Laboratorni zdroj z minuleho tydne

Středa Březen 10 16:54:52 CET 2010

Tom ma nejaky problem s postou (meni postovni server) , tak me poprosil o
preposlani do konference, tímto tak ciním.

PN

Nečetl jsem konferu od soboty, tak nevím zda  a kam se vyvinula myšlenka
nějakého toho zdroje čí Power Analyzatoru (dále PA) či co by to vůbec mělo
být. Při stahování mailů jsem zahlédl nějakou zmínku, že na to snad někdo
udělal/udělá web.  Nechme to stranou prostuduji večer, včerejší odpoledne
jsem věnoval částečnému ponoření se do problému. Přesněji jsem se snažil
rozvíjet myšlenku jednoho modulu. Říkal jsem si, že jednodušší a méně
kontraverzí bude modul elektronické zátěže, nevím jak co do kontraverze, ale
co do složitosti jsem se spletl : -).  

Pár bodu na úvod

.         Bude to dlouhé, pro zachování přehlednosti si dovolím psát s
diakritikou a v html.

.         Není to stavební návod, jen rozvedené myšlenky místy až do
obvodového řešení

.         Určitě v tom jsou chyby

.         Berte to jako náhled do problému

.         Tento text ve wordu a hlavně pdf s malůvkami
http://www.uloz.to/4228814/elektronicka-zatez.zip 

.         Doufám, že po přečtení všichni neodpadnou, já si neudělám ostudu a
najdou se lidi ochotni a schopni záměr dovést do konce.

.         Pokud přežiju můžu podobně nastřelit i zdroj ať je veselo :-)

Koncepce

Neřeším zde ovládání, zobrazování a napájení, zde se předpokládá, že
ovládání a zobrazování řeší  modul řízení PA třeba postavený na mini2440
(říkejme tomu pracovně modul ovládání MO). U napájení se předpokládá, že v
šásí je  500VA trafo a pro každý modul je k dispozici, +-15V , je na zvážení
zda i +5V nebo je toto odvozeno z +15 v modulu, pro zdroje pak příslušně
dimenzované napájení pro zdroj. Jsem skeptik ohledně spínaného řešení takové
věci, přesněji bez profíka v oblasti návrhu spínaných zdrojů je návrh
problematický a i s profíkem je dostupnost součástek horší. Pro představu
toroidní trafo 500VA 230/ 4x 30V 1A s vyvedeným středem, 4x5V 2A a 4x50V 10A
váží kolem 5kg a v kusovce u Tronicu stojí cca 1600Kč.

Modul komunikuje s MO po galvanicky oddělené I2C, viz dále. 

Modul elektronické zátěže

Parametry

Původní záměr bylo vzít manuál od profi zátěže (dále EZ), v nějakém tom high
tech provedení a v ceně ojetého auta a z této vyjít při definování
základních parametrů a funkčnosti.  Bohužel základní technické parametry se
popisují na 4 stranách a u řady z nich je i konstruktéři profi zátěže
odměřili až na hotovém stroji. Takže, parametry jsoudefinovány pouze ty
nejzákladnější.

.         Napětí 3 až 60V

.         Proud, dva rozsahy 0-6A a 0-60A (asi tak nějak :-) )

.         Výkon co se uchladí, řekl bych, že 300W je reálné, tranzistory
mají teoreticky 1,2kW

.         Vše ostatní je ve hvězdách, ale snažit se o maximální přesnost a
odolnost

Koncepce

1.       Modul digitálního řízení (DC) - zajišťuje komunikaci EZ s MO,
převody ADCa DA , ovládání a snímání v rámci EZ, koncepčně by měl být
užitelný i v modulech zdrojů.

2.       Modul analogového řízení (AC)- zajišťuje analogovou vazbu mezi
ostatními moduly uvnitř zátěže.

3.       Modul řízení výkonových tranzistorů dá se říci samotná zátěž +
měření proudu.

Převodníky ADC/DAC jsou 0-2,5V , z důvodů stability, opakovatelnosti atd. je
však veškeré ovládání a měření řešeno jako 0-10V systém. Řekl bych, že
tohoto je rozumné se držet i u ostatních modulů.

