(puls)transformator, component keuze

Dag Forum,

Mijn circuit (bijlage) genereert een constant current blok signaal (linkse blok) dat ik galvanisch wil scheiden van de load (rechts) met minimaal verlies van de vorm van het signaal. Het betreft blok signalen vanaf enkele KHz tot 30KHz (later zou ik wel tot 100KHz willen gaan). De maximale stroom van de constant current bron is ±200mA (maar al blij als werkt vanaf 100mA).

Mijn simulaties tonen aan dat ik een 1:1 transformer nodig heb van ± 200mH en dat lagere inductanties niet geschikt zijn, ik vermoed, omdat mijn constant current bron een blok signaal/puls genereert dat 2fasig (+ en -) en asymmetrisch in tijd kan zijn in welk geval het signaal op de load te zeer vervormt bij te late inductanties.

Ik kan jullie hulp gebruiken om de spec van de transformator juist te krijgen/bevestigen en jullie tips waar ik dit product eventueel kan kopen of zelf maken.

Dank alvast, Herbert.

PS. Ik heb bij mouser en digikey gezocht maar hun pulse transformatoren zijn beperkt tot ± 30mH.

Welke spanning heeft het ingangssignaal?

Als je 5V zet op een spoel van 200 mH, dan neemt de stroom toe met 5 / 0.2 = 25 Amp per seconde. Een 2 kHz signaal met 50% duty cycle is 1 ms aktief per puls. Dus dan heb je 25mA door de spoel aan het eind van de puls. Als je tot 200mA kunt gaan dan kun je dus met een spoel van 25 mH toe.

Bij hogere frequenties kun je volstaan met kleinere spoelen.

Maar spoelen van 25 mH en zelfs 200 mH zijn nogal ongebruikelijk. Meestal worden ze opgegeven in µH of nH.

Frederick E. Terman

Honourable Member

met minimaal verlies van de vorm van het signaal.

Waarbij je met 'signaal' de stroom in de weerstand van 525 ohm bedoelt, denk ik.
De spanning is natuurlijk hoe dan ook sterk vervormd, zelfs met een ideale (of geen) trafo. Dat kan niet anders als je met een stroombron een RC-circuit; en de stroom in de andere weerstand dus ook.

Verder is natuurlijk de gemiddelde stroom rechts van de trafo nul. De pieken gaan dus op en neer als de duty cycle verandert, ook als aan de ingang de pieken hetzelfde blijven.

Als je weet dat de trafo niet verzadigt, kun je inderdaad de sim gebruiken om de golfvormen te bekijken. Het effect van een te kleine inductiewaarde is dat de horizontale gedeelten van de golfvorm gaan hellen.

--

Welke spanning heeft het ingangssignaal?

Met ±200mA (dus 400 mA piek-piek) door het RC-netwerk op 2 kHz met 50% duty cycle, staat over het RC-netwerk ca. 697 V piek-piek. Met een ideale trafo zou dit dus ook de ingangsspanning moeten zijn.
Bij hogere frequenties neemt (bij dezelfde stroom) de spanning af, tot de frequentie zo hoog wordt dat eigenlijk alleen die 525 ohm nog meedoet.
Pas op dat bij afwijkende duty cycles de pieken plus en min niet meer even groot zijn.

Een 2 kHz signaal met 50% duty cycle is 1 ms aktief per puls.

Een complete puls duurt dan 0,5 ms.
Iedere helft (dus plus en min) zou 0,25 ms duren, bij 50% duty cycle. Maar de duty cycle is hier niet altijd 50%.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Ik ging uit van 200mA door de primaire spoel van de trafo, niet door het netwerk aan de andere kant.

En inderdaad, puls duurt 250 µS bij 2kHz en 50% duty cycle. Dus dan kan de spoel nog een factor 4 kleiner (6 mH).

Verder is natuurlijk de gemiddelde stroom rechts van de trafo nul.

Hoeft niet. Je kunt best een DC door een primaire wikkeling sturen, of pulsen.

Dank voor alle feedback.

"Waarbij je met 'signaal' de stroom in de weerstand van 525 ohm bedoelt, denk ik. De spanning is natuurlijk hoe dan ook sterk vervormd, zelfs met een ideale (of geen) trafo. Dat kan niet anders als je met een stroombron een RC-circuit; en de stroom in de andere weerstand dus ook."

