SMPS Labortápegység II.

Mérési eredmények

 

A mérésekről:


DSCF2570 kicsiA labortápegység mérése során igyekeztem a lehető legpontosabb eredményeket produkálni. Ennek okán a mérésekhez a nagyfelbontású, öt és fél digites asztali multiméteremet használtam, az áram-mérések pedig speciális, PBV söntellenállások segítségével történtek. Ezek Isabellenhütte gyártmányú 0,01Ohm-os, Kelvin-kivezetéses, hűtőbordára csavarozható, 10W-os ellenállás-testű, alacsony hőfokfüggésű söntök. De ami a legjobb hogy 0,5% a tűrésük! Bizony ám, ez nem elírás! A szokványos digimultik pontossága áram-méréskor 1-2%, nagy áram esetén pedig még rosszabb, vagyis ez a sönt önmagában jóval pontosabb mint ezek a multiméterek! Az én kb 15000Ft-os MAXWELL MX-25 210 digimultim 400mA-ig 1,5% pontos, a 10A-es méréshatárban pedig 2,5% ráadásul a többi társához hasonlóan ebben a méréshatárban csak néhány másodpercig lehet mérni. Emiatt egy sima digimultival nem is lehetne a tápegység áramát megmérni! Ezek a speciális söntök viszont nagyon pontos áram-mérésre adnak lehetőséget. Persze ehhez pontos feszültség-mérés is szükséges, ráadásul a nagy pontosság nem is elég hiszen a kis mértékű változások kimutatásához nagy felbontás is kell. Ezért minden feszültség-méréshez (és közvetve az áramméréshez is) a jelenlegi legkomolyabb műszeremet, egy ADVANTEST R6552 típusú asztali multimétert használtam. Ennek pontossága a labortápegység mérései során használt méréshatárokban 0,014%! Azaz minden feszültség-érték 0,014%, minden áram-érték (a sönt 0,5% tűrése okán) pedig 0,5141% pontos! Ebből eredően a teljesítmény-értékek elvileg 0,53%, a hatásfokok pedig 1,06% pontosak. Persze egy digimultival nem tudtam egyszerre feszültséget és áramot is mérni, pláne nem két feszültséget és két áramot (hatásfok). Ezért ezek a mérések nyilván egymás után (rögtön egymás után) történtek. Mivel eme mérések közt 1-2 másodperc eltelt ezért ez némi hibát vihet be azokba a mérésekbe ahol több jellemző van mérve és ezek valamelyike szép lassan elmászik. De az ebből fakadó mérési hiba elenyésző, ráadásul nem is minden mérésnél van jelen.


2013-10-24-228 kicsiA mérésekhez természetesen műterhelésre is szükség van, ezt mezei 24V/60W-os izzókkal oldottam meg. Fél kilowattos műterhelést ami ráadásul folyamatosan, akár órákig tud működni, ennél költséghatékonyabban nem igen lehet megoldani. Sorba kötöttem hát 4db ilyen izzót, majd a két végüket összekapcsoltam. Ennek eredményeképp gyakorlatilag úgy vannak összekötve mint egy graetz-híd. Ezt még annyival módosítottam hogy mind a négy izzóra párhuzamosan rákötöttem még 1-1db ugyan ilyen 24V/60W-os izzót. Az így kapott összesen fél kilowattos műterhelés értékét azzal tudtam variálni hogy a négy kivezetett pont közül melyik kettőre kapcsoltam a táp kimenetét. Illetve az izzók foglalatjaikból való kitekerésével is.

 


Hatásfok-mérés:

 

A labortápegység hatásfokának méréséhez a kimenetin felül szükséges a felvett teljesítmény értéke is, azonban a tényleges hatásos teljesítmény méréséhez nehéz jó és pontos hálózati (váltakozó áramú) mérőműszert találni. Bár nagy nehezen végül nekem sikerült szert tennem egy ilyen műszerre, arra jutottam hogy nem a 230V-os hálózatból felvett teljesítményt fogom mérni. Azért nem, mert az így kapott hatásfokadatok nem tisztán az SMPS Labortápegység II jóságát minősítenék, hanem a toroid transzformátorét is. Ezért a hálózati transzformátor mérésből való kiejtése miatt úgy döntöttem hogy a hatásfokkal kapcsolatos méréseknél a labortápegység egyenfeszültséget kap két másik SMPS II labortápról melyeket sorba kötök. (Köszönet Endre barátomnak hogy kölcsönadta nekem a két labortápját!) Így azonban a főtáp egyenirányító graetz-e nem pontosan ugyan olyan mértékű terhelést kap mintha váltakozófeszültséget egyenirányítana, de ennek az eltérésnek a hatásfokra gyakorolt hatása jelentéktelen, sokkal relevánsabb eredményeket kapunk így mintha a hálózati transzformátor is szerepelne a mérésben. Ráadásul a labortápok teljesítményét egyenáramú mivoltuk okán sokkal pontosabban lehet mérni, így végeredményben sokkalta pontosabb eredményt kapunk.

