pátek 19. ledna 2018

OTL s EL34 návrh DPS

Varování: Příspěvek není návodem ale inspirací pro možný návrh podobného zařízení kvalifikovanou osobou případně pod dozorem jako školní projekt. Obsahuje části pod napětím životu nebezpečným. Autor nenese odpovědnost za újmy na zdraví nebo majetku vzniklé v souvislosti s následujícím příspěvkem. Autor si vyhrazuje právo příspěvek kdykoli změnit. 

Byl jsem požádán o pomoc se stavbou tohoto zesilovače, výstupem je návrh desky a vcelku pěkná konstrukce, do které byl zesilovač zabudován.

Schéma zůstává stejné jako poslední verze. Napájecí transformátor má parametry:
Prim. 230V 100VA
Sek1. 6,3V 4A
Sek2. 6,3V 3A
Sek3. 220V 150mA

Eagle soubory a gerber data pro výrobu dostupná zde: https://drive.google.com/drive/folders/1avWGr1ZC1W4IFU3lPBS_iTOHu94MJDWA?usp=sharing



Deska je navržena pro přímé zapájení dostupných oktalových a novalových patic do DPS, nicméně dotyčný zde zvolil umístění patic do šasi.



sobota 25. listopadu 2017

Bodovka na akumulátory z MOTu

Varování: Příspěvek není návodem ale inspirací pro možný návrh podobného zařízení kvalifikovanou osobou případně pod dozorem jako školní projekt. Obsahuje části pod napětím životu nebezpečným. Autor nenese odpovědnost za újmy na zdraví nebo majetku vzniklé v souvislosti s následujícím příspěvkem. Autor si vyhrazuje právo příspěvek kdykoli změnit.
Rozhodl jsem se sestavit větší akupack z článků 32650. Díly na mechanickou konstrukci rámu se seženou snadno, spojovací pásky také, ale s bodováním to bylo obtížnější, než jsem předpokládal.
Měl jsem k dispozici transformátor z 800W mikrovlnky, ještě s měděným primárem (a hliníkovým sekundárem). Sekundár se nechal snadno odříznout a vytlačit ven. Původně jsem tam nechal i plechy zvyšující rozptyl trafa, ovšem protože byl výstupní proud na bodování příliš malý, musel jsem je taky vyndat. Zajímavé je, že charakteristika transformátoru naprázdno se změnila výrazně méně než jsem očekával.

Jako sekunární vinutí jsem zvolil 2 závity vodičem o průřezu 50mm^2. Bodová svářečka potřebuje především co největší proud, napětí je jen na krytí ztrát.

Původně jsem chtěl koupit bodovací elektrody určené pro ruční bodování s kabely a svorkami na konci, ale když už na trafu je ohebný kabel, tak je škoda plýtvat výkonem na úbytcích napětí na šroubových spojích. Vyvedl jsem tedy kabely přímo ven s tím, že se elektrody udělají na koncích.

Co se týče řízení, zachoval jsem princip softstarteru z dotyčné mikrovlnky a doplnil druhým relátkem pro automatické cyklování s možností nastavení doby sepnutí a prodlevy do dalšího sepnutí.
Později bylo jasné, že praktičtější by byl pedál a nastavitelná doba sepnutí po jeho sešlápnutí.
Řízení obstarávají dvě NE555 podle následujícícho schematu.

Při nabití C6 na 2/3 napájecího napětí sepne relé K1 a připojí primár trafa přes výkonové odpory celkem 30R na síť. RC článek R6, C4 časuje dobu, kdy dojde k překlenutí softstartovacích odporů pomocí relé K2. Po uplynutí nastavené doby sepnutí, tedy vybití kondenzátoru C6 na 1/3 napájecího napětí se vypnou současně obě relé, což zajišťuje dioda D9.
 
Bodování akumulátorů je třeba si natrénovat. Je vhodnější menší přítlak a elektrody dále od sebe. Kratší časy a velké proudy.

Dlouhé časy způsobují přílišné ohřívání článků až propalování pásku, příčně mezi elektrodami, proto je lepší dávat elektrody dále od sebe, anebo používat dělené pásky, kde pak neteče proud příčně páskem mimo bodované spoje.
Přechodový odpor potřebujeme, tedy příliš velký přítlak není žádoucí.
Správně přibodovaný pásek nesmí jít rukou odtrhnout. A po odloupnutí nástrojem musí kus materiálu pásku zůstat na akumulátoru.
Hroty jsem nakonec nijak zvlášť neřešil, prostě jsem do licny stáhnul 3mm drát zabroušený do tupých hrotů.



