Laboratórny zdroj 0-60V/5A

[Dinica]

Zdravím všetkých,

Keďže mám väčšinu súčiastok vhodných pre laboratórny zdroj rozhodol som sa vyrobiť si jeden pre vlastnú potrebu. Základ zdroja je transformátor a podľa neho som si určil základné parametre zdroja. Mám toroidný transformátor cca 700VA s nasledovnými vinutiami meranými na prázdno: 15V, 7.9V, 7.9V, 12.9V, 12.9V (dohromady 56.6V na prázdno) a všetky vymenované vinutia sú dva-krát. Podľa priemeru vodiča (keďže trafo nemá štítok), vinutia sú dimenzovane na 5A. Po usmernení a vyfiltrovaní je to cca 80V jednosmerných na prázdno.
Moja predstava sú dva laboratórne zdroje 0 až 60V / 5A galvanicky oddelené v jednej skrinke. Zdroj by mal mať lineárnu analógovú reguláciu riadenú a meranú mikroprocesorom. Stratový výkon na 80V pri 5A (400W) je problém uchladiť a preto by som použil odbočky na trafe a prepínal ich relátkami podľa nastaveného napätia. Použil by som tri relé (vinutia 7.9V a 7.9V by som zapojil do série a použil ako jedno vinutie). Na riadenie a meranie použijem mikroprocesor (mám vyhliadnutý s dvoma 16-bit ADC a dvoma 12-DAC), grafický displej 128x64 bodov, enkódery na nastavenie napätia a prúdu, tlačidlá. Zatiaľ nie som rozhodnutý, či tam dám aj nastaviteľnú prepäťovú poistku (ak sa fyzicky zmestí, tak áno).
Schému zdroja s podobnými parametrami (v rozsahu 0 až 60V) som na internete nenašiel a preto som bol nútený sa inšpirovať inými zdrojmi a upraviť zapojenia podľa vlastných požiadaviek. V prílohe posielam predbežnú schému zapojenia, čo som vytvoril a odsimuloval.
Stručný popis: V6 a V7 sú dve vinutia transformátoru prepínané relé U8 v čase, aby som vedel, ako sa správa regulácia, keď jej zmením vstupné napätie. V1 a V7 sú DC zdroje na napájanie operačných zosilňovačov. M1, R11 simulujem záťaž, ktorá je zapínaná a vypínaná každých 40ms zdrojom V5. V4 je referenčný zdroj pre nastavený maximálny prúd. V11 je referenčný zdroj na nastavené napätie, ktoré sa skokovo zmení po 190ms. V9 a Q14 po 20ms zapne výstup zdroja. Q57, Q49, Q46, Q47, Q56, Q50, Q51 je výkonový napäťový a prúdový zosilňovač. Q55 prúdová poistka výkonových tranzistorov. U13B regulácia napätia, U14B regulácia prúdu. U9C na výstupe bude mat pripojenú LED diódu na indikáciu režimu regulácie napätia / prúdu. U12B je určený na meranie výstupného napätia.
Pretože nie som moc dobrý v analógu, chcel by som sa skúsenejších spýtať niekoľko otázok:
1. Môže to byť funkčné ako som to navrhol? (v simulácií je to OK, ale realita môže byť úplne iná)
2. Načo slúži R30 vo výkonovej časti? Môžem ho odstrániť? Po jeho odstránení (znížení) sa mierne zvýši rýchlosť reakcie zdroja. V pôvodnom zapojení je jeho hodnota 47 ohm.
3. Nebolo by vhodné pridať ešte ďalšie kompenzácie pre prípad rozkmitania? A kde konkrétne?
4. Tranzistor BF469 sa podľa mojich informácií už nevyrába. Viete mi doporučiť vhodnú alternatívu? Mohlo by byť MJE340? V žiadnom datasheete som nenašiel medznú frekvenciu.
5. Ako výkonový tranzistor som použil 2SC3281. Podľa SOAR v datasheete by mal jeden tranzistor vydržať 1,5A/80V. Myslite si, že mohlo stačiť 5 tranzistorov paralérne (nikdy nebudú úplne rovnaké aj keď ich napárujem)?

