Regulace amplitudy RC generátoru

[Bernard]

Já jsem usuzoval na fázový posun v modulační frekvenci amplitudy, generované regulační smyčkou řízení amplitudy. Tak to jsem se taky splet. Ono se to podobá na regulaci topení. Spirály jedou na 50 Hz, ale regulátor teploty má periodu v minutách, takže nějaká fáze těch 50 Hz je totálně nezajímavá.

[Bernard]

Já jsem usuzoval na fázový posun v modulační frekvenci amplitudy, generované regulační smyčkou řízení amplitudy. Tak to jsem se taky splet. Ono se to podobá na regulaci topení. Spirály jedou na 50 Hz, ale regulátor teploty má periodu v minutách, takže nějaká fáze těch 50 Hz je totálně nezajímavá.

[jura80]

Pajosek:

Ale ne, časová konstanta změn odporu vlákna s amplitudou je na kmitočtu prakticky nezávislá. Spíš se mění to posunutí fáze. Teoreticky je tam 90° při kmitočtu, blížícím se nekonečnu. Pak bude časová konstanta taky hodně záviset na amplitudě, čím větší, tím kratší. Proto se taky v případech, kdy chceme co nejnižší zkreslení na nejnižších kmitočtech, mnohdy dává víc žárovek do série, jako třeba tady:

http://cds.linear.com/docs/Application%20Note/an43f.pdf (Figure 40)

Přečti si ten článek od HP z odkazu v prvním příspěvku. Sice je blbě čitelnej, ale dá se to.

Bernard: A vidíš, ona je ta fáze sice nezajímavá, ale jiná věc, droboulinká nestabilita, zakmitávání u toho vyššího kmitočtu, mně rozhodila úplně celou regulační smyčku a nevěděl jsem si rady, až to bylo k zešílení. To zakmitávání fakt skoro nebylo vidět, ale bylo tam. Zřejmě měl celý zesilovací obvod lehounce progresivní převodní charakteristiku, místo normální degresivní. Ono jde o to, že celá ta regulační smyčka amplitudy má extrémně mizernou fázovou bezpečnost a přitom extrémně vysoký zesílení- obrovská změna amplitudy generátoru v závislosti na malinké změně odporu žárovky (nebo jinýho prvku). Čistě teoreticky, kdyby bylo nelineární zkreslení generátoru nula, tak by mohly existovat jedině dva stavy- buď se amplituda zvyšuje, a nebo snižuje, zesílení by bylo nekonečno. Pokud tam je nelinearita, lehký snižování zesílení zesilovače s amplitudou, tak teoreticky (a prakticky by jsem se o to nepokoušel), by mohlo jít amplitudu vyregulovat i ručně. Jiná věc je, jak by byla stabilní a pod. Teď už se ale ve všem opakuju.

[mtajovsky]

Jak může mít mizernou fázovou bezpečnost? Samotný zesilovač generátoru je vzhledem k regulaci amplitudy možno považovat za jednoduchý proporcionální člen bez setrvačnosti a pak tedy máme ve smyčce jednu jedinou setrvačnost 1. řádu - žárovku. Posuv fáze do 90 stupňů přece není mizerná bezpečnost, za hranici se obvykle pokládá 135 stupňů.
Spíš bych řekl, že vadí nelinearita převodu výstupní napětí->celkové zesílení.

Zrovna tak nemůžu souhlasit s tezí, že při nulovém zkreslení vlastního generátoru nejde amplituda stabilizovat. Záleží to na tom, jak je vyřešena regulace zesílení. Jistě, tato regulace přinese nějaké zkreslení, protože snímač výstupního střídavého napětí nemá nekonečnou časovou konstantu, takže ve výsledku má regulovaný generátor nenulové zkreslení, ale to není zkreslení přímé větve, ale de facto zpětné vazby.

[mtajovsky]

Jak může mít mizernou fázovou bezpečnost? Samotný zesilovač generátoru je vzhledem k regulaci amplitudy možno považovat za jednoduchý proporcionální člen bez setrvačnosti a pak tedy máme ve smyčce jednu jedinou setrvačnost 1. řádu - žárovku. Posuv fáze do 90 stupňů přece není mizerná bezpečnost, za hranici se obvykle pokládá 135 stupňů.
Spíš bych řekl, že vadí nelinearita převodu výstupní napětí->celkové zesílení.

Zrovna tak nemůžu souhlasit s tezí, že při nulovém zkreslení vlastního generátoru nejde amplituda stabilizovat. Záleží to na tom, jak je vyřešena regulace zesílení. Jistě, tato regulace přinese nějaké zkreslení, protože snímač výstupního střídavého napětí nemá nekonečnou časovou konstantu, takže ve výsledku má regulovaný generátor nenulové zkreslení, ale to není zkreslení přímé větve, ale de facto zpětné vazby.

