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Sensing di corrente con media

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[31] Re: Sensing di corrente con media

Messaggioda Foto UtenteSte75 » 21 mar 2012, 17:27

Ah!
Ok, per discorso della tensione di modo comune, poi avremmo risolto seguendo il tuo consiglio con la soluzione come questa:



Per quanto riguarda la soluzione della resistenza di sense "in alto" a questo punto mi pare di capire che le cose si complicano... quasi che convenga passare a sentire la corrente sul source del MOS e usare questa come feedback (poi ci sarà da capire come).

Per quanto riguarda il ripple sul Cout...
A parte l'inserire anche la ESR del C elettrolitico che aggiungerebbe ripple in uscita (V=ESR*Ic), sinceramente non ero molto convinto di quello che ho scritto prima ... e non lo sono tuttora... Per cercare di capirci qualcosa è tutto pomeriggio che cerco di ricavarmi questa relazione:

C=\frac{\Delta I_L}{8f_s \Delta U_o}

ma non so da dove venga fuori...
Riesci a darmi qualche dritta?

Provo però a spiegarti cosa non capisco: nelle trattazioni che ho letto in rete, tipo questa

http://encon.fke.utm.my/nikd/SEM4413/AnalysisConverter-buck.pdf

dove come risultato finale danno la legge sopra scritta, non mi è chiaro perché impongono che la Ic debba essere \Delta I_L /2 positiva e \Delta I_L /2 negativa (area verde).
Forse perché all'inizio assume che "The capacitor is large enough to assume a constant output voltage", quindi stà supponendo un ripple di corrente in uscita NULLO e allora potrebbe essere che la corrente nel condensatore sia anche lui \Delta I_L ??
Ma poi se risulta che ho un certo ripple sul Cout... allora il ripple sul carico non è più nullo, quindi non vale ciò che ho scritto...

mah!
Stefano
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[32] Re: Sensing di corrente con media

Messaggioda Foto UtenteEnChamade » 21 mar 2012, 17:31

IsidoroKZ ha scritto:Nell'ultimo post invece hai detto una cosa sbagliata, poi mi pare che non l'abbia ripresa e usata. Se hai nell'induttanza un ripple di corrente di 200mA e vuoi un ripple nei led di 100mA, allora il condensatore deve assorbire gli altri 100mA. Questo e` sbagliato perche' stai usando Kirchhoff sulle correnti di picco, dove invece non vale perche' i due carichi (C e LED) sono uno capacitico e uno resistitivo.


Sono arrivato tardi... :D :D :D

Ste75 ha scritto:Non so se è corretto quello che ho scritto, ma non conoscendo ancora da dove nasce la relazione che avevi scritto, ho provato in un altro modo.

La formula che io ti ho citato deriva da un ragionamento uguale a quello che hai fatto tu, supponendo però che il C sia di dimensione tale da rendere il ripple di corrente sul carico trascurabile. Con questa approssimazione, puoi considerare che l'intera componente di ondulazione della corrente dell'induttore venga "assorbita" dal condensatore mentre la componente media scorra sul carico. Applicando quindi la legge del condensatore arrivi alla formula da me citata.

IsidoroKZ ha scritto:La formula che ti ha fornito EnChamade mi pare la abbia capita, e vale solo per i condensatori ceramici. Se usi degli elettrolitici il termine importante, quello che determina il ripple, non e` la capacita` ma la ESR. Alla frequenza di lavoro praticamente qualunque elettrolitico si comporta come una resistenza.

E qui si vedono i pistoni roventi del sommo felino. iOi iOi iOi iOi iOi iOi iOi
Ho una domanda: mettiamo che io debba inserire per forza un elettrolitico. Come faccio a mitigare gli effetti della ESR? Mi viene da pensare, metto in parallelo un ceramico. Può andare?
Appena avrò un secondo di tempo ci ragiono un po' su questo aspetto, cercando anche di tirare fuori qualche relazione... poi, magari, ti posso chiedere se qualcosa non mi è chiaro?
Ultima modifica di Foto UtenteEnChamade il 21 mar 2012, 17:38, modificato 1 volta in totale.
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[33] Re: Sensing di corrente con media

Messaggioda Foto UtenteSte75 » 21 mar 2012, 17:38

EnChamade ha scritto:Ho una domanda: mettiamo che io debba inserire per forza un elettrolitico. Come faccio a mitigare gli effetti della ESR? Mi viene da pensare, metto in parallelo un ceramico. Può andare?
Appena avrò un secondo di tempo ci ragiono un po' su questo aspetto poi, magari, ti posso chiedere se qualcosa non mi è chiaro?