Dále to vezmu od zadu.

Modul řízení výkonových tranzistorů

Základní problémy

Jak to uchladit. Pokud se bavíme o 300W topení v podobě nějakého modulu do
krabice musí se chlazeni řešit jako ofukovaný tunel. Fischer takové chladiče
dodává, ale ceny dost drastické a neumožní řešit chlazení výkonových odporu
motaných z drátu. Viděl bych to na 2ks chladičů SK464 15cm mezi nimi
umístěné odpory, na hoře Al plech a profukovat ventilátorem.

Osazeny 4ks tranzistorů N-MOSFET IRFP260N tj. 200V, 40mOhm 50A s teoretickou
maximální výkonovou ztrátou 300W. Každý tranzistor má vlastní ovládací sekci
sestávajíc z řídícího chybového zesilovače, měřícího odporu a OZ v obvodu
měření proudu.

Měřící odpor.  Navinut z 1mm manganinového drátu, při tomto průměru vychází
délka na 91,4mm což se dá "nekalibrovat" šuplerou. Při teoretickém
maximálním proudu 15A/odpor vychází výkonové ztráta na odporu 11.2W => odpor
musí být aktivně chlazen. Na odporu vzniká při 15A napěťový úbytek 750mA.

Měřízí zesilovač  Je navrženo použití AD8674 tedy precizní nízkošumový OZ z
produkce AnalogDevices, Offset Votage je typicky 30uV, šum v oblasti
jednotek nV. OZ má nastaveno zesílení 3x, na výstupu bude 0 až 2,5V pro 0 až
16.6A. Výstup je přiveden přes R 10k na invertující vstup řídícího OZ , kde
se sečte s řídícím napětím ze sekce řízení Iprog [0 až -10V] , poměr odporu
10k vs 40k zajišťuje převod, kdy -10V Iprog odpovídá právě 2,5V tedy 16.6A .
Napětí je zároveň přes odpor 20k sečteno s výstupy ostatních tří  měřících
zesilovačů a celkově odpovídá 10V pro 4x 16.6A tedy 66A.

Řídící chybový zesilovač 

Řídí samotný výkopový tranzistor, tedy musí být použit OZ schopný uřídit
kapacitní zátěž cca 5000pF. Funguje tak, že na invertujícím vstupu sečte
kladné napětí 0 až +2,5V z měřícího OZ s napětím 0 až -10V z signalu Iprog,
poměr odporů zajistí sčítání v poměru 1:4  Vzhledem k skutečnosti, že měřený
proud z jednotlivých sekcí se sčítá nejsou zde extremní nároky na přesnost
odporů, jen je třeba zajistit pokud možno relativně rovnoměrné rozdělení
proudu jednotlivými T. Zbytek se doladí sw kalibrací respektive dotáhne OZ
měření proudu.

Měření napětí a proudu

Napětí na svorkách je měřeno pomocí rozdílového invertujícího OZ s zesílením
-1/6 tedy +60V na svorkách odpovídá -10V signál Umon. Zde je asi vhodné
použít 0,1% odpory

Proud je sečten z výstupů měřících zesilovačů a invertován v poměru 1:1,
tedy 66.4A svorkami odpovídá Imon-1 10V. Pomocí potenciometru lze mírně
korigovat vstupní napětí a provést základní hw kalibraci proudu.

Signály

.         Imon-   [-10V až 0V ] pro prod 66.4A až 0A

.         Umon-  [-10V až 0V ] pro napětí na svorkách 60V až 0V

.         IN+        napětí na Load+ svorce zdroje, využito v detekci
Overvoltage viz text

.         TurnON [+15V/-15V] aktuálně nevyužito, pro normální funkci zátěže
musí být  +15V při -15V nelze ovládat výkonové T vystup OZ se svede přes
diodu 

.         UnReg  opět aktuálně nevyužito, pokud by zde bylo +15V došlo by k
plnému otevření všech T a zátěž by fungovala jako neregulovaná tedy jako
vice měně ampérmetr.

