SMPS Labortápegység II.

Az áramkörről

 

A labortápegység a kimenetén 0V-tól 50V-ig képes a feszültség és 0A-tól 10A-ig az áram folyamatos, fokozatmentes szabályozására.  (Ez a maximum amit az áramkör tud, de természetesen ennél kisebb feszültségű és/vagy áramú labortápegységként is használható.) Kapcsolóüzemű áramkörrel rendelkezik, melynek köszönhetően jelentősen jobb hatásfokkal bír mint egy hasonló teljesítményű tisztán disszipatív tápegység. Mivel a kapcsolóüzem működési elvéből és felépítéséből adódóan nem, vagy csak nagyon nehezen tenné lehetővé a kimeneti jellemzők (feszültség és áram) precíz szabályozását de még inkább az abba való gyors beavatkozást, ezért az áramkör két szabályozó fokozattal rendelkezik. Ebből az első a kapcsolóüzemű előszabályozó rész, a második pedig a disszipatív, analóg főszabályozó áramkör. E két részegység házasításának eredményeképp egy jó hatásfokú, nagy teljesítményű tápegységet kapunk amely a jó hatásfoka miatt kevésbé melegszik, az analóg főszabályozónak köszönhetően pedig gyorsan be tud avatkozni a jelbe, precíz szabályozást és alacsony kimeneti zajt eredményezve.


A megtervezéskor figyelembe vett szempontok:

  1. A labortápegység a maximális 50V-ot és 10A-t folyamatos üzemben, passzív hűtéssel, tartósan tudja tartani.
  2. Az áramkör könnyen beszerezhető alkatrészekből épüljön fel.
  3. Az áramkör legyen a lehető legstabilabb. A mért és szabályozott feszültség és áram értékek minél kevésbé függjenek a hőmérséklet és a terhelés változásától illetve az idő múlásától.
  4. A labortápegység jó hatásfokkal rendelkezzen.
  5. A kimeneti zaj minél alacsonyabb legyen.
  6. A készülék védve legyen a külső, nem üzemszerű használat okozta behatásoktól.
  7. Az áramkör könnyen utánépíthető legyen.
  8. A labortápegységgel magyar kisvállalkozásokat támogassak.
  9. Az utánépítőknek nagy szabadságuk legyen az építéskor a kezelőszervek és a panelmérő tekintetében.

 

Tekercsek:

 

Sokan félnek a kapcsolóüzemű áramköröktől, leginkább azért mert relatíve bonyolultak és mindig van bennük trafó vagy tekercs amit saját kezűleg kell megtekercselni, ahhoz pedig huzalt és gyűrűt vagy magot kell beszerezni, esetleg induktivitást mérni vagy az áramkör élesztése komolyabb oszcilloszkópos vizsgálatokat igényel. Ebben a tápegységben is van induktivitás, de az viszonylag könnyen elkészíthető. Aki azonban mégsem akar ezzel pepecselni az készen, boltban megvásárolhatja mint bármelyik másik alkatrészt. Itt most a 100uH/10A-es fojtótekercsre gondolok. Ezt házilag is el lehet készíteni de ha valaki nem akar ezzel nyűglődni akkor elég borsos árért ugyan de pl a HEStore-ban készen is megvásárolhatja. A nyomtatott áramkört direkt pont ehhez az induktivitáshoz terveztem.

A labortáp elődjében (LINK) volt még egy induktivitás a pozitív kimeneten mely közös módosú szűrőként működött. A gyakorlatban azonban sajnos szinte alig észrevehető mértékben csökkentette csak a kimeneti zajt, cserébe viszont a hobbisták számára nehezítő körülmény volt mert gyűrűt kell hozzá vadászni és meg kell tekerni. Ezért úgy döntöttem hogy az SMPS Labortápegység II-ből inkább kihagyom ezt az alkatrészt. A közös módosú szűrő koporsójában az verte be az utolsó szeget, hogy induktív terhelés esetén hajlamos volt begerjedni tőle az áramkör.


Beszerezhetőség:

 

Igyekeztem kommersz, könnyen beszerezhető és olcsó alkatrészeket használni a tápban és nem kevés munka árán ez végül sikerült is. Az áramkör minden alkatrésze szinte bármelyik elektronikai alkatrész-boltban (itt most leginkább a Lomex-re és a HEStore-ra gondolok) megvásárolható. A labortápegység fejlesztése során volt egy olyan állapota az áramkörnek ahol a műveleti erősítők egy speciális és nehezen beszerezhető, ultra alacsony offszetű típusok voltak, de végül ezeket sikerült kipaterolni az áramkörből. (A nyákterven azonban meghagytam annak lehetőségét hogy ehhez hasonló precízebb, egytápfeszes OPA-k is beültethetőek legyenek.)


