Содержание
Магнетрон из микроволновки и СВЧ оружие
Основным элементом обычной микроволновки является магнетрон, вакуумный прибор для генерирования СВЧ-излучения. Его старшие родственники стоят во всяких радарах и системах радиолокации. Именно за счёт испускаемого им СВЧ микроволновки разогревают еду: частота подобрана так, что вызывает резонансные явления в молекулах воды, которые содержатся почти в любой пище, и те начинают разогреваться. Из-за большой мощности магнетрона нагрев оказывается весьма ощутимым, что и даёт искомый эффект.
Магнетрон из этой самой печки, понятно, можно извлечь. Выглядит он как вот такая вот забавная штуковина с мощным радиатором. Торчащий сверху штырь — собственно СВЧ-излучатель, от которого и прёт излучение. Типичная мощность — около 700-800 ватт, что, надо сказать, очень и очень дохрена много и легко вскипятит незрелые мозги (а точнее, глаза) попавшего в фокус такого излучателя. К счастью, от штыря магнетрона излучение всенаправленное и потому относительно безопасно, если не подходить слишком близко.
Если содрать радиатор, то останется довольно небольшая меднокерамическая хренька с двумя магнитами. Если же разбирать и дальше, и распилить её пополам, внутри окажется довольно любопытная ромашковидная структура. За конкретными принципами её действия и генерации там микроволн отсылаю в более специализированные источники, здесь этому уже не место.
Кстати, интересная особенность магнетрона: на накал (катод) у него идёт минус, а корпус, он же анод — заземляется. Из той же микроволновки можно полностью выдрать и питание для магнетрона — МОТ, конденсатор и диод, и, собственно, подключить — так же, как он был подключен в печке. Накальная обмотка МОТа питает накал, корпуса МОТа и магнетрона соединены, конденсатор и диод образуют шифтер, причём подключенный горячим выводом (точка соединения кондёра и диода) к одному из накальных выводов магнетрона (именно поэтому накальная обмотка у мота выполнена высоковольным проводом).
[Not a valid template] При включениях следует таки соблюдать осторожность, надолго не врубать и беречь глаза, особенно при запусках в помещениях. Если поставить наверх вывода острый кусочек металла, можно получить факел на 2.4 ГГц. Только обгорает этот вывод очень быстро.
[Not a valid template] Но просто развлекаться с магнетроном довольно скучно. Куда интереснее приспособить к нему антенну для получения более или менее направленного потока излучения. Идеальной была бы параболическая тарелка. Вот только диаметр требуется метров в пять. Чуть хуже, но тоже неплоха антенна типа «рупор», но её изготовление довольно утомительно и она оказывается изрядно громоздкой, хотя, конечно, меньше параболы. Я в итоге остановился на баночной антенне (гуглим «cantenna»), снискавшей любовь у любителей усиления вайфая. [Not a valid template] Поскольку магнетрон работает ровно на той же частоте, что и вайфай, можно просто считать банку как для вайфай-антенны. Усиление от неё не очень велико, форма потока тоже оставляет желать лучшего, но зато ей можно очень приятственно засвечивать газоразрядные приборы, кипятить глаза мышам небольшие объёмы воды, и сбрасывать соседский wifi-роутер.
Кстати, в метре от банки антенны вырубается фотоаппарат. Для лучшего охлаждения поставлен кулер к магнетрону, ибо последний изрядно нагревается во время работы.
[Not a valid template] [Not a valid template] [Not a valid template]
Метки отсутствуют.
Защита АЦП с диодом TVS: улучшенное решение
- TI Training home
- Лаборатория точности TI
- TI Precision Labs — Преобразователи данных
- Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)
- Электрическая перегрузка преобразователей данных
- Защита АЦП с TVS-диодом: улучшенное решение
Лаборатория TI Precision
МЕНЮ
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)
(81)Основы цифровой связи (6)
Введение в аналого-цифровые преобразователи (АЦП) (2)
SAR и дельта-сигма: понимание разницы (4)
Топологии преобразователя аналого-цифрового сигнала (АЦП) (5)
Источники ошибок (3)
Шум АЦП (13)
Характеристики переменного тока (5)
Конструкция входного драйвера аналого-цифрового преобразователя (АЦП) последовательного приближения (SAR) (8)
Управление опорным входом АЦП последовательного приближения (6)
Конструкция маломощной системы SAR ADC (2)
Электрическая перегрузка преобразователей данных (12)
Конструкция печатной платы для обеспечения ЭМС (8)
Основы высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (7)
Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) (7)
Электронная почта
Привет и добро пожаловать в следующее видео из серии TI Precision Lab, посвященное электрическим перегрузкам АЦП.
