Electronic DC load

[finos]

Σήμερα θα σας παρουσιάσω ένα DC φορτίο που σχεδίασα και κατασκευάσαμε παρέα με κάποιους συνάδελφους από τη σχολή!

Κατά τη σχεδίαση και κατασκευή ενός γραμμικού εργαστηριακού τροφοδοτικού, βρέθηκα να χρειάζομαι έναν τρόπο να τραβήξω, μια σταθερή τιμή ρεύματος από το υπό δοκιμή κύκλωμα για να ελέγξω διάφορες παραμέτρους. Αν η σταθεροποίηση είναι καλή , εάν φέρνει θόρυβο κτλ. Ενώ ταυτόχρονα έχω μια σχετικά καλή ακρίβεια στον έλεγχο αυτής της τιμής. Το να έβαζα παράλληλα αντιστάσεις ισχύος ήταν απλά εκτός συζήτησης γιατί και δε θα μπορούσα ευκολά να ελέγχω το ρεύμα που θα περνούσε από αυτές αλλά και δεν θα είχα τη απαιτούμενη ακρίβεια καθώς όσο θερμαινόταν οι αντιστάσεις θα άλλαζε και τη τιμή αντίστασής τους αρά θα μεταβαλλόταν και το ρεύμα που τις διαρρέει.

Τότε αποφάσισα να σχεδιάσω ένα DC φορτίο . Το οποίο με τη ενσωμάτωση ψηφιακού ελέγχου, προσφέρει περισσότερες λειτουργίες από απλά τη ρύθμιση του επιθυμητού ρεύματος.:
Συνημμένο Αρχείο 87509


Μερικά από τα χαρακτηριστικά του οργάνου είναι τα παρακάτω:

• 40VDC /20 A, Μέγιστη συνεχομένη ισχύς 700 W peak 800W

• Ανάλυση ADC: 0.01 mV, 0.1 mA

• Ανάλυση DAC: 0.1 mV, 0.1 mA

• 4 στατικές λειτουργίες: CC, CV, CR, CP

• Ανάλυση μπαταριών (χωρητικότητα , εσωτερική αντίσταση)

• Overvoltage, Current, Power, Temperature Protection

• Ενσωματωμένο LxI/LAN με υποστήριξη εντολών SCPI για datalogging από εφαρμογή στο PC.

Η κατανάλωση του ρεύματος γίνεται από μια συστοιχία τεσσάρων irfp3206pbf N-Channel mosfet τα οποία είναι συνδεμένα σε Τελεστικό ενισχυτή LM358 στη διάταξη "voltage controlled resistor" ανά 2 παράλληλα,
διαμορφώνοντας έτσι 2 «κανάλια» ελέγχου.


Τον ψηφιακό έλεγχο τον αναλαμβάνουν 2 12bit MCP4725 DAC, η έξοδος από το κάθε ένα συνδέεται με τη αντίστοιχη μη αναστρέφων είσοδο της διάταξης του τελεστικού , και προσφέρει μια πολύ καλή ακρίβεια κάτω από το mA,
Για το feedback της τάσης και του ρεύματος χρησιμοποιήσαμε το 16Bit ADC ADS1115
Για τη μέτρηση του ρεύματος τη αναλαμβάνει το ACS712 , κρίθηκε απαραίτητη η χρήση hall effect αισθητήρα για διάφορους λογούς , αρχικά μέγεθος και τη θερμότητα που θα είχαμε να διαχειριστούμε από μια current shunt αντίσταση, το κόστος της καθώς και το drift. Από τη εμπειρία μου με αυτό το ολοκληρωμένο δε είχα ποτέ τα παραπάνω θέματα και για άλλη μια φορά μας έβγαλε ασπροπρόσωπους.

