KIT103 - High Power SMPS 500/1000/2000W (Colectia Tehnium Azi)

[donpetru]

Inainte sa descriu acest subiect, as vrea sa multumesc tuturor celor care au trimis mesaje cu prilejul sarbatorilor de iarna pe adresa redactiei Tehnium Azi. Aproape ca s-a umplut casuta de e-mail si e chiar un lucru bun, pentru ca asta inseamna ca va pasa de ceea ce inseamna sau a inseamnat conceptul de Tehnium in Romania. Eu incerc doar sa-l mai revitalizez un pic!

Totodata, pentru ca nu mai e mult si e Craciunul, as dori sa urez tuturor membrilor un Craciun Fericit si ce anume putea sa aduca "mosul" membrilor acestei comunitatii, decat un kit electronic educational, promis de ceva vreme si finalizat recent. E vorba de un proiect (relativ complex) de sursa in comutatie care poate fi personalizat pentru diverse intrebuintari. In proiect am personalizat sursa pentru alimentarea a cel putin trei circuite electronice diferite: doua amplificatoare audio de mare putere, un circuit preu si/sau corector de ton, si nu in ultimul rand, o iesire de +5Vcc pentru alimentarea unui panel LCD cu microcontroler. Ca topologie, am adoptat o configuratie Half brigde simplificata cu reactie de tensiune si curent, cu protectie la supratemperatura si controlul turatiei ventilatorului in functie de temperatura.

Nu stiu daca in acest prim mesaj am sa reusesc sa descriu in totalitate acest proiect din Colectia Tehnium Azi, dar inainte de toate am sa va las sa studiati proiectul PROTOTIP cu pdf-ul postat mai jos:
KIT103 - High Power SMPS 500-1000-2000W.pdf
Toate rezistentele care au simbolul PCB de cele mai mici dimensiuni (distanta dintre pinii 10mm) sunt de cel putin 0.25W. Strapurile de curent mare vor fi realizate din conductor de cupru cu diametru de 1.5 - 2mm. Cablajul bottom il printati asa cum este acolo (este deja realizat in oglinda). Ca IGBT-uri se pot folosi mai multe modele (cine e interesat si demareaza proiectul poate sa ma intrebe aici si o sa-i raspund). Strapurile obisnuite se vor realiza cu gauri de 0.7mm diametru. Frecventa de comanda a IGBT-urile este de cca. 55kHz. Atentie si la ce tipuri de IGBT-uri, ca echivalent, va ganditi sa folositi (cele de generatie mai veche nu sunt proiectate sa functioneze optim concomitent la frecvente si curenti asa mari).

Momentan cam atat despre acest proiect. Daca sunt intrebari va rog sa le formulati. Oricum, proiectul in sine, poate reprezenta, cel putin in perioada sarbatorilor de iarna un exercitiu teoretic si practic destul de bun. Aviz, tinerilor electronisti amatori care vor sa treaca la un alt nivel. Spunea odata cineva: daca iti place electronica si nu ai facut niciodata o sursa in comutatie, cat de simpla e ea, atunci nu esti electronist. Asa ca, nu e rau sa incercati sa va formati o idee despre ce inseamna si cum functioneaza o sursa SMPS, care incetul cu incetul va reprezenta (daca nu chiar reprezinta!) viitorul modern al alimentatoarelor electronice.

Inca o data CRACIUN FERICIT si NUMAI BINE.

[politehnica]

Felicitari pentru acest proiect din colectie.

Oricum, mai mult ca sigur fiind o sursa SMPS vor mai trebui cizelate anumite valori ale componentelor pasive. La o sursa SMPS e destul de multa munca, mai ales sa faci sursa sa fie fiabila si sa lucreze corect in specificatiile de iesire dorite.

 

Craciun Fericit.

[prog]

Cool, un cablaj de nota 10. Felicitari donpetru (Donuțe Petrișor). Un kit educational numai potrivit pentru cine vrea sa invete cum functioneaza un SMPS.

 

Multa sanatate tuturor.

[spiderman]

Felicitari pentru proiect.

