À questão das ondulações, pessoas interessantes e indutâncias

Lei 14 (Lei de Edison) 'Melhor' é inimigo do 'bom'

Recentemente, meu colega, que menciono repetidamente em meus posts (como regra geral, como a reencarnação do Dr. Watson, cujo principal objetivo é tornar o personagem principal mais brilhante, tenho essas piadas, Danil), decidiu dominar o design das fontes de alimentação (por início de baixa potência, e lá será visto). Como o caso ocorre na década de 201, os transistores são baratos e pequenos (mesmo com drivers) e os indutores são grandes e caros (bem, não tão grandes quanto antes, mas ainda não pequenos), um circuito de ponte invertida (microcontrolador) com um microcontrolador em papel do elemento de controle. Várias perguntas interessantes estão relacionadas a esse esquema, algumas das quais são respondidas no ST4 Ann448 (nem tudo e nem completo, talvez eu escreva mais sobre isso), mas isso é um pouco diferente.

Após a montagem do circuito, um colega escreveu uma série de testes que possibilitaram verificar a correção do circuito (erros foram encontrados e corrigidos) e o funcionamento de elementos individuais (o erro também foi encontrado e corrigido). (Danil, eu não entendo, por que você não escreve sobre isso, especialmente sobre o reforço de teclas de saída - é muito instrutivo). Um dos testes foi o funcionamento do dispositivo como uma fonte de alimentação intensificada com um ciclo de serviço fixo, o que geralmente era confirmado, a tensão de saída alterada de acordo com o modelo de cálculo. Bem, em conclusão, decidimos ver a tensão de ondulação na saída da fonte. Um circuito equivalente para o modo de teste é apresentado no KDPV.

E aqui estávamos diante de um fenômeno um pouco incompreensível - a forma de onda de saída era muito diferente daquela calculada pela amplitude das pulsações (bem, isso geralmente é esperado, uma vez que os parâmetros dos componentes reais sempre diferem daqueles indicados na especificação, mas não às vezes), e forma de onda (mas isso é completamente incompreensível). A forma de onda específica é mostrada na Figura 1 (em verde), a forma de ondulação esperada (em vermelho) é plotada nela, parece-me que a diferença é óbvia. Acima de tudo, é surpreendente que o capacitor seja constantemente descarregado (exceto nas áreas de transição abrupta), o que contrasta fortemente com a igualdade prevista teoricamente a zero da corrente média através do capacitor por um período no estado estacionário, no qual toda a metodologia de cálculo do conversor é baseada.



Começamos a raciocinar. Os fortes picos de tensão são explicados perfeitamente pela presença de um capacitor ESR significativo, e podemos até estimar seu valor = dU / I / 2, o que nos dá 100 mOhm - um pouco grande demais, é claro, mas é possível. Mas por que não vemos um aumento característico da tensão através da capacitância no ciclo de transferência de potência da indutância? Pesquisas adicionais são necessárias e, para isso, é necessário reproduzir o defeito em outro dispositivo. Como não há como coletar a segunda placa (mais precisamente, não há desejo, esse é o fator determinante), você precisa de um circuito virtual e o "simulador de circuito eletrônico" do Google leva a um site completamente charmoso, falstad.com. (Observação necessária - o autor conhece a existência de muitos outros simuladores e os usou muitas vezes, mas a política de segurança do departamento de TI impossibilitou a instalação do pacote, e mais ainda o quebrado, a conexão on-line é o nosso tudo).

Eu encontro um programa de modelagem, leio o histórico de sua criação e entendo que este é um projeto independente, ou seja, uma pessoa (em seu tempo livre) escreve um simulador (em Java), fornece um conjunto de modelos e suporta o trabalho do site com este aplicativo - apenas enlouqueça. Entendo os princípios básicos da simulação de circuitos eletrônicos, posso admitir que vários modelos estão disponíveis de forma acessível na Web, mas, no entanto, não escrevi esse simulador (e a grande maioria dos moradores de habrach também). Mas suprima a sensação de inveja e comece a estudar o esquema problemático.

