Kategóriák
Maga az iparos. Történetek a múltból és a jelenből.

Tápegység javítás folytatása

Ebben a részben a tápegység javítás a prototípus panel beültetésével és bemérésével foglalkozik. A folyamat során egy tervezési hibát is találtam , amit kijavítottam.
A panel beüzemelése és próbaüzeme után a végleges panel készül. Ez a panel már nem tartalmazza majd a kiindulási tervben szereplő üres helyeket, és szép szitafelirat is készül majd.

Néhány napja megkaptam a tápegység nyomtatott huzalozású panelját. A panel szitafelirat nélkül készült, annak prototípus jellege miatt. A beültetés tápegység részenként történt, elsőként a digitális 5V+ tápfeszültséget előállító részt valamint a +5V monitor, +5V biztonsági, és +24V -os tápegységeket ültettem be.

A tápfeszültséget beállító alkatrész helyére olyan alkatrészt raktam, ami a várható értéknél kb 20-30%-al nagyobb értékű, így a bemérés során vele párhuzamosan kapcsolt ellenállások válogatásával pontosan be tudom állítani a kimeneti feszültséget. A bemérés során labor tápegységről áramlimit alkalmazásával táplálom a panelt. Ez azért szükséges, mert ha nem indul el valamelyik kapcsolóüzemű tápegység, ne pusztuljon el lehetőleg semmi.

Szóval ennyi bemelegítés után következzen a tápegység beindítása.

Összerakás közben.
Összerakás közben.

A tápegységet az eredeti alkatrészeivel raktam össze, a kapcsolóüzemű tápegység energiatároló eleme egy tekercs volt, amit 20uH induktivitásúnak mértem. Ez tapasztalatom szerint kevés és méréseim is azt mutatták, hogy névleges terhelésnél a táp csuklik, – és a buck diódán (SCH1) eső feszültség eltünése ebben megerősített – nagyobb tekercs kell vagy gyorsítani kell a működési frekvencián. A felélesztett áramkörben az ST3524 típusú integrált áramkör végzi a megmunkáló gép fő digitális tápellátását végző kapcsoló tranzisztor vezérlését. A kapcsolótranzisztort a belső készülékdoboz aljára csavaroztam fel szigetelten.

Kapcsoló darlington tranzisztor hűtése.
Kapcsoló darlington tranzisztor hűtése.

A működési frekvencia növelése az ST3524-es áramkör 6-os és 7-es lábához kapcsolódó alkatrészek időállandót meghatározó ellenállás és kondenzátor értékeinek változtatásával történik. A kapcsolóelem melegedését és kollektorán lévő jelalakot figyelve a működési frekvenciának a növelése nem vezethet eredményre. A ki és bekapcsolás ideje és veszteségei a mintához képest a működési frekvencia csökkentését indokolja. Egyszerűen mondva, a darlington tranzisztor nem bírta, muszáj volt csökkenteni a frekvenciát. A működési frekvencia kezdetben 75kHz volt, az energiatároló induktivitást így mindenképp növelni kellett.

Ahhoz, hogy beinduljon a tápegység, a korábban felvett kapcsolási rajzon az ST3524-es áramkör V- (invertáló bemenő feszültség) bemenetét a feszültséget beállító visszacsatoló ellenállással a kimenetre kell kötni, ez adja a szabályozás visszacsatolását. A tápegység tervezője ezt úgy gondolta, hogy a gép elektronikájáról hozza vissza mint referencia jelet, és a panel (rajzon piros nyíllal jelölt csatlakozópontján) innen veszi a visszacsatolást. Ez első pillanatra érthető szándék, hiszen a tápfeszültségnek nem a kimeneten, hanem a felhasználás helyén kell pontosnak lennie.

Main +5V táp kapcsolási rajz.
Main +5V táp kapcsolási rajz.

A felélesztés idejére ezt egy ideiglenes huzallal oldottam meg. Megfigyeltem, hogy amíg nem volt a huzal felrakva, a tápegység kimenetén a bemeneti feszültség volt mérhető, a kapcsolótranzisztor be volt kapcsolva. Szerencsére a labortápon az áramlimit megvédett a tönkremeneteltől. A kimenetet védő tirisztort az élesztéskor még nem ültettem be, csak a szupresszor (SCR1) diódát. Így szépen felélesztettem az áramkört, majd a bemeneti feszültséget növeltem, (miután meggyőződtem a kapcsolás működéséről) majd névleges értéken (38V) műterheléssel hatásfok ellenőrzést végeztem. Az eredeti alkatrészekkel szánalmas 67%-os hatásfokot mutatott a tápegység!

Névleges terhelés mellett a működési frekvenciát, a visszacsatoló ellenállást és a tároló induktivitást szisztematikus kísérletezéssel változtatva optimumot kerestem. A működési frekvenciát a kimenet zajossá válása és a hatásfok optimuma adta ami kb 47 kHz értékre adódott. A buck diódán eső 1.2 V sok volt, nagy veszteséget okozott, itt alkalmasabb típus választással 0.44 V értékre sikerült leszorítani a maradékfeszültséget.

A tekercs induktivitását menetek letekerésével csökkentettem. A képen az eredeti tekercs (fekete) a kiindulási tekercs és a már kész tekercs látható a legombolyított huzal társaságában.

A tekercsek (végső, eredeti, kiindulási) és a letekert huzal.
A tekercsek (végső, eredeti, kiindulási) és a letekert huzal.