Feszültség-vezérelt szabályozás:

 

A szabályozás feszültségvezérelt lett. Erre azért volt szükség mert a labortáp elődjével ellentétben itt már vezetékezve vannak a feszültség és áram-állító potméterek. Ez viszont nem csupán csatlakozókat kíván a nyáklapra hanem az áramkörnek is ehhez bizonyos tekintetben alkalmazkodnia kell. Gondolok itt arra hogy ha az állító potméterek vezetékekkel vannak a panelhoz kapcsolódva, akkor azok a vezetékek bármilyen zajt összeszedhetnek az éterből, ráadásul nekem mint tervezőnek nincs rálátásom arra hogy majd az utánépítők milyen hosszú vezetékkel kötik be a potmétereket és ezen vezetékek mik mellett futnak majd. Viszont így hogy feszültségvezérelt lett a szabályozás, a potmétereken csak a DC szint a hasznos jelösszetevő, minden más ami ráül az pedig jellegéből adódóan ugyebár váltakozóáramú, ez pedig az egyenáramú alapjelről rendkívül egyszerűen leszűrhető. A feszültségvezéreltté tétel más haszonnal is járt, lehetővé tette a későbbiekben megtervezendő digitális vezérlőmodul beépítését. Ez jelen cikk írásakor még a jövő zenéje. Szintén a feszültség-vezéreltté tétel hozománya, hogy az állító potméterek értéke gyakorlatilag szinte bármekkora lehet. Így nem feltétlen kell az utánépítőnek potmétert vásárolnia, mert lehet hogy már van neki otthon olyan amit beépítene, de más értékű mint amit én az alkatrészlistára írtam. Mivel huzalozva van a nyákra a potméter és nem beültetve ezért az is mindegy hogy műanyag vagy fémházas, vagy hogy egyfordulatú vagy helikális potenciométert használ az utánépítő. Mi több, az áramkör fel van készítve finom és durva szabályozó potméterek kezelésére is, de nem kötelező finomhangoló potmétert is bekötni ha az illető nem szeretné. Ha viszont igen, akkor még azt is megoldottam hogy a finomhangoló potenciométer (mely akár más értékű is lehet mint a durva állító) osztásaránya egyetlen mezei kis ellenállás cseréjével változtatható legyen. A feszültségvezérelt alapjel-előállításhoz tartozik még továbbá, hogy az analóg szabályozó korábbi („Urbános”) konstrukciójának egy hibája volt hogyha a potméter megszakadt vagy néha nem érintkezett rendesen akkor a kimenő feszültség elszállt amerre kedve tartotta. Itt ilyen probléma már nincs, ha a potméter vagy a DC BE/KI kapcsoló kontakthibás, megszakad vagy akár üzem közben lehúzzuk a nyákról, akkor automatikusan a legbiztonságosabb üzemmódba lép a labortáp, azaz lekapcsolja a saját kimenetét, ezzel megvédve az esetleg épp a kimenetére kapcsolt készüléket.


Hűtés:

 

Az áramkörben az összes melegedő teljesítmény-félvezető alkatrész a nyák a műszerdoboz hátulja felé eső oldalán, egymás mellett sorakozik azért, hogy mind egy közös hűtőbordára legyen felszerelhető. A gyakorlatban úgy terveztem és építettem meg az áramkört (bár ehhez nem kötelező ragaszkodni) hogy az összes TO-220-as alkatrész egy kb fél centi vastag alumínium lapra van felcsavarozva, és a hátlapra szerelt hűtőbordára ez a közbelső alumínium idom fekszik fel. Ez számos előnnyel jár. Egyrészt egyben tartja az összes teljesítmény-alkatrészt így könnyebben kezelhető mert egyszerre lehet cserélni az egészet. Másrészt ami nagyon fontos hogy a tesztek idejére amíg még nincs rajta a végleges nagy borda addig is némileg képes hűteni. Ez azért nagyon jó mert néhány másodpercig le tudja hűteni a tranzisztorokat önmagában is és teszteléskor ez pont elegendő. Harmadrészt sokkal könnyebb ha csak 2db csavart kell a hűtőborda lamellái közt becsavarni mint ha mindegyik alkatrészhez egyet-egyet. Ráadásul így a hűtőbordára szerelendő alkatrészek távolságát nem kell hozzáigazítani a hűtőborda lamelláihoz.

