pátek 14. srpna 2020

Jednoduchý zkoušeč elektronek

 Nějakou dobu mi leželo v hlavě, jestli si mám nebo nemám pořídit BM215. Při rozmýšlení jsem koukal na jeho schéma i na další přístroje jako například německý RPG4. Přístroje jsou to rozměrné, ale vlastně velmi jednoduché, pár součástek, nejsložitější je jejich zadrátování.

Elektronky potřebují volbu žhavícího napětí, pro jednoduchost se i sériové žhaví z trafa s mnoha odbočkami. Dále je třeba volit záporné předpětí mřížky opět v mnoha krocích, aby vyhověl větší části elek, co chce člověk měřit. Ručkový přístroj měří proud anodou také v několika rozsazích, a nakonec je vhodné mít možnost volit Ua a Ug2. Z toho vychází žhavení plus 4 vodiče, které jsou potřeba zapojit do patic.

Většina elek má naštěstí žhavení v dané patici na stejných nožičkách, takže to lze zapojit pevně, vyjímkou jsou například bateriové elky v heptalu, které mají žhavení na první a poslední nožičce. Přepínání katody, g1, g2 a anody na příslušné nohy je v přístrojích řešeno buď přepínači nebo kolíkovým polem. Podobně jako ostatní nastavení.

Cílem domácí konstrukce bylo postavit zmenšený zkoušeč na elky, které očekávám, že budu měřit a to za zlomek ceny sběratelských zkoušečů, které se vyskytují ještě hojně v prodeji.

Topologii jsem zvolil jako u BM215. Elka se zapojí jako usměrňovač do střídavého obvodu, nastaví se jí předpětí g1 a měří proud anodou na bočníku napočítaném pro zobrazení vrcholové hodnoty při měření střední hodnoty jednocestně usměrněného proudu měřenou elkou.

Tento způsob na první pohled trochu bere iluze o principu měření ale má mnoho výhod. Zařízení vyjde velmi jednoduché a velmi bytelné při poruchách elek nebo špatném nastavení obsluhou. Nikde nejsou nabité kondenzátory na velké napětí ani stejnosměrné proudy na přepínačích a pojistkách.

Schéma je zkomprimováno na nejnutnější minimum. Základem je odbočkové trafo, kde se dohromady čtyřmi páčkovými přepínači volí odbočky na jedné a druhé straně okolo nuly. Rozsah pokryje od bateriových až pro sériově žhavenou U řadu. Výkon na žhavení je dimenzován tak, aby nažhavil 6AS7, EL51 i PL509. Od poslední odbočky žhavení je vinutí anodového napětí. To se volí pouze ve dvou krocích 70V a 250V špičkové hodnoty. Ug2 je buď stejné jako Ua nebo o odbočku nižší.

Proud anodou lze měřit v rozsazích 2mA, 20mA a 200mA při použití původní stupnice 200uA přístroje. (Shodou okolností se jedná přesně o tentýž jako na BM215, takže stačilo přepočítat původní bočník a přesné hodnoty vyměřit z odporů 22R, 200R a 2K0.

Přístroje obvykle umožňují měření mezielektrodových zkratů. Vtipně zápornou výchylkou přístroje, ovšem při návrhu schématu je jasné proč. Když je elka už nažhavená, zkraty je třeba měřit záporným stejnosměrným napětím no a nejsnazší je k tomu využít jeden z rozsahů přístroje a zdroj záporného předpětí mřížky. Ona propojka se pak aktivuje v poslední zbylé kombinaci přepínačů měřeného proudu. Samotné měření zkratů už tak elegantní vůbec není, je třeba postupně procvakat přepínače pro volbu vývodů na patici tak, že se měří zkrat od polohy "anoda" k poloze "katoda" tedy zemi a zároveň žhavení. Pokud se ale omylem elektrody navolí v propustném směru z pohledu záporného zdroje, elka poslušně ukazuje zápornou výchylku i tam.

Záporné předpětí se volí zkracováním dolního odporu děliče, kde horní odpor je z 10x většího napětí, takže se chová přibližně jako zdroj proudu a hodnoty přepínačů lze sčítat podobně jako u binárního kódu. Spínačem S se měří strmost při změně předpětí o 1V. Změna výchylky v mA je tedy přesně strmostí v mA/V jako v katalogu. U BM215 kritizovaný přepínač "Vakuum" stejně jako tam, tak ale i ve chváleném RPG4 prostě zařadí před mřížku odpor M2 (Je to vlastně maximální povolený Rg1 pro EL51, jiné elky snesou větší) Anodový proud nemá zvzrůst o více jak 10%. Zvýšení proudu způsobuje mřížkový proud, který na vřazeném odporu způsobí úbytek záporného předpětí.

Získání mřížkového předpětí jsem měl původně navrženo pro 6Z31 a 11TA31 stabilizátor případně zdvojovač s EAA91, ale kvůli jednoduchosti jsem tam dal nakonec křemíkovou diodu. Takový zdroj by zatížil žhavící vinutí a navýšil spotřebu zařízení protože stabilizátory potřebují pro spolehlivou funkci několikanásobně větší proud než teče děličem Ug1. Bez stabilizátoru by zase bylo třeba kontrolovat proud usměrňovačkou jako u BM215.

Nakonec přepínače patic. Tuhle myšlenku jsem měl v hlavě už snad 20 let, dokonce jsem měl už nakoupený pytlík třípólových přepínačů z doby, kdy jsem takový měřič chtěl stavět, jako inspiraci známým elektrobazarem, kde právě BM215A byla středobodem celého obchodu používaná s trpělivou precizností takřka nonstop jakoby jiný měřič elek široko daleko nikdo neměl.

