Pienitehoisen hakkurivirtalähteen rakentaminen ja toiminnan tutkiminen



Samankaltaiset tiedostot
MICRO-CAP: in lisäominaisuuksia

TIETOISKU SUUNNITTELUHARJOITUKSEN DOKUMENTAATIOSTA

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

TYÖ 58. VAIMENEVA VÄRÄHTELY, TASASUUNTAUS JA SUODATUS. Tehtävänä on vaimenevan värähtelyn, tasasuuntauksen ja suodatuksen tutkiminen oskilloskoopilla.

OPERAATIOVAHVISTIMET 2. Operaatiovahvistimen ominaisuuksia

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

1 Johdanto. 2 Ominaisuuksia. 2.1 Särö

1 f o. RC OSKILLAATTORIT ja PASSIIVISET SUODATTIMET. U r = I. t τ. t τ. 1 f O. KAJAANIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikan ja liikenteen ala

Push-Pull hakkurin suunnittelu ja mitoitus:

Muuntajan toiminnasta löytyy tietoja tämän työohjeen teoriaselostuksen lisäksi esimerkiksi viitteistä [1] - [4].

Jännitelähteet ja regulaattorit

Supply jännite: Ei kuormaa Tuuletin Vastus Molemmat DC AC Taajuus/taajuudet

OPERAATIOVAHVISTIN. Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö. Elektroniikan laboratoriotyö. Työryhmä Selostuksen kirjoitti

Operaatiovahvistimen vahvistus voidaan säätää halutun suuruiseksi käyttämällä takaisinkytkentävastusta.

FYS206/5 Vaihtovirtakomponentit

DEE Sähkötekniikan perusteet

TASA- JA VAIHTOVIRTAPIIRIEN LABORAATIOTYÖ 5 SUODATINPIIRIT

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

Muuntaja yleisesti MUUNTAJAN OMINAISUUKSISTA TEHO TYHJÄKÄYNTIJÄNNITE HYÖTYSUHDE POIKKEAMAT TYYPPITEHOSTA

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

TAITAJA 2006, Elektroniikka ( /OL) Hakkurivirtalähteen kokoaminen ja testaaminen, Nokia

1. Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait

Työ 31A VAIHTOVIRTAPIIRI. Pari 1. Jonas Alam Antti Tenhiälä

Sähkötekniikka ja elektroniikka

5.1.Jännitelähde + 15 V 10 A

OMNIA OPINNÄYTETYÖ AMMATTIOPISTO. Diginoppa ICTP09SLG OMNIAN AMMATTIOPISTO

Elektroniikka ja sähkötekniikka

Elektroniikan komponentit

EMC Mittajohtimien maadoitus

Auton akun ylläpitolaturi

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

DC-moottorin pyörimisnopeuden mittaaminen back-emf-menetelmällä

FYSA2010 / K1 MUUNTAJA

Pynnönen Opiskelija: Tarkastaja: Arvio:

S Elektroniikan häiriökysymykset. Laboratoriotyö, kevät 2010

Tehtävään on varattu aikaa 8:30 10:00. Seuraavaan tehtävään saat siirtyä aiemminkin. Välipalatarjoilu työpisteisiin 10:00

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA. Kirchhoffin lait Aktiiviset piirikomponentit Resistiiviset tasasähköpiirit

PERUSRAKENTEET Forward converter, Myötävaihemuunnin ( BUCK regulaattori )

Tehokas ledivalaisin 30 valkoisella ledillä. Käyttöjännite 12 20V. Nimellisvirta on noin 0.10A A Suunnittelija Mikko Esala.

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET. Kirchhoffin lait Aktiiviset piirikomponentit Resistiiviset tasasähköpiirit

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

Hinnasto. Invertterit, laturit, erotinreleet

Hinnasto Invertterit, laturit, erotinreleet

a P en.pdf KOKEET;

Muuntajat ja sähköturvallisuus

d) Jos edellä oleva pari vie 10 V:n signaalia 12 bitin siirtojärjestelmässä, niin aiheutuuko edellä olevissa tapauksissa virheitä?

