LTspice - elektronika bez lutownicy

Lenistwa cd...

Do niedawna nawa LTspice nic mi nie mówiła. A dziś i owszem.
Komputerowa symulacja układów elektronicznych - siedzimy w fotelu i bezboleśnie testujemy nasze pomysły dowolnych konfiguracji elektronicznych. Bez płytek stykowych, lutownicy i artystycznej pajęczyny elementów elektronicznych. Nie potrzeba też multimetru a nawet oscyloskopu czy wobuloskopu - wszystko to zaszyte jest w programie i dostępne całkowicie za free - oj jak ja to lubię!!!

To początek nauki więc będą pewnie wpadki. Program jest bajecznie prosty a dwustronnicowa instrukcja obsługi całkowicie wystarcza by po godzinie można bawić się programem ze zrozumieniem. Program jest tak intuicyjny jak EAGLE i nawet dosyć podobny. Naprawdę warto spróbować.

A więc zobaczmy co widać na wirtualnym oscyloskopie w temacie  mój "intelligentny prostownik"

Wstępnie zasymulowałem taki schemat

Schemat mniej więcej odpowiada rzeczywistemu układowi.Jednak zamiast mostka prostowniczego dałem układ symetryczny zasilania pełnookresowego - mostek coś nie za dobrze działał podczas symulacji bo źródło jednym końcem nie było przyłączone do masy. Rezystancja R1 to halotronowy czujnik prądu. Rząd wielkości oporności wewnętrznej obwodu pomiaru prądu się zgadza ale przyjąłem 1,8 mom by dostać spadek napięcia równy 1/100 tego co pokazywałby układ halotronowy ACS712. V1 robi za Arduino i generuje przebieg prostokątny o zmiennym wypełnieniu ustawianym manualnie. Dodałem też kondensator, którego wartość będę zmieniał by podglądać jego wpływ na prąd w prostowniku i akumulatorze. Napięcie baterii ustawione na 14,4V ale mogę je dowolnie zmieniać tak jak i rezystancję wewnętrzną baterii. R2 i R3 symulują rezystancje wewnętrzne transformatora.

 Pierwsza próba - dwa wykresy napięć i prądów na akumulatorze dla napięcia akku = 1 V (całkowite rozładownie) i 14,4 całkowite naładowanie. Na drugim wykresie przebiegi napięcia i prądu pokrywają się co do kształtu więc jest tylko jeden przebieg

Już widać,że z 5 impulsów PWM przypadających na półokres napięcia prostownika dla normalnie ładowanego akumulatora o napięciu > 11V znaczenie dla ładowania mają co najwyżej 2 impulsy. Pozostałe 3 mają amplitudę mniejszą niż napięcie akku i nie biorą udziału w ładowaniu.
Jeśli dodam kondensator C1 o wartości 1mF  lub 10 mF przebiegi napięć ładujących akku zmienią się

Dopiero dodanie 10 mF pojemności odbija się znacząco na  efektywności ładowania - pojawiają się trzy dodatkowe impulsy ładujące. Ale 10 mF to sporo a kondensator przy takiej pracy impulsowej musi mieć niską impedancję wewnętrzną. Inaczej się zagotuje. Interesująco natomiast wygląda to od strony prądu ładującego akku.

Dodanie kondensatora 1mF powoduje pojawienie się szpilki prądowej o wartości 50% większej niż w układzie bez kondensatora. Układ upodabnia się do impulso działającego desulfatora co powinno zwiększyć możliwości odsiarczania baterii w projektowanym prostowniku.

Jeszcze ciekawsze wnioski można wyciągnąć z analizy prądów bramki tranzystora MOSFET. Od strony bramki tranzystor ten widziany jest jako pojemność o wartości 1 - 30 nF. Jeśli przełączamy tranzystor rzadko - praca w układach napięcia stałego - to bramka praktycznie nie pobiera prądu a umożliwia przełączanie bardzo dużych prądów - 100A i więcej. Po prostu ideał. Ale sytuacja znacząco się pogarsza gdy MOSFET kluczowany jest z dużą częstotliwością kHz, MHz.

Źródło sterujące bramką mające niewielką oporność wewnętrzną np 1 om w czasie załączania/ wyłączania tranzystora musi przyjąć szpilki prądu pochodzące z naładowywania/rozładowywania kondensatora bramki o natężeniu do 1 A! Ale czas trwania tych impulsów to tylko ok 100 ns. W tym czasie wydzielana moc chwilowa na tranzystorze jest największa ale na szczęście czas przełączania jest względnie krótki. Jeśli mielibyśmy sterować MOSFETem ze źródła o ograniczonej wydajności prądowej np. z wyjścia NANO to musimy ograniczyć ten prąd do co najwyżej 20 mA. Zasymulowałem to wstawiając szeregowo ze źródłem sterującym rezystor 1kom.