Estou fazendo um modelo do circuito, não imediatamente, mas (usando vídeo aulas) estou aprendendo a visualizar os resultados na forma de oscilogramas (este programa nos permite monitorar o fluxo de corrente no circuito em estudo na forma de círculos em miniatura, o que é engraçado e muito instrutivo, mas não muito informativo, embora você possa mostre o movimento dos elétrons, os círculos seguirão na direção oposta, o que é ainda mais divertido, embora não mais informativo) e observe os resultados. A recepção do resultado coincide completamente com o previsto teoricamente, o que não é surpreendente - temos todos os elementos perfeitos, como no cálculo.


Acrescento o valor esperado da resistência e fico surpreso ao ver que a forma das pulsações mudou dramaticamente e completamente coincidiu com a observada no experimento, que não pode deixar de se alegrar, o que significa que podemos continuar estudando o modelo. Antes de tudo, meço a voltagem no capacitor e fico feliz em garantir que o equilíbrio volt-segundo não seja quebrado e que o capacitor, como deveria, seja carregado e descarregado durante o ciclo de trabalho. Então o comportamento da tensão na carga fica claro - esta é a soma da tensão no capacitor e a queda de tensão na resistência, que é proporcional à corrente que flui. Uma vez que a corrente através da indutância muda (diminui) durante a transferência de energia da indutância para a capacitância, isso leva a uma diminuição na queda de resistência e, começando com um determinado valor deste último, o aumento da tensão na capacitância associada à sua carga vence.

Para testar nossa hipótese, vamos brincar com os parâmetros do circuito (eu recomendo fazê-lo você mesmo na página fornecida), primeiro desligamos o capacitor de cerâmica, isso removerá o alisamento das frentes com uma constante de tempo de 1ms e nos permitirá observar os efeitos de forma pura. Começamos a aumentar a resistência e vemos a aparência de um passo característico, que começa a aumentar em magnitude. A partir de algum ponto, você pode ver que o ângulo de inclinação da tensão direta na carga na seção de carga começa a diminuir até que o segmento se torne horizontal e depois se transforme em um declínio.

Realizamos o último experimento, que mostrará que, além da queda de corrente na indutância, não há outras razões para a queda de tensão (não as vemos de qualquer maneira, mas você nunca sabe ...) - é necessário reduzir a ondulação de corrente na indutância e é mais fácil conseguir isso aumentando a indutância. Na vida real, a tarefa de obter uma bobina de 1 mF para uma corrente de 4A não seria fácil, mas no simulador não há nada mais simples - e com certeza, a ondulação da corrente diminui acentuadamente e a tensão de saída novamente tem uma seção que aumenta linearmente. Como sempre, nada de milagroso acontece e todos os processos que ocorrem no esquema têm uma explicação científico-natural, a BST.

Voltamos ao circuito ao vivo original, observamos os parâmetros de capacitância da data, observamos os 100mOhm de resistência esperados, fazemos a pergunta confusa “e por que está aqui”, obtemos a resposta “de acordo com os cálculos, demorou 200uf, decidi colocar mais” (“o que permite a Victor Stepanovich lembrar como um visionário do nível de Wang ”- desculpe, não é minha frase), colocamos duas 100 microferramentas (100 microferramentas em dimensões milimétricas) sobre a mesa, Karl - se me tivessem dito isso há 20 anos, eu apenas torceria o dedo no templo e agora eles chafurdando ... componente b porque eles fizeram um grande salto ao longo dos anos, apesar de um projeto de circuito não pode ser dito, tudo é pensado para nós) e tudo está muito bem. O que me faz lembrar outra frase não menos notável: "Não é necessário, pois é melhor, é necessário, como deveria ser".

Concluindo, gostaria de expressar minha gratidão ao Sr. Falstad pelo prazer de tirar proveito de seu maravilhoso programa e de me alegrar com o fato de essas pessoas continuarem, caso contrário, fiquei um pouco entediado depois de deixar Robert Pease. Embora eu não esteja completamente entediado - há cerca de três anos, descobri um programa incrível e também um simulador - VMLab, e também no status de software livre - provavelmente existe algo nesse conceito, já que pessoas maravilhosas o estão promovendo. Você também pode se lembrar de godbolt - também é muito bom, provavelmente tudo a mesma coisa, nem tudo está perdido e a frase "eles não fazem mais essas pessoas" está errada, eles fazem, apenas fazem coisas diferentes.

