A la cuestión de las ondas, personas interesantes e inductancias.

Ley 14 (Ley de Edison) 'Mejor' es enemigo de 'bueno'

Recientemente, mi colega, a quien menciono repetidamente en mis publicaciones (como regla, como la reencarnación del Dr. Watson, cuyo objetivo principal es hacer que el personaje principal sea más brillante, tengo tales bromas, Danil), decidió dominar el diseño de las fuentes de alimentación (para comienzo de baja potencia, y allí se verá). Dado que el caso ocurre en los años 201, los transistores son baratos y pequeños (incluso con controladores), y los inductores son grandes y caros (bueno, no tan grandes como antes, pero aún no pequeños), un circuito no inversor (puente) elevador con un microcontrolador en papel del elemento de control. Hay varias preguntas interesantes relacionadas con este esquema, algunas de las cuales se responden en ST4 Ann448 (no todo y no completo, tal vez escribiré más sobre esto), pero esto es un poco diferente.

Después de ensamblar el circuito, un colega escribió una serie de pruebas que permitieron verificar la corrección del circuito (y los errores fueron encontrados y corregidos) y el funcionamiento de los elementos individuales (el error también fue encontrado y corregido). (No entiendo, Danil, por qué no escribes sobre eso tú mismo, especialmente sobre el refuerzo de la clave de salida, es muy instructivo). Una de las pruebas fue el funcionamiento del dispositivo como una fuente de alimentación progresiva con un ciclo de trabajo fijo, que generalmente se confirmó, el voltaje de salida cambió de acuerdo con el modelo de cálculo. Bueno, en conclusión, decidimos ver el voltaje de ondulación en la salida de la fuente. Se presenta un circuito equivalente para el modo de prueba en el KDPV.

Y aquí nos enfrentamos a un fenómeno ligeramente incomprensible: la forma de onda de salida era muy diferente de la calculada por la amplitud de las pulsaciones (bueno, esto es generalmente esperado, ya que los parámetros de los componentes reales siempre diferirán de los indicados en la especificación, pero no a veces), y forma de onda (pero esto es completamente incomprensible). La forma de onda específica se muestra en la Figura 1 (en verde), la forma de ondulación esperada (en rojo) está trazada en ella, me parece que la diferencia es obvia. Por encima de todo, es sorprendente que el condensador se descargue constantemente (a excepción de las áreas de transición brusca), que está en marcado contraste con la igualdad teóricamente predicha a cero de la corriente promedio a través del condensador durante un período en el estado estable, en el que se basa toda la metodología de cálculo del convertidor.



Comenzamos a razonar. Las fuertes subidas de voltaje se explican perfectamente por la presencia de un condensador ESR significativo, e incluso podemos estimar su valor = dU / I / 2, que nos da 100 mOhm, un poco demasiado grande, por supuesto, pero bastante posible. Pero, ¿por qué no vemos un aumento característico en el voltaje a través de la capacitancia en el ciclo de transferencia de potencia desde la inductancia? Se necesita investigación adicional, y para esto es necesario reproducir el defecto en otro dispositivo. Dado que no hay forma de recolectar el segundo tablero (más precisamente, no hay deseo, este es el factor determinante), necesita un circuito virtual y el "simulador de circuito electrónico" de google conduce a un sitio completamente encantador falstad.com. (Nota necesaria: el autor conoce la existencia de muchos otros simuladores, y los usó muchas veces, pero la política de seguridad del departamento de TI hizo que fuera imposible instalar el paquete, y aún más, el descifrado, así que en línea es nuestro todo).

Encuentro un programa de modelado, leo el historial de su creación, y entiendo que este es un proyecto independiente, es decir, una persona (en su tiempo libre) escribe un simulador (en Java), le proporciona un conjunto de modelos y apoya el trabajo del sitio con esta aplicación, simplemente enloquece. Entiendo los principios básicos de la simulación de circuitos electrónicos, puedo admitir que varios modelos están en una forma accesible en la Web, pero, sin embargo, no escribí dicho simulador (y la gran mayoría de los residentes de Habrach también). Pero suprima el sentimiento de envidia brillante y comience a estudiar el esquema problemático.

