Ключ с емкостной нагрузкой. Ограничение тока.

[_Andrej_]

Здравствуйте.
Известно, что при подключении к источнику питания емкости, в первый момент течет максимальный ток, который по мере заряда этой емкости уменьшается и при этом на этой емкости растет напряжение.
С индуктивностью наооборот. В первый момент тока нет. а напряжение максимально, со временем, по мере насыщения сердечника, напряжение падает, а ток растет.

У транзистора при коммутации (открывании и закрывании) есть линейный участок, проходя через который при протекании через транзистор большого тока, на нем, на транзисторе, выделяется значительная мощность, что не совсем хорошо. Т.е. при коммутации емкости это момент открывания транзистора, а при коммутации индуктивности - момент закрывания.
Фактически, если при заряде емкости обеспечить задержку нарастания тока на момент открывания транзистора, когда процесс открывания находится на линейном участке, то можно избежать этих потерь (потери на сопротивлении канала остаются в любом случае).
Закрывание транзистора проблем не вызывает, т.к. после заряда емкости, протекающего тока через транзистор уже нет и потерь при закрывании тоже не будет.

В общем как следует из заглавия темы, мне нужно заряжать и разряжать довольно большую емкость, причем с довольно высокойой частотой, несколько КГц, и при этом хочется избежать лишних потерь, которые в конструктивном исполнении потребуют массивный радиатор, Да и КПД конструкции упадет.

Решением проблемы я вижу включение между транзистором и конденсатором дросселя такой индуктивности, которая бы на время открывания транзистора - порядка 100 нс задерживала бы нарастание тока.
Не подскажете, как рассчитать эту индуктивность?
Буду очень признателен.
Спасибо.

P.S. Вариант, ставить ограничительный резистор не предлагать.

[tauP10]

Реактивная перекачка энергии из источника в индуктивность из индуктивности в конденсатор и прочее , широко применяется.
Самый распространенный случай - строчная развертка телевизора, где на конденсаторе обратного хода образуется полусинусоидальный импульс амплитудой 1-1,5 кВ с частотой 15-32 кГц.

Если Вас устранивает полусинусоидальная форма - можете обойтись 1-м транзистором. Если форма импульсов иная, или требуется переменный период при постоянной амплитуде или еще какие хитрости - схема усложнится.

Принцип перекачки всегда один но с вариациями , набирается энергия в индуктивность LI^2/2 , затем эта энергия передается в конденсатор . Обратный процесс для вашего случая - из конденсатора с энергией CU^2/2 забрать эту энергию в индуктивность , а индуктивность "разрядить на источник питания, то есть вернуть источнику эту энергию.

Длительность переходного процесса рассчитывайте по фрмуле Томсона T=2*pi*SQRT(L*C) , только это полный период а в вашем случае от 0 тока до следующего 0 тока пройдет полпериода , то есть pi*SQRT(L*C).
Для 100нс переходов потребуется малая индуктивность и весьма приличные токи, можете столкнуться с проблемой выбора ключа.
Еще проблема - быстрая передача энергии (выговорили о 100нс) требует качественных реактивных элементов, имеющих малые потери на соответствующих таким временам частотам. Например за 100нс нельзя зарядить электролитический конденсатор - все уйдет в нагрев диэлектрика и фольги внутри него. Керамический диэлектрик тоже не всякий подойдет , Y5V или Z5U на таких временах имею большие потери. И размер реактивной индуктивности/дросселя по габаритам обычно больше конденсатора, который воспримет эту порцию энергии.
Ошибочно считать что маленькая индуктивность наподобие бусинки с ферритом решит проблему которую вы описали вначале.

[smg123]

мне нужно заряжать и разряжать довольно большую емкость...

Чубайса пытаетесь обмануть?

[_Andrej_]

Принцип перекачки всегда один но с вариациями , набирается энергия в индуктивность LI^2/2 , затем эта энергия передается в конденсатор...

Нет, мне не надо накапливать энергию в индуктивности, хотя ясно дело, что этого не избежать, мне надо лишь на время открывания транзистора использовать свойство индуктивности в первый момент времени после коммутации как бы задерживать нарастание тока.
Выразился я конечно сумбурно, но надеюсь. что понятно.