В последней презентации мы видели, что использование TVS-диода в последовательном токоограничивающем резисторе является эффективным способом защиты входа преобразователя данных, но может существенно повлиять на производительность.
В этой презентации мы рассмотрим несколько различных подходов, которые могут повысить производительность, при этом обеспечивая адекватную защиту.
Напомним из прошлой презентации, что емкость диода TVS изменяется в зависимости от приложенного обратного напряжения. Таким образом, для схемы, показанной справа, емкость изменяется при изменении напряжения от 0 до 10 вольт. Входной резистор в емкости TVS образует фильтр нижних частот. Частота среза этого фильтра изменяется в зависимости от мгновенного напряжения входного сигнала.
Так, например, когда входной сигнал составляет 5 вольт, фильтр будет иметь другую частоту среза, чем при 10 вольтах на входе. Таким образом, затухание зависит от мгновенного напряжения формы волны. Это приводит к искажению формы выходного сигнала и вносит в измерения больше нелинейных искажений.
Обратите внимание, что в этом примере выходной сигнал отслеживает входной сигнал [НЕРАЗБОРЧИВО] для напряжений, близких к 0. Но когда входной сигнал приближается к пиковым значениям, выходной сигнал больше не отслеживает входной сигнал из-за затухания в фильтре. В нормальных условиях это может быть трудно понять, глядя только на форму выходного сигнала. Но, как видно на слайде, это уже не чистая синусоида.
На предыдущем слайде мы узнали, что Rp и емкость TVS-диода D1 образуют ФНЧ. При изменении величины входного сигнала емкость D1 изменяется мгновенно. И, следовательно, частота среза также изменяется мгновенно. Это изменение частоты среза внесет искажения, поскольку сигнал затухает по-разному в зависимости от мгновенной величины входного сигнала.
Однако, если частота подаваемого сигнала намного меньше частоты среза, вносимой емкостью диода, то искажение будет минимальным. Этот график показывает, как искажение ухудшается по мере увеличения частоты входного сигнала. В этом примере THD около 100 Гц очень близок к указанному типичному THD для этого устройства.
Важным моментом здесь является то, что искажение, вносимое нелинейными емкостями, часто можно свести к минимуму, уменьшив частоту входного сигнала.
На следующем слайде мы рассмотрим, как номинальная мощность TVS-диода влияет на его емкость.
При использовании TVS-диодов для защиты входа следует помнить о номинальной мощности. Выбор диода TVS с более высокой номинальной мощностью увеличит размер устройства. В дополнение к большему рассеиванию мощности, более крупное устройство также будет иметь большую емкость.
Например, TVS-диод с номинальной пиковой импульсной мощностью 1,5 кВт имеет в 3,75 раза большую емкость, чем 400-ваттный диод. Поскольку мы используем резистор для ограничения тока перед устройством TVS, ему не потребуется очень высокая номинальная мощность. В результате обычно рекомендуется использовать диод TVS с низкой номинальной мощностью для защиты входа, так как меньшая емкость будет иметь меньшее влияние на искажения.
Вот те же расчеты для выбора последовательного защитного резистора Rp, которые мы сделали в предыдущем видео.
Результаты немного отличаются, поскольку для этого примера разное напряжение фиксации. Тем не менее, мы используем последовательный резистор на 1 кОм для обоих примеров. Опять же, обратите внимание на этот слайд, что рассеиваемая мощность в условиях неисправности может быть очень высокой. Их можно свести к минимуму, выбрав большее значение Rp.