CRACIUN FERICIT

[gabriel]

foarte misto realizat bvo donpetru. si eu de gand sa realizez o sursa in comutatie dar de putere mult mai mica maxim 300w(30V,10A).am gasit ceva care mi-ar satisface cerintele dar nu prea gasesc circ de comanda (tl494) sa-l simulez intr-un soft ceva.

uite aici link sa vezi despre ce vb: http://uzzors2k.4hv.org/index.php?page=benchsmps1

ideal ar fi sa folosesc componente din surse de pc eventual sa mai cumpar cateva.

am si eu doua intrebari:

ceva un tutorial complect cum sa realizam o semenea sursa (circuite de protectie si tot felul de nazdravenii) ???

si de simulat o schema ce soft folosesti?

[dan_e]

Salut, cred ca acest proiect contine cel mai mare cablaj imprimat pe format A4! :music_drums: Felicitari! :whistling2:

 

gabriel, donpetru utilizeaza din ce stiu eu, Multisim, dar tare mult as vrea sa deprind si eu cate trucuri in utilizarea simulatorului (multi nu inteleg simulatorul si se precipita foarte repede). Nu ar fi rau si un model matematic Spice pentru TL494 si IR2110 care sunt extrem de greu de gasit. Daca are cineva, sa-mi spuna si mie.

 

Apoi, vorba lui politehnica, e foarte greu sa pui la punct o sursa in comutatie.

As avea totusi o intrebare referitoare la proiect - nu prea am inteles eu - de ce e nevoie optional de intrefier si nu obligatoriu?

 

stima

dan

[donpetru]

Multumesc.

 

Un tutorial complet din pacate nu am. Oricum, sunt o sumedenie de informatii pe internet, cu preponderenta in limba engleza, care se pot lega intr-un tutorial. Conceperea unui astfel de tutorial detaliat este destul de greu de facut si nu stiu daca exista cineva pe forum sa faca lucru asta gratis, avand in vedere ca necesita si mai mult timp. Tutoriale mai simple am mai vazut - parmise chiar si in limba romana - dar au multe goluri si pe alocuri inadvertente.

Referitor la un model spice multisim pentru TL494, acesta se gaseste pe internet, cu observatia ca trebuie corect implementat in software (mici ajustari). La IR2110 inca nu am gasit un model spice compatibil pt. Multisim.

 

Referitor la existenta optionala a intrefierului, trebuie mentionat faptul ca, cu miezurile de ferita exemplificate in proiect se pot obtine la aceesi frecventa de comutatie puteri putin mai mari decat cele declarate: 500/1000/2000W. Am preferat sa ma limitez la aceste puteri tocmai pentru a evita o posibila intrare in saturatie a transformatorului SMPS, intrare in saturatie care este deregula eliminata prin realizarea acelui intrefier. Cum puterile caracteristice ale sursei din proiect sunt mai mici decat cele care pot fi atinse cu acele tipuri de miezuri, in urma calculelor am considerat ca nu este obligatoriu realizarea intrefierului, ramanand la alegerea constructorului, dupa ce va efectua diferite teste pe prototip.

 

Numai Bine

[dan_e]

mersi, mai am o nelamurire.

 

Am vazut pe forumul electronistilor ca a realizat un utilizator de acolo cu numai o singura pereche IRG4PC50, o sursa smps de 2500W, utilizand tot doua E-uri EDT59 (v-am trimis pdful ala prin e-mail). De ce ati folosit dvs. 2 perechi de IGBTuri in proiectul din colectie ? S-ar putea folosi IRG4PC50 in locul IGBTurilor din KIT-103?