Estoy haciendo un modelo del circuito, no de inmediato, pero (usando lecciones en video) estoy aprendiendo a visualizar los resultados en forma de oscilogramas (este programa nos permite monitorear el flujo de corriente en el circuito en estudio en forma de círculos en miniatura, lo cual es divertido y muy instructivo, pero no muy informativo, aunque puedes muestra el movimiento de los electrones, luego los círculos se ejecutarán en la dirección opuesta, lo que es aún más divertido, aunque no más informativo) y observe los resultados. La recepción del resultado coincide completamente con la predicción teórica, lo cual no es sorprendente: tenemos todos los elementos perfectos, como en el cálculo.


Agrego el valor esperado de la resistencia y me sorprende ver que la forma de las pulsaciones ha cambiado drásticamente y ha coincidido completamente con la observada en el experimento, que no puede dejar de alegrarse, lo que significa que podemos continuar estudiando el modelo. En primer lugar, mido el voltaje a través del condensador y estoy feliz de asegurarme de que el equilibrio de voltios-segundo no se rompa y que el condensador, como debería, se cargue y descargue durante el ciclo de trabajo. Luego, el comportamiento del voltaje en la carga se vuelve claro: esta es la suma del voltaje a través del condensador y la caída de voltaje a través de la resistencia, que es proporcional a la corriente que fluye. Dado que la corriente a través de la inductancia cambia (disminuye) durante la transferencia de energía desde la inductancia a la capacitancia, esto conduce a una disminución en la caída de la resistencia y, comenzando con un cierto valor de esta última, el aumento del voltaje a través de la capacitancia asociada con su carga gana.

Para probar nuestra hipótesis, juguemos con los parámetros del circuito (recomiendo hacerlo usted mismo en la página provista), primero apagamos el condensador de cerámica, esto eliminará el suavizado de los frentes con una constante de tiempo de 1 ms y nos permitirá observar los efectos en forma pura. Comenzamos a aumentar la resistencia y vemos la aparición de un paso característico, que comienza a aumentar en magnitud. Desde algún punto, puede ver que el ángulo de inclinación del voltaje directo en la carga en la sección de carga comienza a disminuir hasta que el segmento se vuelve horizontal y luego se convierte en uno descendente.

Llevamos a cabo el último experimento, que mostrará que, además de la caída de corriente en la inductancia, no hay otras razones para la caída de voltaje (no los vemos de todos modos, pero nunca se sabe ...): es necesario reducir la onda de corriente en la inductancia y es más fácil lograr esto aumentando la inductancia. En la vida real, la tarea de obtener una bobina de 1 mF para una corriente de 4A no sería fácil, pero en el simulador no hay nada más simple, y sin duda, la ondulación de la corriente disminuye bruscamente y el voltaje de salida nuevamente tiene una sección que aumenta linealmente. Como siempre, no sucede nada milagroso y todos los procesos que tienen lugar en el esquema tienen una explicación científica natural, BST.

Regresamos al circuito en vivo original, miramos los parámetros de capacitancia para la fecha, vemos los 100mOhm de resistencia esperados, hacemos la pregunta desconcertada "y por qué está aquí", obtenemos la respuesta "de acuerdo con los cálculos, tomó 200uf, decidí poner más" ("lo que permite a Victor Stepanovich recordar cómo un visionario del nivel de Wang "- perdón, no es mi frase), pusimos dos 100 microfáramicas (100 microfáramicas en dimensiones milimétricas) sobre la mesa, Karl - si me hubieran dicho esto hace 20 años, simplemente giraría mi dedo en la sien, y ahora revolcarse ... componente b porque hicieron un gran salto en los últimos años, a pesar de un diseño de circuito no se puede decir, todo está pensado para nosotros) y todo está bien. Lo que me hace recordar otra frase no menos notable: "No es necesario, ya que es mejor, es necesario, como debería ser".

En conclusión, me gustaría expresar mi gratitud al Sr. Falstad por el placer de aprovechar su maravilloso programa y alegrarme de que esas personas todavía lo estén haciendo, de lo contrario me aburrí un poco después de dejar a Robert Pease. Aunque no estoy completamente aburrido, hace unos 3 años descubrí un programa increíble y también un simulador, VMLab, y también en el estado del software libre, probablemente haya algo en este concepto, ya que personas tan maravillosas lo están promocionando. También puede recordar Godbolt: también es muy bueno, probablemente de todos modos, no todo está perdido y la frase "ya no hacen a esas personas" está mal, lo hacen, simplemente hacen cosas un poco diferentes.