Давайте посмотрим, как изменение Rp влияет на производительность. На этом графике показаны характеристики THD слева (синим цветом) и рассеиваемая мощность справа (красным цветом) для схемы защиты в широком диапазоне значений сопротивления Rp. Обратите внимание, что наилучшие характеристики достигаются при использовании небольших резисторов, но рассеиваемая мощность для меньших резисторов будет очень высокой во время непрерывного события неисправности. Эта взаимосвязь может сильно затруднить создание компактной, недорогой, высокопроизводительной схемы, защищенной от больших стационарных отказов.
На следующем слайде рассмотрим устройство, которое можно использовать вместо резистора.
Это устройство позволит нам добиться лучших показателей THD без использования большого мощного устройства.
Предохранитель PTC представляет собой устройство, которое имеет низкое сопротивление в нормальных условиях и высокое сопротивление в ответ на перегрузку по току. Название PTC означает положительный температурный коэффициент. И сопротивление устройства будет увеличиваться с температурой.
В условиях неисправности самонагрев резистора приведет к тому, что сопротивление пройдет точку срабатывания, и в результате сопротивление резко возрастет. Большое сопротивление будет эффективно ограничивать ток подобно открытому механическому предохранителю.
Как только неисправность будет устранена, PTC вернется в состояние низкого сопротивления. Однако устройство имеет некоторый гистерезис, и потребуется некоторое время, чтобы устройство остыло, а сопротивление вернулось к медленному устойчивому значению. Такое поведение полезно для нашей входной схемы защиты, поскольку последовательное сопротивление будет низким в нормальном нерасцепленном состоянии, что обеспечивает относительно низкий уровень искажений.
Сопротивление будет увеличиваться или отключаться в ответ на ток короткого замыкания, что ограничивает рассеиваемую мощность и защищает АЦП.
На следующем слайде мы сравним несколько предохранителей PTC, а затем проверим их влияние на производительность. На этом слайде показан список нескольких различных предохранителей PTC. Мы выберем устройство с номиналом 60 вольт и самым низким током срабатывания. Кроме того, обратите внимание, что сопротивление после отключения и начальное сопротивление относительно низкие.
На следующем слайде мы рассмотрим, как предохранитель PTC влияет на характеристики THD.
Ранее мы рассматривали TVS-диод SMAJ10CA с токоограничивающим резистором 1 кОм. В условиях отказа 40 вольт резистор 1 кОм ограничивал ток и рассеиваемую мощность, так что требовался внешний резистор 1 ватт. Это решение может быть дорогостоящим и занимает большую площадь на печатной плате. Кроме того, характеристики по переменному току устройства с TVS-диодом и резистором 1 кОм значительно ухудшаются по сравнению с техническими характеристиками.
Напомним, что спецификация THD для АЦП составляет минус 110 дБ. А после добавления диода TVS и резистора на 1 кОм показатель THD стал отрицательным 69.0,6 дБ. Замена диода TVS предохранителем PTC улучшает показатель THD до отрицательного значения 96,8 дБ. Таким образом, низкое стационарное сопротивление предохранителя с положительным температурным коэффициентом значительно улучшает характеристики цепи защиты по переменному току, но все же не соответствует характеристике отрицательного значения 110 дБ, указанной в техническом описании.
Также обратите внимание, что размер решения для предохранителя PTC намного меньше, чем решение для резистора мощностью 1 Вт. Осциллограммы в нижней части слайда показывают входной сигнал неисправности. И полученный сигнал неисправности после него был востребован диодом TVS.
В этом разделе Precision Labs мы рассматривали преобразователи данных со встроенными аналоговыми входными каскадами. В этих устройствах используются внутренние фиксирующие диоды Зенера и фиксаторы электростатического разряда SCR.
Входной диапазон этих преобразователей данных обычно составляет плюс/минус 10 вольт, но аналоговое напряжение питания составляет всего 5 вольт.
Как правило, этот тип системы не поддерживает источники питания с напряжением выше 5 вольт. В результате привлекательны внешние диодные решения для защиты TVS, которые подключаются к земле и не требуют высоковольтных источников питания. В тех случаях, когда доступны источники более высокого напряжения, лучшим решением является диодный фиксатор Шоттки. Решение Шоттки предпочтительнее, поскольку напряжение, устанавливаемое клещами Шоттки, обычно является более точным, чем напряжение пробоя TVS. Кроме того, диоды Шоттки имеют меньшую емкость, чем диоды TVS, поэтому они меньше влияют на искажения.
