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Gli SNUBBER, questi sconosciuti...

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Gli SNUBBER, questi sconosciuti...

Messaggioda Foto UtenteSte75 » 3 feb 2012, 17:35

Ciao a tutti.
Parto da una paragrafo scritto in un documento UNITRODE sugli snubber (slup100).
Riscrivo l’articolo e lo evidenzio in corsivo/blu.
Aggiungo dei miei ragionamenti ma anche delle domande (in grassetto/rosso).
Se qualcuno vuole rispondere almeno so se ho ragionato bene o meno…

Articolo:
Assume that the primary of a forward converter trasforer has an unclamped leakage inductance of 2uH and the power mosfet as an output capacitance of 330pF.
One ampere flowing in the switch at turn off will produce a voltage spike of 78 volt above Vcc if there is no damping in the circuit.


OK, mi torna.
Infatti l’energia immagazzinata in una induttanza di 2uH caricata a 1A è

E = \frac{1}{2} \cdot L \cdot I^2

Ovvero 1uJ.

Questa energia, se NON ho resistenze dissipative, la “passo” al condensatore tutta. Quindi il condensatore si trova ad avere ai sui capi una tensione di: 78V, ottenta da

E = 1uJ = \frac{1}{2} \cdot C \cdot V^2

Dalla quale trovo la tensione.


Articolo:
The ringing frequency will be 6.2 MHz.


OK, mi torna:
La frequenza di risonanza di un circuito LC è:

f_{res}  = \frac{1}{{2\pi \sqrt {L \cdot C} }} = 6.2MHz

Aggiungo io: senza componenti resistivi (caso ideale) questa frequenza a 6.2MHz di ampiezza in tensione sul C di 78V continuerebbe all’infinito.

Domanda 1: giusto o sbagliato?

Articolo:
The caracteristic impedence of the LC tank is 78 ohm.


Ahia... vediamo se ci arrivo. Mi torna che a 6.2MHz, la reattanza capacitiva = reattanza induttiva = 78ohm; questo ottenuto da

X_c  = \frac{1}{{2\pi C}} = X_L  = 2\pi L

Domanda 2: giusto dire che la reattanza capacitiva=quella induttiva = 78ohm. C’è forse un segno meno che balla?

Poi pero dico: l’articolo dice che “l’impedenza caratteristica del tank LC è…

Domanda 4: è giusto dire che l’impedenza caratteristica del tank LC è NULLA alla freq di risonanza?

Articolo:
If a 1000pF capacitor is added in parallel with the switch, the riniging frequency will decrease to 3.1MHz.


Ok mi torna: adesso la capacità che entra in gioco nella risonanza è 1330pF quindi la frequenza diventa 3.1MHz.

Domanda 5: giusto?

L’articolo poi non mi dice a che valore andrebbe la tensione sul condensatore ma, aggiungo io, penso si abbassi in quanto la C sale.
Da

E_c  = \frac{1}{2} \cdot C \cdot V^2

con il nuovo C, ottengo la nuova tensione di 39V.

Domanda 6: quindi posso dire che, sempre senza alcuna resistenza dissipativa (caso ideale) adesso ho una frequenza infinita che oscilla alla freq di 3.1MHz di ampiezza 39V?

Articolo:
If 78 ohm are added in series with the new capacitor, the ringing will disappear.


Ecco, qui mi fermo nello spiegare il motivo :( .

O meglio: immagino che, aggiungendo una resistenza dissipativa, la mia famosa frequenza (ora a 3.1MHz di ampiezza 39V) si vada ad estingure in un certo tempo (per ora non mi importa questo dato).
Ma perché devo mettere proprio quel 78 ohm cioè il valore della reattanza induttiva/capacitiva alla freq di risonanza?

Mah… al solito se mi date quache stimolo da seguire, provo ad arrivarci da solo…
Ciao
Stefano
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[2] Re: Gli SNUBBER, questi sconosciuti...