Qui, qualche idea c'è l'ho :lol:
A parte la soluzione "stupida" di trovare C EL a basso ESR, potremmo metterne più di un ELETTROLITICO in parallelo... In questo modo le due ESR vanno in parallelo e si abbassano.

Ho anche letto come hai trovato la famosa relazione... OK allora è come ho trovato nel documento che ho linkato, però poi l'assunzione fatta non risulta vera. Comunque, OK.

Vado avanti a studiare...
Ciao
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[34] Re: Sensing di corrente con media

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 22 mar 2012, 7:23

Mettere condensatori in parallelo qualche volta porta male, piu` spesso porta peggio!

Le ragioni per cui evito di mettere condensatori in parallelo (con qualche eccezione) sono che tutti i condensatori hanno una induttanza serie. Se si mettono due condensatori in parallelo si forma un sistema che nell'impedenza oltre agli zeri complessi coniugati ha anche due poli complessi coniugati in cui l'impedenza sale e il parallelo non filtra piu`. Vedere i grafici ad esempio qui.

Questo puo` dare origine a risonanze non volute, esaltazione di energia a certe frequenze, problemi di suscettibilita` elettromagnetica... E` una abitudine abbastanza normale per i condensatori di disaccoppiamento dell'alimentazione mettere in parallelo un elettrolitico e un ceramico, ma lo sconsiglio. Quello che si puo` fare e` mettere un ceramico per ogni integrato e un elettrolitico per tutta la piastra. Questa soluzione ha un senso.

Analog devices in molte applicazioni fa vedere sulle alimentazioni degli operazionali un elettrolitico e un ceramico: io lo sconsiglio. Linear Technology invece in un'altra applicazione fa vedere i problemi di mettere due condensatori diversi in parallelo.

Per quanto riguarda il mettere in parallelo piu` condensatori elettrolitici uguali, il problema e` che non e` detto che la corrente di ripple si divida uniformemente fra tutti i condensatori. Mi e` capitato di vedere dei banchi di elettrolitici in cui i primi due erano caldi, gli altri freddi.

Se si mettono in parallelo degli elettrolitici per aumentare la corrente sopportabile, e` necessario che siano elettrolitici identici e il layout deve essere progettato il modo da favolrire la distribuzione uniforme della corrente di ripple.

Il caso in cui si possono mettere in parallelo i condensatori senza problemi e` se si lavora a bassa frequenza, e i condensatori sono usati come riserva di carica.
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[35] Re: Sensing di corrente con media

Messaggioda Foto UtenteEnChamade » 22 mar 2012, 18:47

Scusate la scarsa reattività di questi giorni (e della prossima settimana). Purtroppo ho avuto a disposizione 5 giorni di luce di sincrotrone e devo sfruttare al massimo il tempo concessomi...

Ste75 ha scritto:Per quanto riguarda la soluzione della resistenza di sense "in alto" a questo punto mi pare di capire che le cose si complicano... quasi che convenga passare a sentire la corrente sul source del MOS e usare questa come feedback (poi ci sarà da capire come).

Senz'altro sarebbe meglio una soluzione con prelievo di corrente sul source del MOSFET ma, almeno da come la penso io, allora conviene prendere un controllore integrato e realizzare il progetto...
In realtà, con questa discussione, mi sto divertendo un mondo e mi piacerebbe perseguire una strada alternativa: si imparerebbe divertendoci che, se non vado errato, è anche un po' lo spirito di questo Forum. A tale proposito, non si può considerare lo schema di principio che avevo messo nel post [17]? In sè racchiude un po' tutte le cose che ci siamo detti fino a qui e, secondo me, dovrebbe funzionare senza grossi problemi. Ovviamente attendo un commento del nostro sommo felino! :-) :-) :-) :-) :-)

Ste75 ha scritto:Ho anche letto come hai trovato la famosa relazione... OK allora è come ho trovato nel documento che ho linkato, però poi l'assunzione fatta non risulta vera.

