Witam wszystkich
W niniejszym temacie chciałbym omówić parę spraw związanych z projektowaniem, testowaniem, wykonaniem, doborem części układów elektronicznych do modeli (i czasem nie tylko).
Tematem tym chce też poruszyć parę kwestii jak to wygląda od strony właśnie projektowej i czemu np. rodzime produkty kosztują więcej niż te u chińczyków. Ale może kolejno.
Chciałbym też przybliżyć parę aspektów dla młodzieży tej ciekawej ale czasem i trudnej dziedziny.
Wzory także postaram się ograniczyć do minimum oraz uprościć język.
Przedstawię parę narzędzi do tego.
Mam nadzieję, że powstanie z tego jakiś cykl. Zobaczymy.
Jeszcze jedna uwaga: prezentowane tutaj opisy to moja metodyka, nie trzeba się zgadzać z takimi a nie innymi rozwiązaniami, chętnie podyskutuję. Nie jest także moim zamiarem nawracanie ani inne święte czy mniej święte wojny.
Osobiście jestem zwolennikiem nauki poprzez realne użyteczne przykłady (bo inaczej to jest jak w dowcipie ... "... rozważmy konia w kształcie kuli poruszającego się ruchem harmonicznym ..." )
Jeszcze 2 cytaciki na początek:
"Jeżeli coś wydaje Ci się proste to znaczy, że takie nie jest."
Jak widzimy, że coś działa, albo jak ktoś coś robi wszystko wydaje się proste, prawda ?
Druga sprawa, chińska elektronika (ale nie tylko, bo powszechnie wiadome jest, że projektuje się obecnie tak aby urządzenia działały przez określony czas).
W wielu jednak wypadkach jest tak, że "jeżeli jakieś urządzenie jest w stanie działać bez jakiegoś elementu(ów) to go (ich) tam nie będzie".
Stad czasem coś działa ... ale nie w każdych warunkach Lub działa w specyficznych
Jeszcze jedna kwestia porządkowa. Chcę zachować ciągłość tego opisu, więc kolejne części będą się pojawiać poprzez edycję 1 postu.
Ok, jak ktoś przebrnął przez ten wstęp ... to zabierzmy się do ... SBECa (czyli techniczniej zasilacza impulsowego, tudzież przetwornicy impulsowej).
Banalne, prawda ? (taaa, wiem, po co to robić przecież tego jest "milion")
Dodajmy zatem:
1. Założenia projektowe
--------------------------------------------------
EDIT:
- przetwornica do zastosowań w modelach latających, średniej wielkości
--------------------------------------------------
- napięcie wejściowe 3-8S LiPo (czyli zakres pracy 8-35V)
- napięcie wyjściowe 5 i 6V ustawiane poprzez zworkę (banalny acz skuteczny sposó
- wydajność prądowa 6A prądu ciągłego i do 10-12A chwilowego (aby nie było problemu z serwami cyfrowymi)
- dobra odpowiedź impulsowa - czyli szybko otrzymamy wymagany prąd
takie parametry znajdziemy w wielu rozwiązaniach ale o czym jeszcze musimy pomyśleć ?
- możliwie wysoka sprawność przetwornicy (po co generować ciepło ?)
- możliwie mały i lekki układ
- ergonomia montażu i obsługi
- zabezpieczenia układu (o tym będzie szerzej w odpowiednim momencie)
- wysoka stabilność (w tym temperaturowa)
Ok
Mamy pewną wizję tego co chcemy osiągnąć.
Analizując założenia rozglądamy się za przetwornicą impulsową.
---------------------------------------------------------------
Czemu tak ?
- możliwy szeroki zakres napięć wejściowych w porównaniu do stabilizatorów liniowych
- wysoka sprawność
- nowoczesne układy mają w sobie wbudowane zabezpieczenia (zwarciowe, nadnapięciowe, nadprądowe, temperaturowe)
Jakie są wady ?
- główną jest właśnie impulsowy charakter pracy czyli sekwencyjne przełączanie o określonej częstotliwości czyli mamy dodatkowy element "siejący" z którym musimy sobie poradzić - o tym będzie później)
- przetwornica wymaga elementów dodatkowych w tym dławika przez co cały układ zajmie więcej miejsca (i masa także wzrośnie)
Schemat funkcjonalny przetwornicy:
Jest to oczywiście spore uproszczenie, ale przedstawia główne bloki funkcyjne.