 

Tokozások:

 

Az összes hűtőbordára szerelendő teljesítmény-alkatrész TO-220-as tokozású. A hobbisták köreiben elterjedt kapcsolások egy részében ezzel szemben TO-3 tokozású tranzisztorok vannak, melyet azzal magyaráznak hogy utóbbi sokkal nagyobb és fém az egész, ezért jobban bírja a terhelést és jobban elvezeti a bordára a hőt. Ennek a megcáfolása úgy vélem megér egy külön bekezdést. Először is elárulom hogy a TO-3 tokozást látva én is ezt gondoltam sokáig, egészen addig a napig míg meg nem néztem egy TO-3-as tok adatlapját. Ugyanis bármennyire is furcsának tűnhet, még a TO-220 tokozásnak is kisebb a termikus ellenállása:

 

A közkedvelt TO-3 tokozású 2N3055:

 

TO-220 tokos IRL540, ez az SMPS Labortápegység II áteresztő tranzisztora:

 

A TO-247 tokos BD249:

 

Látható tehát hogy egy sokkal kisebb fizikai méretű és kisebb hűtőfelülettel rendelkező mezei TO-220 tokos IRL-540 hővezető képessége is 26%-al jobb mint a 2N3055-nek. Belinkeltem még egy TO-247 tokozású BD249 tranziztort is, melynek még kisebb természetesen a hővezetési ellenállása. Direkt egy bipoláris tranzisztor adatlapját választottam harmadiknak, de FET-ek közt találkozhatunk 0,5-0,45°C/W, sőt ha nagyon vadászunk akkor 0,3-0,25°C/W körüli termikus ellenállású TO-247 tokos példányokkal is.

De ami szerintem sokkal fontosabb hogy a TO-3 eléggé szerencsétlen formájú. Ez a tokozás nem épp a mai kor vívmánya, nem véletlen hogy nem nagyon találkozunk velük a mai modern elektronikai készülékekben. Az hogy a hűtőfelület és a kivezetések ugyan arra néznek, drasztikusan megköti az ember kezét tervezéskor és építéskor. Gyakorlatilag muszáj egy valamifajta L-alakú bordára csavarozni. A hőnek így hosszú utat kell megtennie míg az L-idom egyik szárából a másikra terjed át, ahol aztán átadhatja a hőt az L-idom másik szárán lévő bordáknak, amik végül átadják a levegőnek. A TO-220 és TO-247 vagy hasonló tokok egy egyszerű fésű keresztmetszetű hűtőborda sík felületére rögzíthetőek, és ott a bordázat közvetlen a tranzisztor mögött van. A hőnek sokkal kisebb utat kell megtennie, így tehát a teljes hűtési konstrukció sokkal hatékonyabb.

 


Védelem:

 

A labortápegységnek a magas hatásfok és kellő méretű hűtés miatt nem szükséges hogy saját hővédelme legyen, ezért nem is terveztem bele az áramkörbe. A nem üzemszerű külső behatásoktól azonban nagymértékben védve van. Attól ha a kimenetre külső feszültséget kapcsolunk ami nagyobb mint a labortáp által beállított, már a labortáp elődje sem jött zavarba. Jelen tápegységet viszont már a kimenetre akár fordított polaritással rákapcsolt feszültség sem teszi tönkre. Ez akkor fordulhat elő hogyha például akkumulátort, akár egy autó akkumulátorát szeretnénk tölteni a labortápról és véletlen fordítva kapcsoljuk rá a labortápra. A főszabályozó minden esetben ameddig csak képes rá, bármilyen áron igyekszik a kimeneti feszültséget azon az értéken tartani amit beállítottunk. Ha egy autóakksit kötünk rá fordítva, akkor is! Ez viszont kiegyenlítő áramokat szülne amitől a tápegység vagy a rá kapcsolt áramkör tönkre mehetne. Viszont van egy védelem a labortápban, ami ilyen esetben azonnal automatikusan lezárja az áteresztő FET-et és így megvédi a labortápot és a külső áramkört/akkumulátort is. Az üzemszerűtlen állapot megszűnésekor (a fordított polaritás levételekor) a táp ismét azonnal működik.

Itt fontos megjegyezni, hogy az SMPS Labortápegység II fordított polaritás-elleni védelme úgy van méretezve, hogy a táp kimenetén legfeljebb 50V ellentétes polaritású feszültséget tud elviselni! Ez például akkor lehet fontos ha a tápegységből két példányt építünk, majd a kimeneteiket sorba kötjük és az így kapott két vezetéket (mely így már maximum 100V lehet) rövidre zárjuk. Ezt a labortáp el tudja viselni, erre van méretezve. Azonban ha három vagy több labortápot kötünk sorba és ezek kimeneti feszültségeinek összege nagyobb mint 100V, azt már nem tudja tolerálni az áramkör! Persze ez is megoldható lett volna de ezzel még bonyolultabb lenne az áramkör és úgy mérlegeltem hogy ez egy egészséges kompromisszum.


