Все таки решил добавить еще одну статью в цикл, внеплановую. Давайте рассмотрим один практический пример нестандартного использования супрессоров, который предложил читатель. Пример кажется обманчиво простым. И рассматривать его мы будем не только с точки зрения супрессора.
Мы начнем рассмотрение с классического примера, буквально сошедшего со страниц учебников. Я понимаю, что для многих читателей это покажется скучным. Но для новичков и тех, кто основательно забыл физику и электротехнику, такой подробный анализ будет очень полезен. Ну а тем, кто это и так знает, просто посоветую промотать статью до момента появления в модели супрессора.
Предложенный читателем пример
Имеется катушка с индуктивностью 1 Гн и сопротивлением 12.5 Ом. Один вывод катушки заземлен, второй соединен с ключем, который с частотой 2 Гц подключает этот вывод к источнику напряжения 25 В. То есть, рассматривая цепь выглядит так
Наша катушка (обведена пунктиром) состоит из идеальной катушки Lк (сопротивление равно 0) и резистора Rк с сопротивлением равным сопротивлению реальной катушки. Для полноты картины можно добавить конденсатор, который будет учитывать собственную емкость катушки. Но поскольку в условиях задачи про это не говорится, обойдемся без конденсатора.
Нам не важно, что именно из себя представляет реальная катушка катушка, но мы будем считать, что ее индуктивность не зависит от протекающего тока. Так же будем считать, что у нас нет внешних магнитных полей. Нам не важно, что из себя представляет ключ, но будем считать переходное сопротивление его контактов пренебрежимо малым.
Примем, что времена замкнутого и разомкнутого состояний ключа равны. Примем, что при работе ключа не возникает искры. Примем, что внутреннее сопротивление источника напряжения пренебрежимо мало, по сравнению с сопротивлением катушки.
Что здесь может быть интересного? Ведь это просто классический пример из учебника физики или электротехники! Что бы стало гораздо интереснее, в схему добавлен TVS диод с напряжением пробоя 39 В. Причем этот диод двунаправленный. Нам скоро станет понятно, почему потребовался именно такой.
Задача обманчиво проста - подобрать супрессор, который можно использовать в этой цепи. Почему используется супрессор, а не обычный диод? Для этого есть две причины. Первая, ограничиваемый супрессором выброс напряжения отрицательной полярности используется как сигнал контроля отключения катушки (электромагнита). Вторая, сокращается время рассеивания накопленной в катушке энергии.
Таким образом, пример стал не только более интересным, но и имеющим прямое отношение к теме цикла. Мы будем использовать моделирование, так как это нагляднее.
Начинаем моделирование. Классический вариант
Но моделировать мы начнем с самого классического случая. То есть, когда в цепи используется не супрессор, а обычный диод. Не смотря на кажущуюся тривиальность ситуации это нам понадобится чуть позже.
Для моделирования будет использоваться MPLAB Mindi. Я уже много раз использовал эту программу в статьях канала. Моделировать будем в режиме SIMetrix, который удобнее для анализа подобных схем. Наша модель будет выглядеть так
Для тех, кто не читал другие статьи канала, немного поясню модель. Источник постоянного напряжения V1 соответствует источнику питания Е нашей цепи. Ключ S1 управляемый, соответствует ключу SW. Источник прямоугольных импульсов V2 используется для управления ключем S1. Параметры сигнала управления показаны снизу. Диод D1 обеспечивает протекание тока катушки при размыкании ключа, это классический вариант. Использована модель диода 1N5400. Модель реальной катушки состоит из идеальной катушки L1 и резистора R1.
Для отображения процессов в модели используется три пробника, три виртуальных щупа:
- Токовый пробник Probe_I используется для измерения тока, протекающего через ключ
- Токовый пробник Probe_Ivd используется для измерения тока через диод
- Пробник напряжения (дифференциальный) Probe Ul используется для измерения напряжения на модели реальной катушки
Для токовых пробников стрелка показывает направление протекания тока, которое принято за положительное. Полярность пробника напряжения так же показана.
