Микросхема - Форум инженеров

Проекты, идеи, схемы и разработки
Текущее время: Ср ноя 21, 2018 6:54 pm

Часовой пояс: UTC + 2 часа




Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 12 ] 
Автор Сообщение
 Заголовок сообщения: Experiment: Драйвер IR2104, поиск причины кривого синуса
СообщениеДобавлено: Вс июн 14, 2015 2:04 am 
Не в сети
Site Admin
Аватар пользователя

Зарегистрирован: Вс апр 08, 2007 11:00 pm
Сообщений: 6358
Откуда: KHARKOV or KIEV
Experiment: Применение драйвера IR2104, поиск причины кривого синуса.

Не так давно, в декабре 2014, было выделено немного времени, для некоторых экспериментов в рамках подготовки к одному так сказать, домашнему проекту, с использованием драйвера IR2104 (http://www.irf.com/product-info/datashe ... ir2104.pdf) и заодно испытание его на практике.
Задачей было - проверить H-Bridge, тот который 4-х транзисторный, полный мост. И естественно проверить всё, на выбранных определенных деталях.
Исходная точка задачи стартует с критерия изготовления максимально дешевого варианта выходной части инвертора.
Применять инвертор планировалось на основе классического H-Bridge, для формирования синусоидального сигнала. В качестве используемых транзисторов были выбраны, так как они были в наличии, тип IRF740 (http://www.vishay.com/docs/91054/91054.pdf , http://www.redrok.com/MOSFET_IRF740_400 ... TO-220.pdf) как экстремально дешевый вариант удовлетворяющий желаемой мощности. Не будем останавливаться на том что применение IRF740 не даст хорошей эффективности, это вообще не входило в рамки задачи.

В качестве опто-развязки использовался оптрон 4N25, между микроконтроллером и входом драйвера. Он тоже внес своё негативное влияние, потому что медленный. Были мысли что этот оптрон как раз тоже сильное влияние внес, но так как под рукой не было других для экспериментов, то вопрос остался открытым.

Присмотрелся драйвер IR2104, тем что он достаточно дёшево стоит, отвечал выбранному схемотехническому решению.
Более того, играет важную роль вопрос доступности, и это самая главная причина, почему не рассматриваются другие драйвера.
До этого, с IR2104 я не имел дел, так что поставленная задача и результат эксперимента как раз был в самый раз. Более того эксперимент проявил много интересного.

Для формирования входного сигнала на IR2104 использовался AVR микроконтроллер, по той причине что предварительно можно было полноценно произвести симуляцию в программе Proteus. А также силовую часть промоделировал в PowerSim.
Что и было сделано:
* написана программа, которая генерировала PWM по закону изменения Sinus через табличные значение, а так же через математическую библиотеку.

Скриншот, промежуточного результата моделирования в PowerSim. В какой то мере законченный простенькой вариант симуляции.
Изображение
Как видно из схемы:
- тут драйвера IR2104 нет, так что этот вопрос остался открытым.

Исследуем что будет на выходе H-Bridge при условии правильно входного воздействия управления на затворы.
Изображение

Как видно, в принципе, в теории, синус генерируемого сигнала должен быть чистым на выходе H-Bridge.

Но интересует - не в принципе, а на практике.
Как говорится - "не в принципе, а в корпусе".

Ну и теперь, нужно посмотреть на выборку из большого количества результатов при практическом исследовании в железе.

Собирается железо, спаивается, проверяется, ... включается!

Прежде, чем включать всё спаянное, на рассчитываемое напряжение/ток, сперва делаем экспериментальную проверку на низком напряжении/токе. Собственно все дальнейшие испытания в этом режиме и проходили.
Для этого намеренно был взят маломощный, гальванически развязанный источник питания на лимит напряжения/тока: 15В/1А.

Теперь:
* все что спаяно, нужно включить вместе и проверить.

Спаянный драйвер IR2104
Изображение

Была смоделирована схема в PowerSim и соответственно по результатам моделирования было видно что синус должен быть чистый. Но так как PowerSim в своей библиотеке не додержит реального драйвера IR2104 даже в первом приближении то предугадать какие именно могут возникнуть проблемы было трудно.
Но грубо говоря, это было ожидаемо, и как раз на практике появилась возможность проверить.

