Princípy činnosti AVR v laboratóriu LEIPZIG v laboratóriu
Na napájanie napájacej jednotky je potrebný spínaný napájací zdroj s najmenej 36 V/3 A. Výhodou spínaného napájacieho zdroja je vyššia účinnosť a z toho vyplývajúce nižšie odpadové teplo a nižšia hmotnosť.
Na výstupe je bohužiaľ cítiť spínacia frekvencia spínaného zdroja. Odporúčam preto konvenčný transformátor.
s transformátorom
To znamená, že môj transformátor má výstupné napätie 30 voltov a 2 ampéry. Dôvodom je činiteľ straty výkonu približne 1,8, ktorý sa musí vypočítať pre transformátor.
Vzorec:
S mojim 100VA transformátorom to robí iba efektívnych 55,5VA. S transformátorom 180VA by bolo možné aj 2x 15V 30V/3A.
Graetzov most so Siebelkos:
(klikni na zväčšenie)
8000µF funguje, iba ak má transformátor stále dostatočne veľkú rezervu výkonu. Pretože môj transformátor je dosť poddimenzovaný, musel som poskytnúť 15 000µF.
Riadiaca jednotka napájania
Za napájanie riadiacej a digitálnej časti je zodpovedný 9V transformátor s vedením podľa [3]. Neregulované napájanie OPV nepredstavuje žiadne problémy, pretože +/- 12V slúži iba na napájanie OPV.
Dodatok: Pretože napätie na voľnom obvode malého transformátora je príliš vysoké, nainštaloval som na výstup pre symetrické napájanie 2 Z-diódy 10 V so sériovými rezistormi.
(klikni na zväčšenie)
Použitie prevodníka DC/DC zlyhalo z dôvodu vysokej úrovne rušenia výstupu 5V testovaného prevodníka. Na osciloskope boli krátke hroty so základnou záťažou 10mA. Je potrebné sa obávať, že tieto poruchy ovplyvnia reguláciu a výstupné napätie.
Dodatočné napájanie
Okrem regulovateľného zdroja napätia by mali existovať aj ďalšie zdroje napätia. Zvyčajne potrebujete 5 V pre digitálne obvody, ako je mikrokontrolér AVR, a pre napájanie OPV zvyčajne +/- 12 V. Na to sa potom môžu použiť zdroje pevného napätia. Pre 5Volt používam spínaný zdroj 7,5V, ktorý je navrhnutý ako zásuvný zdroj. Na +/- 12Volt používam plochý transformátor 230V/2x15V. Na reguláciu sa používajú klasické sériové regulátory. Prispievajú tiež k účinnému potlačeniu rušenia.
(klikni na zväčšenie)
Nadprúdová ochrana
Vlastne som chcel chrániť ďalšie zdroje napájania poistkami. Netuším, čo sa na mne viezlo. Pri spätnom pohľade sa ukazuje, že je to zlý plán. Iba by som menil poistku. Poistky navyše často reagujú trochu pomaly, dokonca aj pohotovo. Takže som vyvinul a použil elektronické vypínanie nadprúdu pre ďalšie zdroje.
Obvod pracuje iba s napájacím napätím +/- 15 V pre OPV. Dôvodom je rozsah spoločného režimu použitého OPV. TL084 alebo TL082 môžu spracovávať vstupný signál až do kladného napájacieho napätia, ale nie vstupný signál, ktorý siaha až po záporné napájacie napätie. Ako riešenie sú OPV prevádzkované s napájacím napätím vyšším o 3 V.
Princíp nadprúdovej ochrany napájania + 12V
(klikni na zväčšenie)
Za lineárnym regulátorom pre 12 voltov je odbočka 0,5 ohmu. Pokles napätia na tomto rezistore je úmerný prúdu, ktorý preteká.
Vzorec:
Toto napätie je zosilnené diferenciálnym zosilňovačom a potom napájané do komparátora. Spínací prah alebo medzný prúd sa nastavuje pomocou potenciometra na komparátore. Následný klopný obvod prevezme vypnutie aj v prípade nadprúdového impulzu. Resetuje sa vypnutím a opätovným zapnutím laboratórneho napájacieho zdroja. To znamená, že napájací zdroj musí byť v prípade poruchy vedome vypnutý a znovu zapnutý. Samotné vypnutie sa vykonáva pomocou P-kanálového MOSFETu.