1.
Układ wejściowy jest w niektórych aplikacjach opcjonalny. W naszej aplikacji będą to kondensatory. Czemu ?
Wynika to ze spodziewanego charakteru pracy czyli dużym chwilowym zapotrzebowaniu na prąd (przez serwa).
Czemu jest to istotne ?
KAŻDY przewód ma swoją rezystancje (a materiał z którego jest zrobiony rezystywność):
https://pl.wikipedia.org/wiki/Rezystancja
https://pl.wikipedia.org/wiki/Rezystywno%C5%9B%C4%87
R to opór naszego przewodu
L to jego długość
S to pole przekroju poprzecznego
ρ dla miedzi wynosi
czyli czym dłuższy i cieńszy "kabelek" tym większy stawia opór
konkludując cały opis zastosowania kondensatora na wejściu potrzebujemy takiego lokalnego magazynu energii aby na wyjściu uzyskać szybko odpowiedni prąd
---------------------------- EDIT ----------------------------------------
2.
Układ kluczujący
Pod tym strasznym hasłem kryje się .... tranzystor lub układ tranzystorów (ich dobór zależy od tego jakie chcemy uzyskać napięcie, prąd i jak będziemy nimi sterować.
W naszym zastosowaniu ograniczymy się do rozpatrywania tranzystorów unipolarnych (FET) i ich różnych wykonaniach (MOSFET, NEXFET etc). Dla dociekliwych jak wygląda struktura wewnętrzna MOSFETA:
https://www.google.pl/search?q=nexfet&client=firefox-b&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ved=0ahUKEwjUybaLwrzTAhVEPBQKHePGDPoQsAQIRw&biw=1440&bih=777#tbm=isch&q=mosfet+structure
a jak (przykładowo) NexFETa:
https://www.google.pl/search?q=nexfet&client=firefox-b&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ved=0ahUKEwjUybaLwrzTAhVEPBQKHePGDPoQsAQIRw&biw=1440&bih=777#tbm=isch&q=nexfet+structure
Ale wróćmy do działania. Co ma robić tranzystor(układ tranzystorów) ?
Nic ciekawego Włączać i rozłączać.
Popatrzmy na taki układ:
Zakładamy ze Vcc to napięcie wyższe od tego które chcemy uzyskać na wyjściu. Zatem - otwieramy tranzystor, ładujemy kondensator, zamykamy tranzystor. Robiąc tak sekwencyjnie otrzymamy na wyjściu niższe napięcie od wejściowego - czyli to co chcemy osiągnąć
Wniosek - działa
Jaka jest wada tego rozwiązania ?
- sterujemy tylko "dopływem" (czyli w przypadku dynamicznego charakteru obciążenia możemy spodziewać się większych skoków napięcia)
- możliwe zwarcie które spowoduje podanie napięcia wejściowego na wyjście (rozwarcie także może być i wtedy dostaniemy 0V na wyjściu)
Zaleta rozwiązania ?
- mamy tylko jeden element wykonawczy, przez co i mniejsze straty, mniejsza powierzchnia układu
Tutaj jest przykładowy wykresik (symulacja) przy zmianie prądu wyjściowego względem napięcia wyjściowego.
Tranzystor może być włączony także od źródła do masy:
oraz możemy wykonać kombinację powyższych:
Zastosowaniem 2 tranzystorów zyskujemy wyższą dokładność sterowania ale ... mamy 2 elementy. Jak zawsze kompromisy
Konkretne tranzystory będziemy dobierać później jak będziemy mieć więcej danych.
-------------------------------------------------------
3. Układ sterowania
Mówimy tutaj o układzie sterującym układem kluczującym czyli tranzystorami.
Jak już wcześniej omówiliśmy aby uzyskać zakładane napięcie na wyjściu musimy przez odpowiedni czas otwierać i na odpowiedni czas zamykać tranzystor(y). Tutaj idealnie sprawdza się znany rodzaj sygnału czyli PWM o zmiennym wypełnieniu.