Изображение
* Тут видно что была собрана тестовая схема, на скорую руку, ибо эксперимент не предполагал чего то строго по требованиям.

Изображение
1 - IR2104 драйвер
2 - H-Bridge
3 - LC фильтр
Собственно, дальше в схему будут меняться в основном только параметры LC фильтра и поиск возможных проблем осуществляться на базе полученных выводов.
Для LC фильтра был использован конденсатор согласно расчетам из Proteus & PowerSim.
А вот индуктивность, была намотана "на глаз" на ферритовом кольце диаметром около 40мм и внутренним около 25мм. Так как у меня не было измерителя индуктивности, то по факту, я не знаю какая получилась индуктивность, тем не менее, когда я её изготавливал то предусмотрительно сделал отвод от приблизительной точки 2/3. В Дальнейшем это конечно же помогло.

Изображение
* Подключаем осциллограф и ожидаем увидеть результат моделирования, а точнее на выходе ждём синусоидальный сигнал с минимум искажений.
Но не тут то было, так что это по сути стартовая точка для начала исследования проблем.

Давайте рассмотрим внимательнее
Изображение
Вот тут должен быть чёткий синусоидальной формы сигнал, однако, вместо синуса видно - некоторое подобие.
И вот это то что нужно исправить, но сперва - исследовать и понять природу этого явления.

Изображение
Итак, что тут видно:
на (1) мы видим вместо плавного перехода через нуль резкий скачек.
Забегая на перед - с выхода микроконтроллера, как выяснилось при детальном анализе выходит правильный ЩИМ-синус, так что остается изучить поведение и найти причину.
Снова таки забегая наперед - не было известно какая причина на самом деле.
По этому один из путей поиска проблем был, в рамках теста, подтюнить таблицу синуса, под нагрузочным током для получения правильного синуса. Это на самом дела грязный подход, более того результата не дал.
Второй путь был попробовать поменять параметры LC-фильтра и посмотреть на изменения.
Как выяснилось, помогли оба подхода в комплексе.

Изображение
* Были найдены выпаянные индуктивности (1) с импульсных блоков питания от компьютеров, и протестировано с их использованием
* а также, высоковольтный конденсатор (2) чуть меньше емкости.

Изображение
* Как видно, на (1) появился характерный очерк резонансного поведения, что вызвало у меня бурю удивлений, так как на первый взгляд резонансу тут взяться не от куда. Ну вот это тот самый момент когда мозг начинают реально скрипеть вопрошая "чтозанах".
Разумеется нужно было искать дальше. Как и было написано выше, для локализации природы проблемы, использоваться планировалось 2 подхода.
Из первостепенных выводом можно заметить:
- не видно частоты заполнения ШИМ
- огибающая гладкая, значит фильтр более чем справляется с своей задачей и проблема скорее всего не связана с ним напрямую.
- характерная резонансная составляющая всего в несколько раз выше частоты выходного синуса инвертора.
Так что самое простое - попробовать изменить параметры LC.
И по этой причине начиналось все с изменению индуктивности.

Изображение
* На (1) видно что пробуется иной индуктор.

Изображение
* Как и ожидается, меняется резонансное поведение.
Однако оно остается всё также низкочастотным.

Изображение
* Можно заметить что тут более ярко выражен момент перескакивания через нуль.
Что ж, было решено "давайте попробуем" другие индуктивности.

Изображение
* Установлена индуктивность предположительно с еще более мелким значением.

Изображение
* Результат в данном случае просто превосходен по полученной осциллограмме, так как на нем больше информации из видимых огибающих, а точнее, видно что возле точек нуля почти что нет снижения амплитуды размаха. А ведь это и есть основная суть проблемы.
* ЭТУ мысли главное запомнить.

Изображение
* Пробуем менять другие значения элементов фильтра...

Изображение
* Проверяем результат.
* По сути - это мы уже проходили.

