Помогите получить переменный ток высокой частоты

[rushacker]

Доброго времени суток!

Нужно получить переменный ток (достаточно меандр, синус не обязательно), с регулируемой частотой из постоянного напряжения.

Есть источник постоянного напряжения +V. Есть микроконтроллер, выдающий импульсы нужной частоты F, напряжением 5 вольт. Нужно получить переменный ток, меняющий напряжение от -V до +V, с этой самой частотой F.

Диапазон рабочего напряжения V от 5 до 24 вольт.
Ток, отдаваемый в нагрузку не более 5 ампер.
Диапазон частоты от 1 кгц до 1 мгц.
Нагрузка индуктивная.

Первым делом на ум приходит классическая схема полного моста на четырёх полевых транзисторах. Даже готовых модулей полно, но они как правило рассчитаны на управление двигателями постоянного тока, и не хотят переключать полярность с высокой частотой. Как я понимаю, проблема в скорости закрытия ключей. Заряд на затворе пропадает медленно, и для предотвращения сквозного тока вводят "мёртвое время", в течение которого все ключи закрыты. Лучшие готовые модули, которые мне удалось найти, позволяют добиться частоты порядка 100 кгц.

Собственно вопрос: как разогнать мостовую схему?

Выбрать быстрые транзисторы? Допустим. Есть ведь транзисторы, работающие даже на гигагерцовых частотах, по идее мой один мегагерц это не так много. Следом потребуется быстрый драйвер моста, а вот его мне найти не удаётся.

Уйти от готового драйвера моста, и брать отдельные драйвера для каждого плеча, или каждого ключа? Если это поможет, то посоветуйте номенклатуру, и может типовую схему включения.

Или может не нужны готовые микросхемы драйверов, и можно управлять транзисторами напрямую от логического уровня? Тогда просветите, как это можно сделать.

Или в конце концов возможно мост это не лучшее решении задачи? Тогда что лучше?

Приоритет простой: чем быстрее можно реализовать, тем лучше. Если есть готовый модуль, который можно купить например на али - это наилучший вариант. Если можно купить готовый модуль, и модифицировать - тоже неплохо. Ну и в крайнем случае собирать схему с нуля.

Заранее спасибо!

[vem566]

На вскидку.
Высоковольтный операционный усилитель со смещением. Обратной связью этого же усилителя регулировка выходного напряжения. Дальше усилитель тока.

[mp2019]

Диапазон частот - три декады. Это очень широкий диапазон. Вы хотите закачивать в нагрузку 100 Вт. Нужно понять параметры нагрузки. Желательно представить примерную эквивалентную LRC схему нагрузки с параметрами элементов (или хотя бы их диапазонами). Иначе сложно что-то обсуждать.

[Enman]

Не надо так всерьёз воспринимать описанную задачу...

[rushacker]

Суть - нужно накачать первичную обмотку воздушного трансформатора, то есть передать энергию с одной катушки индуктивности на другую на некотором расстоянии через воздух / диэлектрик. Задача не относится к баловству с резонансными эффектами и тому подобными модными увлечениями, а имеет совершенно прикладной характер - запитать нагрузку без проводов.

Опыты в малом масштабе получаются вполне успешно. Использую лабораторный генератор сигнала напрямую на передающую катушку. Выяснил, что наибольшая эффективность передачи получается именно при переменном токе, то есть когда ток в катушке не просто то есть то нет, а течёт сначала в одном направлении, затем в другом. По сути мы таким образом уплотняем передаваемую энергию вдвое, разгоняя вторичный колебательный контур не только "туда", но ещё и "обратно".

Можно конечно работать с импульсами постоянного тока, что в разы проще, но тогда для того чтобы снять ту же полезную мощность со вторичной катушки, придётся значительно поднимать напряжение и закачивать большую мощность в первичную.

Мне нужно будет снимать на нагрузку не менее 5 ватт на вторичной катушке. В моих экспериментах у меня КПД едва дотягивает до 20% в идеальных условиях, когда поймано наилучшее взаимное расположение, и так далее. Для реального изделия нужно иметь запасы, по этому я и заложил 100 ватт на стороне передачи, чтобы гарантировано снять не менее 5 ватт при не самых лучших условиях.

Что касается частоты: понимаю, что диапазон очень широкий. На практике, реальное устройство будет работать на фиксированной частоте, и если даже пойдёт речь о серийном производстве - частота между экземплярами и различными разновидностями будет отличаться не так сильно. Но на стадии разработки и экспериментов хотелось бы иметь хорошие запасы во все стороны.

Надеюсь теперь задачу объяснил яснее.

Нашёл, вот, примерно то что требуется, но только до 20 ватт мощности. https://www.aliexpress.com/item/4000178174729.html Ценник был бы терпимый, если бы мощность соответствовала желаемой. А так, за ещё один промежуточный эксперимент - дороговато. Знать бы как устроен, хотя бы приблизительно.

Ещё нашёл вот такой топик: https://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=10&t=6017 Как я понял, схема восьмидесятых годов, соответственно на номенклатуре тех лет. Требует биполярного питания с высоким напряжением, а судя по описанию ещё и двух разных сортов. Может за тридцать лет элементарная база шагнула вперёд, и можно найти что нибудь более простое (более интегрированное)?

[Enman]

Вы какое-то электротехническое образование имеете или изобретатель от природы ?