.         Iprog     [+15 až -10V] hlavní řídící signál přes který je celá
zátěž řízena +15V respektive jakékoliv kladné napětí odpovídá vypnuté zátěži
respektive uzavřeným T, naopak -10V odpovídá T otevřeným tak aby zátěží
teklo 66A. Teoreticky lze přidat nějaký overkiller, který například při -12V
pustí 80A.

Modul analogového řízení 

Zde se vše točí okolo správného umíchání signálu Iprog a jeho udržení v
požadovaných mezích. Signál Iprog je bez zásahu nějaké z řídících částí
udržován na +15V pomocí R6. Jednotlivé řídící sekce jej pak přes diodu
tahají dolu, výjimkou je Over current sekce, kde to funguje jinak.

Sekce Constant Voltage 

Řídí zátěž v modu konstantního napětí.  Signál CVprog představuje požadované
napětí +10V odpovídá 60V tento je sečten se signálem Umon-1 (skutečným
napětím na svorkách), kde 60V  odpovídá -10V , tedy 0V na vstupu samotného
OZ. Druhý OZ již jen zajistí převod na diodu D2, přes kterou případně tahá
Iprog dolů. Základem přesnosti je poměr odporu v sčítacím děliči.

Sekce Constant Current

Řídí zátěž v modu konstantního proudu. Princip je stejný jako v předešlé
sekci, tedy CC Prog představuje požadovaný proud zátěží +10V odpovídá 66.4A
tento je sečten s Imon-1 (skutečný proud zátěží), kde 66,4A odpovídá -10V,
tedy 0 na vstupu OZ. Jde o nejdůležitější sekci tudíž je jednak nutné použít
kvalitní OZ a ve snaze zajistit vyšší rozlišení jsme se pokusil zavést dvě
pásma Low  0-6A a High 0-66A.  Přepínání zajišťuje S1 , v reálu nejspíš
nějaký analogový spínač něco jako ADG211. Pokud je S1 rozepnut tak poměr
odporu R10 R11 10:1 zajistí sečtení napětí v tomto poměru a rozsah je 0-10V
odpovídá 0-6.6A. Pokud se spínač sepne zapojí se do sumarizačního okruhu
ještě druhý OZ přes odpor R13 a zajistí převod v poměru cca 1:1.

 Sekce Over Voltage

Jde o hw ochranu zátěže proti přepětí na svorkách. Sestává z OZ , které měří
napětí na svorce Load+ (signál In+) , převedeného v poměru -1/6 tedy
60V=-10V. Proč se nepoužívá signál Vmon-1? Důvody jsou dva, použitý OZ je
rychlejší než ten v sekci měření napětí a hlavně OZ v sekci měření napětí je
navržen tak, aby případně šlo pomocí přidání jednoho relé měření napětí
přepnout na samostatné měřící svorky a eliminovat tak úbytek napětí na
přívodním vedení. Takto získaná informace o napětí je následně sečtena s
napětí +12V na vstupu OZ, což zajišťuje, že OZ začne tahat Iprog dolu ,tedy
otevírat zátěž a snižovat napětí na svorkách pokud napětí přesáhne cca 72V.
Tranzistory snesou až 200V, tak by to mohlo fungovat.

Sekce Over current.

Zatím není zcela dokončena. Tato sekce kontroluje samotný stav signálu
Iprog-1 a porovnává ho s signálem OC. OC by měl mít hodnotu -10V až 0V a
zatím nevím jak to pojmout. Maximální proud je funkcí napětí na svorkách,
při 50V na svorkách a 4*300W je teoretický max proud 24A a například  při
20V již těch 60A. Jedna z možností je signál generovat DAC, ale pak nejde o
100% hw ochranu a je to pomalé. Další možnost je odporově diodový "sumář",
který by zavedl nějaké tři zóny podle napětí na svorkách. V každém případě
OZ porovnává záporné OC s záporným Iprog a pokud je Iprog více záporný než
OC tahá Iprog přes tranzistor Q1 více nahoru a tím omezuje max proud.