I właśnie w tym miejscu pojawia się źródło "siania".
Aby układ "wiedział" jak sterować musimy do niego doprowadzić napięcie wyjściowe aby poprzez porównanie stwierdzić czy napięcie wyjściowe trzyma się w zakładanych wartościach i odpowiednio reagować na takie zmiany. Mamy zatem tzw. sprzężenie zwrotne.
PWM podawany na układ kluczujący może być o stałej częstotliwości lub zmiennej w zależności od obciążenia.
I tutaj uwaga projektowa - łatwiej "walczy się" z zakłóceniami gdy są one znane, wskazane jest zatem ustalenie stałej częstotliwości pracy przetwornicy. Drugim ważnym elementem jest jeszcze sprawdzenie harmonicznych czy czasem nie wpłyną one na współdziałanie innych elementów.
Popatrzmy jeszcze na przebieg napięcia jaki otrzymamy w wyniku działania układu sterującego na układ kluczujący (przebieg niebieski):
Prawda, że słabo podobne do napięcia stałego ? (lub przynajmniej zbliżonego - linia czerwona) ?
Wniosek .... czegoś tu jeszcze brakuje.
W następnym odcinku będzie zatem
-----------------------------------------------------
3b.
Uzupełniając jeszcze zasadę działania zanim przejdziemy do układu filtrującego ....
Przyjęło się, że elementami filtrującymi w układach zasilania jest (głównie) kondensator oraz dławik (oraz czasem rezystor). Owszem tak właśnie jest, przy czym dławik/cewka występujący w przetwornicach impulsowych ma inne zadanie.
Dość dobrze wytłumaczone jest to tutaj:
http://forbot.pl/blog/artykuly/elektronika/kurs-elektroniki-ii-10-przetwornice-impulsowe-id9923
więc nie będę tego już szerzej omawiał.
4. Układ filtrujący
Jak widzimy na wykresach powyżej z przetwornicy impulsowej nie dostaniemy na wyjściu idealnie stałego napięcia, zawsze będzie to przebieg pulsujący (w rytm taktowania przez układ sterujący.
Aby skompensować to zjawisko musimy zastosować na wyjściu przynajmniej kondensator który będzie miał taką pojemność która zapewni kompensację energii pobieranej.
I tutaj o samym doborze pojemności - nie jest do końca prawdą, że czym większy kondensator tym lepiej. Ta zasada sprawdza się do pewnego stopnia.
Musimy pamiętać, że kondensator też potrzebuje trochę czasu na ładowanie. Dodatkowo - czym większa pojemność tym większa rezystancja.
Magiczny skrót ESR to zastępcza szeregowa rezystancja kondensatora, czyli czego by nie robić .... kondensator ładujemy przez rezystor ... czyli potrzebujemy czasu na jego naładowanie. Zatem jako kondensator filtrujący najlepiej jest wybierać te, które z założenia są "low ESR". Można też zastosować równoległe łączenie kondensatorów.
Dodatkowo możemy też zastosować dodatkowy filtr LC.
Jest to klasyczny filtr dolnoprzepustowy. Czyli (obrazowo w uproszczeniu) DO pewnej częstotliwości przepuszczają a od niej tłumią.
Bardziej rozbudowanie o filtrach jest tutaj:
http://elektron.pol.lublin.pl/keo/dydaktyk/Ins/Cw05pdf.pdf
Noooo, to koniec teorii Powyżej jest wszystko z czego składa się wspomniany na początku "banalny" układ/regulator napięcia
5. Dylematy wyboru ....
Przyszedł czas na dobór elementów.
(gwoli przypomnienia - opisuję tutaj jak JA to robię, każdy może mieć swoje metody oraz nie musi się zgadzać z tutaj prezentowanymi )
Do dyspozycji mamy cały ogrom układów specjalizowanych, pierwszy ogląd możemy uzyskać poprzez strony producentów np. Linear, Maxim, TI, Microchip, ST, Infineon etc.
albo posłużyć się katalogiem jednego z dystrybutorów (co od razu da ogląd na dostępność), np:
https://www.digikey.com/products/en/integrated-circuits-ics/pmic-voltage-regulators-dc-dc-switching-regulators/739?FV=ffe002e3&mnonly=0&newproducts=0&ColumnSort=0&page=1&stock=0&pbfree=0&rohs=0&quantity=0&ptm=0&fid=0&pageSize=25
Są też bardzo fajne "generatory" ułatwiające cały proces doboru elementów/wyboru.
http://www.ti.com/lsds/ti/analog/webench/overview.page
Po wprowadzeniu podstawowych parametrów (zakres napięcia zasilania, napięcie wyjściowe, prąd wyjściowy) aplikacja dobiera propozycje układów.