-- inderdaad. ik snap dat de load (het RC circuit zelf) het signaal verandert maar merk dat bij te lage inductantie van de transformator er nog een extra grote vervorming bij komt.

"Als je weet dat de trafo niet verzadigt, kun je inderdaad de sim gebruiken om de golfvormen te bekijken. Het effect van een te kleine inductiewaarde is dat de horizontale gedeelten van de golfvorm gaan hellen."

--- klopt helemaal en dit is wat ik bedoelde met extra vervorming door transformator. Die impact wil ik minimaliseren. in mijn simulatie zie ik dat die minimum is als naar 200mH inductantie ga versus bv. 25mH.

Dus mijn stroombron kan de nodige stroom en spanning leveren tijdens de korte pulsen (0,25ms of zelfs korter bij nog hogere freqs) dus daar zit de beperking niet.

Ik denk dus dat jullie bevestigen dat inderdaad de inductantie van de transformator het meeste impact lijkt te hebben op de 'extra' (dus bovenop de vervorming tgv het RC netwerk zelf) vervorming op die horizontale gedeeltes. Een transformator vinden dat 200 mH kan leveren zou mij al een heel stuk helpen ;).

Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 7 augustus 2022 13:02:20 schreef deKees:
Ik ging uit van 200mA door de primaire spoel van de trafo, niet door het netwerk aan de andere kant.

@TS heeft (of wil) een 1:1 trafo. Dan is de stroom links (primair) en rechts (secundair) hetzelfde (op een constante na; zie volgende punt).

Verder is natuurlijk de gemiddelde stroom rechts van de trafo nul.

Hoeft niet. Je kunt best een DC door een primaire wikkeling sturen, of pulsen.

Ja; maar rechts van de trafo (in het schema) is het secundaire circuit. De gemiddelde stroom daar kan niet anders dan nul zijn.

--

Op 7 augustus 2022 13:36:59 schreef herbert@debuto:
Ik denk dus dat jullie bevestigen dat inderdaad de inductantie van de transformator het meeste impact lijkt te hebben op de 'extra' (dus bovenop de vervorming tgv het RC netwerk zelf) vervorming op die horizontale gedeeltes.

Daar lijkt het inderdaad wel op. Hieronder twee stroomgrafieken; een met een L (primair en secundair) van 200 mH, en een met een L van 25 mH. Hoe groter hoe beter lijkt het, maar pas op: met grotere zelfinducties moet de koppelfactor wel erg goed zijn, anders wordt de spreidingsinductie ook groot.

Zou het niet gemakkellijker zijn, je stroombron gewoon rechtstreeeks - zonder trafo - te koppelen met de belasting?
Voor de galvanische scheiding zou je dan een gescheiden voeding kunnen maken.

--

+/- 200 mA, 2 kHz, 50 %; rood= 25 mH, groen= 200 mH
e: Schemacorrectie: secundair vrij van aarde

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Mooie grafiek. dat maakt het probleem helemaal duidelijk :). Dank je.

de reden voor de galvanische scheiding (al gebruik ik die term misschien niet helemaal juist) is dat ik geen gemeenschappelijke ground wil tussen mijn primair bron circuit en het secundair load circuit (*). Dit om er zeker van te zijn dat er geen mogelijkheid is voor (een deel van) de stroom in het secundaire circuit om zijn weg te vinden naar de ground in het primaire circuit . Voeding zelf is al galvanisch gescheiden.

(*) in uw schema hebben het primaire en secundaire circuit dezelfde ground. dat wil ik dus vermijden.

Je gaat er nu wel vanuit de het circuit wordt aangestuurd met een 200 mA blokgolf, dus stroomgestuurd.

Ik zou eerder aansturen met een spanningsbron die max 200mA kan leveren. Dan krijg je heel andere plaatjes.

voor mijn toepassing (bio) is stroom sturing belangrijk. de impedantie van de lading is niet constant en dus moet de spanning zich zo aanpassen dat stroom 'constant' blijft.

Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 8 augustus 2022 09:42:17 schreef herbert@debuto:
(*) in uw schema hebben het primaire en secundaire circuit dezelfde ground. dat wil ik dus vermijden.

Je hebt gelijk. Voor de golfvormen maakte dat niets uit, maar voor de duidelijkheid in het hele verhaal heb ik het nu aangepast.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org
blackdog

Honourable Member

Hi,

Zou de TS ook geen rekening moeten houden met de spreidings zelfinductie?
Ik denk dat de stijle flanken erg kunnen gaan ringen, dus goede snubbers lijkt mij een goed plan.

