Chciałbym przedstawić projekt prostego elektronicznego autotransformatora. Projekt powstał ponieważ liczyłem że elektroniczny autotransformator będzie lżejszy i zastąpi tradycyjny, wykonany na żelaznym rdzeniu oraz będzie posiadał dodatkowe cechy, takie jak regulacja częstotliwości, zabezpieczenie nad-prądowe. Docelowo miał być wykorzystywany przy sprawdzaniu wyzwalaczy zanikowo-napięciowych w wyłącznikach mocy.
Schemat obwodu mocy i sterowania przedstawiono w załącznikach.
Obwód mocy jest podzielony na cztery części. Obwód wejściowy zbudowany z filtru przeciwzakłóceniowego, termistora ograniczającego prąd rozruchowy, mostka prostowniczego i kondensatora filtrującego wyprostowane napięcie sieciowe. Druga część to mostek H zbudowany z 4 tranzystorów sterowanych izolowanymi sterownikami tranzystorów MOSFET/IGBT, z których dwa pracują w układzie „bootstrap” i rezystora R10 służącego do pomiaru prądu obciążenia. Trzecia część to filtr dolnoprzepustowy LC zbudowany z elementów L1, L2, C6, C7, C9. Zadaniem filtru jest wygładzenie modulowanego przebiegu prostokątnego generowanego przez tranzystory i uzyskanie na jego wyjściu przebiegu sinusoidalnego. Czwarta część to nieizolowany zasilacz z popularnym układem z LNK304 w typowej konfiguracji z noty katalogowej.
Obwód sterowania wykonano tak, aby posiadał minimalną ilość elementów. Jest zasilany nieizolowanym napięciem 5 V z obwodu mocy. Z tego powodu należy zachować szczególną ostrożność gdyby ktoś chciał zbudować i uruchomić taki autotransformator. Do sterowania tranzystorami mocy wybrałem mikrokontroler Microchip dsPIC33FJ32MC102, ponieważ w czasie kiedy budowałem autotransformator był najtańszym mikrokontrolerem z serii, jak również z ciekawości co taki mikrokontroler z przedrostkiem dsPIC kryje pod „maską”. W załączniki załączam spakowany projekt wykonany w środowisku MPLABX 5.35 skompilowany w XC16 v1.5, z kodem źródłowym.
Mam nadzieję, że komuś się przyda, ponieważ mało jest literatury dostępnej w języku polskim na temat rodziny tych mikrokontrolerów.
Początkowo do płytki sterującej miał być podłączony wyświetlacz od telefonu Nokia aby wyświetlać położenie pokrętła, mierzyć czas zadziałania wyzwalacza o którym pisałem na początku. Jednak porzuciłem te dodatkowe funkcje, ponieważ pierwsze testy pokazały, że ten elektroniczny autotransformator nie spełnia moich oczekiwań i przegrywa z tradycyjnym autotransformatorem wykonanym na żelaznym rdzeniu.
To co mi się nie podoba w moim elektronicznym autotransformatorze to, że przy niskim napięciu wyjściowym około 24 V AC, występują widoczne tętnienia napięcia pochodzące od częstotliwości łączenia tranzystorów mocy około 18,5 kHz. Widać to na załączonym zdjęciu.
Druga wada to organicznie prądowe, które jest bardzo szybkie (w założeniu miały chronić wyzwalacze przed błędnym podłączeniem) i w przypadku badania moich wyzwalaczy, które mają duży prąd rozruchowy, powoduje zmniejszenie napięcia wyjściowego, w efekcie czego wyzwalacz nie zawsze chce zadziałać.
Oczywiście z tym wszystkim można sobie poradzić zwiększając dławik w filtrze – to jednak waga i koszt. Dodatkowo, aby obniżyć tętnienia przy niskim napięciu wyjściowym można na wejściu dołożyć przetwornicę typu buck, która obniży napięcie na kondensatorze filtrującym w obwodzie mocy. To wiąże się z dodaniem kolejnego dławika, diody, tranzystora, sterownika tranzystora, a w założeniach miał to być prosty autotransformator.
Pomimo że nie będę używał mojego elektronicznego autotransformatora napiszę co w nim działa.
Działa regulacja napięcia od 80 - 230 V i w tym zakresie tętnienia nie są bardzo widoczne. Napięcie to można obniżać jeszcze niżej, ale na oscyloskopie widzimy coraz grubszą wstęgę sinusoidy.
Działa regulacja częstotliwość w zakresie od 42 do 65Hz z rozdzielczością 0,1 Hz.
Działa zabezpieczanie nad prądowe.