Η διαχείριση της εκλυόμενης θερμότητας σε αυτό το project ήταν πραγματικά ένας εφιάλτης, Η χρήση mika για απομόνωση του transistor από τη ψήκτρα δεν ήταν επιλογή καθώς η θερμική αντίσταση της ήταν αρκετά υψηλή οπού μας κατέστρεφε τα transistor . Τελικά καταλήξαμε στο να αφήσουμε να έχει κατευθείαν επαφή το mosfet με το μέταλλο , προσέχοντας να είναι καλά μονωμένη η ψήκτρα από το σασί μαζί με αισθητήρες θερμότητας στις ψήκτρες οι οποίοι θα κόψουν το test εάν η θερμοκρασία ανεβεί επικίνδυνα . Για προστασία και του οργάνου αλλά και του DUT καθώς τα mosfet αποτυχαίνουν ως βραχυκύκλωμα , Συνταγή της επιτυχίας για να κάψεις τροφοδοτικά κλπ. εάν δε υλοποιήσεις προστασίες.


Η μέτρηση τάσης πραγματοποιείται μέσα από έναν διαιρέτη τάσης με αντιστάσεις ακρίβειας , καθώς επίσης έχουν προσδεθεί και clamping diodes για προστασία του ADC από ανεπιθύμητες ή ανάστροφες τάσεις.
Φυσικά υπάρχει η επιλογή για εξωτερικό voltage sensor , που μας επιτρέπει να μελετάμε τη επίπτωση της πτώσης τάσης πάνω στα καλώδια .

Ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιήσαμε είναι το καινούριο , ATMega4809 συσκευασμένο και συμβατό με το πακέτο του Arduino nano με τη καινούρια ονομασία Arduino Nano Every.
Ο λόγος που επιλέχθηκε αυτός ο mcu αντί του κλασικού atmega328p είναι η υπερδιπλάσια Ram & flash που προσέφερε και χρειαζόμασταν για το project .

schematics , κώδικα καθώς κι εξτρα φωτογραφίες μπορειτε να τις βρειτε στο github του project

[SProg]

Μία ερώτηση, εφόσον 'ουσιαστικά' υπάρχει shunt-resistor στο κύκλωμα για την οδήγηση των Mosfets, γιατί δεν βάλατε μία (όχι 4) αντίσταση ακριβείας με ένα current sense amplifier αλλά επιλέξατε να βάλατε ένα hall sensor με output error 1.5% για τη μέτρηση του ρεύματος;

Για τη μέτρηση του ρεύματος τη αναλαμβάνει το ACS712 , κρίθηκε απαραίτητη η χρήση hall effect αισθητήρα για διάφορους λογούς , αρχικά μέγεθος και τη θερμότητα που θα είχαμε να διαχειριστούμε από μια current shunt αντίσταση, το κόστος της καθώς και το drift. Από τη εμπειρία μου με αυτό το ολοκληρωμένο δε είχα ποτέ τα παραπάνω θέματα και για άλλη μια φορά μας έβγαλε ασπροπρόσωπους

Δυστυχώς, τα παραπάνω δεν ισχύουν. Άλλοι είναι οι λόγοι που επιλέγουμε hall-sensors σε εφαρμογές.

[finos]

Μία ερώτηση, εφόσον 'ουσιαστικά' υπάρχει shunt-resistor στο κύκλωμα για την οδήγηση των Mosfets, γιατί δεν βάλατε μία (όχι 4) αντίσταση ακριβείας με ένα current sense amplifier αλλά επιλέξατε να βάλατε ένα hall sensor με output error 1.5% για τη μέτρηση του ρεύματος;


Δυστυχώς, τα παραπάνω δεν ισχύουν. Άλλοι είναι οι λόγοι που επιλέγουμε hall-sensors σε εφαρμογές.

