Kao što obećah pre par postova, evo malo ću razjasniti rad i načine modulacije class-D full-bridge pojačavača u svrhu invertora sa DC na 50Hz i obrnuto.
Osmotrite bazni koncept:
Na pdf. je nacrtan H-most, sa simboličnim prikazom razvoda opozicionog pwm ka pojedinačnim prekidačima (nisam crtao drajvere, u koje je uključen i dead-time).
Malo ćemo protumačiti koncept sa slike.
Na ulazu vidimo jedan brzi komparator(U1), koji poredi ulazni Audio_in LF signal sa povratnom informacijom koja je atenuatorom od R1 i R2 umanjena na jednu petinu na primer. Povratna informacija stiže na otpornički atenuator sa difrencijalnog pojačavača (U2) koji posmatra samo razliku između izlaza LF_out_A i LF_out_B.
Taj diferencijalni pojačavač ima na primer pojačanje =1 tj. za na primer razliku između izlaza LF_out_A(+) i LF_out_B(-) on recimo 5V, na izlazu diferencijalnog amp će se pojaviti -5V (tako su postavljeni ulazi). A iza atenuatora će se pojaviti -1V na inv ulazu brzog komparatora.
Rekli smo da na primer brzi kompartor ima pojačanje od 100.000. To znači da će se njegov izlaz kretati od +Vcc do
-Vee za poremećaj od 1/100.000 I Vcc +Vee I.
- Pretpostavimo sad da je na audio_in tačno nula volti, tj. da je na primer spojen na masu.
Ništa prethodno nije radilo i oba storage kalema su bila prazna. Pošto komparator mora biti u jednom od dva moguća stanja (pogotovo ako ima makar i najmanji histerezis, a čak i ako nema sopstveni šum će ga prebaciti u jedno stanje), neka bude da je za početak njegov izlaz pozitivan.
To znači da su uključeni M1 i M3. Struja će početi da raste u oba kalema i na izlazima će se pojaviti neka malena razlika napona.Pošto komparator "vidi" izlaze kroz atenuator od 5:1, ukupno kružno pojačanje sistema je sada 100.000/5, tj. 20.000.
Dakle sasvim malen pomeraj izlaza biće dovoljan da komparator prebaci u suprotno stanje, odnosno samo 20.000-ti deo izlazne amplitude komparatora.
To je veoma mali napon koji će izazvati na izlazu komparatora -1 i odmah prevrnuti polaritet mosta tako da se isključe M1 i M3 a uključe M2 i M4.
Komparator je "video" neki poremećaj na izlazima, ali sada već kroz kalemove teče neka struja, i nastaviće da teče i dalje u istom smeru, poput nekog predmeta koji se kreće, kome prvo moramo da potrošimo kinetičku energiju kočeći ga guranjem, pa tek potom mogli da mu promenimo smer kretanja.
Ta inercija, nalik inerciji mase u fizici, nastaviće da povećava razliku između izlaza sve dok se prvo ne potroši (vrati u napajanje) energija u kalemovima, tek potom će "da posluša" već prebačen H most u suprotan polaritet, pod dejstvom komparatorovog "saznanja" o poremećaju izlaza.
Dakle, ulaz komparatora biva "overen" što bi se u literaturi reklo "input overdrive". Odnosno imamo već histerezis, kog niko nije namestio na komparatoru, već koji se formira zbog KAŠNJENJA izlaza u odnosu na promene na mostu.
Od vremena tog kašnjenja će zavisiti centralna frekvencija ovakvog class-D ampa, čije će globalno pojačanje biti A=5 (posledica atenuatora 5:1), a to vreme kašnjenja će zavisiti od LC elemenata izlaznog filtera.
U jednom momentu će se nagomilana energija vratiti sva u napajanje, potom će struja početi da menja smer u kalemovima, pod posledicom već promenjenog polariteta na mostu. Izlaz će početi da opada, potom pokušati da se poremeti na negativnu stranu.
Komparator će naravno to "videti" neposredno po prolazu kroz nulu, ali opet imamo energiju u kalemovima i dejstvo prevrtanja polariteta mosta će biti odloženo razmenom energije kalmovi-napajanje.
I sve tako u krug.
Sprava će oscilovati na centralnoj frekvenciji sa tačno 50% pwm (setimo se da nam je ulaz NULA), gde je na mostu pravougaoni napon sa 50% pwm tačno, a kroz kalemove teče trouglasti oblik struje, fazno pomeren za 90 stepeni u odnosu na pravougaoni napon na mostu.
Na izlazu iz filtera (izlazi LF_out_A i LF_out_B) će se pojaviti maleni trouglasti naponski ripple, čija će veličina zavisiti od centralne frekvencije (LC dimenzije filtra) i veličine kružnog pojačanja sistema (u ovom slučaju 20.000 puta).