Kannattaa opetella parametrimuuttujan käyttö muidenkin suureiden vaihtelemiseen.

Vahvistimet. A-luokka. AB-luokka

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

Rakennusohje MHz transvertteri by SM6DJH, ohje by SM0JZT, käännös OH6NT

ELEC C4210 SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA Kimmo Silvonen

Elektroniikka. Mitä sähkö on. Käsitteistöä

Taitaja2004/Elektroniikka Semifinaali

Aktiivinen jakosuodin Linkwitz-korjauksella

C 2. + U in C 1. (3 pistettä) ja jännite U C (t), kun kytkin suljetaan ajanhetkellä t = 0 (4 pistettä). Komponenttiarvot ovat

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 7. Tehtävä 1

Sähköautoprojekti Pienoissähköauto Elektroniikan kokoonpano Moottoriohjain.

Minikokoinen harkka-vahvistin 5W 8 ohm

S Piirianalyysi 1 2. välikoe

CRT NÄYTÖN VAAKAPOIKKEUTUS- ASTEEN PERIAATE

Taitaja2010, Iisalmi Suunnittelutehtävä, teoria osa

ELEC-C6001 Sähköenergiatekniikka, laskuharjoitukset oppikirjan lukuun 10 liittyen.

Elektroninen ohjainkortti sähkösolenoidilla ohjattuun flektiin Suunnittelu Capriceman & EPK

Johdatus vaihtosähköön, sinimuotoiset suureet. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Taitaja2008, Elektroniikkalajin semifinaali

EL-EPM01 Energiamittari

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

Multivibraattorit. Bistabiili multivibraattori:

Kaksi yleismittaria, tehomittari, mittausalusta 5, muistiinpanot ja oppikirjat. P = U x I

Raportti Yksivaiheinen triac. xxxxxxx nimi nimi Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

Jakso 10. Tasavirrat. Tasaantumisilmiöt. Vaihtovirrat. Sarja- ja lineaaripiirit. Maxwellin yhtälöt. (Kuuluu kurssiin Sähkömagnetismi, LuTK)

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto. 2 Teoreettista taustaa

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS128. Operaatiovahvistinrakenteet

DEE Sähkötekniikan perusteet

Pynnönen SIVU 1 KURSSI: Opiskelija Tark. Arvio

Verkkoliitäntäjohdot. Huomautuksia virtalähteestä FIN-2

RADIOTEKNIIKKA 1 HARJOITUSTYÖ S-2009 (VERSIO2)

Elektroninen ohjainkortti TCC lukituksen vapautukseen THM-700R4

SATE1050 PIIRIANALYYSI II / MAARIT VESAPUISTO: APLAC, MATLAB JA SIMULINK -HARJOITUSTYÖ / SYKSY 2015

Ultraäänivirtausmittari Sharky BR473. Asennusohje

Piirilevyohjelma ARES

Pienjännitejohtoa voidaan kuvata resistanssin ja induktiivisen reaktanssin sarjakytkennällä.

IMPEDANSSIMITTAUKSIA. 1 Työn tavoitteet

Ledien kytkeminen halpis virtalähteeseen

Gauss Gun Toni Terrinen Lempäälä

Tehtävä 8. Jännitelähteenä käytetään yksipuolista 12 voltin tasajännitelähdettä.