Ξερω πως τα hall effect sensors εχουν ιδιότητες που εμεις δε κάνουμε χρήση εδώ , όπως πχ γαλβανική απομόνωση και για να είμαι ειλικρινείς αυτό που αναφέρεις (τη χρήση Τελεστικού για τη μέτρηση του ρεύματος από τις shunt ) το σκεφτήκαμε «στη μεση» του prototyping , αλλά καθώς η πλακέτα ειχε ηδη προχωρήσει πάρα πολύ , δε μπορούσε να γινει αλλαγή .


Πάντως βάζοντας διπλά το χειροποίητο όργανο από 5 ½ Πολύμετρο για να ελέγξουμε ακρίβεια και αξιοπιστία δε μπορώ να πω πως είχαμε σφάλμα στη μέτρηση .

[744]

Στο σχέδιο με τα τροφοδοτικά, το U3 κανονικά πρέπει να βγάζει 3.3v και όχι 5v. Μήπως αυτά τα δύο +5v είναι ενωμένα σε σημεία που δεν πρέπει;

Πέρα από αυτή τη σημείωση, ένα μεγάλο μπράβο για το project.

Ερώτηση: από πόσο ρεύμα και τάση ξεκινά να λειτουργεί το φορτίο;

[nestoras]

Συγχαρητήρια για την ολοκληρωμένη κατασκευή και παρουσίαση!
Μπράβο Βαγγέλη!

Για την παρατηρηση του 744, μαλλον εχει γινει καποιο λάθος στα net names αλλιώς παρακάμπτεται εντελώς ο ldo.

[andrewsweet4]

Έφτιαξα και εγώ κάτι παρόμοιο σαν τη διπλωματική μου στο μεταπτυχιακό, με τη διαφορά πως το δικό μου φορτίο ήταν σχεδιασμένο να εξάγει χαρακτηριστικές καμπύλες από φωτοβολταικά πάνελ. Επίσης το user interface το είχα απομακρυσμένα από οθόνη αφής στο δικό μου. Μια ερώτηση: όπως είναι συνδεδεμένα τα τελικά mosfet του φορτίου σου ανα 2, δεν παρατηρείς διαφορά στο ρεύμα που διαρρέει το καθένα mosfet του ζευγαριού; Εγώ είχα ένα τέτοιο θέμα και το έλυσα με active κυκλωματάκι στις πύλες των φετ για εξισορρόπηση φορτίου μεταξύ τους.
Παραθέτω και ένα σχηματικό από το δικό μου.

[finos]

Στο σχέδιο με τα τροφοδοτικά, το U3 κανονικά πρέπει να βγάζει 3.3v και όχι 5v. Μήπως αυτά τα δύο +5v είναι ενωμένα σε σημεία που δεν πρέπει;

Πέρα από αυτή τη σημείωση, ένα μεγάλο μπράβο για το project.

Ερώτηση: από πόσο ρεύμα και τάση ξεκινά να λειτουργεί το φορτίο;

Συγχαρητήρια για την ολοκληρωμένη κατασκευή και παρουσίαση!
Μπράβο Βαγγέλη!

Για την παρατηρηση του 744, μαλλον εχει γινει καποιο λάθος στα net names αλλιώς παρακάμπτεται εντελώς ο ldo.

Γιάννη & Παναγιώτη σας ευχαριστώ για τα καλά σας λογία !
&
Παναγιώτη σε ευχαριστώ για τη πολύτιμη βοήθεια σου στη σχεδίασή κι υλοποίηση ,
Ακριβώς , έγινε λάθος με τα netlabels , ο 3v3 ldo είναι απαραίτητος για τη λειτουργεία του ethernet chip το οποίο παρόλο που στα logic pins είναι 5v tolerant , απαιτεί 3v3 τροφοδοσία.

