Spínaný napájecí zdroj ze součástek Tesla

Cílem bylo postavit zdroj s výstupem 7V 10A, který spolu s armádou "LDO" MA7805 poslouží k napájení velkého množství neúsporné TTL logiky.

Celkový pohled na první prototyp je na Obr.1:

Obr.1: Celkový pohled na zdroj

Zdroj je realizován na dvou DPS. Deska výkonových součástek je provedena metodou "prasobastl-dělicích čar". Řídicí deska je univerzární DPS s pájecími body, propojená dráty a hromadami olovnatého cínu. V pravém horním rohu výkonové desky jsou svorky pro připojení síťového napětí. Přívod je třížilový, PE vodič je spojen se sekundární zemí. Za svorkami následuje pojistka a transformátor s napětím 15V pro napájení řídící desky. Dále odrušovací filtr a sběrný kondenzátor napěťového meziobvodu (bulk) Tesla TC505 - 220uF/385V, obojí pocházející z televizoru. Můstkový usměrňovač je složen z diod "žlutá, šedá" (typové označení po nevelké snaze nenalezeno) se změřeným závěrným napětím větším než 1100V.

Zdroj používá koncepci propustného měniče se dvěma spínači - jsou použity MOSFETy Tesla KUN40 a diody KY197 (papírově 200V, reálně >1100V :-)) MOSFETy jsou namontovány na chladiči opět z televizoru, a díky Rds(on) 1 Ohm se i při plném výkonu ani neohřejí.

Bylo zvoleno řízení ze sekundární strany zdroje, které nabízí větší bezpečnost při experimentování s řídicím obvodem a snad i lepší odezvu zdroje na změnu zátěže díky nepoužití (pomalého) optočlenu. Nutností jsou tedy pomocné transformátorky pro buzení gejtů a snímání proudu primárním vinutím, oba umístěné na pomocné DPS v těsné blízkosti MOSFETů.

Následuje výkonový transformátor, který je rozměry jádra hrubě předimenzován. Díky tomu dosahuje dostatečné primární indukčnosti 12.4 mH i přes neochotu konstruktéra motat na primár více než 50 závitů. Využití okna je pouze asi 25%, což dovoluje přidávat pomocná vinutí i při běžícím zdroji (jen by si při tom člověk neměl sáhnout na pouzdro primárního bulk kondenzátoru). K jádru nebyla k dispozici kostřička. Byla tedy vyrobena vlastní, ze čtyř kousků cuprextitu, složící zároveň jako planární sekundární vinutí. B-)

Obr.2: Planární sekundární vinutí, Obr.3: Primární vinutí

Obr.2: Planární sekundární vinutí Obr.3: Primární vinutí

K usměrnění výstupního napětí jsou použity diody Tesla KYW31/150 ve vojenském provedení. Ke každé diodě byl přidán tlumicí RC článek (snubber) s hodnotami od oka 20R a 2n2. Katody diod jsou vodivě spojeny s chladičem (pro změnu z televizoru). Na chladiči je tedy +7V ještě před tlumivkou a tedy zkrat chladiče proti zemi by mohl mít nedozírné následky. Výstupní tlumivka má indukčnost asi 92uH a díky sotva dostatečné vzduchové mezeře se přesycuje už při proudu přibližně 11 až 12A. Jako výstupní filtrační kondenzátory jsou použity tři kusy Tesla TE672 - 4m7/6V. Původně pět těchto kondenzátorů filtrovalo výstup zdroje ZPA Košíře 5V/60A. Pozornému čtenáři jistě neuniklo, že uvedené výstupní napětí je 7V. Provozovat kondenzátory na jmenovitém napětí je příliš mainstreamové, a nic vhodnějšího (s vyjímkou Frolytu 100mF/10V velkého asi jako běžný hrnek) po ruce nebylo, takže opatrným několikahodinovým formováním bylo dosaženo svodového proudu pár desítek uA při napětí 8.5V. Parametry jako kapacita a ESR raději nebyly měřeny, jsou tedy TBD (to bude dobrý).

