Proyecto: Diseño optimizado de una etapa Step Up

[micro_pepe]

He probado ha hacer el bode de forma experimental, le he metido una senoidal de 100Hz y 300mVpp en R8 (divisor de voltaje de la salida), he puesto R2= 10k y C23 = 10nF, con una salida  ajustada a 28v, y como carga un BUCK ajustado a 12v con carga de 70w. En la salida si mido, veo esto:

Vo-100Hz.gif
(21.08 kB, 800x480 - visto 503 veces)

aunque suba un poco la amplitud de la senoidal en R8 no varia mucho la salida, pero no veo una senoidal de 100Hz en ese oscilograma, la envolvente tiene más frecuencia. Con la función FFT podría ver la componente de 100Hz, podría ver la amplitud y obtener la ganancia comparando entrada y salida, pero ¿el desfase se puede medir con la FFT?

Gracias!!! un saludo.

[Picuino]

Primero hay que conseguir que la etapa sea estable. Reduciendo la ganancia por ejemplo (mas capacidad o poniendo una resistencia pequeña en vez del condensador).
De todas formas no sé si con esa carga conseguirá la fuente ser estable con un compensador cualquiera. Es posible que no.
Si no consigues estabilizarla, habrá que cambiar a una carga resistiva. Así seguro que la podrás hacer estable con facilidad.

Una vez que sea estable, verás claramente la señal de 100Hz.

Ahora, con ruido, también se puede sacar la señal, pero es mucho más difícil porque no puedes verla. Se puede hacer con la FFT o con un lock-in amplifier, un instrumento que rescata señales pequeñas enterradas en un ruido muchisimo más grande.
Pero mejor no complicar las cosas. Si se puede ver, todo queda más claro.

PD. Aunque se está complicando un poco, me encanta el proyecto. Espero que no tardemos mucho en acabarlo bien.

Un saludo.

[Picuino]

Lo mejor es añadir otro canal al osciloscopio con la señal del pin 1, para comparar las dos.

En R8 la señal inyectada debería ser de unos 25uA, que debería producir una onda visible en la salida de unos 0,25V.
Se puede conseguir por ejemplo inyectando a R8 una señal de 5v a través de una resistencia de 220k y un condensador grande en serie para eliminar la componente continua.

Después filtras la salida con un filtro paso bajos que no añada desfase (para 100Hz, un filtro de más de 1000Hz) por ejemplo con una resistencia de 1K y un condensador de 10nF se eliminan los picos de conmutación y no desfasa las señales hasta 10kHz. Esto ayuda un poco.

Si la señal es todavía muy pequeña comparada con el ruido, se puede subir un poco más. Pero una señal de 250mV se debería poder ver con el ruido de 60mV y 40kHz que tiene esta fuente a la salida.

Un saludo.

[Picuino]

Creo que ahora la fuente es suficientemente estable. Aunque tenga algo de ruido la salida, con un pequeño filtro como el que te he comentado el ruido apenas afectará la medida.

El problema está en que la señal de 100Hz no se ve. Hay que añadir más señal en R8.

Un saludo.

[micro_pepe]

Adjunto resultados de la obtención del bode de forma practica, a partir de 1KHz a pesar de subir la amplitud de la senoidal y bajar la resistencia a través de la cual la inyecto, no es muy legible.

En amarillo es el pin 1, y en azul la salida.

Entre unas frecuencias y otras he tenido que bajar el valor de la resistencia, a través de la que inyecto la senoidal a R8, para poder ver algo legible, al quedarse corto el mando de amplitud del generador.

100Hz:



200Hz:



500Hz:



1KHz:



2KHz:



5KHz:



Quizás habría que tomar más valores a bajas frecuencias, y no sé si la atenuación tán grande a frecuencias más altas dice algo.

Saludos!!!

[Picuino]

Esto es lo que veo.

100Hz
Ganancia=señal azul (salida) / señal amarilla (control) = 700mV/600mV = 1.16

Fase=180 * tiempo entre pico amarillo y pico azul / tiempo entre picos amarillos =180 * 3ms / 5ms = 108 grados

Con señales así de limpias, la FFT te dará una lectura buena y sencilla de leer de la amplitud y de la fase. Tienes que ampliar la gráfica en 100 Hz y ayudarte con las lecturas que te da el cursor.

Esta primera lectura concuerda con el modelo que predice un polo en baja frecuencia (unos 15Hz) debido al condensador de salida y la carga.
El margen de fase hasta los 180° (el desfase que provoca oscilaciones) es grande, pero este desfase que se puede leer (108°) no tiene en cuenta el desfase del compensador, que también añade el suyo propio.

200Hz
Ganancia=0.5
Fase=180 * 1.2 / 5 = 86°

La frecuencia sube al doble, la ganancia baja a la mitad y el desfase es de unos 90°
Los valores no son exactos porque pueden tener errores de medida grandes (no es fácil medir con precisión en las gráficas)

Más tarde seguimos.
Un saludo.