[jura80]

Je sice pravda, že zesilovač jde považovat za jednoduchý proporciální člen bez setrvačnosti, ne už ale zesilovač, zapojený tak, aby kmital. Nebo myslíš, že když u oscilátoru s Wienovým článkem povolíš zápornou zpětnou vazbu zesilovače, zvýší se okamžitě, skokem amplituda? A jen do určité míry a pak se nehne? Ne, v závislosti na kmitočtu oscilací exponenciálně poroste až k limitaci, a chvilku jí to bude trvat, než se k té limitaci dostane. A opačně, utáhne se záporná zpětná vazba, kmity začnou exponenciálně ustávat, zase s nějakou časovou konstantou. Platí to při dokonalé linearitě zesilovače.

Netvrdil jsem, že nejde stabilizovat oscilátor s nulovým zkreslením.

Krucinál, vždyť to všechno probírají v tom článku od HP, má to logiku, když už mně tady nikdo nevěří, tak tomu článku se snad věřit dá, ne?

[piitr]

Já ti věřím, je to zajímavý problém. Poradit ti ale nedovedu. Nevím, jak bych to řešil.

[jura80]

Aspoň někdo tady používá mozek... Zajímavý to je, hlavně, když si uvědomíme tu exponenciální odezvu a přitom ohromný zesílení celé regulační smyčky. Ale ono se to stejně naštěstí dá zjednodušit do prťavoučkých diferenciálů (tak je to i v tom článku a jak hezky to sedí do praxe). A pak už jen, v rámci návrhu vactrolové stabilizace, odvodit přenosy, rozumně zvolit časovou konstantu usměrňovacího obvodu, no, a podle Nyquistova kritéria stability najít zesílení (regulační odchylka- proud vactrolem). Každopádně, u vactrolové stabilizace, pokud má za něco stát, asi bude potřeba s přepínáním kmitočtovýho rozsahu generátoru, měnit i časový konstanty usměrňovacího obvodu.

Teď už v podstatě radu nepotřebuju. Problém se ukázal tam, kde by ho těžko kdo čekal, v původně mnou nerozeznané, lehounké nestabilitě zesilovače. Hrozně šílený...

[jura80]

Tak hlásím, že stabilizace vactrolem funguje podle předpokladů, předešlých úvah a výpočtů. Tu knížku ZPĚTNÁ VAZBA si ale stejně asi půjčím, jako takovou podporu. Další level totiž budou úvahy, jak zkrátit dobu ustálení celé té "regulované soustavy", a zároveň ještě víc omezit průnik zvlnění usměrněnýho napětí do LED vactrolu a tím omezit zkreslení tím vznikající...

[lucky62]

chcem sa opýtať, aké výhody má stabilizácia vactrolom oproti stabilizácii pomocou MOSFETu?

[piitr]

Trochu jsem o tom přemýšlel a říkám si, že kdybych to dělal já, tak si asi v tom oscilátoru nechám tu nelinearitu, aby to bylo stabilní, a na výstup dám jinou nelinearitu, aby to kompenzovala. Možná by to nebylo dostatečně přesné, nevím, to by se muselo spočítat. Intuitivně bych ale řekl, že pro stejnou přesnost by stabilita měla být lepší. Když ti to ale funguje, tak není co řešit.

[jura80]

lucky62: To záleží na použití, všechno má svoje výhody a nevýhody. Na fotorezistoru vactrolu především může bét větší rozkmit napětí, takže celkově může stabilizaca vyrovnat větší odchylky v obvodu (zesílení na nejvyšších kmitočtech, nesouběh potenciometru k přelaďování, tolerance kapacit). A ten větší rozkmit na fotorezistoru přitom nezanese do signálu skoro žádný harmonický zkreslení, což neplatí pro JFETy. Na těch už při maličkých střídavých napětích mezi D a S vzniká nemalý zkreslení. Takže jsou fajn jen v případech, kdy stačí vyrovnávat maličký odchylky v obvodu, a nebo v případech, kdy není na závadu zkreslení. Což není můj případ, dělám na generátoru k měření malých hodnot zkreslení. Žárovka je taky fajn, ale na kmitočtu kolem 7Hz už kazí sinusovku zkreslením asi 0,2% a hezky čistá sinusovka začíná až od stovek Hz.

piitr: Nad touhle variantou jsem taky dřív uvažoval, když jsem váhal mezi použitím žárovky a vactrolu ke stabilzaci. A sice ve vyrovnání nelinearity, co do signálu zanáší žárovka. Zavrhnul jsem to kvůli zbytečné komplikovanosti.

