pondělí 20. prosince 2010

Elektronkový PWM zesilovač v zapojení OTL

Jednou při hledání zapojení elektronkového oscilátoru jsem narazil na schema, které na první pohled vypadalo jako oscilátor a PWM komparátor.
http://webpages.charter.net/dawill/tmoranwms/Elec_Compound2.html
Přemýšlel jsem jestli to může takhle jednoduše fungovat a nakonec to dopadlo tak, že už druhý den se mi na stole začal pomalu rozrůstat ježek poměrně složitého zapojení, které potřebovalo od základu odladit.

Nejprve jsem vyzkoušel původní trojúhelníkový oscilátor ze zvědavosti, jestli to opravdu funguje. Fungovalo, akorát výstupní signál se mi moc nelíbil, prostě zapojení vytvářelo trojúhelník na nabíjeném kondenzátoru stejně jako v mém minulém polovodičovém PWM zesilovači.
Pak mě napadlo místo původního oscilátoru osadit fantastron (Miller transitron) což je poněkud zajímavější zapojení na jehož výstupu je poměrně kvalitní pilovitý signál, který na tvorbu PWM signálu perfektně vyhovuje. Zapojení se rozběhlo po prvním osazení součástek na patici a perfektní výstupní signál mě přesvědčil, že to je to pravé. Pak jsem dva dny strávil laděním hodnot součástek, stavbou různých variant fantastronu a snažil se pochopit, jak závisí výstupní průběh na zapojení. Pak jsem od stovek Hz přešel na stovky kHz a zjistil, že fantastron dokáže produkovat obdobně kvalitní signál i při frekvenci jednotek MHz.

Další dny se ježek rozrostl o můj první elektronkový komparátor, který opět ochotně pracoval a s mrazením v zádech jsem se díval na obrazovku na hranaté obdélníky s amplitudou 40V, které po pootočení potenciometru měnili svoji střídu takřka bez chyb nebo poklesu amplitudy až do krajních poloh. Po odladění hodnot součástek jsem přešel k zapojení analogového předzesilovače, digitálního zesilovače a invertoru pro PWM signál. Na výstup jsem provizorně osadil ruské ekvivalenty EL84 a jal se to vyzkoušet. Nejprve jsem ladil hodnoty součástek a sledoval digitální průběh a až nakonec osadil dolní propust, reproduktor a pustil do toho všeho analogový signál. A ono to hrálo...

Při této konstrukci jsem se naučil chápat spoustu věcí okolo elektronkových zapojení, které při klasickém analogovém signálu nejsou měřitelné. Třeba celkem logická podmínka funkce katodového invertoru je, aby klidové napětí na elektronce invertoru bylo vždy větší než maximální amplituda přiváděného signálu. Při větší amplitudě pak začne pracovat nesymetricky a na katodě je větší amplituda než na anodě! Další logické zjištění bylo, že sledovat obdélníkový průběh na běžném osciloskopu, co má rezervu byť stonásobek frekvence je docela problém a skutečný signál je jiný než měřený, a to hlavně zde v zapojení s velkými odpory a malými proudy se projeví vnitřní kapacita a odpor vstupu. Osciloskop prostě změní poměry v zapojení.

Napadlo mě dát na výstup transformátor a srazit tak impedanci výstupu malým feritovým impulzním trafem místo velkého plechového výstupního trafa. Přišlo mi to jako celkem logická myšlenka. Signál je vysokofrekvenční, tak žádný problém a postavím vlastně OTL s výstupákem, ale bude to pořád OTL, protože trafem nepůjde nízkofrekvenční signál. Také jsem se vůbec nedivil, když to po zapojení převinutého trafa z PC zdroje skutečně hrálo... Výkon se zvedl.. Že nehrajou hloubky mi nebylo divné, na dalším trafu jsem si dal ještě víc záležet a navinul mnohem více závitů, než je na normální impulzní trafa běžné. Výsledek byl ale stejný. Pak mi došlo, kde je chyba. Zapojení hrálo lépe s co nejnižší spínací frekvencí kvůli počtu závitů na jádře ale zároveň stále úplně chyběly nízké frekvence až někam k 200Hz a dále pak lineárně nabýval výkon s rostoucí frekvencí. Potíž je, že signál sice střídá polaritu dostatečně rychle, ale PWM modulace vlastně znamená změnu střídy a tedy stejnosměrné sycení jádra přenášenou frekvencí...tj ferit by se musel sytit po dobu půlperiody 20Hz...třeba...Výstupní signál za dolní propustí (ačkoli to nehrálo tak špatně) byly trojúhelníky místo sinusovky...

Takže jsem zůstal u varianty OTL a nakonec osadil na výstup elektronky PL509, aby to stálo za to. Na fantastron je perfektní EF80 (EF183 ačkoli má stejně nožičky, tak se stejnými součástkami mi vůbec nefunguje) Ostatní elektronky jsem nechal E88CC kvůli proudovým požadavkům zapojení.