E' senz'altro un'approssimazione di quello che accade nella realtà. Ma dopo tutto, molte volte ti trovi a dover compiere delle approssimazioni pur di ottenre una forma chiusa...

IsidoroKZ ha scritto:Mettere condensatori in parallelo qualche volta porta male, piu` spesso porta peggio!

Probabilmente, a fronte di questo mastrodontico "information rate", il ricevitore (io) ha perso qualche pacchetto... Quindi, se non ho capito male, in generale tu consigli di mettere un elettrolitico e poi dei ceramici sparsi nei punti salienti. Ma su questo non trovo in quello che hai detto una risposta precisa sul caso generale di un convertitore: se ho la necessità di inserire un elettrolitco come filtro d'uscita in un convertitore, allora dovo realizzare un banco di capacità selezionandole a priori in modo che siano uguali? Questa è l'unica cosa che posso fare? Metto comunque il ceramico? Scusami se ti tempesto di domande, ma queste cose non si trovano proprio scritte da ogni parte... :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen:
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[36] Re: Sensing di corrente con media

Messaggioda Foto UtenteSte75 » 23 mar 2012, 11:42

Ciao Foto UtenteEnChamade.

Riprendo il discorso sulla funzione di trasferimento dell'intero sistema.
Assolutamente io non ho fretta... e questo permette di prendere la cosa nel modo giusto e farla maturare pian piano. In più mi piace considerare la cosa come un "imparare divertendosi", per questo anch'io vorrei provare a continuare sulla strada iniziata.

Parto dallo shema che avevi postato e metto i valori finora definiti (teniamo comunque presenti le osservazioni di Foto UtenteIsidoroKZ fatte sul C elettrolitico).
Poi, se non ho sbagliato, ho anche cerchiato le parti di schema relative al tuo schema a blocchi.
Noi ora stiamo "studiando" il blocco Gi(s):




Volevo fare una osservazione sul BUCK che avevo fatto tra me e me tanto tempo fa quando studiavo un po' sul buck converter.

Dunque, se uno si studia la trattazione del buck, di solito trova il procedimento standard in cui si impone di lavorare in stato stazionario, quindi poi impone che \Delta VL_{ON}  \cdot t_{on}  = \Delta VL_{OFF}  \cdot t_{off} , quindi trova l'andamento della corrente nel tempo ecc..
Poi aggiunge il Cond di uscita imponendo il ripple di tensione... come abbiamo scritto ieri...

Invece io avevo ragionato cosi:
Partendo da questo schema




mi ero detto: Sostituisco Vin, MOS e diodo con un generatore onda quadra di ampiezza Vin (0-Vin). Questo perché quando il MOS è spento, il diodo è acceso e ho 0 volt ai suoi capi, quando il MOS è acceso, ho Vin. E questa onda quandra la applico ad un filtro LC.
Dopo il filtro LC ho il carico.
Poi ho detto: l'onda quadra in "ingresso" al filtro LC la posso scomporre nella sua componente continua e la sua componente "alternata", a valor medio nullo.
La componente continua di un'onda quadra di una certa frequenza e di un certo duty, è il suo valor medio, ovvero Vin*duty.
Poi ho la componente alternata che è centrata intorno allo 0 di valore +Vin/2 -Vin/2.


A questo punto: la continua sul filtro LC passa inalterata, senza essere attenuata (anche al variare del carico). La componente alternata viene più o meno filtrata in funzione di L,C e R out.
In questo modo avevo la "conferma" che un buck converter, ragionando nel modo sopra scritto, non fa altro che fornirmi in uscita una tensione pari a Vin*duty, più o meno rippolata.
Non sono poi stato molto a entrare nel dettaglio sul fatto che L/C fosse un filtro del secondo ordine... poli... zeri.... mah!
Per me filtra.
Poi invece, sul buck sono tornato ad utilizzare la trattazione standard cioè analizzando prima la sola corrente nella induttanza (triangolare) e poi aggiungendo la capacità per livellare.
E su questo ultimo punto... come si è capito... non sono nemmeno stato a diventare matto: quando avevo detto "sparo un valore di capacità" era prorpio cosi...:-) Devo solo aggiungere una capacità per diminuire il ripple sul carico (che altrimenti sarebbe un ripple triangolare di tensione) ... più grande la metto... meglio è!
Si capisce quindi che non ho MAI dato peso a poli, zeri, ritardi oscillazioni ecc...