Původní myšlenkou byly pouze tři polohy, anoda, katoda a v nulové poloze mřížka. Mřížkové předpětí by bylo přiváděno velkými odpory na všechny piny. Takové řešení by ale neumožnilo rozlišit Ia a Ig2 pentod no ale hlavně by nešel použít velmi očekávaný, tolik kritizovaný přepínač "Vakuum". Přepínačů jsem tedy osadil dvě řady s tím, že obsluha musí dávat pozor, aby na stejné pozici nebyly připojeny zároveň dvě různé polohy. Při zkratu g2 na katodu trafo ochrání pojistka, při zániku -Ug1 u větších elek snad také (tu elku).

A jaký je výsledek? Večer za bouřky před 14 dny jsem navrhoval schema a teď tu opět za bouřky sedím a tohle píšu. Zadrátování trvalo jeden den a za další den jsem navinul odbočkové trafo. Po zapnutí a nažhavení prvních pár elek jsem zjistil, že to dokonce fakt měří! Pokud se nastaví hodnoty z katalogu, sedí proudy i strmost. Přepínač "Vakuum" mírně pohne ručkou zatím u všech elek stejně"

 Celek po smontování prvků na šasi.

Odbočkové trafo po převinutí a složení. Plechové síťové trafo jsem nenavíjel už pár let, tohle mě mile překvapilo nízkým klidovým proudem. Převíjení má výhodu, že si člověk před rozebráním změří v zátěži napětí na původním vinutí, kterému pak spočítá počet závitů. Výsledné trafo je pak velmi přesné.

Zadrátování hotové i s trafem.

V krabičce

Měření EBL21, Obsluha je vlastně velmi jednoduchá, Nejprve se všechny přepínače nastaví do polohy vypnuto, pak se otevře katalog elky a přepínače se nacvakají podle něj jeden za druhým. Vývody jsou na patice zapojeny zrcadlově, takže z tohoto pohledu jsou přepínače seřazeny jednodušše jako nožičky po směru hodinových ručiček v katalogu.

První řádek volí nahoru anodu, dolů g2. druhý nahoru g1, dolů katodu. Ve třetím řádku se volí žhavení, anodové napětí a Ug2, pak se posledním přepínačem v řádku může přístroj zapnout. Ve čtvrtém řádku se potom nastaví předpětí mřížky a rozsah ampérmetru, případně se nastaví kontrola zkratů.

Možnosti nastavení přepínačů žhavení a Ug1, modré jsou požadované hodnoty z vybraných elek, které chci měřit, zelené jsou výsledné kombinace. 

 
Ilustrativní popisky

Umístění na stole. Přepínače budou označeny nejspíš formou nákresu někde mimo zatím.

Dříve jsem elky také měřil a vybíral, ale až v konkrétním zařízení, měřením úbytků na katodových odporech. Při pevném předpětí jsou rozdíly například dvousystémových triod vidět mnohem zřetelněji.

Trochu zklamáním bylo, že nemůžu měřit diody u EBL21, chybí snížené anodové napětí anebo fakt, že trafo sice má odbočku 1,4V ale přepínači nepřehodím žhavení na heptalové patici, ale to vyřeší redukce. Na poslední chvíli jsem si jeden večer před usnutím vzpomněl, že některé, a to docela velké množství, elek má čepičku a že dokonce ne vždy je na ní anoda, tak bylo třeba osadit ještě zdířky pro přímé připojení anody a g1.

Literatura:

Tomek, Jan.:Zkoušeč elektronek BM215, Radiohlídka 1993.

Max Funke, Röhrenprüfgerät RPG4/3 Schema 1948.

pátek 14. února 2020

230V Powerbanka

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.

Před rokem dokončený měnič jsem si zvykl používat tak, že baterky nabíjím skoro každý týden a jelikož je vybavený regulací výstupního napětí, používám ho jako bezdrátovou triakovku k pumpě. Vnější mechanická konstrukce do univerzální krabičky se sice vzhledově moc nepovedla, ale vnitřek myslím ano.
Jedná se o sinusový měnič 12V/230V doplněný o nabíjecí snižující měnič a balancéry pro tříčlánkovou baterii z 18650. Řízení všech měničů obstarává stará dobrá STM32F103C8T6.
Silový měnič je moje oblíbená topologie DC/DC s pevným převodem bez tlumivky na sekundární straně zde na malém výkonu buzená jen jako push-pull s MOSFETy s malým odporem v propustném směru. Střídač je H-můstek z IGBT s bipolární modulací pracující do dvojité tlumivky. IGBT tranzistory jsou buzeny drivery s desaturační ochranou IR2127, díky tomu je střídač zkratuvzdorný.
Protože DC/DC má pevný převod, běží trvale se střídou blízkou 50% vyjma běhu naprázdno. Akumulátory mají ale malý rozdíl napětí v nabitém a vybitém stavu, takže napětí stačí regulovat střídačem, hloubkou modulace.
Nabíjecí měnič jsem zvolil synchronní snižovací, aby bylo možno ho připojit např. na soláry. Synchronní typ se dá použít i pro odběr výkonu z akumulátorů, ale napětí může být jen stejné nebo vyšší. Váhal jsem nad použítím zvyšovacího měniče, ten by pak zároveň uměl dodávat 0 až 12V výstup, ale jako nabíjecí by pracoval s velkými proudy. Balancéry jsou z vyskládané z běžných součástek s referencí TL431.
Zajímavostí konstrukce je vyhnutí se použití elektrolytických kondenzátorů, pracovní kondenzátory jsou 12,5uF svitky. Pro snížení spotřeby naprázdno byl použit kompatibilní třísvorkový DC/DC místo 7805.
Zapojení obsahuje HW ochranu proti přebíjení akumulátorů. Proud akumulátorů je měřen obousměrně bočníkem na záporném konci.