Schema jednoho kanálu:
(inspirace: fantastron: Vlach, J.: Lampárna ; komparátor: http://webpages.charter.net/dawill/tmoranwms/Elec_Compound.gif )

Pilovitý signál z fantastronu se přivádí do komparátoru, kde se porovnává s analogovým signálem z předzesilovače. Na anodě EF80 je dělič, který jednak zmenšuje amplitudu pilovitého napětí a navíc zabraňuje zpětnému ovlivňování funkce fantastronu zátěží. Komparátor vlastně funguje tak, že při kladné půlvlně elektronka vpravo zvedne napětí na společných katodách a sousední elektronka se tak otvírá při vyšším napětí, tj reaguje jen na část vrcholků pilovitého signálu, tj je kratší dobu otevřená než zavřená. Na odporu R6 tak vzniká PWM signál jehož klidová střída (bez signálu) se dá nastavit trimrem R10. Ideálně je nastavit co nejblíže 1:1 protože pak je k dispozici stejně široký rozsah změny střídy pro kladnou i zápornou půlvlnu vstupního analogového napětí. (Střída 1:1 ovšem nemusí znamenat 1/2 napětí na výstupu polomůstku, to je otázka párování koncových elektronek)
PWM signál z komparátoru pokračuje do zesilovače před invertorem, kde je zesílen, aby byly koncové elektronky buzeny dostatečnou amplitudou (cca 40V při napájení 100V). Zde je třeba dát pozor na nastavení invertoru, aby pracoval symetricky je třeba, aby v klidu neměl na katodě více jak 30V a na anodě méně jak 70V.
Koncové pentody jsou zapojeny bez záporného předpětí protože, což je zajímavé leč logické, vzniká samo na vazebních kondenzátorech. (Důkazem budiž multimetr na g1 nebo to, že při odpojení PWM signálu se až zdvojnásobí klidový anodový proud.) Řídící mřížka funguje jako usměrňovací dioda vůči katodě a protože rozkmit napětí má v klidu střídu 1:1, tj polovinu doby teče mřížkou proud do katody, vazební kondenzátor se nabije a při záporné půlvlně tak posune střední napětí směrem k záporné hodnotě (něco málo nad -1/2 amplitudy)

Pár fotek
Takhle jsem začínal: odzhora fantastron, komparátor, předzesilovač, invertor a koncovky s dolní propustí (Napájení měkkých cca 80V z vakuové usměrňovačky)

Pokus s transformátorem

Konstrukce, ještě chybí dole dodělat zdroj



V provozu

Průběhy na fantastronu: Nahoře na anodě, dole na g2; obojí 10V/div, 5us/div, tj. přibližně 80kHz

PWM signál při vybuzení: http://www.youtube.com/watch?v=pUHrBMIHOaQ

Zapojení má úspěšně o něco větší účinnost než klasické OTL, to se dá dobře ověřit odpojením invertoru od řízení a přímým přivedením analogového signálu tak, že se z toho stane klasické OTL. Zvuk je dobrý ikdyž zapojení není úplně seřízené a ikdyž signály na osciloskopu nevypadají úplně skvěle, tak na výstupu je to, co na vstupu ačkoli cestou to jde formou všelijakých obdélníků...

27.12.2011 Odpory R31, 32 jsou blbost, příliš zvětšují výstupní odpor tranzitronu, lepší je vynechat, dále je třeba snížit hodnoty některých odporů v anodách, aby zapojení běželo na rozumné frekvenci. Na zapojení opět pracuji, brzy bude nové schema.

10.1.2012 Upravené schema: Vyřešil jsem pár potíží s poměrem výstupního odporu ke kapacitám mřížek, tím se trochu zlepšil průběh na výstupu a i amplituda, ale stále je to málo. Na výstupu dosáhnu rozkmitu asi jen 40% napájecího napětí, což je na princip PWM málo. Co je ale úspěch, že zapojení je schopno bezchybně běžet na 175kHz, což s předchozím schematem nebylo možné. Je třeba vybrat vhodnou EF80, která bude mít co největší strmost, tj nejlepší linearitu a amplitudu pilového signálu.




neděle 15. srpna 2010

Jednoduchý PWM zesilovač

Zaujaly mě konstrukce digitálních zesilovačů třídy D a tak jsem se rozhodl taky nějaký postavit. Zvolil jsem jednoduchý typ s PWM výstupem odvozeným porovnáváním signálu s trojúhelníkem na komparátoru. Inspiroval jsem se tímhle: http://www.scribd.com/doc/23397948/null Zapojení jsem podstatně zjednoduššil až na úplný základ principu.