 

stima

dan

Editat Decembrie 26, 2010 de dan_e

[donpetru]

M-am uitat in pdf-ul trimis cu numele: SMPS 2500-01. Am vazut ca e vorba tot de un smps half brigde. Referitor la acel pdf as avea cateva lucruri de subliniat sau motive din cauza carora nu e bine sa folosim in sursa o singura pereche IGBT de tipul IRG4PC50, asa cum s-a utilizat acolo:

1. Sa nu uitam un aspect referitor la tranzistoarele IGBT: cu cat temperatura capsulei IGBT-ului creste, cu atat mai mult scade puterea maxim admisa disipata de acesta. Spre exemplu, in cazul tranzistorului IRG4PC50, o sa vedeti ca la temperatura mediului ambiant (25 gr.C) acesta poate disipa maxim 200W, pe cand la o temperatura a capsulei de 100 gr.C se recomanda sa nu se disipe mai mult de 78W. In plus, trebuie sa ne luam si niste marje de siguranta, adica nu putem sa lasam tranzistorul sa disipe atat nici atunci cand apare la iesirea sursei un scurtcircuit accidental chiar daca lucreaza protectia (protectia lucreaza la k*I_nominal, deci fata de puterea disipata in regim nominal de functionare mai apare un surplus). Acest surplus, care poate fi si de 25...50% din puterea disipata in regim nominal, se aduna cu puterea disipata nominala, iar suma rezultata de puteri trebuie sa fie mai mica decat acei 2x78W (daca folosim acele IGBT-uri). Cum o sursa smps half brigde are un randament relativ mic in comparatie cu celelalte topologii smps, si din cauza ca in primarul transformatorului SMPS regasim aprox. jumatate din tensiunea redresata de la retea, in cazul debitarii pe iesire a unei puterii de 2000W (mai mult nu se merita si din cauza randamentului acestei topologii smps), o pereche de tranzistoare IGBT trebuie sa fie capabile sa disipe mai mult de 200W (am exclus incalzirea trafo). Deci e peste acei 2x78W spusi anteriori. Aici se mai adauga si eventuale posibilitatii de suprapunere a conductie (e suficient 1us) care poate apare din diverse motive, si care cu siguranta, daca am folosi doar o singura pereche de IRG4PC50, nu ar face altceva decat sa reduca la minim durata de viata a sursei sau durata de functionare (exprimata in procente) la P_nominal.

 

2. Al doilea si cred ca cel mai important motiv datorita caruia nu se poate face o sursa de acest gen cu numai o singura pereche de IRG4PC50, este cel referitor la graficul frecventei de c-da a IGBT-urilor in functie de curent, grafic pe care il puteti studia in datasheet-ul produsului si pe care il reproduc mai jos:

Mi-ai spus ca acea schema smps lucreaza tot la aprox.50...60kHz (cica asa ar fi declarat autorul schemei!). Nu inteleg pe ce baza a declarat acest lucru, pentru ca conform graficului si tinand cont de curentul varf prin tranzistoarele IGBT, la o frecventa de comutatie de 50kHz, producatorul IGBT-urilor recomanda un curent rms prin tranzistoare de maxim 5..6A. Cum valoarea curentului ce tranziteaza acele tranzistoare e in realitate de doua ori mai mare decat curentul limita rezultat din grafic, rezulta clar ca trebuie sa folosim min. doua perechi de IGBT-uri IRG4PC50 pentru a evita stresarea aiurea a unei singurii perechi, cu consecinte destul de grave asupra duratei de viata a sursei SMPS.

 

Deci, acestea sunt motivele din cauza carora am prevazut sursa kit103 cu doua perechi de IGBT-uri, nu asa cum s-a procedat in pdf-ul pe care mi l-ai trimis.

 

Si daca tot ai deschis aceasta problema, referitor la acel pdf, ca si la alte surse smps pe care le mai gasiti, mare atentie cum dimensionati driver-ul care c-da IGBT-urile. Nu se poate folosi orice circuit integrat driver ca sa comandam 1 sau 10 perechi de IGBT-uri. Am vazut multe greseli prin proiecte de surse smps hobby, pe internet, care trec cu vederea acest aspect, foarte important in realizarea unei surse SMPS fiabile.

 

Numai Bine si daca mai sunt intrebari referitoare la KIT103 va rog sa le expuneti. Daca doriti consultanta pe alte scheme electronice, va rog sa deschideti un subiect intr-o sectiune potrivita din forum.

[Vizitator Fogonazo]

Apreciez contribuţia interesant, bine explicate şi prezentate.

 

Sarbatori fericite si multumesc din nou.