Результат моделирования совершенно очевиден и кажется сошедшим со страниц учебника
Синяя кривая показывает ток через ключ. Как и ожидалось, ток плавно нарастает во время замкнутого состояния ключа стремясь к значению 2 А. Однако, он успевает достичь лишь примерно 1.9 А за 250 мс, в течении которых ключ замкнут. Ток через разомкнутый ключ не протекает.
Зато при размыкании ключа начинает протекать ток через диод, что показано зеленой кривой. Начальное значение тока через диод равно току через катушку в момент размыкания ключа. В нашем случае это те же самые 1.9 А. Токе плавно спадает, пока диод остается открытым. Когда напряжение на диоде снижается до 0.6 В он закрывается.
Красная кривая показывает напряжение на катушке. В полном соответствии с нашими ожиданиями, при замкнутом ключе напряжение равно 25 В, а при разомкнутом 0.6 В из-за диода D1.
Поскольку время замкнутого состояния ключа равно времени разомкнутого состояния, накопленная в магнитном поле катушки энергия успевает практически полностью рассеяться. Просто диод и ключ имеют разные параметры сопротивления в проводящем состоянии.
Сокращаем время рассеивания накопленной в катушке энергии
Что делать, если нам нужно сократить время рассеивания накопленной в магнитном поле катушки энергии? Это может показаться парадоксальным, для тех, кто забыл физику, но достаточно включить последовательно с диодом резистор. Постоянная времени RL цепи
τ = L / R
тем меньше, чем выше сопротивление в цепи. Давайте включим в нашу модель, последовательно с диодом еще один резистор с сопротивлением равным сопротивлению катушки. Я не буду приводить схему модели, так как она мало отличается от приведенной ранее. Результат моделирования, тоже совершенно очевидный и ожидаемый, наглядно покажет, как изменились процессы в цепи
Пунктирными линиями показаны токи и напряжения без дополнительного резистора, наша старая модель. Как и ожидалось, график тока в цепи (ток через ключ) нисколько не изменился. А вот график тока через диод наглядно показывает, что время рассеивания энергии катушки действительно уменьшилось. При этом максимальное значение тока через диод не изменилось и по прежнему равно току через катушку в момент размыкания ключа.
На графике напряжения на катушке появился выброс отрицательной полярности, которого в предыдущей модели (без дополнительного резистора) не было. Форма кривой выброса повторяет форму тока через диод, а максимальная амплитуда равна
Umax = Ivs * Rдоп
В нашем случае, амплитуда выброса равна напряжению источника питания V1, так как сопротивление дополнительного резистора равно сопротивлению катушки.
Этот отрицательный выброс можно использовать для контроля отключения катушки, что прямо фигурирует в условиях задачи читателя. Казалось бы, в использовании супрессора действительно нет необходимости. Выбор диода проблем не создает, а рассеиваемая на нем мощность мала. Подавляющая часть мощности рассеивается на дополнительном резисторе, который не трудно сделать достаточно мощным. Но не все так просто.
Включаем в модель супрессор
При использовании катушки с точно оговоренными параметрами проблем действительно нет. Амплитуду отрицательного выброса можно задать дополнительным резистором. Но что будет, если могут использоваться разные катушки, с разной индуктивностью и сопротивлением? Предположим, что это какое-то устройство, к которому могут подключаться разные катушки в процессе эксплуатации. Например, разные исполнительные механизмы с электромагнитами.
Мы можем выбрать дополнительный резистор и диод исходя из наихудшего случая. Но могут возникнуть сложности с обеспечением малого времени рассеивания. И у нас будет разная амплитуда отрицательного выброса, так как она определяется, в том числе, током в момент размыкания ключа. Она может как быть недостаточной для работы схемы контроля отключения катушки, так и слишком большой, что приведет выходу из строя других компонентов устройства.
