Volba součástek a návrh modulu zdroje

Volba součástek

Volba součástek je jedním z nejdůležitějších kroků. Snažil jsem se při výběru používat součástky co nejkvalitnější a zároveň nejdostupnější, cena byla faktor podružný.
 

Rezistory

Pokud svůj zájem soustředíme na termální šum, pak zjistíme, že uhlíkové rezistory mají šum cca 300 až 1000 ppm/K, drátové cca 300 ppm/K a metalizované 50 ppm/K.

1 % = 10 000 ppm (Parts Per Milion) je výraz pro jednu miliontinu celku

SMD metalizované odpory mají napařenou vodivou vrstvičku na keramickém nosném podkladu.Vrstvička se nanáší na keramické nosiče rozprašováním (vakuová depozice), vodivý materiál se napaří na izolační podklad. Vzhledem k tomu, že doba po kterou se provádí rozprašování může být řízena, tloušťka tenkého filmu pak odpovídá expoziční době.Typ materiálu se také obvykle liší, skládá se z jednoho nebo více keramických (cermetových) vodičů, jako je nitrid tantalu (TaN), oxid ruthenia (RuO2), oxid olovnatý (PbO),Bi2RU2O7, nikl chrom (NiCr), nebo (Bi2Ir2O7).
 

Odpor není od výroby přesný, obvykle jsou na správnou hodnotu ubrušovány nebo ořezávány laserem na toleranci 0,1/ 0,2 / 0,5, nebo 1%, a s teplotními koeficienty 5-25 ppm/K.
 

Volba rezistorů tedy byla: SMD metalizované
 

Proudový bočník

Zvažovali jsme, zda použít pro měření proudu senzor s hallovým čidlem, ten však není lineární. Další možností je drátový odpor, ten má zase příliš velký vlastní šum a teplotní nestabilitu. Nakonec jsem vybral Shunt rezistor „open air“ s hodnotou 20mΩ(10mΩ) / 3W.
Ten svými parametry vycházel nejlépe:
Teplotní drift – 20ppm/ºC
Parazitní indukčnost < 10nH
Oteplení při 3W (12/24A)
– tělo bočníku 160°C
– v bodě pájení 70°C
 

Operační zesilovače

Operační zesilovače jsou opět kapitola sama pro sebe. Do desky jdou bez problémů osadit obyčejné OP27 (40kč), já volil kvůli parametrům Texas Instruments OPA228 (100kč) serie BurrBrown. OPA228 vlastnosti má velmi nízký vlastní šum (3nV/Hz), je širokopásmový 33MHz s rychlostí přeběhu 10V/us (OP27 2,8V/us ). Usazovací čas je 5us což ze oproti OP27 velký rozdíl. Navíc OPA228 je náhrada a vývojový nástupce OP27/37. Operační zesilovače pro přizpůsobení impedance ADC jsou typu LM8261, ty však nemají moc dobré parametry- větší šum, větší teplotní nestabilitu a ofset napětí. Takže je chceme nahradit typem OPA192, který má tyto parametry potlačené.
 

Srovnávací tabulka operačních zesilovačů

Trimry

Pro nastavení linearity OZ jsou použity trimry VISHAY .
 

Napěťová reference

Je TI REF5025 (2,5V)(100kč), externí referenci jsem volil kvůli stabilitě, zaměnitelnosti a nutnosti mít jedno referenční napětí společné pro oba převodníky. Navíc REF5025 má jako jediná z řady testy pro Military použití.
 

Klíčové parametry REF5025:

• teplotní stabilita: 3ppm/ºC
• napěťová stabilita: 0,05%
• dlouhodobá stabilita: 45ppm/1000h
• velmi nízký vlastní šum: 3μVpp/V
• vhodná pro 16-bit ADC
• ustalovací čas: 200μs

Převodníky AD/DA

Jsem opět volil od Texas Instruments, konkrétně ADS8343 (270,-kč) a DAC8563(250,-kč). Jedná se o100ksps/10Msps 16-ti bitové, seriové převodníky. Opět řady Burr-Brown
 

Tranzistory

Při návrhu výkonové větve jsem kladl důraz na dobré dimenzování, tranzistrory jsou 4. To má několik důvodů:

• Zvětšíme plochu pro přenost tepla do chladiče
• Rozložíme proudové zatížení mezi více tranzistorů
• Jednotlivé tranzistory jsou mnohem méně namáhány
• Použijeme více levnějších dobře dostupných tranzistorů, ne jeden supervýkonný
• Zvýšíme spolehlivost proudového zesilovače

Vybraný tranzistor je TIP35C

Kolektorový proud tranzistoru TIP35C je 25A, ztrátový výkon pak 125W. Celek 4x TIP35C má splňovat maximální dlouhodobý provozní proud 10A, havarijní (t < 50ms) proud až 100A.
 