Изображение
* Возвращаемся к нашему любимому самодельному индуктору и пробуем изменить индуктивность на другом отводе, где маленькое значение.

Изображение
* И ву-а-ля!
* Вот тут то мысль и пришла, и стало ясно в чём причина.

Изображение
Давайте рассмотрим детальнее.

На выделенных областях видно что есть скачек, и благодаря высокочастотному характеру паразитного резонанса видно, что проблема вся из-за того что, на выходе драйвера IR2104 формируется откровенный скачок, по той причине что, IR2104 драйвер то сам по себе медленный - Deadtime (typ.) 520 ns.
То есть, у него большое значение минимального проводимого импульса, и кроме того он еще имеет собственную задержку, довольно большую - ton/off (typ.) 680 & 150 ns. Более того ton Turn-on propagation delay может достигать значения 820 ns. А это приводит к тому что формируемый через ШИМ синус на участке возле нуля имеет очень малую длительность, которая просто съедается драйвером и по сути там фальшивые длительности импульсов. Но потом, просто меняется временной квант участка работы всей H-Bridge схемы, и управление снимаясь, меняется на другой драйвер. Из за этой природы скачка - получается такой артефакт, что в свою очередь наводит на вывод.
* Если хочется использовать дешевый IR2104 - то нужно использовать низкочастотный ШИМ.
* Если хочется получить более качественный синус - нужно использовать более быстрый драйвер.

В качестве альтернативы я сейчас планирую провести аналогичный эксперимент с IR2110, который на порядок быстрей, хотя и дороже. Тем не менее он намного чаще используется в решениях под которое делается эксперимент.

Теперь об одном моменте который выше не упоминался, но он безусловно тоже присутствует, и хоть в значительно меньшей мере, но тоже проявляется. Это конечно же транзисторы используемые в H-Bridge. У этих транзисторов td(on) Turn-on delay time = 17 ns, что намного быстрее задержки драйвера, поэтому намеренно упускается возможное влияние на такое поведение. Исходя из предположения о том что негативное влияние такая задержка тоже внесет, но на более низком к нулю участку напряжений.

Вроде всё описал, что вспомнил из того что было.

_________________
* Ceci tuera cela.
* Теория и практика иногда сталкиваются. Когда это случается, теория проигрывает. Всегда." (C) Linus Torvalds.


Вернуться наверх
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Применение драйвера IR2104, поиск причины кривого синуса
СообщениеДобавлено: Пт июн 19, 2015 12:33 pm 
Не в сети
Звание: Професор
Аватар пользователя

Зарегистрирован: Вт апр 10, 2007 8:13 am
Сообщений: 3064
Откуда: Харьков
Какая частота ШИМ использовалась?

_________________
Молчание — знак нежелания выражать несогласие.


Вернуться наверх
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Применение драйвера IR2104, поиск причины кривого синуса
СообщениеДобавлено: Пн июн 22, 2015 7:46 am 
Не в сети
Site Admin
Аватар пользователя

Зарегистрирован: Вс апр 08, 2007 11:00 pm
Сообщений: 6358
Откуда: KHARKOV or KIEV
Использовалось несколько частот, на 32кГц и пробовалось на 4кГц.
Но в основном только 32кГц ибо на 4кГц слишком велик звон. Для устранения звона на 4кГц нужно пропорционально больше индуктор, а это цена, так что это лишь была проба ради эксперимента.
Причем, на сколько мне помнится, пробовалось и на 16кГц, но там с извратами, так как готовый PWM у atMega128 не имеет пред-делителя чтоб получилась такая частота.
А сам выходной синус планировался на около 50Гц, но это не была основная цель, ибо стабильность 50Гц это уже алгоритмика стабилизации частоты и управления.

_________________
* Ceci tuera cela.
* Теория и практика иногда сталкиваются. Когда это случается, теория проигрывает. Всегда." (C) Linus Torvalds.