Ora, torno al tuo post [26] dove sei arrivato a scrivere:

G_{ud}(s)=\frac{u_o}{d}=\frac{U_i}{1+s\frac{L}{R}+s^2LC}

lavorando su uno schema come questo:





Se ho capito bene qui è una cosa diversa. Cioè tu scrivendo che posso mettere come ingresso un generatore pari a Vin*D hai già tenuto presente tutto quello che ho scritto prima.
Poi dici, adesso D può variare nel tempo, nel senso che potrà variare introno ad un suo valore...e scrivi D+d. E quindi, se ho capito, vuoi sapere come l'uscita in tensione cambi, nel tempo, a fronte di una variazione del duty cicle.
Ho interpretato bene?

Se si, a che scopo?

Ciao
Stefano
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[37] Re: Sensing di corrente con media

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 23 mar 2012, 20:24

Si`, hai interpretato bene.

Lo scopo e` di scrivere la funzione di trasferimento fra (le piccole variazioni del)la tensione di uscita (o la corrente di uscita) e (le piccole variazioni del) duty cycle.

La frase precedente va letta con quanto scritto in parentesi quasi sempre, eccetto che nel buck, in cui si puo` eliminare quanto scritto fra parentesi perche' il buck e` lineare anche ad ampio segnale.

Al posto del duty cycle si puo` considerare la tensione di ingresso al modulatore PWM e aggiungere il guadagno del modulatore stesso.

La funzione di trasferimento del blocco di potenza serve per progettare il compensatore ed avere un guadagno di anello con le caratteristiche desiderate. Per fare questo si considerano solo i valori medi, non i valori istantanei. Cosi` si eliminano gli interruttori, e il modello perde la capacita` di rappresentare che cosa capita dentro a un ciclo (valori di picco, rms...) e il modello funziona solo fino alla frequenza di commutazione diviso due, ma ce n'e` da stravendere.
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[38] Re: Sensing di corrente con media

Messaggioda Foto UtenteSte75 » 26 mar 2012, 16:32

Ciao a tutti.
Ok, forse pian piano che ci ragiono sopra... un passo alla volta... inizia a diradarsi la nebbia che ho in testa su questi argomenti e riafforano i ricordi di corsi alle superiori/università.

Provo a riassumere per vedere ho capito.

Considero il blocco di uscita di una buck. Ovvero un filtro LC che "alimenta" un carico resistivo.



Questo doppio bipolo ha una sua funzione di trasferimento... o risposta in frequenza.
Dovrebbe essere:

G_{ud}(s)=\frac{Vout}{Vin}=\frac{Vin(s)}{1+s\frac{L}{R}+s^2LC}


Questa mi dice, a fronte di un segnale sinusoidale di ingresso di una certa freq f e ampiezza A, come me lo ritrovo in uscita (stessa frequenza ma con ampiezza e fase diversa).

Se in ingresso ho una onda quadra di ampiezza Vin e valor medio Duty*Vin, questa la posso scomporre nelle sue componenti in frequenza e vedere cosa mi trovo in uscita.
La fondamentale sarà a frequenza del PWM e poi le altre, tutte a frequenza maggiori.
Poi ci sarà anche la componente a frequenza zero, la componente continua.
Ovviamente questo quadripolo sarà dimensionato in modo che tutte le frequenza da un certo valore in poi vengano attenuate, e tra l'altro sempre più man mano che la frequenza aumenta. Se non sbaglio la frequenza di taglio di questo filtro è
\frac{1}{{2\pi  \cdot \sqrt {L \cdot C} }}.
Quindi mi vien da dire che se, nel nostro caso, la frequenza di lavoro era 50KHz, devo fare in modo di mettere la freq di taglio, un bel po' prima in frequenza... Quanto prima? Boh!
Però posso anche dire che, con l'altro "ragionamento" per dimensionare il BUCK, ho ottenuto L=330uH, C= 1.2uF che mi danno una frequenza di taglio a 8KHz.




