ads

28 mai 2014

Modificarea unei surse SMPS pentru incarcarea acumulatorilor SLA

Relativ recent am descoperit pasiunea pentru efectuarea de legaturi radio in regim “portabil”. Cand ne referim la acest tip de operare a statiei radio, imediat ne gandim la statiile portabile VHF/UHF.

Dar ce facem cand dorim sa operam si in unde scurte (HF)? Ei bine, pentru aceasta exista o gama de echipamente dedicate (FT-817, IC-703) sau putem folosi orice echipament capabil sa opereze la tensiunea bateriei auto si care are un consum mic in StandBy (FT-857, FT-897, TS-480 samd). Cum eu intentionez sa folosesc un IC-703 ce are un consum sub 300 mA in StandBy, pentru operatiunile din “portabil” am realizat un kit care include transceiver-ul HF, transceiver-ul VHF/UHF, o baterie SLA de 2,2 Ah, antenele si cateva “maruntisuri” necesare.
In “ipoteza” de lucru am urmarit ca toate acestea sa poata fi transportate confortabil intr-un mic rucsac.

Una din piesele importante ale acestui kit este sursa de alimentare.
Iata cateva din cerintele pe care, in opinia mea, o sursa de alimentare pentru operatiuni portabile trebuie sa le indeplineasca:
-Tensiune de alimentare in gama 13,8 -14,4 V, stabilizat;
-Curent: 3 A (continuu), 5 A varf;
-Greutate si dimensiuni reduse;
-“Zgomot” redus in benzile HF.

Majoritatea echipamentelor de radioamator au posibilitatea de a functiona corect intr-o gama de tensiuni cuprinsa intre 11 V si 15,5 V. La o prima evaluare, ar fi potrivita orice sursa de alimentare capabila sa furnizeze curentul pe care il necesita un echipament TRX.

O caracteristica a echipamentelor portabile este prezenta unui pack de acumulatori ce pot fi reincarcati si care asigura autonomia necesara pentru “portabil”. Ei bine, din toata gama de celule de acumulatori prezenta pe piata, am ales sa folosesc acumulatorii SLA din mai multe motive.
In primul rand, pot sa functioneze intr-o gama mare de temperaturi, in special negative.

Apoi, regimul de incarcare este destul de tolerant; daca alegem ca incarcarea sa aiba loc in gama 13,4 V – 13,8 V, putem scoate din “ecuatie” limitatorul de curent, fiind suficienta stabilizarea tensiunii. Nu in ultimul rand, pretul/W este unul dintre cele mai scazute iar mentenanta este simpla, facandu-i atractivi pentru un echipament care este folosit rareori.

Sa revenim insa la sursa de alimentare! CE ALEGEM? Avem doua posibilitati: o sursa cu stabilizare liniara sau o sursa in comutatie (SMPS – Switched Mode Power Supply).
Fiecare din acestea au avantaje si dezavantaje. Sintetizand, sursele liniare detin avantajul lipsei de perturbatii dar au dezavantajul greutatii si al dimensiunii destul de mari in timp ce, la sursele in comutatie, dimensiunile le fac atractive dar potentialul perturbator le limiteaza aplicabilitatea.

Pentru ca una din conditii este legata de greutate si de volumul ocupat in bagaj, m-am decis sa ma “orientez” catre o sursa in comutatie, urmand apoi sa aplic cateva masuri de reducere a RFI in cazul in care perturbatiile sunt suparatoare.

 
UNDE SA CAUTAM?



In prezent, sursele in comutatie pot fi cumparate la preturi accesibile; desi pe piata exista astfel de surse destinate tocmai alimentarii in paralel (regim “float”) a unui echipament si a unei baterii SLA, acestea sunt mult mai scumpe, de parca cei 13,8 V ar necesita o taxa suplimentara!

Un raport foarte bun pret/calitate il putem observa la sursele destinate calculatoarelor portabile. Totusi, acestea furnizeaza tensiuni destul de mari, in marea majoritate a cazurilor, peste 16 V.