2 Jannitelähde 24 V 28 V 7,5 A

33 SOLENOIDIN JA TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan

HÄIRIÖSUOJAUS KAKSISUUNTAINEN PROSESSI SISÄISET JA ULKOISET HÄIRIÖT

Teekkareiden Juomapeli

Transkriptio:

Pienitehoisen hakkurivirtalähteen rakentaminen ja toiminnan tutkiminen Kari Lavikka / T-Y1D 28. huhtikuuta 2004 Aion rakentaa kevään aikana Ghettoblasterin, eli kannettavan vahvistin ja kaiuttimet -yhdistelmän. Virtaa laite saa 12V moottoripyöräakusta, mutta se ei sovellu sellaisenaan kovin hyvin operaatiovahvistimille, jotka tarvitsevat varsin korkean ja mieluiten kaksipuolisen jännitteen. Sopivan jännitteen muodostamiseksi on lähinnä kaksi tapaa: kondensaattoripumppu ja hakkuri. Kondensaattoripumpuissa syntyy helposti jännitehäviötä, ja muutenkaan jännitteet eivät ole kovin symmetrisiä. Lisäksi netistä löytyy enemmän mallikytkentöjä hakkurista, joten päätin kokeilla sellaisen rakentamista. Käyttämäni kytkentä löytyy Elliot Sound Products:n sivuilta nimellä Switchmode Preamp Supply For Cars 1. Kytkentäkaavioiden, kuvien ja tekstin kopiointi on kielletty sivuston disclaimerissa, joten en voi sisällyttää niitä tähän. Referoin kytkennän toiminnan kuitenkin lyhyesti. Rakentaminen onnistui melko helposti, mutta vianhaku vei paljon aikaa. Varsinkin muuntaja oli yllättävän kova haaste erilaisista sydänmateriaaleista johtuen. 1 http://sound.westhost.com/project69.htm 1

+VE AC1 TR1 D1 DIODE C1 220uF GND AC2 TRAN-2P2S D2 DIODE C2 220uF -VE 1 Kytkennän esittely Kuva 1: Jännitteentuplauspiiri Hakkuri on rakennettu mikropiirin SG3525A 2 ympärille. Piirillä on mahdollista rakentaa järeitä, reguloituja hakkureita. Käytetty kytkentä perustuu galvaanisesti erotettuun kokosilta-topologiaan (Full-bridge) ja muuntajaa syötetään suoraan ohjainpiirin sisäisillä transistoreilla. Pulssinleveysmodulaatiota ei käytetä käynnistysvaihetta lukuunottamatta, vaan hakkuri syöttää jatkuvasti kanttiaaltoa 50/50 -suhteella. Minkäänlaista regulointia ei siis ole, vaan antojännite vaihtelee kuormituksen mukaan. Kytkentä on kuitenkin hyvin yksinkertainen, ja ohjainpiirin lisäksi tarvitaan vain muuntaja, muutama vastus, kondensaattoreita ja tarpeeksi nopeat tasasuuntausdiodit. Tasasuuntaus suoritetaan jännitteentuplauspiirillä, joten muuntajan toisiopuolelle ei tarvita väliulosottoa. Tämä osaltaan yksinkertaistaa kytkentää, koska kuormitus näkyy muuntajalle aina symmetrisenä. Epäsymmetrinen kuormitus ajaisi magneettivuon äärilaitaan ja muuntajasydän kyllästyisi. Tästä seuraisia virran holtiton kasvu ja pahimmasa tapauksessa ohjainpiirin kärähtäminen. 2 Rakentaminen 2.1 Piirilevyn suunnittelu Ohjesivulla ei ollut kytkentäkaavion lisäksi kuvaa piirilevystä, joten jouduin suunnittelemaan sen itse. Käytin apuna Proteus ARES Lite -nimistä ohjelmaa 3. Komponenteissa oli melko paljon pyörittelemistä, jotta piirilevystä tulisi mahdollisimman pieni ja vedoista lyhyitä. Automaattireitittäjästä oli jonkin verran apua, mutta osan vedoista jouduin kuitenkin reitittämään käsipelillä. 2 SG3525A Datasheet http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/4286.pdf 3 Proteus Lite http://www.proteuslite.com 2