Řízení je svěřeno slavnému časovači NE555. Tento obvod nedávno oslavil 40 let své existence, dále v roce 2012 zemřel jeho vynálezce Hans R. Camenzind, a v neposlední řadě byl tento obvod vyráběn také Teslou Rožnov pod označením MAE555, což jsou již dobré důvody k použití ve spínaném zdroji.

Řídicí část je napájena z pomocného železného transformátoru napětím 15V stabilizovaným obvodem Tesla MA7815 v pouzdru TO220. Zapojení přibližně odpovídá Obr.4.

Obr.4: Schéma zapojení řídící části

Součástkami R2,R3,C1,D1 je nastavena pracovní frekvence 30kHz a střída 45%. Regulace střídy se provádí snižováním napětí na pinu 5 (Control) obvodu NE555. Jako reference pro výstupní napětí (ve schématu zenerova dioda D2) jsou použity 4ks LED diod Tesla. Při dosažení výstupního napětí asi 7.2V se otevírá tranzistor Q2 a stahuje napětí na pinu 5 k zemi. Podobným způsobem funguje i nadproudová ochrana, nastavitelná trimrem. Na desce je připraven, ale zatím nezapojen, tyristor KT506, který spolu s kondenzátorem C19 bude sloužit pro časování blokování zdroje při zkratu na výstupu. Výstup NE555 je posílen "totem-pole" tranzistory a přiveden do Gate Drive Transformátorku. Zbylé smetí okolo slouží pro soft-start.

Při snižování střídy změnou napětí na pinu 5 se mění i spínací kmitočet, závislost ukazuje Obr.5:

Obr.5: Charakteristika Control pinu NE555

V určitém rozsahu dochází ke zvyšování frekvence při snižování střídy, tedy jakýsi "anti-foldback", který bude mírně snižovat účinnost, ale to nevadí. Dále je zřejmé že při napětí blízkém nule dojde k úplnému přerušení oscilací (skip mode). Díky zvlnění na primárním "bulk" kondenzátoru kompenzovanému zpětnou vazbou dojde k určitému kolísání spínací frekvence a rozprostření spektra (frequency jittering).

Měření

Vývoj a ověření součástí zdroje

Pomocné napájení, softstart

Ověření soft-startu, Obr.6: Průběh střídy po připojení napájení, Obr.7: Průběh spínací frekvence

Obr.6: Průběh střídy po připojení napájení Obr.7: Průběh spínací frekvence po připojení napájení

Maximální střídy je dosaženo po 50ms. Tyto obrázky zároveň demonstrují možnosti osciloskopu Tektronix DPO3014, vyrobeného soudruhy v Číně, s modulem Power Analysis.

Ověření pomocného napájecího zdroje a softstartu, Obr.8: Připojení síťového napětí, Obr.9: Odpojení síťového napětí.

Obr.8: Připojení síťového napětí Obr.9: Odpojení síťového napětí

Připojení sond: 1 : DRV výstup NE555 - pin 3, 2 : kondenzátor 22uF před stabilizátorem, 3 : pin 5 - Control, 4 : výstup stabilizátoru MA7815.

Po připojení síťového napětí následuje prodleva asi 700ms, která je dostatečně dlouhá pro nabití primárního "bulk" kondenzátoru i stabilizaci pomocného napájení. Úbytek napětí na stabilizátoru je při 230V poměrně blízko požadovanému minimu 2V. Při vypntutí dochází k poklesu pomocného napětí a tedy není zajištěno dokonalé buzení MOSFETů. Bude tedy doplněn obvod který zamezí spínání při napájení menším než cca 10V (UVLO). Přes poměrně dlouhou dobu doběhu, bylo zjištěno, že na primárním kondenzátoru zůstane napětí více než 250V.

Obvod buzení gejtů

Při návrhu bylo postupováno podle prezentace od ON Semiconductor TND379-D.PDF, Half-Bridge Drivers, A Transformer or an All-Silicon Drive? Postupně bylo vyzkoušeno několik zapojení.