 

Eredetileg a hatásfok-mérési adatokat szántam a cikk legvégére, de végül úgy döntöttem hogy ez kerül a mérések legelejére. Ugyanis ezek az adatok magyarázatot adnak arra hogy többi mérést miért úgy készítettem el ahogy. Összesen 27db mérést végeztem el a labortáp hatásfokával kapcsolatosan, ezek eredményeit összegeztem az alábbi nagyon fontos kis táblázatban:

 

hatasfok tablazat

 

A bemeneti feszültségek (fő és segéd), bemenő áramok (fő és segéd), illetve a kimeneti feszültség és a kimenő áram lett mérve, a többi oszlop értelem-szerűen számított érték. A segédtáp-feszültség és áram nagyjából teljesen állandó, ezért azt csak egyszer mértem meg. A segédtáp-fesz teljesen stabil, az áram pedig 145mA és 155mA közt változott, a táblázatba rendre a legrosszabb értéket, azaz a 155mA-t írtam. A táblázat 27db mérése öt különböző paraméter változását igyekszik szemléltetni. Az 1.-től 10. mérésig azt vizsgáltam hogy a hatásfok hogyan változik a kimenő teljesítmény függvényében:

 

hatasfok teljesitmeny grafikon

 

Sajnos a labortáp maximális kimenő teljesítménye körüli (500W) értéket nem tudtam felvenni mert a műterhelésem valami kontakthiba vagy nem is tudom milyen okból, de a labortáp maximális kimeneti feszültségén (50V) csak kb 420W-ot vett fel. Később kitekergettem a műterhelés izzóit majd visszacsavartam és utána már bőven felvette az 500W-ot de ekkor már a hatásfok-mérési összeállítást szétszereltem, a két kölcsönbe kapott labortápot pedig visszaadtam. Ezért 500W-os kimenő teljesítménynél sajnos nem tudtam végül hatásfokot mérni. A fenti grafikont nézve ne feledjük, hogy a vízszintes tengely nem lineáris! Illetve egy nagyon fontos dolog; igazából a hatásfok nem teljesen a kimenő teljesítmény függvénye. A hatásfok ugyebár a felvett (bemenő) és a leadott (kimenő) teljesítmény hányadosa. A kettő különbsége pedig a bennmaradó teljesítmény, mely a tápegységben marad és ott hővé alakul. A bennmaradó teljesítmény azonban nagyjából lineáris összefüggést mutat a kimenő árammal ami a tápegység működését megértve elég logikusan is hangzik. Na de erről majd később, előbb mutatok még egy másik grafikont az első tíz méréssel kapcsolatosan:

 

10 meres grafikon

 

Ez a grafikon rögtön egy kis magyarázatra szorul. Hamar feltűnhet ugyanis hogy nincs függőleges tengelye! Azért nincs, mert nem lehet egyszerre megjeleníteni különböző mennyiségeket (feszültség, áram, teljesítmény, hatásfok). Ezért az előbbi grafikon úgy készült, hogy az első tíz mérés legnagyobb kimeneti feszültségét, legnagyobb kimenő áramát, legnagyobb teljesítményét, legmagasabb hatásfok-értékét és a legnagyobb bennmaradó teljesítményt vettem maximumnak minden mennyiségnél, és így némi Excel varázslattal már megjeleníthetőek egy grafikonon. Hasonlóképp készült az alábbi grafikon is:

 

11 13 meres grafikon

 

A fenti grafikonon a 11., 12. és 13. mérések eredményei láthatóak. Ezen egyértelműen látszik, hogy a bennmaradó teljesítményhez (piros vonal) a leghasonlóbb a kimenő áram (sárga) vonala. A táp disszipációja tehát nagyjából arányos a kimenő árammal. De ez mint említettem elég logikus is. A labortápban mik melegednek leginkább? Azok az alkatrészek, melyek a főtáp ágban vannak, sorosan. Azaz az egyenirányító graetz-híd, a kapcsoló és az áteresztő fet, a fojtótekercs illetve az elő és a főszabályozó söntjei. Minél nagyobb a táp kimenő árama, annál nagyobb áram folyik ezeken, ennek hatására pedig nő a disszipációjuk. Persze ez nem teljesen lineáris hiszen a félvezetők (graetz és fetek) nem teljesen lineáris elemek, és függnek a hőmérséklettől is. A söntök és a fojtótekercs már lineáris elemek, de rajtuk pedig négyzetesen változik a disszipálandó teljesítmény az átfolyó áram függvényében. Általánosságban azonban kijelenthető hogy a táp bennmaradó teljesítménye a táp kimenő áramával nagyjából arányos. Ezt fontos megjegyezni, mert a tápegység további mérései erre alapulnak. A terheléses vizsgálatoknál ugyanis fontos tudni hogy az hogy a labortápot mennyire "izzasztjuk meg", az a kimenő áram nagyságától függ. Gondoljunk csak bele hogy hogyan van ez a normál lineáris tápegységeknél! Azok is annál jobban melegszenek, minél nagyobb teljesítmény marad a tápban. Ha például 60V-ról dolgozik az áramkör és 12V a kimeneti feszültség és folyik 8A akkor (60V-12V)*8A, azaz 384W marad a tápban és alakul hővé az áteresztő tranzisztor(ok)on. Ez ugyan így igaz az SMPS II labortápra is, annyi különbséggel hogy itt mindegy mennyi az Uki, az áteresztő tranzisztoron mindig csak 1V van az előszabályozás miatt. Innentől a tápban maradó teljesítmény durván az alábbi képlettel számítható: 1V*Iki. Az előző példánál maradva: 1V*8A=8W. Ezért lesz hát a tápban maradó teljesítmény a kimenő árammal arányos. Persze ez így nem igaz hiszen még van egy csomó dolog ami disszipál az áteresztő tranzisztoron kívül (graetz-híd, kapcsoló fet, söntök, fojtótekercs), de ezek disszipációja is az árammal arányos ahogy azt már említettem.