Parametry można zmieniać, dodawać funkcjonalność etc.
Zachęcam do "pobawienia się" tą nakładką.
-----------------------------------------------------------------------
Użyjmy zatem wspomnianej aplikacji, pamiętając o naszych założeniach projektowych.
Na początku wpisujemy podstawowe dane (zakres napięć wejściowych, napięcie wyjściowe, prąd wyjściowy) temperaturę otoczenia możemy zostawić domyślną - chyba, że projektujemy układ do specyficznych warunków:
klikamy Start Design i ......
możemy dokonać preselekcji czy interesują nas układy modułowe, zintegrowane, same sterowniki czy może chcemy zobaczyć wszystkie propozycje.
Zobaczmy wszystkie propozycje:
-----------------------------------------------------------------
Po przerwie jedziemy dalej.
Mam nadzieję, że próby z powyższym przebiegły pomyślnie.
Jak pisałem, nie jest to jedyne słuszne narzędzie. Maxim Integrated też ma swoje. Nazywa się EE-Sim.
W naszym przypadku interesuje nas DC-DC converters.
Zasady są bardzo podobne, więc nie ma sensu opisywać.
Wygląda to tak:
Jak zwykle zachęcam do testów.
---
Porównując wyniki przeszukiwania Texasa oraz Maxima zainteresowałem się układem MAX17506. Praktycznie spełnia wszelkie początkowe założenia.
Z zalet jest też stosunkowo mała ilość elementów dodatkowych. Pomiar prądu także nie jest poprzez bocznik (a to zaleta gdyż taki obwód nie lubi "szumów").
Do dyspozycji mamy także 3 tryby działania PWM, PFM, DCM. Nie wiem jeszcze który sprawdzi się najlepiej.
Link do dokumentacji:
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX17506.pdf
Kolejnym etapem będzie rysowanie schematu i dobór elementów.
----------------------------------
Jak pisałem tak trzeba zrobić. Zaczynamy rysować.
Programów do rysowania schematów i PCB trochę jest. Ja używam mniej popularnego DipTrace.
http://www.diptrace.com/ Jak ktoś chce się pobawić to wersja darmowa (freeware) ma ograniczenie do 2 warstw (PCB) oraz 300 pinów.
Jest też wersja 30 dniowa bez innych ograniczeń.
A jak komuś to oprogramowanie się spodoba to ceny licencji są moim zdaniem bardzo rozsądne.
Oczywiście nie jest moim zadaniem przekonywać kogoś. Ważne jest aby w danym programie czuć się swobodnie.
Schemat to w większości nota aplikacyjna. Dodałem jednak dodatkowy filtr LC na wyjściu.
W formie zworki lutowanej jest możliwość ustawienia trybu pracy (PWM/PFM/DCM).
Wartości elementów dobieramy poprzez obliczenia ze wzorów w datasheecie lub poprzez EE-Sim (w przypadku Maxima).
W tym projekcie zdecydowałem się na częstotliwość przetwornicy na poziomie 360kHz.
Dolne napięcie (napięcie wyłączenia) - 7V
Max napięcie 45V
Soft-start - 100ms
Zabezpieczenie zwarciowe/nadprądowe.
Wspomniany układ posiada 2 tryby zabezpieczenia. Hicup oraz Latchoff.
I tutaj małe sprawdzenie czujności szanownych czytających. Zasada działania jednego i drugiego jest opisana w dokumentacji.
Proszę zatem powiedzieć jaki typ powinien być zastosowany w naszym stabilizatorze ? Najlepszą odpowiedź nagrodzę (stabilizator do testów).
W następnej części będzie pokazany schemat i powiemy coś o projekcie płytki.