Princíp nadprúdovej ochrany napájania -12V
(klikni na zväčšenie)
Obvod je totožný s obvodom pre + 12V, rozdiel je však v tom, že záporné napájanie je vypnuté. Bodom záujmu je skutočnosť, že GND má v skutočnosti pozitívnejší potenciál v porovnaní s -12 V. Aby bolo možné bezpečne vypnúť MOSFET, je potrebné riadiace napätie na rovnaký negatívny potenciál -12V. Na výstup klopného obvodu môže byť vydaný iba GND alebo + 12Volt, čo je potenciálne ešte väčšie množstvo ako GND. Trik je tu Zenerova dióda. Každá Zenerova dióda má prielom v 3. kvadrante svojej charakteristiky. Toto som využil. Anóda je na bráne mosfetu a je udržiavaná na negatívnom potenciáli prostredníctvom odporu R20. To znamená, že Zenerova dióda vedie, keď je na jej katódu pripojených 12 voltov, a keď je použitých 0 voltov, má vysoký odpor. To naopak znamená, že ak klopný obvod má na výstupe 0 voltov, blokuje mosfet s N-kanálom a pri +12 V na výstupe s klopným obvodom sa mosfet prepne.
Obidva kombinované obvody potom vedú k finálnej nadprúdovej ochrane pre +/- 12 voltov. +/- 15Volt sa generuje z neregulovaného napätia pomocou Zenerových diód.
(klikni na zväčšenie)
Namiesto TL084 je možné použiť iný 4-smerový OPV. OPV musí vydržať iba napájacie napätie 30 V (TL074, LM324 ...).
Nadprúdová ochrana + 5V
(klikni na zväčšenie)
Pri 5Volte som zvolil rovnaký obvod ako pri + 12V. Ako bočník sa použije kus drôtu s prierezom 0,5 mm2 a dĺžkou 15 cm, ktorý je potom približne 0,015 Ohmu. Prúd sa meria ako meranie na nízkej strane. To uľahčuje výber OPV. Inak je princíp rovnaký ako pri monitorovaní +/- 12 voltov. Je dôležité tu použiť logickú úroveň Mosfet, inak sa Mosfet neprepne úplne pri + 5V a vnútorný odpor je príliš vysoký.
Ak chcete použiť iný OPV, musíte venovať pozornosť oblasti spoločného režimu OPV. To musí fungovať so vstupným signálom až do GND. Napríklad TL082 to nedokáže. Najlepšou voľbou je OPV vstup Rail-to-Rail. Zástupcom by bol model MAX407.
Výkonová časť
Preberiem výkonnú časť od [4] a prispôsobím ju svojim potrebám.
Výpočet zisku:
tj. potrebujeme zisk 6, aby sme dosiahli minimálne 30V výstupné napätie s 5V riadiacim napätím.
Pretože sa ukázalo, že výkonový tranzistor je pre odvod tepla nepriaznivý, nainštaloval som 2 tranzistory BD245. Rezistor (paralelné pripojenie odporov 4 x 1 Ω = 0,25 Ω) v linke emitora je dôležitý na vyrovnanie rôznych rozpätí tranzistorov. V opačnom prípade to môže viesť k tomu, že jeden tranzistor bude viesť skôr ako druhý. To zvyšuje teplotu čipu, čo vedie k ďalšiemu zvyšovaniu prúdu až po zničenie tohto tranzistora. Proti tomu pôsobí odpor žiariča. Pre ešte lepšie rozdelenie straty energie môžete tiež paralelne zapojiť ďalšie tranzistory, nesmiete však zabudnúť na odpor emitora.
Na riadenie výstupných parametrov je tiež potrebný merací obvod. Na rozdiel od [3] sa prúd k zemi meria s bočníkom 0,5Ω (10x 4,7Ω paralelne) alebo 0,1Ω (10x 1Ω paralelne), čo je podstatne jednoduchšie ako meranie prúdu na vysokej strane. Používa sa tu diferenciálne meranie s OPV. Podľa [11] má táto lineárnejšia krivka merania v porovnaní s metódou merania z [2] .
Pokles napätia na bočníku:
Toto meranie prúdu má bohužiaľ vplyv na meranie napätia. Toto je kompenzované skutočným napätím pomocou odčítavača OPV. Tento obvod pochádza z Aplikačnej poznámky 450 od ATMEL. Na vyrovnanie kolísania napätia bočníkového rezistora pri prúdení prúdu nie je referenčný bod neinvertujúceho OPV uzemnený, ale bočníkové pripojenie. OPV teda funguje ako odčítač a ofsetové napätie bočníka už nemá žiadny vplyv na meranie a reguláciu.