Schema: (stáhnout pro plné rozlišení)


Obrázky:

 Všechno vyšlo na jednu oboustrannou desku
 Po osazení, na tomhle výkonu tranzistory netopí, výkonovým omezením jsou hlavně trafa
Bodování propojovacích pásků vystříhnutých do tvaru nožek
 Navíjení transformátoru a tlumivky
 Nakonec se tam jádro vejde, kostra je zaplněná až moc
Hotový transformátor a tlumivka na shodném jádru (z PC zdrojů)
 Zabudování do krabičky. Lepší je opačný postup - vybrat krabičku a do ní navrhnout desku.
Sériové rozhraní jsem použil jen na ladění programu, zřejmě nemuselo být vyvedeno ven, tlačítko má sloužit pro ovládání FSM, tedy výběr co má po zapnutí měnič dělat, ovšem stejně používám je jeden režim a připojení nabíječky rozpozná MCU sám, tedy tam také nemuselo být.

Řídící SW generuje PWM pro tři měniče, celkem 8 kanálů. Spínací frekvence zvolená nízko 32kHz, nabíjecí měnič 64kHz. Modulace pro střídač je vytvořena pomocí DDS s nastavitelnou amplitudou. Po zapnutí vypínače baterek jsou všechny měniče vypnuty a MCU čeká buď na připojení napětí z nabíječky, kdy zahájí nabíjení konstantním proudem do baterek, anebo na zmačknutí tlačítka, potom spustí DC/DC měnič a střídač s aplitudou nastavenou potenciometrem. Dalším zmáčknutím ho vypne.
MCU signalizuje stav nabití akumulátorů a zajišťuje vypnutí při vybití nebo nadproudu.
Nabíjení konstantním proudem, cílové napětí je drženo po stanovenou dobu a pak sníženo, aby zbytečně netopily balancéry, kdyby se nechala nabíječka v zásuvce. Jako  nabíječku používám 15V 1A adaptér, nabíjecí proud nastavený 800mA.
Výkon DC/AC měniče je 130W, trafa by se daly navinout licnou a zvednout spínací frekvenci pro dosažení větší hustoty výkonu. Kapacita akumulátorů je vzhledem k výkonu nedostatečná 30Wh, chtělo by to osadit minimálně 6 článků sérioparalelně. Nicméně měnič funguje a za ten cca rok jsem si zvykl ho používat. Plánuju osazení další desky a zabudování jiným způsobem protože i kdyby člověk desku jen zatáhnul do smršťovačky, objem by byl asi poloviční, než je teď v krabičce.
 
Literatura:
Billings K., Morey, T.: Switchmode power supply handbook. New York: McGraw-Hill 2011


pondělí 25. března 2019

Ladění a replika zesilovače AZW161 A

Dostal se ke mě zesilovač z vozidel hromadné dopravy AZW161 montovaný v 60. letech do tramvají T3 a autobusů RTO. Zesilovač v překvapivě výborném až sbírkovém stavu jsem zkusil ze zvědavosti zapojit, abych zjitil jak hraje. V nulové pozici hlasitosti hrál až překvapivě dobře, hloubky a při pootočení potenciometru pouze výšky. Vcelku jasný závěr, vyschlé vazební kondenzátory. Ač nerad jsem začal rozebírat ještě originálně zatřené šrouby načež jsem zjistil, že nejsem první, kdo měnil, zatím tedy jen jeden kondenzátor. Ovšem pájkou strčenou za desku bez rozebrání šasi.

Trochu překvapen jsem nakonec zjistil, že špatné jsou úplně všechny elektrolyty, které tam byly. Kapacita menší než polovina, velký odpor a gumové zátky popraskané.

Překvapen proto, že ze stejné doby se najde fungujících kondenzátorů obvykle větší část, nebývají všechny špatné, proto jsem ze zásob vyměřil a zkusmo naformoval obdobné typy a osadil. Zesilovač jsem celý smontoval s tím, že je hotovo a opět pustil. Nicméně tím problémy teprve začaly.

Po zapnutí s novými elyty jsem konečně slyšel ten charakteristý amplionový zvuk s ořezanými hloubkami i výškami. Prostě rozsah asi 100Hz až 4kHz. Koukal jsem na ty trafa, výstupní je větší než mám v SE s EBL21,vzpomínal na ten zvuk s vyschlými elyty a přemýšlel kde je chyba.

Původní dokumentace nic moc k nalezení, svazky drátů, hnědé odbory bez barevného kódu, schema jsem obkreslil ze šasi pomocí ohmetru. Hned bylo jasné, že frekvenční rozsah je omezen záměrně. Hloubky jsou omezeny zvolenými malými kapacitami přes emitorové odpory a výšky pak velkým zesílením prvních dvou stupňů (vstupem byl mikrofon), které nejsou utaženy zpětnou vazbou. Germaniový NF tranzistor je pomalý a tak volně vázané zesilovací stupně s velkým zesílením výrazně tlumí výšky.

Přemýšlel jsem jak zapojení s minimálním zásahem do konstrukce upravit pro poslech. Jako nejvhodnější se ukázalo emitorové kapacity úplně vyndat. Jednak klesne zesílení stupně, což zlepší přenos na vyšších frekvencích a zmizí zvýraznění středů na úkor hloubek vlivem původně osazené nedostatečné kapacity, která byla volena s ohledem na požadovaný přenos.

Koncový stupeň je navržen velmi dobře, je utažen silnou zpětnou vazbou, transformátory mají dvojí paralelní vinutí ke snížení rozptylové indukčnosti a hlavně na výkon dostatečně velké jádro. Nikdy jsem v tomhle starém zapojení, hojně používaném v bateriových rádiích s maličkými transformátorky, tak velké neviděl. Koncové tranzistory 6NU73 na velkém pasivu, přesto každý svůj termistor kvůli teplotní stabilizaci. To prostě musí hrát výborně.

Úplně pochopit princip zapojení a možnosti Ge tranzistorů se nakonec vyplatilo a po úpravách hodnot kondenzátorů zesilovač skutečně konečně hraje tak, jak vypadá jeho koncový stupeň. Když totiž byly elyty špatné, signál šel přes netlumenou napájecí větev až na koncový stupeň, kde to pak dohnala zpětná vazba.