В этом примере мы ограничиваем входное напряжение ADS8588S до плюс/минус 12 вольт. Технически фактическое напряжение фиксации будет включать в себя падение напряжения на диоде, поэтому при использовании диодов Шоттки оно будет примерно плюс/минус 12,3 вольта.
Давайте взглянем на выбор компонентов и производительность для этого решения.
На этом слайде показано, как выбрать последовательный токоограничивающий резистор для метода защиты Шоттки, рассмотренного на предыдущем слайде. Во-первых, мы установили предел тока короткого замыкания равным 10% от максимального прямого непрерывного тока для диода Шоттки. В этом примере BAT42 имеет максимальный прямой ток 200 мА, поэтому мы устанавливаем ток короткого замыкания на 20 мА.
Используя характеристическую кривую слева, мы видим, что прямое падение напряжения на диоде составляет 0,4 вольта. Зная это, мы можем рассчитать падение напряжения на защитном резисторе в условиях неисправности, вычтя падение напряжения питания и диода из напряжения неисправности. Деление напряжения на защитном резисторе на ток короткого замыкания дает минимальное значение защитного резистора.
Величина защитного резистора также ограничена результирующей рассеиваемой мощностью. Это рассчитывается путем деления квадрата падения напряжения на защитном резисторе на рассеиваемую мощность.
Наконец, выберите наибольшее значение Rp, полученное из этих уравнений, и округлите его до ближайшего значения стандартного резистора.
Давайте посмотрим на измеренную производительность схемы. Вот измеренная производительность ADS8588S с только что разработанной схемой защиты на диоде Шоттки. Глядя на БПФ, можно увидеть, что искажения минимальны. Измеренные SNR и THD для этой конструкции очень близки к спецификациям АЦП, указанным в техническом описании. В целом эта схема будет иметь лучшие характеристики, чем схема с защитой типа TVS, так как обратная емкость Шоттки ниже, чем у TVS.
На рисунке в правом нижнем углу слайда показан выход схемы в условиях отказа.
На этом слайде показана та же схема защиты Шоттки с токоограничивающим резистором 1,52 кОм, замененным предохранителем PTC. В этом примере более низкое сопротивление PTC помогает уменьшить искажения, чтобы производительность соответствовала спецификациям технических данных для АЦП.
Спецификация таблицы данных ADS8588S обычно составляет 92 дБ для SNR и минус 110 дБ для THD.
Измеренная производительность схемы со схемой защиты составляет 92,1 дБ для SNR и минус 111 дБ для THD.
График во временной области в правом нижнем углу показывает фиксированный сигнал перенапряжения.
На этом видео заканчивается. Спасибо за просмотр.
Пожалуйста, пройдите тест, чтобы проверить свое понимание содержания этого видео.
Вопрос 1. Каков возможный недостаток использования ТВС с большей мощностью?
Правильный ответ D, емкость выше. Это важная причина для рассмотрения диода TVS меньшей мощности.
Вопрос 2. В чем преимущество более крупного последовательного резистора перед диодом TVS?
Правильный ответ А, можно использовать резистор меньшей мощности. В большинстве случаев очень малый последовательный резистор дает наилучшие характеристики THD. Но, к сожалению, рассеиваемая мощность в условиях отказа может быть слишком высокой.
Вопрос 3. Каковы возможные преимущества использования предохранителя PTC с диодом TVS?
Правильный ответ: E, как A, так и B. Помните, что искажение вызвано взаимодействием последовательного сопротивления с нелинейной емкостью TVS-диода.
Таким образом, предохранитель PTC с малым сопротивлением сведет к минимуму искажения. Кроме того, сопротивление PTC увеличивается в условиях отказа, поэтому можно использовать более низкую номинальную мощность и меньшее физическое устройство.
Вопрос 4. В системе доступны две шины питания: 3,3 вольта и 5 вольт. АЦП имеет входной диапазон 10 вольт. Можно ли использовать входную цепь Шоттки для защиты устройства?