Kuva 2: Piirilevy suunnitteluohjelmassa Kuva 3: Valmis piirilevy 2.2 Piirilevyn valmistaminen Olen tehnyt joitain piirilevyjä valotusmenetelmällä, ja käytin sitä myös tällä kertaa. Tulostin piirilevyn kuparipuolen laser-tulostimella kuultopaperille. Yleensä olen käyttänyt kalvoja, mutta kuulin vihjeen että väri tarttuu kuultopaperiin paremmin. Käytin valmiiksi lakattuja piirilevyjä, joten säästyin melkoiselta hampaidenkiristelyltä. Lakan levittäminen tasaisesti ja sen kuivattaminen uunissa on mielestäni melko työlästä. Valottamiseen käytin runsaasti UV:ta säteilevää alppiaurinkolamppua. Reilun parin minuutin annos osoittautui sopivaksi. Valotettu levy kehitettiin laimeassa natriumhydroksidiliuoksessa, johon valottunut lakka liukeni. Lämpötilalla tuntui olevan paljon vaikutusta liukenemiseen. Kylmässä liuoksessa ei tuntunut tapahtuvan yhtään mitään. Kehitetty levy päätyi tämän jälkeen ferrikloridi-liuokseen, johon suojaamaton kupari liukeni. En omista lämmitettyä ja kuplivaa syövytysallasta, joten syöpyminen kesti todella kauan. Loppuvaiheessa laitoin liuoksen lämpenemään keittolevylle, jolloin syöpyminen tuntui nopeutuvan reippaasti. 3

Kuva 4: Osat juotettuna 2.3 Muuntajan tekeminen En ollut aikaisemmin tehnyt mitään hakkureihin liittyvää, joten olin ns. pallo hukassa muuntajan kanssa. Ohjeissa mainittua muuntajasydäntä ei löytynyt mistään komponenttikaupasta. Kokeilin lopulta pyöritellä muuntajan vanhasta häiriönpoistokelasta saadun toroidin ympärille. Puihinhan se meni, mutta siitä enemmän myöhempänä... 2.4 Osien juottaminen Juottamista olen tehnyt melko paljon, joten tässä vaiheessa ei ollut mitään ihmeellistä. Puhdistin juotospuolen lopuksi vielä hartsin irrottavalla puhdistusaineella, jolloin tuloksesta tuli hivenen siistimpi. 3 Toiminnan tutkiminen Valmista laitetta täytyi päästä tietysti heti kokeilemaan. Kytkin laitteen virtalähteeseen ja nostin jännitteen 8V tuntumaan. Muuntajan toisiopuolella, tasasuuntausdiodien ja suotokondensaattoreiden perässä olevissa liitännöissä tuntui olevan jännitettä kuten pitäisikin. Hakkurissa oleva mikropiiri kuitenkin kuumeni todella kuumaksi. 12V jännitteellä laite haukkasi tyhjäkäynnillä lähes 200mA virtaa ja kuumeni niin että piiriä ei voinut edes hipaista. 3.1 Ongelmia muuntajan kanssa Mahdollisia syitä huonoon toimivuuteen tuli mieleen heti kaksi kappaletta: Muuntajassa on jotain vikaa, tai sitten miljoonalaatikosta ottamani 1nF kondensaattori on oikeasti jotain muuta kuin 1nF. Päätin käydä tutkimassa laitetta koulun elektroniikan labrassa tarkemman diagnoosin suorittamiseksi. Muuntajan ensiön induktanssin olisi tullut olla 4