In decursul timpului am putut constata ca acestea sunt proiectate si realizate mult mai ingrijit si au implementate masuri de diminuare a perturbatiilor radio, spre deosebire de sursele “generaliste”, cu tensiuni multiple. Avand in vedere ca echipamentul pentru care sunt folosite este destul de scump, si realizarea lor este mai ingrijita.



CUM REDUCEM TENSIUNEA?


Prima posibilitate, si cea mai facila, este de a inseria un regulator liniar. Acesta trebuie sa fie capabil sa furnizeze o tensiune stabilizata de 13,8 V la un curent de aproximativ 5 A fara sa se deterioreze.

Presupunand ca SMPS are o tensiune de 18 V, puterea disipata de acest regulator este de aproximativ 7 W rezultat obtinut prin aplicarea formulei simple P= (U18V – U13,5)*I5A

Realizarea unui astfel de stabilizator presupune o alta cutie, eventual metalica pentru disiparea caldurii si, dupa cum au constatat cei care deja au realizat asa ceva, chiar si un mic ventilator!

Ei bine, ce ar fi daca am putea sa modificam direct SMPS, astfel incat sa poata furniza direct tensiunea de care avem nevoie? Probleme ar fi rezolvate mult mai elegant!

Aceasta este “a doua posibilitate”, pe care v-o propun in continuare.

Inainte insa, ar trebui sa facem o scurta prezentare a modului de functionare al sursei in comutatie.

CUM FUNCTIONEAZA O SMPS?

In principiu, toate schemele de surse de alimentare in comutatie sunt realizate in jurul a doua circuite  “de baza”:

-Circuitul PWM “Chopper”;

-Circuitul de feedback, un element de reglaj in bucla.

Principiul de functionare

Tensiunea de la priza (110-250 VAC) este redresata si filtrata. Un circuit convertor DC-DC care functioneaza la zeci sau sute de kHz asigura obtinerea unei tensiuni joase, in gama de 9 V – 20 V. In aceasta gama, tensiunea este stabilizata prin varierea factorului de umplere a formei de unda livrata elementului de comanda ce poate fi unul sau mai multi tranzistori.

Iata cateva configuratii de astfel de elemente de comanda, utilizate in SMPS pana la 5 A, impreuna cu denumirile conventionale in literatura de specialitate:
 










O schema de SMPS compacta care poate furniza aproximativ 4 A la o tensiune de 12 V:





Se pot identifica usor blocurile componente din convertorul de tip “Flyback” chiar daca in aceasta schema, Chopper-ul si elementul de putere sunt integrate in acelasi circuit.

La o privire atenta, se poate distinge cu usurinta ca stabilizarea tensiunii de iesire este realizata pastrandu-se separatia galvanica, prin intermediul unui circuit optocuplor.

Tensiunea de iesire este divizata si aplicata LED-ului din optocuplor, jonctiunea CE a fototranzistorului actionand ca un divizor variabil de tensiune pentru circuitul PWM .

Acesta compara o tensiune de referinta cu tensiunea rezultata din divizorul ce include CE si “decide” modificarea factorului de umplere al tensiunii alternative aplicate tranzistorului de putere (Chopper). Acest proces are loc permanent pe durata functionarii sursei, in regim de bucla inchisa, asigurand stabilizarea tensiunii de iesire.


PRACTIC

Am cautat pe internet scheme utilizate la fabricatia diverselor SMPS din categoria celor destinate alimentarii echipamentelor cu tensiune unica insa nu am putut sa gasesc, astfel incat am renuntat si am trecut la un proces de “reverse- engineering”.

Pur si simplu, am desfacut mai multe astfel de surse, unele deja arse, doar pentru a verifica topografia si a trage cateva concluzii despre componentele folosite.

In principiu, topografia folosita in sursele “cu pretentii” este cea de “2 switch flyback”, uneori gasind si configuratia cu un singur tranzistor.