Η ελάχιστη τάση & ρεύμα για να ξεκινήσει να λειτουργεί το φορτίο καθορίζεται από τις shunt που έχουμε βάλει , αυτές είναι ο βασικος περιοριστικός μας παράγοντας . Από τα 0,16V ξεκιναει ,ενω μπορω να εχω ελενχο ρευματος απο τα 10mA στο CC mode

Έφτιαξα και εγώ κάτι παρόμοιο σαν τη διπλωματική μου στο μεταπτυχιακό, με τη διαφορά πως το δικό μου φορτίο ήταν σχεδιασμένο να εξάγει χαρακτηριστικές καμπύλες από φωτοβολταικά πάνελ. Επίσης το user interface το είχα απομακρυσμένα από οθόνη αφής στο δικό μου. Μια ερώτηση: όπως είναι συνδεδεμένα τα τελικά mosfet του φορτίου σου ανα 2, δεν παρατηρείς διαφορά στο ρεύμα που διαρρέει το καθένα mosfet του ζευγαριού; Εγώ είχα ένα τέτοιο θέμα και το έλυσα με active κυκλωματάκι στις πύλες των φετ για εξισορρόπηση φορτίου μεταξύ τους.
Παραθέτω και ένα σχηματικό από το δικό μου.

Όσο αναφορά για τoν παραλληλισμό των fet βασιστήκαμε στη θεωρία του μαθήματος ηλεκτρονικής από τη σχολή , οπού πρακτικά ο καθηγητής έλεγε πως mosfet που βρίσκονται στη ιδιά ψήκτρα , παραλληλισμένα , αντιδρούν σαν κάποιος είχε επεκτείνει το gate το drain το source από το ένα wafer στο άλλο , πρακτικά κάνοντας τα 1 fet . Γιατί (έλεγε) «αυτοδιορθωνονται» λόγω θερμοκρασίας. Αυτό που θα τραβήξει παραπάνω ρεύμα θα μεγαλώσει τη Rds του κι θα κατεβεί το ρεύμα , Αυτό θα γίνεται δυναμικά κι όλη την ώρα σε ολα τα παραλληλισμένα mosfets μας ειχε πει ο καθηγητής στη θεωρια
Και αυτό ηταν κατι που το ειδαμε στη πραξη . Κατά το prototyping ελέγξαμε εκτενώς για τυχόν διάφορες στις Ids των 2 παραλληλισμένο fet , που ποτε δεν ηταν μεγαλύτερη από μερικά mA . Διαφορά - σφάλμα- που πιθανών να οφείλετε το όργανο η μεθοδολογία μέτρησης ή και στις κατασκευαστικές ανοχές από τρανζίστορ σε τρανζίστορ .

Ps
εξαιρετικο το σχέδιο του φορτιού σου , μάλιστα μου έδωσες μια πολύ ωραία ιδεα για το πως να υλοποιήσω το input protection σε τυχων V2 , καθως εγώ υλοποίησα προστασία μονο με clamping στις εισόδους των ADC.

[spirakos]

Καλημερα,

Αρχικα συγχαρητηρια για την κατασκευη και την παρουσιαση

Αρνητικο θερμικο συντελεστή έχουν τα lateral mosfet, και δεν ειναι απαραιτητη η θερμική αντισταθμιση
Τα vertical mosfet οπως αυτα που χρησιμοποιησατε έχουν θετικο θερμικο συντελεστή

Αντρεα μπραβο και για τη δικη σου εργασια
Θα μπορουσες σε νέο θεμα να παρουσιασεις την κατασκευη σου, η οποια δείχνει αρκετα ενδιαφερουσα

[andrewsweet4]

Καλημέρα ομάδα!

Άναφορικά με τη διαφορά του ρεύματος Id που παρατήρησα ανάμεσσα στα 2 mosfet, και το κυκλωματάκι active balancing που χρησιμοποίησα, παραθέτω το παρακάτω απόσπασμα από την εργασία μου. Συγχωρέστε με για το μακροσκελές που post, απλά εκεί περιγράφεται αναλυτικά το φαινόμενο.