Původní schema
Sbírkový stav
Vnitřek, původní elyty
Nové elyty
Deska navrhovaná inverzní technologií návrhu spojů
Po úspěšném zprovoznění jsem si zvykl zesilovač poslouchat a trochu mi začal chybět druhý kanál na stereo. Ukázalo se, že sehnat druhý nebude tak snadné, po podání inzerátu se podařilo sehnat alespoň šasi s tím nedůležitějším - výstupním transformátorem, a tak jsem se rozhodl postavit repliku. Však to co ve zdánlivě beznadějně prázdném šasi chybělo, byly jen běžné součástky, které jsem měl všechny doma.
Schema po úpravě
 Bez dokumentace jsem vybral tranzistory tak, aby splňovaly parametry plynoucí ze zapojení, nicméně T3 je v oreginále zřejmě odlišný typ. Ani po prohledání všech zásob se mi nepodařilo najít fungující dva koncové tranzistory, ani z nižší napěťové řady. Všechny co mám mají tak velký svod, že nejde nastavit rozumný klidový proud a některé se dokonce lavinově prorážejí už při malém napájecím napětí. Nakonec jsem tam musel dát AD1204, které fungují bezproblému. Přitom v předchozím zesilovači původní tranzistory stále fungují. Bohužel, elektronky nás přežijou několikrát, germaniové tranzistory zřejmě nikoli.
Zdánlivě prázdné šasi, ale to nejdůležitější tam je!
Ještě než přišlo šasi jsem nakreslil ručmo novou desku
Deska osazena, transformátory čekají na očištění a nový lak.
Hotovo! Germaniové Stereo!
Budící trafo přirozeně budilo nedůvěru, nicméně u něho není důležitý výkon ale převodní poměr a indukčnost primárního vinutí. Menší je zřejmě prostě proto, že se jim v pozdější době dařilo vinout trafa tenším drátem, a tedy mohli zmenšit jádro.
Složení repliky nakonec zabralo jediný víkend, aneb když člověk nemusí přemýšlet, jak něco udělat ale prostě to udělá tak, jak to bylo navrženo. Zesilovač má slušný zvuk, výkon i účinnost. Však kde dneska člověk uvidí zesilovač, kde příkon signálky je 3/4 klidového odběru celého zařízení?

středa 29. srpna 2018

Měnič 48/230V THT diagonální SPWM

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.

Měnič není dokonalý z hlediska kontrukce ani vlastností, ale je navržen za účelem splnit několik netypických vlastností:
Cíle mechanických vlastností:
1) Jednodesková THT konstrukce na jednostranné DPS
2) Co nejméně rozdílných součástek
3) Trafo a tlumivka, které jdou navinout v ruce. 

Cíle elektrických vlastností:
1) Minimální možný příkon naprázdno za každou cenu
2) Zkratuvzdornost
3) Sinusová modulace

Nevýhody:
1) Nízká hustota výkonu
2) Nevhodné umístění výkonových prvků uprostřed desky
3) Zkreslení výstupního napětí závislé na zátěži

Modulace střídačů
Je několik možností sinusové modulace H-mostu střídače, zde uvádím některé z nich.
1) Nejběžnější je bipolární modulace. Vyžaduje dvě tlumivky, které mohou být na společném jádru. Nutností je dále vkládání deadtime, který z závislosti na spínací frekvenci snižuje možný index modulace.
2) V případě unipolární modulace jedné fáze, kde se druhá fáze pouze přepíná 50Hz stačí jedna tlumivka, ale meziobvod střídače je zatížen velkým du/dt, proud se pak uzavírá přes kapacitou trafa DC/DC měniče. Nicméně spínací ztráty jsou poloviční oproti bipolární modulaci, tranzistory ve fázi B mohou být pomalé.
3) Zlepšit filtraci unipolární modulace je možno pomocí dvou tlumivek a spínáním obou polomostů tak, že je vždy jeden dolní tranzistor po dobu půlperiody sepnutý trvale a druhý polomost spíná, pak se vymnění. Tlumivky však nemůžou být na stejném jádru, protože polomosty neběží synchronně.
4)V případě diagonálního propojení tranzistorů a spínání střídavě obou diagonál s nízkým deadtime dostaneme opět bipolární modulaci. Pokud ale deadtime zvýšíme až na 1/2 periody spínací frekvence, dojde k tomu, že po celou dobu jedné půlvlny se spíná pouze jedna diagonála. Abychom kompenzovali snížení výstupního napětí vynásobíme referenční průběh dvěma. Protože spínáme stále vždy jen jednu diagonálu, deadtime není potřeba, nedochází ke komutaci tranzistor-tranzistor.



Výhodou diagonální modulace je zanedbatelný příkon naprázdno srovnatelný s obdélníkovým řízením. Nevýhodou je neschopnost měniče uzavírat přes meziobvod cestu jalovému proudu a tedy udržet nezkreslenou sinusovku do kapacitní nebo induktivní zátěže. Výsledkem je, že efektivní hodnota napětí neodpovídá té na vstupu modulátoru, je tedy potřeba zpětná vazba a regulátor. Ten sice nedodrží tvar, ale aspoň velikost efektivní hodnoty napětí ano.
Tím, že dochází ke komutaci dioda-tranzistor, když jsou tranzistory zavřené, chová se můstek jako usměrňovač proti napětí meziobvodu, nikoli proti nule, musíme upravit tvar referenčního sinu.
 

