DVOJITÝ LABORATÓRNY ZDROJ KAZ-2-S-2line

od Adam Gubán

Pridal Adam Gubán 15.02.2020

1462 zobrazení

Z množstva možností zostrojiteľných výrobkov som chcel zostrojiť niečo špeciálne. Špecifickosť môjho výrobku nemala byť v tom o aký výrobok ide, s akými parametrami, ale v tom akým spôsobom bol zostrojený a v akom prevedení. Rozhodol som sa pre zostrojenie dvojitého laboratórneho zdroja Kaz-2-S-2line, ktorý vychádza zo zdroja Kaz 2. Zapojenie zdroja som našiel v A. Rádio 7/2002. Mojim osobným cieľom bolo zostrojiť celý zdroj v prevedení všetkých realizovateľných súčiastok na povrchovú montáž (SMD). Dvojitý laboratórny zdroj obsahuje dva totožné moduly zdroja s rovnakými vlastnosťami. Výhodou laboratórneho zdroja je stabilné výstupné napätie a prúd, možnosť nastavenia maximálneho výstupného prúdu, obvod odpájania vinutia transformátora kvôli úspornejšej výkonovej strate, oneskorené pripojenie výstupu kvôli spúšťacej špičke, možnosť pripájania a odpájania výstupu a ovládanie otáčok chladiacich ventilátorov.

Popis laboratórneho zdroja

Dvojitý laboratórny zdroj je rozdelený na dve časti, časť A a časť B. V časti A sa nachádza transformátor, modul zdroja, modul oneskorovania a modul merania napätia a prúdu. Transformátor obsahuje 4 vinutia. Tri vinutia napájajú modul zdroja. Štvrté vinutie napája modul chladenia a moduly oneskorovania. Modul chladenia napája moduly merania napätia a prúdu. Práve preto je časť A navrhnutá ako primárna a časť B ako sekundárna. Časť B sa nedá zapnúť, ak by bola časť A vypnutá. V časti B sa nachádza transformátor, modul zdroja, modul oneskorovania a modul merania napätia a prúdu. Transformátor obsahuje 3 vinutia. Zdroj je možné regulovať 0 až 40 V a 0 až 2A.

Modul zdroja

Modul zdroja sa skladá z dvoch obvodov. Obvod regulácie a obvod filtra. V pôvodnom zapojení bol každý obvod samostatný modul. V mojom zapojení sú skombinované na obojstrannú dosku DPS. Nechcem citovať článok z A. radia takže nebudem bližšie popisovať modul zdroja keďže vychádza z pôvodného zapojenia a žiadne zmeny okrem popisovanej neboli vykonané.

Modul oneskorenia

Modul oneskorovania je zložený z dvoch sekcii. Prvá sekcia je navrhnutá pre pravú (primárnu) A časť laboratórneho zdroja. Sekcia je napájaná zo štvrtého vinutia transformátora (IV.). V tejto sekcii sa nachádza obvod, ktorý zabezpečuje napájanie jednosmerným napätím oboch sekcii. Druhá sekcia je navrhnutá pre ľavú (sekundárnu) B časť laboratórneho zdroja. V oboch sekciách sa nachádza obvod, ktorý zabezpečuje oneskorené pripojenie výstupu, kvôli spúšťacej špičke a pripájanie, alebo odpájanie výstupu podľa potreby. Tlačidlom SWITCH je možné ovládať relé RE+, RE- ktoré pripájajú výstup. Riadiaci obvod ktorý zabezpečuje oneskorenie a následné pripojenie je komparátor z operačného zosilňovača LM311. Komparátor neustále porovnáva napätie na kondenzátore s pevne nastaveným referenčným napätím. Určenie času oneskorenia má za úlohu RC člen. Čas oneskoreného zopnutia je možné nastaviť na 0,3 až 100 sekúnd. Signalizácia ukončenia oneskoreného privedenia výstupu je zabezpečená piezoelektrickou sirénou. Modul bol najprv zhotovený ako prototyp. Následne otestovaný, kde sa vychytali chyby a potom vyhotovený do finálnej verzie. Ako spínacie komponenty sú použité Jazýčkové relé.

Modul merania napätia a prúdu

Výstupné napätie a prúd sú merané modulom DSN-VC288 na výstupných svorkách. Modul je napájaný 5V z modulu chladenia. Presnosť merania prúdu aj napätia je možné upraviť podľa potrieb. V laboratórnom zdroji sa nachádzajú dva meracie moduly.

