Sursa laborator profesionala

[Marian]

Salutari.

 

Daca tot am prezentat cel mai ambitios proiect de amplificator cu mosfeti al meu ( Mosfet400 ) in etape, mi-am zis ca si proiectul asta poate fi prezentat intr-un mod asemanator. Despre el am amintit in cateva randuri pe forum, acum ca prima etapa ( a testelor pe elemente de circuit ) s-a incheiat, si schema finala este gata, este momentul sa va si arat despre ce tot vorbesc. Stiu ca titlul ales este ambitios, insa este si intemeiat in opinia mea, tinand cont ca este cea mai complexa si completa sursa de laborator ce a fost publicata pe forum pana acum. 

 

Totul a pornit de la dorinta mea de a inbunatati sursa mea dubla prezentata cu ani in urma aici:
https://www.elforum.info/topic/78095-sursa-ajustabila-simetrica-de-laborator/

 

 

Initial dorind sa folosesc cat mai mult din ea, optimizand doar regulatorul, si dupa multele modificari ce le facusem la schema, mi-am dat seama ca este vorba de fapt de o cu totul alta sursa, asa ca am decis sa las acea sursa asa cum este si sa tratez proiectul asta asa cum merita, ca pe o sursa noua si de sine statatoare, totul liniar.

 

Specificatiile ( in mare ) ar fi cam acestea:

-Regulatoare liniare

-Iesiri simetrice cu masa comuna

-Plaja de reglaj tensiune 0-30V 

-Rezolutie reglaj tensiune 10mV

-Plaja de reglaj curent 0-5A

-Rezolutie reglaj curent 2mA

-Tracking ( reglajul se face pe ramura pozitiva, cea negativa urmarind intocmai valoarea ei )

-Afisaj digital color

-Afisare tensiune masurata iesire pozitiva

-Afisare tensiune masurata iesire negativa

-Afisare tensiune masurata alimentare

-Afisare tensiune directa intre ramuri iesire

-Afisare curent masurat iesire pozitiva

-Afisare curent masurat iesire negativa

-Afisare curent setat

-Afisare putere ramura pozitiva

-Afisare putere ramura negativa

-Afisare regim functionare CV/CC ( tensiune constanta si respectiv curent constant )

-Afisare temperatura masurata pe radiator

-Comutare ON/OFF soft a iesirilor

-Ventilare fortata radiator, activata la o anumita temperatura afisata

-Protectie la scurt redundanta ( reglaj curent plus limitare SCC pentru tranzistori )

-Protectie supratensiune retea

Si or mai fi, dar ma lungesc prea mult...

 

Partea digitala nu-mi apartine nici ca idee si nici ca realizare soft ( eu si programatul...  ), deci n-o sa pun nici schema nici soft.

Pot spune doar ca este compusa dintr-o placa arduino cu un uC pe 84Mhz, un ecran color de 3,2", ADC-uri si DAC-uri pe 12 biti, encoder cu 24 de pozitii...

 

Schema partii analogice in schimb imi apartine si o prezint integral ( click pe imagine pentru rezolutie buna ) am impartit-o in 2 pentru ca s-ar fi aglomerat prea mult.

Regulatorul principal:

 

Configuratia de baza este binecunoscuta LM317+PNP si respectiv LM337+NPN.

Reglajele ( tensiune si curent ) se fac cu niste AO tip chopper ( offset extrem de mic ) pe post de amplificatoare de eroare ( IC1A si IC5A ).

Tranzistorii de putere sunt MJL4281 si respectiv MJL4302, cate 2 bucati pe ramura.

I-am ales pentru ca sunt cam cei mai buni ( sau oricum printre cei mai buni ) si solizi bipolari de putere disponibili.
 

Tracking-ul este facut de IC6A si respectiv IC8A ( aceleasi choppere ), 2 repetoare de polaritati opuse care impun in pinul adj al 337, tensiunea din pinul Adj al 317. 

 

Masurarea tensiunii pe ramura pozitiva se face cu un simplu divizor cu rezistente de precizie ( 0.1% ).

Masurarea tensiunii pe ramura negativa este facuta cu inca un chopper pe post de repetor inversor ( IC13A ).

 

Masurarea curentului pe ramura pozitiva se face cu un amplificator diferential dedicat ( IC3 ), masa comuna necesara impunea solutia asta, si l-am ales pentru offset-ul mic. 