Panelmérő:

 

A labortáp áramköre az elődjével ellentétben már nem tartalmaz beépített panelmérőt. Ennek leginkább az az oka hogy az elmúlt években fejlesztettem pár PIC-es panelmérő modult. Ez a labortápegység fel van készítve ezen műszerek sőt, ezen műszerek későbbiekben kifejlesztendő utódaik közvetlen fogadására. Gyakorlatilag egy 5 és egy 3 pólusú csatlakozó van a labortáp nyákján, melyek ugyan azon lábkiosztással megvannak a panelmérőimen is. Egyszerűen csak össze kell őket kötni és máris működik a panelmérő. Még csak külön trafó vagy szekunder-tekercs sem kell a panelmérő táplálására mert a labortáp előállítja a panelmérő számára szükséges tápfeszültségeket.

 

A 8. kritérium, a magyar kisvállalkozások támogatása:

 

Igyekeztem az áramkört úgy megtervezni és a jelen cikket úgy megírni az egyéb kritériumokon felül, hogy azzal én közvetve magyar kisvállalkozásokat támogassak. Azért, hogy a magyar hobbisták pénze lehetőleg továbbra is magyar kezekben maradhasson és ne kerüljön ki az országból. Így ha csekély mértékben is, de lehetőségeimhez mérten a magyar munkahelyeket hozom előnyösebb helyzetbe a külföldivel szemben. Az pedig nekünk csak jó ha több a munkalehetőség a saját hazánkban. Ezt akár nevezhetjük szebb jövőnek is. És mégis hogy a bánatban teszem ezt meg? Úgy, hogy a labortápegységet célzottan egy olyan műszerdobozba terveztem amit Fóton egy kis maszek bácsi (Merl Mátyás) készít, vagy például a toroid trafót is egy maszeknél (Kléh György) tekertettem és ezt meg is említem jelen cikkben, sőt javaslom hogy más is nála tekertessen. A labortápegységhez nem csak egy Excel táblázatot mellékeltem alkatrészlistaként hanem egy kosár fájlt is amit egy magyar tulajdonú elektronikai alkatrész-webáruházban (HEStore.hu) lehet beimportálni. Az áramkör nyomtatott áramköri lapját pedig szintén egy magyar tulajdonú céggel gyártatom. És hála Istennek elmondhatom hogy a szándékaim megvalósultak, például Kléh Györgynél azóta a 600VA-es magok hiánycikkek, valamiért mindenki 60V/10A+8V/300mA-es toroidokat tekertet nála mostanában. :-)

Hozzászólások   

 
#51 Attila 2018-01-15 13:16
Meg van már hogy mi az!
A kapcsolási rajzon van egy 4,7u/100V-os fóliakondi. A HEStore-ban ehhez az értékhez legközelebb álló fóliakondi amely azonos tokozású (RM22,5) az a 1003.1303-as cikkszámon szereplő kondenzátor. Ezért tettem be a HEStore-os kosárba ezt a kondit.
 
 
#52 rockersrac 2019-01-17 03:30
Kérdés: a táp mennyire érzékeny a potméterek értékére? Ha pl 20K helyett más értéket használok, mennyire befolyásolja a működését a labortápnak?
 

Nincs jogosultságod hozzászólást írni!

Keresés

Saját menü

Szavazás

Melyik kapcsolást szeretnéd hogy mihamarabb elkészüljön?


Forrasztóállomás III. - 26.7%
PIC-es panelmérő III. - 3.2%
PIC-es panelmérő IV. - 1%
PIC-es panelmérő V. - 3.6%
Labortápegység II. - 46.4%
PIC-es vezérlőmodul - 4.1%
Precíziós árammérő - 3.9%

Összes szavazat: 1365
The voting for this poll has ended on: 02 júl. 2015 - 00:00

Szavazás

Hogy tetszik az új oldal?


Fantasztikus! - 50%
Tetszik - 47.5%
Elmegy - 0%
Lehetne jobb is - 2.5%
Pocsék - 0%

Összes szavazat: 40
The voting for this poll has ended on: 09 márc. 2015 - 00:00

Olvasók az oldalon

Oldalainkat 130 vendég és 0 tag böngészi

Online felhasználók

None