Поэтому нам не подходят классические варианты, какими бы распространенными и популярными они не были. Но нам может помочь супрессор. Правда сразу появляется еще одна проблема, так как супрессоры не предназначены для работы в таком режиме. Но об этом чуть позже. Теперь наша модель будет такой
Поскольку ток через ключ для нас не очень интересен, я убрал один токовый пробник. Кроме того, и это самое главное, вместо диода включен двунаправленный супрессор, который за неимением готовой модели компонента, собран из двух однонаправленных. BZD27 достаточно маломощный, но нас он устраивает в модели (но не в реальном устройстве!) для качественной оценки процессов. А теперь результаты
Время рассеивания еще больше сократилось, а форма заднего фронта (спадающего) уже далека от привычной экспоненты. Дело в том, что напряжение на супрессоре в данном случае выше, чем в ранее рассмотренном случае с диодом и дополнительным резистором, поэтому и время рассеивания уменьшилось. Кроме того, мы теперь не можем говорить неизменной постоянной времени цепи, так как дифференциальное сопротивление супрессора зависит от тока. Поэтому график гораздо ближе к прямой.
Амплитуда отрицательного выброса заметно возросла, так как напряжение ограничения у выбранного супрессора выше. Читатель использовал супрессор с Ubr=39 В, поэтому и для модели выбран с таким же напряжением срабатывания. Как мы выдели в третьей статье цикла
напряжение Uc при токе Ipp всегда выше Ubr. Это хорошо видно и в нашем случае, так как амплитуда отрицательно выброса достигает без малого -60 В. Далее амплитуда начинает уменьшаться, так как ток через супрессор спадает. А вот потом начинается самое интересное, для нас. При напряжении примерно -39 В супрессор закрывается. При этом на графике напряжения виден выброс, уже положительный, который меньше напряжения питания схемы. Вот как выглядит это выброс
Откуда взялся этот дополнительный паразитный выброс? Вспомним, что супрессор закрылся при снижении напряжения на нем меньше Ubr, при этом ток через него был отличен от 0. То есть, у нас опять ситуация с прерыванием тока через катушку индуктивности, только теперь это связано с супрессором, а не ключем. Мы не стали задавать емкость катушки, но супрессор тоже обладает емкостью, мы это рассматривали в предыдущих статьях. Вот эта емкость и образует колебательный контур с катушкой. Поэтому мы и видим колебательный затухающий процесс. Причина затухания кроется в отличном от нуля активном сопротивлении катушки (мы учли его резистором R1).
Теперь давайте посмотрим, как повлияет на процессы в схеме изменение параметров катушки. Уменьшим ее сопротивление до 8 Ом и индуктивность до 0.8 Гн. Вот результат
Как видно, характер процессор остался практически неизменным. Увеличилась амплитуда импульса тока через супрессор (до 2.9 А), что привело и к увеличению амплитуды отрицательно выброса (до 69 В). Время рассеивания практически не изменилось. То есть, схема с супрессором действительно менее чувствительна к изменению параметров катушки.
Пытаемся выбрать супрессор
Напряжение Ubr уже выбрано читателем. Но если оно не задано в условиях задачи, мы можем выбрать его исходя из допустимого перенапряжения. Максимальный ток через супрессор, исходя из условий задачи и результатов моделирования (расчета) равен 1.9 А, округлим до 2 А. Подойдет практически любой супрессор с мощностью не менее 120 Вт? Не спешите с ответом...
Вспомним, что параметры допустимого тока и мощности для супрессоров приводятся для определенных стандартных временных параметров импульсов. Давайте посмотрим, какие параметры у наших импульсов
И сразу видим, что время нарастания тока очень мало, гораздо меньше типовых 10 мкс. Причина проста, ключ закрывается очень быстро. Во всяком случае, в нашей модели. Реальный транзисторный ключ будет иметь конечную скорость закрывания зависящую от используемого транзистора. Но это время все равно будет меньше 10 мкс в большинстве случаев. Кроме того, длительность импульса на уровне 0.5 для наших импульсов равна примерно 13 мс, что значительно больше 1 мс.
