Zdroj 48V 30A.
8.1.2020 Nový firmware verze 2.0. Tomu kdo používá původní verzi doporučuji aktualizovat. Změna přináší zpřesnění měření a zklidnění zobrazených hodnot při kolísajícím odběru.Úvod.
Při vývoji PA 144MHZ 1kW který popisuji na jiném místě svých stránek jsem měl největší problém v tom že jsem neměl k dispozici dostatečně výkonný zdroj pro napájení tohoto PA. Někteří lidé mi sice vhodný zdroj slibovali ale "skutek utek". To že jsem takový zdroj neměl zdrželo vývoj tohoto PA o více než rok. Nakonec se mi v Holicích podařilo získat zdroj který byl ale velmi velký. Díky němu jsem sice dokázal stavbu PA dokončit ale je několikrát větší než vlastní PA. Jelikož počítám s použitím PA i při portable provozu na MS a EME expedicích chtěl jsem mít zdroj přijatelných rozměrů. Takové zdroje např. od firmy Meanwell lze skadno koupit, ovšem jejich cena se pohybuje kolem 13000kč. Tolik jsem za zdroj zaplatit nechtěl. Nakonec se mi na Aukru podařilo za rozumnou koupit zdroj 52V/30A jehož napětí šlo snadno stáhnout na potřebných 48 až 50V.
Popis konstrukce
Jde o zdroj který byl patrně původně určen pro telekomunikační techniku nebo pro napájení výkonných serverů. Je to výrobek firmy Delta Electronics inc. s typovým označením ESR48-30D. Jelikož lze tyto zdroje za přijatelnou cenu zakoupit na internetu říkal jsem si, že se popis mého zdroje může hodit i ostatním konstruktérům. Proto jsem napsal tuto stránku.
První co je třeba napsat je, že zdroj sám o sobě žádné úpravy vlastně nepotřebuje a je možné ho zapnout a ihned používat. Není potřeba nastavovat žádné propojky na zadním konektoru jako u podobných zdrojů a zdroj okamžitě dává napětí na které je nastavený. Co mi ale velmi vadilo je že vestavěný ventilátor jede trvale na plné otáčky a je velmi hlučný. Zdroj budu mít v hamshacku vedle PA a taková hlučnost je zcela nepřijatelná. Bylo tedy nutné ventilátor nějakým způsobem regulovat. Nejjednodušší řešení by bylo nějaké udělátko, které by se vtěsnalo přímo dovnitř zdroje. Ovšem vnitřek zdroje tvoří "dokonale zastavěný prostor". V podstatě nebylo kam desku s regulátorem umístit. Navíc mě lákalo zdroj doplnit měřením proudu a napětí. Nakonec jsem se rozhodl připevnit na vlastní zdroj jakousi nástavbu ve které bude deska s potřebnou elektronikou a dvouřádkový displej pro zobrazování naměřených údajů. Velikost této nástavby udává výška displeje. Bylo celkem jasné že je to opět vhodná úloha pro procesor který reguluje ventilátor, dělá všechna potřebná měření a výpočty a jejich výsledky zobrazuje na displeji. Celou řídící desku ovládá malý procesor Atmel AVR ATMEGA8.
Na obrázku vidíme schéma zapojení. Celý obvod je napájen z napětí 12V pro ventilátor. Ventilátor zdroje je umístěn v šuplíku, který se zvrchu nasouvá do zdroje. Na boku šuplíku je konektor se třemi kontakty. Dva z nich k ventilátoru přivádějí napájecí napětí 12V a třetí jsou impulsy informující o otáčkách ventilátoru. Je potřeba odpojit napájecí napětí +12V od konektoru a vyvést ho do nadstavby. Když vysuneme ventilátor a odšroubujeme čelní mřížku celkem snadno se ke konektoru dostaneme a můžeme potřebné úpravy provést. Vyvedeme i vodič s napětím 0V ventilátoru a přívod napájecího napětí do ventilátoru. Takže do nadstavby vedeme 3 Vodiče. Napětí 0V ventilátoru je uvnitř zdroje spojeno s kladnou výstupní zvorkou +48V zdroje. Napětí +12V pro ventilátor je tedy kladné vůči +48V výstupního napětí. Výstupní svorka 0V zdroje je tedy vůči 0V naší desky na záporné polariritě -48V.
