излучаемая из пьезика.

А что там с трансформатором получится ?

[Dmitry_Ternovsky]

ну это не совсем так. Например с номиналами по последнему рисунку на частоте основного резонанса пьезика мощность
из источника 7 Вт ,
на 0,7 Омах 2,1 Вт
на нагрузке 5.5 Вт

на частотах 190 и 210 мощность на демпфирующем резисторе увеличивается , ессно. Но зато сохраняется активная излучаемая из пьезика.

А что там с трансформатором получится ?

трансформатор - это как запасной вариант, использовать его хочется меньше всего...особенно на 600кГц.

А по мощности: 7Вт - это номинальная мощность источника, если смотреть по среднему току. Но посмотрите амплитуду тока от источника - она может достигать десятков ампер реактивного тока, который сначала забрали от источника, а потом вернули в источник, и мне кажется что это мощность не учтена в расчетах.
Ну а представляете как возрастут коммутационные потери на переключение транзистора на 600кГц!!! и все это плата за увеличение емкости...
не лучший вариант (((

[wim]

... а представляете ...

А как Вы себе представляете решение этой задачи? Абстрагируясь от акустики и прочих сущностей, cosФ=1 - это характеристика резистора. А у Вас там неизвестно какое активное сопротивление параллельно с емкостью. Вы это питаете через дроссель, т.е. по сути от источника тока. Но питаете меандром, а хотите получить синус. Т.е. Вы хотите, чтобы этот чудо-дроссель одновременно и фильтровал, и фазу тока подгонял под фазу напряжения. Это Вам с такой задачкой надо к кандидокторам каких-нибудь наук обращаться.
Таки я согласен с тау - надо получить синус, ну так сделайте источник напряжения с хорошим LC-фильтром.

Если бы частота была на порядок меньше, то использовал бы принцип усилителя D-класса. Но частота высокая и подаю напряжение с моста частотой 200кГц.

А чем IRS2092+IRF6645 не устраивают?

[Dmitry_Ternovsky]

А как Вы себе представляете решение этой задачи? ... cosФ=1 ...

Систему, состоящую из двух частей - фильтр и компенсатор емкостной нагрузки. cosФ=1 - не обязательное, а желательное условие...только чтобы упростить жизнь источнику питания, уменьшить токи и коммутационные потери на высокой частоте.
"Чудо-дроссель" с этим точно не справиться, спасибо за идею.

А чем IRS2092+IRF6645 не устраивают?

Работать на 800кГц, в мостовой схеме?
я старался избегать высокой частоты по причине все тех же коммутационных потерь...стоит провести эксперимент, но пока хочу разобраться с задачей на 200кГц - может есть решение задачи в том виде, как она стоит сейчас.

А для "IRS2092+IRF6645" получается что частота работы усилителя всего в 4 раза больше частоты подаваемого сигнала. Не мало?
(приступлю к моделированию)

Сообщение отредактировал Dmitry_Ternovsky - Feb 20 2013, 06:13

[wim]

Работать на 800кГц, в мостовой схеме?

Зачем в мостовой? Полумост - классический усилитель класса D. Можно попробовать и без обратной связи - подавать ШИМ на что-нибудь типа LM5104.

А для "IRS2092+IRF6645" получается что частота работы усилителя всего в 4 раза больше частоты подаваемого сигнала. Не мало?

Так у Вас сейчас с меандром 200 кГц фильтр пропускает 3-ю гармонику, т.е. это уже не синус.

[тау]

Т.е. Вы хотите, чтобы этот чудо-дроссель одновременно и фильтровал, и фазу тока подгонял под фазу напряжения. Это Вам с такой задачкой надо к кандидокторам каких-нибудь наук обращаться. S2092+IRF6645 не устраивают?

на одной частоте , например 200 КГц (основной резонанс излучателя) этого cosФ=1 несложно добиться. В Посте N8 это почти очевидно (фаза почти синусового тока и фаза первой гармоники меандра напряжения от источника - совпадают) . То есть такой дроссель с конденсатором согласуют, фильтруют, умножают напряжение до размаха 60 V от меандра 10Vp-p. Если поставить синусоидальный источник - будет тоже самое.
Идеальный синус ТСу не нужен, там встроенный резонанс пьезика достоточно добротно дофильтрует остальное.
однако настаивать не буду, а вдруг ТС придумает что-то получше.

[Dmitry_Ternovsky]

Можно попробовать и без обратной связи - подавать ШИМ на что-нибудь типа LM5104.

Так и делаю - подаю ШИМ на IRS2113 без обратной связи (раскачивал ее до 750кГц, дальше уже начинает заметно греться)
Просто на керамику можно подавать достаточно большое напряжение, поэтому подаю с запасом - не ниже какого-то уровня, а на сколько оно выше, я не сильно беспокоюсь.
Это будет первая подобная схема усилителя мощности и как назло ее надо сделать срочно.
Дальше есть пожелание - контролировать напряжение на излучателе и ток. Для контроля тока, наверное, придется ставить трансформатор тока, а для контроля напряжения...пока не придумал ... тем более как обратную связь заводить?!

Так у Вас сейчас с меандром 200 кГц фильтр пропускает 3-ю гармонику, т.е. это уже не синус.