Masurarea curentului pe ramura negativa am preferat sa o fac cu un senzor HALL ( IC9 ) pentru ca aveam nevoie de o iesire pozitiva raportata la masa, si izolatie electrica intre shunt si partea de control. Nu am gasit o versiune optimizata pentru 0-5A ci doar +/-5A, motiv pentru care a fost necesar amplificatorul diferetial de dupa el facut cu IC10A, un AO de precizie foarte buna ( nu-i chopper-ul de mai sus dar tot cu offset nesemnificativ, ceva uV ) si rail to rail.

Amplificarea era necesara pentru adaptarea plajei de tensiune. 

Diferentialul este deasemeni facut cu rezistente de precizie ( 0.1% ).

 

Masurarea temperaturii se face cu un LM35 TO220 fixat pe radiator.

Regasiti senzorul mai jos in schema auxiliarelor.

 

Alimentarile auxiliare:

 

Alimentarea se face dintr-un traf toroidal, iesirile principale au 2x25Vca, care la 5A pica ceva sute de mV ( nesemnificativ ).

Alimentarile auxiliare toate izolate galvanic ( au fiecare secondarele proprii ), bobinate pe acelasi traf cu iesirile principale.

Tot in ideea izolarii am ales si comandarea ventilatoarelor cu un releu, nu vreau sa-mi polueze catusi de putin sursa cu zgomotul lor.

Vor porni direct la turatie maxima atunci cand radiatorul va atinge 80*C, si se vor opri atunci cand temperatura scade la 50*C.

Ventilatoarele alese ( 2 ) sunt foarte silentioase si la turatie maxima, de asta nici nu mi-am mai batut capul cu turatie variabila.

 

Am pus in scheme codurile tuturor componentelor mai importante ( inclusiv pasive ) ca sa le gasiti usor si sa intelegeti ce si de ce am ales la fiecare in parte.

Secundarele auxiliare sunt dimensionate pentru a pune regulatoarele auxiliare intr-un regim optim de functionare, si a avea si rezerve destule pentru variatii semnificative ale retelei.

Asa cum probabil se poate observa, majoritatea componentelor vor fi SMD-uri, sunt necesare in primul rand pentru spatiul ocupat mai redus, dar si din alte motive in care nu am sa intru.

 

Toata partea analogica este deja testata si optimizata ( inclusiv regimurile tranzitorii in complexitatea lor ), isi face treaba foarte bine, este foarte stabila si zgomotul e prea mic sa merite masurat ( asta era si ideea ). 

Asa cum se poate observa nu m-am zgarcit cam pe nicaieri, motiv pentru care scorul final o sa fie maaare, dar va fi meritat.

 

Lucrez la proiectul asta de cateva luni, si probabil va mai dura tot cam pe atat pana se va finaliza.

Ce urmeaza acum este finalizarea si optimizarea partii digitale ( soft, interfatare, etc ), apoi ma voi apuca de desenat un cablaj pentru partea analogica prezentata aici, si apoi comanda de placi la fabrica.

La cablaj inca n-am decis nimic, deci nu ma intrebati ce si cum va fi.

Posibil sa fie totul pe o singura placa sau posibil sa am o placa pentru regulatorul principal, si una pentru alimentari, de asta depinde si spatiul disponibil din carcasa. 

 

Momentan cam atat.

Daca aveti nelamuriri intrebati si incerc sa-mi fac timp sa explic.

Nu-mi cereti BOM, inca nu-i gata ( nici macar nu m-am decis daca fac un excell sau ma limitez la un folder la tme tinand cont ca totul la partea analogica provine de acolo ).

 

Spor.

Marian.

Editat Mai 26, 2020 de Marian

[Marian]

Daca sunt elemente de circuit pe care nu le intelegeti, spuneti si vi le explic.

N-am postat topicul sa ma laud ( n-as fi pus deloc nici schema ), ci sa ridicam nivelul sectiunii cu o alternativa de sursa cu performante, aspect si functii comparabile cu sursele profesionale, dar accesibila oricui ( si explicata in detaliu ). Si de ce nu, o alternativa la interminabilele probleme ale 723 sau alte astfel de scheme vechi si simpliste, cu operationale rudimentare si duse la limita... 

Lipsa detaliilor tehnice ale partii digitale nu poate fi o problema deoarece sursa este configurata de asa natura incat poate fi interfatata cu orice arhitectura digitala pe 3,3V, adica va puteti dezvolta propriile elemente digitale, sau puteti sa folositi altele dezvoltate deja de altii.