Díky tomu na rozdíl od TDS2285 v zátěži nepadá napětí.
Zapojení je přímo odvozeno z předchozí verze 12/230V. Zachoval jsem push-pull na primáru DC/DC měniče s cílem snížit počet součástek. Nevýhodou je nutnost použití 200V MOSFETů např. IRFP90N20D. DC/DC je řízen pomocí SG3525 posíleného drivery s desaturační ochranou IR2125. Pomalé nabíjení kapacity meziobvodu při startu zajištěno velkým kondenzátorem na pinu CSOFT.
Střídač je z IGBT tranistorů SGH80N60 buzených opět IR2125.
Řízení střídače, podpěťovou ochranu baterky a vypnutí při nadproudu obstarává zde místo TDS2285 MCU, který je naprogramován tak, aby pinově fungoval identicky. Důvod je ten, že TDS2285 ač funguje pěkně, tak vnitřní regulátor nedovoluje ovládat amplitudu střídače v dostatečném rozsahu při diagonálním propojení tranzistů H-mostu. MCU do daného rozložení nohou vyjde mnoho, já jsem zvolil moderní (2008) ATTINY44-20PU, což nebylo úplně šťastné, protože ta šílenost nemá ani násobičku. Ale aspoň se člověk naučí, jak se to dělalo, žejo.

Schema:


Průběhy napětí z první verze SW
 Naprázdno, Uef = 230V

Elkový zes, žhavení 20W

Odporová zátěž 500W

Deska, rozměry 228x156mm

Osazovací plán
SW
V assembleru. Mezi diagonálním a bipolárním řízením střídače lze přejít snadno zmenšením deadtimu z 0x80 na 0x04, odmazáním násobení (lsl r16) a výměnou tabulky za sinovou. Zkreslení sinusovky zmizí, příkon naprázdno vzroste z asi 2W na 12W.

Závěr
Další snižování příkonu naprázdno možné snížením sycení trafa DC/DC měniče. Při 7z. zbytečně hřeje jádro, ovšem více závitů znamená menší výkon.

 __________________________________________________________________________________
.nolist
.include "tn44def.inc"
.list

.org 0x0000
rjmp nastaveni ;reset
.org 0x0008
rjmp timer     ;timer1 overflow
.org 0x0100    ;zarovnani tabulky sinu kvuli DDS
sine:
.db 0x7F, 0x93, 0x9B, 0xA2, 0xA7, 0xAC, 0xB0, 0xB4, 0xB7, 0xBB, 0xBE, 0xC1, 0xC4, 0xC7, 0xC9, 0xCC,
.db 0xCE, 0xD0, 0xD3, 0xD5, 0xD7, 0xD9, 0xDB, 0xDC, 0xDE, 0xE0, 0xE2, 0xE3, 0xE5, 0xE6, 0xE8, 0xE9,
.db 0xEA, 0xEC, 0xED, 0xEE, 0xEF, 0xF0, 0xF1, 0xF2, 0xF3, 0xF4, 0xF5, 0xF6, 0xF7, 0xF8, 0xF8, 0xF9,
.db 0xFA, 0xFA, 0xFB, 0xFB, 0xFC, 0xFC, 0xFD, 0xFD, 0xFD, 0xFE, 0xFE, 0xFE, 0xFE, 0xFE, 0xFE, 0xFE,
.db 0xFE, 0xFE, 0xFE, 0xFE, 0xFE, 0xFE, 0xFE, 0xFD, 0xFD, 0xFD, 0xFC, 0xFC, 0xFC, 0xFB, 0xFB, 0xFA,
.db 0xF9, 0xF9, 0xF8, 0xF7, 0xF6, 0xF6, 0xF5, 0xF4, 0xF3, 0xF2, 0xF1, 0xF0, 0xEF, 0xEE, 0xEC, 0xEB,
.db 0xEA, 0xE8, 0xE7, 0xE5, 0xE4, 0xE2, 0xE1, 0xDF, 0xDD, 0xDC, 0xDA, 0xD8, 0xD6, 0xD4, 0xD1, 0xCF,
.db 0xCD, 0xCA, 0xC8, 0xC5, 0xC2, 0xBF, 0xBC, 0xB9, 0xB6, 0xB2, 0xAE, 0xA9, 0xA4, 0x9F, 0x98, 0x8D,
.db 0x71, 0x66, 0x5F, 0x5A, 0x55, 0x50, 0x4C, 0x48, 0x45, 0x42, 0x3F, 0x3C, 0x39, 0x36, 0x34, 0x31,
.db 0x2F, 0x2D, 0x2A, 0x28, 0x26, 0x24, 0x22, 0x21, 0x1F, 0x1D, 0x1C, 0x1A, 0x19, 0x17, 0x16, 0x14,
.db 0x13, 0x12, 0x10, 0x0F, 0x0E, 0x0D, 0x0C, 0x0B, 0x0A, 0x09, 0x08, 0x08, 0x07, 0x06, 0x05, 0x05,
.db 0x04, 0x03, 0x03, 0x02, 0x02, 0x02, 0x01, 0x01, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
.db 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, 0x01, 0x01, 0x02, 0x02, 0x03, 0x03, 0x04, 0x04,
.db 0x05, 0x06, 0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x0A, 0x0B, 0x0C, 0x0D, 0x0E, 0x0F, 0x10, 0x11, 0x12, 0x14,
.db 0x15, 0x16, 0x18, 0x19, 0x1B, 0x1C, 0x1E, 0x20, 0x22, 0x23, 0x25, 0x27, 0x29, 0x2B, 0x2E, 0x30,   
.db 0x32, 0x35, 0x37, 0x3A, 0x3D, 0x40, 0x43, 0x47, 0x4A, 0x4E, 0x52, 0x57, 0x5C, 0x63, 0x6B, 0x7F