Messaggioda Foto Utentespud » 3 feb 2012, 20:15

Ciao, cerco di darti la mia versione delle risposte :D

Risposta1:

per definizione si ha:

X_C = - {1 \over 2\pi f C

X_L = 2\pi f L

Risposta2 e 4:
la condizione di risonanza (risonanza serie in questo caso) impone che le reattanze siano uguali in modulo, non possono avere lo stesso segno perché la definizione lo impedisce; è giusto dire che in condizione di risonanza serie la rete si comporta come un lato cortocircuitato quindi è anche giusto dire che l'impedenza caratteristica è nulla.

Risposta5:
non ho ben capito, non ho lo schema sotto mano ma se aggiungi una capacità in parallelo non si esce dalla condizione di risonanza?

Risposta6:
si, oscilla all'infinito alla frequenza di risonanza e al valore di picco di tensione che trovi con la conservazione dell'energia.

Spero di non aver scritto cavolate, ciao O_/
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[3] Re: Gli SNUBBER, questi sconosciuti...

Messaggioda Foto Utentecarloc » 3 feb 2012, 23:04

1) direi che è giusto...

2-4) se dici X_\text{C}=X_\text{L} alla risonanza ovviamente sottointendi in modulo e in questo concordo con Foto Utentespud, però alla risonanza serie l'impedenza è zero, l'impedenza caratteristica è definita comeZ_0=\sqrt{\frac{L}{C}} ed è indipendente dalla frequenza. E tra parentesi viene giusti 78ohm.
Questa quantità si può ad esempio usare per calcolare lo smorzamento che si ottiene collegando in serie una resistenza R.... \zeta=\frac{R}{2Z_0}
Ad esempio se (con C=330pF) metti una R=78ohm ottieni uno smorzamento di 0.5, quindi un certo ringing
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5) direi giusto, quadruplicato condensatore => dimezzata frequenza (e impedenza caratteristica)

6) direi giusto

e infine se ora con Z_0=39\,\Omega e R=78\,\Omega si ottiene \zeta=\frac{78\,\Omega}{2\times39\,\Omega}=1 cioè due poli reali coincidenti, niente ringing, transitorio esponeziale
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Edit: aggiunte immagini
Se ti serve il valore di beta: hai sbagliato il progetto!
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[4] Re: Gli SNUBBER, questi sconosciuti...

Messaggioda Foto UtenteSte75 » 6 feb 2012, 12:41

Grazie a tutti. Anche per simulazioni.

Scusate le domande, magari banali... ma sto cercando di capire.

A questo punto di mi chiedo: ma è meglio ottenere come risultato finale un soluzione puramente esponenziale, o con ringing?
Cioè, a parità di tensione di picco (che non so... potrebbe darmi fastidio e rompere "l'interruttore") cosa mi conviene fare?
E poi, a questo punto, avendo capito che all'aumentare della capacità che metto in parallelo, il picco della tensione che risuona si abbassa... mi viene da dire che più grande è meglio è...
Ok che la frequenza della risonanza scende... ma a me che fastidio mi da? Meno "oveshoot ho, meglio è, no?
Mah ho paura che mi sfugga qualcosa...

Temo che le domande che mi nascono sono dovute al fatto che non ho ancora ben capito quale sia il vero "scopo" di uno snubber...
Cioè dove e come devo metterlo, perché, che effetto voglio che abbia, su chi?

Vado a studiarmi qualcosa... :oops:

Ciao e grazie
Stefano
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[5] Re: Gli SNUBBER, questi sconosciuti...

Messaggioda Foto UtenteSte75 » 6 feb 2012, 12:53

Aggiungo....

Penso di aver scritto una cavolata dicendo che la capacità di snubber la metterei "alta a piacere".
Infatti andando in parallelo normalmente ad uno "switch" (MOS o diodo) penso che ne rallenterebbe la commutazione... con tutti gli svantaggi che ne derivano...

Torna?
Ciao
Stefano
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[6] Re: Gli SNUBBER, questi sconosciuti...

Messaggioda Foto Utentelelerelele » 7 feb 2012, 12:43

Ste75 ha scritto:Aggiungo....