Schema celého zesilovače:

Na začátku je operační zesilovač na jehož výstupu je v klidu polovina napájecího napětí. Výstup je připojen na jeden vstup komparátoru. Na druhý vstup je přiveden signál trojúhelníhového průběhu, který je generován operačním zesilovačem na schématu uprostřed. C3 se periodicky nabíjí a vybíjí v rozsahu asi 1V okolo poloviny napájecího napětí. Amplituda trojúhelníku je určena odporem R4 a děličem R5,6. Vytvoří se tak hystereze a OZ reaguje až při dosažení požadovaného napětí na C3. Kondenzátor se obecně přes odpor samozřejmě nenabíjí lineárně, ale při malé amplitudě je signál vyhovující. Za komparátory je zesilovač pro spínání koncových tranzistorů. Za nimi pak LC dolní propust, která zabraňuje proniknutí spínací frekvence do reproduktorů.

Je nutné použít komparátory, co zvládnou zpracovat spínací frekvenci tak, aby na výstupu byl ostrý obdélník, běžné LM393 to zvládají. Operační zesilovače jsou vhodné nízkošumové, protože na komparátoru se vlastně sčítá šum obou vstupů a v citlivých reproduktorech je slyšet. Nakonec jsem osadil NE5532 a šum téměř utichl.

Zapojení z jednoduchosti neobsahuje důležité obvody pro opožděné spínání mosfetů nad sebou, takže nelze použít vyšší napájecí napětí než 12V, aby se zbytečně nezahřívaly.

Při oživování jsem měl velké problémy se stabilitou zapojení. Po napájení se šíří spínací frekvence, takže je potřeba do plošného spoje vhodně umístit vyhlazovací L.ESR elektrolyty a keramické kondenzátory k OZ. Kondenzátor C3 jsem měl původně 1nF, když už bylo zapojení stabilní, snižoval jsem jeho hodnotu a kontroloval průběh buzení mosfetů. Při kapacitě 330pF bylo stále vše v pořádku, pracovní frekvence asi 200kHz (závisí jak na odporu R3 tak i na velikosti hysterze napětí na vstupu OZ). Při této frekvenci už nejsou potíže s jejím pronikáním skrz dolní propust na výstup a zároveň je dosaženo dostatečného vzorkování.

Tumivky do výstupních filtrů jsem vzal z PC zdrojů, kde bývají na záporných větvích. Tam se najdou i potřebné elektrolyty, komparátory LM393 a ve starších nebo kvalitnějších i krabičkové svitky.

První zapojení rozhodně přes 12V žárovku a pak kontrolovat, zkoušet a ladit. Pokud hned chytne vazba, tak pomůže snížit napájecí napětí na minimum a třeba i přikládáním keramik a elytů zjišťovat, kde ještě chybí. Pokud je zapojení stabilní, dá se přemostit, nebo jen snížit hodnotu R1. Zapojení tak může fungovat od nižšího napájecího napětí, například klidně od 4V. (Tomu pak ale odpovídá výkon)

Pokud toužíte po ještě větším zjednoduššení, tak se dá vynechat vstupní předzesilovač a dát dělič a vstupní kondenzátor rovnou na vstup komparátoru, zapojení je pak rozhodně stabilnější a skoro nešumí. Při použití lepšího komparátoru by se daly vynechat i budící tranzistory.

Takhle jsem začal:
Hotová dvoukanálová verze:

Průběhy: Trojúhelník
Výstup před filtrem bez signálu, frekvence je přibližně 200kHz:
Výstup před filtrem: (na vstupu je 15kHz sinus)

Výstup za filtrem s odporovou zátěží: (1kHz)

I přes jednoduchost mě zapojení překvapilo velmi dobrým zvukem. Navíc má vysokou účinnost a naprázdno poměrně malý příkon. Například při 5,5V chce jen 200mW a reproduktory normálně hrají. Nejlépe funguje asi na 9V, proud naprázdno 144mA a chladič mosfetů vlažný. RMS přibližně 4W do 4R. Příště je potřeba udělat lepší řízení mosfetů, aby mohly běžet na větší napětí a dát tak větší výkon.

středa 19. května 2010

Hazeltinův fremodyn

Už dlouho jsem chtěl postavit elektronkové rádio, jen tak, pro zábavu. Chtěl jsem jednoduché FM radio, co chytí víc než jednu nejsilnější stanici a co se dá skutečně poslouchat. Nejdřív jsem hledal různé superreakční přijímače, ale po zkušenostech s tranzistorovými se mi do toho nechtělo (šum, mizerný zvuk). Pak jsem našel přijímač zvaný fremodyn: http://cool386.tripod.com/fremodyne/fremodyne.html
Po přečtení článku mi přišlo, že jsem našel to pravé. Hlavně mě překvapila věta, že použitý detektor na boku rezonanční křivky může dosáhnout stejné kvality zvuku jako normálně používané detektory. Navíc vstupní část přijímače je v podstatě stejná jako u superhetu, takže by neměl být problém s vyzařováním do antény jako u superreakčních, kdy je anténa často připojena přímo na oscilační cívku.