PS. Como estamos falando de indutâncias (sim, falamos sobre elas, embora não por muito tempo), eu gostaria de abordar um recurso (diria mais severo, mas o "comportamento tóxico" não é bem-vindo em Habré) relacionado à escolha de indutância de produtos padrão. O parâmetro principal, junto com a indutância em si, é a corrente permissível através da bobina e aqui há uma nuance desagradável, que consideraremos.

Para começar, vamos determinar o perigo de exceder a corrente máxima (corrente de saturação) pelo fato de que, como você pode imaginar, a indutância entra no modo de saturação, onde não há relação linear entre a corrente de fluxo e a magnetização do núcleo, o que leva a perdas de energia devido à reversão da magnetização. Este parâmetro possui 2 recursos que devem ser considerados:

1. De fato, para cada indutância real, esse parâmetro é zero, uma vez que para qualquer corrente não linearizada da corrente ocorrerá e a questão é apenas sobre o grau de não linearidade em um determinado ponto. Nos dias de minha juventude, era costume dar um valor atual no qual as perdas fossem de 5% (e essa é a abordagem correta), para que você possa ter certeza da indutância em correntes mais baixas. Infelizmente, agora alguns fabricantes indicam a corrente com perda de 20%, outros com 30%; portanto, em correntes próximas às indicadas, você ficará muito intrigado com os resultados obtidos em termos de eficiência. Obviamente, o nível de perdas na corrente limite é honestamente indicado na data e você sempre pode responder ao RTFM (F), mas de alguma forma isso não é honesto com relação às expectativas dos desenvolvedores. Entendo que o departamento de marketing insiste nas taxas mais altas em folhetos (e um nível honesto de corrente será 50% menor), mas ainda somos principalmente engenheiros, bem, acho que sim.

2. Essa não é a corrente média, mas a máxima, e se você tiver excessos de curto prazo (o que é típico para a comutação de fontes de alimentação) da corrente de saturação, as perdas serão inevitáveis, mesmo que a corrente média seja muito menor. Esse recurso deve ser compreensível e aqui os fabricantes são honestos - você deve considerar isso sozinho. Daí a necessidade de permanecer no modo contínuo, pois é nesse modo que a razão entre a corrente máxima e a média é a menor e fica de um a dois.

Mas há mais um parâmetro que anteriormente simplesmente não existia. O fato é que, nos últimos 10 anos ou mais, surgiram muitos materiais excelentes que possuem parâmetros simplesmente surpreendentes, do ponto de vista dos núcleos, principalmente propriedades de permeabilidade magnética e frequência. Tudo isso permitiu reduzir em uma ordem (ou mesmo não uma) as dimensões geométricas dos elementos de enrolamento, além de um aumento nas frequências de operação. Mas você tem que pagar por tudo neste mundo - e se você pudesse aquecer um transformador com um núcleo feito de ferro carregado até o ponto de fusão de um fio de cobre (era fácil com curto-circuito) e não perdia nenhuma eficiência (pode ter perdido, mas não é perceptível) , esse truque não funciona com materiais modernos e, quando aquecido acima de uma certa temperatura, a permeabilidade magnética (e com ela a corrente de saturação) começa a cair com consequências completamente previsíveis.

Portanto, o segundo parâmetro é a corrente média máxima permitida através do enrolamento, pelas razões acima. Como regra, é 2 vezes menor que a corrente de saturação (embora isso não seja necessário); portanto, se você estiver na fronteira do modo de continuidade, tudo será maravilhoso e todas as condições serão atendidas (não se esqueça de 20 a 30% das perdas), mas se você estiver no fundo zonas de continuidade e corrente máxima = 120% da média e o poço não exceder a corrente de saturação, você ainda precisará verificar a corrente média quanto à permissibilidade. Daí a regra geral - divida a corrente de saturação das bobinas modernas por aproximadamente 1,5 (mais já é demais) e escolha esse critério e você será feliz e altamente eficiente no circuito que desenvolveu.

A propósito, os bons chineses fazem exatamente isso - eles colocam uma indutância com uma corrente de saturação de 12A em uma fonte de corrente 8A e tudo funciona perfeitamente com eficiência em 90%.