Индукционный нагрев.

Повторитель импульсов.

Областью применения проектируемой схемы является построение помехоустойчивых резонансных низкочастотных силовых установок индукционного нагрева. В моменты срабатывания силовых ключей в резонансных LC цепях возникают энергетические импульсы малой длительности фильтрация которых невозможна. Данные импульсы вносят помехи в схемы обратной связи, такие как детекторы нуля либо амплитуды сигнала. В результате ложных срабатываний схем управления, происходят сбои в работе схемы, способствующие выходу из строя силовых ключей, в том числе.

Проект ПИМ в формате diptrace со схемой и разводкой печатной платы доступен по данной ссылке. Эмуляцию работы схемы в LTSpice Вы так же можете скопировать к себе на компьютер.

Разберём алгоритм подсчёта длительности входного сигнала. На фотографии ниже показаны синусоидальный и сигнал меандра, который формируется компаратором. Сигналы расположены на листе в клетку. Каждая клетка сигнал эталонного генератора, допустим длительностью в одну секунду.

Длительность полупериода прямоугольного сигнала будет равна количеству тетрадных клеток умноженных на временной интервал принятый для одной клеткой или шести секундам. Значение шесть будет записано в счётчик импульсов. Если мы изменим направление счёта в сторону уменьшения, то по достижению нуля будет сформирован второй полупериод также длительностью в шесть секунд.

В видеоролике показан фрагмент демонстрирующий подсчёт эталонных импульсов. Жёлтый луч - сигнал с генератора, который преобразуется компаратором в меандр - синий луч. В конце видеоролика добавлены короткие импульсы (бордовый луч), подсчёт которых производится счётчиками импульсов.

Демонстрация предшествующих экспериментов с использованием описанной схемотехники в индукционном нагреве можно найти перейдя по ссылке: синтез резонансной частоты.

При отключенной подаче энергии от источника питания ПИМ формирует временной шаблон длительности импульса резонансной частоты. Затем включаются ключ, осуществляющий подачу энергии в колебательный контур от источника питания в течении сформированного временного шаблона. При этом работа детекторов в цепях обратной связи игнорируется, ложные срабатывания схем управления происходить не будут. Данный режим продемонстрирован в эмуляции LTSpice.

Можно предположить, что по спаду фронта исходного сигнала (синий луч осциллографа) включается счётчик импульсов, по переднему фронту сигнала он отключается. Это не так. Отличительной особенностью алгоритма является то, что для определения длительности используется только один фронт исходного сигнала, что дополнительно убирает индуктивные помехи при выключения ключей.

Наглядно демонстрирует алгоритм работы ПИМ игра пинг-понг. Ударом ракетки направляем мячик по направлению к стене. Пока мячик движется к стене, счётчик импульсов увеличивает своё значение. В момент соприкосновения со стеной счётчик импульсов содержит значение количества эталонных импульсов определяющих время движении мячика от ракетки до стены.

Электронным аналогом стены о которую ударяется и отскакивает мяч является передний фронт фронт исходного сигнала. Как только мячик достиг стены происходит его отскок и мяч начинает своё движение в обратном направлении. В это время игнорируются все сигналы обратной связи детектора нуля, счётчик в автономном режиме уменьшает своё значение при поступлении эталонных импульсов с генератора. Пока идёт уменьшение значение счётчика до нуля, электронный ключ включен, в контур подаётся энергия от источника питания.

В итоге, по достижению нуля будет сформирован импульс длительностью аналогичной исходному сигналу. Мячик на той же скорости и за то же время вернётся к ракетке. Триггер вновь изменяет своё значение и схема переходит в режим подсчёта количества импульсов. При этом нет необходимости обрабатывать передний фронт входного сигнала, аналогом которого является удар ракетки.

Ознакомительный видеоролик работы схема представлен ниже. Данный алгоритм адаптивный и происходит перестройка частоты. Из описание работы алгоритма явно не следует, но схема допускает изменение фазы формируемого сигнала перестройкой компаратором границы срабатывания. В результате возможно определение пика гармонического сигнала.

В конце видеоролика показаны колебания фронта формируемого сигнала. Колебания это разрядностью счётчика и частотой генератора формирующего импульсы. Произведём расчет.

