Sztuczne obciążenie - obliczenia

Question

Jak na podstawie poniższego schematu obliczyć:- maksymalne obciążenie bezpieczne dla układu- maksymalne napięcie - zakres regulacji obciążeniaCzy...

trymer01 · Accepted Answer

Prawdopodobnie zaniżyłeś Uzas WO do takiej wartości, że jego max Uwy=Vgs nie wystarcza do otworzenia tranzystora.Jeśli WO=LM358 to zasilaj go 12V - wtedy LM358 może dać Uwy=10V co na pewno całkowicie otworzy tranzystor.Sprawdź też jaką miałeś wartość Robc - nie może być za duża dla danego Uzas tranzystora.Moc strat na tranzystorze: Pt=Uds x Id.Prąd Id znasz (nastawiasz jako Uwe/Rs).Uds=Uzas-Urobc-Urs.Sytuacja się nieco komplikuje gdy Uwe się zmienia (i w konsekwencji zmienia się Id, oraz Uds) - wtedy moc strat Pt się zmienia, trzeba liczyć Pt dla najbardziej niekorzystnego przypadku maxPt.Teoretycznie maksymalna możliwa moc strat na tranzystorze wystąpi dla Robc=0, bo wtedy Urobc=0 i prawie całe Uzas odkłada się na tranzystorze: Uds=Uzas-Urs. Wtedy Ptr=(Uzas-Urs)Id=(Uzas-IdRs)Id.

jarek_lnx · Answer

Oczywiście że istnieje, niejeden, ale symulator nie da ci odpowiedzi na te pytania.

trymer01 · Answer

Id=Uwe/Rs, Rs - opornik w źródle (na schemacie to 1 Ohm).Tak więc na tym schemacie Id= 0 do ok. 1A, bo oznacza to że na Rs tracisz 1V i moc P=1W - większy prąd oznaczałby dużo ciepła na tym oporniku. Im większy prąd chcesz, tym mniejsza wartość Rs, tak aby Urs=0,2-1V, tu ważna będzie też dokładność nastaw - trzeba iść na kompromis.

jarek_lnx · Answer

Robisz to dla siebie, czy to zadanie do szkoły?W pierwszym przypadku rozsądne podejście jakie zaprezentował kolega powyżej jest właściwe, w drugim błędne.

trymer01 · Answer

Wyjaśnisz to, proszę?

jarek_lnx · Answer

Jeśli było by to zadanie szkolne, dane wejściowe należało by potraktować dosłownie 7W -> 2,64A. A skoro sygnał PWM pochodzi z Arduino to da sie wymusić nawet 5A, czego nie należy robić przez dłuższy czas bo będzie dym.A więc prąd maksymalny impulsowy 5A, ciągły 2,64A, pozostaje jeszcze ograniczenie SOA tranzystora przy wyższych napięciach.

trymer01 · Answer

Dopiero teraz zauważyłem detale (7W).Ja odebrałem pytanie jako dotyczące układu w ogóle (obliczeń, projektowania), i to bez sterowania z PWM - ot wkleił przykładowy schemat.

jarek_lnx · Answer

Filtr o stałej czasowej 47ms pozwala przypuszczać że PWM, ale niech lepiej autor sie wypowie.

CiekawyŚwiata · Answer

Sterowanie ma być PWM z Arduino. Jako że z elektroniki jestem kiepski... co znaczy ten filtr o stałej czasowej 47ms i gdzie on tu na schemacie się znajduje?

trymer01 · Answer

4,7uF+10k na wejściu WO - filtruje PWM aby zrobić z niego napięcie stałe, ale tętnienia będą.Po tych pytaniach widzę kłopoty - nie za wcześnie na ten projekt?

CiekawyŚwiata · Answer

Pewnie za wcześnie, ale nie mam czasu żeby "czekać". Zamówiłem brakujące elementy, połączę i zobaczę co z tego wyjdzie.