Pár informací o člověku, co to vymyslel: http://www.britannica.com/EBchecked/topic/257947/Alan-Hazeltine

Jedno ze zapojení, které se mi zdálo nejvhodnější ke stavbě, navíc se nejvíce blíží původnímu

(Zdroj: http://cool386.tripod.com/fremodyne/fremodyne.html)

Trioda dole na schématu funguje jako oscilátor v superhetu, tedy na frekvenci vyšší o mezifrekvenci než druhý, souběžně laděný obvod u horní elektronky. Mezifrekvence je daná colpittsovým oscilátorem tvořeným cívkou L3 a kondenzátory C8, C9 v sérii. Superregenerační frekvenci přibližně 30kHz určují R5 a C10. Tlumivky stačí běžně vyráběné, jejich hodnota není kritická.
Jelikož nemám měřáky na tak vysoké frekvence, tak mi nezbylo než rezonanční obvody co nejpřesněji spočítat a podle výpočtů navinout cívky. Mezifrekvence má být 21,75MHz kvůli tomu, aby její harmonické frekvence ležely mimo přijímané pásmo 88-108MHz.

Jedno odpoledne jsem dělal plošný spoj a druhý den jsem osadil desku a zkusmo navinul vypočítané cívky a zkusil to zprovoznit. Superhetový oscilátor kmital okamžitě, naladil jsem ho na rádiu s čítačovou stupnicí a pokusil se roztahováním cívky nastavit správný rozsah frekvencí. Problémem jsou samozřejmě harmonické a to, že k ladícímu kondenzátoru se musí správně dopočítat paralelní kondenzátor pro daný rozsah frekvencí, který ale zároveň závisí na indukčnosti cívky. Úplně nejjednodušší by bylo vzít hotové vstupní ladící obvody z rozebraného rádia a přepočítat jen oscilační obvod pro dvojnásobek mezifrekvence (z 10,7 na 21,75). Colpittsův oscilátor začal fungovat až při napětí asi 120V, to se z výstupu konečně ozval šum. S cívkou L3 jsem měl největší problém, protože jsem neměl čím měřit, tak jsem ji také navinul přibližně podle výpočtu s tím, že se doladí jádrem. Při zašroubování jádra se ozvalo pár německých, pravděpodobně výkonných krátkovlnných stanic, jinak ticho, takže frekvence aspoň přibližně odpovídá. Nejdřív to vypadalo bledě, ale když jsem pak večer ještě více roztáhl závity oscilátoru, konečně jsem uslyšel místní rádia...

Zapojení má opravdu velkou selektivitu, při citlivém ladění se dá chytit každá stanice zvlášť a mezi nimi ticho, při správném naladění zmizí i šum a kvalita zvuku je celkem slušná. Stále mám ale velké problémy se souběhem laděných obvodů, je potřeba je pořádně přepočítat a oscilátory nejspíš změřit čítačem (Měla by to zvládnout digitální stupnice z rádia, jen je třeba myslet na jinou mezifrekvenci)

Říkám si, jestli by nakonec nebylo jednodušší slaďování elektronkového superhetu, když bych do něho mohl dát hotové mezifekvenční cívky z rádií...ale to by byla nuda...

Pár fotek



Nenapadlo mě nic jiného, než desku připojit k právě konstruované zkušební desce na nožičkové elektronky (Momentálně osazen dvoustupňový zesilovač). Neuvěřitelné, že téměř 70 let staré lampy mají v pořádku vlákno, které je tak tenké, že není ani vidět, nesvítí, je jen mírně červené a elektronka přitom vykazuje téměř katalogové hodnoty... Stejným příkladem jsou usměrňovačky z té doby, jen málokterá AZxx má dnes takové vlastnosti. Ale možná je to jen tím, že byly prostě předimenzované a v těch rádiích se neopotřebovaly.

Podivný odpor 100R v anodě spodní triody jsem nakonec nahradil 47K a zapojení funguje lépe.



Video jak to hraje: http://www.youtube.com/watch?v=XBcGJNEnOWM

Podrobnější popis další úspěšné konstrukce fremodynu: http://jan16.czela.net/index.php?id=146&n=fremodyn---elektronkovy-vkv-fm-rozhlasovy-prijimac  

Schema další úspěšné konstrukce fremodynu: http://picasaweb.google.com/lh/photo/I_0tAeLn_H6hv7Y8tVYACLaMDe6bIxKzv6OYDJCyeA0?feat=directlink