Za všetky pripomienky / postrehy ďakujem.

[jenda23]

Zapojení na první pohled vypadá dobře, chce to postavit vzorek a uvidíš, jen v bočník bych dal třebas 0,01ohm z manganinu a použí integrovanej přístrojovej zesilovač s pevně nastaveným ziskem. Mívaj stabilitu i lepší jak 5ppm čehož budeš těžko dosahovat pomocí externích odporů. Mám tu teď rozkreslenej taky podobný zapojení akorát regulátor je celej přesunutej nahoru do kladný části.

[Dinica]

Ja som uvažval, že použijem 33 kusov 3,3 ohm klasických metalizovaných rezistorov 0,6W zapojených paralérne. Keď použijem 0,01ohm rezistor, tak pri 1mA (rád by som dosiahol rozlíšenie 1mA pri meraní) bude na ňom úbitok 10uV, čo by som zosilňoval prístrojovým zosilňovačom. Obávam sa, že je to príliš malé napätie na úrovni šumu. Ostatné vlastnosti použitia 0,01 ohm majú len výhody (nižší stratový výkon, menšie rozmery). Aký by si k tomu použil typ prístrojového zosilňovača, aby som mohol spoľahlivo merať 10uV? A prečo by si použil prístrojový operačný zosilňovač s pevne nastaveným zosilnením? Prečo je dôležité pevne nastavené zosilnenie?

Veď ja mam regulátor tiež v kladnej časti.

Ďakujem

[jenda23]

Jo pardon to se omlouvám přehlídl jsem.

Jeto z důvodu vysoký stability zesílení, a odpadá pracný vybírání a párování odporů a navíc běžný odpory maj teplotní drift přes 50 a dost často přes 100ppm/°C. Při pečlivým výběru již zabudovanýho přístojovýho zesilovače bude stabilita 20 a víc krát lepší....a ještě dotaz jak máš vymyšlený řízení z MCU, jelikož tady musíš vykonávat dvě zpětný vazby a to vazbu co máš v obvodu (vlastní zesilovače) a zároveň z MCU před ADC/DAC jelikož pochybuju že pude nastavit výstupní napětí v dostatečný přesnosti a s nízkym driftem jen pomocí čistě způsobu že budeš věřit DAC. Jelikož ti ujede reference, malinko DAC, malinko regulace atd..

[jenda23]

ještě když n to koukám když se podíváš na zapojení napěťovýho regulátoru tak bod +sense je spojenej s nulovým měřícím potenciálem takže ve výsledku R56 a R57 budou v ten moment paralelně, to je kvůli 4 drátovýmu připojení?

[Dinica]

1. "R56 a R57 budou v ten moment paralelně" Áno, je to kôly tomu, že body "+sense" a "-sense" by som zapojil káblikmi priamo na výstupné svorky zdroja. Prípadne by som ich mohol vyviesť von, ale nechystám sa.

2. Na meranie som chcel použiť rezistory 50ppm/C. Čo sa týka toho zosilnenia, absolutná hodnota podľa mňa nie je až taká podstatná, mám takú predstavu, že nahrubo to nastavím cez rezistory a zbytok softwarovo. Čo sa týka tepelnej stability zosilnenia, tak riešenie s pevným zosilnením má výhodu. Ďakujem za typ, porozmýšlam a popozerám vhodné operáky.