A co se týče úmyslnýho zvýšení zkreslení samotnýho zesilovacího obvodu, aby se snížilo zesílení regulační smyčky, to jsem taky zavrhnul. Jde hlavně o to, že vyrobit obvod tak, aby měl stabilní, přesně definovaný zkreslení, nezávisle na kmitočtu, teplotě... ...by asi nebylo až tak nejsnadnější. A k tomu by bylo potřeba přidat další obvod s inverzní převodní charakteristikou, zase na beton definovanou... Myslím, že když je stabilita RC generátorů zvládnutá i bez těchto obchůzek, tak není potřeba si takhle komplikovat život... Že já jsem se zatím ještě nedostal tak daleko, jako profesionální konstruktéři, to je jiná věc- a doufám, že třeba taky jen otázka času.

[jura80]

Další zajímavá věc je, že mají vactroly hooodně kladné teplotní koeficient. Tak jsem si na nižších kmitočtech hezky liboval, jak všechno pěkně sedí na výpočty, a že teda podle dalších výpočtů ještě víc snížím zesílení regulační odchylky tak, aby dokázala vactrolová regulaca udržovat amplitudu až do kmitočtu generátoru 270Hz (pak už by šlo v pohodě všechno přenechat žárovce, která by jinak kazila zkreslení na nejnižších kmitočtech). Ejhle, jak jsem se zmýlil. Snížil jsem zesílení a chovalo se to, jakoby jsem nesnížil vůbec nic...

Z toho plyne ponaučení: Kvůli silně kladnýmu teplotnímu koeficientu fotorezistoru ve vactrolu (v mým případě dokonce větší než u wolframu), musí být fotorezistor v záporné zpětné vazbě zapojený ne mezi výstup zesilovače a jeho invertující vstup, ale mezi invertující vstup a GND! Krucinál, a to asi taky bude důvod, proč jde vactrolem ustabilizovat i amplitudy RC generátorů na vyšších kmitočtech- motají se tam dohromady hned dvě regulační smyčky!

Popravdě, tohle mě původně vůbec nenapadlo. Celou dobu, co jsem nad tím uvažoval, jsem se teplotní závislosti vactrolu nevěnoval, páč, poslušně hlásím, jsem nad tím hnedle mávnul rukou, že bude v praxi přece zanedbatelná, a dál nad tím nepřeméšlel.

Až se tomu divím, vůbec jsem nečekal, že navrhnout kvalitní RC generátor bude tak pracný- teda, když uvážím absolutní nedostupnost jakýchkoli informací na internetu kolem téhle problematiky. Kdyby bylo z čeho čerpat, bylo by to mnohem snadnější a bez tápání.

Jen zase třídím myšlenky.

[jura80]

Teď před chvilkou jsem konečně našel volno a náladu si k tomu zase sednout a ověřit to s páječkou- je to přesně tak jak jsem psal, jen jsem to zatím zkoušel jen do asi 150Hz, dál se mně nechtělo měnit kondíky. Amplituda mnohem líp drží, a hlavně, při delší časové konstantě je zkreslení úplně někde jinde než u žárovky (žárovka něco nad 0,2%, s vactrolem pod 0,03% na nejmenším kmitočtu kolem 6Hz, na vyšších kmitočtech samozřejmě zkreslení nepřímo úměrně klesá až k pár tisícinám %). Z čehož taky vyplývá, že ty vactroly (NSL32SR3) mají obecně sice ještě větší teplotní koeficient odporu než žárovka, ale taky mají mnohem větší tepelnou kapacitu, takže ten teplotní koeficient nepokazí zkreslení ani na nejnižších kmitočtech, na rozdíl od žárovky- trochu jsem se toho začal bát, takže hurá.

A teď je otázka, jak dál budu pokračovat. Jednak bude potřeba lehce poupravit výpočet, podle kterýho kontroluju stabilitu regulační smyčky v závislosti na hodnotách součástek (vždycky je to kompromis). A teď, co dál, asi to bude chtít do všeho započítat taky ten vliv teplotní závislosti odporu vactrolu. A nebo ne, zjistím to zkusmo? No, nevím, nevím... Když má být moje zapojení opakovatelný, jestli by tenhle přístup nebyl nebezpečné...

Tož, zase třídím myšlenky, když se podělím, všechno jde líp wwwod ruky...