Rotační měnič s alternátorem

Chtěl jsem postavit rotační měnič na sváření v co nejmenším provedení. Nejlépe, aby se dal vzít jednou rukou... Sehnal jsem použitý alternátor 14V 120A a odlehčený jednofázový motor 1,7kW, 2750 ot/min. Jenže jsem nesehnal řemenici jako byla na alternátoru, tak musela pryč, nešla, nakonec se musela rozřezat. Tak jsem zvolil spojení hřídelovou spojkou, kde aspoň nevznikají ztráty jako v řemenech.
Ještě než mi přišly díly objednané spojky, tak jsem osy provizorně spojil kusem zahradní hadice stažené stahovacími pásky. Překvapil mě tichý chod celého zařízení, hadice je měkká, a tak není tak kritická na vystředění os proti sobě. Když jsem později namontoval spojku, tak to bylo hrozné, protože jsem neměl na ose motoru drážku na klínek a na alternátoru jen 10mm délku hladké osy (dál je závit) Spojka se nedala dostatečně ukotvit a při zatížení se viklala a dělala hrozný rámus. Tak jsem tam dal zase hadici, pořádně tlustou, je tam doteď a funguje bezvadně.
Po dlouhých úvahách jsem řízení buzení vyřešil tak, že jsem přemostil spínací obvody jednoho uhlíku na kostru. Druhý uhlík byl připojen přes očko na kladný výstup z alternátoru, očko jsem ustřihl a vyvedl odtamtud drát na řízení. Potom jsem alternátor mohl zapojit na stejný typ regulátoru jako jsem předtím stavěl pro dynamo. U nových alternátorů jsou totiž uhlíky rotoru zabudovány přímo v řídící jednotce, která je celá zatavená v plastu.
Když jsem zvenku měřil usměrňovač, vypadalo to, že jsou v něm zabudované ochranné diody na 40V, když jsem alternátor ale roztočil, tak při překročení 21V bylo slyšet, že se točí najednou ztuha a začal se zahřívat chladič usměrňovače. Při snížení napětí pod 21V běží volně. Je mi divné, že by ochrana proti přepětí byla zabudovaná přímo v diodách usměrňovače, ale vypadá to tak.

Schema
Buzení je napájeno z toroidního transformátoru 12V 60VA, usměrněno a vyhlazeno. T1 reguluje budící proud, T2 zvětšuje zesílení T1. Báze T2 je otevřena odporem R1. K tomuto bodu jsou zapojeny tři obvody: Zleva proudový omezovač, napěťový omezovač a ochrana při zkratu. Proud je snímán úbytkem napětí na bočníku a potenciometrem 2k5 se pak určuje při jakém úbytku se vypne buzení. Napětí je přivedeno přímo z výstupu přes odporový dělič který určuje při jakém napětí se vypne buzení. Ochrana proti zkratu funguje opačně než předchozí, zabraňuje plnému buzení pokud na výstupu není napětí vyšší než asi 1V. Díky odporu R17 se nevypne buzení úplně, ale budí tak, že výstupem teče zhruba 20A (záleží na typu alternátoru). Kondenzátor C6 způsobí, že při rozbíhání měniče se buzení zapne se zpožděním a odlehčuje tím motoru a spojce. Kondenzátory 10n v bázích zabraňují naindukování rušivých napětí například při sváření. Dioda D4 chrání před zpětnou indukcí z buzení, při náhlém vypnutí a kondenzátor C5 na výstupu slouží jako kapacita pro zpětnou vazbu, na které se měří napětí při provozu naprázdno (místo baterky).

Pár fotek


Měl jsem velké problémy s chlazením motoru, původní plastová vrtule měla naprosto neaerodynamický tvar a dělala šílený rámus místo, aby pořádně chladila. tak jsem místo toho namontoval tři 12V ventilátory. Asi by stačil jeden výkonnější.

Jeden kondenzátor u motoru je rozběhový (16uF) a druhý jsem dal kvůli kompenzaci účiníku při běhu naprázdno. Motor samotný má nízký účiník a při běhu naprázdno bere 5,5A ačkoli naměřený činný příkon je mnohem menší. Kondenzátor 12uF paralelně k napájení snížil proud naprázdno na 4A. Díky kompenzaci účiníku při běhu naprázdno naprázdno motor tolik nezatěžuje rozvod.

Celé šasi jsem sešrouboval z jednoho 2m dlouhého hlíníkového profilu. Ještě chybí dodělat držadlo a nějaké zakrytování.

Co se týče elektroniky, zbývá vyřešit usměrňovač, aby snesl větší napětí a nakalibrovat potenciometr na regulaci proudu. Vypadá to, že alternátor skutečně umí dát 120A i při těchto otáčkách, protože na rozsvícení 60W žárovky chce buzení jen 0,3A a když mi na ručkovém měřáku do 60A šla ručička za roh, tak na buzení bylo jen 6V.

Zapálit oblouk při tomto napětí ale opravdu pořádně nejde, ale když chytne, tak se jen ozve hlubší zvuk, jak zabere motor, a železo taje.. alternátor se jen mírně zahřívá.. Jenže svářím poprvý v životě...