Protože jsem měl k dispozici napájecí napětí pouze 12V nemohl jsem ventilátor regulovat PWM signálem jako v PA 144MHz. Proto jsem se rozhodl použít čtyřstupňovou regulaci ventilátoru pomocí srážecích odporů. Ventilátor je trvale napájen přes odpor R1 kterým jsou dány základní otáčky ventilátoru. Pokud je chceme zvýšit připínáme k R1 postupně kombinace odporů R2 a R3. Nakonec jsou odpory zcela překlenuty tranzistorem T3 a ventilátor je tak napájen plným napětím 12V. Jednotlivé otáčkové stupně jsou zařazovány tranzistory T1 až T3. Jejich gate jsou z řídícího procesoru ovládány tranzistory T4 až T6. To je hlavní funkčnost popisované řídící desky. Jednotlivé otáčkové stupně jsou zařazovány na základě kombinace změřené teploty vyfukovaného vzduchu a odebíraného proudu. Teplota je měřena čidlem DS18B20 připojeným na port PC5 procesoru. Odebíraný proud se měří bočníkem R7. Napětí z něj je zesíleno pomocí OZ IC4. Zde je nutné použít kvalitní OZ. Já jsem použil svůj oblíbený OP07 který zde s odřenýma ušima ještě vyhoví. Vhodnější by byl nějaký precizní typ s co nejmenším napěťovým ofsetem. Přesné dostavení měřeného proudu se provádí trimrem R20. Měření napětí 48V provádím děličem R12 až R14. Trimrem R14 se dostavuje přesná hodnota naměřeného napětí. Naměřené napětí je vůči zemi řídící desky záporné. Proto ho musíme konvertovat na kladnou polaritu pomocí dvojitého OZ IC3. Zde stačí jakýkoliv levný OZ vhodný pro napájení +-5V.
Procesor naměřené údaje zobrazuje pomocí dvouřádkového displeje. Ten je připojen k desce pomocí asi 20cm dlouhého plochého kabelu. To se ukázalo jako problém. Displej se každou chvíli zakousnul a ukazoval nesmysly. Používám laciný čínský displej a to je možná důvod tohoto chování. Nakonec se jako řešení ukázalo zakončení všech datových vodičů na straně displeje odpory 10k vůči zemi. Tím jsem tyto problémy zcela odstranil. Použity jsou SMD odpory které jsem připájel přímo k připojovacím ploškám displeje. Tyto odpory nejsou zakresleny ve schématu zapojení. Nevím, zda budou potřeba i u jiných typů displeje. Kontrast displeje se nastavuje trimrem R27. Proud pro podsvícení je nastaven odporem R9. Jako zdroj referenčního napětí používám IO1 - TL431. To je pro uvažovaný účel dostatečně přesná reference. Pro ohlášení poruchových stavů používám pískátko připojené přes kondenzátor k pinu PC2 procesoru. Na pinech sériového portu procesoru RXD a TXD jsou k dispozici naměřená data. Jsou tam vystavována s periodou okolo 1s. Procesor se programuje pomocí standardně zapojeného ISP konektoru.
Napájecí obvody jsou jednoduché. Kladné napětí +12V kterým se napájí celý obvod je odebíráno z napájecího napětí pro ventilátor. Stabilizátor IC1 z něj vyrábí napětí 5V pro napájení procesoru a kladné větve napájení OZ. Záporné napětí pro napájení OZ získávám ze zdroje 48V. Z napětí -48V se vyrábí -5V zenerovou diodou D2 napájenou přes odpor R24.
Konstrukce řídícího obvodu
Jak již jsem napsal celý řídící obvod je umístěn v jakési nástavbě připevněné k horní části zdroje. Čelní panel je vytištěn na 3D tiskárně. Zadní panel je z ocelového plechu. Proto jsou u zadního panelu vytištěny jen propojovací bočnice. Čelní a zadní panel jsou pak pro zvýšení pevnosti spojeny profilem ohnutým z ocelového plechu.
Protože mám k dispozici dostatek prostoru je DPS ozazena běžnými vývodovými součástkami, pouze procesor a několik blokovacích kondenzátoru je v provedení SMD. Bočník který je umístěn v zadní části nástavby jsem zakoupil na Aukru. Původní plastový držák se bohužel o pár milimetrů nevešel do prostoru nástavby a navíc bych pro něj musel vrtat nové upevňovací otvory. Proto jsem 3D tiskárnou z ABS vytiskl nový držák který jsem navrhl tak, aby mohl využít původní otvory se závity v skříni zdroje.
Připevňovací otvory DPS jsou opět navržené tak, aby lícovaly s původními otvory se závity ve skříni zdroje. Do těchto otvorů je DPS přišroubována přes distanční sloupky výšky 7mm vytištěnými 3D tiskárnou. Dejte velký pozor na délku upevňovacích šroubů. Již asi 2mm pod stěnou skříňky je DPS zdroje. Je sice vůči skříňce izolovaná plastovou fólií ale na to bych příliš nespoléhal...
Displej je přišroubován do vytištěných nálitků v čelním panelu. Propojení na řídící desku je tvořeno plochým kabelem. Teplotní čidlo je umístěno v držáku tvořeném ocelovou trubičkou se šroubem v horní části. Tímto šroubem je držák nasunut do díry v zadním panelu a zvrchu přitažen matkou. Trubička je na konci kde je vloženo čidlo DS18B20 provrtaná takže kolem čidla může proudit vzduch ale čidlo je chráněno proti mechanickému poškození. Vývody čidla jsou protaženy vnitřkem držáku a vyvedeny dovnitř nástavby zdroje. Čidlo je umístěno tak, aby ho ofukoval proudící vzduch vystupující ze zdroje.