[jura80]

Tak mně dneska (he, vlastně už včera, protože včerejšek už přestal být dneškem, jak by si jeden mohl myslet) přišel email od člověka, co tohle téma sleduje, jestli bude pokračování. Takže pro všechny s podobnýma choutkama, odpověděl jsem tohle:

Dobrý den,

pokud myslíte téma na fóru EB, pak jste mě docela potěšil. Myslel jsem, že tohle téma, kde si spíš třídím myšlenky, nikdo příliš nesleduje...

Pokračování určitě bude, jen si musíte uvědomit, že mi nezbývá, než postupovat po malých krůčcích ve volných chvilkách. Denní doba, kdy jsem aktivní, má jen 14 až 16 hodin a za těch 14 až 16 hodin musím stíhat spoustu věcí. A když mám naopak volno, radši nedělám vůbec nic a odpočívám na další pracovní nápor, popíjím pivo a tak podobně...

V každém případě, opět jsem o malý krůček postoupil (mimochodem, bylo to v noci z pátku na sobotu na hvězdárně HBT, kde se podařilo si udělat čas), ale zatím to ještě nestojí za zveřejnění. Až toho bude zase trochu víc, ozvu se na EB.

--
S pozdravem:

.....

Tož, tak tak to ňáč bode.

Joronek

[jura80]

Tak pro dnešek mám spíš takovou perličku. Jak jsem psal, na celou tu regulaci má vliv taky teplotní závislost odporu vactrolu, přičemž aktivní prvek ve vactrolu zahřívá maličký výkon, podobně, jako je tomu třeba u žárovky, pokud se ke stabilizaci amplitudy použije žárovka. Zvedne se amplituda, zvýší se teplota a tím odpor aktivního prvku vactrolu, ten utáhne zápornou zpětnou vazbu zesilovače a opačně... Takže, když má samotný vactrol ještě sám o sobě schopnost stabilizovat amplitudu generátoru podobně jako ta žárovka, je docela od věci, tu jeho schopnost započítat do přenosu zpětné vazby (který už tak je dost komplexní, a pokud se použije topologia usměrňovač s RC filtrem, 0 až 90° i víc podle složitosti filtru- zesilovač reg. odchykly, počítal jsem 0°- aktivní prvek vactrolu, 0 až 90°- změna zesílení oscilátoru a z toho změna amplitudy; kde je fáze vždycky zpožděná o 90°, pokud je oscilátor dokonale lineární, skoro jo, takže prostě jo... ... ...).

Pokud mám za úkol tohle započítat, tak je tady dílčí úkol, a sice zjistit, jakou má fotoodpor vactrolu:

1) Teplotní závislost odporu. Výrobce udává 0,007/K při 5mA do LED. Měřil jsem ale při trochu jiným proudu, bude to chtít ještě přeměřit, což zatím nevím jak, páč to chce zahřát vactrol na dvě slušně přesně změřený teploty. Ále to snad půjde. Každopádně, pro dnešek jsem zatím počítal těch 0,007/K.

2) Tepelný odpor součástky (myslím z hlediska chlazení při zatížení nějakým výkonem). Podle datasheetu, kde se udává, že je zatížitelnost 50mW při 25°C a 0mW při 75°C by to mohlo budit dojem, že tam máme 1000K/W. Ale zdá se mně, že to bude malinko lepší. Uvidíme dál.

3) Tepelnou kapacitu tělíska fotorezistoru ve vactrolu, respektive té části tělíska, která vede elektřinu, hmm, respektive, tepelnou kapacitu kdo ví čeho všeho a kdo ví jak s čím tepelně spojenýho, zkrátka změřit něco, co se tváří čistě jako obyčejná tepelná kapacita, nějakou takovou úchylnou aproximacu...

Protože už mám dopředu připravený nějaký počítání- jak teda tu tepelnou závislost vactrolu dál započítat do regulace, momentálně potřebuju v první řadě změřit veličiny z bodů 1, 2, 3... Dneska jsem odzkoušel primitivní, ale zdá se funkční, metodku ke změření té tepelné kapacity. To je ta moje perlička.

Takže, vzal jsem LM358 a zapojil ho jako multivibrátor. Z výstupu na +vstup 1M2, z +vstupu na GND 120k. Na -vstupu se nabíjí/vybíjí Y5V SMD 470n přes 100k + potík 2M5 z výstupu. Výstup mám přes 10k na + napájení, aby šlapal až skoro k horní hranici. Budí gate BS250, takže mám generátor kladných pulsů (vůči GND 6,6V) se střídou 0,5 a kmitočtem jednotky Hz až přes 100Hz. Generátor napájí dva děliče, první 220R a 220R, druhý 220R a vactrol, nastavený tak, aby taky dával 220R. Pokud by byl jeho odpor bez teplotní závislosti, tak při správným seřízení druhýho děliče je rozdíla napětí na výstupech obou děličů nula. Ale protože průchodem proudu při kladným pulsu se vactrol zahřívá a mění odpor, ve skutečnosti se během pulsu napětí na fotorezistoru vactrolu lehounce zvyšuje. Při 124Hz a zatížení o trochu větším než těch 50mV (nechtělo se mně přenastavovat zdroj na ±6,6V, páč ho mám teď přesně nastavené) to dává nějakých 13mV na každý puls. Každý ten puls má dost krátkou dobu na to, aby ten rozdíl stoupal od 0 do 13mV lineárně, takže jednoduchý počítání.

