[Geymur 0]

Доброго всем дня.

Стоит задача разработки блока электронных нагрузок. 80 каналов, +/- 30 В, +/- 300 mA. Говоря по иному, 80 маломощных четырехквадрантных источника напряжения/тока.

Очень хочется сделать прибор максимально компактным и холодным. (предыдущая версия изделия не имела ограничений по габаритам и рассеиваемой мощности, поэтому бвла сделана просто на резисторах).

Думал думу долго. Коллеги пытались убедить, что против физики ничего не сделаешь. Но, не давал покоя источник-измеритель NI-4130 (попал в руки в другом проекте, но снять схему нельзя. Опечатан заказчиком). Этот источник, при размере 1 платы PXI (~PCI карта PC) обеспечивал до +/- 20В 2А (с внешним адаптером 12В) и 0.5 А от PXI. И все это с учетом точности в доли микроампера и милливольты. Плюс мост PXI и ПЛИС!

Значит, можно!

В итоге, пришел к схеме с полумостом (как в усилителе класса D), дросселем и ШИМ управлением. Питание двухполярное. Управление - Spartan6. В записимости от требований, ток или вытекает из источника определенной полярности, либо втекает в него.

Поручил разработку сотруднику, который ее успешно выполнил. Получился блок на 36 каналов. В каждом - изолированный драйвер полумоста, два полевика, дроссель, конденсатор и цепи измерения напряжения и тока. Единый мощный двухполярный источник все это питает. В ПЛИС собраны индивидуальные ШИМ контроллеры и следящие цифровые схемы управления (информация о напряжении и токе преобразуется АЦП в цифру). Собрали и начали испытывать. В квадрантах 1 и 4 (источник положительного или отрицательного тока) - работает прекрасно. Выдает и плюс и минус. Цифровые цепи коррекции ОС творят чудеса!

Но, о ужас, стоит подключить к выходу источник напряжения (перейти в квадранты 2 или 3), мгновенно сгорает Gate Driver. Пока выясняли, штук пять порешили...

Объяснилось все просто - неконтроллируемое увеличение напряжения питания в ненагруженном плече. Если, к примеру, нагружаем положительным источником, отрицательный забирает ток, а положительный - получает ток размагничивания дросселя. Источники питания понижающие. При увеличении (извне) выходного напряжения, они просто запираются, а конденсатор фильтра собирает лишнюю энергию. Положительная рельса поднимается и убивает драйвер (иногда с транзистором впридачу).

Стали думать, что делать. Нагрузить источники TVS и резистором? Теряется смысл затеи. Они будут греться. Коммутировать в общий провод вместо источника? Сильно усложняет схему (4 полевика, 2 драйвера,выход управления переключением квадрантов).

Ничего не надумав и не имея больше времени, сгородили по простому - линейный источник/приемник тока на 2 полевиках и операционниках. Для отвода тепла прицепили сверху большой радиатор.

Вроде как вывернулись. Но обида осталась. Осталась и дорогущая плата (на стене висит, в назидание).

Головой понимаю, что паразитный индуктивный выброс хорошо бы направить в нагруженный источник. В данном случае, отрицательный. Он нагружен и конденсаторы не перезарядятся. Но вот как это сделать? Не наворачивая еще десяток транзисторов, драйверов и каналов управления?

//была мысль подключить конденсатор между средней точкой моста и питаниями через диоды. Если средняя точка выше положительной рельсы, диод открывается и заряжает конденсатор. Когда средняя точка уходит в минус, открывается второй диод и разряжает конденсатор в отрицательную рельсу. Идея показалась мне здравой. 2 диода (вернее, как оказалось 4, т.к. нужно еще блокировать диод полевика), конденсатор. И автоматически работает во всех квадрантах. Но, макетирование показало очень малую эффективность.

Индукционный выброс сильнее конденсатора.

Сейчас думаю над трансформатором вместо дросселя. Как коммутировать пока не придумал.

Информации в сети очень мало. Видимо, задача специфическая. Может кто-то решал? Или есть идеи?

Изменено 12 февраля, 2020 пользователем Geymur

[HardEgor 62]

26 минут назад, Geymur сказал:

Информации в сети очень мало. Видимо, задача специфическая. Может кто-то решал? Или есть идеи?

Я так понял вам просто энергию девать некуда - сжигайте на резисторах в тепло или заряжайте аккумулятор или  сливайте в сеть.

[Geymur 0]

17 minutes ago, HardEgor said:

Я так понял вам просто энергию девать некуда - сжигайте на резисторах в тепло или заряжайте аккумулятор или  сливайте в сеть.

Да. Энергию некуда девать. И, не хочется ничего греть (сжигать на резисторах), аккумулятор в системе не предусмотрен, а к сети не добраться напрямую.

Хотелось бы сжечь энергию на внутренних сопротивлениях импульсных источников. Нагрузить плюс минусом (в одном полупериоде) и отдать обратно в минус (в другом).