Chlazení výkonových tranzistorů

Maximální (katalogová) výkonová ztráta na tranzistoru TIP35C je 125W/25°C (75W při 75°C). Dlouhodobě jsme schopni přenést z tranzistoru do hliníkového chladiče kolem 40W. Když jsme použili čtveřici tranzistorů, můžeme uchladit maximálně 160W, ale to už musíme použít nucený oběh vzduchu. Nyní máme k dispozici několik možností, jak uspořádat zapojení sekundárního vinutí, vzhledem k počtu odboček a účinnosti zdroje – spálenému výkonu na chladiči. Možnosti jsem zobrazil v grafu:
 

Tepelné ztráty na chladiči

• Zapojení bez přepínání vinutí: pokud budeme chtít odebírat napětí kolem 5V, bude ztráta na chladiči 250W. Tudy cesta nevede.
• Zapojení s jednou odbočkou uprostřed vinutí. To už je lepší. Toto zapojení má výhodu v tom, že pro menší napětí lze z Graetzova můstku použít jenom dvě diody a využít obě poloviny vinutí. Tím zmenšíme zátěž usměrňovacího můstku i transformátoru. Další výhodou je možnost použít sériově vyráběný transformátor s odbočkou uprostřed.
• Zapojení s větším počtem odboček. Výkonová ztráta je ještě menší, zdroj má lepší účinnost. Vzhledem k tomu, že k řízení použijeme procesor, bylo by možné odbočky rozumně přepínat.

  Zvolili jsme druhou možnost s tím, že při větších ztrátových výkonech na chladiči bude měřena teplota. Podle údajích o rostoucí teplotě bude ovládán ventilátor, případně za nějakou dobu softwarově omezen výkon zdroje. Program bude schopen vypisovat aktuální výkonovou ztrátu na chladiči a v mezních případech informovat uživatele, po jakou dobu může být nastavený proud odebírán.
   

Usměrňovač

Zdroj používá symetrické vinutí toroidního transformátoru ve dvou režimech:

• paralelně pro rozsah 0-18V – dvojcestné usměrnění – 1/2 Graeztova můstku
• seriově pro rozsah 18-36V – dvojcestné usměrnění – plný můstek

To zajištuje relé, které přepíná GND (zem kondenzátorů) buďto na odbočku trafa (paralelně) nebo na anodu Graetzova můstku (seriově).
 

Transformátor

Toroidní transformátor, v mém případě 600VA (2x18V/9,72A (350VA) + 2x18V/3,61A (130VA)+ 2x 14V/0,893A + 2x14V/0,893A) jsem si nechal dělat na zakázku v Holické firmě BV elektronik, toroid má průměr 143mm a výšku 75mm s váhou 5,5kg je to kompaktní drobeček:). Volil jsem provedení se zalitým středem kvůli snadné montáži. Samotná volba toroidního transformátoru měla hned několik výhod:

• toroidní transformátor má menší rozměry než klasický IE transformátor
• toroidní transformátor má daleko menší vnitřní odpor vinutí
• toroidní transformátor má menší magnetický rozptyl a bude tak méně rušit
• snadná realizace symetrických vinutí

Relé

V modulu zdroje je použito více typů relé:

• RELEF 4052 – 2 póly / 8A – pro přepínání vinutí transformátoru a „soft start“
• RELE M3 – přepínací pól 3A – pro přepínání kondenzátorů na výstupu zdroje
• RELED 2A – jazýčkové relé pro přepínání zesílení OZ pro meření proudu na bočníku

Návrh modulu zdroje

Dosaženými parametry laboratorního zdroje jsme se chtěli přiblížit, ne-li se rovnat profesionálním produktům. Deska zdroje je koncipována jako modulární, každá deska pro jeden samostatný kanál. Na desce je v podstatě vše, kromě toroidního transformátoru a usměrňovače.
 

Schéma modulu zdroje
 

Na schématu je modul zdroje bez usměrňovače, transformátoru a centrální kontrolní desky MCU (Master Control Unit), těm se budeme věnovat v samostatných článcích později.

Velké nabíjecí proudy kondenzátorů C1,C2 tlumí výkonový drátový rezistor R1 (10R/5W), který se přemosťuje pomocí relé RLY1. Zdroj používá symetrické vinutí toroidního transformátoru ve dvou režimech, paralelně pro rozsah 0-18V a seriově pro rozsah 18-48V to zajištuje relé RLY2, které přepíná zem kondenzátorů buďto na odbočku trafa (paralelně) nebo na anodu Graetzova můstku (seriově). Při paralelním zapojení využívám dvojcestné usměrnění polovinou Graetzova můstku, což sníží úbytek na usměrňovači na polovinu, zároveň se v každé půlperiodě využívá pouze jedna polovina vinutí transformátoru a lépe se rozloží zatížení. Usměrňovací můstek je integrovaný blok s nominálním proudem 35A a je připevněn na centrálním chladiči.

Námi použitý chladič je velmi podobný typu CHL32X/70 s tepelným odporem 1.0K/W. Deska byla navržena tak, aby byly tranzistory na kratší straně, to je kompromis vůči místu a vnitřnímu uspořádání.Tato varianta také poskytuje možnost použít jiné výkonové tranzistory. Chladič bude mít nucený oběh vzduchu zabezpečený dvěma 80mm ventilátory. Ty budou řízeny PWM z kontrolní desky MCU.