Обратный процесс для вашего случая - из конденсатора с энергией CU^2/2 забрать эту энергию в индуктивность.

Забирать энергию приходится с конденсатора, что стоит до ключа и индуктивность в этой цепи по сути ненужный для полезной работы элемент, но необходимый для повышения КПД и защиты транзистора от теплового пробоя - перегрева.

Длительность переходного процесса рассчитывайте по фрмуле Томсона T=2*pi*SQRT(L*C) , только это полный период а в вашем случае от 0 тока до следующего 0 тока пройдет полпериода , то есть pi*SQRT(L*C).

Извините, а в формуле нет ошибки?
Что-то не получается с расчетом.

Для 100нс переходов потребуется малая индуктивность и весьма приличные токи, можете столкнуться с проблемой выбора ключа.

С ключом проблем нет.

Еще проблема - быстрая передача энергии (выговорили о 100нс) требует качественных реактивных элементов, имеющих малые потери на соответствующих таким временам частотам. Например за 100нс нельзя зарядить электролитический конденсатор - все уйдет в нагрев диэлектрика и фольги внутри него.

Я это прекрасно понимаю, но у меня частоты довольно низкие - единицы килогерц. А 100 нс, это время нахождения транзистора в линейном режиме между состояниями "ОТКРЫТ - ЗАКРЫТ". Есть такой параметр у ключей. И как раз желательно, чтобы именно в это время тока через транзистор, т.е. процесса заряда конденсатора небыло бы вообще. Это конечно идеальный случай и на практике не реальный.
Так при частоте в 1 КГц и меандре, если не учитывать время на открывание и закрывание ключа, то время заряда конденсатора будет 0.5 миллисекунды, что не так уж и много для керамики и пленки. Электролиты даже не рассматриваются.

И размер реактивной индуктивности/дросселя по габаритам обычно больше конденсатора, который воспримет эту порцию энергии.

В этой схеме, а точнее конструктиве, размер элементов не имеет особого значения.

Ошибочно считать что маленькая индуктивность наподобие бусинки с ферритом решит проблему которую вы описали вначале.

Я как раз так и не считаю. Если бы считал, то на форуме не задал бы вопрос.

Чубайса пытаетесь обмануть?

Нет, у меня другие цели и задачи.

[tauP10]

Цитата:

Принцип перекачки всегда один но с вариациями , набирается энергия в индуктивность LI^2/2 , затем эта энергия передается в конденсатор...

Нет, мне не надо накапливать энергию в индуктивности, хотя ясно дело, что этого не избежать, мне надо лишь на время открывания транзистора использовать свойство индуктивности в первый момент времени после коммутации как бы задерживать нарастание тока.
Выразился я конечно сумбурно, но надеюсь. что понятно.
.

Вы собираетесь обмануть самого себя. Если не накапливать в индуктивности всю энергию с последующей передачей в емкость, то половина передаваемой энергии что вы не накопили в L а хотите передать в С, выделится в виде тепла либо в транзисторе либо в конденсаторе. Это факт. Чуда не произойдет . Вспомните школьную физику: куда девается энергия при замыкании заряженного конденсатора на такой-же но разряженный до 0. Правильно - в искры и нагрев конденсаторов , их проводников и диэлектриков

Цитата:

Обратный процесс для вашего случая - из конденсатора с энергией CU^2/2 забрать эту энергию в индуктивность.

Забирать энергию приходится с конденсатора, что стоит до ключа и индуктивность в этой цепи по сути ненужный для полезной работы элемент, но необходимый для повышения КПД и защиты транзистора от теплового пробоя - перегрева.

Вы попутали. "Обратный процесс" - для разряда вашей же емкости которую вы до этого заряжали. Понимаете?

Цитата:

Длительность переходного процесса рассчитывайте по формуле Томсона T=2*pi*SQRT(L*C) , только это полный период а в вашем случае от 0 тока до следующего 0 тока пройдет полпериода , то есть pi*SQRT(L*C).

Извините, а в формуле нет ошибки? Что-то не получается с расчетом.