3. Čo sa týka toho riadenia ADC a DAC. V praxi by som chcel dosiahnúť maximálny krok nastavenia napätia 0,1V (rozsah 0 až 60V) a prúdu 0,01A (rozsah 0 až 5A), čo by teoreticky stačil 10-bit DA prevodník. Meranie by som chcel mať s rozlišením 10mV a 1mA, na čo by mal teoreticky stačiť 12-bit AD prevodník. Kedže každý prevodník má svoju nelinearitu + strata bitov na kalibrácií, preto si myslím, že je nutné použiť minimálne 12-bit DAC a 16-bit ADC. Mám vyhliadnutý procesor C8051F060, ktorý má dva 16-bit SAR ADC (typický INL 0,75LSB) a dva 12-bit DAC (typický INL 1,5LSB). Má referenciu 15 ppm/C. Pre moju potrebu to má jednu zásadnú nevýhodu - potreboval by som tretí DAC na nastavenie prepäťovej ochrany. Takže rozmýšlam, že použijem dva externé 16-bit DAC a interný 12-bit DAC na nastavenie prepäťovej ochrany. Ako to bude nastavená hodnota "utekať" s teplotou neviem, je možné, že od odmeranej hodnoty cez ADC softwarovo poopravým nastavenú hodnotu cez DAC. Ale to zatiaľ konkrétne rozmyslené nemám. Takýto typ spätnej väzby môže spôsobyť značné problémy. Alebo by si mal lepší nápad, ako to riešiť??? Ešte sa zamýšlam nad tým, že či má zmysel merať cez rýchly SAR. Či by nebolo vhodnejšie použiť procesor s jadrom Cortex-M3 (ktorý má isté výhody voči tej 51) a s 12-bit DAC na prepäťovú ochranu + dva externé 16-bit DAC (nastaveni napätia a prúdu) + dva externé ADC (delta-sigma 20-bit)??? Zatial neviem a rozmýšlam, rady uvítam.

[Washu]

Co je ten posledny graf presne.
Mam totiz silne pozozrenie ze tvoj zdroj bude mat problem s napatovym prekmitom pri skokovej zmene zataze.

[jenda23]

No překmity tam sou a v praxi se ještě zvětšej podle mě. No a tu zpětnou vazbu přes MCU tam vzniká další problém při zásahu nadproudovej pojistky, ty musíš mít zpětnou vazbu do MCU o tom že zdroj je v režimu konstantního proudu jináč by ti softwarovej regulátor se snažil kompenzovat změnu napětí (to samý samozdřejmě i pro proudovej režim) Takže buď procesoru dát informaci o aktuálním režimu zdroje a nebo veškerou zpětnou vazbu řešit softwarově což znamená dost výkonnej procesor a dost rychlý ADC aby docházelo ke vzorkování aspoň 1000x do vteřiny. Podle mě nemá cenu tahat ADC až do takových rozlišení jelikož k tomu nemáš referenci a neodpovídá tomu ani celková stabilita zapojení. Těch 16 bitů si myslím že bude akorát. Dál bylo mou ideou autokalibrace a to při každém startu. Provedla by se následovně při startu by si dejme tomu ověřil procesor shodnost napětí v pěti bodech a proud třebas ve třech, a proved by potřebnou korekci, pokud by došlo k výraznějšímu posunu pracovního bodu tj třebas o 0,1V a 50mA dal by na obrazovku vědět o provedení kalibrace aby tys věděl že se něco děje. Ale je to jen taková myšlenka zatím, zatím řeším analogovaou část. A možná bych zmenšil elektrolyt na výstupu tak na 4u7 to co tam je se mi zdá dost veliký.

PS: a asi externím převodníkům se nevyhneš pokud chceš dva zdroje, jelikož stejně je budeš ty převodníky muset galvanicky separovat ale na to jsou taky obvody...

A jsem moc rád že s tím někdo přišel, jelikož jsem toto před nějakým časem začal řešit s Washu a moc rád bych započal spolupráci ve vývoji takovýhleho zapojení. Jestli teda souhlasíš

[Dinica]