Indiferent de topografia blocului de inalta tensiune, toate folosesc sistemul de bucla cu optocuplor, unele avand doua astfel de optocuploare, unul pentru stabilizarea tensiunii si altul pentru protectia la scurt-circuit. In special sursele mai vechi, cu marci de renume imprimate pe ele au acest al doilea optocuplor, de cele mai multe ori varianta cu unul singur asigurand si protectia necesara la supracurent.

Totul incepe cu demontarea atenta a capacelor de protectie. Din ratiuni evidente, aceste surse sunt capsulate, rareori capacele fiind fixate cu ajutorul suruburilor.

Verificati totusi eventuala prezenta a suruburilor de ansamblare; acestea pot sa se gaseasca sub puferele de cauciuc sau chiar sub eticheta pe care sunt mentionati parametrii sursei.

In cazul in care nu identificati astfel de suruburi, apelati la un bisturiu foarte bine ascutit sau la un cutter.

In cazul in care folositi un cutter, aveti mereu in vedere mobilitatea longitudinala a lamei in manerul de fixare precum si presegmentarea acesteia; deseori lama se poate rupe in timpul operatiunii si puteti fi ranit!

Aplicand presiune moderata asupra liniei de imbinare a celor doua capace, treceti cu lama de mai multe ori pana cand simtiti ca ati sectionat imbinarea. Repetati procedura pentru toate laturile cutiei.

O sursa de buna calitate va releva dupa desfacerea capacelor ecrane metalice pentru reducerea RFI; acestea sunt, de cele mai multe ori, fixate cu cose direct pe circuitul imprimat.



Modificarea pe care o voi descrie in cele ce urmeaza este efectuata asupra unei surse IBM care, potrivit inscriptiei, furniza 4,5 A la 16 V.

Odata “eliberat” circuitul imprimat, pe partea cu trasee veti observa imediat separarea celor doua zone; zona de inalta tensiune (230 VAC) si zona de joasa tensiune (12-20 V).

Intre ele se gaseste circuitul optocuplor care asigura “reactia” stabilizatorului.

In imaginea alaturata este marcata zona optocuplorului si a divizorului din circuitul de joasa tensiune:



 Iata si schema de principiu a sursei:






Pentru a modifica tensiunea de iesire, aveam doua optiuni practice, care presupuneau interventia, fie pe intrarea optocuplorului, fie pe iesirea lui.



Modificarile pe intrarea optocuplorului sunt cel mai usor de efectuat; de regula, aceste modificari au potential distructiv asupra sursei mai mic decat 
modificarile asupra circuitului aflat in zona de inalta tensiune. 

De regula, aici se modifica sursele pentru obtinerea unei tensiuni 
MAI MARI decat cea initiala.




Modificarile pe iesirea optocuplorului sunt mai riscante si pot fi costisitoare caci exista posibilitatea de a deteriora circuitul Chopper; aceste modificari se fac, de regula, pentru obtinerea unei tensiuni MAI MICI ca tensiunea intiala.






La sursa prezentata, modificarea a fost facuta pe iesirea optocuplorului, tatonand diverse valori ale rezistentei pana la obtinerea tensiunii dorite. 

Inainte de a trece la incasetarea sursei, mai este o ultima operatiune de efectuat!


Obligatoriu, montati o dioda Schottky, capabila sa suporte puterea livrata catre consumator!

Aceasta masura are in vedere “pregatirea” sursei pentru posiblitatea de a incarca acumulatori SLA; fara ea, este posibila distrugerea sursei care nu a fost proiectata pentru conectarea la o baterie ce poate debita pe partea de joasa tensiune fara ca sursa sa fie conectata la priza de curent alternativ!

Folosind o dioda cu cadere mica de tensiune, pe de-o parte puterea disipata este mica, pe de alta parte, caderea de tensiune este si ea mica, apropiata de valoarea stabilita prin modificare.

Desigur, nimic nu va impiedica sa inversati ordinea si acest pas sa fie primul, astfel incat, atunci cand efectuati modificarile, sa masurati tensiunea chiar dupa aceasta dioda de protectie, la iesirea sursei.