Ошибки нет , например емкость 10nF = 10^-8, индуктивность 1миллигенри = 10^-3, половина периода будет 10мкС

Цитата:

Для 100нс переходов потребуется малая индуктивность и весьма приличные токи, можете столкнуться с проблемой выбора ключа.

С ключом проблем нет.

хорошо, если так.

Цитата:

Еще проблема - быстрая передача энергии (выговорили о 100нс) требует качественных реактивных элементов, имеющих малые потери на соответствующих таким временам частотам. Например за 100нс нельзя зарядить электролитический конденсатор - все уйдет в нагрев диэлектрика и фольги внутри него.

Я это прекрасно понимаю, но у меня частоты довольно низкие - единицы килогерц. А 100 нс, это время нахождения транзистора в линейном режиме между состояниями "ОТКРЫТ - ЗАКРЫТ". Есть такой параметр у ключей. И как раз желательно, чтобы именно в это время тока через транзистор, т.е. процесса заряда конденсатора небыло бы вообще. Это конечно идеальный случай и на практике не реальный.
Так при частоте в 1 КГц и меандре, если не учитывать время на открывание и закрывание ключа, то время заряда конденсатора будет 0.5 миллисекунды, что не так уж и много для керамики и пленки. Электролиты даже не рассматриваются.

чтобы на 1 кгц получить что-то похожее на меандр - фронты импульса должны быть короче периода хотя бы в 10 раз, лучше во 100 раз, а еще короче - получите настоящий меандр. А не пилу и не синус. С упомянутой Вами 0,5 миллисекундой при периоде 1мС с индуктивной зарядкойразрядкой получите нечто, не похожее на меандр.

[_Andrej_]

чтобы на 1 кгц получить что-то похожее на меандр - фронты импульса должны быть короче периода хотя бы в 10 раз, лучше во 100 раз, а еще короче - получите настоящий меандр.

Я все время пишу о том, что фронты у меня максимум 100нс.
Неужели я так плохо излагаю свои мысли, что под значением 100нс Вы видите что-то другое?
Вроде написано яснее некуда:

Решением проблемы я вижу включение между транзистором и конденсатором дросселя такой индуктивности, которая бы на время открывания транзистора - порядка 100 нс задерживала бы нарастание тока.

А 100 нс, это время нахождения транзистора в линейном режиме между состояниями "ОТКРЫТ - ЗАКРЫТ". Есть такой параметр у ключей. И как раз желательно, чтобы именно в это время тока через транзистор, т.е. процесса заряда конденсатора небыло бы вообще.

Или если я не использовал слово "фронт", то суть и смысл ключа в схеме резко изменились?

фронты импульса должны быть короче периода хотя бы в 10 раз, лучше во 100 раз, а еще короче - получите настоящий меандр. А не пилу и не синус.

При частоте 1 КГц, где период равен 1 миллисекунде и фронте (время перехода транзистора из закрытого состояния в открытое) 100нс, отношение длительности этих значений равно 1000, так что по Вашему же определению, - настоящий меандр.

. С упомянутой Вами 0,5 миллисекундой при периоде 1мС с индуктивной зарядкойразрядкой получите нечто, не похожее на меандр.

Разве?
У меня 0.5 миллисекунды (половину периода) транзистор открыт, 0.5 миллисекунды (вторая половина периода) закрыт. Ведь период равен 1 миллисекунде.
При этом в примере для простоты, я время, потраченное на переключение (фронты) 100нс опустил.
Если это не меандр, то что же тогда?

А не пилу и не синус.

Меня совершенно не волнует что будет на конденсаторе.
Меня волнует то, что в моменты переключения транзистора,, а точнее во время его окрывания (переднего фронта импульса) на нем рассеивается значительная мощность.