Вернуться наверх
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Применение драйвера IR2104, поиск причины кривого синуса
СообщениеДобавлено: Пн июн 29, 2015 1:19 am 
Не в сети
Site Admin
Аватар пользователя

Зарегистрирован: Вс апр 08, 2007 11:00 pm
Сообщений: 6358
Откуда: KHARKOV or KIEV
поднял историю, тактовая была 8МГц
Частота ШИМ - 8000000/(1*256) = 31250 Гц
ну и делители у аврки не такие уж и гибкие
Изображение

_________________
* Ceci tuera cela.
* Теория и практика иногда сталкиваются. Когда это случается, теория проигрывает. Всегда." (C) Linus Torvalds.


Вернуться наверх
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Применение драйвера IR2104, поиск причины кривого синуса
СообщениеДобавлено: Пн июн 29, 2015 1:42 am 
Не в сети
Звание: Професор
Аватар пользователя

Зарегистрирован: Вт апр 10, 2007 8:13 am
Сообщений: 3064
Откуда: Харьков
То есть длительность импульса при минимальной скважности — 32 мкс, а задержка драйвера — меньше 1 мкс, поэтому не совсем понятна причина такого поведения.

_________________
Молчание — знак нежелания выражать несогласие.


Вернуться наверх
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Применение драйвера IR2104, поиск причины кривого синуса
СообщениеДобавлено: Пн июн 29, 2015 3:06 am 
Не в сети
Site Admin
Аватар пользователя

Зарегистрирован: Вс апр 08, 2007 11:00 pm
Сообщений: 6358
Откуда: KHARKOV or KIEV
32 мкс это расстояние между импульсами, но сами импульсы то имеют изменяемую длительность, от 0(мин) до 32(макс) мкс с шагом 1/256. Поведение получается из-за того что, получаются узкие по времени импульсы которые проглатываются инертностью драйвера(он тупо не успевает среагировать) и скоростью срабатывания переключения у транзистора(не успевает открываться-закрываться). При переходе через ноль, и через несколько пропущенных(которые должны присутствовать) резко появляются. То есть, пока длительности уменьшаются, происходит плавное снижение напряжения. А вот когда время длительности более времени срабатывания всей цепи - драйвер+транзистор, из-за резкого появления тока на выходе транзисторов, происходит бросок тока с всеми последующими переходными явлениями.

_________________
* Ceci tuera cela.
* Теория и практика иногда сталкиваются. Когда это случается, теория проигрывает. Всегда." (C) Linus Torvalds.


Вернуться наверх
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Применение драйвера IR2104, поиск причины кривого синуса
СообщениеДобавлено: Вт июн 30, 2015 12:51 am 
Не в сети
Звание: Професор
Аватар пользователя

Зарегистрирован: Вт апр 10, 2007 8:13 am
Сообщений: 3064
Откуда: Харьков
А, т.е. 31250 Гц — это частота следования фронтов, а не частота инкремента счетчика. Тогда да, минимальная длительность импульса получается 125 нс, что маловато. К тому же, чтобы к драйверу приходило что-то хоть немного похожее на прямоугольник, полоса пропускания канала управления должна быть хотя бы раза в три выше, т.е. 24 МГц.
Думаю, можно смело использовать предделитель на 8, при котором минимальная длина импульса составит как раз 1 мкс, а частота следования — почти 4 кГц. LC-фильтр сможет подавить основную гармонику ШИМ на 60-70 дБ.

_________________
Молчание — знак нежелания выражать несогласие.


Вернуться наверх
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Применение драйвера IR2104, поиск причины кривого синуса
СообщениеДобавлено: Вт июн 30, 2015 12:53 am 
Не в сети
Звание: Професор
Аватар пользователя

Зарегистрирован: Вт апр 10, 2007 8:13 am
Сообщений: 3064
Откуда: Харьков
Вообще, частоту ШИМ выбирать нужно исходя из допустимого уровня высокочастотных гармоник в выходном сигнале.