Obr.10: Vývoj obvodu GDT

Obr.10: Vývoj obvodu GDT

Připojení sond: 1 : DRV výstup, 4 : proud primárním vinutím GDT.
2 : gate s nejjednodušším zapojením (str. 21 uvedené prezentace), výstupní napětí je závislé na střídě, při 45% je patrný pokles až na cca 6V, což je již příliš blízko prahovému napětí MOSFETu, které je u typu KUN40 uvedeno jako rozmezí 2-5V.
3 : gate se zapojením pro obnovení DC složky (str. 22), na konci doby vypnutí dochází k podivnému vzrůstu napětí až na 2.5V, což je již v oblasti prahového napětí. Nepomohlo ani výrazné zvětšení kapacit oddělovacích kondenzátorů, může být příčinou příliš malá indučknost GDT asi 630uH..?
Řešením bylo až kompletní zapojení (str.24), s použitím antisériové kombinace zenerových diod 16V a 3V9. Průběhy napětí jsou na Obr.11. Napětí na Gejtech nikdy neklesne pod 10V. Díky trifilárnímu vinutí GDT mají oba MOSFETy přesně stejnou dobu otevření.

Obr.11: Finální průběhy GDT

Obr.11: Finální průběhy GDT

Obr.12 zachycuje významný historický milník, 22.ledna krátce před půlnocí došlo k prvnímu přenosu energie mezi primární a sekundární stranou. Na "bulk" kondenzátor bylo přivedeno napětí cca 65V z laboratorního zdroje.

Obr.12: Poprvé měničem

Prezentace a měření 28.1.

Zdroj byl 28.ledna prezentován kolegovi, který 29. končil (stihnout prezentaci byla taky výrazná motivace ke zprovoznění). Při této příležitosti proběhlo i nějaké orientační měření. K napájení posloužil AC zdroj Agilent 6813B s nastaveným napětím 230V 50Hz a proudovým omezením 3A. Zátěž tvořil Agilent 6060B. Osciloskop Tektronix řady DPO5000.
Připojení sond: 1 : DRV výstup, 2 : Výstupní napětí (AC vazba), 3 : pin 5 - Control, 4 : výstup proudového snímacího transformátoru.

Ustálený stav

Obr.13: Zdroj bez zátěže, Obr.14: Při zátěži 1A

Obr.13: Zdroj bez zátěže Obr.14: Při zátěži 1A

Bez zátěže je spínací kmitočet asi 6.5kHz, zdroj tedy akusticky upozorňuje na trestuhodnou nevyužitost. Měření na oscilogramu bohužel neodpovídá zřejmě kvůli zapnutému gatingu. Při zátěži 1A zdroj pracuje na nejvyšší frekvenci 45kHz.
Při zátěži 10A zdroj pracuje s kmitočtem asi 38kHz a střídou asi 30%. Zůstává tedy dostatečná rezerva pro pokles vstupního napětí. Při dřívějších testech se stejnosměrným zdrojem napětí na "bulk" kondenzátoru bylo zjištěno, že zdroj dokáže udržet napětí 7V a proud 10A už od 200Vdc. Nejvyšší zkoušené vstupní napětí bylo 350Vdc.

Odezva na skokovou změnu zátěže

Dále byla zkoušena odezva na skokovou změnu zátěže mezi 1A a 10A s frekvencí 20Hz. Pokles při zátěži i překmit při odlečení je pouze 100mV.

Obr.15: Při zátěži 10A, Obr.16: Skoková odezva 1A-10A-1A

Obr.13: Zdroj bez zátěže Obr.14: Při zátěži 1A

Obr.17: Detail odezvy na skokové odlehčení z 10A na 1A

Obr.17: Detail odezvy na skokové odlehčení z 10A na 1A

Bližší pohled už bohužel tak skvěle nevypadá... Nejprve detail skokové změny - odlehčení za 10A na 1A. Po odlehčení dojde k překmitu výstupního napětí asi o 100mV, obvod zpětné vazby přizemní Control pin a zdroj přestane spínat. Následně dojde k ustálení. Nyní detaily skokového zvýšení zátěže z 1A na 10A.