Editat Mai 27, 2020 de Marian

[gsabac]

Foarte interesanta conceptia, apreciez in mod deoasebit initiativa,  Eu as realiza alimentarea de forta cu un transformator clasic, deoarece dupa masuratorile mele orice alimentare cu convertor degradeaza performantele obtinute de o sursa de calitate, mai ales ca radiaza in jurul ei si in retea, semnale cu un spectru larg de frecvente.

 

Deoarece comanda este digitala, deci reglajul lent, mai ales ca circuitele operationale de reglaj a tensiunii si curentului sunt compensate

 cu condensatori de zeci de nF,  cred ca protectia sau trecerea pe modul de generare a curentului va intra in functiune intr-un timp foarte lung,

 poate 10mS poate 100mS, deci ati inclus si un circuit suplimentar de protectie rapida?

 

PS. Pacat ca si colaboratorii dvs. nu au postat si schema digitala sau macar schema bloc pentru inceput.

 

@gsabac

Editat Mai 27, 2020 de gsabac

[Marian]

Probabil nu ati citit integral sau cu mai multa atentie, e drept ca prezentarea este lunga insa un astfel de proiect nu poate fi prezentat in cateva randuri.

Asadar despre alimentare am spus ca:

18 hours ago, Marian said:

Alimentarea se face dintr-un traf toroidal, iesirile principale au 2x25Vca, care la 5A pica ceva sute de mV ( nesemnificativ ).

Adica fireste ca din traf de retea se face alimentarea, credeam ca s-a subanteles asta.

Toate secundarele ( principal si auxiliare ) sunt pe un traf toroidal, la care am pastrat primarul si am rebobinat secundarele eu.

Nu exista nici un element de comutatie nicaieri in sursa, nu exista pwm, toate regulatoarele sunt liniare ( se poate lesne observa asta in scheme ).
Motivul alegerii este usor de inteles, se vrea a fi o sursa cat mai curata posibil, pana si riplul de retea pe alimentare va fi mic ( motivul dimensionarii generoase a filtrarii ).

 

Referitor la protectie:

18 hours ago, Marian said:

-Protectie la scurt redundanta ( reglaj curent plus limitare SCC pentru tranzistori )

Schema de baza este asa cum am zis LM317+PNP, exista deja limitarea SCC intrinseca acelei configuratii, vedeti rezistentele de 330mOhm si diodele serie pe alimentarile LM-urilor, impreuna fac un generator de curent constant cu limitare la cca 2A per tranzistor, iar acestia au un SOA excelent ( 5A/40V/1secunda, n-a vazut forumul asa tranzistori pe nici o schema de sursa, sunt al naibii de scumpi ).

LM-urile sunt protejate intern de propria protectie ( supradisipatie, supracurent, etc... ).

 

31 minutes ago, gsabac said:

PS. Pacat ca si colaboratorii dvs. nu au postat si schema digitala sau macar schema bloc pentru inceput.

Pe cat de consistenta si solicitanta a fost munca mea la punerea la punct si optimizarea partii analogice ( muuuulte ore petrecute cautand solutii si componentele potrivite, si tot atat construind si testand prototipuri ), mult mai solicitanta a fost munca de punere la punct a softului, si la cat de complex este, sincer sa fiu nici eu nu l-as fi publicat, pot spune doar ca este un procesor pe 84Mhz, o referinta de precizie 3.3V/0,1%, ecran color de 3,2", encoder 24 de pozitii, dac-uri si adc-uri pe 12 biti, deja stiti cam tot, trebui doar softul.

 

Partea analogica asa cum am spus poate fi foarte usor interfatata cu orice digital pe 3.3V, deci nu poate fi o piedica.

Editat Mai 27, 2020 de Marian

[Haralambie]

Eu am anuntat in repetate randuri ca sunt interesat de astfel de concepte.

 

Am o curiozitate, cum s-a determinat asta

 

Citat

Tot in ideea izolarii am ales si comandarea ventilatoarelor cu un releu, nu vreau sa-mi polueze catusi de putin sursa cu zgomotul lor.

 

Eficienta?

 

Se livreaza in carcasa? Echipament bun de folosit sau mai necesita interventii? Modular, se pot lega / inseria / comunica intre ele?

Editat Mai 27, 2020 de Haralambie

[Marian]

Daca prin eficienta in contextul ventilatoarelor te referi la randament, atunci nu asta a fost ideea.