Naizmenična struja kroz kalemove je značajna (zato je bitan kvalitet jezgara), srednja DC struja kroz oba je jednaka nuli, a energija iz kalemova se besprekidno razmenjuje između kalemova i napajanja, sa vrlo malim gubicima i pored značajne recirkulacije, jer izgubiće se samo ono što se izgubi na: Rds_on, sw. gubicima mosfeta, DC i sw. gubicima kalemova i kondenzatora, a to je relativno malena vrednost jer setite se da class-D ima tipičan KKD iznad 90%.
------------------------------
Sada zamislimo da smo iznenada doveli tačno +1V na Audio_in. Komparator će odmah videti da je izlaz niži od očekivanog i uključiće M1 i M3.
Struja kalemova će početi da raste (sve vreme traje impuls sa uključenim M1 i M3) sve dok se na izlaznom potrošaču ne dobije tačno 5V (setite se da komparator vidi 1/5 izlaznog napona zbog atenuatora, dakle POJAČANJE našeg class-D ampa je A=5). Naravno, kada se dostigne tih ciljnih +5V na izlazu, izlaz će (iz malopređašnje priče) malkice preskočiti tu vrednost, zbog onog kašnjenja, potom nastaviti da osciluje sa pwm i frekvencijom koji tačno zadovoljavaju tih +5V (sa onim malenim ripple) na izlazu, po svaku cenu (minimalno zavisi od veličine opterećenja) .
Naš class-D pojačavač možemo posmatrati kao "crnu kutiju" koja ima: Audio_in, NFB kroz diff amp i atenuator, i izlaze A i B. Unutar kutije se vrši dvostruka konverzija signala: iz analognog u digitalni (konverzija u pwm), potom nazad u analogni, sa izvesnim pojačanjem (u našem slučaju A=5) iza filtera.
Svaku naponsku vrednost na Audio_in, ispratiće po svaku cenu kao petostruku vrednost ulaznog napona, sa korespodentnim polaritetom.
Dakle, imamo još jedan zaključak: class-D amp se može koristiti i za DC napone i struje, i to kao pravi četvorokvadrantni izvor.
--------------------------
Sada ću objasniti reverzibilnost takvog ampa, tj. njegovu sposobnost za tok energije u oba smera (od napajanja ka izlazu i od izlaza ka napajanju).
Neka nam na Audio_in opet bude nula volti. Razlika između izlaza A i B je nula (s maleckim ripple), izlazna impendansa je zbog konstantne razmene energije i jake NFB veoma niska, maltene teži kratkom spoju (možete slobodno utvrditi ommetrom kada je na izlazu ampa nula).
Amp dakle teži da po svaku cenu očuva nulto stanje izlaza, prateći povratnom vezom stanje izlaza i korigujući besprekidno pwm tako da održi ciljno stanje bez obzira šta to mi radili sa izlazom.
Ako je na izlazu potrošač, onda kroz kalemove i kroz potrošač neće teči nikakva DC struja, već samo reaktivna AC struja koja se baš uvek i u svakom slučaju ulaza i izlaza, konstantno razmenjuje sa napajanjem.
Sada ćemo prikačiti neki izvor struje na sam izlaz ampa. Izvor će pokušati da izazove DC struju kroz kalemove, pošto je naša impendansa izlaza toliko niska da teži nuli, i ponaša se maltene kao kratak spoj.
U kalemovima će se pojaviti DC struja koja nije poreklom od samog ampa, komparator će videti malenu promenu na izlazu, pošto Ri ipak nije nula, pomeriće pwm u smeru kompenzacije našeg pokušaja upumpavanja struje u izlaz, na takav način da pokuša da potpuno "usisa" struju koju mi "uguravamo".
Sada oba polumosta više nisu sinhroni buck, već postaju sinhroni boost. Višak energije koji se od spolja pojavio u kalemovima, biće "prepumpan" u napajanje, tj. ako je to običan ispravljač sa grecom elko, napon napajanja će početi da raste težeći beskonačnom, a ako je izvor napajanja akumulator, onda će se on puniti pošto kroz njega može teći struja i u drugom smeru.
Prepumpavanje u napajanje će se dogoditi kod bilo kakve , spolja ponuđene, razlike napona izlaza, bez obzira na polaritet našeg pokušaja da promenimo stanje, u odnosu na ulazom zadati ciljni napon (Audio_in x 5).
Dakle, ovakav class-D je četvorokvadrantna naprava, sposobna da vrši razmenu energije između napajanja i izlaza, u potrebnom smeru, za bilo koji polaritet napona i struja na izlazima (može biti na primer pozitivan polaritet izlaza a pri tom negativna struja izlaza, sve 4 kombinacije su u opticaju kod četvorokvadrantnih naprava, kako im i samo ime kaže).