Sekce external programing a On/OFF

Jsou pouze naznačeny, první by měl umožnit přivést externí signál 0-10V ,
třeba z generátoru a houpat zátěží podle tohoto signálu. Druhá by měla
umožnit zátěž spínat. , ostatní viz. závěr

Modul digitálního řízení

Tak to berte jako silně náznakový příklad řešení obecného modulu digitálního
řízení použitelný i v zdrojových modulech.

Komunikace s ovládacím modulem 

Na výběr jsou zhruba tři sériové sběrnice UART, SPI, I2C. Pokud uvažujeme
pro řízení celého s něčím jako mini2440 tak to sice má 3x UART, ale jednak
modulu muže být více až 4 a pak jeden UART je vyveden jako RS-232 nepovažuji
UART za vhodného kandidáta. SPI ,na SPI jsem posadil DAC tak proč si
komplikovat život, logickou volbou se mi zdálo I2C. Galvanické oddělení je v
návrhu svěřeno ADuM1250, stoji méně než 2$ a elegantně řeší celé galvanické
oddělení.

Viděl bych to na jednoduchou komunikaci master/slave, nic složitého příkazy
jako

SET module X current Y , SET module x Voltade Y , READ current, voltage,
temperature, případně Set module ALL OFF atd.

Digital to Analog 

V rámci jednoduchosti je použit čtyřnásobný Fully Accurate 16bit DAC  od
Analog Devices , jako každý velmi přesný obvod (INL<1LSB) není zcela zadarmo
cca 14$, nicméně je kompatibilní s celou řadou AD AD5666, která při 16bitech
stoji již cca polovinu, v obou řadách jsou k dispozici kompatibilní DAC s 14
respektive 12 bity a ty již stojí kolem 5$. Komplikaci by snad mohlo byt
TSOP pouzdro, ale mysli, že je zapájitelné pájkou na okapy. V každém případě
ať již AD5064 nebo AD5066 máme zde 4x 16bit DAS s setung time 8us, 125kSPS
respektive 95kSPS, napěťový vystup 0-Vref (2,5V) s SPI rozhraním, Power Down
swithem a buferem na výstupech.
http://www.analog.com/en/digital-to-analog-converters/da-converters/ad5064/p
roducts/product.html . DAC by se musel doplnit vhodným OZ, který by zajistil
převod 0-2,5V na 0-10V, pokud chceme zachovat přesnost nelze asi použít
úplné bláto, ale něco přesnějšího, ve své malůvce mám AD8674, v úvahu
přichází OP470 nebo ..

Procesor a ADC

 Volba procesoru je vždy dilema, u kterého zle prohádat celé roky. Pokud se
má jednat o přesnější analogovo digitální záležitost a nechceme vstupovat do
světa signálových procesorů přijde mi jako dobrá volba mikrořadiče od Analog
Devices.  AD je navrhla právě pro tento účel, procesorové jádro je Intel
8052 kompatibilní s 12MIPS , ale především ADuC845 obsahuje 8 kanálový  ADC
s rozlišením 24bitů , reálná přesnost někde kolem 17bitu, dále má 12bit DAC
a 2x 16bit PWM/Signa Delta DAC atd.
http://www.analog.com/en/analog-microcontrollers/analog-microcontrollers/adu
c845/products/product.html cenově 300-400Kč. ADC jsou opět 0-2,5V , v
zapojení EZ je tedy nutné Imon-1 i Umon-1 upravit OZ s zesílením -1/6. Pro
dosažení "absolutní" přesnosti je vhodné doplnit externí referenci , ale pro
EZ naprosto stačí ta interní.