nastaveni:  ;po resetu
wdr
cli
ldi r16, 0b10000000 ;povoleni zmeny hodin
out CLKPR,r16
ldi r16, 0b00000001 ;clock division 2
out CLKPR,r16
ldi r16, 0b00100000 ;Clear WDRF in MCUSR
out MCUSR, r16
in r16, WDTCSR ;Keep old prescaler setting to prevent unintentional Watchdog Reset
ori r16, 0b00011000 ;Write logical one to WDCE and WDE
out WDTCSR, r16
ldi r16, 0x00 ;Turn off WDT
out WDTCSR, r16
sbi DDRB,PB2 ;PB2, LED
sbi DDRA,PA5 ;PA5 jako vystup
sbi DDRA,PA6 ;PA6 jako vystup
sbi DDRA,PA7 ;PA7 jako vystup
ldi r16,0b00100001 ; OC0B out positive PWM
out TCCR0A,r16
ldi r16,0b00110001 ; OC1B out negative PWM
out TCCR1A,r16
ldi r16,0b00000001 ; timer start no prescale
out TCCR0B,r16
out TCCR1B,r16     ;spustim oba timery
ldi r16,0x7F ;127  ;strida 50%
out OCR0B,r16
ldi r16,0x7F ;127
out OCR1BL,r16
ldi r16,0b00000001 ;int enable compare A, overflow
out TIMSK1,r16
ldi r16,0b00000110 ;ADC prescaler 64 -> 156kHz
out ADCSRA,r16
ldi r16,0b00010000 ;hornich 8bit v hornim registru vystupu
out ADCSRB,r16
ldi r31,high(sine<<1 br="">ldi r30,low(sine<<1 23:16="" akumulator="" br="">ldi r29,0x00 ;akumulator 15:8
ldi r28,0x00 ;akumulator 7:0
ldi r27,0x00 ;DDS add 23:16
ldi r26,0xA7 ;add 15:8
ldi r25,0x1E ;add 7:0
ldi r19,0xFF ;amplituda sinu
ldi r18,0x00 ;suma PS regulatoru
ldi r20,0xFF ;casovani ADC
sei
sleep

timer:     ;spousteni 20kHz
cli
sbic PINA,PA2  ;vypinaci vstup
rjmp mereni    ;vystup povolen
clr r16
out TCCR0A,r16 ;odpoj piny
out TCCR1A,r16
out TCCR0B,r16 ;timer stop
out TCCR1B,r16   
sei
sleep

mereni:
brtc dds         ;T flag kdyz byl spusten AD prevodnik
sbic ADCSRA,ADSC ;ADC dokoncil prevod
rjmp dds
clt              ;smazu T flag
sbic ADMUX,MUX0  ;je kanal nastaven na ADC0 ?
rjmp regulator
in r16,ADCL
in r16,ADCH      ;napeti baterie
cbi ADCSRA,ADEN  ;vypnu AD prevodnik
cpi r16,0x43 ;1.3V
brpl stop    ;kdyz je vetsi
cpi r16,0x24 ;0.9V
brmi stop    ;kdyz je  mensi
cpi r16,0x30 ;1.1V
brmi dds     ;kdyz je mensi
sbi DDRA,PA1   ;DCC start
sbi PORTB,PB2  ;rozsvitim LED
rjmp dds
stop:
cbi DDRA,PA1   ;DCC stop
cbi PORTB,PB2  ;zhasnu LED
rjmp dds

regulator:  ;spousteni 40Hz
in r16,ADCL
in r16,ADCH     ;napeti vystupu
cbi ADCSRA,ADEN ;vypnu AD prevodnik
mov r19,r18     ;Vystup = Suma
subi r16,0x80   ;Err = vystupni napeti - 2.5V
brmi mensi
lsr r16       ;Err/2
sub r19,r16   ;Vystup = Suma + Err
brcc suma     ;vetsi
ldi r19,0x00  ;dolni doraz amplitudy
suma:
lsr r16       ;Err/4
lsr r16       ;Err/8
sub r18,r16
brcc dds
ldi r18,0x00  ;dolni doraz sumy
rjmp dds
mensi:        ;Err < 0
neg r16
lsr r16
add r19,r16   ;Vystup=Suma+Err
brcc suma_n
ldi r19,0xFF  ;horni doraz amplitudy
suma_n:
lsr r16
lsr r16
add r18,r16   ;Suma=Suma+Err
brcc dds
ldi r18,0xFF  ;horni doraz sumy