Usměrňovač:
Po čase jsem se dostal k tomu, měnič vylepšit, koupil jsem tři 50A usměrňovací můstky a zapojil je jako třífázový usměrňovač místo původního zabudovaného v alternátoru. Mimojiné jsem přepojil vinutí z trojúhelnku do hvězdy, abych získal větší napětí.


Asi je to tím, že alternátor se točí jen 2800 ot/min, ale aby dal 60V naprázdno, tak se musí budit přibližně 6V do rotoru, a tedy se točí docela ztuha. Nicméně už to více funguje jako svářečka, dá se normálně zapálit oblouk, a svářet drobnější věci. Regulace funguje, jen by byl potřeba výkonnější hnací motor. Usměrňovač se takřka vůbec nehřeje..


schema:
Složité propojení usměrňovače jsem zvolil kvůli rovnoměrnějšímu rozložení proudů ve výstupních páscích můstků.

úterý 9. března 2010

Nábojová pumpa jako měnič 12/240V podruhé

Po dlouhé době mě okolnosti konečně dohnaly k tomu, znovu se vrátit k nábojové pumpě, coby výkonnému měniči napětí. Rozebral jsem tu, co jsem stavěl před třemi lety a pořádně změřil osciloskopem. Měřil jsem hlavně průběhy napětí na diodách a kondenzátorech. A výsledky potvrdily moje nejhorší obavy. Všechna teorie, co jsem vybudoval a prezentoval i v celostátním kole soutěže byla v troskách...

Průběh úbytku napětí na všech diodách byl stejný, tedy jimi tekl stejný proud odpovídající výstupnímu proudu měniče. Průměrný úbytek byl 500mV a špičkový 1,44V! Naopak na kondenzátorech bylo rozdílné zvlnění. Na posledních nejmenší a na každém dalším blíže vstupu větší.

Spoustu času mi zabralo přemýšlení, o volném čase ve škole jsem pořád dokola kreslil schémata násobičů, aby mi bylo jasnější, jak přesně to vlastně funguje.

Jednou ze základních informací je to, že kondenzátory jsou za běhu vlastně víceméně celou dobu plně nabité. Zvlnění na každém musí být co nejmenší, protože to určuje výslednou účinnost. Další věc je to, že prvním kondenzátorem logicky musí procházet celý vstupní proud, není kudy jinudy. A naměřené zvlnění napovídá tomu, že každým dalším teče proud o něco menší. přesněji jako posloupnost 1/n, kde n je pořadí kondenzátoru od vstupu.

Pak je tu definice kapacity: 1 Farad má kondenzátor, na kterém za 1 sekundu stoupne napětí o 1 Volt při nabíjecím proudu 1 Ampér. K snížení zvlnění při stejném proudu jsou tedy dvě cesty: Větší kapacita nebo vyšší frekvence nabíjení. Ale známe to, při vyšší frekvenci tam ten proud nestihnu narvat, takže jedině kapacita.

Tak jsem nakonec do aktivní části měniče koupil celkem 49 kondenzátorů 3300uF. (Obyčejných 85°C, které tady měly nejpříznivější poměr ceny ke kapacitě) Na první kondenzátor 12 paralelně...na druhý 6...4,3..atd..(protože 12 se dobře dělí...)
Pak jsem v datasheetu objevil "max ripple current" a zjistil, že by za daných podmínek mohl být trvale 2,52A na kondenzátor (klesá s teplotou, roste s frekvencí) tedy 30A na první sadu...Ještě že jsem jich dal tolik, říkal jsem si...

Pak to chtělo diody, sice můžou být na relativně malý proud (výstupní), šlo mi hlavně o úbytek napětí na nich. Žádné kompromisy, chci pořádný měnič, takže nejlépe schottky 30A/40V jako jsou v PC zdrojích...ty jsou ale poměrně drahé, a tak jsem se rozhodl, že je najdu doma. Nakonec jsem rozebral tolik zdrojů, že jsem sehnal všechny, přitom jsem byl nemile překvapen, že diody na 12V větvi nebývají vždycky schottky...

Násobič jsem tentokrát udělal jako jedinou větev, aby se výstupní napětí dalo odebírat i vůči mínusu akumulátoru. (přes další diodu a kondenzátor)

Druhou půlkou měniče je střídač. Plný můstek. Chtěl jsem pořádné mosfety s co nejmenším vnitřním odporem, původně jsem hledal P a N typy, co by se hodily k sobě, ale nevypadalo to dobře. Tak jsem se smířil s tím, že to nebudu řídit TL494, zkusím dvě IR2153 a seženu čtyři pořádné N typy. Nekompromisně zvítězily IRFP064N, se kterými jsem už měl zkušenosti. (110A trvale, 8mR)