_________________
Молчание — знак нежелания выражать несогласие.


Вернуться наверх
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Применение драйвера IR2104, поиск причины кривого синуса
СообщениеДобавлено: Вт июн 30, 2015 3:39 am 
Не в сети
Звание: Професор
Аватар пользователя

Зарегистрирован: Вт апр 10, 2007 8:13 am
Сообщений: 3064
Откуда: Харьков
Хорошо под пиво теоретизировать :) Далее выводы.
Есть три параметра: частота ШИМ, допустимая нелинейность выходного напряжения, допустимые массо-габаритные параметры LC-фильтра. Зафиксируйте два их них, и можно рассчитать третий.
Частота ШИМ, исходя из результатов эксперимента Стаса, ограничена сверху скоростью срабатывания драйвера и ключей. Для минимизации двух остальных параметров следует установить максимально возможную частоту, при которой драйвер и ключи будут работать нормально. Допустим, это достижимо при минимальной длительности импульса в 1 мкс, т.е. частота ШИМ около 4 кГц (для 8 МГц AVR с предделителем 1/8).
Далее, предположим, что допустимый уровень основной гармоники ШИМ не должен превышать 5%. То есть подавить ее по отношению к основной частоте нужно как минимум на 26 дБ. LC-фильтр имеет спад АЧХ 40 дБ/декаду. Таким образом, частота среза, которая задавится на 26-3 = 23 дБ, должна быть около 300 Гц. От нее можно рассчитывать параметры LC-фильтра.
Произведение L*C должно быть около 1/(2*pi*300)^2 = 2.8*10^-7. То есть при конденсаторе, например, 10 мкФ индуктивность должна быть около 30 мГн. Ну или при 20 мкФ 15 мГн и т.д.
Рассчет очень приблизительный, но позволяет прикинуть порядок номиналов для фильтра при указанных характеристиках. Если, конечно, нигде грубо не ошибся.

_________________
Молчание — знак нежелания выражать несогласие.


Вернуться наверх
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Применение драйвера IR2104, поиск причины кривого синуса
СообщениеДобавлено: Вт июн 30, 2015 1:28 pm 
Не в сети
Site Admin
Аватар пользователя

Зарегистрирован: Вс апр 08, 2007 11:00 pm
Сообщений: 6358
Откуда: KHARKOV or KIEV
dimich писал(а):
А, т.е. 31250 Гц — это частота следования фронтов, а не частота инкремента счетчика. Тогда да, минимальная длительность импульса получается 125 нс, что маловато. К тому же, чтобы к драйверу приходило что-то хоть немного похожее на прямоугольник, полоса пропускания канала управления должна быть хотя бы раза в три выше, т.е. 24 МГц.
Думаю, можно смело использовать предделитель на 8, при котором минимальная длина импульса составит как раз 1 мкс, а частота следования — почти 4 кГц. LC-фильтр сможет подавить основную гармонику ШИМ на 60-70 дБ.

dimich писал(а):
Вообще, частоту ШИМ выбирать нужно исходя из допустимого уровня высокочастотных гармоник в выходном сигнале.

Можно, и я об этом же как раз и писал. Но, мне не нужно было 4кГц, а нужно было выше 22кГц, а там только от те самые 31кГц, ну и как результат это целевая частота.
Есть такое важное понятие в конверторах/инверторах как sound-noise, на 4 кГц индуктор звенит так сильно что уши закладывает. Этот звон имеет природу происхождения от качества намотки индуктора. Если посмотреть на него - то видно что там ручная намотка "на скорую руку". Так что акустический шум сильный. То-есть, от такого звука, точнее даже писка, дискомфорт полнейший.
Это основная причина.
Есть конечно и явные плюсы для 4кГц, но было выбрано 31кГц не просто так. :)