Penso di aver scritto una cavolata dicendo che la capacità di snubber la metterei "alta a piacere".


in effetti, se considerassimo solo la componente del carico, con ogni probabilità la capacità potrebbe essere grande a piacere,
a rischio di incorrere in costi ed ingombri inutili,
però se consideriamo che in una fase il componente attivo dovrà fare esso stesso i conti con questa capacità allora cambiano le cose;
se immagini un mosfet che satura su una capacità di qualche decina-centinaio di microfarad pensa al botto, questo implica limitare questa corrente transitoria e questa limitazione a sua volta avrà ripercussioni negative sul carico.

quindi mix equilibrato di capacità, induttanze, resistenze.
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[7] Re: Gli SNUBBER, questi sconosciuti...

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 7 feb 2012, 16:21

Gli snubber servono a tante cose, controllo della commutazione, in modo da far passare il punto di lavoro lontano dalle zone ad alta dissipazione, controllo delle sovratensioni (e sovracorrenti), controllo delle risonanze (ringing).

Quello di cui si parla qui sembra a meta` strada fra resonance damping e controllo della sovratensione.

Un gruppo risonante LC (secondo ordine) ha una impedenza caratteristica (come quella di un cavo coassiale, non dipende dalla frequenza) pari a Z_0=\sqrt{\frac{L}{C}}, ed e` la reattanza che i due componenti hanno alla frequenza di risonanza. Ma la cosa non ci interessa qui.

Quando il gruppo LC ha come condizioni iniziali solo corrente nell'induttanza I_L(0)e parte da condensatore scarico, il picco di tensione sul condensatore vale V_C_{pk}=I_L(0)Z_0, da cui il risultato dell'articolo, senza passare per l'energia. Il conto si puo` fare anche a rovescio: se la condizione iniziale e` solo sul condensatore con una tensione V_C(0) e l'induttanza e` inizialmente scarica, la corrente di picco che si avra` sull'induttanza dopo un quarto di ciclo, con il sistema che risuona, e` I_L_{pk}=V_C(0)/Z_0. La pulsazione di risonanza e` al solito \omega=\frac{1}{\sqrt{LC}}, il tutto sempre che il Q sia abbastanza elevato, altrimenti bisogna andare piu` nei dettagli (avevo scritto un vecchio post in proposito). Un esempio di risonanza si ha qui

12052009sm.jpg
12052009sm.jpg (70.88 KiB) Osservato 5187 volte


La risonanza da` problemi perche' puo` essere sorgente di disturbi elettromagnetici, e quindi si cerca di smorzarla tipicamente con una resistenza in parallelo al risonatore. Per non dissipare potenza in continua, in serie alla resistenza di smorzamento si mette un condensatore.

Il valore della resistenza di snubber deve essere tale da smorzare il circuito risonante. Il fattore di merito Q di un circuito risonante con resistenza di smorzamento in parallelo vale Q=\frac{R_p}{Z_0}. Il fattore Q dice anche quante oscillazioni fa il sistema prima che l'ampiezza si sia ridotta di un fattore \exp(-\pi)

Per avere uno smorzamento abbastanza deciso, senza pero` perdere troppa potenza, si sceglie di avere un fattore di merito dalle parti di .7<Q<1 mettendo una resistenza di damping pari alla impedenza caratteristica Z_0 o poco meno. Il condensatore in serie alla resistenza e` scelto per minimizzare le perdite nella resistenza, senza attenuarne gli effetti di damping, e di solito lo si mette fra 6 e 8 volte la capacita` che sta creando la risonanza.

Il risultato e` qui:

12052009(002)sm.jpg
12052009(002)sm.jpg (62.22 KiB) Osservato 5187 volte


Questi sono gli snubber di smorzamento delle risonanze. Quelli per il controllo delle sovratensioni possono essere fatti nello stesso modo, ovviamente con altri calcoli, per circuiti "lenti" che commutano poco di frequente. Ad esempio un transistore che comanda un rele` puo` essere snubbato per la sovratensione con un RC.

Invece nei circuiti switching, a causa dell'alta frequenza di commutazione, si usano degli altri circuiti, sempre chiamati snubber, ma che non stressano il transistore in chiusura.

Per gli snubber rimando alla bibbia di Severns, citata nella Biblioteca di EY
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