CiekawyŚwiata · Answer

Zrobiłem pierwsze testy i nie do końca jestem zadowolony co do stabilności ustawionego prądu. Testowałem regulacje tego prądu zarówno przy pomocy PWM z Arduino jak i potencjometrem wieloobrotowym. Np. ustawiłem prąd 0,5A i zwiększałem napięcie obciążanego źródła i prąd potrafił zmieniać się mniej więcej w granicach 0,45A do 0,55A. Z czego może to wynikać?
Nie wiem też jak wyliczyć moc rezystora 1R.
Zastanawiam się też jak został dobrany rezystor 4k7 oraz kondensator 10uF i co może przynieść zmiana ich wartości a także czy układ ten w jakikolwiek sposób powinien być zabezpieczony przed zakłóceniami jeśli tak to jak można to zrealizować?

trymer01 · Answer

Prawa Ohm;a kolega nie zna?P=I&#178;R

CiekawyŚwiata · Answer

To znam ale chyba mam problem z jego zastosowaniem a dokładniej to nie wiem skąd wziąć/jak wyliczyć prąd jaki na nim się odłoży. Niby wiem że prąd na rezystorze 1R jest równy napięciu w punkcie TP:A ale nie bardzo rozumiem/wiem jak wyliczyć to napięcie. Pewnie jakbym zrozumiał jak dokładnie działa ten układ to może bym wiedział jaka jest zależność napięcia w punkcie TP:A do prądu na rezystorze 1R oraz jak na to wszystko wpływa napięcie zasilania WO na pinie 8.Spróbuję opisać jak ja to rozumiem a może ktoś zechce mnie poprawić/wyjaśnić to czego nie wiem.Sygnał PWM przez rezystor 4k7 podawany jest na wejście nieodwracające WO (pin 3). Rezystor 4k7 wydaje mi się że ma za zadanie ograniczenie prądu, w jakim celu jest kondensator 10uF to w sumie nie mam pojęcia. Jako że WO dąży do utrzymania jednakowego napięcia na obu wejściach i mamy tu pętlę sprzężenia zwrotnego między wyjściem WO (pin 1) a wejściem odwracającym (pin 2) WO będzie utrzymywał takie samo napięcie na wejściu odwracającym jak na wejściu które my zasilamy (pin 3) Czyli jeśli na pinie 3 podamy 1V to na pinie 2 tez będziemy mieli 2V a to znaczy że na rezystorze 1R też będzie 1V czyli popłynie przez niego do masy prąd 1A. Nie wiem czy dobrze pojmuję co się dzieje na tranzystorze. Wiem że jest on tu dlatego że bez niego uszkodzeniu uległby najprawdopodobniej WO gdyż maksymalny prąd jak możemy pobrać z jego zasilania to dla LM358, którego używam, jak dobrze odczytałem z noty katalogowej będzie 30mA, dlatego używamy tranzystora MOSFET aby przez niego podać prąd z innego źródła. Wszystko wydaje mi się OK spróbuję przeanalizować konkretny przypadek, załóżmy że na wejściu nieodwracającym (pin 3) będzie 2V czyli na wejściu odwracającym też będzie 2V czyli na rezystorze 1R będzie również 2V i popłynie przez niego zgodnie z prawem Ohma prąd 2A (I=U/R; I=2/1; I=2A) i wydzieli się moc cieplna o wartoúci 4W (P=U*I; P=2*2; P=4W) tylko co się teraz stanie na tranzystorze MOSFET? Rdson mojego tranzystora (IRL540N) wynosi 0R044. Jeśli napięcie podane przeze mnie na dren tego tranzystora będzie miało wartość 10V... nie mam pojęcia.... jak teraz policzyć moc strat na tym tranzystorze?Jak to też jest że teoretycznie chyba napięcie zasilania WO (piny 8,4) nie ma wpływu na to co jest na wyjściu wzmacniacza (przynajmniej tak důłgo jak długo napięcie na wejściu nieodwracającym będzie niższe od napięcia zasilania) czy może sterując z PWM z arduino układ działa inaczej? Zauważyłem podczas testów że zmieniając wartość napięcia zasilającego WO zmienia się prąd pobierany z obciążanego źródła czyli tak jakby jednak wartość tego napięcia miała wpływ na prąd na rezystorze 1R