Obr.18: Detail odezvy na skokové zvýšení zátěže z 1A na 10A, Obr.19: Bližší detail přesycení výstupní tlumivky

Obr.18: Detail odezvy na skokové zvýšení zátěže z 1A na 10A Obr.19: Bližší detail přesycení výstupní tlumivky

Po zvýšení zátěže dojde k poklesu výstupního napětí o asi 100mV a během dvou spínacích cyklů se nastaví plný výkon - Control na 10V. Po několika cyklech dojde k přesycení výstupní tlumivky, proud prudce narůstá, a dochází k překmitu výstupního napětí o 200mV. Následně reaguje zpětná vazba přizemněním Control pinu. Dále jsou patrné krátkodobé subharmonické oscilace řídícího napětí, až následně dojde k ustálení. Dalo by se přesycení tlumivky využít jako výhoda? Viz dále...

Zkrat na výstupu
Zlatým hřebem prezentace bylo vyhecování kolegy (Romana) ke zkratové zkoušce pomocí šroubováku. Létaly jiskry, ale zdroj přežil a lze ho tedy považovat za blbuvzdorný :-) Protizkratová ochrana omezuje proud asi na 12-13A. Příkon při zkratu na výstupu je asi 25 až 30W, půjde určitě snížit zapojením "latchovacího" tyristoru a zdroj pak vydrží trvalý zkrat na výstupu.

Orientační měření účinnosti
Vstup: 230V, 50Hz, 88.8W.
Výstup: 7.159V, 10.03A = 71.8W
Výsledná účinnost je 80.9%, zdroj se tedy bude moci pravděpodobně pyšnit vedle samolepky RoHS IGNORANT i označením 80PLUS :-)
AC zdroj Agilent dále indikoval PowerFactor pouze 0.487, CrestFactor 3.71 a špičkový proud 2.91A. To naznačuje že primární "bulk" kondenzátor má zbytečně velkou kapacitu. Bude vyzkoušeno vyměnit stávající Tesla TC505 - 220uF/385V za typ TE682 - 100uF/350V. Tím by se měl zlepšit PF, zvýraznit modulace spínací frekvence, a také mírně zlepšit účinnost.

Další plány a.k.a. TODO

  • Menší bulk kondenzátor - žádné záludnosti nejsou očekávány
  • Obvod UVLO chránící před zničením MOSFET tranzistorů příliš nízkým budicím napětím.
  • Nová koncepce řízení - stejná jako u současného step-down měniče u Beer Counteru. Jeden komparátor, a dokud není výstupní napětí větší než referenční, tranzistory jsou sepnuté. Čím rychleji se přesytí tlumivka, tím rychleji se dosáhne požadovaného napětí na výstupu. Bohužel transformátor má konečnou primární indukčnost, takže se bude muset hlídat proud primárem.
    Výhody: RAPIDNÍ odezva na skokovou změnu zátěže.
    Nevýhody: Spínací kmitočet úměrný zátěži, závislý na nastavené hysterezi komparátoru, tlumivce, kapacitě a ESR výstupních kondenzátorů,... Dále nepotřebnost NE555, ...???
  • Nový transformátor - měl by mít menší rozměry, stávající E65 by si zasloužil použití v něčem výkonnějším, např. svářečce.
  • Nová výstupní tlumivka pro výstupní proud větší než 10A, bude-li požadován.
  • Digitální řízení s procesorem dsPIC33FJ16GS502 STM32F334 - tento procesor nabízí mocné periferie určené pro spínané zdroje.
  • Závěr

    Měření se mi líbilo, nikdo nebyl zraněn. Podařilo se realizovat funkční prototyp, který dokazuje, že i s kontrolérem NE555 a archaickými součástkami z někdejší RVHP lze zkonstruovat spínaný zdroj dobrých parametrů.


    Další projekty: Digitronové hodiny