Až po dostatečném natrénování jsem si troufnul přibodovat první pásek na nové články. A pak už to šlo rychle.
Články vycházejí sérioparaleně 16s2p na 48V systémové napětí.

Druhá strana vyžadovala bodovat dvakrát na stejné články. Hroty bylo třeba vydatně chladit před ventilátorem již po několika zabodovaných spojích, protože teplo se nemá kam odvádět.

Testovací konstrukce, balancéry přijdou předělat ještě. bez nich to nejde, přestože jsou články stejné série, v krajních případech úplného nabití a naopak vybití se napětí některých velmi liší od ostatních.
Na závěr, spoje drží, při zatížení se nezahřívají, ale stejně bych doporučil ještě větší proud, výkonnější zdroj/trafo.

sobota 18. listopadu 2017

Disclaimer/Varování aneb to, co jsem nikdy nechtěl, aby tu bylo potřeba

Blog vznikal v době, kdy jsem ještě nestudoval žádný technický obor a mohl jsem pod záštitou neznalosti publikovat cokoli. Doba přituhuje, a tak jsem nucen k příspěvkům týkajících se zařízení pracujících na jiném než bezpečném napětí přidat varování.

Příspěvky nejsou návodem ale inspirací pro možný návrh podobných zařízení kvalifikovanou osobou případně pod dozorem jako školní projekty. Obsahují části pod napětím životu nebezpečným. Autor nenese odpovědnost za újmy na zdraví nebo majetku vzniklé v souvislosti s příspěvky blogu. Autor si vyhrazuje právo obsah kdykoli změnit.

Brzy přibydou nové projekty měničů pro soláry nebo DC/AC měničů z baterek.


pátek 7. dubna 2017

Jednočinný zesilovač s EBL21

Varování: Příspěvek není návodem ale inspirací pro možný návrh podobného zařízení kvalifikovanou osobou případně pod dozorem jako školní projekt. Obsahuje části pod napětím životu nebezpečným. Autor nenese odpovědnost za újmy na zdraví nebo majetku vzniklé v souvislosti s následujícím příspěvkem. Autor si vyhrazuje právo příspěvek kdykoli změnit. 
 
Po mnoha letech jsem se rozhodl postavit ještě jeden elektronkový zesilovač. Už mi přišlo dlouho, koukat na EBL21 jen ve vitríně, protože nemám žádné šasi na ně v provozu.
Celé roky jsem používal OTL s EL34 anebo tranzistorový Ge zesilovač vyjímečně. Chtěl jsem postavit něco malého, co se vejde na stůl, úsporného aby se to dalo provozovat běžně jako zesilovač k PC a aby to výkonově překonalo OTL.
Poslední podmínka je složitější než se zdá, OTL má RMS výkon sice 250mW ale poslechově odpovídá asi 4W zesilovači díky specifickému chování elektronek v limitaci.
Přemýšlel jsem nad mnoha variantami, i nad použitím jiných elektronek, ale nakonec jsem se rozhodl postavit s EBL21 a EF22 nebo ECH21 (kdyby nestačilo zesílení) úplně klasický jednočinný koncový stupeň.
Začal jsem vybíráním výstupních transformátorů, chtěl jsem využít hotové, výkonově budou vyhovovat. Hledal jsem druhé do páru k některým co mám, anebo rovnou dva stejné. Nakonec jsem pobral dvojici Phillips PW30362.
Síťové trafo z radia výkonově vyhovuje, dlouho jsem váhal u řešení usměrňovače, AZ1, plynové diody, selen, historický můstek anebo křemíkové diody. AZ1 by bohužel zvýšila příkon asi o 1/3 a byla by zřejmě nejslabší částí zesilovače. Můstek 250V/75mA z radia by šel, ale nakonec jsem zvolil průmyslové KYY85.
Elektrolyty jsem dal šroubové TC519, po pár hodinách formování sníženým napětím fungují perfektně a zesilovač nebručí.
Konstrukce je na pájecích lištách, odpory se podařilo najít shodného typu ze začátku 50. let.
Zesilovač hrál na první zapnutí, hodnoty součástek nebylo třeba ladit. Větší problém byl s výběrem dvou přibližně shodných EBL21, nakonec jsem musel dát do vitríny jinou protože tam byla jedna z mála dobře fungujících.
Nejvíce mě překvapila výkonová rezerva zesilovače oproti OTL, ale na odlišnou frekvenční charakteristiku a hlavně malý výstupní odpor si budu zvykat asi hodně dlouho. Silně uvažuju o zavedení některého typu zpětné vazby, např záporné proudové, aby se zvuk přiblížil právě OTL, na které jsem zvyklý.
Zajímavé bylo zkoumání výstupních transformátorů. primár se jeví jako vinutí s odbočkou na 10% impedance, tedy se moc nehodí na ultralineární zapojení. Spíš mi přijde, že bylo použito jako tlumivka pro napájecí zdroj, případně pro zpětnou vazbu, chtělo by to dohledat, kde byly osazeny.
První varianta byla tedy zapojit mřížku g2 na odbočku 90% (0% se uvažuje jako napájení, 100% jako anoda). Z principu ultralineárního zapojení se odbočkou mění charakteristika elektronky z čistě pentodové na odbočce 0% na čistě triodovou na odbočce 100% (viz. kniha Věrný Zvuk).
Protože cílem bylo přiblížit se OTL, aby změna pro poslech nebyla tak velká, volil jsem spíš triodovou charakteristiku.
Nakonec to vedlo k experimentu s přepínáním mezi pentodovým a triodovým zapojením a opakovanému poslechu. Z toho vyšlo trochu zvláštní řešení zapojit g2 až za anodu a tedy na odbočku 110%. Poslechově se mi to jeví zatím nejpříjemnější ale zřejmě ještě dojde ke změnám.

