Компенсирующая задержка
Итак, нам нужно компенсировать задержку сигнала в инверторе. Пусть эта суммарная задержка равна dt. Предположим, что у нас есть устройство «компенсатор», которое выполняет «отрицательную» задержку сигнала на –dt. Конечно, мы не пытаемся сделать «машину времени» или нарушать один из фундаментальных принципов нашего мира - принцип причинности. В нашем случае отрицательность задержки означает только то, что выходной сигнал опережает входной на время dt, что для периодических сигналов не представляет ничего сверхъестественного. Расположив такой компенсатор в цепи обратной связи, мы получим автогенератор с нулевой суммарной задержкой (рис.12).
В идеале такой автогенератор будет работать на частоте, строго совпадающей с резонансной частотой нагрузки, а переключение ключей инвертора будут происходить точно в нуле тока. Осталось только сделать такой компенсатор.
Поскольку мы имеем дело с периодическим сигналом, то ничего сложного здесь нет. В простейшем случае мы могли бы просто дополнительно задержать сигнал тока на время (T-dt), где T – период колебаний, при помощи, например, цифровой линии задержки. Поскольку сигнал периодический, то такая задержка эквивалентна «отрицательной» задержке сигнала на –dt. К сожалению, у этого простого метода есть один существенный недостаток – величина задержки зависит от частоты сигнала. Т.е. ее придется каждый раз подстраивать при изменении рабочей частоты инвертора, что, конечно же, неудобно.
Другой сравнительно простой способ реализовать «отрицательную» задержку периодического сигнала – использовать независимый генератор импульсов, который просто будет выдавать выходной сигнал, опережающий по фазе сигнал тока. Сделать это довольно просто при помощи стандартной схемы ФАПЧ, если между выходом ГУН и одним входом фазового детектора поставить линию задержки на dt. Блок-схема такого узла показана на рис.13.
Рис.13. Получение опережающего сигнала при помощи ФАПЧ.
При наличии задержки dt в петле ФАПЧ, ГУН будет генерировать сигнал, совпадающий с входным сигналом по частоте, но «опережающий» его по фазе на величину dt. Т.е. именно то, что нам нужно. Вариант практической схемы такого узла, выполненного на микросхеме CD4046BE, представлен на рис.14.
Рис.14. Практическая схема компенсатора задержек.
Соберем макет этой схемы и немножко исследуем его. Т.к. на входе и на выходе (буферные элементы не показаны) цифровые сигналы, то понятно, что АЧХ этой схемы «равномерна» в пределах устойчивой генерации ГУН. Т.е. никакой избирательности по частоте у данного устройства нет. При указанных номиналах, регулируя R6, мы можем изменять «отрицательную задержку» от 0 до -2.2 мкс, что вполне достаточно для компенсации задержек даже у инверторов на IGBT. На рис.15 представлены осциллограммы входного и выходного сигналов при двух значениях R6.
Рис.15. Примеры отрицательных задержек.
Мы видим, что схема выдает опережающий сигнал с регулируемой «отрицательной задержкой». Частотная зависимость «отрицательной задержки», при фиксированном R6 = 4.7 кОм, представлена на рис.16.
Рис.16. Зависимость величины задержки от частоты.
Не будем вдаваться в механизмы слабого понижения задержки с ростом частоты. Просто отметим, что зависимость величины задержки от частоты достаточно слабая. Это позволяет с приемлемой точностью скомпенсировать задержку инвертора во всем рабочем диапазоне (30-300 кГц), без дополнительной подстройки компенсирующей задержки в процессе работы.
Схема и макет
Теперь мы можем собрать полный макет автогенератора с компенсатором задержки. Схема макета представлена на рис.17, а фотография – на рис.18.
Рис.17. Схема автогенератора с компенсацией задержки.
Рис.18. Общий вид макета.
Можно переходить к испытаниям.
Настройка и испытание макета
Вся настройка макета сводится к регулировке величины компенсирующей задержки при помощи резистора R6 под реальную задержку цепи обратной связи инвертора. Регулировка должна быть выполнена так, чтобы разность фаз между напряжением на контуре и током стала равна нулю. Поскольку слабая монотонная частотная зависимость отрицательной задержки от частоты все же есть, эту настройку лучше выполнить в середине рабочего диапазона по частоте. В нашем случае мы это сделаем для «пустого» индуктора. Конечный результат настройки показан на рис.19.
Рис.19. Точная компенсация задержки («пустой» индуктор).
Теперь проверим работу нашего компенсатора с другими нагрузками. Для этого поместим в индуктор медь (высокие резонансные частоты) и феррит (низкие резонансные частоты). Результаты этих экспериментов показаны на рис.20.
Рис.20. Осциллограммы сигналов при заполнении индуктора медью (слева) и ферритом (справа).
Мы видим, что автогенератор с компенсацией задержки довольно точно отслеживает изменение резонансной частоты контура. При очень внимательном рассмотрении (с большой «растяжкой» развертки) можно заметить небольшие различия фаз тока и напряжения, вызванные ее слабой зависимостью от частоты (рис16), но с практической точки зрения эти отклонения несущественны.
Обсуждение результатов
Итак, при помощи компенсатора задержки нам удалось решить проблему недостаточно точной автоподстройки частоты.