dds:
add r28,r25   ;akumulator + add
adc r29,r26
adc r30,r27
lpm r22,Z     ;vezmu hodnotu z tabulky
subi r22,0x80 ;odectu stredni hodnotu
brmi zaporne
ldi r21,0x00  ;vycisteni registru
ldi r16,0x00
ldi r17,0x00
mov r23,r19   ;ulozeni amplitudy
clc
ror r23       ;prvni posuv
brcc posuv
scitani:
add r17,r22   ;dolni bajt vysledku
adc r16,r21   ;horni bajt vysledku
posuv:
rol r22
rol r21
clc
ror r23       ;posuv
brcs scitani  ;byla tam jednicka
brne posuv    ;dokud jsou tam jeste jednicky
rjmp kladne   ;kdyz nejsou
zaporne:      ;nasobeni zapornych
neg r22
ldi r21,0x00  ;vycisteni
ldi r16,0x00
ldi r17,0x00
mov r23,r19   ;ulozeni amplitudy
clc
ror r23
brcc posuv_n
scitani_n:
add r17,r22 ;dolni bajt vysledku
adc r16,r21 ;horni bajt vysledku
posuv_n: 
rol r22
rol r21
clc
ror r23
brcs scitani_n
brne posuv_n
neg r16
kladne:      ;PWM modulator
ldi r17,0x80 ;stredni hodnota
add r16,r17  ;prictu stredni hodnotu  
mov r17,r16  ;nasobeni hotovo rozmnozim horni bajt
ldi r23,0x80 ;DEADTIME     
add r16,r23  ;prictu deadtime
brcc faze_A
ldi r16,0xFF
faze_A:
lsl r16       ;NASOBENI DVEMA
out OCR1BL,r16
subi r17,0x80 ;DEADTIME
brcc faze_B
ldi r17,0x00
faze_B:
lsl r17       ;NASOBENI DVEMA
out OCR0B,r17
inc r20         ;casovani adc
brvc spat
set             ;nastavim T flag cekani na ADC
ldi r24, 0xD8
sbi ADCSRA,ADEN ;zapnuti AD prevodniku
sbic ADMUX,MUX0 ;je kanal nastaven na ADC0 ?
rjmp kanal
ldi r16,0b00000011 ;nastaveni ADC na Vcc ref, ADC3 in
out ADMUX,r16
sbi ADCSRA,ADSC ;start ADC
rjmp spat
kanal:
clr r16 ;nastaveni ADC na Vcc ref, ADC0 in
out ADMUX,r16
sbi ADCSRA,ADSC ;start ADC
spat:
sei
sleep
_________________________________________________________________________________
sinová tabulka:
.db 0x80,0x83,0x86,0x89,0x8c,0x8f,0x92,0x95,0x98,0x9c,0x9f,0xa2,0xa5,0xa8,0xab,0xae
.db 0xb0,0xb3,0xb6,0xb9,0xbc,0xbf,0xc1,0xc4,0xc7,0xc9,0xcc,0xce,0xd1,0xd3,0xd5,0xd8
.db 0xda,0xdc,0xde,0xe0,0xe2,0xe4,0xe6,0xe8,0xea,0xec,0xed,0xef,0xf0,0xf2,0xf3,0xf5
.db 0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfc,0xfd,0xfe,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff
.db 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfe,0xfd,0xfc,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7
.db 0xf6,0xf5,0xf3,0xf2,0xf0,0xef,0xed,0xec,0xea,0xe8,0xe6,0xe4,0xe2,0xe0,0xde,0xdc
.db 0xda,0xd8,0xd5,0xd3,0xd1,0xce,0xcc,0xc9,0xc7,0xc4,0xc1,0xbf,0xbc,0xb9,0xb6,0xb3
.db 0xb0,0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0x98,0x95,0x92,0x8f,0x8c,0x89,0x86,0x83
.db 0x80,0x7c,0x79,0x76,0x73,0x70,0x6d,0x6a,0x67,0x63,0x60,0x5d,0x5a,0x57,0x54,0x51
.db 0x4f,0x4c,0x49,0x46,0x43,0x40,0x3e,0x3b,0x38,0x36,0x33,0x31,0x2e,0x2c,0x2a,0x27
.db 0x25,0x23,0x21,0x1f,0x1d,0x1b,0x19,0x17,0x15,0x13,0x12,0x10,0x0f,0x0d,0x0c,0x0a
.db 0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x03,0x02,0x01,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00
.db 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08
.db 0x09,0x0a,0x0c,0x0d,0x0f,0x10,0x12,0x13,0x15,0x17,0x19,0x1b,0x1d,0x1f,0x21,0x23
.db 0x25,0x27,0x2a,0x2c,0x2e,0x31,0x33,0x36,0x38,0x3b,0x3e,0x40,0x43,0x46,0x49,0x4c
.db 0x4f,0x51,0x54,0x57,0x5a,0x5d,0x60,0x63,0x67,0x6a,0x6d,0x70,0x73,0x76,0x79,0x7c

čtvrtek 14. června 2018

Měnič 12/230V s diagonální SPWM modulací

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.

Úvod
Návrh začal tak, že se mi do ruky dostal klasický malý měnič 12/230V s obdelníkovým řízením z 90. let označovaný za velmi spolehlivou a ověřenou konstrukci. Ta věc bere naprázdno jen 75mA a z toho 35mA bere řídící SG3525. A to přestože je postavená z dobových součástek s deskou roztahanou stylem jak to zrovna vyšlo a s tranzistory střídače na dlouhých drátech.
Zlobilo mě, že dneska nemůžu postavit sinusový měnič z moderních součástek, který by se byť řádově přiblížil spotřebou naprázdno. Jedná se především o spínací ztráty. Rozdíl mezi přepínáním dvakrát za periodu 50Hz a 20kHz sinusovou PWM modulací se zdánlivě nedal obejít.
Dalším problémem byla zkratuvzdornost. Střídač musí být schopen se vypořádat s připojením zátěže stylu spínaného zdroje bez softstartovacího odporu.

Popis funkce
Uspokojivým řešením zkratuvzdornosti byly až teprve drivery s desaturační ochranou každého jednotlivého tranzistoru, které zajistí jeho vypnutí při pokusu o sepnutí do zkratu během 1us od sepnutí a pokus opakují až další spínací periodu. Tím se výrazně omezí střída, ale měnič dál jede stanovenou dobu jednotek vteřin, než se trvale vypne. Tím je umožněn právě start zátěží, co odebírají při zapnutí proudovou špičku a není možné, aby pokaždé měnič úplně vypadl.
Jednou z možností, jak radikálně snížit spínací ztráty střídače je diagonální unipolární modulace. PWM modulací spínáme tak vždy pouze dva tranzistory v jedné diagonále po dobu jedné půlperiody sinusového signálu, v druhé půlvlně spínáme pouze opačnou diagonálu.
Takto řízený měnič neumí dodávat jalový výkon.
Pokud je zátěž kapacitní, průběh na výstupu je obdélníkový, protože kondenzátor se nabije na plné napětí a měnič ho nedokáže na snížit, ale pouze v následující půlperiodě opět přebít na opačnou polaritu.
V případě induktivní zátěže dochází k tomu, že indukčnost zátěže drží proud a při vypnutí tranzistorů střídače ho tlačí zpětnými diodami zpět do kondenzátoru meziobvodu. Najednou nespínáme PWM mezi nulou a napětím meziobvodu např. +350V ale mezi -350V a +350V. Pro čistě induktivní zátěž by tedy měnič nedodával žádný činný výkon a střední hodnota napětí na výstupu by byla nula.
Nicméně za tuhle cenu máme měnič, který má naprázdno spínací ztráty starého obdelníkového měniče, ale jakmile připojíme zátěž, nenutí jí tvrdý obdelníkový průběh napětí.
Při spínání konstantní hloubkou modulace tedy efektivní hodnota napětí výstupu závisí na charakteru zátěže. Pokud je vykompenzováno, napětí je správné. Kapacitní zátěž napětí zvyšuje, induktivní snižuje.
Řešením je zapojit na výstup baterii svitkových kondenzátorů tako velkou, aby dodala potřebný maximální jalový výkon očekávané zátěže a v případě, kdy není potřeba, tak regulovat na žádanou efektivní hodnotu napětí.