Pomocné zdroje +12V, -12V, +5V analog, +5V digital jsou realizovány klasickými lineárními stabilizátory řady LM78xx/LM79xx. Každá větev má na svém výstupu filtrační tlumivku a kondenzátor. 5V napájení je od počátku děleno na analogové a digitální a jsou samostatně rozvedena. Aby se nepřenášely prudké proudové změny v digitální části.

V obou vrstvách, top i bottom, je rozlita měď s GND. Potřebné průchody k součástkám by měly být vždy co nejkratší, což se ne vždy vede a na první verzi desky takové chyby mám.
 

Při dimenzování silových plošných spojů jsem počítal s velkými proudy, modul zdroje má plátování měděné vrstvy 105µm, silové spoje mají šířku 150mil (3,81mm) a maximální délku 200mm, což odpovídá (při povoleném oteplení spoje o 10°C) dlouhodobému proudovému zatížení 14A a havarijnímu t< 20ms 100A.

Filtrační kapacita je navržena dle vztahu:

Kde:

• C je kapacita [µF]
• I je odebíraný proud [mA] (10 000mA)
• U_br… zvlnění [V] (4,5V)
• k odpovída pro zvlnění 5% hodnotě 9.

Výsledná kapacita filtračního kondenzátoru pro zatěžovací proud 10A, zvlnění 4,5V je 20mF.

Je potřeba pamatovat i na napěťové a tepelné dimenzování kondenzátorů.
 

V mém případě je maximální napětí na hlavním filtračním kondenzátoru Umax= Uef x √2 cca 51V, kondenzátory dimenzujeme vždy na napětí alespoň o 25% vyšší, tedy 63V.

Tepelně dimenzovat alespoň o 30ºC nad maximální provozní teplotu, předpokládejme 70ºC. Maximální teplota, na kterou budeme dimenzovat kondenzátor, je tedy 105ºC.

Operační zesilovač IC7 (OPA228) zesiluje napětí na proudovém bočníku a má měnitelné zesílení 10x / 100x, to zajišťuje relé RLY4, které měmí poměr rezistoru ve zpětné vazbě. Obvod je na desce co nejblíže bočníku, aby se do měření vnášelo minimum rušení.

AD převodník měří i teplotu reference, ta je převadena na napětí a je přítomna na pinu 3 (TEMP) reference REF5025. Mezi napětím a teplotou platí následující vztah:

VTEMP PIN = 509mV + 2.64 × T(°C)

Z tohoto vztahu pak určujeme teplotu reference a dopočítáváme chybu vzniklou teplotním driftem na referenci a ADC/DAC. Změna teploty o 30°C odpovídá změně napětí o cca 79mV. Máme v úmyslu tuto rovnici využít v některé následující verzi řídícího programu.

U výstupních svorek je zatěžovací odpor R53 (10R0), který je spínán T7 (BUZ11). Tento obvod slouží pro měření v pulzním režimu.

Modul zdroje má dva konektroty K1, K2 pro připojení teploměrů Dallas DS18B20, ty pak budou umístěny na patřičných místech. Na DPS jsou i 3 stavové LED pro indikaci provozních stavu a odlaďování.

Ochrany zdroje

• Na svorky může být připojeno cizí napětí s opačnou polaritou:
  • Ochrání antiparalelně zapojená dioda D13. Ta zároveň chrání zdroj před impulsy při připojení indukční zátěže.
• Na svorky může být připojeno většího napětí, než je nastaveno:
  • Ochrání dioda D12 tím, že přivede napětí na kolektor tranzistorů. Tento stav zaznamená AD převodník a odpojí výstupní svorky zdroje.
• Proražení výkonových tranzistorů: Spálí budící tranzistor Q1 – BC817:
  • Řídící elektronika je připojena na kladnou svorku zdroje, takže není ohrožena velkým napětím na filtračních kondenzátorech.
• Zkrat na výstupních svorkách při nastaveném napětí kolem 50V:
  • Po dobu několika sekund zdroj tento stav vydrží. Potom musí zareagovat software a přenastavit DA převodník, nebo odpojit svorky zdroje.

Výroba DPS

Desku jsem nechal vyrobit v Mělnické firmě Printed a má následující parametry:

• rozměry 78×173 mm
• síla materiálu 1,8mm
• plátování Cu – 105µm
• povrch spojů – galvanické Au
• materiál – FR4
• nepájivá maska – zelená
• cena za kus cca 1400,- Kč (při 4ks 1100,-kč)
•  

Autori článku: František OK2JNJ a Michal OK2HAZ

• O autorovi
• Najnovšie príspevky

zawin

Administrátor webu SVETELEKTRO.COM. Pracujem vo firme GOSPACE TECH ako HW a SW inžinier v oblasti IoT - www.fleximodo.com

Najnovšie články od zawin (zobraziť všetky)

• Novinky na webe SVETELEKTRO - 12. decembra 2020
• TEPLOMĚR DO UDÍRNY - 21. júla 2020
• Výsledky súťaže o najlepší výrobok–4. kolo - 23. decembra 2019