CiekawyŚwiata · Answer

Dziękuję za dotychczasową pomoc, bardzo się przydała i dużo się nauczyłem.
Złożyłem układ jak na schemacie w moim pierwszym poście jednak nie wszystko działa tak jakbym się tego spodziewał. Różnica między schematem a moim układem jest taka że WO zasilam z 12V a nie z 9V, zamiast jednego rezystora 1R 7W mam 10 połączonych równolegle rezystorów 10R 1% 0.6W a zamiast tranzystora RFP30N06LE użyłem IRF540N (N-MOSFET Logic Level). Sygnał PWM o amplitudzie 3,3V i rozdzielczość 1024 (10bit) podaję z ESP8266. Źródłem które obciążam jest (sprawne) ogniwo 18650. Problem jest taki że wraz ze wzrostem wypełnienia PWM prąd obciążenia wzrasta ale nie liniowo. Zmierzyłem dla różnych wartości PWM wartość napięcia w punkcie TP:A TP:B oraz prąd płynący z ogniwa (miernikiem podłączonym szeregowo między "Load +ve" a plusem ogniwa 18650 i wyniki z testowych pomiarów zamieszczam w poniższej tabelce

W tabelce "Wartość PWM" to wartość ustawiona w programie mikroprocesora. Z pomiarów widać że PWM działa poprawnie jednak chyba coś nie tak działa WO gdyż wzrost obciążenia nie postępuje liniowo w stosunku do wzrostu PWM odchyłka przy PWM 1 jest na granicy błędu pomiaru więc w zasadzie jej nie ma jednak w miarę narastania PWM do około 30% wypełnienia odchyłka rośnie aż do około 10% i w miarę dalszego wzrostu wypełnienia PWM odchyłka maleje zmniejszając się praktycznie do zera przy PWM 100%.
Układ sprawdzałem na dwóch WO i dwóch tranzystorach (tranzystory i WO zakupione w raczej pewnym źródle - TME). Dodam jeszcze że cały układ jest zlutowany na płytce uniwersalnej. Miernik jakim wykonywałem pomiary to METEX M-3800
Co może być przyczyną takiego braku liniowości?

/EDIT: Podmieniłem grafikę gdyż wkradł się w niej mały błąd obliczeniowy

Freddy · Answer

Pamiętaj, że każdy rezystor ma swój współczynnik temperaturowy.Oporność złącza jest również zależna od temperatury.Jaki wzór do obliczeń zastosowałeś?

CiekawyŚwiata · Answer

Tak, wiem że każdy rezystor ma swój współczynnik temperaturowy jednak chyba powinno być tak że wraz ze wzrostem temperatury opór rośnie lub maleje a u mnie jest tak że najpierw odchyłka rośnie a po przekroczeniu 30% PWM zaczyna maleć i choć po ustawieniu wypełnienia 100% temperatura rezystora rośnie ekspresowo to pomiar jest stały przynajmniej przez te kilka sekund przez które utrzymuję wypełnienie 100% (dłużej nie mogę gdyż przy takim wypełnieniu przez rezystor przepływa zbyt duży prąd). Przy 30% wypełnienia PWM gdy odchyłka jest największa rezystor nawet nie jest jakość szczególnie gorący, nie mierzyłem ale szacuję że nie ma więcej niż 50°C gdyż mogę go ścisnąć w palcach i trzymać dowolnie długo.
Wzór do obliczeń? W zasadzie żaden szczególny, prosta matematyka. Przez rezystor 1R (jako że złożony z 10szt 10R 1% powinien być dość dokładny) przy napięciu na nim 1V popłynie prąd 1A przy 2V prąd 2A czyli napięcie na nim jest równe prądowi pobieranemu z testowanego ogniwa. O odpowiednie napięcie na rezystorze dba WO któremu na wejście nie odwracające podaję sygnał PWM o amplitudzie 3,33V czyli przy wypełnieniu 100% na rezystorze będzie (powinno być) 3,33V i odpowiednio (proporcjonalnie) przy innych wartościach wypełnienia (a przynajmniej w teorii) czyli np. przy wypełnieniu 29,3% (w moim przypadku to PWM w mikrokontrolerze ustawiony na wartość 300) powinno wynosić 0,968V a u mnie zmierzone w tym przykładzie wynosi 0,896 czyli różni się od obliczonego o 8% a to nawet uwzględniając niedokładność pomiaru oraz niepewność wartości rezystora a nawet jego współczynnik temperaturowy nie powinno dawać takiej odchyłki. Teoretycznie największy błąd mógłby wynikać z błędu pomiaru moim miernikiem jednak skoro ustawiona wartość PWM odbiega w zasadzie o mniej niż 1% to błąd pomiaru na pewno jest mniejszy niż 1%. Tak to wszystko mniej więcej wyliczyłem