A végső tekercset üvegszövet szalaggal szigeteltem és kiöntőgyantával impregnáltam amint véglegesítettem az értékét.

A mérésem szerint a beállítás után a tápegység hatásfoka 84,5% volt, ami már a mondás szerint “sok szódával, de elmegy”. Erre a gondolatra még visszatérek a végén.

A többi tápegység felélesztése nem okozott nehézséget, viszonylag gyorsan ment. A kész áramkört a forrasztási maradványoktól lemostam, majd megkezdtem a próbaüzemet.

A műterhelésnek mintegy 12 méter 1,5mm2 keresztmetszetű flexibilis vezetéket használtam, a kimenetre kapcsolva 12A áram folyt át rajta, jócskán melegedett is.

Próbaüzem előtt.
Próbaüzem előtt.

A próbaüzem során a tápegység jól vizsgázott, beállítottam a két kerámia ellenálláson (mérősönt) eső feszültség figyelését végző TL331 komparátor áramkört is a túlterhelés elleni védelemre.

A készülékdoboz (belső doboz) 3mm vastag alumínium lemez volt, ez nagyon jó hűtőfelületet biztosított.

A sikeres próbaüzem után a beindításhoz szükséges feedback huzalt leszedtem, és átforasztottam a kábelcsatlakozást is.

A tápegység elkészült.
A tápegység elkészült.

A teljes összeszerelés után mielőtt elviszem a tápegységet beépíteni még egy próbát végeztem, ami rendkívül gyászos eredménnyel végződött:

A jól működő +5V-os táp “leült” és zérus feszültséget adott ki! Ellenállás méréssel a kimenetét zárlatosnak találtam. “A fene egye meg! ” mondtam, majd megkezdtem a hibakeresést, az alkatrészek kitermelését, a tápegység kidobozolását.

A szupresszor dióda zárlatos lett, és a kapcsoló darlington tranzisztor is tönkrement.

Mi is történt, mit csináltam rosszul? kérdeztem magamtól, és végiggondoltam mit csináltam. Ellenőriztem a forrasztásokat nem csináltam-e zárlatot, de nem. Gondolkodtam és szaporán emlegettem a tervező felmenőit, miközben rájöttem hogy a bajt csak a visszacsatoló vezeték (feedback) lekötése okozhatta. Már a próbaüzem során rájöttem, hogy ha nincs ez a vezeték, akkor a kapcsoló darlington tranzisztor bekapcsolva marad, és a kimenetre a bemeneti feszültség jut. Ami a szupresszor diódát persze átütötte és zárlatossá tette. Ezután a túláram végzett a darlingtonnal is.

Mit lehet tenni? Ekkor megvilágosodott bennem hogy a tervezői szándék – a visszacsatolás helyének áthelyezése a gép testébe – a csatlakozón keresztül vezetésével súlyos tervezési hibát okozott!

Ha ugyanis bekapcsolt állapotban a csatlakozó konnektor kihúzzák (például mérés miatt, de egy kis kontakthiba is ezzel jár) akkor a referencia jel eltűnik, és a visszacsatolás nélküli táp a korábban leírt módon kinyírja önmagát!

Mit lehetne tenni, hogy egyrészt megmaradjon a mintavétel a csatlakozón keresztül, de a megszakadás / megszakítás ne legyen ilyen gyászos kimenetű?

A megoldásom.
A megoldásom.

Azt találtam ki, hogy a vélhetően fél ohm alatti ellenállású visszacsatoló vezeték mellé még a panelen egy 2.7 ohmos “nyújtózkodó” ellenálláson keresztüli visszacsatolást alakítok ki a kimenetre de már a panelon.

Az új visszacsatolás.
Az új visszacsatolás.

Az ellenállás lábaira szigetelést húztam és azt a forrasztási oldal felől szereltem. Így ha kihúzzák a csatlakozót a tápegység az ellenálláson keresztül kap visszacsatolást, ha pedig üzemi helyzet van, akkor a panelról jövő visszacsatolás kisöntöli a beépített ellenállást, a szabályzás ha korlátozottabban is de érvényesülni tud.

Hát így készült el a prototípus tápegység, amit rövidesen beépítek.

Ha a próbaüzem során nem jelentkezik hiba, akkor a végleges tápegységben meghagyom a darlington kapcsolótranzisztort, ha a veszteség és a melegedés túl nagy lesz átalakítom MOS-FET es vezérlésűvé. Ebben a kérdésben még nem döntöttem, majd a tapasztalatok figyelembevételével a végső panel megalkotásakor fogok dönteni.

Most már értem, miért szerelte rá a korábban javító kolléga a 40A-es kínai tápot (nyilván ő is bekapcsolta otthon ahol nem volt bedugva a gépbe a táp 🙂 és nem egyszer tönkretette a darlingtont, miután kiherélte belőle) de nem jött rá a megoldásra.

Hát ezzel a tanulsággal zárom ezt a posztot, a befejező részben az üzemi tapasztalatokról és a végleges tápegységről fogok írni.

Szerző: Jáger Zoltán Tamás

51 éves okleveles vegyész és gépészmérnök vagyok. Vezettem autót, helikoptert, jártam északon délen az út végéig elmentem. Nézem a világot, teszem amit kell. Újévi fogadalmam: többet, jobban!

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöltük

tizenhárom − tíz =