Najskôr ku grafom:
Prvý graf je celkový priebeh zdroja v rôznych režimoch pri rôznych podmienkach po dobu 0,5s. Zelená krivka je vstupné napätie (na hlavných filtračných kondenzátoroch), kde je vidieť skokové zmeny vstupného napätia (pre simuláciu prepínania sekundárneho napätia) a "píla" je zvlnenie napätia na filtračných kondenzátoroch pri záťaži s prúdom cca 5A. Červená krivka je výstupné napätie zdroja. Prvých 20ms je výstup vypnutý cez V9 a Q14 a výstupné napätie je takmer nulové (v reále tam dám namiesto Q14 fet tranzistor, alebo to budem ináč riešiť). Ďalej výstupné napätie má dve hodnoty cca 5,5V a po 190ms sa prepne na cca 33V. V prvom grafe je vidieť táto zmena na 190ms (bližšie popíšem na ďalšom grafe). Modrá krivka je výstupný prúd zdroja. Záťaž sa zapína a vypína každých 40ms posunutých o 5ms. Tieto farby priebehov platia aj pri ostatných grafoch. A teraz celkový popis priebehov:
- do 20ms je výstup zdroja vypnutý, (zdroj nabieha - prechodové javy)
- na 20ms zdroj nabehne na výstupné napätie 5,5V pod záťažou 4,5A. Detail je na druhom grafe
- na 45ms sa odpojí skokovo záťaž a na druhom grafe je vidieť jemný prekmit výstupného napätia. Detail tohto kritického prekmitu je zväčšený na treťom grafe. je Vidieť, že prekmit je pri záťaži 4,5A je cca 25mV (myslím, že je to slušný výsledok)
- v čase 190ms sa prepne výstupné napätie na cca 33V pri záťaži (toto je detailne vidieť na poslednom štvrtom grafe). Daný prekmit tam je, pretože pri zvyšovaní výstupnom napätí zareaguje prúdová poistka, čiže zdroj prepne z napäťového režimu do prúdového. Prúdová regulácia je celkovo trošku pomalšia C13=470pF, preto ten prekmit. Myslím, že je to OK.
- v čase 205ms sa odpojí záťaž a zdroj prejde z prúdového do napäťového režimu a výstup sa nastavý na požadovaných 33V. Je to na prvom grafe

Čo sa týka prekmitov pri skokovej zmene záťaže je to cca 25mV pri 4,5A. V zásade platí, čím je rýchlejšie celková regulácia, tým sú prekmity menšie. Preto som sa tam snažil dať rýchle výkonové tranzistory a aj ako tak rýchle operačné zosilňovače (navyše s nízkym teplotným driftom a nízkym vstupným napäťovým offsetom - hlavne pre meranie prúdu). Samozrejme čím rýchlejšie súčiastky, tým je väčšia šanca, že sa zapojenie rozkmitá a z toho vznikla otázka číslo 3 v prvom mojom príspevku (prípadne otázka číslo 2). Keďže momentálne som použil tranzistory a operačné zosilňovače pracujúce v jednotkách až desiatkách MHz, pri riešení celkovej spätnej väzby cez software, museli by sa použiť podobne rýchle ADC a DAC. Myslím si, že vzorkovanie 1000 krát za sekundu by bolo veľmi málo. Preto som aj od tohto riešenia software spätnej väzby pôvodne upustil a mikroprocesor by som len použil na nastavovanie, riadenie a meranie (nie ako hlavnú spätnú väzbu). Zavedenie signálu o aktuálnom režime zdroja (napäťový / prúdový) je veľmi dobrý nápad a ľahko realizovateľný.

Čo sa týka tej autokalibácie:
- dobrý nápad
- podľa mňa nie je dobré ju robiť pri každom zapnutí zdroja (môžeš mať zapojené na zdroj zariadenie a pri autokalibrácií by to mohlo zariadenie odpáliť), ja by som to riešil manuálne spustiť cez menu s upozornením odpojenia výstupu.
- ako chceš riešiť autokalibráciu prúdu? Cez prepínanie troch záťažových rezistorov?

Mimochodom ako máš vyriešené zapínanie a vypínanie výstupu. Niektoré zdroje tam majú relé, niektoré to majú softwarovo (priamy výstup bez relé). Pri vyšších napätiach a prúdoch je problém, aby pri odopínaní relé nenatiahlo oblúk a tak by sa relé zničilo veľmi rýchlo.

Výstupný kondenzátor zmením podľa potreby až na hotovom kuse. Dokonca aj slušný laboratórny lineárny zdroj od HP ma na výstupe 47uF. Hodnota toho kondenzátora je o kompromise. Keď ho dáš veľmi veľký, aj pri rýchlom zareagovaní prúdovej poistky sa energia vybije do zariadenia, ktoré môže zničiť. Na druhej strane, čím je väčší, väčšia stabilita výstupného napätia a tým aj menšie prekmity pri skokovom odpojení záťaže.