Правильный ответ Б, нет. Причина в том, что нам нужен источник питания 10 вольт для защиты входного диапазона 10 вольт для входной защиты типа Шоттки. Если питания нет, то лучшей альтернативой является использование защиты типа TVS.
Вопрос 5. Предполагая, что схема защиты вызывает искажения, как можно уменьшить искажения?
Правильный ответ D, уменьшите частоту входного сигнала. Уменьшение частоты входного сигнала перемещает сигнал дальше от среза нелинейного фильтра нижних частот, образованного TVS-диодом.
Предыдущий
Далее
Описание
1 мая 2018 г.
В этой презентации показано, как можно добавить плавкий предохранитель PTC для повышения эффективности схемы диодной защиты TVS. Рассмотрено влияние последовательного импеданса PTC-Fuse на THD. Также рассматриваются преимущества PTC-Fuse в области печатной платы и рассеиваемой мощности.
Скачать слайды вебинара
Дополнительная информация
Обратноходовой диод: проблемы с напряжением и коммутационные решения | Блог Advanced PCB Design
Помните огромные рубильники из старых фильмов ужасов и Франкенштейна? Переключатели были настолько огромными, что им требовалась рукоятка размером с ладонь. Самые страшные выключатели были выстроены последовательно, и они приводили в действие стойку для пыток. Безумный ученый дико кричал, переключая каждый рубильник с садистским наслаждением, крики агонии его жертвы нарастали по мере того, как напряжение поднималось все выше и выше с каждым переключателем — какой великолепный сценический реквизит делали эти рубильники!
Это была технология того дня, когда Никола Тесла спустился по лестнице откуда бы он ни пришел, чтобы поднять человечество к электрическому свету, гидроэлектроэнергии, рентгеновским лучам, асинхронному двигателю (который освободил женщин с помощью стиральной машины), Катушка Тесла и беспроводная передача, и это лишь некоторые из наших благословений.
Ненасытный исследователь электрических явлений и магнитных полей, Тесла не только сталкивался с чрезмерными напряжениями, но и преследовал их! Играя с обратной полярностью и повышением напряжения, вызванным переключением, Тесла сделал наблюдения, которые в конечном итоге привели к его открытию того, что он назвал «энергией вещания» — невидимой энергии, которую мы сегодня называем «беспроводной».
Почему переключение вызывает изменение полярности и повышение напряжения?
Тесла наблюдал мощные взрывы, когда рубильники быстро замыкались и размыкались в его трехфазной системе переменного тока. Он заметил, что когда скорость переключения достаточно коротка, а мощность достаточно высока, эффекты подобны молнии.
Обратная полярность и скачок напряжения могут возникнуть в цепи, в которой есть индуктор (катушка, создающая магнитное поле) и переключатель. Переключение вызывает скачки напряжения, на которые большинство устройств не рассчитано.
В тот момент, когда переключатель размыкается и ток падает, магнитное поле индуктора разрушается, посылая импульс напряжения обратной полярности на разомкнутые контакты переключателя.
Это напряжение намного больше, чем напряжение источника, в результате чего электроны перескакивают через воздушный зазор между контактами переключателя, создавая между ними электрическую дугу. Дуга продолжается до тех пор, пока энергия, накопленная в магнитном поле индуктора, не рассеется в виде тепла посредством действия дуги. Это очень нежелательно, так как дуга может повредить контакты выключателя, вызвать точечную коррозию и возгорание, в конечном итоге разрушив их, и может вызвать пожар.
Обратноходовой диод Решение для переключения
Обратная полярность и скачок напряжения на контактах переключателя — это именно то, что решает обратный диод. Эта проблема представляет собой реальную угрозу для целого ряда приложений, включая мобильную электронику, системы с батарейным питанием, автомобильные источники питания, игрушки с питанием от постоянного тока, изделия с разъемами типа «бочонок», используемые в автомобилях, и даже системы, подключаемые к USB-портам.
.
Этому явлению дали много названий, что делает эту тему запутанной для начинающих инженеров-электронщиков. В дополнение к термину «обратная полярность» вы также встретите такие термины, как «индуктивный толчок», «событие с отрицательной полярностью» и «свободный ток». Если вы когда-либо вставляли автомобильный аккумулятор обратной полярностью, случайно подключив неправильные клеммы, что привело к подгоранию аккумулятора, вы испытали на себе вредное воздействие обратной полярности! Отсюда необходимость в обратноходовом диоде для защиты цепи.