Co se jinam nevešlo

Slew rate

V profi zátěžích je hw podpora pro , česky asi švinknutí zátěží , řeší to
tak, že třeba proud nastavují dva DAC  první výchozí hodnotu a druhý cílovou
pak se nastaví rychlost a strmost přeběhu, + rychlost opakovaní. Nevím, zda
to má cenu vůbec řešit, není to zrovna triviální a užitečnost pro běžné
smrtelníky ... V každém případě, koncepčně to možné je, ať již plně nebo jen
připojováním nějaké C které by roztáhla sw přepnutí DAC z hodnoty na
hodnotu. Toto je důvod, proč jsou Ext. Prog a On/Off sekce pouze naznačeny,
koncepčně patří do slew rate řízeni. Já bych řekl, že sw řešení stačí ,
ale..

Chalzení

Již jsem to naznačil, 2ks chladiče něco jako Fischer SK464 o kterém nedávno
šla řeč, dva 15cm kousky mezi nimi cca 15mm prostor na měřící odpory, z
vrchu zaplácnuto Al plechem a profukováno 80mm větrákem. Rth neofukovaného
chladiče je cca 1K/W, ofukovaného tak 0,33K/W. Pokud se nepletu tak při 25C
by mělo jít trvale udržet jeden chladič při 300W pod 100C. Plus máme při
studené zátěži a váze 15cm chladiče cca 720g AL můžeme při ohřátí o 50C do
hliníku uložit cca 32kJ tepla, tedy zhruba 30s ukládat teoretickou 1,2kW,
kterou dokáže dat sada tranzistorů. Až mi přijde plýtvání osazovat dva,
(cena jednoho je cca 300Kč), ale tunel je nutný. Je za zvážení za zátěž
neudělat dvojitou a na každý chladič dát vlastní čtveřici + celou analogovou
elektoniku, digitální řízení by uřídilo dvě. Bohužel zátěže by měly
společnou zem.

Cena

Zadarmo to není. Z drahých součástek je kromě MCU, DAC, třeba počítat tak
3ks dražších OZ, chladiče, tranzistory stoji cca 35Kč, to je o ničem, Měřící
odpory lze namotat z manganinu 1mm stoji tak 30-50Kč/m. Něco stoji  0,1% R,
ale ani to není nic vražedného.

Zajímavosti

Profi zátěže mají svůj programovací jazyk, který například umožňuje test
baterek a další. Například zadáme konečné napětí článku při které se má
ukončit vybíjení, počet článku, vybíjecí proud a parametry logování.
Výsledkem je vybitá baterka, log (graf) jak se vybíjelo atd.

Závěr

.         Musí se dodělat ovládání ventilátorů, měření teploty, indikace
funkce OC,OV do modulu digitálního řízení

.         Někdo to musí zkontrolovat a říci zda to celé není blbost a může
to fungovat.

.         Někdo musí přehodnotit použité OZ, jak co do vhodnosti jejich
použité na daném místě tak co do dostupnosti a ceny. TL074 je místy použit
jako zástupný, zkrátka jsem si nebyl jistý.

.         V profi zátěžích ještě bývá propracovaná hw ochrana proti
přetížení a přehřátí. Přehřátí asi není problém nechat na sw, u over power
si nejsem jist, ale její implementace by návrh opět znatelně zesložitěla. 

.         Na zvážení je zda má cenu umožnit použít měřící svorky?

.         Co doplnit, má cenu řešit Slew Rate?

.         Řešit zátěž jako jednoduchou nebo dvojitou, (dvě zátěže separátně
řízené jednou digitální sekci, společně zemněné)?

.         V neposlední řadě, není to vůbec celé hloupost?

Gratuluj všem co to dočetli až sem! 

Co tomu říkáte?

Tom

------------- další část ---------------
HTML příloha byla odstraněna...
URL: <http://list.hw.cz/pipermail/hw-list/attachments/20100310/e6e98723/attachment.htm>