------------------------
Oko modulacije ovakve naprave:
1) Invertorski rad našeg class-D, samo sa pasivnim potoršačem na izlazu:
Kada nam je na primer potreban sinusni napon za neki potrošač na izlazima A i B od recimo +-5Vpk, na Audio_in ćemo dovesti sinusni napon od +-1Vpk. Na potrošaču će se dobiti +-5Vpk, korespodentnog oblika i frekvencije kao što je na ulazu.
------------
2) Generatorski rad i (ili) invertorski rad našeg class-D, sa bilo kojim oblikom potrošača na izlazu:
Ako nam se na izlazu nalazi na primer AC generator sa +-5Vpk, imaćemo sledeća tri slučaja:
- Prvi slučaj, slučaj ravnoteže:
Ako na ulazu Audio_in imamo sinus od tačno +-1vpk koji je FAZNO SINHRONIZOVAN sa tim spoljnim generatorom, razmene energije neće biti ni u jednom smeru. Status kvo - samo će se recirkulisati ono što se inače recirkuliše.
- Drugi slučaj, generatorski rad:
Ako na Audio_in imamo samo nijansu manji napon od tih pretpostavljenih +-1Vpk, fazno sinhronizovan sa spoljnim generatorom, naš amp će pumpati energiju iz tog spoljnog izvora u naš akumulator. Količina prepumpane energije je srazmerna razlici pretpostavljenog napona na ulazu u odnosu na ono što namestimo. U prevodu, kako smanjujemo amplitudu ulaznog napona, koji je fazno sinhronizovan sa spoljnim generatorom, tako nam raste količina energije koja se iz spoljnog AC generatora pumpa u akumulator.
- Treći slučaj, invertorski rad:
Ako je na Audio_in amplituda fazno sinhronizovanog napona sa spoljnim AC generatorm samo nijansu veća od onih pretpostavljenih +-1vpk, počeće pumpanje energije iz akumulatora u AC generator. Količina energije koja se pumpa u AC generator je srazmerna razlici pretpostavljene i nameštene amplitude Audio_in. Što je veća amplituda od onih +-1vpk, veća količina energija če prelaziti iz aku u AC generator.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Dakle, upravljanje class-D ampom u svrhe generatora ili invertora je krajnje jednostavno:
- barata se samo amplitudom sinusnog napona na Audio_in, a kada se pojavi spoljni AC izvor (napon iz mreže na primer) onda fazno sinhronizujemo naš sinus na Audio_in i amlitudom namestimo količinu i smer toka energije (naravno da ćemo birati punjenje aku a ne ubrzavati Đerdap :-).
Da bi se to ostvarilo potrebno je imati merenje i limiter struje izlaza, u bilo kom smeru (šent ili CT). Generator u MCU koji besprekidno generiše sinusni napon varijabilne amplitude i frekvencije 50Hz, koji je sposoban da se fazno sinhronizuje sa eventualnim spoljnim izvorom (mrežom), tj. poklopićemo prolaze kroz nulu. Detektovanje prisustva mrežnog napona i prklapanje našeg invertora na njega, radi punjenja, sa istovremenim preklapanjem potrošača direktno na mrežu, pri ćemu ćemo se sinhronizovati sa mrežom i amplitudom generisanog sinusa namestati tok punjenja akumulatora, onoliko inteligentno koliko smo sposobni napraviti algoritam: punjenja, pražnjenja, kontrole kapaciteta i šta god, jer na raspolaganju imamo Đerdap kao potrošač ili izvor za naš aku i proizvoljni smer i veličinu toka energije između ta dva objekta (naravno u granicama sposobnosti našeg class-D).
Drugi slučaj je grid invertor, tj. invertor koji je stalno zakačen na mrežu i obično se koristi na mini elektranama raznih tipova. Takav je stalno sinhronizovan sa mrežom i vrši usmeravanje toka energije prema zakonima ponude i potražnje
- kad mi imamo viška onda šaljemo u mrežu i to naplaćujemo, kad imamo manjka onda uzimamo i plaćamo elektrodistribuciji.
To sve radi class-D pojačavač, i to na dva moguća načina:
- sa visokonaponskim visokofrekventnim pretvaračem, gde su samo feritna jezgra u opticaju i mnogo složeniji zakoni upravljanja za bar dva pretvarača u sistemu, pri čemu se radi sa HV, što podrazumeva kompleksno i vrlo oprezno (uz mnoogo potrebnog znanja) baratanje sa takvim stvarima.
- Ili primena niskonaponskog class-D ampa, koji napaja običan "gvozdeni" transformator za 50Hz, prikačen poput zvučnika. Taj slučaj je i pored solidne težine i glomaznosti transformatora, vrlo pristupačan amaterskoj izradi, jer je pošteđen rukovanja i projektovanja oko napona većih od 12-24V (osim relativno sitnih detalja u vezi releja na 230vac strani, koji manipuliše izborom gde će biti priključen potrošač, na mrežu ili na invertor).