Изменено 12 февраля, 2020 пользователем Geymur

[Plain 166]

Не понял, про какой индуктивный выброс речь, потому что работа во 2-м и 4-м квадрантах — это натурально электронная нагрузка, т.е. само собой постоянная, и в данном случае 80 шт. · 9 Вт = 720 Вт, следовательно, изначально должен был предполагаться обратимый сетевой БП, чтобы сливать всё туда, который прекрасно гуглится словами "bidirectional power supply" — ну это просто синхронный ККМ, т.е. вместо диодов входного моста транзисторы, а далее развязывающий электронный трансформатор, тоже обратимый, т.е. синхронный — с обеих сторон не диоды, а транзисторы.

[Geymur 0]

8 minutes ago, Plain said:

Не понял, про какой индуктивный выброс речь, потому что работа во 2-м и 4-м квадрантах — это натурально электронная нагрузка, т.е. само собой постоянная, и в данном случае 80 шт. · 9 Вт = 720 Вт, следовательно, изначально должен был предполагаться обратимый сетевой БП, чтобы сливать всё туда, который прекрасно гуглится словами "bidirectional power supply" — ну это просто синхронный ККМ, т.е. вместо диодов входного моста транзисторы, а далее развязывающий электронный трансформатор, тоже обратимый, т.е. синхронный — с обеих сторон не диоды, а транзисторы.

Спасибо! Мысль не дурна! Сеть-выпрямитель-мост-трансформатор-мост-мои полумостовые регуляторы. Симметричный БП один на все каналы. У платы на стене есть еще шанс пожить!

Нужно только управление для входных мостов какое-то придумать. 

[majorka65 1]

https://www.youtube.com/watch?v=yzFjyZKOhVs

двунаправленный DC/AC. DC - два квадранта, AC - четыре. Для Вашего случая клеммы AC - нагрузка, при любой полярности напряжения любая полярность тока. DC - например, аккумулятор, может быть источником напряжения или тока любой полярности, а может заряжаясь от любой полярности забирать любой величины ток.

Изменено 12 февраля, 2020 пользователем majorka65

[Plain 166]

9 минут назад, Geymur сказал:

Сеть-выпрямитель-мост-трансформатор-мост

Электросеть 50 Гц ↔ фильтр ↔ конденсатор плёночный ↔ дроссель ККМ ↔ 4 транзистора ↔ конденсатор ККМ ↔ 4 транзистора ↔ трансформатор ↔ 4 транзистора ↔ конденсатор.

 

Выход, разумеется, не защищённый от КЗ, грубо стабилизированный, и даёт пульсирующее с частотой 100 Гц напряжение.

[_gari 4]

2 hours ago, Geymur said:

Но обида осталась. Осталась и дорогущая плата (на стене висит, в назидание).

Не знаю что у вас там  за дорогущая плата, а в рознице вашему источнику по ТЗ и 300 тыс. не слишком большая цена.

[perfect 0]

С железным трансформатором и аккумулятором примерно так может быть?

[Geymur 0]

15 hours ago, _gari said:

Не знаю что у вас там  за дорогущая плата, а в рознице вашему источнику по ТЗ и 300 тыс. не слишком большая цена.

Вопрос не в цене. Любая бесполезная плата дорогущая! Ибо прибыль за нее не получена.

 

[Geymur 0]

Появилась одна мысль. А если снабдить все каналы общим рекуператором (см. рис).

Без нагрузки, VT3,4 перемагничивают L2 в землю. Отдельный ШИМ поддерживает симметрию.

Если один из источников начинает подниматься, симметрия меняется и L2 начинает перекачивать излишнюю энергию в нагруженный источник.

Как Вам такое решение? Не глупость придумал?

[Plain 166]

48 минут назад, Geymur сказал:

одна мысль

Манипуляция энергией внутри коробки будет работать, если в сумме она отдаваемая.

[Geymur 0]

11 minutes ago, Plain said:

Манипуляция энергией внутри коробки будет работать, если в сумме она отдаваемая.

Ну, я рассуждаю так (допустим, нагружаем положительный источник фиксированным током. Назовем его DUT).

Открывается VT2. Ток из DUT намагничивает L1 в отрицательный источник -12В. Источник -12В нагружен.

Открывается VT1. Часть энергии L1 уходит в +36В, часть, через паразитный диод VT1 заряжает C1. Отсюда и повышение напряжения в +36.

VT3,VT4,  до того просто симметрично перемагничивали L2. Возрастание напряжения в +36 увеличит энергию намагничивания L2. Пропорционально возрастет и энергия размагничивания. В -12 пойдет из L2 дополнительная энергия. То есть, энергию, которую мы взяли из -12 мы вернем обратно. Вопрос только, куда денется энергия из DUT...

[Plain 166]

Ещё раз. Манипуляция энергией внутри пресловуто дорого висящей на стене платы будет работать, если все её 36 каналов в сумме будут источником питания, т.е. суммарный ток больше нуля, а если в сумме они окажутся электронной нагрузкой, принимаемую энергию надо куда-то сливать.

[majorka65 1]

Plain, обращусь к Вам, раз топикстартер игнорирует меня. Согласны с тем, что двунаправленный разночастотный AC/AC  сложнее чем двунаправленный DC/AC?

Изменено 13 февраля, 2020 пользователем majorka65