Napięcie bramki spada do 20% dopiero po 10 us.
 Ma to znaczenie? Oczywiście
Czas komutacji tranzystora wzrasta stukrotnie i w tym czasie mamy największy poziom traconej w tranzystorze mocy. Dla częstotliwości powyżej 50 kHz tranzystor będzie pracował bez przerwy w stanach nieustalonych związanych z przełączaniem pobierając średnio 10 mA prądu pojemnościowego w bramce. Tak więc teoria napięciowego (bezprądowego) przełączania prądu przez MOSFET jest prawdziwa ale nie do końca.
Gdy tranzystor jest przełączany z częstotliwością Hz lub pojedynczych kHz nie ma to znaczenia ale przy większych częstotliwościach trzeba bardzo dokładnie analizować ten problem i odpowiednio dobierać układy sterujące MOSFETem.

Kolejne zagadnienie do przeanalizowania w LTsice to pomiar przez NANO prądu ładowania mierzonego przez przetwornik halotronowy ACS720. Przetwornik daje na wyjściu napięcie 2,5V+/-X gdzie X to wielkość napięcia proporcjonalna do prądu = 180 mV x prąd w A. Ale jak pomierzyć to napięcie gdy prąd ma charakter mocno impulsowy. Miernik elektrodynamiczny przyłączony szeregowo do akumulatora z zasady działania uśrednia przebieg odkształconego prądu (innego niż prąd stały czy sinusoidalny). Przetworniki A/C w NANO mierzą natomiast wartość chwilową. Nie ma jak zmusić przetwornik by mierzył pik pojawiającego się na wejściu analogowym napięcia. Trzeba to zrobić inaczej.

Należy uśrednić impulsy napięcia tzn z napięcia impulsowego zrobić napięcie stałe. Fachowo nazywa się to wydzieleniem składowej stałej napięcia zmiennego i realizowane jest to przez filtr dolnoprzepustowy. Najprostszy filtr to szeregowe połączenie R i C gdzie składowa stała odkłada się na kondensatorze.

Częstotliwość graniczna takiego filtra to f=1/RC. Ale rzeczywisty filtr trzeba dobrać na co najmniej 10 krotnie mniejszą częstotliwość. Chcę odfiltrować wszystkie  częstotliwości  a najniższą jest częstotliwość sieci x 2 = 100 Hz (bo prostowanie dwupołówkowe) . Dla R = 100 k C winno być > 1 uF.

Pięknie !  Po około 1/2 sekundy napięcie ustabilizuje się na poziomie 2,5 mV ( w rzeczywistym układzie z halotronem napięcie będzie 100 x większe) co oznacza prąd o wartości 2,5/1,8 = 1,4 A. Dokładność pomiaru ze względu na tętnienia wynosi +/- 5%. Jeśli chcemy zwiększyć dokładność - zmniejszyć tętnienia - musimy zastosować większy R lub C. Zwiększenie C do 10 uF daje taki przebieg napięcia

Prawie idealnie gładki. Teraz dokładność uśredniania napięcia wzrosła 10 razy do +/- 0,5% ale czas stabilizowania się pomiaru wzrósł też 10 x do 5-6 sekund! Z zastosowaniem takiego filtra nie zdążymy np. zdiagnozować zwarcia w prostowniku  gdyż po 5 sek nie będzie już czego zbierać w spalonym układzie. Tak więc dobór filtra to zawsze kompromis pomiędzy dokładnością filtracji a czasem stabilizowania się napięcia wyjściowego z filtra. Ale zobaczyć to wszystko na symulatorze LTspice - bezcenne!!!

Zobaczmy w taki razie ile zyskamy/stracimy z prądu ładowania rezygnując z mostka prostowniczego na rzecz prostownika jednopołówkowego. Napięcie wzrośnie o 0,7V ale jednocześnie akumulator zasilamy tylko jedną połówką napięcia.

Dioda w szereg z akumulatorem symujuje drugą diodę w mostku prostowniczym.

Napięcie na rezystorze 1,8 mom spadło doz 2,6 mV do 1 mV. Wpływ dodatkowej diody jest bardzo duży bo napięcie transformatora niewiele przekracza napięcie w pełni naładowanego akumulatora

A teraz ładowanie jednopołówkowe. Wyrzucam diodę przy akumulatorze i rozwieram jedno źródło napięcia

Wynik ciekawy - tętnienia wzrosły dwukrotnie - co oczywiste bo ładujemy tylko co drugą połówką napięcia ale średni prąd wrósł!!!! Nienacznie o 20% ale jednak

Podoba mi się ten symulator coraz bardziej.

Ale lutownicy to nie zastąpi więc czekamy na cd...