Freddy · Answer

Zaraz, zaraz, ale 300 to nie jest 30% PWM.30% to będzie 307,2.Zapomniałeś, że 100% to jest 1024?Jaki zastosowałeś wzór do przeliczeń?

CiekawyŚwiata · Answer

Te 30% PWM przy którym odchyłka od wartości obliczonych jest największa to takie w zaokrągleniu. Robiąc pomiar przy PWM ustawionym na 300 obliczenia robiłem przyjmując współczynnik 300/1023 czyli 29,33% wypełnienia.
Oczywiście wiem jaka wartość jest dla 100% wypełnienia, dokładnie rzecz biorąc to jest to 1023 a nie jak podałeś 1024 gdyż 1024 to rozdzielczość a wartości są od 0 do 1023. Obliczenia jakim prądem obciążone powinno być ogniwo przy jakiej wartości PWM robię w następujący sposób:
100% PWM = 1023 = 3,33V (napięcie zmierzone, jest stabilne bez względu na ustawienia PWM - mierzyłem kilkukrotnie)
Układ jest zbudowany tak że napięcie podane na wejściu nieodwracającym zgodnie z zasadą działania WO uzyskuję a przynajmniej w teorii powinienem dokładnie takie samo uzyskiwać na rezystorze 1R z kolei napięcie na rezystorze wymusza zgodnie z zasadą działania układu który zbudowałem pobór prądu z podłączonego źródła w wysokości dokładnie takiej samej jak napięcie na rezystorze 1R. Bez dodatkowych obliczeń wiadomo więc iż ustawiając PWM na 100% czyli w moim przypadku wartość 1023 w mikroprocesorze czyli napięcie na wejściu odwracającym PWM powinno mieć wartość 3,33V. Chcąc policzyć wartość prądu obciążenia ogniwa gdy na PWM w mikroprocesorze ustawię wartość 300 liczę to tak:
(3,33V * 300)/1023 = 0,9765 i to koniec obliczeń. Wynik 0,9765 oznacza że napięcie na wejściu WO powinno wynosić 977mV napięcie na rezystorze również powinno wynosić 977mV a prąd pobierany z ogniwa powinien być równy 977mA niestety pomiary nie są zgodne z obliczeniami i nie spodziewałem się że będą identyczne jednak rozrzut nawet ponad 10% wskazuje raczej że coś w tym moim układzie jest nie tak. Z tabelki widać i w obliczonym przykładzie napięcie dla wejścia WO w zasadzie jest ok wyliczone wynosi 977mA a zmierzone 972mA tylko 0,5% różnicy zmierzone napięcie na rezystorze odbiega od obliczonego o 8% (977mV obliczone a 896mV zmierzone) co moim zdaniem jest nie dopuszczalne. Prąd pobierany z ogniwa jest w zasadzie zgodny z napięciem na rezystorze, zmierzone napięcie na nim wynosi 896mV a zmierzony prąd pobierany z ogniwa 882mA czyli różnica niecałych 1,6% niestety od wartości obliczonej (czyli 977mA) wartość zmierzona odbiega już o prawie 10%. Jak widać jedyny "wzór" z jakiego korzystałem przy obliczeniach to proporcja.

Freddy · Answer

Nie kolego, do obliczeń używasz wartości 1024, bo tyle jest "pozycji" od 0 do 1023.

trymer01 · Answer

A jesteś pewien, ze ten filtr RC liniowo przetwarza wypełnienie PWM na DC?
Możesz to sprawdzić sterując wprost WO (wejście +) odpowiednim napięciem stałym - regulowanym w odpowiednim zakresie - czyli 0,33-3,33V i mierząc prąd.
Nie jest wykluczone też, że źródło prądowe się wzbudza i generuje (np. w pewnym zakresie prądu wy.) - obejrzyj napięcie na drenie oscyloskopem.