А во сколько раз частота заполнения должна быть выше частоты сигнала, чтобы получить приемлемый синус? Раз в десять?

на одной частоте , например 200 КГц (основной резонанс излучателя) этого cosФ=1 несложно добиться.

Верно - для одной частоты это не сложно...если известен импеданс Z нагрузки и частота известна.

Идеальный синус ТСу не нужен, там встроенный резонанс пьезика достоточно добротно дофильтрует остальное.
однако настаивать не буду, а вдруг ТС придумает что-то получше.

тут надо разделять - идеальный синус на нагрузке и cosФ!

Идеальный синус не нужен, но очень желателен. Поясню - чем ближе сигнал на керамике к идаельному синусу, тем меньше будет продольных и поперечных колебаний керамики в нежелательных нам направлениях...это оказывпает прямое влияние на кпд излучателя и на шум. Но т.к. керамика находится в воде, то вода все отфильтрует более ли менее, поэтому незначительные искажения синуса антенщики мне простят.

А cos только для кпд усилителя мощности важен.

Причем схема замещения не очень удачна, т.к. логика подсказывает что важна форма синуса тока (и напряжения) на активной нагрузке, и если посмотреть на резисторе, то там всегда будет синус и вроде бы хотелось успокоиться.
А на деле оказывается что важно напряжение на антенне...

[тау]

А cos только для кпд усилителя мощности важен.

весьма спорное утверждение.

делают же инженерА резонансные преобразователи и cos там далёёёёк от идеала. Однако на КПД это хоть и влияет , но не катастрофически.
Хотя Вы наверное хотите усилитель мощности класса А...В , тогда дааа, ищИте решение .

Если же усилитель будет "Д" , то никакой разницы нет - вход фильтра Д усилителя не является активной нагрузкой , так или иначе будете болтать реактивными токами. Но на более высоких частотах , и чем выше , тем больше заморочек.

[wim]

А во сколько раз частота заполнения должна быть выше частоты сигнала, чтобы получить приемлемый синус? Раз в десять?

Это я не знаю. Синус 200 кГц - это уже радиовещательный диапазон. Если делать с обратной связью, то вопрос в том, до какой частоты сигнала она будет работать. А без обратной связи конечно будет работать. У LC-фильтра затухание 40 дБ/дек.

такой дроссель с конденсатором согласуют, фильтруют, умножают напряжение до размаха 60 V от меандра 10Vp-p.

Так это ж без нагрузки. А ТС собирается какую-то мощность передавать - стало быть, на эквивалентной схеме появляется неизвестно-какой- резистор, от которого теоретицки будет зависеть это самое умножение.

[Dmitry_Ternovsky]

делают же инженерА резонансные преобразователи и cos там далёёёёк от идеала. Однако на КПД это хоть и влияет , но не катастрофически.

Так вопрос в величине этих самых реактивных токов. В моем случае они в несколько раз больше среднего тока!!

Если же усилитель будет "Д" , то никакой разницы нет - вход фильтра Д усилителя не является активной нагрузкой , так или иначе будете болтать реактивными токами. Но на более высоких частотах , и чем выше , тем больше заморочек.

Именно поэтому и не стремлюсь строить усилитель D-класса для решения этой задачи и поднимать частоту коммутации.

Это я не знаю. Синус 200 кГц - это уже радиовещательный диапазон. Если делать с обратной связью, то вопрос в том, до какой частоты сигнала она будет работать. А без обратной связи конечно будет работать. У LC-фильтра затухание 40 дБ/дек.

Так мне надо ее настроить на определенную частоту - частоту работы схемы.

Так это ж без нагрузки. А ТС собирается какую-то мощность передавать - стало быть, на эквивалентной схеме появляется неизвестно-какой- резистор, от которого теоретицки будет зависеть это самое умножение.

Эквивалентная схема - это и есть нагрузка. К счастью дополнительных "резисторов" там не будет.
Просто одна из ветвей имеет резинанс на частоте 200кГц и, следовательно, остается только активное сопротивление (резистор R1 на схеме в первом сообщении). Шесть таких ветвей и есть моя активная нагрузка и потребитель мощности.

Сообщение отредактировал Dmitry_Ternovsky - Feb 20 2013, 09:08

[тау]

Так это ж без нагрузки. А ТС собирается какую-то мощность передавать - стало быть, на эквивалентной схеме появляется неизвестно-какой- резистор, от которого теоретицки будет зависеть это самое умножение.

дык с нагрузкой, в качестве которой эквивалент пьезика. А моща вся активная уходит в 84 ома. Реактивная болтается туда суда.

Именно поэтому и не стремлюсь строить усилитель D-класса для решения этой задачи и поднимать частоту коммутации.

именно этот момент более всего и подозрителен . D класс гоняет впустую реактивные токи туда суда ничуть не слабее чем более простой вариант меандрической запитки. Хотя лучше бы Вам убедиться в этом самому , хотя бы отмоделируйте.

Шесть таких ветвей и есть моя активная нагрузка и потребитель мощности.

по хорошему , и в целях выравнивания по диапазону 190-210 ВАМ придется ставить отдельные согласующие цепи на каждый излучатель, не соединяя их вместе впараллель.

Иначе, при несовпадении мех резонансов, будет очень большая неравномерность излучений активной мощности по 6 направлениям в воде.