Řízení zajišťují polomůstkové budiče IR2153 zapojené tak, že jeden má oscilátor nastavený na požadovanou frekvenci a ta je přes odpor vedena k druhému jako synchronizace přímo do kondenzátoru, aby na jeho výstupech bylo inverzní napětí.
Tímhle jsem se nechal inspirovat, zpočátku se mi to nezdálo, ale logiku to mělo, tak jsem to vyzkoušel, a zjistil, že v dostatečně širokém rozsahu vhodné hodnoty vazebního odporu se dá dosáhnout toho, že IR spínají přesně proti sobě. Řízený IR má schválně menší kapacitu oscilačního kondenzátoru, aby se nevykašlal na přivedený signál. Při stejné kapacitě docházelo k neúplnému vykrytí inverzního signálu.
Odpory před gate mosfetů jsem dal zkusmo 22R a pohled na mírně zaoblený náběh a ostrý pokles napětí na gate a ostrý průběh výstupu mi přišel uspokojivý, naměřený deadtime 2,5us odpovídá katalogové hodnotě.

Původně jsem měl v úmyslu dát mezi můstek a kondenzátory tlumivku, která by zlepšila účinnost nabíjení kondenzátorů. Jenže díky indukci je celkem krutě logické, že při běhu naprázdno na kondenzátorech poměrně rychle vzrůstá napětí, chtělo by to zpětnou vazbu, co by měnič vypnula... Ale řekl jsem si, že do nábojové pumpy cívky nepatří. A i místo cívky ve vstupním filtru jsem dal 30A pojistku...odpor jako odpor... (Také na filtrační cívce vtipně vzrůstalo napětí a kondenzátory se přebíjely.)

Celé zařízení se mi podařilo osadit na jedinou desku plošného spoje s tím, že některé spoje jsem musel posílit měděným drátem. Vhodný chladič na ty řady diod jsem nesehnal, a tak jsem smontoval vnějšek měniče z hliníkového plechu a diody na něj přišrouboval přes slídové podložky. Výstup je vyveden přes ochrannou pojistku na zásuvku, vstup 12V je přiveden Cu kabely o průřezu 6mm čtverečných. V zapojení je ještě vypínač napájení IR2153, aby mohl být měnič napevno připojen k akumulátorům.

První nadšení z brilantní funkce naprázdno poněkud pokazilo zjištění, že už při zátěži 100W žárovkou napětí kleslo na 205V a při 160W na 184V. Kde je problém??

Měnič jsem nechal běžet se zátěží 160W 15 minut a nestačil se divit. Chladič byl pořád celkem vlažný, mosfety měly na pouzdrech jen 40°C, ale některé kondenzátory se žhavili klidně přes 50°C... Nejdříve jsem si myslel, že za to může deska, a tak jsem spoje posílil Cu dráty. Lokální zahřívání desky sice zmizelo, ale kondenzátory se opravdu samy zahřívají. To jsem u minulé pumpy nepozoroval. Zvláštní je, že u paralelní sady se zahřívají jen některé a jiné jsou klidně studené a první sada dvanácti menších kondenzátorů je jako naschvál úplně studená.

Možná je to těmi železnými nožičkami. Ale katalogové hodnoty jsem dodržel a 2,5A pulzně mají zvládnout do 65°C, takže klid, budem chladit elektrolyty větrákem... Když se vtipně hřejí více než 20 diod a 4 mosfety dohromady. Ale podle výrobce by to měly vydržet 2000 hodin.

Dalším problémem je opět závislost výkonu na pracovní frekvenci násobiče. Při 30kHz to není špatné, ale je to kompromis mezi výkonem a tichým provozem. Při 21kHz šílený pocit zalehlých uší nad výkonem značně převažuje. Při snížení frekvence až na poslouchatelnou je výkon už zase nižší než při 30kHz...


Schema:


A pár fotek..


Jede to! Tohle píšu na běžném stolním počítači, co právě jede z 12V akumulátorů přes nábojovou pumpu. Ampérmetr ukazuje střídavě 8 a 11 Ampérů, voltmetr 210 a 196V... A jéje, teď už jen 201 a 192V když chroupe disk... na akumulátorech asi klesá napětí... Chladič vlažný, kondenzátory studené... už to jede deset minut...jo... 200V v klidu...190 s diskem... ouvej, ten zdroj prý dokáže ze sítě ždímat proud až do 80V střídavých... Ta první pumpa zkolabovala už při startu. 15 minut... měnič stále vlažný...topí akorát mosfety a pár kondenzátorů je vlažných. 20 minut...199V...vypínám...


