Serva a rušení znovu a znovu

Serva a rušeníV letošním druhém čísle časopisu RC Revue vyšel článek věnovaný otázce odrušení serv, jehož autorem je Ing. Jiří Potenský. V článku se objevilo několik nepřesností a mylných informací, na které upozornil Tomáš ‘Erektus’ Tichý, s jehož svolením zveřejňuji jeho následující text.

Poznámka úvodem: zmiňovaný článek naleznete na dvoustraně 20-21. Pokud časopis nemáte, můžete si stáhnout fotokopii článku například zde.

Autorem následujícího textu je Tomáš ‘Erektus’ Tichý.

Nedá mi to, abych na tento článek alespoň trochu nezareagoval a neuvedl některé věci na pravou míru. Je rozhodně správné, že na tuto situaci někdo upozornil, mám k tomu pouze pár připomínek.

Naprosto nechápu, kde se vzalo rušení od servo zesilovače. Je v taktu 20ms, což je zcela v pořádku, ovšem velikost a dálka zobrazených kladných špiček je podivná. Pokud si vezmu standardně zapojený můstek s P-MOSy nahoře a N-MOSy dole, tak pro samotný můstek může dojít pouze k těmto špičkám:

1. Nalití náboje horního P MOSu - projeví se napěťovým podkmitem
2. Nabití výstupní CDS kapacity spodního tranzistoru, dodání náboje pro zavření spodní body diody (byla-li otevřená - což pro samotný můstek nebyla - neteče proud) - záporná špička
3. Vylití náboje horního P-MOSu - kladná špička
4. Nalití náboje spodního (spodních) NMOSu - záporná špička
5. Vylití náboje spodního (spodních) NMOSu - neprojeví se

Při připojeném motoru se přidají proudové špičky pro nabití otevřené jedné spodní body diody a poklesy při připnutí motoru jedním z horních spínačů.

Poznámka k časům

- nabití a vybití vstupní kapacity MOSů je rozumné v časech do 50ns pro minimální ztráty, běžné časy jsou pod 20ns
- nabití výstupní kapacity (řádově stovky pF) jsou záležitosti trvající do 100vek ns - obvykle provázené zvoněním na indukčnostech od Vin horního MOSfetu přívodů a výstupní kapacitě
- zavření body diody je se pohybuje také v desítkách ns

Poznámka k proudům

- nabití a vybití vstupní kapacity MOSfetu za čas 100ns (opravdu dlouhý) pro kapacitu 0,5nF na 5V znamená střední proud 25mA (průběh proudu má exponenciální průběh) a tato hodnota nemůže nijak zvlášť zamávat s rozumně navrženým můstkem, a už vůbec nemůže prolézt ven, protože přes horní Source a spodní Source je umístěný kondenzátor, pro který to nemůže znamenat problém.
- nabití výstupní kapacity spodního MOSfetu znamená pro CDS 300pF a Vin 5V náboj 1,5nC, což je pro 100ns proud 15mA
- uzavření body diody s QRR 100nC znamená pro 20ns proud 5A, který již poznat být může, především na malém a nekvalitním kondenzátoru přes můstek

No a nyní k tomu, co vidím na obrázcích

Kladné špičky způsobené servo zesilovačem – předpokládám, že se mluví o špičkách pouze od zesilovače bez připojeného motoru. No a nyní ty časy. Záporná špička trvá 2,5ms!! a kladná špička 1ms!, což jsou naprosto neskutečné časy. Tyto špičky se opakují s frekvencí signálu z přijímače. Vážně by mne zajímalo, jak 500pf dokáže ms udržet napětí v takovém rozdílu.

Špičky do napájecího napětí před potlačením kondenzátorem - tady předpokládám, že je řeč už o zesilovači s připojeným motorem. Této špičce bych i věřil, pokud by byla pořízena v době, kdy se motor brzdí otočením napětí. Motor totiž bude mít tendenci nechat proud téct stejným směrem, což znamená, že svou energii bude vylévat do napájecího zdroje. Vzhledem k tomu, že jsou dlouhé dráty, přechodové odpory atd. bych tomuto i věřil. Bylo by tedy lepší mít možnost vidět i velikost proudu, abychom si mohli udělat obrázek o impedanci Vin smyčky a poté se přesněji rozhodnout. Ale i tak dobré.