dimich писал(а):
Хорошо под пиво теоретизировать :) Далее выводы.
Есть три параметра: частота ШИМ, допустимая нелинейность выходного напряжения, допустимые массо-габаритные параметры LC-фильтра. Зафиксируйте два их них, и можно рассчитать третий.
Частота ШИМ, исходя из результатов эксперимента Стаса, ограничена сверху скоростью срабатывания драйвера и ключей. Для минимизации двух остальных параметров следует установить максимально возможную частоту, при которой драйвер и ключи будут работать нормально. Допустим, это достижимо при минимальной длительности импульса в 1 мкс, т.е. частота ШИМ около 4 кГц (для 8 МГц AVR с предделителем 1/8).
Далее, предположим, что допустимый уровень основной гармоники ШИМ не должен превышать 5%. То есть подавить ее по отношению к основной частоте нужно как минимум на 26 дБ. LC-фильтр имеет спад АЧХ 40 дБ/декаду. Таким образом, частота среза, которая задавится на 26-3 = 23 дБ, должна быть около 300 Гц. От нее можно рассчитывать параметры LC-фильтра.
Произведение L*C должно быть около 1/(2*pi*300)^2 = 2.8*10^-7. То есть при конденсаторе, например, 10 мкФ индуктивность должна быть около 30 мГн. Ну или при 20 мкФ 15 мГн и т.д.
Рассчет очень приблизительный, но позволяет прикинуть порядок номиналов для фильтра при указанных характеристиках. Если, конечно, нигде грубо не ошибся.

На самом деле параметров намного больше, и они меняются в зависимости от цели.
Что касается гармоник, тоже не все так просто, ибо они зависят еще и от величины нагрузки, фильтр не устраняет всё. Если посмотреть на величину индуктора в симуляторе, то выбрана величина 200мкГн.

_________________
* Ceci tuera cela.
* Теория и практика иногда сталкиваются. Когда это случается, теория проигрывает. Всегда." (C) Linus Torvalds.


Вернуться наверх
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Применение драйвера IR2104, поиск причины кривого синуса
СообщениеДобавлено: Вт июн 30, 2015 10:55 pm 
Не в сети
Звание: Професор
Аватар пользователя

Зарегистрирован: Вт апр 10, 2007 8:13 am
Сообщений: 3064
Откуда: Харьков
idea писал(а):
Есть такое важное понятие в конверторах/инверторах как sound-noise, на 4 кГц индуктор звенит так сильно что уши закладывает. Этот звон имеет природу происхождения от качества намотки индуктора. Если посмотреть на него - то видно что там ручная намотка "на скорую руку". Так что акустический шум сильный. То-есть, от такого звука, точнее даже писка, дискомфорт полнейший.
Это основная причина.

Действительно, про звук-то я и не подумал :)

idea писал(а):
На самом деле параметров намного больше, и они меняются в зависимости от цели.

Ну да, для реального устройства — стоимость, КПД и т.д.

idea писал(а):
Что касается гармоник, тоже не все так просто, ибо они зависят еще и от величины нагрузки, фильтр не устраняет всё. Если посмотреть на величину индуктора в симуляторе, то выбрана величина 200мкГн.

И от характера нагрузки тоже. Но все это для реального устройства с ненулевым выходным сопротивлением. Я же рассуждаю для идеального теоретического случая, где остальными параметрами можно пренебречь.

_________________
Молчание — знак нежелания выражать несогласие.


Вернуться наверх
 Профиль  
 
 Заголовок сообщения: Re: Experiment: Драйвер IR2104, поиск причины кривого синуса
СообщениеДобавлено: Пн сен 14, 2015 8:22 pm 
Не в сети
Site Admin
Аватар пользователя

Зарегистрирован: Вс апр 08, 2007 11:00 pm
Сообщений: 6358
Откуда: KHARKOV or KIEV
Кстати, забыл написать, щас обновил.
"В качестве опто-развязки использовался оптрон 4N25, между микроконтроллером и входом драйвера. Он тоже внес своё негативное влияние, потому что медленный. "

Потом уже после того эксперимента купил 4N37, он намного быстрее и тоже дешевый.
Но, я его не испытывал в этой связке. В новом изделии лабораторной установки как раз его и планирую протестировать.

_________________
* Ceci tuera cela.
* Теория и практика иногда сталкиваются. Когда это случается, теория проигрывает. Всегда." (C) Linus Torvalds.


Вернуться наверх
 Профиль  
 
Показать сообщения за:  Сортировать по:  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 12 ] 

Часовой пояс: UTC + 2 часа


Кто сейчас на форуме

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 1


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Найти:
Перейти:  
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group
Русская поддержка phpBB