[rushacker]

[uquote="Enman",url="/forum/viewtopic.php?p=3734391#p3734391"]Вы какое-то электротехническое образование имеете или изобретатель от природы ?[/uquote]
Техническое - да, инженер-программист. Электротехническое - в большей степени самообразование. Опыт разработки электроники достаточно большой, некоторые изделия используются даже промышленными предприятиями. Но большая часть моего опыта лежит в сфере цифровой электроники, а данная задача содержит и аналоговую часть, в которой я не особо силён. Пока разбираюсь с этой темой, перелопатил немало теории и как мне кажется уже имею некоторое представление о рассматриваемых процессах. Но как гласит мудрость: чем больше я знаю, тем больше я понимаю, что ничего не знаю.

Форум ведь и нужен для обмена знаниями и опытом.
Если я где-то допустил фундаментальную ошибку - укажите пожалуйста, я такие вещи нормально и адекватно воспринимаю.

[Enman]

Для передачи энергии используются трансформаторы....Энергия передаётся электромагнитным полем...Далее следует очень объёмный курс Теор. Основы Электротехники....От расстояния и магнитопровода (а у вас воздух), ориентации катушек зависит коэф. взаимной индукции, который будет определять переданную энергию...
Вы не приводите никаких техн. х-к своих катушек и на какие расстояния вы замахнулись.
Переменный ток сам в индуктивность не лезет, потому как есть индуктивное сопротивление !!! И оно уменьшается именно за счёт нагрузки (ток ХХ трансформатора и нагруженного), а у вас связь с нагрузкой очень маленькая...
Импульсы постоянного тока поданные на нагрузку через конденсатор, становятся знакопеременными (устраняется постоянная составляющая)....
Т.е. вы бы точно также смеялись, если бы я вам предложил посмотреть на написанную мной программу....)))
====
Трансформатор может быть с железным или ферритовым магнитопроводом, лучше бы замкнутым...Например, 2 П-образные скобы соединённые дверной петлёй, чтобы на дальнем конце можно было надеть катушку на магнитопровод....))))

[rushacker]

Вы правы, рассчитать всё в теории мне не хватает знаний, по этому и пошёл по пути эксперимента.

Оптимизма добавляет довольно широко распространённый стандарт Qi, который уже в каждом втором смартфоне используется. Передают до 10 ватт на расстояние до сантиметра (а по некоторым данным и больше). Есть и гораздо более впечатляющие примеры, хотя они и не имеют такого широкого распространения и практического применения.

Я замахнулся на расстояние передачи не более 3 сантиметров, при диаметре передающей катушки порядка 6 сантиметров. Это вытекает из требуемых физических габаритов устройства. Осложняет мою задачу то, что приёмные катушки должны быть значительно меньше, порядка 12-16 миллиметров в диаметре. Особых ограничений по типу намотки и прочей конфигурации катушек не имеется.

Собственно ради того, чтобы подобрать конфигурацию намотки и прочие параметры катушек, я и хочу купить/собрать устройство, которое позволит мне эксперементировать в широком (в разумных пределах) диапазоне параметров.

[mp2019]

Может не использовать такой низкочастотный диапазон (1 МГц все таки не так много), а сразу перейти к инфракрасному? Может получиться даже проще. Посмотрите пожалуйста: http://img.radiokot.ru/files/137277/med ... kbon9r.jpg (извините, не разобрался как ссылку на картинку здесь прикотячить...)

[SSkot]

гугл выдал практически готовое решение до 500кГц
на 1MEG вероятно тоже есть искать нужно.

или решение в лоб.
ГУН необходимого диапазона (лучше в синус) + широкополосный усилитель, например немного модифицированный под отдачу тока оконечник У осциллографа.

моделирование в помошь.

[rushacker]

[uquote="mp2019",url="/forum/viewtopic.php?p=3734457#p3734457"]Может не использовать такой низкочастотный диапазон (1 МГц все таки не так много), а сразу перейти к инфракрасному? Может получиться даже проще. Посмотрите пожалуйста: http://img.radiokot.ru/files/137277/med ... kbon9r.jpg (извините, не разобрался как ссылку на картинку здесь прикотячить...)[/uquote]
Интересная идея, попробовать безусловно можно. Правда в конечном варианте видимый свет от галогенки будет недопустим, но наверное можно найти способ всё или почти всё в ИК излучать. Самый главный вопрос: удастся ли собрать с площади порядка 2 квадратных сантиметров пять ватт мощности, и сколько для этого её нужно закачать? Любопытно сравнить КПД с электромагнитной индукцией.

[mp2019]

ИК - рассмотрите как тепловое излучение (просто нагретая спираль лампы или спец излучатель с минимумом видимого спектра), а элемент Пельтье преобразует поток тепла в электорок. Надо предусмотреть охлаждение обратной стороны элемента пельтье, кроме того. Далее вспомните, что процессор греется и охлаждается - там 100 Вт спокойно через крышку 10 кв.см отводят. поробуйте поставить пельтье между ненужным процом и радиатором - помсотрите какую мощность даст элемент пельтье

[HochReiter]

Пока разбираюсь с этой темой, перелопатил немало теории и как мне кажется уже имею некоторое представление о рассматриваемых процессах.

До этой картинки уже дочитали?

Спойлер

Можно посчитать взаимоиндукцию для катушек интересующих вас размеров и впасть в пессимизм: либо малые расстояния, (как в индукционных варочных панелях), либо малая эффективность, либо огромные катушки. А сконцентрировать энергию в узкий пучок можно в дальней зоне - на расстояниях, значительно превышающих длину волны. Инфракрасные лучи, о которых тут уже говорили, имеют маленькую длину волны, не нужны громоздкие антенны.