No, když jsem zatím věřil tomu, že je tam teplotní koeficient odporu 0,007/K, tak, pokud je moje metoda správná, vychází kolem 4,8mJ/K. Když to převedu do trochu jiné řeči, tak ta část fotorezistoru vactrolu, která reaguje na světlo (resp. IR) a která vede elektřinu, může vážit tak zhruba několik miligramů. Pro porovnání, SMD rezistor velikosti 0805 má přibližně 5mg.

Až zase bude chvilka, tak ještě betonově ověřím správnost metody měření (já jí věřím, ale pro 100% jistotu), pokusím se taky ověřit ten teplotní koeficient a tak. Ale dneska už to nebude, už se zase musím věnovat dalším věcem a krom toho, psék Lolinka už se zase urazila, že jsem si jí už pár hodin ani nevšimnul... Tak aspoň sem k inspiraci dávám fotku z dnešního estetickoosciloskopickýho zážitku.

Zase se kdyžtak ozvu. Až budu mít "data", naházím je do počítače a dám vědět, jak to bude s vlivem té teplotní závislosti na stabilizacu amplitudy...

A na závěr ještě jedna zpráva. Ten pán, co mně kolem tohodle napsal, mně doporučil výzkumnou zprávu z TESLA Brno od ing. Horského, která se jmenuje "Výzkum metod stabilizace RC generátorů". Tak třeba se někomu ta informaca bude hodit, aby netápal jako já... Já už to dorazím bez literatury, když už jsem takhle začal, tak už se to tak podle mě sluší a patří.

Zatím,

Jura

[jura80]

Trochu jsem polevil, buď nebyl čas, nebo nebyla chuť.

Každopádně, když jsem sem posledně napsal příspěvek, trochu mě začala trkat jedna divná věc. Když jsem měřil tu tepelnou kapacitu, nevšímal jsem si příliš toho, jestli jdou trojúhelníky od maxima k minimu nebo opačně, jenže pak mně došlo, že pokud jsem měření zapojil jak jsem je zapojil, musí jít trojúhelníky od minima k maximu (ve vactrolu se to zahřívá). Zkontroloval jsem, jak mám všechno zapojený a pod. Zem osciloskopu jsem měl nechanou vůči obvodu plavat, byla tam kapacita trafa zdroje, napájejícího RC generátor. Žádný z kanálů jsem neměl invertovaný (což by ale tak jako tak bylo jedno, jen by se trojúhelníky otočily). Ten tvar trojúhelníků by ale znamenal, že má vactrol ne kladný, jak udává výrobce v datasheetu, ale záporný teplotní koeficient (!!!!!!!). Tak jsem se to rozhodnul ověřit, řekl jsem si, že tam snad bude zlobit ta plovoucí zem, no a ubastlil jsem přístrojový zesilovač z LM324 (na tohle stačí) a naměřil jsem v podstatě to samo, že má vactrol NSL32SR3 záporný teplotní koeficient odporu. Tak jsem to dál testoval tak, že jsem ten vactrol uměle zahříval. A taky jsem fotorezistor rovnou odpojil z obvodu děliče a oťuknul to ohmmetrem. Dospěl jsem ke správně šílenýmu zjištění. Vactroly NSL32SR mají sice kladný teplotní koeficient, ale statický. Dynamicky mají záporný teplotní koeficient. Zkrátka, když začnu vactrol rychle zahřívat na nějakou teplotu, jeho odpor nejdřív začne klesat a až za asi 2 sekundy (nebo co) začne stoupat! Proud LED vactrolu je asi 200µA. Je to zvláštní... Když tak nad tím uvažuju, tak se tím pádem asi vyprdnu na nějaký započítávání teplotní závislosti, která je různá pro různý kmitočty a docela těžko změřitelná (není čas) a budu se dál věnovat úvahám kolem různých filtrů k usměrnění výstupního napětí oscilátoru... Zbytek určím zkusmo, jak už jsem vlastně dřív zauvažoval. Prostě není čas.