 Schema jednoho kanálu a zdroje

 Rozmístění na šasi je trochu nelogicky obráceně než cesta signálu, ale je to hlavně kvůli tomu, aby EBL21 neohřívaly elektrolytické kondenzátory. EF22 jsou za chodu vlažné protože mají velkou plochu skla vzhledem k malému proudu žhavení jen 0,2A.

 Podařilo se ještě najít odpory ALWAYS a TESLA "always" z konce 40. let.

Na vnitřní stěně anody EBL21 jsou vidět proužky kam dopadají elektrony skrz stínící mřížku.

Tak mi tak dlouho vrtalo hlavou proč to hraje tolik jinak oproti OTL až jsem se rozhodl zlepšit přenosovou charakteristiku zpětnou vazbou.
Vazbu jsem zavedl celkovou prostě z výstupu do katody vstupní elky. Aby byla záporná, musí být výstupní napětí ve fázi se vstupním, proto jsem do schématu označil začátky vinutí výstupního trafa. trafo jsem vrátil do triodového zapojení, odbočka 90%.
 Schéma se zpětnou vazbou pomocí R12

 Naměřené charakteristiky. Červená je ze stavu, kdy R6 nekonečno a R12 2K0. Žlutá pro R6 = 3K2 a R12 = 12K. Samozřejmě silnější vazba snižuje zesílení, které už takhle není příliš vysoké pouze u dvou stupňů.
Nakonec jsem zjistil, že kterší vinutí na výstupním trafu je s největší pravděpodobností určeno jako tlumivka napájecího zdroje a má velký rozptyl. To vysvětluje velmi odlišnou charakteristiku při jeho přepojení. nakonec jsem tu část vinutí vůbec nepoužil.

sobota 6. srpna 2016

Analogový měnič 48/230V s plechovým transformátorem

Varování: Příspěvek není návodem ale inspirací pro možný návrh podobného zařízení kvalifikovanou osobou případně pod dozorem jako školní projekt. Obsahuje části pod napětím životu nebezpečným. Autor nenese odpovědnost za újmy na zdraví nebo majetku vzniklé v souvislosti s následujícím příspěvkem. Autor si vyhrazuje právo příspěvek kdykoli změnit. 

Byl jsem požádán o návrh měniče 48/230V s plechovým transformátorem, robustní řešení, pokud možno bez procesoru.
Po úvodních nezdarech a několika otestovaných řešení, pokusů o co nejúspornější řešení z pohledu počtu součástek a bohužel i několika proražených můstcích a driverů jsem dospěl k jednomu dostatečně bytelnému řešení.