Průběh napětí na výstupu mosfet můstku (zatížení 100W) (Je vidět deadtime 2,5us, hodnoty dole odpovídají délce periody a amplitudě)

Provedl jsem měření při zatížení s cílem zjistit účinnost měniče. Měnič jsem napájel z akumulátorů jejichž napětí stabilizoval PC zdroj (abych dosáhl stabilních hodnot), výstup jsem zatěžoval kombinací klasických žárovek různých výkonů. Vstupní proud měřil ručkový ampérmetr 60A 1,5%, ostatní hodnoty jsem měřil multimetrem. Výpočet je však poměrně citlivý na přesnost hodnot, takže graf je nutné brát s rezervou, nicméně to odpovídá realitě. Přibližně příkonu 100VA je měnič mechanické konstrukce viz výše jen vlažný (pod 40°C) a vypadá, že by mohl běžet nepřetržitě. Při větším zatížení se začínají samy o sobě zahřívat kondenzátory (vyjma první sady!?) a účinnost klesá, část příkonu se prostě přemení v teplo.
Pro zvýšení účinnosti při větším zatížení by nejspíš pomohly lepší kondenzátory a konstrukce na desce s tlustší měděnou vrstvou, protože i poměrně široké spoje mezi kondenzátory se opravdu silně zahřívaly, dokud jsem je neposílil měděnými dráty.

Dále jsem měřil zvlnění na kondenzátorech. Překvapil mě ostře obdélníkový průběh zvlnění a naprosto rozdílné hodnoty na různých kondenzátorech. Měnič se chová, jakoby před každým kondenzátorem byl v sérii odpor. Tedy jeho vnitřní odpor, ESR. Jednoduchým výpočtem se dá zjistit jeho hodnota. U první sady je zvlnění 100mV při průměrném vstupním proudu 8A. Kondenzátorem však teče proud úměrný době, jakou se nabíjí, která je díky deadtimu zkrácená na méně než polovinu. Proud vstupní sadou je při nabíjení 19A! při průměrných 8A. Jedním kondenzátorem tedy 1,58A, tedy při zvlnění 100mV vychází vnitřní odpor 0,063 Ohmů, což je slušné. Taky jsou studené, vyzářený průměrný tepelný výkon je pak 66mW na kondenzátor, tedy 800mW na sadu. Při zanedbání ztrát v mosfetech by pak účinnost byla 99%. Nádhera, jenže ostatní kondenzátory jsou horké, zvlnění na nich i více než dvojnásobné. přibližně to vypadá, že by ze všech kondenzátorů dohromady mohlo sálat okolo 4W při 93W příkonu, tedy 95,5% účinnost. Změřená je však 87%, tedy 8W ztráty zbývá na polovodiče a spoje. To by snad mohlo odpovídat, z chladiče sálá při zátěži 100W žárovkou skutečně více než z kondenzátorů. Jenže polovodiče se lépe chladí. Při zátěži 260W se polovodiče stále v pohodě uchladí pasivně, ale kondenzátory jsou za chvilku tak rozpálené, že mám strach, aby nevybouchly...

Takže zkusím sehnat jiné kondenzátory a zkusím to znova...snad, někdy..

Nicméně do 100W je měnič naprosto bezproblému funkční.

Až najdu zdroj schopný dlouhodobého provozu, nebo až bude víc svítit, tak měnič vyzkouším na dlouhodobý provoz. Ovšem jsem limitován stejnosměrným napětím, například jsem chtěl vyzkoušet televizi a zapomněl jsem na "degauss" při zapnutí zastudena. Akumulátorům si řekla o 40 Ampérů a naběhla s fialovozeleným obrazem. To byla doba než mi docvaklo, čím to je... Při přepojení na síť byl obraz totiž pořád špatný...Až když PTC termistor uvnitř vychladl a televizi jsem zapnul do sítě, tak se teprve obrazovka odmagnetovala a obraz byl ok... Co je to za nápad odmagnetovávat obrazovku půlkilowattem...
Naopak zdroj v počítači byl s kolísajícím stejnosměrným napětím naprosto spokojený...

Na fázi plus na nuláku mínus...jak jinak... (mínus je potenciálem opravdu blíž baterkám)

pondělí 15. února 2010

Ginny

Ginny,
Ginny má,
co jen ve vzpomínkách v mysli zůstává
ta jediná má opravdová.

Jak myšlenka ze sna stvořená
bez ohledu na skutečnost,
která je dál a dál
jak to, co pro tebe ještě musíme ujít.

Snad já budu jednou blíž

Já, co slibuji Ti
jako už tolikrát,
že nezapomenu
jako už tolikrát.

Vždyť jsi jediná opravdová
Ty, co ženeš mě do toho boje
Za tvůj svět a tebe
A já říkám, to půjde!!

Ale pak najednou,
když jsme dál ale stále ne blíž
až nezbývá než říct:
Snad jednou, na shledanou.

I ty jediná má opravdová,
co já z tebe vlastně mám??
jsi snad jen myšlenka má úletová...

Co však taky možná jednou vymizí,
jako všechny ostatní,
kdož mě navštíví.

A stejně když rád pak přicházím,
říkám nahlas a potichu:
Ginny, mám to!!

Stále jsem tu ale na to sám,
a snad na pořád.
Tak pomoz mi,
Ginny.