Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Я решил поиграться с колебательным контуром и у меня потери почти 50% за полупериод. Поскольку такая штука должна применяться в резонансных преобразователях, то решил спросить тут.

Нижний ключ это - транзистор, он у меня http://www.irf.com/product-info/datasheets.../irfs31n20d.pdf и уравляется через драйвер http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir4426.pdf , шмит-триггеровый вход которого подключён к простой кнопке. Перед тем как нажать на кнопку, я разряжаю конденсатор боковым переключателем. После замыкания транзистора, в цепи через индуктивность появляется ток, который заряжает конденсатор. В конце полупериода ток должен остановиться, а напряжение достигнуть удвоенного напряжения питания. На деле не дотягивает 30%. Поскольку энергия пропорциональна квадрату напряжения, то в джоулях процент потерь ещё выше. Что-то я не понимаю как хвалёные резонансные преобразователи достигают своих повышенных КПД? Сопротивление полевика 0.15 Ом, катушки - менее одного. Я решительно не понимаю где потери?

PS. Я уже проводил расчёт переходного процесса. Напряжение на конденсаторе u2(t) = u0 (1 - exp(-yt) (cos - y/w sin)), где u0 - напряжение источника, y = R/L - коэффициент затухания. В опыте коэффициент равен 1 Ом / 1 мГн = 1000. Итого, u2(pi) = U0 (1 + exp(-1000Pi)) ≈ U0. Очевидно, что затухание слишком сильное. Удивительно что в опыте всё оказалось не так плохо - мы увидели ярко выраженные колебания. Чтобы затухание за период было 1% (exp(-y3.14) < .15) нужен коэффициент не превышающий .6! Реально ли получить такую добротность?

"В конце полупериода ток должен остановиться," но не остановится, а просто поменяет знак.
Дело в том, что открытый полевик прекрасно проводит в обе стороны. Если же его в этот момент запереть то ток пойдёт через имеющийся у всякого порядочного MOSFET-а паразитный диод между стоком и истоком. Тогда ток прервётся только когда снова достигнет нуля, а конденсатор к тому времени будет разряжен.
Вот если включить последовательно с транзистором диод - тогда процесс будет происходить как задумано.
Кроме того, кнопка имеет такое неприятное явление как дребезг контактов при замыкании. Из-за этого явления исход эксперимента становится вообще слабо предсказуемым.

Вы не лентяй. Такие задачки в момент решаются на PSpice. Попробуйте его освоить, много времени сэкономите и сразу понятно все станет.

1. Маятник всегда останавливается перед тем как начать движение в обратную сторону!
2. Диод пока не включаю чтобы добиться минимального сопротивления. Оно пока и без диода переходит все границы.
3. Собственно я перещёл на коммутирование транзистором как раз потому что просто кнопка прерывала все колебания. Её я отфильтровал и затвор транзистора монотонно достигает 15 вольт за 10 мксек:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла.
Полупериод колебания длиться в 40 раз дольше - 400 мксек. Кроме того коэффициент затухания сохраняется и в последующих циклах, когда транзистор полностью открыт:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла.

Пробывал катушки от 8 милли- до 300 мкГн -- всё одно: вместо 30 вольт на первом полупериоде "добивает" лишь до 25. Заметное ухудшение при уменьшении индуктивности до 70 микро - добивает только до 23 в.

Хм... А Вы уверены, что приведенная схема - действительно резонансный контур?
Ни в жизни, ни в модели ключ параллельно емкости не включают. И не разрывают ток в индуктивности. В идеальном контуре без нагрузки потерь вообще нет. Что тут у Вас служит нагрузкой? Вы заставляете контур работать на источник? Или я что-то не разобрал?
Типичная схема резонансника - индуктивность, попеременно подключаемая к + и -, нагрузка и конденсатор последовательно с нею.
Все там получается. И при подходе к резонансу снизу и при подходе сверху по частоте. Увы, резонансный режим удобен только для фиксированных нагрузок.

Судя по диаграммам у Вас приличное затухание, поэтому и не двойной первый всплеск.
Мне кажется Pi не время.

Трудно понять, зачем автору ключ параллельно конденсатору.
Действительно, последовательные квази-резонансные источники с приведенной
схемой имеют мало общего.


Найдите несколько отличий.

1. Хорошо что вы заметили. Теперь пусть кто-нибудь скажет как отыскать "тормоз".
2. Смущает 400 мксек? Это для C + L = 1 uF + 8 mH: T/2 = π √(LC) = 350 мксек, что довольно близко графику. Растяжка во времени до 400 мксек может объясняться высоким коэффициентом затухания.


Наверное вот для этого: "Перед тем как нажать на кнопку, я разряжаю конденсатор боковым переключателем."