 

A tápban maradó teljesítmény és a kimenő áram összefüggése a táblázat 14. és 15. méréseinél be is igazolódik! A kimenő teljesítmény mind a két mérésnél kb 250W, azonban az előbbinél kb 50V a kimenetei feszültség 5A terhelőáram mellett, az utóbbinál viszont 25V feszültséghez 10A párosul. A bennmaradó teljesítmény az 5A-es mérésnél kb 20W, a 10A-esnél pedig majdnem a duplája, kb 38W. Tehát tényleg a disszipáció a kimenő árammal van egyértelmű összefüggésben.

 

A 16., 17. és 18. mérések arra irányultak hogy megtudjuk, a hatásfok mennyiben változik a tápegység bemeneti feszültségének függvényében. A 16. mérésnél a bemeneti feszültség 60V, a 17.-nél 70V, a 18.-nál pedig 80V. Az eredmény érdekes, kb fél százalékkal csökken a hatásfok a bemeneti feszültség 10V-al való növelésének hatására. Persze a kimeneti feszültség és a kimenő áram azonos mindhárom mérésnél, bár az áram egy hangyányit növekszik azaz lehet hogy ez a minimális hatásfok-béli eltérés is ennek tudható be, tehát a hatásfok a bemeneti feszültségtől független. Mindenesetre a jelenség érdekes mert arra számítottam hogy a bemeneti feszültség minél nagyobb, annál jobb lesz kicsit a táp hatásfoka, hiszen magasabb feszültségről ugyan akkora teljesítmény eléréséhez alacsonyabb áramot kell felvennie a tápnak (ez látszik is a táblázatból), és minél kisebb az áram, annál kisebb a disszipáció. De ezek szerint a valóságban ez nem így van.

 

Az utolsó mérési csoport, a 19.-től a 27. mérésekig a hatásfok időbeli változását mutatja. Egy barátom utalt rá hogy ez talán időben csökkenni fog, igazából ez a a kilenc mérés őmiatta készült. :-)  Egy órán keresztül mértem a hatásfokot kb 250W kimenő teljesítmény mellett és egyértelműen látszik hogy nem változik a hatásfok sőt, egy kicsit még nő is! Ezt a jelenséget többek közt az egyenirányító schottky diódák okozzák, azok niytófeszültsége ugyanis magasabb hőmérsékleten kisebb.

 

A hatásfok-táblázatból kiolvashatunk még egy rendkívül fontos információt! Nézzük csak meg a főtáp bemenő áramát és a kimeneti áramot! Azt látjuk, hogy a kimenő áram minden esetben nagyobb mint a bemenő, némely esetekben jóval nagyobb! Az első mérésnél több mint hússzor akkora áram folyik ki a tápból mint amekkorát felvesz! Azaz konkrétan a táp 63mA-t vesz fel, de közben 1,29A folyik ki belőle! Vagy ott van például a 6. mérés ahol a labortápba 887mA folyik be, ki belőle viszont 4,6A, azaz több mint az ötszöröse. Hogyan lehetséges ez? A válasz nagyon egyszerű: a jelenség az előszabályozónak köszönhető, hiszen az feszültség-áram átalakítást végez. Ebből következik egy rendkívül előnyös tulajdonsága az SMPS II labortápnak, mégpedig hogy nagyobb áramot is ki vehetünk belőle mint amit a trafónk le tud adni! Azaz durva példával élve: ha van egy például 300VA-es trafónk ami 60V-ot és 5A-t tud leadni, abból készíthetünk olyan labortápot ami ugyan csak 30V-os viszont 10A-es! Vagyis a feszültség 'kárára' nagyobb áramot kaphatunk. Ez azért is jó egyébként mert ha egy kisebb áramú trafónk van mint kellene, azon nem igazán tudunk változtatni hiszen az áram növeléséhez vastagabb huzallal újra kellene tekernünk az egész trafót. Viszont a trafó feszültségét sokkal egyszerűbben növelhetjük, hiszen csak rá kell tekernünk még néhány menetet a trafóra. Ez egy olyan óriási előnye az SMPS Labortápegység II-nek amit egyetlen másik, tisztán disszipatív labortápegység áramkör sem mondhat el magáról.