 

Ne pare rău pentru orice greşeli, ?n scris, limba mea natural este spaniola

[iulian_zamfir]

mersi, mai am o nelamurire.

 

Am vazut pe forumul electronistilor ca a realizat un utilizator de acolo cu numai o singura pereche IRG4PC50, o sursa smps de 2500W, utilizand tot doua E-uri EDT59 (v-am trimis pdful ala prin e-mail). De ce ati folosit dvs. 2 perechi de IGBTuri in proiectul din colectie ? S-ar putea folosi IRG4PC50 in locul IGBTurilor din KIT-103?

 

stima

dan

dan, cred ca te referi la pdf-ul de mai jos

SMPS 2500-01.pdf

facut de sorteh de pe forumul electronistilor.

Are dreptate donpetru mai sus, e putin o pereche de IGBT si mai ales de 200W fiecare pentru o sursa declarata de 2500W. Am vazut surse de astea facute majoritatea cu doua perechi IGBT de 200W sau chiar 400W.

 

Dar pana la urma nu asta vroiam sa spun neaparat. Felicitari donpetru pentru proiectul din colectie. As avea o intrebare: conectorii de intrare - iesire, adica astia incadrati cu rosu:

de care tip sunt sau cum arata in realitate?

 

Sarbatori cu bine

[donpetru]

Conectorii din imaginea de mai sus sunt niste terminale PCB bloc de 15..20A cu distanta dintre pinii de 10mm (vedeti si imaginea atasata spre exemplificare).

 

Totodata, as vrea sa mai adaug.

a. Temporizarea la anclansarea releului de pe alimentarea sursei SMPS se poate regla prin modificarea rezistentei R14 astfel:

- R14=33kOhm ---------- t =3 sec.;

- R14=39kOhm ---------- t =4 sec.;

- R14=47kOhm ---------- t =5 sec.

b. Daca intentionati sa printati partea copper bottom a cablajului, prezentata la finele proiectului, va trebui sa printati cablajul la dimensiunile reale selectand optiunea Page Scaling = None.

c. Nu uitati sa folositi condensatoare LOW ESR acolo unde am precizat pe cablaj lucru asta.

 

Numai Bine

[leo_electro]

Foarte misto sursa SMPS! Multe succesuri si multa sanatate.

 

Am citit prin alte parti ca la bobinarea trafurilor smps se mai foloseste litz wire. Definitia litz wire am luat-o de aici:

http://www.litz-wire.com/applications.html

spune asa:

What is Litz wire? The word "Litz" is derived from the German word "Litzendraht" meaning woven wire. It refers to wire consisting of a number of individually insulated magnet wires twisted or braided into a uniform pattern, so that each strand tends to take all possible positions in the cross-section of the entire conductor. This multi-strand configuration or Litz construction is designed to minimize the power losses exhibited in solid conductors due to "skin effect". Skin effect refers to the tendency of current flow in a conductor to be confined to a layer in the conductor close to its outer surface. At low frequencies, skin effect is negligible, and current is distributed uniformly across the conductor. However, as the frequency increases, the depth to which the flow can penetrate is reduced. Litz wire constructions counteract this effect by increasing the amount of surface area without significantly increasing the size of the conductor.

 

Acum intreb si eu: se poate folosi litz wire ca sa bobinam traful smps din kit103 si daca da, de care litz wire? Sau e vreo diferenta la frecventa asta de 55kHz daca folosim litz wire sau conductor CuEm, asa cum se arata in proiectul kit103?

Intreb si eu chestiile astea pentru ca litz wire e destul de scump si nu as vrea sa dau banii degeaba, mai ales daca merge bine si cum e in proiect kit103 (mai multe conductoare CuEm in paralel de 0,6mm diam.))

 

:furious2:

Editat Decembrie 27, 2010 de leo_electro

[donpetru]

Inainte sa spun daca se poate sau nu folosi litz wire, am sa incerc sa expun cateva aspecte teoretice ale problemei.