Modul chladenia

Modul chladenia je napájaný zo štvrtého vynútia transformátora (IV.). Jeho úlohou je napájanie ventilátorov, napájanie meracích modulov a možnosť ovládania otáčok ventilátorov. Ventilátory majú za úlohu odvádzať teplo vytvorené pri stratovom výkone regulačného tranzistora a ostatných komponentov na ktorých vzniká parazitné teplo. Stabilné a presné napájanie meracích modulov je zabezpečené spínaným regulátorom napätia LM2576S.

Metodika práce

Pri zostrojení dvojitého laboratórneho zdroja Kaz-2-S-2line som postupoval chronologicky takto :

Vyhľadávanie literatúry a informácii
Navrhnutie konceptu zdroja
Objednanie THT komponenty, objednanie transformátora, výroba DPS
Vŕtanie DPS, osadenie a oživenie prototypu Kaz 2
Nadimenzovávanie komponentov SMD
Objednanie toroidných transformátorov a SMD komponentov
Navrhnutie obojstrannej dosky plošných spojov pre modul zdroja.
Objednanie výroby DPS modul zdroja
Navŕtanie DPS, osadenie komponentov a oživenie
Testovanie zdroja
Navrhnutie konceptu modulu oneskorenia a modulu chladenia
Zakúpenie komponentov, stavba prototypov v kontaktnom poli
Navrhnutie DPS modulu oneskorovania modulu chladenia
Navrhnutie skrinky
Objednanie výroby skrinky
Objednanie výroby DPS modul oneskorovania a modul chladenia
Navŕtanie DPS, osadenie komponentov a oživenie
Opracovanie skrinky
Umiestnenie modulov do skrinky, montáž a úpravy vedenia vodičov
Navrhnutie fólie
Objednanie výroby fólie
Lepenie fólie
Konečné úpravy laboratórneho zdroja
Meranie zdroja
Vypracovanie dokumentácie
Animácia laboratórneho zdroja

Bloková schéma zdroja

Postup práce

Aby som mohol nadimenzovať SMD komponenty, potreboval som postaviť prototyp zdroja Kaz 2. Predlohy som našiel v uvádzanom zdroji, DPS som vyrobil vlastnoručne doma. Dal som vyrobiť transformátor a objednal som potrebné súčiastky. Začal som merať a testovať prototyp na získanie informácii, potrebných k nadimenzovaniu SMD súčiastok. Celý problém bol v tom, že niektoré SMD súčiastky nemajú také parametre, ako súčiastky THT použité vo zdroji Kaz 2. Samozrejme nie každý THT komponent určitých vlastností sa dá nahradiť SMD komponentom rovnakých vlastností, pretože taký komponent sa nevyrába. Napríklad metalizované polypropylénové kondenzátory, v SMD prevedení som nenašiel všetky vyhovujúce hodnoty s potrebnými vlastnosťami. Kondenzátory vyhovujúce hodnotami aj vlastnosťami, ktoré som našiel na druhej strane zemegule boli príliš drahé, ich cena bola niekoľko násobne väčšia ako klasických THT.

Keď boli všetky komponenty SMD nadimenzované, objednal som ich a začal som navrhovať DPS na modul zdroja. Veľa puzdier komponentov som v SMD prevedení nenašiel v prostredí v ktorom som navrhoval DPS. Keď mi komponenty prišli mohol som ich merať a nakresliť puzdra do prostredia ručne. K napájaniu modulov zdrojov som potreboval transformátory. Kvôli špecifikám transformátorov, nebolo možné ich voľne kúpiť. Oslovil som naraz niekoľko firiem, v ktorých bola možná výroba toroidných transformátorov na zákazku. S najvýhodnejšou ponukou pomer cena, kvalita som sa stotožnil a objednal výrobu transformátorov.