Ora qui "me ne sto fregando" del fatto che i poli sono reali, immaginari, coincidenti, separati... giusto? Se non vado errato, al variare della resistenza di carico, avrò un Q diverso di questo filtro e quindi potrò avere una risposta in frequenza del filtro che presenterà o meno un picco di guadagno alla frequenza di risonanza...
Ma a me... che m'importa in questo ragionamento?
Infatti io sto filtrando un'onda quadra di ampiezza Vin, con Valor medio Vin*Duty che in frequenza avrà la componente costante a frequanza nulla e poi frequenza che partono fa Fsw (50KHz) in su. Io ho il taglio a 8KHz ... e sono a posto. Va beh, avrò un certo ripple sulla vout che è dovuto al fatto che il filtro passa basso...dato che non è che dopo la sua frequenza di taglio non fa passare più nulla...

Ora arriva il bello.
MI DIMENTICO DI TUTTO QUELLO CHE HO DETTO e considero una cella LC che però è alimentata da una continua di valore Uin (che è pari a Vin * duty).



Faccio variare il duty nell'intorno di un suo valore (tra l'altro nel nostro caso sarà circa il 50%). Questo significa che la Uin varierà di conseguenza.
Mi chiedo: che succede alla Vout.
Beh, la funzione di trasferimento è la stessa di prima. Quindi anche qui mi aspetto che "filtro" qualcosa.... ma questa volta cosa filtro? suppongo il segnale 'variazione del duty', ovvero la variazione della Uin. Giusto?
E allora possa ancora dire che per variazioni del duty più veloci di 8KHz ho che il filtro, FILTRA queste variazioni. Come dire, se il duty dovesse variare con freq di 20KHz, praticamente in uscita non me ne accorgo.
Se invece il duty variasse con frequenza di ... non so... 10Hz, beh, questa passa quasi inalterata, quindi me ne accorgo in uscita... Cioè una variazione della Ui (cioè una variazione della segnale duty cicle con velocità (frequenza) 10 Hz, fa si che in uscita io mi trovi una Vout che è variabile con frequenza 10Hz. Giusto quello che ho detto?

E ora arriva il bello del bello.
Starei ancora per dire <<chissenefrega se i poli sono immaginari, reali coincidenti o meno... >> ma invece mi nasce il dubbio che se per esempio mi trovassi in una situazine di Q alto, avrei un GUADAGNO positivo alla freq di taglio (8KHz) e rischio che a fronte di un disturbo sul segnale duty che magari comprende anche quella frequenza, inizia ad oscillare l'uscita...che poi si smorza prima o poi...

Ma forse è ancora più importante guardare come si comporta in frequenza questo filtro, perché una volta che dovessimo chiudere l'anello.... ahia! Allora si che si potrebbe generare una retroazione che innseca una oscillazione persistente... Forse qui centrano margine di fase ... zeri ecc.... (che ricordi lontani... ma ho paura che devo rispolverarli...).

Insomma è importante capire come lavora questo blocco in frequenza, perché poi lui farà parte di un anello e potrebbe succedere che a fronte di variazioni del duty cicle, in qualche modo ad anello chiuso io mi trovo una oscillazione non voluta...

Spero di aver ragionato bene... se si passo al prossimo step :-)

Ciao e grazie per l'aiuto.

Stefano
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[39] Re: Sensing di corrente con media

Messaggioda Foto UtenteEnChamade » 26 mar 2012, 18:21

Ti rispondo a freddo e in velocità dal sincrotrone. :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen:

Ste75 ha scritto:Quindi mi vien da dire che se, nel nostro caso, la frequenza di lavoro era 50KHz, devo fare in modo di mettere la freq di taglio, un bel po' prima in frequenza... Quanto prima? Boh!