То есть, мы должны учитывать влияние длительности импульса на допустимый токи рассеиваемую мощность. И здесь нас ожидает первое затруднение. Дело в том, что для большинства супрессоров максимальная длительность импульсов на графиках в документации ограничена 10 мс. Вот пример для супрессора 1.5KE39CA
Видно, что для импульса длительностью 10 мс рассеиваемая мощность может достигать 500 Вт, а график выглядит как прямая линия. Можем ли мы просто экстраполировать? Давайте посмотрим, для сравнения, на график для такого же супрессора, но производства ST
Как видно, этот график не только простирается до 100 мс, но и имеет другой вид, совсем не похожий на прямую линию. Кому же верить? Ответ прост - нужно пользоваться документацией именно того производителя, супрессоры которого собираетесь использовать.
В нашем случае, для импульсов длительностью от 1 до 10 мс, разница мала, но для коротких весьма значительна. Мы воспользуемся схожестью графиков для импульсов длительностью более 1 мс. Для импульсов длительностью 13 мс из этих графиков можно найти, что максимальная мощность может достигать примерно 350 Вт. Значит, эти супрессоры нам подходят? Еще раз, не спешите.
Обратите внимание, что эти графики приводятся для одиночных импульсов и для температуры 25 градусов. Причем для не повторяющихся импульсов. То есть, это абсолютный максимум, который не должен повторяться во время всего срока службы. У нас же не одиночные редкие импульсы, а непрерывная серия импульсов. А значит, выделившееся тепло не успеет рассеяться, что приведет к росту температуры супрессора.
Таким образом, нам нужно учитывать еще и зависимость допустимой рассеиваемой мощности от температуры. И снова мы столкнемся с разницей в документации на одноименны супрессоры разных производителей
Обратите внимание, что предельная температура окружающей среды здесь примерно 140 градусов, причем супрессор впаивается в площадки размером 5х5 мм. А вот документация от ST
Здесь уже нет уточнения про монтаж супрессора. Кроме того, вместо температуры окружающей среды указана температура кристалла (175 градусов предел для кремния). Поэтому еще раз скажу, что нужно пользоваться документацией производителя именно используемых компонентов.
Итак, при комнатной температуре наш супрессор может рассеивать до 350 Вт при условии единичных импульсов. У нас амплитуда напряжения в момент размыкания ключа равна 60 В (округленно). Таким образом, максимальный ток может достигать 5.8 А. Для учета влияния температуры это уровень 100%. Но как определить температуру супрессора? А вот тут возникает большая проблема, так как для аналитически мы не можем выполнить тепловой расчет. У нас просто недостаточно данных.
Возникает резонный вопрос, почему бы не использовать для теплового расчета среднюю рассеиваемую мощность и параметры теплового сопротивления? Дело в том, что тепловые сопротивления указываются не всегда. Так для 1.5KE39CA производства Sunmate тепловые сопротивления не указаны, зато указаны параметры площадок платы. А в документации ST тепловые сопротивления указаны, но мы должны еще знать, как именно супрессор устанавливается на плату, так как параметры этих тепловых сопротивлений тоже потребуются для расчета. Поэтому во многих случаях проще определить температуру в экспериментах на натурном макете платы.
Но стоит чуть подробнее рассмотреть и коварство "средних" мощности и температуры.
Чем коварны средняя температура и средняя мощность
Давайте посмотрим, как меняется температура кристалла при работе супрессора в наших нестандартных условиях. Во время протекания тока через супрессор в объеме p-n перехода выделяется тепло. Но часть этого тепла рассеивается в окружающую среду через корпус супрессора, выводы, элементы крепления супрессора в устройстве. Кристалл и корпус супрессора при этом нагреваются. Когда ток через супрессор не протекает тепло только рассеивается. Если во время паузы между импульсами успевает рассеяться не все выделившееся тепло, температура кристалла (средняя) будет расти. При наступлении термодинамического равновесия все выделившееся тепло успевает рассеяться.