Я ток и не разрываю. Пока я кнопку отпущю колебания и ток давно улягуться. Извините, не хотел никого запутывать. Просто привёл схему получения колебаний в контуре, указывая на то что в конце первого полупериода на изначально разряженном конденсаторе должно быть удвоенное входное напряжение.



Я сказал, что спрашиваю тут, потому что для резонансников утверждается сверхвысокое КПД в то время как у меня в элементарном контуре без всякой нагрузки и попеременного переключения затухание составляет 50% на полупериод! Как у вас это получается? Достаточно подключить нагрузку с переключением полярностей и добротность контура удвоится что ли? Секрет рассказать можете?

Волновое сопротивление примерно 90 Ом.
затвор заряжается слишком медленно , это наводит на грустную мысль что ваш источник 15 Вольт обладает чудным высоким выходным сопротивлением, которое в контуре включено последовательно. Отсюда и грабли. Хотя возможно что и индуктивность Ваша недостаточно энергоемкая. Что за индуктивность? А емкость 1 мкф из чего ? может электролитик маленький старенький?

Ничего сверхвысокого ожидать не следует. В резонанснике хотя бы один фронт (включение или выключение) происходит в момент нулевого тока или нулевого напряжения на ключе. Этим экономим на динамических потерях. Остальное все, как и в прочих схемах, даже отчасти хуже, из-за бОльших амплитуд.
У Вас в схеме контур по цепи разряда работает ЧЕРЕЗ ИСТОЧНИК. В практических схемах он включается на источник и разряжается сам на себя. Затухание, добротность контура при неизменной нагрузке не меняются. У Вас нагрузки, как таковой, вообще в схеме нет. Следовательно, если бы модель была верна, то затухания не было бы совсем (идеальный контур).
Схема должна одним ключом подключать последовательный контур к источнику, другим, работающим в противофазе, - к земле. С землею же должен быть соединен и конденсатор контура. Нагрузку можете имитировать резистором, включенным параллельно дросселю.
Далее - гоняйте частоту и ловите резонанс. При отсутствии нагрузки напряжение на реактивных элементах может подскочить в десятки раз ( в Q раз, добротность).

Подозрение на сопротивление источника напряжения интересное, но медленный заряд затвора вызван резистором 85 Ом. Резистор рекомендован изготовителем его драйвера.

Индуктивность разную пробывал в диапазоне от 70 мкГн до 8 мГн толстым многожильным проводом - всё одно. Энергоёмкость индуктивности E= I²L/2.

1 мкФ - это электролит. Поменял на другой 10 мкф, вот что получилось:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла.
Напряжение пика ещё уменьшилось видимо из-за большого тока, вызыванного большой ёмкостью. Смена на неэлектролит 1 мкф дало положительный эффект: теперь добивает почти до 27 вольт. Поменял на другой неэлектролит 1,5 мкф тоже даёт 26-27 вольт. Все кондёры куплены пару лет назад.

Самое забавное получается если поставить конд-р 100 nF:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Полупериодный пик уходит выше удвоенного напряжения!! Можно видеть что в асимптоте - 15 в, а первый пик - целых 35 в!!

Наблюдаю явно насыщение материала дросселя .
Первый электролит был настолько плохой по ESR что не обеспечивал ток насыщения.


Не используйте электролиты в своих экспериментах.
Для конденсатора 100nF поставьте "правильный" дроссель , способный накапливать энергию без насыщения сердечника. Для примера возьмите хотя бы Ш образный сердечник с зазором, или гантель ферритовую.

Под энергоёмкостью дросселя в соответствии с формулой E= I²L/2 нужно понимать свойство дросселя соответствовать этой формуле без падения параметра L , связанного с насыщением материала.

Во всех экспериментах? Насыщение дросселя -- сверхвысокий ток?



Это значит что сопротивление конд-ра выше транз-ра при насыщенном дросселе?




Спасибо за идею. Но не хотите ли вы сказать, что это из-за насыщения сердечника (закоротки дросселя) у меня напряжение сверх теоретического максимума обнаружилось?

Про 85 Ом в даташите ничего не написано. Он мощный -до +_1,5 А.
Даже с 85 Ом и Qtot затвора полевика IRFSL31N20D при правильном питании драйвера должны обеспечивать заряд до 13 вольт за 1,5 мкс. А у Вас более 4 мкс.
Что-то не сходится .

Шунтируйте питание рядом с контуром конденсатором с малым ESR и бОльшей ёмкости чем Ваш контурный. Это не только ускорит включение полевика но и затухание в контуре уменьшит.

Сверхвысокий тут не уместно, повышенный - так лучше.
Особенно режет глаз осциллограмма с 10 мкф, хотя на 0,1мкф тоже видно.