Конечно, во времена Теслы обратноходовой диод еще не был изобретен, поэтому ему пришлось разработать собственный метод для устранения того, что он называл «загрязняющими реверсами тока», которые мешали его экспериментам с молнией. Его решение было двояким: 1) он поместил два сильных магнита в виде точек под прямым углом к искровому промежутку, создав магнитное поле, которое частично гасило искру; и 2) он разместил два роговых электрода (роговые разрядники) по обе стороны от искрового промежутка.
После размыкания переключателя возникающий ток обратной полярности от индуктора катушки тянулся магнитным полем вдоль рупоров до их быстрого гашения. Таким образом он достиг однонаправленного импульса очень большой силы.
Работа через диод в вашей конструкции может выглядеть так
Как работает обратноходовой диод?
Термин «обратный ход» означает возврат к исходной или исходной точке луча света (телевидения) или электрического тока. Для предотвращения импульса напряжения обратной полярности при выключении ключа параллельно катушке индуктивности включен обратноходовой диод. Функция обратноходового диода состоит в том, чтобы пропускать электрический ток только в одном направлении и блокировать его в противоположном направлении. Подобно шаровому обратному клапану для жидкостей — клапан пропускает прямой поток, но если жидкость возвращается назад, шар садится на место и проход блокируется.
Если напряжение на обратноходовом диоде отрицательное (ток в цепи течет, а ключ замкнут), то через диод не может течь ток — он выключен или имеет «обратное смещение». Когда переключатель размыкается, диод проводит ток — он включен или «смещен в прямом направлении». Когда переключатель размыкается и скачок напряжения обратной полярности питается от энергии разрушающегося магнитного поля, катушка индуктивности и диод на мгновение образуют цепь. Обратный диод подает ток для замены тока от батареи, а ток катушки индуктивности не падает резко — предотвращается образование дуги на переключателе.
Обратноходовому диоду дали много названий. Его также называют обратным диодом, демпфирующим диодом, супрессорным диодом, улавливающим диодом, фиксирующим диодом и коммутирующим диодом.
Обеспечивают как подавление напряжения, так и надежное переключение.
Обычной отраслевой практикой является испытание реле и установление номинальных характеристик без подавления катушки индуктивности.
Когда требуется подавление индуктивных напряжений для предотвращения обратной полярности во время переключения, рекомендуется оценить работу реле с помощью конкретного метода подавления, который будет использоваться.
Метод подавления обратного тока с использованием обратноходовых диодов обеспечивает максимальную защиту твердотельного переключателя, но может отрицательно сказаться на коммутационной способности реле. Обратный диод на катушке индуктивности — один из лучших способов воспроизвести медленно затухающий магнитный поток, однако это также означает, что для размыкания якоря переключателя требуется наименьшая результирующая сила. Использование только обратноходового диода само по себе может иногда приводить к потере достаточной скорости якоря, когда контакты «залипают» с возможностью «сваривания» контакта.
Любой из ваших компонентов в цепи может уникальным образом реагировать на изменения напряжения и тока
Этого потенциала можно полностью избежать, используя стабилитрон последовательно с обратным диодом.
Когда переключатель разомкнут, ток катушки индуктивности шунтируется через эту последовательную схему, поддерживая напряжение, равное напряжению Зенера, плюс обратный диод обеспечивает ток до тех пор, пока энергия катушки индуктивности не рассеется. Значение напряжения стабилитрона должно быть выбрано таким образом, чтобы ограничить напряжение переключателя дросселя до уровня, приемлемого для номинала переключателя. Это обеспечивает наилучший сценарий как для защиты индукторного переключателя, так и для релейной коммутации.
Принимая во внимание все соображения, которыми должны руководствоваться разработчики печатных плат, уделяя особое внимание времени выхода на рынок, сотрудничество с мировыми лидерами в области проектирования схем поможет вашей компании совершить качественный скачок как в творчестве, так и в производительности.
С помощью современных средств моделирования можно легко моделировать даже самые сложные обратноходовые импульсные источники питания.