Это можно представить так (для термодинамического равновесия)
Да, можно условно сказать, что средняя температура кристалла соответствует средней мощности. Но видно, что колебания температуры вокруг среднего значения могут быть довольно значительными.
Таким образом, средняя температура кристалла, рассчитанная через тепловые сопротивления для средней мощности, может не превышать допустимых значений (175 градусов для кремния), но пиковые значения в момент окончания импульса тока могут оказаться выше допустимого предела.
Так что же делать?
Мы не можем провести тепловой расчет, но мы можем попытаться как то эмпирически определить худший случай задав большой запас по рассеиваемой мощности. А после проверить предположения на натурном макете и при необходимости внести уточнения. В конечном итоге, нам важно сохранение работоспособности с наиболее неблагоприятном случае, а вовсе не точно проведенный расчет.
В обсуждении этой задачи с задавшим вопрос читателем в комментариях я предложил использовать не длительность импульса на уровне 0.5, а полную. Это дает значительный запас, так как большая часть мощности рассеивается в начале импульса тока. Полная длительность импульса у нас примерно 32.5 мс. Для такой длительности предельная (абсолютная) рассеивая мощность одиночного импульса равна примерно 200 Вт (для ST) при комнатной температуре. Это практически "впритык" для нашего случая.
Поэтому стоит выбрать более мощный супрессор, 1500 Вт нам может оказаться недостаточным. Например, может подойти BZW50-39B имеющий мощность 5000 Вт для импульса 10/1000 мкс. При длительности 35 мс допустимая мощность может достигать 600 Вт (при комнатной температуре). А это уже хороший запас, который повышает надежность работы устройства.
В общем случае, имеет смысл использовать наиболее мощный доступный супрессор, который подходит по размерам. Разумеется, без фанатизма, слишком большой запас по мощности не имеет смысла, но значительно удорожает устройство. Вот и BZW50-39B стоит заметно дороже 1.5KE39CA.
Но есть еще один вариант - использовать несколько последовательно включенных супрессоров. Причем можно использовать и однонаправленные. Давайте посмотрим на такой пример
Диод D1 исключает протекание тока через цепочку супрессоров во время открытого состояния ключа. Последовательно включенные диоды D2-D4 образуют эквивалент супрессора с Ubr=39 В, поэтому они выбраны с Ubr=13 В. Посмотрим на результат моделирования
График тока не изменился, что совершенно естественно. График напряжения несколько изменился. Во первых, возросла амплитуда отрицательно выброса, теперь она достигает 68 В. Увы, это неизбежная плата за использование последовательно включенных супрессоров, так как их дифференциальные сопротивления суммируются. Во вторых, уменьшилась амплитуда выброса при закрывании супрессоров. Причина нам тоже известна - емкости супрессоров оказываются включенными последовательно, что приводит к уменьшению эквивалентной емкости.
В остальном же работа схемы не изменилась. Зато рассеиваемая каждым супрессором мощность снизилась в 3 раза (D1 здесь учитываться не должен). И теперь на одном супрессоре рассеивается всего 40 Вт за время действия импульса, а не 120. И нам оказывается достаточным использование супрессоров 1.5KE39CA.
Но в любом случае обязательно потребуется проверка наших предположений и сделанного выбора на макете устройства. Причем с реальными условиями теплообмена (корпус устройства, вентиляция, топология платы).
Можно использовать и другие варианты. Например, некоторую комбинацию супрессоров, диодов, резисторов, что позволит снизить требования к супрессорам. Но на сегодня, пожалуй, достаточно.
Заключение
Мы рассмотрели пример нетипичного использования супрессоров. Они не предназначены для работы в таком режиме. Поэтому нам и потребовалось столь подробное (местами даже излишне подробное, но для новичков это поможет разобраться) рассмотрение не только выбора супрессоров, но и смежные вопросы.
Можно ли как то избежать описанных в статье сложностей? Можно, если использовать для контроля выключения тока через катушку другие методы. Тогда окажется достаточным классического варианта с диодом и резистором.