Analogový generátor sinusovky
Byl nápad použít generátor XR2206, ovšem ten jsem zavrhl především kvůli vysoké ceně a potom také kvůli divnému chování a to ujíždění střední hodnoty při změně amplitudy. Nicméně do výsledného zapojení se bezproblému dá přivést signál z libovolného generátoru, pouze nutmo myslet na to, že jeho amplituda je referencí pro výstupní napětí.
Nakonec jsem zůstal opět u Wienova můstku. Na něm je stále co vylepšovat, ovšem cílem byla jednoduchost a jedním nekompromisním způsobem, jak získat kvalitní sinusovku z mála součástek se ukázalo použití germaniových diod jako stabilizátoru amplitudy. Germaniový přechod má mírně odlišnou charakteristiku od křemíkového.
Vzhledem k teplotní závislosti Ge přechodu je vhodnější použít Schottku např. BAT48. Napětí výstupu pak neujíždí při změnách teploty na desce a sinusovka je stejně dobrá. Jde o to, aby úbytek na nelineárním prvku byl malý vzhledem k amplitudě výstupního napětí, pak tento úbytek způsobuje jen malé zkreslení.
Přičinnou nestability nebyly jen Ge diody ale především mnohaotáčkový trimr. Doplněn o paralelní odpor potlačující vliv trimru a napětí drží.

Driver H mostu
Nejprve jsme hledal jeden IO pro celý H můstek. Byl tu velmi hezký nápad použít IRS2453, což je vlastně čtyřkanálová obdoba IR2153. Nápad spočíval v tom řídit ho v režimu sigma-delta modulace injektáží proudu do časovacího kondenzátoru. To sice funguje velmi pěkně, ale pokud se injektáž provádí napětím přes odpor, pak není výstupní střída lineární s přiváděným napětím. Prakticky to má za následek obtížné využití rozsahu modulace, můstek dává malý rozkmit napětí. Takové zapojení si nicméně vystačí pouze s IRS2453 a jedním OZ jako zdrojem sinusovky. Schemata pro zajímavost na konci.

Další volbou byl HIP4080. Obsahuje na rozdíl od HIP4081 komparátor, který opět ušetří počet součástek. Zjistil jsem ale, že dodaný je přeznačený HIP4081, takže jsem komparátory musel dát externí. Zapojení fungovalo, výhodou je interní generátor deadtimu. Nicméně jsem při zapnutí zdánlivě bezdůvodně několikrát přišel o můstek zřejmě absencí obvodu pomalého náběhu nebo proudového omezení. Obvod také docela topí při buzení výkonnějších tranzistorů.

Cílem bylo nakonec budit i páry IRFP4110 např. takže jsem zvolil výkonnější drivery a to IRS21864, což je 14 nohá verze IRS2186, větší pouzdro má povolenou větší výkonovou ztrátu, proud 4A. Zapojení se tedy rozšířilo o externí obvod deadtimu z CMOS 4093, Schmitt NAND.

DC-offset
Plechové trafo, ale vlastně síť obecně, protože tam vždy nějaké jádro je, potřebuje nulovou stejnosměrnou složku. U procesorového řízení je to samozřejmost a nemusí se vůbec řešit, protože přesnost délky pulzů je daná pouze přesností driverů. U analogového řešení to vůbec samozřejmé není.
DC-servo je perfektní zapojení pro zesilovače, ale zde vzniká problém s velkou časovou konstantou RC článků nutných pro správnou funkci, někdy se musí nabít a musí se nabít signálem přímo z běžícího můstku pokud hrozí že deadtime nebude shodný na všech kanálech. Trafo se ale nedá s offsetem spustit, za můstkem by muselo být silové relé a čekat na ustálení DC serva.

Trimr na manuální ladění nemá smysl, vždy se nakonec začně přesycovat. To se nejlépe pozná podle zvuku z trafa a narůstajícího klidového proudu.

Řešením se ukázalo především nahradit LM324 vhodnějším a rychlejším LF347, který má symetrický koncový stupeň. Generátor trojúhelníku s ním tedy má střední hodnotu v polovině napájecího napětí, jako Wienův můstek. To u LM324 nenastane.