 

 

Szabályozási viselkedés vizsgálata / feszültség stabilitás az idő múlásának hatására:

 

A mérés menete: A labortápegység kimenetén fix feszültségeket állítottam be (feszültség-generátoros módban) és különböző áramokkal terheltem. Ez után az Advantest R6552 asztali multiméteremmel figyeltem hogy a kimeneti feszültség hogyan változik az idő múlásának hatására. A multimétert a négyvezetékes kimenet érzékelő pontjaira kapcsoltam, azaz a banánhüvelyek műszerdobozon belülre eső felére. Ha ezt nem így tettem volna, akkor a banáncsatlakozókon eső feszültség is beleszámított volna a mérésbe, ez viszont nem csak a labortápot hanem a csatlakozókat is minősítené. Mi pedig a labortáp jellemzőire vagyunk kíváncsiak. :-)

 

fesz ido tablazat

 

A mérést (minden időbeni mérést) egy órán át végeztem és természetesen minden újabb mérés előtt hagytam teljesen visszahűlni a tápegységet szobahőmérsékletre. A fenti táblázatból ha egy egyszerű feszültség-idő grafikont mutatnék akkor abban semmi látványos nem lenne, öt teljesen vízszintes stabil vonal látszódna rajtuk. Ezért a jobb szemléltetés végett nem feszültség-idő, hanem feszültségváltozás-idő grafikont mutatok:

 

uki ido grafikon

 

Láthatjuk, hogy a kimeneti feszültség időbeli elmászásának mértéke nagyobb terhelő árammal (azaz a korábban felvázoltak alapján a tápban maradó teljesítménynél) nagyobb. A változás nagysága a legeslegrosszabb esetben is egy óra elteltével 0,14%-os, azaz az 50,000V-ból 49,930V lesz. Ekkora mértékű eltéréseket egyáltalán mérni is csak azért tudtam, mert a multiméterem 5 és fél digites felbontású. Egy sima mezei 3,5 digites multiméterrel csak annyi látszódna az egészből hogy a terhelés rákapcsolásának pillanatában 50,0V van a táp kimenetén, ami 30 perc múlva 49,9V-ra vált és úgy marad. A kisebb áramú méréseknél pedig nem is látszódna abszolúte semmi! Ezt csak érdekességképpen jegyeztem meg, nehogy valaki azt mondja hogy tök felesleges az öt és fél digites multiméter...

 

És most nézzük meg a változás mértékét! A legrosszabb esetben 0,14%. Mi okozza egyáltalán a feszültség elmászását? A melegedés természetesen. De mely alkatrészek melegedése? Elsősorban a referenciaforrásé, és az összes az alapjel-előállítási résznél illetve a fesszabályozó körben lévő ellenállásé. És természetesen a szabályozó OPA melegedése. Milyen mértékűek ezeknek a hőfokfüggése? A referenciaforrás 50ppm/C°-os, az ellenállások pedig 200ppm/C°-osak. Ha csak ezzel a két értékkel számolunk (az OPA-t kihagyjuk) és nemes egyszerűséggel a két értéket csupán összeadjuk (a valódi eredő eltérés kiszámításához bonyolultabb képlet kellene melynek eredménye a szimpla összegnél sokkal nagyobb), ráadásul az ellenállások hőfokfüggését csak egyszeresen számoljuk (az áramkörben több ellenállás-osztó is van), akkor 250ppm/C° jön ki. Ez ppm-ből (azaz milliomod-részből) százalékba (azaz század-részre) átszámítva 0,025%. Celsius-fokonként természetesen. Ha a maximális eltérésünket, a 0,14%-ot elosztjuk ezzel a 0,025%-al akkor megkapjuk hogy 5,6C°-ot kell csak melegednie a tápnak a mért elmászáshoz. Nos ennél kb kétszer melegebb lesz a tápegység a műszerdobozon belül, ráadásul ne feledjük hogy a hőmérsékleti együtthatók kiszámítását brutálisan leegyszerűsítettük. Ezek fényében a labortápegység úgy gondolom egész tisztességesen tartja a kimeneti feszültségét a melegedés (és az idő) hatására.

 

Volt egy ötödik mérés is, az terheletlen kimenetről szólt. Azonban a terheletlen 50,000V egy órán keresztül 50,000V maradt így inkább nem is vittem fel a táblázatba és a grafikonra. Ez már aztán tényleg teljesen elvárható egy labortápegységtől hogy a terheletlen kimeneti feszültsége teljesen stabil legyen.

 

Még egy dolog; a szemfülesebb olvasók észrevehették hogy a hatásfok-táblázatban a 19.-27. méréseknél nagyobb mértékben változik a tápegység kimeneti feszültsége mint a fenti táblázatban, szintén kb 5A kimenő áramnál. Miért van ez, talán csaltam a táblázatnál? :-)  Azért nagyobb a hatásfok-mérésnél a kimeneti feszültség változása, mert ott a feszültséget a labortápegység kimenetén, a banánhüvelyek és dugók után, a dugókon mértem. A célzottan a kimeneti feszültség elmászását vizsgáló mérésekkor pedig a labortápon belül, a négyvezetékes kimenet érzékelő pontjait mértem. De ezt említettem is kicsit fentebb.