Popis zapojení
Zde navržené zapojení malého měniče 12/230V je řízeno obvodem TDS2285, což je SPWM modulátor pro obsluhu střídače se zpětnou vazbou napětí, měřením napětí baterie a pomocným výstupem na odpojení DC/DC měniče. K dostání na aliexpressu jako THT obdoba EG8010. Pokud se pro DC/DC měnič použije SG3525 není potřeba žádný další řídící obvod.
Vstup Vbat obsahuje hysterezi, spíná při napětí větším než 1,1V, vypíná při menším než 0,9V, vypne dále při napětí nad 1,35V.
Vstup VAC, zpětná vazba napětí výstupu střídače má referenci 2,5V, regulátor je pomalý a pouze v malém rozsahu hloubky modulace.
Vstup SD je pouze logický, při log.0 se obvod vypne a zapne až po restartu napájení.
Pomocný výstup DCC má log.1 při vypnuté SPWM.
Výstupy SPWM_P a N poskytují vzájemně fázově posunutý sinus 50Hz modulovaný 20kHz. Vždy spíná pouze jeden, druhý je vypnutý a v druhé půlvlně opačně. Výstupy jsou zamýšleny pro přivedení do jednotlivých polomostů na horní tranzistor přímo, na dolní invertovaně.
Jako drivery střídače jsem zvolil starší IR2125, což je horní driver v zapojení s desaturační ochranou. Existuje ještě verze IR2121 jako dolní driver, anebo IR2127 jako horní driver ovšem s menším výstupním proudem. Všechny tři pinově kompatibilní. U IR2127 možno vynechat 1n kapacity od pinu 3, které u IR2125 slouží k zablokování falešných pulzů, které shazují driver jen kvůli velkému du/dt. IR2121 se pochopitelně dají použít pouze na místě IC5 a IC7.

Schema
 (Pro plné rozlišení nutno stáhnout)
Řešení
Deska je navržena pro běžné transformátorky ze starších AT a ATX zdrojů, na stejné kostře je i tlumivka, potřebnou mezeru zajistí oddálení druhé poloviny jádra o cca 0,32mm. Trafo má primární vinutí bifilárně 6z. každé vinutí dvojicí vodičů průměru 1mm, sekundárních 170z. se vešlo pouze 0,4mm, lépe použít vyšší kostru, stejného rozložení nohou, kam se vejde víc mědi a vinout primár 1,5mm a sekundár 0,5mm.
Tlumivka má na sobě dvě izolované sekce po 112 závitech průměrem 0,5mm. vinout prostě tak, aby vinutí vyšlo na celé vrstvy a druhá sekce měla přesně stejný počet závitů. Potřebná indukčnost cca 2,5mH.
Napětí meziobvodu je při tomto nastavení děliče R4,6,10 cca 360V. Cílem není držet ho konstantní, ale držet střídu blízkou 50% protože DC/DC měnič bez výstupní tlumivky neumí regulovat v zátěži, pouze naprázdno. (Zaregulování na nízkou střídu v zátěži topí tranzistory, tlumivka to sice řeší ale přidá problémy s přepětím na diodách usměrňovače, které nejde snadno odstranit)
Zapojení je očesáno na naprosté minimum součástek, co lze. Deska navržena s propojkami pouze na signálových spojích s možností osazení nulových odporů, tedy bez propojek.
Zpětná vazba získána usměrněním výstupů proti zemi není korektní, přičítá se k ní polovina napětí meziobvodu. měnič se tedy chová jako s kladnou vazbou, při poklesu napětí meziobvodu mírně vzroste napětí výstupu. To ale vyřeší snížení zesílení regulátoru.
Vypnutí při vybavení ochran je řešeno tak, že když zmizí napětí výstupu, začne se nabíjet C19 a až se nabije, log.1 na pinu SD shodí řízení a vypne i DC/DC měnič až do restartu napájení.
Dělič na Vbat hlídá napětí baterie 12V.
LED signalizuje chod (svítí) a poruchu (bliká různě dle příčinny viz datasheet)

Použití
Měnič je zamýšlen pro použití na světelný okruh napájený ze solárů, kde by trvale běžel s napětím na výstupu při minimálním příkonu z baterií připraven napájet např. síťové LED žárovky. Ověřeno s dvěma typy s měničem i bez měniče.

Poznámky
TDS2285 je zřejmě předprogramovaný, přeznačený MCU, pinout sedí např. na ATTINY44-20PU, dala by se tam bez jakýchkoli úprav osadit a napsat vlastní SW, což asi udělám. Při zachování jednoduché THT konstrukce bude možno měnič uřídit ve větším rozsahu než dovoluje SW v TDS2285, který má omezený rozsah hloubky modulace.

Foto
 Kompletní jednodesková konstrukce

TDS2285 je zřejmě přetřený a přetypovaný MCU, nicméně s bezproblému fungujícím SW
Deska ze strany spojů, rozměr 124 x 120 mm
Osazovací plán, chladič vyjde s žebrováním celkové hloubky 10mm, ale stačí plech/úhelník, diody na dlouhé nohy kvůli chlazení.
Video

Edit:
Upraven návrh desky pro připojení programovacích pinů MCU.
48V verze ve stavu navržené desky.

Reference:
TDS2285 datasheet
IR2125 datasheet
SG3525 datasheet
Infineon AN-1014