Nicméně na odstranění případného offsetu se zde podílí hlavně PI regulátor, výhoda oproti DC servu je rychlost správného nastavení.

Unipolární vs. Bipolární modulace
Jedná se o dva odlišné způsoby modulování PWM H můstku. Bipolární je prosté vzájemné invertování obou polomůstků. Pravý horní je buzen stejným signálem jako levý dolní atd..
Podle literatury je ale pro můstek se sinusovou modulací vhodnější unipolární řízení, kdy se invertuje nikoli PWM, ale vstupní analogový signál. Produkuje méně harmonických. Při kladné půlvlně např. se přepíná podle PWM pouze pravý můstek zatímco levý má sepnutý dolní trvale. Při záporné půlvlně je pravý horní sepnutý a PWM se pustí do levého polomůstku, ovšem inverzně.

Dalším vylepšením je myšlenka, že by se jeden polomůstek mohl spínat obdelníky 50Hz a sinusovku by dotvářel druhý můstek. Výsledkem je výrazné omezení spínacích ztrát, protože spínací frekvence PWM je obvykle minimálně o dva řády větší než síťová.

Zde je nutno si uvědomit, že při přepnutí můstku buzeného pouze 50Hz obdelníky je třeba na druhé straně ihned invertovat PWM, aby transformátor viděl příslušnou půlvlnu správného tvaru.
Jednoduchým řešením je prostě posouvat trojúhelníkový signál o výšku amplitudy tak, jak je na snímku osciloskopu dole.

Posun se zde ve schematu realizuje děličem R12, R13. Jejich poměr musí odpovídat poměru R5 a R9. Nicméně PI regulátor to dorovná i při odlišných hodnotách.

Proudové omezení je velmi primitivní a slouží především k bezpečnému startu měniče. Jinak nemá praktický význam protože jiný než odporový spotřebič by při snížení napětí vzal ještě větší proud.

Napětí 13,5V je jednoduše získáno lineárním stabilizátorem s proudovým omezením na 300mA, který zachrání drivery při průrazu můstku.

Tlumivky
Pokud se staví měnič z 12V, tak rozptylová indukčnost transformátoru obvykle stačí na dostatečné vyhlazení proudu. Pokud se stejné zapojení aplikuje na 48V zjistíme, že plechovým trafem prochází až příliš ochotně přímo PWM a přidání vyhlazovacího kondenzátoru na výstup způsobí překvapivé velmi rychlé přehřívání primáru 300VA trafa naprázdno prostě jalovým proudem vysoké frekvence.
Vyhlazovací tlumivky jsou nutnost, rozptylová indukčnost trafa nestačí. Jako jádra vyhoví železoprachové toroidy např z PC zdrojů.
Zde se uplatní výhoda unipolární modulace a to v tom, že zvlnění proudu na spínací frekvenci vyjde pro stejnou tlumivku poloviční než při bipolární, protože druhá polovina můstku drží, nepřipíná opačnou polaritu, tlumivka vidí poloviční VF napětí.

Schema

 Finální konstrukce v šasi

Porovnání s měničem s feritovými trafy

 Běh s 300VA 220/24V transformátorem na tenkých M plechách

 Posuv trojúhelníkového signálu na komparátoru

 Výstupní sinusovka měřená přímo na sekundáru trafa.

 Ladění s malým toroidem 230/30V

Provizorní chladič, testování v zátěži 300W
Video v zátěži

Závěr
První vývojové verze díky deformovanému průběhu, nebo přesycování trafa způsobovaly poměrně něpříjemný hluk z trafa to, že měnič funguje správně se pozná tak, že trafo ztichne takřka úplně. V sestaveném prototypu vznikají zatím největší ztráty na železoprachových tlumivkách. Ztráty na polovodičích jsou menší než u měniče s feritovými trafy, který jsem stavěl předtím hlavně díky absenci vysokonapěťového střídače.
Řešení zpětné vazby z primáru trafa přináší kompaktní provedení, deska má pouze 4 dráty, vstup a výstup, ale nutností je tvrdé trafo. Je počítáno s toroidem.
Stabilizace amplitudy Wienova článku se dá řešit jinak a lépe, ale zde nabízí hezké uplatnění předností germaniových polovodičů.
Literatura:

Pro zajímavost nebo inspiraci přikládám i schemata z předchozích nepříliš úspěšných vývojových variant.