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 = Im / [ 2f·(Um – Ux) ]
- Um = maximální napětí na výstupu; [Ur]=V
- Ux = minimální napětí na výstupu při maximální zátěži; [Ur]=V
- Ur = rozdíl Um a Ux; [Ur]=V
- Im = maximální proud odebíraný ze zdroje; [Im]=A
- C = kapacita filtračního kondenzátor; [C]=F
- f = frekvence střídavého napětí; [f]=Hz (pro el. síť 50Hz)
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)
Laboratorní zdroj – 1. úvod
Laboratorní zdroj – 2. popis zapojení
Laboratorní zdroj – 3. volba součástek
Laboratorní zdroj – 4. návrh modulu zdroje
Laboratorní zdroj – 5. komunikace po sériové lince
Laboratorní zdroj – 6. programování DA a AD převodníku
Laboratorní zdroj – 7. regresní funkce měření napětí
Laboratorní zdroj – 8. statické vlastnosti zdroje
Laboratorní zdroj – 9. dynamické vlastnosti zdroje
Laboratorní zdroj – 10. návrh řídící desky MCU
Laboratorní zdroj – 11. slave modul ATmega16 UART
Laboratorní zdroj – 12. cena součástek
Laboratorní zdroj – 13. Závěr
Zdroje:
1/ www.dmaster.wz.cz [Online]. ©2015 [cit. 2015-28-12]. Dostupné z: http://www.dmaster.wz.cz/postupy/filtr/filtr.htm