Nábojová pumpa jako měnič 12/240V podruhé

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 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)