Kuva 5: Jännite muuntajan toisiopuolelta, tasasuuntausdiodien välistä. Taajuus 10x liian korkea. ohjeen mukaan luokkaa 2-3mH. Induktanssimittari kertoi induktanssin olevan kuitenkin jossain 40µH tuntumassa. Tässä vaiheessa opin miten suuri merkitys muuntajasydämen materiaalilla on induktanssiin ja mikä on magneettikentän vahvistuksesta kertova A L - arvo. Kelan induktanssi lasketaan seuraavalla kaavalla, jossa n on kierrosten lukumäärä: L = A L n 2 Sydämen materiaali paljastui rautajauheeksi, jonka A L -arvo on hyvin pieni: 55nH. Toroidin ympärille olisi pitänyt sopivan induktanssin saavuttamiseksi käämiä yli 200 kierrosta lankaa. Tähän vielä toisiopuoli niin kyllä olisi ollut melkoinen munkki kasassa. Ankaran metsästyksen jälkeen sain käsiini ferriittirenkaan, jonka A L -arvo oli laskelmieni mukaan todella paljon suurempi: 1400nH. Ensiöpuolelle tuli 46 kierrosta ja toisiopuolelle 60. Tällöin suhteeksi tuli noin 1:1.3 ja ensiön induktanssiksi noin 3mH. 3.2 Väärä toimintataajuus Uusi muuntaja paransi tilannetta jonkin verran. 10mA kuormituksella ja 9V käyttöjännitteellä hakkuri näytti toimivan, mutta hyötysuhde oli todella kehno. Nostin jännitettä 12 volttiin, mutta jo tyhjäkäynnillä virrankulutus oli jälleen 200mA ja piiri kuumeni todella paljon. Tässä vaiheessa päätin tutkia toimintaa tarkemmin oskilloskoopilla. Yksi ruutu on 0,5ms ja jaksonaika noin 3,7 ruutua. Hakkurin toimintataajuus on siis jaksonajan käänteisluku: 1/(3, 7 0, 5s 10 6 ) eli 540kHz. Elliotin ohjeteksteissä laitteen kerrottiin toimivan noin 50kHz taajuudella, mutta oman yksilöni taajuus on siis yli kymmenkertainen! Taajuuden määräävä kondensaattori C3 on siis väärän kokoinen. Vaihdettuani tilalle kondensaattorin, jonka arvo oli varmasti 1nF, alkoi hakkuri toimia kunnolla ja taajuus asettui noin 55kHz kohdille. 5

Kuva 6: Kuormitettu hakkuri 55KHz taajuudella 3.3 Hyötysuhde Kokeilin hakkuria erilaisilla kuormilla ja jännitteillä. Elliotin ohjeissa maksimivirraksi suositellaan 45mA ja hyötysuhteeksi luvataan noin 60%. Oma yksilöni pääsi lopulta melko lähelle tätä. Vajaan watin hukkaaminen tulevassa 140W Ghettoblasterissa ei kuitenkaan merkitse käytännössä mitään. 3.4 Rippeli Hakkurissa on tällä hetkellä suodatuksena vain 2kpl 220µF elkoja, joten sillä on turha kuvitellakaan syöttävänsä jännitettä opareille. Keloilla, toisella elkoparilla ja keraamisilla Taulukko 1: Mittaustulokset Sisään Ulos U / V I / ma P / mw U / V I / ma R / Ω P / mw Hyötysuhde 12,3 27,8 342 33 0 Ääretön 0 0 12,3 45,1 556 24,8 11,0 2200 273 0,49 12,3 77,4 952 23,8 24,0 1000 566 0,59 12,3 128 1570 20,8 41,5 500 863 0,55 9,0 92,0 828 14,8 29,5 500 437 0,53 14,0 141 1970 23,6 46,9 500 1110 0,56 6

Kuva 7: Rippeli kuormitetussa lähdössä kondensaattoreilla suodatettuna rippelin pitäisi kuitenkin laskea kelvolliselle tasolle. 4 Yhteenveto Rakentamani hakkuri tuntuu soveltuvan Ghettoblasterin esivahvistimen virtalähteeksi. Vajaa watin teho ei ole mitenkään päätähuimaava, mutta yksi TL072-opari ottaa noin 2,5mA virtaa. 16 oparilla saa tehtyä jo melko monipuolisen esivahvistimen. Hakkuria tutkiessani tutustuin myös paremmin elektroniikan labrasta löytyvään induktanssimittariin ja oskilloskooppiin. Lisäksi opin käytännön kautta, että myös fysiikan kursseilla opetettavista aiheista voisi olla hyötyä elektroniikassa. 7