Původní výstup zdroje tvoří pružné kontakty v konektoru na zadní straně zdroje. Nevymyslel jsem žádné mechanicky dost solidní provedení protikusu konektoru a tak jsem k těmto kontaktům výstupní vodiče prostě připájel. Aby tyto vývody nebyly zezadu volně přístupné vytisknul jsem 3D tiskárnou izolační kryt, který je zezadu na konektor nasazený a přišroubovaný k nadstavbě.
Oživení řídící desky zdroje
Ještě před výrobou a instalací popisovaného zařízení bychom měli nastavit správné výstupní napětí a ověřit že zdroj je schopen dodat plný proud. Na zdroji jsem našel 5 ovládacích trimrů kterými lze ovlivnit jeho chování. Bohužel se mi nepodařilo zjistit přesný význam jednotlivých trimrů takže ho pouze odhaduji. Pokud by někdo znal přesnou funkci jednotlivých trimrů budu rád pokud se mi ozve.
Dva trimry jsou v otvorech na čelním panelu. Otvory byly půvofně přelepeny nálepkou. Trimr který je blíže ke kontrolkám řídí proud a vzdálenějším se řídí napětí. Nejprve nastavíme požadované výstupní napětí mezi 48 až 50V. Pokud napětí přesáhne 50,7V začne pípat bzučák na řídící desce. Je to ochrana upozorňující na přepětí. Ve zdroji je ještě jeden trimr ovlivňující napětí. Je umístěn pod otvorem v horním krytu zdroje přibližně uprostřed délky zdroje. Tento trimr patrně ovlivňuje maximální napětí které lze nastavit ( ochtrana proti přepětí ? ). Otáčení tohoto trimru nemá pozorovatelný vliv protože námi nastavené napětí je pod úrovní napětí ochrany.
Složitější je nastavení proudu. Trimrem v čelním panelu se zřejmě nastavuje jemně hodnota maximálního proudu. Pod otvory v horním krytu zdroje blízko čelního panelu jsou další dva trimry které mají na proud vliv. Oba jsem musel vytočit na maximum abych dosáhl maximálního proudu cca 28A. Bohužel neznám přesný význam těchto primrů a protože jsem měl na testování jen odpory s úhrnným výkonem cca 250W musel jsem zkoušet a testovat velmi rychle. Pokud někdo zná přesný význam těchto trimrů budu vděčný za zprávu. Při překročení maximálního nastaveného proudu zdroj nevypne ale začne omezovat napětí. Takže pozor na překračování maximálního proudu ve špičkách - při SSB by to mohlo způsobovat spletry aniž bychom si něčeho všimli. Původně jsem chtěl hlídat i pokles napětí ze zdroje. Zdroj ale pak při vypínání dlouho a nepříjemně pípal takže jsem indikaci nízkého napětí snížil asi na 15V.
Řídící deska je velmi jednoduchá proto i oživení a nastavení nebude žádný velký problém. Jako obvykle nejprve osadíme napájecí obvody a změříme napájecí napětí +5V a -5V. Pokud je vše v pořádku osadíme zbytek desky kromě procesoru a OZ. Zkontrolujeme napětí 2,5V na katodě reference IO1. Pak otestujeme regulaci otáček. Připojujeme postupně napětí 5V na báze T4 až T6 přes odpory R15 až R17 a sledujeme jak se mění napětí na ventilátoru a jeho otáčky.
Pokud je vše v pořádku osadíme i procesor, oba OZ a připojíme displej. Po zapnutí bychom měli vidět na displeji jednu řádku rozsvícených kostiček. Pokud je displej prázdný nebo naopak celý rozsvícený bývá to obvykle způsobeno špatně nastaveným kontrastem. Trimrem R27 tedy nastavíme kontrast tak, aby byla zobrazena uvedená řádka dobře kontrastních kostiček. Pokud je to v pořádku, můžeme nahrát do procesoru ovládací program a nezapomeňte nahrát i "pojistky" podle obrázku.
Po nahrání firmware už by měla celá deska normálně fungovat. Po krátkém zobrazení verze firmware by se na displeji měl zobrazit standardní stav fungujícího zdroje. Měl by zobrazit přibližně správné výstupní napětí. Jeho přesnou hodnotu dostavíme trimrem R20. Zkusíme ze zdroje odebírat přes 10A do nějaké dostatečně dimenzované zátěže a podle kontrolního ampérmetru nastavíme správnou hodnotu proudu na displeji trimrem R23. Ve spodním řádku zdroj zobrazuje teplotu výstupního vzduchu a vypočítané hodnoty - odpor, kterým je zdroj zatížen a výstupní výkon. Tím je nastavení ukončeno.
Při zapnutí a vypnutí zdroje může několikrát pípnout pískátko. To má správně při zapnutí jednou pípnout a při vypnutí má být potichu. Proudový náraz při zapnutí ale může překročit 30A a ochrana vybaví a několikrát pípne. Při vypnutí je vybavení ochrany způsobeno rychlou ztrátou napětí +5v a OZ pak ujedou a vybaví ochrany. Tomu by jistě šlo zabránit, ale nemám chuť to znova předělávat - jde o kosmetickou závadu takže jsem se s ní smířil :-).