"Λόγω της θερμοκρασιακής αστάθειας που παρατηρήθηκε ανάμεσα στα δύο Mosfet του τελικού σταδίου ισχύος της συσκευής, κρίθηκε αναγκαία η προσθήκη μιας ενεργής διάταξης διαμοιρασμού του φορτίου στα Mosfet αυτά. Παρότι που η αντίσταση Rds(on) του καναλιού απορροής -€“ πηγής (Drain - Source) των N-Channel Mosfet αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, κάτι το οποίο θα έπρεπε ισορροπεί το ρεύμα εκροής Id στα δύο Mosfet, μετά από δοκιμές παρατηρήθηκε πως σε κάθε κύκλο μετρήσεων ένα από τα δύοMosfet αυτά ζεσταινόταν αρκετά πιο γρήγορα από το άλλο, κάτι το οποίο δημιουργούσε μια κατάσταση θερμικής διαφυγής (Thermal Runaway), με κίνδυνο την καταστροφή του τελικού σταδίου ισχύος.

Σχήμα 3.20: Μεταβολή Vgs(th) και RDS(on) σε σχέση με τη θερμοκρασία (Πηγή: Datasheet κατασκευαστή)

Μετά από μελέτη και μετρήσεις του σταδίου με θερμική κάμερα, διαπιστώθηκε πως ο αρνητικός θερμοκρασιακός συντελεστής της ελάχιστης τάσης πύλης Vgs(Th) επηρέαζε την αντίσταση του καναλιού απορροής -€“ πηγής (Drain - Source) διαφορετικά σε κάθε Mosfet, καθώς οι πύλες και των δύο οδηγούνται από κοινό τελεστικό ενισχυτή με ίδια τάση, πράγμα που προκαλούσε την προαναφερθείσα αστάθεια. Το πρόβλημα αυτό λύθηκε με τη διάταξη των τρανζίστορ 2N3904 (Q3 και Q4) όπως φαίνεται στο σχηματικό διάγραμμα.

Σχήμα 3.21: Απόσπασμα σχηματικού κυκλώματος σταδίου ισχύος του φορτίου

Σε κάθε περίπτωση που κάποιο από τα 2 Mosfet ισχύος αρχίσει λόγω αύξησης της θερμοκρασίας να άγει περισσότερο από το άλλο, το ρεύμα εκροής του Id αυξάνεται, κάτι που προκαλεί την αύξηση της πτώσης τάσης στις αντίστοιχες αντιστάσεις εκροής (R13 και R17).

Σε αυτή την περίπτωση το αντίστοιχο τρανζίστορ Q3 ή Q4 άγει περισσότερο από το άλλο, «τραβώντας» έτσι την τάση πύλης του εκάστοτε Mosfet προς την αρνητική τροφοδοσία των -5V μέσω των αντιστάσεων περιορισμού των 47KΩ (R26 και R29). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της τάσης πύλης (Vgs) του, και κατά συνέπεια τη μείωση του ρεύματος εκροής Id, φέρνοντας έτσι το σύστημα σε ισορροπία. Οι αντιστάσεις R12 και R15 διασφαλίζουν πως η ενεργοποίηση ενός εκ των δύο τρανζίστορ σταθεροποίησης δεν θα επηρεάσει την τάση πύλης Vgs του άλλου Mosfet. Η λειτουργία του κυκλώματος σταθεροποίησης επαληθεύτηκε με χρήση θερμικής κάμερας, εικόνες της οποίας εμφανίζονται παρακάτω."

Όταν βρώ χρόνο θα κάνω και μια κανονική παρουσίαση της κατασκευής εδώ.

[spirakos]

Απο μονες τους οι αντιστασεις 0.1Ω αντισταθμιζουν τα διαφορετικα ρευματα
Οσο αυξανει η Vgs, αυξανει και το Ids
Ετσι σε μια αυξηση του ρευματος Ids απο τη θερμοκρασια, αυξανει η πτωση τασης στην αντισταση και μειωνει τη Vgs