Do regulacji napięcia i częstotliwości służą dwa potencjometry. Poniżej załączam przebiegi uzyskane za wyjściu autotransformatora dla różnych wartości napięć i częstotliwości.
Moim zdaniem, godnym uwagi jest sposób sterowania drajwerami. Rozwiązanie to podejrzałem w pewnym UPS-ie i uważam, że może się przydać. Sterowania tego nie widać wprost, ponieważ schemat jest podzielony na dwa arkusze. Chodzi mi o podłączenie diod do drajwerów co przedstawia poniższy rysunek. Załączyłem również przebiegi sterujące z czasem martwym.
Dzięki takiemu podłączeniu, nie jest możliwe żeby włączyły się jednocześnie dwa tranzystory w gałęzi mostka H.
Pisząc program dla mikrokontrolera wykorzystałem następujące bloki: generator PWM, przetwornik A/C, komparator. Wejście FAULT (pin RB6) generatora PWM pracuje w trybie „cycle by cycle” i jest podłączone do wyjścia komparatora (pin RB7) przez zworkę, którą należy założyć na J3 piny 5 i 6. W przypadku braku tej zworki mikrokontroler nie generuje przebiegu PWM. Jak pisałem wcześniej załączyłem projekt z kodami źródłowymi. Do zaprogramowania mikrokontrolera użyłem programatora SNAP.
W projekcie musiałem się zmierzyć z niespodziankami jakie przygotowały mi dławiki przy tworzeniu filtru LC. Powodem moich kłopotów było skąpstwo i brak wiedzy. Pierwsze dławiki które zastosowałem to DPE-25/1,5/2,4. Kosztowały około 6 zł/szt. i miały prąd 2,4 A wydawały się idealne. Niestety w filtrze mocno się grzały. Uznałem, że wymienię je inne wykonane z lepszego materiału magnetycznego. Wahałem się z wyborem i znów wygrało moje skąpstwo. Wybrałem dławik DTMSS-27/1,5/0,4 (około 9 zł) zamiast DTMSS-40/1,5/1,6 (około 15 zł). Po zamontowaniu było lepiej, nawet się ucieszyłem że taki niewielki dławik tak dobrze sobie radzi w filtrze. Rzeczywiście było dobrze, ale przy napięciu wyjściowym z autotransformatora od 180 do 230 V. Kiedy obniżyłem napięcie wyjściowe do 30 V i zostawiłem pracujący autotransformator na chwilę okazało się , że też się grzeją. Zacząłem się zastanawiać dlaczego tak się dzieje. Okazało się, że największy prąd w dławiku filtra LC (bez obciążenia) płynie gdy chwilowa wartość napięcia na wyjściu filtra wynosi zero (wówczas PWM = 50%), a najmniejszy, gdy napięcie wyjściowe osiąga wartość maksymalną lub minimalną.
Przy niskiej wartość napięcia na wyjściu filtra, współczynnik wypełnienia zmienia się od około 45% do 55%, a wartość prądu dławika jest prawie na takim samym poziomie, jak dla chwili kiedy napięcie przechodzi przez zero (czyli 50% wypełnienia PWM) i wtedy tętnienia prądu osiągają największą wartość, co powoduje większe grzanie rdzenia.
Następnie policzyłem jaką wartość osiągnie prąd w filtrze przy współczynniku wypełnienia 50% - czyli 0 V na wyjściu i częstotliwości 19 kHz. Interesowała mnie wartość od szczytu do szczytu. Skorzystałem z zależności i = U*t/L. Dla 26 us, czyli połowy okresu, prąd wyniósł około 2,7 A. Mając maksymalną wartość prądu od szczytu do szczytu udałem się na stronę producenta rdzeni, żeby skorzystać z oprogramowania do analizy dławików. https://micrometalsarnoldpowdercores.com/design-software/analyze i sprawdziłem jakie będą straty w rdzeniach DTMSS-27/1,5/0,4 i DTMSS-40/1,5/1,6. Wyniki można zobaczyć na poniższych zdjęciach i wyciągnąć wnioski.
Jedyny słuszny wniosek jaki przychodzi mi do głowy, to kolejna zmiana dławika w moim filtrze, której prawdopodobnie nie wykonam, ale ścieżka która mnie doprowadziła do tego wniosku była interesująca. Z tego projektu zapamiętam, że dla filtrów AC jak w przykładzie będę zaczynał od policzenia prądu w dławiku dla napięcia wyjściowego 0 V. Zapewne trzeba jeszcze pamiętać o prądzie obciążenia, chociaż ten będzie miał niską częstotliwość i nie powinien powodować tak dużych strat w rdzeniu tylko w rezystancji uzwojenia.