See also:
02.03.2019 Wzmacniacze operacyjne - zasilanie, napięcia. Tips & tricks.
12.08.2016 Cechowanie i identyfikacja elementów SMD - poradnik.

CiekawyŚwiata · Answer

Co do pierwszej części to jeśli mierzę napięcie za filtrem i jest ono zgodne z tym co powinno tam być to chyba mogę założyć że ten filtr przetwarza wypełnienie liniowo?Co do drugiej części, czyli wzbudzania się źródła prądowego dałoby się to jakoś sprawdzić bez oscyloskopu, bo niestety nie posiadam oscyloskopu a może mógłbym i przed tranzystorem zastosować jakiś filtr?

trymer01 · Answer

Zrób mały eksperyment: między we(-) WO a TPB wstaw opornik 4,7k, z wy.WO do we(-) wstaw kondensator 4,7nF. Sprawdź czy zmieniła się liniowość Iwy=f(Uwe).

jarek_lnx · Answer

CiekawyŚwiata Poruszasz wiele problemów na raz i trudno odnieść sie do wszystkich.Za dużo danych w tej tabelce, szum informacyjny nie sprzyja wyciąganiu poprawnych wniosków. Układ można rozłożyć na trzy niezależne operacje- konwersja PWM na napięcie Utpa=f(Dpwm)- działanie pętli sprzęzenia zwrotnego Utpb=f(Utpa)- konwersja napięcia na prąd I=f(Utpb)GdzieDpwm - wypełnienie PWMUtpa -napięcie w punkcie TP:AUtpb -napięcie w punkcie TP:BKażdą z nich oddzielnie sprawdzić czy jest liniowa,(każda powinna być)Żeby była pewność co do poprawności pomiarów trzeba zwrócić uwagę na dwie kwestie:Punkt podłączenia mas, powinien być zawsze ten sam, jeden punkt wspólny pomiędzy masami ESP, miernika i rezystora 1&#937;, przy dużych prądach spadki napięcia na przewodach i ścieżkach mogą być spore, łatwo wprowadzić dodatkowe błędy traktując jako masę, coś co w rzeczywistości ma kilkadziesiąt mV mniej albo więcej.Mierzone napięcia powinny być stałe, jeśli nie są miernik może nie mierzyć tego poprawnie, a mogą nie być jeśli PWM nie jest dokładnie przefiltrowany, albo kiedy wzmacniacz nie jest stabilny (wzbudza się, oscyluje).To czy PWM jest odpowiednio filtrowany zależy od częstotliwości PWM-a i stałej czasowej filtru ( iloczynu RC)Przy różnicy pomiędzy TP:A i TP:B rzędu 100mV wzmacniacz by nie działał, więc pewnie mamy napięcia zmienne.

CiekawyŚwiata · Answer

zastosuję się do rady i dołożę rezystor i kondensator między WO a tranzystor, zrobię testy i dam znać co mi wyszło, ale to już pewnie jutroJeśli można jednak to chciałbym prosić o wyjaśnienie poniższego stwierdzenia:Nigdzie nie znalazłem informacji o której piszesz a zawsze wydawało mi się że 10-bitów to w przeliczeniu na system dziesiętny maksymalna liczba 1023 choć wartości liczbowych jest 1024, bo oprócz liczb od 1 do 1023 jest jeszcze 0...

jarek_lnx · Answer

Zgadza się ale mówimy o PWM-ie który realizuje sie przez porównanie licznika z wartością zadaną.Jeśli licznik ma N stanów to można wytworzyć N+1 przebiegów PWM, przykładowo licznik liczy do 4, a Przebiegów PWM można wygenerować 5:00000001001101111111 Wynika stąd że licznik 10bitowy sterowany 10 bitowym słowem nie wytworzy wszystkich możliwych przebiegów PWM jednego musi zabraknąć, a więc jeśli min będzie 0 to max (1-1/1024).