Áno plánujem dva zdroje umiestniť do jednej krabice. Každý zdroj bude úplne samostatný a bude mat teda aj samostatný mikroprocesor s vlastnými tlačítkami na ovládanie a vlastným displejom. Budú medzi sebou komunikovať cez galvanicky oddelenú sériovú linku RS-422. Budú mať jedno “spoločné“ tlačidlo “Tracking“.

Áno, rád sa pustím do spoločného vývoja, ale keďže toto robím iba vo svojom voľnom čase (ako hoby), venujem sa tomu iba keď mám čas.

[pajky]

haha aj ja si brusim zubky na nieco take:) co tak dat na vystup MOSFET a riesit nim aj pwm? ...miesto toho rele vystupneho?

[Dinica]

Mosfet (alebo SSR) ako spínací prvok by mohol byť fajn. Každý mosfet má v zopnutom stave malý odpor, na ktorom pri 5A vznikne napäťový úbytok. Čiže spätnú väzbu na reguláciu napätia je potrebné zapojiť až za mosfet. Čo sa však stane so spätnou väzbou, keď mosfet rozopne??? Alebo ako by sa to dalo ošetriť? A čo s PWM na výstupe? V zdrojoch to býva zapojené opačne. Čiže najskôr PWM (to je namiesto v mojom prípade relé, ktoré prepínajú sekundárne vinutia), to nahrubo a s vysokou účinnosťou predreguluje napätie a za ním lineárny regulátor.

[pajky]

no tak pwm asi az za meranie, pri pwm snad nebude vadit ubytok na MOSFETE.. pwm na regulaciu "vykonu".. asi to bude lepsie na riadenie motorov, popripade na pripojenie nejakeho pulzneho trafa?:) zatial som az tam nedosiel, ako sa tak zamyslam, tak ci nebude lepsie hodit jeden tranzistor medzi vystupny OZ a koncovy stupen..

a ta pwm predregulacia.. no ano, to tam tiez, dam sem co som zatial nakreslil.. hodnoty suciastok su v podstate nevyplnene a tiez kde aka suciastka chyba:) /navyse/

inak ja tam mam vsetko 12bit

[Dinica]

Napr. http://www.eserviceinfo.com/downloadsm/ ... 7/48A.html je použitý tiež PWM ako preregulátor. Okrem toho PWM je tam aj prepínanie dvoch sekundárnych vinutí cez tyristory. Veľmi dobrý zdroj inšpirácií Ináč mohlo by Ti to fungovať, len je to pre mňa nepoužiteľné, pretože to bude funkčné pri nízkom napätí, čiže do napájacieho napätia operačných zosilňovačov. To bol dôvod, prečo som od podobnej koncepcie (merací rezistor prúdu v zápornej vetve) upustil. V mojom prípade by to chcelo operačné zosilňovače na 90V. Nie, že by neboli, ale je ich málo na výber. Ináč na Microchip ako na výrobcu ADC a DAC som úplne zabudol. Musím sa to pozrieť a spraviť si nejaký prehľad vhodných kandidátov
Teraz musím urýchlenie vyriešiť predný panel s ovládacími prvkami. Zatiaľ to mám rozmyslené tak, že každý kanál zdroja bude mať displej 128x64 bodov, dva rotačné enkódery (nastavenie napätia a prúdu), tlačidlo ENTER, ESC, OVERVOLTAGE, ON/OFF výstupu. Oba zdroje budú mať jedno spoločné tlačidlo TRACKING.

[jenda23]

Až bude chvíle času regulátor zkusím postavit mám operáky OPA227 a uvidíme jak se bude regulátor chovat, jako výkoňáky použiju MJ150024 ty by měly lýst do řádu MHz takže budou dost rychlý. Na výstupu pro odpojení jsem i v 10A zdroji použil relé, pokud se dá pořádný relé a spojíš dva kontakty do serie a ještě je přemostíš svitkem a nevznikaů problém.