Hai ragionato bene. Infatti, come si evince bene da questo esempio, il buck non è altro che un'operazione di filtraggio della componete continua di un'onda quadra tramite un filtro LC. Tuttavia, dalla domanda citata sopra, mi pare di capire che ti sei dimenticato un punto fondamentale nel dimensionamento dello stadio di potenza. Tutto il ragionamento che hai fatto per dimensionare L e C e quindi le relative formule "vivono" sotto l'ipotesi che la tensione di uscita sia costante o, in altri termini, che
\frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}<<f_s
Quindi, quando dimensioni lo stadio di potenza, i valori che trovi ti assicurano che questa condizione sia quasi rispettata: quel quasi deriva dalla scelta del condensatore d'uscita. Tanto più stretta sarà la specifica del ripple di tensione d'uscita e tanto più sarà verificata la condizione sopra... Nel nostro caso invece la specifica di ripple è un po' larga e di conseguenza decade un po' la condizione fatta in partenza e, per questo motivo, il taglio è a circa 8kHz e quindi non molto lontano dalla f_s.

Ste75 ha scritto:Ora qui "me ne sto fregando" del fatto che i poli sono reali, immaginari, coincidenti, separati... giusto?

Non proprio. Stai dimensionando i poli in modo tale da avere delle determinate caratteristiche all'uscita del convertitore. Implicitamente hai fatto solo la scelta di avere poli complessi coniugati nel momento in in cui hai deciso di lavorare in CCM. Nel caso contrario, se tu avessi voluto lavorare in DCM, avresti avuto due poli reali distinti; per ora direi però di lasciare perdere questo punto che, inevitabilmente, aprirebbe un'altra immensa discussione.

Ste75 ha scritto:Se non vado errato, al variare della resistenza di carico, avrò un Q diverso di questo filtro e quindi potrò avere una risposta in frequenza del filtro che presenterà o meno un picco di guadagno alla frequenza di risonanza...

Si. Inoltre, in fase di dimensionamento dell'anello, dovrai considerare la stabilità nel caso peggiore che, per il buck, è dato dal Q maggiore e quindi dal carico minore. Per altri convertitori non è invece così semplice perché i poli si spostano con il punto di lavoro (dipendono da quel famoso D grande... :D :D :D ).

Ste75 ha scritto:Faccio variare il duty nell'intorno di un suo valore (tra l'altro nel nostro caso sarà circa il 50%). Questo significa che la Uin varierà di conseguenza.
Mi chiedo: che succede alla Vout.
Beh, la funzione di trasferimento è la stessa di prima. Quindi anche qui mi aspetto che "filtro" qualcosa.... ma questa volta cosa filtro? suppongo il segnale 'variazione del duty', ovvero la variazione della Uin. Giusto?

Si. Nota anche che la funzione di trasferimento ti fornisce un'informazione di dinamica alle variazioni. Tu, da come parli, mi pare di capire che invece ragioni sempre a regime.

Ste75 ha scritto:Starei ancora per dire <<chissenefrega se i poli sono immaginari, reali coincidenti o meno... >> ma invece mi nasce il dubbio che se per esempio mi trovassi in una situazine di Q alto, avrei un GUADAGNO positivo alla freq di taglio (8KHz) e rischio che a fronte di un disturbo sul segnale duty che magari comprende anche quella frequenza, inizia ad oscillare l'uscita...che poi si smorza prima o poi...

Ma forse è ancora più importante guardare come si comporta in frequenza questo filtro, perché una volta che dovessimo chiudere l'anello.... ahia! Allora si che si potrebbe generare una retroazione che innseca una oscillazione persistente... Forse qui centrano margine di fase ... zeri ecc.... (che ricordi lontani... ma ho paura che devo rispolverarli...).

:ok: :ok: :ok: :ok: :ok: :ok: :ok: :ok: :ok:
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[40] Re: Sensing di corrente con media

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 26 mar 2012, 19:12

Mi pare una buona analisi. SOlo un paio di osservazioni. In CCM i poli sono quasi sempre complessi coniugati, ma solo ad anello aperto: ad anello chiuso diventano reali e si separano (o quasi), dipende da quanto margine di fase si ha.

Se il guadagno in corrispondenza dei due poli CC e` abbastanza maggiore di 0dB, non si hanno effetti troppo deleteri sulla stabilita`, ci possono solo essere degli effetti di stabilita` marginale dovuto al brusco salto della fase di -180, ma si risolvono abbastanza semplicemente con il controllo.
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