Conectati o sarcina capabila sa consume aproximativ 80% din curentul pe care il poate sustine. Diferenta intre tensiunea in gol si tensiunea in sarcina ar trebui sa fie de maxim 0,5 V.

Originea acestei caderi de tensiune are dubla sursa: caderea de tensiune pe cablul de alimentare si modificarea plajei in care lucreaza optocuplorul, ca urmare a modificarii. Totusi, pentru o utilizare de zi cu zi in portabil, aceasta diferenta nu este “suparatoare”, mai ales daca conectam un SLA in regim “tampon”.

La tensiunea de 13,7 V, acumulatorul poate sta un timp indefinit conectat in paralel cu sursa si consumatorul fara sa se deteriorze. Este adevarat, SOC (State Of Charge) va fi in jur de 90% din capacitatea nominala insa, pentru simplitatea solutiei, merita renuntat la cei 10 %!

La sursa modificata am conectat un cablu scurt, cu o mufa de bricheta auto (mama) si cu doi clestisori pentru conectarea pe bornele unui SLA. In acest fel, pot conecta simultan si transceiver-ul si alti consumatori care se alimenteaza pe priza de bricheta (alimentator telefon, PDA s.a.m.d.).


73 de YO3HJV - Publicat initial in RadioMagazin YO nr.14/2012

2 comentarii:

YO9IRF spunea...

Salut Adi, buna treaba, pe acelasi principiu mi-am facut si eu sursa ce alimenteaza tot shack-ul cu 13.8V - dar modelul original a fost o sursa de calitate pentru PC de ~450W. Am eliminat circuitele pentru tensiunile nenecesare (+5V, +3.3V, -12V), am cuplat pinul de PS_ON la masa, am modificat circuitul de feedback si am mai adaugat ceva deparazitare. Merge foarte bine de 5 ani, debiteaaza ~27A la 13.8V inainte sa intre protectia de supracurent.

2 comentarii la articolul tau (stii ca sunt carcotas la chestii de-astea :) ): 1. nu stiu cat de corect e sa figurezi (-) legat la masa in partea de HV, din cate stiu si ramura de (+) si cea de (-) plutesc iar masa e obtinuta printr-un divizor capacitiv din ~220V (condensatoarele Y). 2. Dioda de la iesire nu e necesara, exista redresare intre secundarul chopper-ului si iesire, singurul lucru care se va intampla e sa pui sub tensiune filtrajul de pe iesire si LED-ul din optocuplor, care oricum sunt facute sa functioneze la tensiunea respectiva; pierzi cativa mA in LED-ul ala, nu o fi capat de lume (compenseaza ce-ai fi disipat in dioda).

Adrian (YO3HJV) spunea...

Salut Razvan. 1. Treaba cu masa este relativa. Unele surse au, altele nu. Am intalnit surse cu varistoare intre cele doua circuite de GND si fara condensatoarele de care vorbesti> Condensatoarele respective le-am intalnit cel mai des in SMPS-urile de PC, dar modelele mai rasarite. Cele low end nu le mai prea contin. 2. Din "principiu" nu imi place ca acumulatorul sa debiteze pe sursa. Nu te contrazic, face parte din seria de "tabieturi" luate o data cu trecerea timpului. In plus, caderea de tensiune pe dioda creste odata cu cresterea curentului si mai protejeaza acumulatorul la supracurent. Dar motivul ramane cel de dinainte...

Referitor la sursa de PC, am incercat mai demult, odata cu primul meu FT857, prin 2005. Rezultatul a fost ca au pocnit sigurantele si am fost convins ca am facut praf statia. Si de atunci am renuntat la improvizatii si am apelat la surse serioase pentru scule serioase :-) Am incercat prin 88 sa fac un LB881 cu un amic (salut Florin, daca citesti pe aici!) si acolo era o sursa in comutatie, pe care am facut-o cu amicul, de la zero. Nu am reusit sa am simultan tensiunile cerute. Mereu era vreuna aiurea. In plus, bruiam tot ce se putea prinde pe radio si TV in blocul respectiv.

Postări populare

OnLine logbook YO3HJV

www.hrdlog.net