PS. Como estamos hablando de inductancias (sí, hablamos de ellas, aunque no por mucho tiempo), me gustaría referirme a una característica (diría más severa, pero el "comportamiento tóxico" no es bienvenido en Habré) relacionado con la elección de inductancia de los productos estándar. El parámetro principal, junto con la inductancia en sí, es la corriente permitida a través de la bobina y aquí hay un matiz desagradable, que consideraremos.

Para comenzar, determinemos el peligro de exceder la corriente máxima (corriente de saturación) por el hecho de que, como puede suponer, la inductancia ingresa al modo de saturación, donde no existe una relación lineal entre la corriente que fluye y la magnetización del núcleo, lo que conduce a pérdidas de energía debido a la inversión de la magnetización. Este parámetro tiene 2 características que deben considerarse:

1. De hecho, para cada inductancia real este parámetro es cero, ya que para cualquier corriente que fluye no linealidad tendrá lugar y la pregunta es solo sobre el grado de no linealidad en un punto particular. En los días de mi juventud, era habitual dar un valor actual en el que las pérdidas son del 5% (y este es el enfoque correcto), para que pueda estar seguro de la inductancia a corrientes más bajas. Desafortunadamente, ahora algunos fabricantes indican la corriente con una pérdida del 20%, otros con un 30%, por lo que a corrientes cercanas a las indicadas, los resultados obtenidos en términos de eficiencia le desconcertarán mucho. Por supuesto, el nivel de pérdidas en la corriente límite se indica honestamente en la fecha y siempre se puede responder a RTFM (F), pero de alguna manera no es honesto con respecto a las expectativas de los desarrolladores. Entiendo que el departamento de marketing insiste en las tasas más altas en folletos (y un nivel honesto de corriente será 50 por ciento menos), pero todavía somos principalmente ingenieros, bueno, creo que sí.

2. Esta no es la corriente promedio, sino la máxima, y ​​si tiene excesos a corto plazo (que es típico para cambiar las fuentes de alimentación) de la corriente de saturación, entonces las pérdidas son inevitables, incluso si la corriente promedio es mucho menor. Esta característica debería ser entendible y aquí los fabricantes son honestos: debe considerarla usted mismo. De ahí la necesidad de permanecer en el modo continuo, ya que es en este modo que la relación entre la corriente máxima y la media es la más pequeña y se encuentra entre uno y dos.

Pero hay un parámetro más que anteriormente simplemente no existía. El hecho es que en los últimos 10 años, han aparecido muchos materiales excelentes que tienen parámetros simplemente sorprendentes, desde el punto de vista de los núcleos, principalmente propiedades de permeabilidad magnética y frecuencia. Todo esto permitió reducir en un orden (o incluso no uno) las dimensiones geométricas de los elementos de bobinado, junto con un aumento en las frecuencias de operación. Pero tiene que pagar por todo en este mundo, y si pudiera calentar un transformador con un núcleo hecho de hierro cargado hasta el punto de fusión de un cable de cobre (fue fácil con cortocircuito) y no perdió ninguna eficiencia (puede haber perdido, pero no se notó) , tal truco no funciona con materiales modernos, y cuando se calienta por encima de cierta temperatura, la permeabilidad magnética (y con ella la corriente de saturación) comienza a caer con consecuencias completamente predecibles.

Entonces, el segundo parámetro es la corriente promedio máxima permitida a través del devanado, debido a las razones anteriores. Como regla general, es 2 veces menor que la corriente de saturación (aunque esto no es necesario), por lo tanto, si está en el borde del modo de continuidad, entonces todo es maravilloso y se cumplen todas las condiciones (no olvide el 20-30% de las pérdidas), pero si está en el fondo zonas de continuidad y corriente máxima = 120% promedio y bien no excede la corriente de saturación, entonces aún debe verificar la corriente promedio para ver si está permitida. De ahí la regla general: divida la corriente de saturación de las bobinas modernas entre aproximadamente 1.5 (más ya es demasiado) y elija este criterio y será feliz y altamente eficiente en el circuito que desarrolló.

Por cierto, los buenos chinos hacen exactamente eso: ponen una inductancia con una corriente de saturación de 12A en una fuente de corriente de 8A y todo funciona perfectamente en eficiencia en un 90%.