Na zakończenie załączam zdjęcia autotransformatora.
Schemat obwodu mocy i sterowania przedstawiono w załącznikach.
Obwód mocy jest podzielony na cztery części. Obwód wejściowy zbudowany z filtru przeciwzakłóceniowego, termistora ograniczającego prąd rozruchowy, mostka prostowniczego i kondensatora filtrującego wyprostowane napięcie sieciowe. Druga część to mostek H zbudowany z 4 tranzystorów sterowanych izolowanymi sterownikami tranzystorów MOSFET/IGBT, z których dwa pracują w układzie „bootstrap” i rezystora R10 służącego do pomiaru prądu obciążenia. Trzecia część to filtr dolnoprzepustowy LC zbudowany z elementów L1, L2, C6, C7, C9. Zadaniem filtru jest wygładzenie modulowanego przebiegu prostokątnego generowanego przez tranzystory i uzyskanie na jego wyjściu przebiegu sinusoidalnego. Czwarta część to nieizolowany zasilacz z popularnym układem z LNK304 w typowej konfiguracji z noty katalogowej.
Obwód sterowania wykonano tak, aby posiadał minimalną ilość elementów. Jest zasilany nieizolowanym napięciem 5 V z obwodu mocy. Z tego powodu należy zachować szczególną ostrożność gdyby ktoś chciał zbudować i uruchomić taki autotransformator. Do sterowania tranzystorami mocy wybrałem mikrokontroler Microchip dsPIC33FJ32MC102, ponieważ w czasie kiedy budowałem autotransformator był najtańszym mikrokontrolerem z serii, jak również z ciekawości co taki mikrokontroler z przedrostkiem dsPIC kryje pod „maską”. W załączniki załączam spakowany projekt wykonany w środowisku MPLABX 5.35 skompilowany w XC16 v1.5, z kodem źródłowym.
Mam nadzieję, że komuś się przyda, ponieważ mało jest literatury dostępnej w języku polskim na temat rodziny tych mikrokontrolerów.
Początkowo do płytki sterującej miał być podłączony wyświetlacz od telefonu Nokia aby wyświetlać położenie pokrętła, mierzyć czas zadziałania wyzwalacza o którym pisałem na początku. Jednak porzuciłem te dodatkowe funkcje, ponieważ pierwsze testy pokazały, że ten elektroniczny autotransformator nie spełnia moich oczekiwań i przegrywa z tradycyjnym autotransformatorem wykonanym na żelaznym rdzeniu.
To co mi się nie podoba w moim elektronicznym autotransformatorze to, że przy niskim napięciu wyjściowym około 24 V AC, występują widoczne tętnienia napięcia pochodzące od częstotliwości łączenia tranzystorów mocy około 18,5 kHz. Widać to na załączonym zdjęciu.
Druga wada to organicznie prądowe, które jest bardzo szybkie (w założeniu miały chronić wyzwalacze przed błędnym podłączeniem) i w przypadku badania moich wyzwalaczy, które mają duży prąd rozruchowy, powoduje zmniejszenie napięcia wyjściowego, w efekcie czego wyzwalacz nie zawsze chce zadziałać.
Oczywiście z tym wszystkim można sobie poradzić zwiększając dławik w filtrze – to jednak waga i koszt. Dodatkowo, aby obniżyć tętnienia przy niskim napięciu wyjściowym można na wejściu dołożyć przetwornicę typu buck, która obniży napięcie na kondensatorze filtrującym w obwodzie mocy. To wiąże się z dodaniem kolejnego dławika, diody, tranzystora, sterownika tranzystora, a w założeniach miał to być prosty autotransformator.
Pomimo że nie będę używał mojego elektronicznego autotransformatora napiszę co w nim działa.
Działa regulacja napięcia od 80 - 230 V i w tym zakresie tętnienia nie są bardzo widoczne. Napięcie to można obniżać jeszcze niżej, ale na oscyloskopie widzimy coraz grubszą wstęgę sinusoidy.
Działa regulacja częstotliwość w zakresie od 42 do 65Hz z rozdzielczością 0,1 Hz.
Działa zabezpieczanie nad prądowe.
Do regulacji napięcia i częstotliwości służą dwa potencjometry. Poniżej załączam przebiegi uzyskane za wyjściu autotransformatora dla różnych wartości napięć i częstotliwości.