Verujte mi na reč da nije jednostavno napraviti najprostije čopersko napajanje na 230Vac jer ima mali milion sitnih zamki oko: pobude, rasporeda i rutovanja veza, snubbers, bezbedonosnih margina, oscilatornih i prenaponskih pojava i tako dalje i tako dalje, a tek možete zamisliti kako na kub rastu svi ti problemi kod HV, sa tako složenim oblikom modulacije poput pwm nosioca modulisanog LF sinusom. Već samo drajvovanje postaje jako zahtevno jer mora raditi u veoma širokim granicama devijacije pwm. Predlog sa "gvozdenim"trafoom i class-D ampa na strani akumulatora je lagano za rešavanje i ne zahteva neko preterano znanje, jedino se programeri jednom moraju malo pomučiti. Sve je to neuporedivo lakše i jednostavnije sa niskim naponima.
-----------------------------------------------------------------
Pretpostavimo da imamo akumulator od nominalnih 12VDC i da želimo invertor na 230Vac od na primer 200VA snage.
Treba nam jedan trafo od 200VA, čiji je jedan namotaj dimenzionisan za 230Vac, a drugi za 7Vrms.
Zašto 7Vrms? Zato što je akumulator upotrebljiv do min. 11V i možemo pretpostaviti gubitak možda najviše od 1V na mosfetima, kablovima, otporu primara etc.
Sa H mostom možemo maksimalno ostvariti pri 11V akumulatora teoretskih +-11Vpk napona sinusa, minus onaj potencijalno izgubljen 1V, dakle +-10Vpk. To je 7,07Vac efektivne vrednosti na primaru. Onda ćemo imati na sekundaru 230Vac, koji čak u nekim granicama možemo i stabilisati.
Kod dovođenja mrežnog napona na izlaz našeg invertora, u cilju punjenja aku, na primaru, koji sad postaje sekundar, pojaviće se +-10Vpk i ispraviti na kontradiodama u našem H mostu. Ta amplituda neće puniti aku bez naše izričite želje. Odnosno, na punjenje se možemo odlučiti namestanjem amplitude singronizovanog sinusa na ulazu class-D, i to sa proizvoljnim algoritmom i performansama...
Class-D mora biti sposoban za +-40Apk ili oko 29Arms, a potrošnja iz akumulatora će biti oko 19A ako imamo KKD od na primer 90%
Može se napraviti class-D sa onim konceptom kao sa slike: komparator, drajveri i mosfeti, gde se sinus može generisati sa LP filtrom sa nekim prostijim MCU (pwm kao D/A ili D/A ).
Može se takođe napraviti direktan pwm iz nekog moćnijeg MCU, gde se sinusni ulaz za class-D formira virtuelno.
Može se napraviti i potpuno analogno sa sinusnim RC oscilatorom i OTA kao kontrolerom amplitude...
Merenje struje se može izvršiti šentom ili daleko ekonomičnije nekim najobičnijim strujnim trafoom, koji se lako može napraviti od nekog malog mrežnog trafoa, dok merenje stanja mreže se vidi sa izlaza class-D jer je to prikačeno na glavni trafo i tu se preslikava onaj drugi namotaj.
-----------------------------------------------------------------
Na primer, sa nekim sinusom kog generišemo kao ulaz class-D (virtuelno ili hardverski, sve jedno) od na primer amplitude +-1 (ili +-1 Vpk) imaćemo +-10Vpk na primaru glavnog trafoa, trafo ima normalan prenosni odnos i na izlazu će biti 230Vac (+-oko 324Vpk). Nas interesuje pojačanje našeg class-D, ono sa ulaza koji je 1, formira izlaz koji je 10, dakle A=10.
Dakle, ako želimo da proizvedemo 230Vac, referentni ulaz nam je 1. Ukoliko želimo da povećamo izlazni napon, onda povećamo vrednost otg referentnog sinusa.
Kada želimo da punimo aku, kod prisutne mreže na namotaju od 230Vac, onda smanjimo naš referentni sinus ispod 1 da bi se dogodilo punjenje. Jednostavnije je naravno pratiti struju koja se plasira ka aku, pa prema tome namestati referentni sinus, radi dimenzionisanja željene struje, a da nam pri tom ne smetaju varijacije mrežnog napona, jer referentni sinus uvek mora biti u nekoj fiksnoj srazmeri sa mrežnim naponom da bi smer i količina toka energije bili poznati. Kraj punjenja bi se prepoznao merenjem napona na aku i potom ili isključio pwm ili referentni sinus održavati na tačnoj srazmeri prema mrežnom naponu (slučaj ravnoteže sa konstantnim održavanjem nekog stanja na aku).
Toliko od mene za sada.
Pozdrav,
Macola
.
.