 

 

Szabályozási viselkedés vizsgálata / áram stabilitás az idő múlásának hatására:

 

A mérés menete: A labortápegység kimenetét leterheltem izzókkal úgy, hogy sorba kötöttem velük az Isabellenhütte söntöt. A söntön eső feszültséget az asztali multiméterrel (Advantest R6552) mértem, és beállítottam a labortápon egy fix áramkorlátot. Ez után figyeltem hogy a labortápegységen kifolyó áram hogyan változik az idő múlásával. A söntön természetesen feszültséget mértem, ezt utána átszámoltam áramra (I=U/R) és az alábbi táblázatba már ezeket írtam:

 

aram ido tablazat

 

Természetesen itt is megvártam a három mérés közt hogy visszahűljön a tápegység szobahőmérsékletre. Az előző mérés-csoporthoz hasonlóan az elmászás jobb szemléltetése miatt most is változás-idő grafikont mutatok:

 

iki ido grafikon

 

Ez egy kicsit érdekesebb grafikon mint az előző, mert azt mutatja hogy kb 1A-es és az 5A-es terhelőáramoknál hasonló mértékű az elmászás sőt, 5A-nél még valamivel kisebb is. A másik érdekesség hogy 1A-nél a változás inkább pozitív értékű. És persze az is látszik hogy a legnagyobb terhelésnél (10A) a legnagyobb a változás mértéke, ahogyan ez várható is volt. Hasonlítsuk össze ennek és a feszültség-változásos grafikonnak a függőleges tengelyeit! Bizony, itt kb tízszeres értékek vannak a feszültség-idő grafikon tengelyéhez képest! Azaz a labortápegység árama sokkal kevésbé (durván tizedannyira) stabil mint a feszültsége. Miért? Az ok nagyon egyszerű, a sönt miatt. Az 1W-os fém-oxid söntök termikus együtthatója ugyanis 300ppm/C°. Ehhez jön még hozzá a feszültség-stabilitásnál taglalt referenciaforrás, ellenállás-osztók és az OPA hőfokfüggése. A labortápegység ezen tulajdonsága (az áram-stabilitás) javítható lett volna egy speciális sönt használatával. Azzal az Isabellenhütte sönttel, amelyet fentebb már említettem hogy a táp áramának méréséhez használtam. Ez azonban nehezen beszerezhető (Conrad) és drága (2500Ft), melyek ellentmondanak a tápegység tervezésekor lefektetett kritériumoknak (könnyű beszerezhetőség, alacsony alkatrészköltség). De azért így sincs mit szégyellenie a labortápnak szerintem, hiszen maximális terhelés esetén is, egy óra elteltével csupán kb 1,4%-ot változik a táp árama. Azaz konkrétan a 10A csökken kb 140mA-t.

 

 

Szabályozási viselkedés vizsgálata / feszültség stabilitás a terhelés változásának hatására:

 

A mérés menete: A labortápegység kimenetén terhelés nélkül beállítottam 45,000V feszültséget, majd különböző nagyságú áramokkal terheltem és figyeltem hogy a beállított feszültség hogyan változik. A táp kimeneti feszültségét ismét az asztali multiméteremmel mértem, a négyvezetékes kimenet belső, érzékelő pontjain. Így az alábbi eredményeket kaptam:

 

fesz terheles tablazat

 

 

Szabályozási viselkedés vizsgálata / áram stabilitás a terhelés változásának hatására:

 

A mérés menete: A labortápegységet az Isabellenhütte söntök keresztül leterheltem 2db sorba kötött 24V/60W-os izzóval, majd beállítottam 2,000A áramkorlátot. Ez után növeltem a terhelés értékét és figyeltem hogy a beállított áram hogyan változik. A táp kimenő áramát az asztali multiméteremmel mértem, a közbeiktatott Isabellenhütte söntön. Így az alábbi eredményeket kaptam:

 

aram terheles tablazat

 

 

A hűtőborda hőmérséklet-változásának vizsgálata:

 

A mérés menete: A labortápegységet leterheltem úgy hogy a maximális közeli legyen a bennmaradó teljesítmény, azaz hogy a lehető legjobban melegedjen benne minden. Ez kb 25V és kb 10A kimenő áram mellett történt. Így, a hatásfok-táblázatból láthatóan kb 40W alakul hővé a tápegységben, ennek túlnyomó része a hűtőbordán. A hűtőborda közepére, a bordázat tövébe odatettem egy digimulti hőelemét és így mértem a hűtőborda hőfokát egy órán keresztül, percenként megmérve. A szoba hőmérséklete 24C° volt és egy kb 6 négyzetméteres, zárt szobában történt a mérés ahol semmiféle légmozgás nem volt. A hűtőborda hőmérséklete így az alábbi grafikon szerint alakult:

 

borda homerseklet grafikon

 