Groet,
Bram

Existence, well, what does it matter? I exist on the best terms I can... Heart and soul, one will burn
Sine

Moderator

Ik neem even aan dat het samenhangt met je vorige topic:
https://www.circuitsonline.net/forum/view/155242

Dan zijn er wellicht makkelijkere manieren om galvanische isolatie te verkrijgen. Manieren waar geen dikke trafo voor nodig is.

inderdaad, de linkse blok (bron circuit) verwijst naar mijn post van een jaar geleden. Goed dat je dat verband maakt want indien er andere manieren dan een transfo bestaan om te isoleren hoor ik het heel graag ...

ik neem ook de snubber tip tegen ringing. thanks!

Sine

Moderator

Ik weet niet wat aan het ding vooraf gaat, ofwel waar komt je signaal vandaan wat je aan die versterker voert?

Je kunt natuurlijk heel de amp zwevend bouwen, dan hoef je alleen het signaal naar de amp galvanisch te scheiden.

Op 7 augustus 2022 11:05:15 schreef herbert@debuto:

PS. Ik heb bij mouser en digikey gezocht maar hun pulse transformatoren zijn beperkt tot ± 30mH.

Heb je al bij Mouser gekeken naar amps die 200mA, 697V piek kunnen?

Meer serieus, als je dit wil implementeren in hardware (ipv in een simulator) zou ik eerder een losse galvanisch gescheiden voeding nemen, en de hele pulsgenerator en versterker aan de geisoleerde kant zetten.

Scheelt je een trafo.

misschien maakt hetvolgende schema eea nog verder duidelijk. Mijn circuit bestaat uit volgende blokken:

- een digitale signal generator (PIC32 + Raspberry en verschillende andere digitale ICs + OPAMS)
- meerdere high voltage/constant current amplifiers - zie ander schema
- meerdere loads (via elektrodes)

Dit systeem is reeds gebouwd en werkt. alle gronden in het grote vierkant zijn verbonden met elkaar en de output van iedere amp is altijd tov. grond.

Omdat de grond gemeenschappelijk is tussen alle circuits én de loads merk ik dat er currents zijn die niet 1 op 1 terugkeren naar de amp-blok waar ze genereert worden (zie bv. traject in geel). Dat wil ik uitsluiten en dacht ik te doen dmv de transformator zoals getekend in het circuit voor load 1.

Heb je al bij Mouser gekeken naar amps die 200mA, 697V piek kunnen.

--- mijn systeem gaat tot 75V piek hetgeen voldoende is voor mijn applicatie. 200mA haal ik momenteel nog niet maar wel 100mA door meerdere Amp blokken in parallel te plaatsen.

Sine

Moderator

Dan zou ik voor alle amps galvanisch gescheiden voeden, en de signaalscheiding doen in het signaal naar de amps toe.

Hoewel je voeding dan wat uitgebreider wordt (eventueel met geïsoleerde DCDC converters) lijkt me dat nog steeds makkelijker dan het volle vermogen via een trafo overdragen.

inderdaad dat is ook een mogelijke piste die ik nog niet meteen had overwogen. Het heeft als bijkomend voordeel dat mijn signaalvorm erdoor bewaard blijft. Het nadeel heb je al benoemd.

Dank voor het meedenken, ook alle anderen die input gegeven hebben.

Frederick E. Terman

Honourable Member

Vandaar dat ik dit in mijn tweede post ook al aangaf, net als de zaak van de spreidingsinductie trouwens.

Nog wat spelend met de sim zie ik wel dat die spreidingsinductie bij zo'n grote trafo (200 mH) vrijwel zeker het grootste probleem zal gaan vormen. Zelfs bij een spreiding van minder dan 1% zou je al zwaar moeten dempen om de spanningen binnen de perken te houden. Dat komt door de steile flanken van je signaal. Een trapeziumgolf zou al een stuk gemakkelijker zijn.

Vandaar ons idee de voeding te scheiden (en de input, maar omdat daarbij geen grote stromen en zelfinducties te pas komen, is dat gemakkelijker). Voor de uitgang is dan geen trafo nodig. En het trafootje in de voedingsscheider kan veel kleiner zijn - voor zover je niet eenvoudig een kant-en-klaar blokje neemt.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

jullie advies is inderdaad unaniem, had het eerder gemist. gescheiden voeding en input is hier de betere aanpak! Nogmaals bedankt.