Výpočet hodnôt:
Zosilnenie diferenciálneho zosilňovača:
Rozlíšenie LCD displeja hodnoty napätia:
Ovládacia časť analógová
Samotná regulácia prebieha pomocou 2 operačných zosilňovačov, ktoré majú na výstupe obvod OR s 2 diódami. Tento princíp je jasne viditeľný na [1]/strana 9. LT1014 sa potom použije v hotovom obvode, pretože má vstupný offset iba 150µV. Okrem potlačenia vibrácií majú obidva OPV externý kompenzačný systém frekvenčnej odozvy pozostávajúci z C3 a C4. Podrobné vysvetlenie nájdete v časti [7]. Shottkyho dióda v antiparalelnom zapojení s výstupným elektrolytickým kondenzátorom (10µF/100V) sa používa na rýchle zníženie napätia kondenzátora, keď sa zníži výstupné napätie. Plánuje sa tiež samostatný nadprúdový ochranný obvod proti nesprávnej polarite, napríklad batérie na výstupe. Nastavené hodnoty pre riadenie nastavuje ATMEGA8 s 12-bitovým DA prevodníkom napätia a prúdu.
Schéma zapojenia, ktorá je tu zobrazená, nie je úplná a slúži iba na pochopenie. Kompletnú schému zapojenia nájdete v časti: Dosky: Doska radiča
(klikni na zväčšenie)
Pre skúšku som skúšobne nastavil obvod na nepájivej doske (bez diferenciálneho merania a kompenzácie) a úspešne ho uviedol do prevádzky napriek divokému nastaveniu.
Oneskorenie napájania
Náhodou som si všimol, že pri zapnutí napájania dôjde k špičke vysokého napätia. Dôvodom bude to, že + 5Volt je pravdepodobnejší ako +/- 10V napájanie OPV.
Aby sa tomu zabránilo, bolo pridané oneskorenie pri zapnutí. Tento obvod je možné dodatočne namontovať aj na existujúcu dosku s obvodmi.
Toto otočí tranzistor Q2 na 0,5 s. po zapnutí udržiavaná na zemi a nedôjde k špičke napätia.
Monitorovanie teploty
Z dôvodu bezpečnosti sa monitoruje teplota chladiča výkonovej jednotky. To sa deje pomocou bimetalového spínača. V mojej krabici s remeselníkmi bol malý bimetalový spínač s názvom „PEPI NR“. Prepína sa pri 60 ° C. Conrad má podobné bimetalové spínače. Ak sa tieto otvoria pri medznej teplote, prepínač sa umiestni medzi odpor 1 KΩ a zem. Rezistor 10kΩ je umiestnený vo vedení + 5V. NPN tranzistor Q5 prepne v prípade alarmu riadiace napätie tranzistora Q2 na zem. Ďalšia linka smeruje k ovládaču.
(Pre obvod pozri "Analógové riadenie")
Ďalšou možnosťou je použiť ako snímač diódu alebo tranzistor.
Potenciometer sa používa na nastavenie teploty, pri ktorej by sa mala napájacia jednotka napájacieho zdroja vypnúť.
Ochrana pred preťažením a opačnou polaritou
Napájací zdroj je schopný transformátorom nepretržite zaťažovať až 30 V/3 A. Napájací zdroj musí byť chránený pred nesprávnou polaritou alebo externým napájaním cez výstupné zásuvky mimo tohto rozsahu.
Ostatné komponenty slúžia na kontrolné účely a nie sú zobrazené v plnom rozsahu.
Schéma zapojenia, ktorá je tu zobrazená, nie je úplná a slúži iba na pochopenie. Kompletnú schému zapojenia nájdete v časti: Dosky: Výstupná doska
(klikni na zväčšenie)
Ďalším variantom by nebolo použitie poistky, ale elektronickej poistky ako v 2. časti [10]. Tým sa ušetrí nepríjemná výmena poistky, musíte však akceptovať zvýšené náklady na komponenty. Najskôr predstavím druhý variant ako elektronickú poistku. Môžete prediskutovať nevyhnutnosť. Ako to funguje: Po zapnutí sa relé na rozdiel od originálu automaticky zdvihne. V prípade nesprávnej polarity alebo prietoku prúdu nad 3,5 A (nastaviteľný potenciometrom) relé vypadne a musí sa znovu aktivovať manuálne pomocou tlačidla. Zvyšok je podobný tomu, ktorý je opísaný v časti [10]/časť 2. Zamenil som iba vstupy OPV a kondenzátor sa nabíja až pri prekročení prúdu.
Obvod je Nie testované.
Zodpovedajúci obvod nájdete tu:
(klikni na zväčšenie)
Sám som sa rozhodol pre jednoduchú variantu, pretože záloha by v skutočnej prevádzke nikdy nemala reagovať. Jediným prípadom by bolo externé napätie so zlou polaritou.