Látható, hogy a hűtőborda hőmérséklete a 29. percnél eléri az 59C°-ot és utána stabilan ennyi is marad, itt áll be a termikus egyensúly. Az 59C°-os borda kézzel megfogva már forró, de a félvezetők itt még vígan elvannak. Persze a félvezetők kristályhőmérséklete nyilván picit nagyobb mint 59C°, de még bőven az üzemi hőmérsékletükön dolgoznak. Kíváncsiságból megmértem hogy a termikus egyensúly beállása után mekkora a hőfok-különbség a borda külső felén, a bordázat tövében és mekkora belül, közvetlen a TO-220-as tokoknál. Mindössze 1,5-2C°különbséget mértem, ami szerintem elég jó hővezetésre utal. Egyébként a hűtésben nem csak a hűtőborda hanem a hátlap és kicsit még a műszerdoboz oldalai is részt vesznek, de ezt pontosan így is terveztem. A hátlap is egy nagy fém felület, vegyen hát részt a hűtésben!

 

Végeztem két másik termikus mérést is, az egyiket 5A, a másikat 1A kimenő árammal. De nagyon elegem lett már a szó szerint órákig tartó terheléses mérésekből, főleg a termikusból ahol percenként kell lejegyzetelni az eredményeket. Ezért inkább itt nem végeztem el végig a mérést, egyszerűen csak megmértem a borda hőfokát egy órányi terhelés után. Nos 5A terhelőáram esetén a hűtőborda 49C°-os, 1A esetén pedig 32C°-os volt.

 

 

Dinamikus viselkedés vizsgálata:

 

Ezt a mérést nem én végeztem el hanem egy kedves barátom az ő saját példányán. Nekem ez műszerezettség és normális Ohm-ikus műterhelés hiányában nem is nagyon ment volna.

A mérés menete: A labortápegység kimenetén beállított 20V-ot majd egy teljesítmény-feten (IRFB5615) keresztül műterhelést (Ohmite 200 Wattos indukciószegény műterhelés, RDC=7.78Ohm, L=21.2uH, C=5.2pF) kapcsolt rá. A fetet egy jelgenerátorról (Tektronix AFG310 ARB 12bites funkciógenerátor) hajtotta meg alacsony frekveniájú négyszögjellel (40Hz) és figyelte a labortáp kimenetét szkóppal. Ez a vizsgálat arra jó hogy megtudjuk, a terhelés rákapcsolásának pillanatában hogyan reagál a tápegység, mekkora túllövése van a tranzienskor. A műterhelés a 20V-on 2,57A-t vett fel. Így az alábbi jelalak látható a labortápegység kimenetén:

 

SMPSU 40Hz kicsi

 

A felső jelalak a generátor kimenete, azaz a terhelést kapcsoló FET vezérlőjele, az alsó jelalak pedig a labortápegység kimeneti jele. A jelalakok invertálva vannak, azaz akkor kapcsolódik rá a terhelés labortápra amikor a felső jelalak alacsony szintű. Látható, hogy a terhelés rákapcsolásakor körübelül 120mV-os túllövése van a tápnak és a tranziens lecsengésének ideje 6ms. A 120mV-os túllövés a kimeneti 20V-nak csupán a 0,6%-a!

 

15V 1.5A I mode kicsi15V 3A IU mode kicsi

 

A fenti két szkóp-ábra úgy készült, hogy a 7,78Ohm-os műterhelés volt rajta a tápegység kimenetén, de a külső FET-tel ennek a fele rövidre lett zárogatva 40Hz-es frekvenciával.  A felső jelalak a FET vezérlőjele (invertálva), az alsó pedig a kimeneti feszültség. Amikor a jelalakok magas szintűek, akkor 7,78Ohm terheli a tápot, amikor alacsony akkor pedig ennek a fele, 3,89Ohm.

A baloldali képen 1,5A-es áramkorlát volt a labortápon beállítva és így mindkét terhelés esetén áramgenerátoros módban működött a tápegység. Látható hogy így, áramgenerátoros módban nincs túllövés. A baloldali képen a terhelés ugyan így változik, viszont az áramkorlát 3A-re lett beállítva. Így a 7,78Ohm-os terhelés esetén feszültség-generátoros módban működik a táp, amikor azonban a FET rövidre zárja a műterhelés felét, akkor áramgenerátorosba lép át és lekorlátozza az áramot 3A-ra. Ebből az ábrából az látszik, hogy az áramgenerátoros módba való lépéskor itt sincs túllövés, csak akkor mikor áramgenerátorosból visszalép feszültség-generátoros üzemmódba a labortáp. A túllövés nagysága itt körübelül 1V.