 

Se cunoaste faptul ca curentul alternativ se repartizează neuniform în secţiunea conductorului iar densitatea este maximă la suprafaţa conductorului şi scade spre axa de simetrie a conductorului. Acest fenomen se numeşte efect pelicular. Apoi, repartiţia neuniformă a curentului pe sectiune conduce la creşterea rezistenţei conductorului (componenta reactivă se micşorează). Un conductor masiv este asimilat cu un ansamblu de conductoare tubulare subţiri concentrice. Conductoarele din interior sunt înlănţuite de mai multe linii de câmp magnetic deci au o inductanţă mare (deci o impedanţă mai mare) şi ca urmare, un curent mai mic. Acelaşi principiu explică şi efectul de proximitate. Datorita repartitiei neuniforme a curentului alternativ pe sectiunea conductorului, la valori mari ale curentului, daca am folosi un singur conductor, ar rezulta un conductor de sectiune foarte mare (neeconom). Pentru a evita aceasta problema, la valori mari ale curentului/frecventei, se folosesc mai multe conductoare in paralel de o anumita sectiune.

 

In cazul transformatoarelor SMPS, datorita efectului pelicular (skin efect) si de proximitate, curentul alternativ va avea o anumita adancime de patrundere prin conductorul care circula. Adancimea de patrundere in secundarul transformatorului este influentata in primul rand de campului magnetic si frecventa, pe cand in infasurarea primara este preponderat dependenta de frecventa dupa formula: r=radical(4,44/f), unde f reprezinta frecventa curentului alternativ, r - raza maxim admisa a conductorului prin care circula curentul alternativ.

Utilizand aceasta formula se poate trasa, in functie de anumite frecvente, valoarea maxima a diametrului conductorului. Pentru a obtine o anumita sectiune corespunzatoare unui anumit curent cerut de infasurarea primara, va trebui sa folosim mai multe conductoare in paralel. Sunt anumite situatii cand adoptarea litz wire nu reprezinta cea mai buna solutie, ca de exemplu: atunci cand primarul absoarbe aprox. 15-20A cu EDT59, asa cum e in cazul KIT103, nu e suficient sa folosim un singur conductor litz wire de 1,5mmp pentru ca la curentul nominal s-ar incalzi destul de mult iar spatiu ocupat in fereastra trafo va fi si mai mare, cu atat mai mult cu cat impartim infasurarea primara in doua straturi (asa cum e recomandat).

 

Mai jos am postat un tabel simplu unde se poate vedea pentru o anumita frecventa a curentului, valoarea maxim admisa a diametrului conductorului ce se va folosi la bobinarea transformatoarelor SMPS. Cum majoritatea conductoarele litz wire contin mai multe conductoare cu diametre de pana in 0.1mm, utilizarea conductorului litz wire se justifica doar la frecvente mai mari decat cea corespunzatoare diametrului de 0,19mm din tabel. In celelalte situatii, frecvente mai mici, utilizarea litz wire este doar un moft.

frecv vs diametru conductor trafo SMPS.pdf

 

Numai Bine

[politehnica]

Sa va spun si opinia mea: ideea e ca la frecvente pana in 100kHz nu e musai sa folosim litz wire (90% de producatori de surse smps nu folosesc, pt. ca nu se justifica economic si chiar nu conteaza, pentru ca perfomantele nu se imbunatatesc mai deloc). Dar nu asta e marea durere, ci mai sunt si alte probleme la realizarea smps, cum ar fi bobinele de iesire (e foarte important sa nu se satureze bobinele alea la frecvente mari - nu uitati, cu redresor bialternata avem 2x55kHz riplu pe bobinele de iesire).

E buna ideea sa impartim primarul in doua, chiar daca multi o sa spuna ca nu e mare diferenta. Daca nu impartim primarul in doua, pierderile trafo sunt cu 20...30% mai mari si lucru asta chiar conteaza la o sursa de 2000W.

 

.. si eram cat pe ce sa uit, am vazut ca nu s-a mentionat asta: aveti grija cum bobinati transformatorul: notati inceputul si sfarsitul infasurarilor.

 

Multe succese si inca o data felicitari donpetru pentru proiect. Cred ca e prima sursa smps detaliata asa mult pe internet.

Editat Decembrie 28, 2010 de politehnica