Autokalibrace by samozdřejmě probíhala při odpojeném výstupu, mám to i u staršího zdroje co jsem dělal, relátka maj cca 3 sekundy po zapnutí zdroje aby dostal šanci se ustálit a tím se i eliminujou případný špičky co nechytí elektronika. A autokalibraci proudu bych řešil prostým vykrácením výstupu....

Ještě mi washu poradil řešení koncovýho stupně stylem push-pull což se mi zdá jako velice výborný a myslím že by to dost i zklidnilo konec...


PS pajky nechtěl bych při tom PWM vidět co máš za harmonický na výstupu zdroje...

[pajky]

co mas proti mojmu PWM?:)

[jenda23]

Nic jen že bude problém odstranit to spektrum bordelu co poleze na výstup... jak máš řešený řízení předregulátoru něco jsem už zkoušel a bude to dost problém když máš zachovat přechodový charakteristiky to aby spínací frekvence byla tak 500kHz aby zvládal reagovat v dostatečně rychlým čase...

[pajky]

ja som na to vlastne tiez zvedavy co z toho polezie. planujem ho riadit, aby vystup U bol asi o 1V viac, ako nastaveny, ale to este uvidim, ci bude stacit. cim viac do toho pozeram, tym viac sa zapletam:) musim si spravit nejaky hruby navrh, potom to prepocitat kapecku a potom to provizorne odskusat...
a to mam aj napajanie riadenia navrhnute PWM.. tak som fakt zvedavy


..nj tiez to mam tak na hrane, aby to tie OZ este prezili. a tiez pokukavam dat to meranie prudu do kladnej vetvy..

[Dinica]

Celkom slušné operáky OPA227 a aj konce MJ15024. Trošku by som sa obával, že ak to zapojíš ako “hniezdo“, či sa to pri tých rýchlych súčiastkach nerozkmitá. V každom prípade som zvedavý na výsledky (ak ich uverejníš). Máš nejakú konkrétnu vhodnú schému koncového stupňa push-pull (mohol by som to skúsiť odsimulovať). Možno to nie je zlý nápad. Aj keď ako som bádal po internete, na takéto riešenie som nenaďabil (to neznamená, že je to zlé riešenie). S mojimi chabými znalosťami si myslím, že mojej schéme majú rezistory R28 a R29 funkciu rýchlejšieho zatvárania výkonových tranzistorov. Alebo sa mýlim? Len neviem na čo je tam R30 (ako som sa pýtal v otázke číslo 2 môjho prvého príspevku).

Keď dám na výstup relé s kondenzátorom ako je riešené potom snímanie výstupného napätia do spätnej väzby? Je ešte pred relé? Alebo je nejaká finta ako ju zapojiť za relé? Ten kondenzátor paralelne s kontaktmi relé je dobrý nápad. Dobre si myslím, keď si myslím, že pri odopnutí relé na krátky okamih ide prúd cez kondenzátor, medzi tým sa odopnú kontakty relé a preto to oblúk nenatiahne? Máš nejaký konkrétny typ relé, ktoré je vhodné na jednosmerných 70V a ktoré znesie pri odopnutí 5A?

PS jedn23> Ako si to konkrétnejšie myslel s tou soluprácou na vývoji?

[jenda23]

Určitě bych to stylem vrabčí hnízdo nedělal, určtě udělám pokusnou desku, ale formě jak bych chtěl výslednou DPS . Až bude chvíle času DPS vyrobím a oměřím. Měření bych zatim nezveřejňoval ale Tebe a washua bych určitě informoval o výsledcích.


K tomu push pullu to mi poradil washu a řešením jsem se zatím nezabejval. Spoluprácí jsem myslel jako o společném návrhu, přeci jen takové zařízení se v jedno navrhuje blbě

[Dinica]

OK. Budem rád, keď ma informuješ o výsledkoch.
Ako je to stým relé a spätnou väzbou? Správne som popísal princíp toho kondenzátora a kontaktov relé?
Na spoluprácu sa teším, aspoň minimalizujeme zabudnutie na nejakú drobnosť.
Idem sa pozrieť na DAC, ADC a prístrojové operačné zosilňovače.