 

15V 6A U mode kicsi15V 6A U mode magn kicsi

 

A fenti képek ismét feszültség-generátoros üzemmódban készültek, de változó terhelőárammal. A kimeneti feszültség 15V, a terhelőáram pedig 7,78Ohm-os műterhelés felezgetése okán kb 1,92A és 3,84A terhelőáram közt változott. A nagyobb áram akkor folyik, amikor a felső jelalak (az a FET vezérlőjele invertálva) alacsony szintű, ekkor zárja ugyanis rövidre a FET a műterhelés felét. Ezen a képen sok érdekes nem látszik, annál több viszont a jobb oldali képen ami ugyan az mint a baloldali, csak ki van rajta nagyítva egy felfutás. A két függőleges kurzor közt gyönyörűen látszik egy 400us-os tüske akkor amikor a FET vezérlőjele magas szintűre vált, azaz a terhelőáram 3,84A-ról 1,92A-ra vált át. A tüske amplitúdója körübelül 130mV.

 

 

psu start kicsipsu stop kicsi

 

A labortápegységeknél specifikálni szokták a kimenet feléledési és lekapcsolási idejét is, ezeket mutatja a fenti két kép. A baloldali a feléledés, a jobboldali pedig a lekapcsoláskori viselkedést mutatja (a DC BE/KI kapcsoló működtetésének hatását). A kimeneti feszültség 50V és terheletlen a kimenet. A kurzorokról le is olvashatjuk hogy 73,8ms a feléledési idő és 3,46s alatt kapcsol le teljesen a tápegység.

 

 

 

A kimeneti zaj vizsgálata:

 

A kimeneti zaj amplitúdója feszültség és áramgenerátoros módokban egyaránt körübelül 40mV. A kimenő teljesítménytől függően változik a frekvenciája és némileg a jelalakja is. A zaj csökkenthető lett volna még jobban, de ehhez az előszabályozót és a főszabályozót egymástól elektromágnesesen el kellett volna különíteni, azaz két külön dobozban kellene lenniük. De ettől nem lenne egy ilyen kis kompakt az áramkör hogy egy panelon van az egész, nehezebb lenne a dobozolás stb. Igyekeztem e tekintetben egy egészséges kompromisszumot kötni. Egyébként teljes mértékben soha nem tüntethető el a zaj, ez a kapcsolóüzem velejárója. Cserébe azonban a kapcsolóüzem miatt nagyon jó lesz a tápegység hatásfoka. A kérdés az, hogy megér-e nekünk a hatásfok, a kis hűtőborda, a passzív hűtés, a hatalmas teljesítmény stb. annyit hogy a kimeneten legyen egy kis zaj. Nos a véleményem az, hogy az az áramkör ami ilyen nagy teljesítményt vesz fel mint amekkorát az SMPS II labortápom le képes adni, az biztosan nem érzékeny a zajra. De a kisebb teljesítményű fogyasztók is, amiknek egy párszor tíz mV-os zaj a tápján gondot jelent, az az áramkör kérem rosszul van megtervezve! Vagy ha esetleg tényleg ilyen érzékeny áramkört kell tesztelni akkor annak úgyis saját tápot épít az ember. Mondjuk egy RIAA korrektort én sem járatnék kapcsolóüzemű tápról. Amúgy 2006 óta használom ennek a labortápnak az elődjét és még soha nem okozott problémát a zaja, pedig sokféle áramkört járattam róla. Például a PIC-es áramköreimnél féltem a leginkább hogy gondot okozhat a zaj de soha nem történt ilyen. Sőt, kimondottan mérőáramkörök teszteléséhez használtam csomószor és nem csak a mérőjelet hanem nem egyszer a referenciát adtam erről a labortápról és nem volt semmi mérési hiba, ugrálás vagy hasonlók.

 

Egy tisztán lineáris, disszipatív labortápegységnek persze, biztosan kisebb a zaja. (Bár megjegyzem én még nem láttam egyetlen szkóp-ábrát sem a hobbisták köreiben keringő disszipatív labortápok jelalakjairól!) Na de be kell látni hogy nem összehasonlítható a kettő, noha a funkciójuk azonos. Hiszen egy sima analóg labortáp eleve nem is nagyon tud ilyen nagy teljesítményű (500W) lenni és főleg nem tudja elviselni a labortápegységeknél teljesen üzemszerűnek tekintendő folyamatos rövidzárat. Innentől nem beszélhetünk összehasonlításról mert nem tudunk az SMPS II mellé tenni egy tisztán disszipatív labortápot és nem tudjuk azt mondani hogy na akkor vegyünk ki belőlük 5V-ot és 10A-t tíz órán keresztül. Ilyen lineáris tápegység nem igazán létezik, legalábbis a hobbista körökben.

 

Fotóztam egy marék szkóp-ábrát:

 

Terheletlen kimenet, Uki=10,25V, Iki=0,000A

 

Feszültség-generátoros üzemmód, Uki=5,00V, Iki=1,677A

Feszültség-generátoros üzemmód, Uki=10,00V, Iki=2,247A

Feszültség-generátoros üzemmód, Uki=15,00V, Iki=2,728A

Feszültség-generátoros üzemmód, Uki=20,00V, Iki=3,155A

Feszültség-generátoros üzemmód, Uki=25,00V, Iki=3,541A

Feszültség-generátoros üzemmód, Uki=30,00V, Iki=3,900A

Feszültség-generátoros üzemmód, Uki=35,00V, Iki=4,233A

Feszültség-generátoros üzemmód, Uki=40,00V, Iki=4,551A

Feszültség-generátoros üzemmód, Uki=45,00V, Iki=4,852A

Feszültség-generátoros üzemmód, Uki=50,00V, Iki=5,138A

 