В практической реализации схемы использовано три четырёхразрядных счётчика. Максимальное число импульсов которое может быть сохранено 2^12 = 4096 импульсов. Полное заполнение счётчиков за одну секунду возможно при частоте 4096 импульсов в секунду. Если работа ПИМ будет осуществляться на частоте электрической сети, 50 герц, генератор эталонных импульсов должен быть настроен на минимальную частоту 50*4096=204800 герц.

Длительность временных импульсов устанавливается генератора эталонных импульсов LTC1799. Но колебания переднего фронта, показанные на осциллографе сформированного сигнала показывает недостаточность использования трёх счётчиков для частот в сотни герц.

В качестве генератора эталонных импульсов использован LTC1799, допустима установка и более быстрого генератора LTC6905. Для подсчёта количества импульсов использован счётчик 74f193.

Для частоты 50 герц, разрешения трёх счётчиков недостаточно, требуется добавить в схему ещё один счётчик.
Установлено, что cчётчик не считает пока в него не завершена запись. Необходимо добавить ещё один одновибратор на логических элементах для формирования сигналов записи ~PL. Это значительно уменьшит время сброса счётчика в ноль и повысит точность формируемого импульса.
Для упрощения настроек добавить в схему индикацию переполнения счётчиков.

Повторитель импульсов с автогенерацией.

В предыдущей схеме при определении длительности сигнала резонансной частоты половину периода ключи отключены, энергия источника в контур не подаётся. Это значительно снижает общую энергетическую ценность индуктивной системы в обмен на относительную простоту реализации.

Разрабатывается схема, в которую вводится два режима работы. Первый - режим измерений. В этом режиме определяется длительность импульса резонансной частоты и запоминается в первой группе счётчиков. В режиме генерации резонансной частоты запомненное значение перезаписывается во вторую группу счётчиков и начинается их уменьшение до нуля. По достижению нуля происходит восстановление значения записанного ранее значения в первую группу счётчиков, цикл генерации импульсов резонансной частоты повторяется.

Загрузить эмуляцию в LTSpice.

Генератор формирует прямоугольные импульсы - красный луч осциллограммы эмулятора. Передний фронт импульса переводит схему в режим измерений. При переходе в режим измерений следует ограничить ток потребления от источника питания. Как вариант, подключать резистивную нагрузку последовательно индуктивной системе. Момент перехода в режим измерений - очередной импульс генератора, не определён и может прийтись на любое действующее значение исходного сигнала синусоиды - зеленый луч, а значит резонансная частота будет определена ошибочно. Это усложняет модуль предварительного анализа который должен пропустить период синусоиды, если тот не приходится на переход исходного синусоиды через ноль и выделить следующий - синий луч эмулятора. Как только происходит корректное определение полуволны синусоиды включается подсчёт импульсов и сохранение их текущего значения в счётчиках импульсов - светлосиний луч осциллографа. По спаду сигнала (синий луч) подсчёт импульсов прекращается.

Загрузить эмуляцию в LTSpice.

Осталось дополнить алгоритм определения длительности импульса его циклическим повтором в рабочем режиме. Для этого в схему добавлена ещё одна группа счётчиков. По спаду фронта определёния длительности исходного сигнала в режиме измерений происходит изменение статуса системы на рабочий, остановка счёта и перезапись сохранённого значения в рабочие регистры.

Загрузить эмуляцию в LTSpice.

Особенностью резонансных систем является переключение силовых транзисторов при нулевом токе (ZCS) или нулевом напряжении (ZVS). Переход схемы в режим измерений определяется импульсом с генератора и совершенно случаен относительно текущего энергетического состояния системы. Чтобы избежать потери силовых ключей при работе под нагрузкой, в схему добавлен анализ момента выключения силовых транзисторов и переход в режим измерений произойдёт только по факту смены фазы управляющего сигнала, будет отработан режим ZVS.

Загрузить эмуляцию в LTSpice.

На осциллограмме показан полный цикл работы схемы. Зеленый луч - исходный сигнал. Синий луч - сигнал генератора, передний фронт которого переводит схему в режим измерений. Выделенный полупериод синусоиды - светлосиний луч, импульсы количество которых записано в счётчики измерений - красный луч. Бордовый луч демонстрирует работу схемы в рабочем режиме - формирование импульсов резонансной частоты по шаблону.