Moim zdaniem, godnym uwagi jest sposób sterowania drajwerami. Rozwiązanie to podejrzałem w pewnym UPS-ie i uważam, że może się przydać. Sterowania tego nie widać wprost, ponieważ schemat jest podzielony na dwa arkusze. Chodzi mi o podłączenie diod do drajwerów co przedstawia poniższy rysunek. Załączyłem również przebiegi sterujące z czasem martwym.
Dzięki takiemu podłączeniu, nie jest możliwe żeby włączyły się jednocześnie dwa tranzystory w gałęzi mostka H.
Pisząc program dla mikrokontrolera wykorzystałem następujące bloki: generator PWM, przetwornik A/C, komparator. Wejście FAULT (pin RB6) generatora PWM pracuje w trybie „cycle by cycle” i jest podłączone do wyjścia komparatora (pin RB7) przez zworkę, którą należy założyć na J3 piny 5 i 6. W przypadku braku tej zworki mikrokontroler nie generuje przebiegu PWM. Jak pisałem wcześniej załączyłem projekt z kodami źródłowymi. Do zaprogramowania mikrokontrolera użyłem programatora SNAP.
W projekcie musiałem się zmierzyć z niespodziankami jakie przygotowały mi dławiki przy tworzeniu filtru LC. Powodem moich kłopotów było skąpstwo i brak wiedzy. Pierwsze dławiki które zastosowałem to DPE-25/1,5/2,4. Kosztowały około 6 zł/szt. i miały prąd 2,4 A wydawały się idealne. Niestety w filtrze mocno się grzały. Uznałem, że wymienię je inne wykonane z lepszego materiału magnetycznego. Wahałem się z wyborem i znów wygrało moje skąpstwo. Wybrałem dławik DTMSS-27/1,5/0,4 (około 9 zł) zamiast DTMSS-40/1,5/1,6 (około 15 zł). Po zamontowaniu było lepiej, nawet się ucieszyłem że taki niewielki dławik tak dobrze sobie radzi w filtrze. Rzeczywiście było dobrze, ale przy napięciu wyjściowym z autotransformatora od 180 do 230 V. Kiedy obniżyłem napięcie wyjściowe do 30 V i zostawiłem pracujący autotransformator na chwilę okazało się , że też się grzeją. Zacząłem się zastanawiać dlaczego tak się dzieje. Okazało się, że największy prąd w dławiku filtra LC (bez obciążenia) płynie gdy chwilowa wartość napięcia na wyjściu filtra wynosi zero (wówczas PWM = 50%), a najmniejszy, gdy napięcie wyjściowe osiąga wartość maksymalną lub minimalną.
Przy niskiej wartość napięcia na wyjściu filtra, współczynnik wypełnienia zmienia się od około 45% do 55%, a wartość prądu dławika jest prawie na takim samym poziomie, jak dla chwili kiedy napięcie przechodzi przez zero (czyli 50% wypełnienia PWM) i wtedy tętnienia prądu osiągają największą wartość, co powoduje większe grzanie rdzenia.
Następnie policzyłem jaką wartość osiągnie prąd w filtrze przy współczynniku wypełnienia 50% - czyli 0 V na wyjściu i częstotliwości 19 kHz. Interesowała mnie wartość od szczytu do szczytu. Skorzystałem z zależności i = U*t/L. Dla 26 us, czyli połowy okresu, prąd wyniósł około 2,7 A. Mając maksymalną wartość prądu od szczytu do szczytu udałem się na stronę producenta rdzeni, żeby skorzystać z oprogramowania do analizy dławików. https://micrometalsarnoldpowdercores.com/design-software/analyze i sprawdziłem jakie będą straty w rdzeniach DTMSS-27/1,5/0,4 i DTMSS-40/1,5/1,6. Wyniki można zobaczyć na poniższych zdjęciach i wyciągnąć wnioski.
Jedyny słuszny wniosek jaki przychodzi mi do głowy, to kolejna zmiana dławika w moim filtrze, której prawdopodobnie nie wykonam, ale ścieżka która mnie doprowadziła do tego wniosku była interesująca. Z tego projektu zapamiętam, że dla filtrów AC jak w przykładzie będę zaczynał od policzenia prądu w dławiku dla napięcia wyjściowego 0 V. Zapewne trzeba jeszcze pamiętać o prądzie obciążenia, chociaż ten będzie miał niską częstotliwość i nie powinien powodować tak dużych strat w rdzeniu tylko w rezystancji uzwojenia.
Na zakończenie załączam zdjęcia autotransformatora.
Fajne! Ranking DIY
I jeszcze ta zamiana miejscami Q3 i Q4, takie nie intuicyjne.
