Laboratorní zdroj – 3. volba součástek

Tento článek navazuje na popis laboratorního zdroje, který stavíme s Frantou OK2JNJ.

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 teplotní drift rezistorů, pak zjistíme, že uhlíkové rezistory mají drift 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 offsetu 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

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