Keď boli moduly zdroja hotové, správnosť nadimenzovania komponentov som otestoval niekoľko hodinovým neustálim zaťažením zdroja. Následne som sa vrátil ku konceptu zdroja. Prototyp modulu oneskorovania a modulu chladenia som zostavil do kontaktného poľa. Zapojenia som upravoval a skúšal, aby som nestrácal čas, kým budem moduly zostrojovať navrhoval som skrinku. Veľkosť potrebných modulov som približne poznal. Taktiež som poznal veľkosti všetkých komponentov, ktoré patrili do zdroja. Skrinku som navrhol tak, aby sa skladala z dvoch častí a aby bol ľahký prístup ku modulom zdroja. Skrinka zdroja mala byť z priehľadného materiálu. Z možností mi najviac vyhovoval polykarbonát (PC), dokáže prepúšťať svetlo až 88%. Tvar skrinky som videl na laboratórnom prístroji, ale dĺžku, šírku, výšku, hrúbku stien, som nadimenzoval podľa svojich požiadaviek. Skrinku som prv vytvoril z kartónu a moduly s transformátormi som rozmiestnil do nej, aby som vedel, ako by to vyzeralo. Rozmery som uparoval dovtedy, pokiaľ vyhotovenie nebolo ideálne. Tento koncept som prekreslil do vývojového prostredia, kde som vygeneroval výkres. V prostredí bolo možné otestovať ohýbanie materiálu podľa zaťaženia hmotnosťou. Informácie o vlastnostiach polykarbonátu som mal z tabuliek a hmotnosť zdroja som približne vypočítal. Podľa týchto informáciu som vyvodil hrúbku stien. Oslovil som znova niekoľko firiem naraz. Rozdiel ceny u niektorých firiem bol viac ako dvojnásobok.

Pri osadzovaní SMD aj THT komponentov som používal spájkovaciu stanicu. Hrot som používal hrubý 1mm, a nemenil som za tenší ani pri spájkovaní SMD komponentov. Keď som už mal komponenty na prednej strane zdroja dosadené do otvorov, mohol som začať s návrhom fólie. Návrh fólie som kreslil v rovnakom vývojovom prostredí, ako výkres zdroja. Do rohov skrinky som prilepil epoxidom trojuholníky polykarbonátu. Ich úloha je spevnenie celej konštrukcie a zabránenie pruženia bočných strán, keďže strany sú prilepené na ploche len 5mm. V konečných úpravách zdroja som vylaďoval detaily.

Následne som upravoval vlastnosti zdroja. Časť B som nastavil rovnako ako časť A. Upravil som na rovnakú hranicu oneskorenie výstupu, maximálne napätie a maximálny prúd. Upravovať vlastnosti zdroja sa dá pomocou trimrov. Zaťažovaciu charakteristiku som zhotovil na základe meraní. Na výstupné svorky zdroja som zapojil reostat, ktorý predstavoval záťaž. Nastavil som hodnotu výstupného napätia na určitú úroveň. Pohybovaním bežca na reostate sa menila odporová záťaž a tým výstupný prúd. Pre presnosť merania, výstupné veličiny som meral externými prístrojmi.

Veličiny EX sú merané externými prístrojmi. Veličiny IN sú merané meracími modulmi, ktoré sa nachádza v zdroji.

Ďalšou víziou zdroja bola prezencia vo forme animácie. Aby som mohol animovať, musel som každý komponent vykreslil do vývojového prostredia. Všetky komponenty boli kreslené v mierke 1:1 a ak by bolo potrebné dajú sa vytlačiť na 3D tlačiarni. Animoval som v prostredí v ktorom som kreslil návrh skrinky a dimenzoval hrúbku stien. Animáciu som doplnil zostrihom videa laboratórneho zdroja.

Záver

Skratu odolnosť SMD komponentov je oveľa nižšia ako u THT súčiastok. Regulovateľnosť napätia a prúdu je plynulá, zdroj nevykazuje žiadne chyby návrhu, prevedenia alebo nefunkčnosti. Prúdová ochrana zdroja a nastaviteľná hranica výstupného prúdu zabezpečuje ochranu samotnému modulu zdroja ale aj ochranu zariadenia, ktoré by bolo pripojené na výstupných svorkách. Ochrana zariadenia, ktoré by bolo pripojené na výstupné svorky zdroja, je okrem toho zabezpečená aj istením výstupných svoriek. Nastavenie oneskorenia je stále, nekolíše, čas oneskorenia je stabilný. Laboratórny zdroj sa neprehrieva a funguje rovnako, bez parazitných javov. Veľkosť skrinky sa môže zdať väčšia ako je potrebné. Skrinka bola navrhnutá tak, aby nad moduly oneskorovania bol umiestnený polykarbonát. Tým by sa vytvorilo ďalšie poschodie, na ktorom mali byť umiestnené ďalšie moduly s vylepšujúci funkciami. Na zhotovenie ďalších modulov ale nevyšiel čas a kapitál. Z celkového hľadiska bol projekt KAZ-2-S-2line veľmi drahý, keď sa zoberie do úvahy, že komponenty boli kupované na modeli, testovanie a na výsledné moduly. Najdrahšia položka bola skrinka. Celý projekt trval približne rok aj pól. Pri riešení projektu som získal nové skúsenosti a prehľad v problematike ktorej sa to týka.