Dále mě zarazila informace o tom, že keramické kondenzátory jsou levné a nekvalitní, přičemž elektrolytické kondenzátory jsou kvalitnější. Toto samozřejmě není pravda!!! Kondenzátory se z hlediska parazitních vlastností řadí v pořadí keramika, tantal, elektrolyt. Už vůbec není pravda, že keramický kondenzátor není schopen rychle pohltit a vydat energii. Přesně naopak. Keramický kondenzátor (kvalitní MLCC – multi layer ceramic capacitor) má velmi malou parazitní indukčnost (ovlivňuje maximálně použitelnou frekvenci – což v našem případě znamená, jak krátkou špičku dokáže zachytit) a velmi malý parazitní odpor.

Pro ilustraci: velmi dobrá série kondenzátorů od firmy Nippon KZM 330uF/10V má ESR při +20°C 110mOhm při -10°C dokonce 350mOhm. Naproti tomu MLCC od Kemetu s kvalitním materiálem X5R 47uF/10V má na stejném kmitočtu (100kHz) ESR stejné jako elyt pouze 2,3mOhm a výrazně nižší indukčnost (dané technologií výroby - elyt je motaný). Z toho je hezky vidět, že elektrolytický kondenzátor i s vyšší kapacitou se nemůže rovnat keramickému kondenzátoru - tuto skutečnost potvrzují i mé praktické zkušenosti ze spínaných zdrojů. Velikost pouzdra je samozřejmě pro keramiku příznivější ( 6,3×11mm u elytu a 3,2×2,5mm u keramiky ), a tak i její případná instalace do serva bude mnohem jednodušší.

Kapacita keramiky je nižší, ale pokud se podívám na zobrazený průběh napětí s připojeným kondenzátorem 220uF, vidím, že celý úbytek je daný pouze ESR. Hodnota se nemění, kapacita je tedy více než dostatečná, a proto si myslím, že kapacita 47u musí bohatě stačit. Ostatně i tabulka měření bez kondenzátoru, s kondenzátorem 100u a 220u toto ukazuje. V podstatě se mění jen drop a ten je daný ESR, které je pro 100u a 220u rozdílné.

Jinak z mého pohledu pájet kondenzátor na drát od serva, je čirý nesmysl. Ten drát má odpor, má indukčnost, prodlouží se plocha, smyčka atd. Výsledek je bídný. Kondenzátor musí být co nejblíže můstku. Pro tento účel dávat kondenzátor na drát od serva a na servokonektor je také nesmysl. Jednak, jak je správně uvedeno, vzroste problém s proudovými špičkami tekoucími od serva do kondenzátoru a zpět, za druhé impedance celé smyčky naprosto znehodnotí celou snahu (stačí potom použít jakýkoliv obyčejný kondenzátor).

K odstranění problému, podle měření, dojde po připojení kondenzátoru do napájení serva. Pokud to budu brát za správné (rozhodně to neublíží ničemu), tak je nejlepší napájet keramický kvalitní kondenzátor co nejblíže k můstku nebo půl mostům. Ten se postará o snížení rušení z nabíjení a vybíjení gatů, potlačí proudové špičky z baterky při zavírání body diody a nabíjení low side výstupní kapacity tranzistoru a také sníží impedanci smyčky, čímž potlačí ringing na switch node (prostředku mezi tranzistorama).

Pokud se jedná o špičky v řádek jednotek až desítek ms, tak ty jsou způsobeny především samotným odběrem motoru (podle mého měření tak při malé odchylce výstupní hřídele servo reguluje motor pouze po krátkou dobu jednou za 20ms, až větší odchylky koriguje kontinuálně), tam je potřeba použít vyšší kapacita a je možné ji umístit dál od můstku. Ovšem úplně nejlepší řešení dlouhých poklesů je kvalitní kabeláž a napájecí zdroj, které přenesou výkonový požadavek bez závažného úbytku napětí.

Nakonec si nemůžu odpustit poznámku k popisům u obrázků v článku. Kondenzátor 220uF ESR. Co to znamená? Kondenzátor 220uF Ekvivalent Seriál Resistence? Hmm ale kolik? ESR je parametr a bez čísla je jeho vypovídací hodnota nulová.

Neberte prosím tento můj elaborát jako útok na pány autory, ale spíš jako podnět k zamyšlení.

Tomáš ‘Erektus‘ Tichý

Související odkazy:
Měření serv od Tomáše ‘Erektuse’ Tichého

Komentářů k příspěvku „Serva a rušení znovu a znovu“: 0


  1. Žádné komentáře

Přidat komentář






TOPlist