Am testat mai multe ventilatoare ( mai multe modele si marci ), toate polueaza mai mult sau mai putin alimentarea ( zeci sau sute de mV varf la varf functie de ventilator si de impedanta alimentarii ), nu se pune problema sa muncesc luni intregi la punerea la punct a unei scheme ( si sa investesc multe sute de lei in ea ) si sa am masa comuna la ventilatoare cu restul sursei.

Masa comuna este doar pana la bobina releului, alimentarea ventilatoarelor in sine este complet separata si trece prin contactele releului.

Nu am abordat nici o forma de turatie variabila pentru ca asa cum am zis, ventilatoarele alese sunt foarte silentioase si la turatie maxima, prioritatea este racirea eficienta la sarcini semnificative ( si e nevoie de ventilatie buna la cat disip in radiator ).

 

La chestia cu livratul nu stiu la ce te referi, destinatia proiectului este uzul propriu, am o sursa digitala in comutatie foarte buna ( DPS_ul prezentat la proiecte ) care se comporta excelent din toate punctele de vedere. Vreau si ceva 100% liniar si cat se poate de aproape de cele profesionale ( nu-mi permit achizitia uneia serioase din comert si oricum e mai mare satisfactia sa lucrezi pe ceva facut de tine ). 

[Haralambie]

Nu, la eficienta ma refer la cea a sursei. Sare de 75%?

[Marian]

75% la o sursa liniara? 

Se poate usor calcula randamentul functie de sarcina si tensiune de iesire.

 

PS: Randamentul maxim este la tensiuni maxime de iesire, si acolo la 5A ar trebui sa am un randament de cam 85%.

Randamentul scade o data cu tensiunea de iesire.

Editat Mai 27, 2020 de Marian

[gsabac]

M-ati convins cu protectia, mai ales dupa ce am vizualizat caracteristicile SOA ale tranzistorilor MJL4281 si MJL4302,

 pe care i-am inclus in curbele mele SOA.

    

 Am simulat si calculat redresorul nestabilizat alimentat din transformatorul propus si la 5A are tensiunea minima de 30,1V medie de 31,2V si maxima de 32,2V deci un riplu de 2,1Vvv.  Ce considerente aveti in legatura cu tensiunea minima de 30,1V si tensiunea de iesire stabilizata de 30V, asta la tensiunea nominala , dar la -10%?

 

PS. Ar fi util si un mod de lucru in care sursele sa fie independente.

 

@gsabac

Editat Mai 28, 2020 de gsabac

[maxente]

Partea de comanda digital va fi disponibila sub forma de kit complet contra cost ?

[Haralambie]

Eu vreau produs complet functional de cumparat

[validae]

E piaţa plină, ai de unde alege.Bani să ai...

[Marian]

@gsabac nu stiu ce grafic ati pus dvs acolo, asta este SOA la tranzistorii folositi aici:

 

Nu inteleg nota usor negativista a interventiilor dvs, insa nu a vazut elforum proiect de-al utilizatorilor, de sursa cu bijuteriile astea de tranzistori, si cu atat mai putin 2 bucati la un curent asa mic.

Eu cunosc foarte bine bipolarii astia pentru ca ii folosesc la modulele mele MP100.V3 de la vanzare, si sunt cam cei mai buni disponibili pentru audio ( hfe sustinut, SOA excelent, ft, etc... ), i-am pus aici pentru ca ii am si tocmai pentru ca sunt printre cei mai buni.

Ce au de facut in schema asta este o nimica toata fata de ce pot ei sa faca, tocmai asta a fost ideea folosirii a 2 bucati pe ramura.

 

@maxente nu stiu, nu depinde de mine.

 

@Haralambie esti sigur de ce zici? 

Adica nu ar fi o problema sa fac un al 2-lea exemplar ( ca pe al meu nu se pune problema sa-l vand ), insa ar costa semnificativ, esti constient de asta sper... ( nu ma intreba cat, nu m-am gandit la asta ).

 

@validae orice dispozitiv electronic necesar exista deja in comert si ieftin si scump, ideea unui proiect cum este cel de aici este experienta castigata in dezvoltarea si optimizarea sa, si apoi folosirea a ceva performant iesit din mainile tale, satisfactie pe care nimic din comert n-o poate egala. 

[validae]

Replica mea era pentru Haralambie, care a înţeles din toată chestia faptul că tu vrei să faci astfel de surse pentru vânzare.Deşi eu cred că dacă era aşa, îl postai la Proiecte Comerciale...

[Marian]

Proiectul e pentru uz propriu, am si zis asta.