[vgg]

Очень грубая методика (только для иллюстрации принципа) может быть такова:
1)Пусть коммутируемый ток составляет 10 Ампер. Смотрим по справочнику напряженность магнитного поля для индукции насыщения феррита (обычно это 800 А/м). Берем величину раза в 2-3 побольше, например, 2000 А/м). При такой напряженности поля сердечик точно войдет в насыщение.
2) Выбираем из имеющихся колец что-нибудь подходящее - для мощных систем - побольше, для маломощных - поменьше. Попробуем К40Х25Х7,5 мм. Длина средней линии для этого кольца будет примерно 10 см. Тогда из формулы полного тока Hl=iw вычислим требуемое количество витков w=2000*0.1/10=20. То есть, намотав на такое кольцо 20 витков и пропустив через них 10 ампер, мы введем феррит в довольно большое насщение.
3)Оценим тепрерь, долго ли это кольцо будет в ненасыщенном состоянии. Для этого нам нужно знать напряжение, действующее в схеме. Пусть это будет 500 Вольт. Сечение "железа" выбранного кольца будет примерно 0,5 кв.см. Для простоты расчета сложим 2 кольца - сечение 1 кв.см =0,0001 кв.м. Вспомним простейшую формулу U=wSdB/dt. Отсюда dt=wSdB/U=20*0.0001*0.4/500=1,6 мкс. Здесь мы приняли индукцию насщения равной 0,4 Тесла. Получилось многовато. Надо на порядок меньше. Можно взять не 2 кольца, а одно, получим 0,8 мкс. Все равно много. Надо уменьшать длину средней линии (диаметр кольца). Если взять кольцо диаметром 10 мм, то можно уменьшить время еще раза в 4, то есть до 200 нс. Уже теплее. Но у маленького кольца и сечение намного меньше, то есть мы где-то здесь можем поиграться.
Таким образом, первые 100-200 наносекунд индуктивность будет большая (мю примерно 1000 - 2000), а после насыщения мю падает до примерно 10, то есть индуктивность уменьшается раз в 100.
Вот примерно в таком направлении и надо копать, на мой взгляд.

[tauP10]

В общем как следует из заглавия темы, мне нужно заряжать и разряжать довольно большую емкость, причем с довольно высокойой частотой, несколько КГц, и при этом хочется избежать лишних потерь, которые в конструктивном исполнении потребуют массивный радиатор, Да и КПД конструкции упадет.
.........
Меня совершенно не волнует что будет на конденсаторе.
Меня волнует то, что в моменты переключения транзистора,, а точнее во время его окрывания (переднего фронта импульса) на нем рассеивается значительная мощность.

Я съел много собак в проблемах аналогичных вашим, поэтому пытался вас предостеречь от граблей, на которые Вы упорно желаете наступить.

Вы хотите высокий КПД конструкции и при этом думаете что потери возникают только динамические на ключе- в момент включения ? Это не так.
Вы не дружите с законом сохранения энергии, но имеете желание получить "высокий кпд". Бывает.

[_Andrej_]

Очень грубая методика (только для иллюстрации принципа) может быть такова:

ОГРОМНОЕ СПАСИБО!!!
Поработал по Вашей методе и результат не просто обрадовал, а даже удивил.
Без дросселя транзисторы грелись довольно сильно, даже с приличным радиатором, а после установки дросселя радиатор был холодный, т.е. нагрев его не ощущался вообще.
Без радиатора не пробовал, т.к. конструктив уже собран, я лишь включил дроссель в разрыв цепи и на всякий случай поставил демферную цепочку, мало ли, все же индуктивность.
В общем все отлично.
Спасибо!!!

[_Andrej_]

Вы хотите высокий КПД конструкции и при этом думаете что потери возникают только динамические на ключе- в момент включения ? Это не так.
Вы не дружите с законом сохранения энергии, но имеете желание получить "высокий кпд". Бывает.

Да дружу я с физикой и прекрасно понимаю, что потери есть и на сопротивлении канала и на управлении транзистором и даже в проводниках, но их как неизбежность я принимаю, а вот с потерями, возникающими при переключении ключа, когда транзистор какое-то время находится в линейном режиме и в момент его открывания, когда разряжена емкость и при этом течет максимальный ток, в результате чего имеем большие потери именно на транзисторе, я смириться никак не хочу.
Момент закрывания меня мало волнует, т.к. емкость уже заряжена и тока через транзистор нет, а значит нет и потерь на его линейном участке (при переходе из состояния "открыт". в состояние "закрыт").
В общем вопрос решен и результатом я очень доволен.