гораздо выше и настолько высокое, что насыщения дросселя в старом эксперименте с 1 мкф даже не начиналось (правильная синусоида , только быстро тухнущая) Примерно 30-40 Ом, возможно что вместе с выходным сопротивлением источника в первом эксперименте. Похоже что Вы потом зашунтировали емкостями источник


Про" закоротку " дросселя не стоит говорить, индуктивность падает при насыщении но не настолько чтобы дроссель превращался в перемычку.
Осциллограмма с амплитудой 35 V вообще странная , напоминает или нелинейный дроссель с наклеенным магнитом или материал с большой коэрцитивной силой.

Да, у меня тоже 3тау = 1,5 мксек для 100 нКл затвора в расчёте получилось.




Ага, думаете, что весь ток в контур уходит? Это интересная мысль. Питание драйвера законденсировано, уверен что номиналом большим чем 100 нф в контуре. теперь меня беспокоит что уменшенное путём уменьшения конденсатора затухание стало меньше нуля - напряжение прыгает выше удвоенного - своего теоретического максимума! Как это объяснить?

Я уже написал прошлый раз- дроссель у Вас нелинейный, подмагниченный. Амплитуда второго экстремума (вниз) меньше амплитуды третьего экстремума.
Затухание общее меньше нуля не стало - колебания же тухнут потиху

Ага, ток в первом четвертьпериоде ускоряется сильнее, чем тормозиться во втором четвертьпериоде? Подмагниченность это хорошо - ведь я ток только в одном направлении гоняю.

наоборот ускоряется медленнее чем тормозится во втором.

Подмагниченность бывает "хороша" в редких случаях, как правило не в "Switching Mode Power Supply"

Напряжение на контуре должно остаться не выше источника. А НА ЭЛЕМЕНТАХ контура может и в десять и в двадцать раз подпрыгнуть. На то он и есть - последовательный резонанс.

Зачем столько возни? Можно взять звуковой генератор, напр. Г3-109..Г3-122. Через резистор питать параллельный контур, и исследовать его сколько влезет. Резистор должен иметь сопротивление много выше резонансного сопротивления контура. Напряжение смотреть осциллографом. Это чисто для посмотреть, какой контур получился. А резонансный источник надо пробовать как рабочую схему - с транзисторами и нагрузкой. На макете или лучше в симуляторе. Хотя бы в микрокапе.

Для SMPS ток насыщения дросселя - важный параметр. Его превышать нельзя.

1. Да, я так потом и подумал: подмагниченность должна увеличивать индуктивность и ток растёт медленнее. Не знаю я если честно литературы, которая понятно бы описывала магнитные процессы: разницу между B, M и H полями.

2. "Хорошо" я имел ввиду тут то, что подмагниченность наблюдается как и должна по теории.

Да литературы полно .
http://imlab.narod.ru/M_Fields/Magn_Field/Magn_Field.htm
например.

Только M по другому называется J (намагниченность)

Блин, если надо просто чтобы дроссель работал как линейная индуктивность, достаточно делать его с не слишком большой паразитной емкостью и не превышать ток насыщения. Между В и током дросселя, если зазор достаточно большой, соблюдается пропорциональность(В=4Pi*10e-7*I/d, где В - индукция в теслах, I - общие ампервитки, ампер, d - длина зазора в метрах). Насыщается феррит при 0,25-0,45 Тл в зависимости от его древности и сорта. Гистерезисом феррита можно пренебречь - в основном влияет зазор(до насыщения). Это я о силовых дросселях пишу.

А такое соотношения знакомо (для приведенной схемы)?:

Um=4*Uo*tи/T

где Um - напряжение на индуктивности (естественно, в состоянии свободных колебаний)
Uo - напряжение питания,
tи - длительность импульса (открытого состояния ключа)
Т - период собственных колебаний контура.

Естественно, это справедливо для контролируемых длительностей и при отсутствии насыщения.

А судя по длительности затухающего процесса, добротность у вас весьма и весьма приличная.

Блин, не помню всей математики. Если найду - напишу точнее. Это, помнится мне, Бриллиантов "Развертывающие устройства..." или как-то так. Давно было...Но смысл такой, что амплитуда колебаний (начальная) пропорциональна частному длительности "накачивающего" импульса и периода колебаний. В микрокапе (у кого - в спайсе) это считается легко.

Исправил.

Um=п*Uo*tи/T

Vlas, у стартера всё наоборот, он правым ключом (кнопачка) своей схемы просто обнуляет потенциал на конденсаторе .
А процесс ему интересен при замыкании нижнего ключа . Хочется наблюдать пик-пик амплитуду синуса в 2 раза больше напряжения источника и с малым затуханием.
Строчная развертка с tи/T тут не при делах.

Тогда надо более въедливо посмотреть чем, как и на чем намотан дроселль.
Конденсаторы попробовать типа К78-2 или МКР (импорт).