[Picuino]

500Hz
Ganancia 0,22
Fase: 100°

1000Hz
Ganancia=0,16
Fase=86°

Este dato ya no me cuadra. A esta frecuencia la fase debería comenzar a crecer por los polos de mayor frecuencia que comienzan a notarse. La ganancia también debería ser menor (la mitad de la ganancia a 500Hz)
La respuesta puede ser un error de medida o, más probable, que un cero cercano se está comenzando a notar. El condensador de salida tiene un cero en 5300Hz. Está cerca como para que afecte a la fase, pero no para que afecte tanto a la ganancia.

2000Hz
Imposible distinguir nada. Habría que inyectar una señal mayor o añadir ganancia al compensador para tener una señal de control mayor. También hay que ampliar la base de tiempos para que los tiempos se vean con detalle.


Un saludo.

[micro_pepe]

He afinado un poco los valores desde 1KHz, para 5KHz he tenido que bajar la resistencia de inyección de la señal a 100ohm.

1KHz:



Ganancia=señal azul (salida) / señal amarilla (control) =
220mV/3600mV = 0.061

Fase=180 * tiempo entre pico amarillo y pico azul / tiempo entre picos amarillos =
180 * 380us / 1000us = 68.4 grados

2KHz:



Ganancia=señal azul (salida) / señal amarilla (control) =
45mV/1300mV = 0.035

Fase=180 * tiempo entre pico amarillo y pico azul / tiempo entre picos amarillos =
 180 * 160us / 500us = 57.6 grados


5KHz:



Ganancia=señal azul (salida) / señal amarilla (control) =
24mV/1400mV = 0.017

Fase=180 * tiempo entre pico amarillo y pico azul / tiempo entre picos amarillos =
 180 * 84us / 200us = 75.6 grados

Saludos!!!

[Picuino]

Lo siento mucho. No sé en qué estaba pensando cuando puse la fórmula. Tiene un error en 180°, que debe ser 360°. Lo repito corregido:

Fase=360 * tiempo entre pico amarillo y pico azul / tiempo entre picos amarillos

Los valores que calculé estaban bien. Aunque en el caso de 100Hz la fórmula es:
Fase=360*3ms/10ms = 108°

El valor final es el mismo, aunque los valores de la fórmula han cambiado.

Un saludo.

[Picuino]

Creo que ahora la señal de control es demasiado grande. Se nota porque la salida está distorsionada. Lo ideal es que la salida sea también una onda senoidal. En caso contrario los resultados de ganancia y de fase se distorsionan también.

El mejor punto para medir los tiempos es el valle de las ondas senoidales. El valle coincide con el momento de menor corriente de la bobina y por eso la salida tiene menos ruido y resulta más sencillo hacer las medidas.

En 5kHz veo un desplazamiento mayor de 180°. Voy a calcularlo bien y lo publico. Aunque como he comentado los valores estarán distorsionados, servirán para hacer un bode aproximado.

Saludos.

[micro_pepe]

Creo que ahora la señal de control es demasiado grande. Se nota porque la salida está distorsionada. Lo ideal es que la salida sea también una onda senoidal. En caso contrario los resultados de ganancia y de fase se distorsionan también.

El mejor punto para medir los tiempos es el valle de las ondas senoidales. El valle coincide con el momento de menor corriente de la bobina y por eso la salida tiene menos ruido y resulta más sencillo hacer las medidas.

En 5kHz veo un desplazamiento mayor de 180°. Voy a calcularlo bien y lo publico. Aunque como he comentado los valores estarán distorsionados, servirán para hacer un bode aproximado.

Saludos.

Las medidas son muy inestables, hay que afinar muy fino con la amplitud de la senoidal, a nada que subas o bajes, se distorsiona o desaparece, intentaré tomarlas con menos distorsión. Trabajo en la hostelería y estos días son de mucho trabajo, cuando tenga un tiempo lo hago y lo publico.

Gracias, un saludo!!!

[Picuino]

No hay prisa. Ahora también estoy yo ocupado.

Un saludo.

[Picuino]

Bien, he representado los datos en un diagrama de bode:

FREQUENCY	GAIN	PHASE
[Hz]	[Vo/Vc]	[º]
100	1,16	-108
200	0,5	-86
500	0,22	-100
1000	0,1	-86
2000	0,035	-180
5000	0,017	-216

En rojo los datos medidos. La gráfica de fase tiene errores de medida evidentes.
En azul, una estimación de los polos y ceros del sistema.
Sólo han hecho falta 3 polos: en 12Hz, 4000Hz y 4000Hz (polo doble)

No veo el efecto del cero que debería estar en 5300Hz.

Con estos datos se puede diseñar el compensador.

Adjunto la hoja excel que he utilizado para representar el diagrama de bode.

Un saludo.

[Picuino]

A ver que sale con estos valores:
R1 =   0   kOhm
R2 =   10   kOhm
R3 =   15   kOhm
C1 =   15   nF
C2 =   2,2   nF
C3 =   47   nF

He cambiado los nombres de los condensadores y las resistencias para que se adapten a este esquema:




En las simulaciones me sale que tendrás suficiente margen de fase y de ganancia. Espero que sea estable:

Bode_02.png
(14.09 kB, 526x585 - visto 424 veces)

Un saludo.

[Picuino]

Adjunto hoja de cálculo que he utilizado.

Un saludo.