Áram-generátoros üzemmód, Uki=0,10V, Iki=0,100A

Áram-generátoros üzemmód, Uki=0,20V, Iki=0,200A

Áram-generátoros üzemmód, Uki=0,66V, Iki=0,500A

Áram-generátoros üzemmód, Uki=3,85V, Iki=1,000A

Áram-generátoros üzemmód, Uki=15,97V, Iki=2,000A

Áram-generátoros üzemmód, Uki=9,52V, Iki=3,000A

Áram-generátoros üzemmód, Uki=16,35V, Iki=4,000A

Áram-generátoros üzemmód, Uki=11,62V, Iki=5,000A

Áram-generátoros üzemmód, Uki=16,34V, Iki=6,000A

Áram-generátoros üzemmód, Uki=21,72V, Iki=7,000A

Áram-generátoros üzemmód, Uki=16,46V, Iki=8,000A

Áram-generátoros üzemmód, Uki=20,36V, Iki=9,000A

Áram-generátoros üzemmód, Uki=24,55, Iki=10,000A

 

Feszültség-generátoros üzemmód, Uki=35,37V, Iki=8,506A (kb 300W)

Áram-generátoros üzemmód, Uki=35,32V, Iki=8,521A (kb 300W)

Feszültség-generátoros üzemmód, Uki=42,53V, Iki=9,425A (kb 400W)

Áram-generátoros üzemmód, Uki=42,49V, Iki=9,422A (kb 400W)

Feszültség-generátoros üzemmód, Uki=49,38V, Iki=10,093A (kb 500W)

Áram-generátoros üzemmód, Uki=48,86V, Iki=10,041A (kb 500W)

 

 

Sztressz teszt:

 

Azokat a vizsgálatokat, melyek az áramkört érhető legszélsőségesebb körülményeket idézik elő és a készülék ilyen esetekben történő viselkedését vizsgálják, sztressz-teszteknek nevezik. Az alábbi videón ezeket igyekeztem bemutatni. Az SMPS Labortápegység II.-t két-három módon lehet a legagresszívebb igénybevételnek, terhelésnek kitenni; az egyik ha a kimenetre 50V beállított feszültség mellett mínusz 50V-ot kapcsolunk, a másik ha a kimenetet folyamatos rövidzár mellett fel-le kapcsolgatjuk, a harmadik és legszélsőségesebb eset pedig hogy ha a labortápon maximális feszültséget és áramot állítunk be, majd a kimenetet gyorsan, folyamatosan rövidre zárogatjuk. Ekkor az áteresztő fet hatalmas terhelésnek van kitéve, hiszen a főszabályozó előtt 51V van (Uki max plusz az 1V-os maradék feszültség), amikor pedig rövidre zárjuk a kimenetet akkor ez hirtelen leesik közel 0V-ra, miközben 10A folyik. Azaz a tranziens idejére a főszabályozónak cirka fél kilowattot kell elviselnie. Persze ezt csak nagyon rövid időre és a teljesítmény természetesen nagyon gyorsan és folyamatosan csökken, de ezt a tápegységet ez veszi a legjobban igénybe. Ezek a szélsőséges helyzetek láthatóak az alábbi videón:

 

 

 

Végezetül két életkép a mérésekről:

 

2013-10-24-229 kicsiDSCF0505 kicsi

 


2014.04.27.:

 

Érkezett pár visszajelzés hogy a tápegységből nem folyik ki 10A csak kevesebb. Illetve egy rövid ideig leadja a 10A-t de elkezd csökkenni aztán kialszik mind a két üzemmód-jelző LED. Utánanéztem a dolognak és sajnos ez egy méretezési hiba miatt van. A hibajelenséget az előszabályozó okozza, ő korlátozza le az áramot és ezért nem tud a főszabályozó működni rendesen. Nálam ez azért nem jelentkezett a fejlesztés során mert az alkatrészek szórása miatt nem feltétlen jön elő minden példánynál a hiba, ezek szerint nekem szerencsém volt. Illetve 10A-rel nem is nagyon terheltem a fejlesztés során folyamatosan, inkább csak bő 9A-rel. Már csak azért is mert 10A-nél kiakadt a panelmérő a végkitérés miatt. A hiba megoldása nagyon egyszerű, az előszabályozónál lévő RS1, RS2, RS3 és RS4 söntökre oda kell forrasztanunk egy ötödik 0,1Ohm/2W-os ellenállást. A kész áramkörnél ez kényelmesen a panel alján oldható meg, de aki most építi csak meg a labortápot az a főszabályozó egymás felett lévő söntjeihez hasonlóan a panel felső oldalára is teheti. Célszerű az RS1 fölé forrasztani mert az van legtávolabb a fojtótekercs közepétől, a gyűrű alatt ezért itt van a legnagyobb hely.

 

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 114 vendég és 0 tag böngészi

Online felhasználók

None