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Selbstbauprojekte eigene Entwicklungen

Stromsenke 360W / 16A / 500V (2/2)

Daten, Messwerte

Messung der Schaltzeiten.

Messaufbau: Betriebsart “Strom Regelung”, Poti I1 auf 4A, Poti I2 auf 0,2A, externen Funktionsgenerator zum Umschalten von I1 auf i2. Als Prüfling ein Labornetzteil mit zusätzlichen 10mF-Elko damit seine Strombegrenzung das Ergebnis nicht verfälschen kann.

Die blaue Kurve zeigt die Spannung vom Funktionsgenerator Die gelbe Kurve zeigt den Strom durch den Prüfling, Signal kommt vom Strommonitor

Unten: Der selbe Messaufbau. Messung des Stromes mit einen externen Shunt, bestehend aus 6 Metall-Rs parallel geschaltet um eine möglichst geringe Induktivität zu erreichen. Bei so niederohmigen Widerständen spielt eine geringe Induktivität schon eine sehr störende Rolle. Eine Leitung vom 1mm Länge hat bereits eine Induktivität von 1nH. Die blaue Kurve kommt vom externen Shunt, die gelbe vom Strommonitor.

Messung der Reaktionszeiten der Strombegrenzung mit den analogen Rechner.

Messaufbau: Labornetzgerät #1 auf 10V eingestellt, über eine Diode zur Entkopplung angeschlossen Labornetzgerät #2 auf 50V eingestellt, mit Elko gepuffert, wird von Hand mit einen Taster dazugeschaltet. Der Spannungssprung von 10V auf 50V (gelbe Kurve) löst den Trigger am Oszilloskop aus.

Blaue Kurve: gemessen an einen externen Shunt. Strom geht von 2A auf die Hälfte zurück. Die Spitze entsteht durch die Kapazitäten in Tateinheit mit der Induktivität der Leitungen und des Shunt.

Blau Kurve: Spannung am Widerstand 0R15 in der Emitterleitung.

Blaue Kurve: Spannung am Gate. Man erkennt die schnelle Reaktion der Strombegrenzung durch den analogen Rechner.

Statische Messungen

Fehler durch die Offsetspannung der TL074 zeigen sich wenn man die Potis auf Minimum stellt: Leistungschalter auf Strom 45W/2A 0,04mA 90W/4A 0,04mA 135W/6A 30,3mA 180W/8A 11mA 225W/10A 11mA 270W/12A 41mA 315W/14A 41mA 360W/16A 41mA Abweichungen von eingestellten Sollstrom zum Istwert sind wegen der rein analogen Regelung und wegen der 8 unabhängigen Endstufen unvermeidbar. Die Strom-Messung erfolgt an den 8 Emitterwiderständen, die eine Toleranz von 5% haben. Leistungschalter auf Soll-Einstellung Messwert Istwert (mit Tischmultimeter) 45W/2A 2,04A 2,05A 1,96A 90W/4A 4,09A 3,94A 3,81A 135W/6A 6,13A 6,15A 6,00A 180W/8A 8,18A 7,90A 8,10A 225W/10A 10,23A 10,07A 10,02A 270W/12A 10,00A 9,85A 10,02A 315W/14A 10,00A 9,85A 9,89A 360W/16A 10,00A 9,92A 9,87A Temperatur des Kühlkörpers mit einer Belastung von 360W: stabil nach 12 Minuten bei offenen Gehäuse: 57°C dto, bei geschlossenen Gehäuse: 62°C Software-Zeiten: alle Messungen fertig = 6,68ms Programm-Durchlauf = 320us LCD-Sender = 158us

Der mechanische Aufbau

Platine ISK9050 Die Halbleiter sind auf ein 10mm dickes Alublech mit einer dünnen Glimmerscheibe isoliert montiert. Plastikteil zur Führung der Emitterleitungen zum zentralen Erdpunkt. 4 Lüfter 12V/160mA auf ein 2mm- Alublech unter dem 10mm-Alublech sind 4 CPU-Kühler montiert. Die Seitenbleche zur Führung des Luftstromes sind mit Konstruktionskleber (RK-1300) auf die 10mm-Aluplatte geklebt. 10mm dickes Alublech Der komplette Kühlblock ist mit den Halbleitern nach oben aufs Chassisblech über M4 und M3- Abstandsbolzen geschraubt. Der Wärmewiderstand des Kühlblocks beträgt mit 12V/160mA-Lüfter: (62-21)/360 = 0,114K/W

Der Kühlblock ist die alles entscheidene Baugruppe. Hier müssen die 360 Watt an die Raumluft übertragen werden.

Das noch leere Gehäuse. Die schwarzen Seitenteile sind aus POM. Zwischen den Seitenteilen sind an den 4 Enden Alustangen mit einen Profil von 8x8mm geschraubt. Diese Alustangen sind vorne auf die Frontplatte geklebt. An der unteren ist das Chassis geschraubt. Am oberen der Deckel. Hinten ist die Rückwand für den Kühlblock zwecks Luftabgang offen. Die Löcher auf dem Chassis sind für die Zuluft zum Kühlblock nötig. Darum wird das Gehäuse um 15mm mit Füße angehoben.

Die Platinen sind für die CPUPlatine und der AnalogPlatine vom Lieferanten gefertigt. Die restlichen habe ich mit der Voronoi-Methode auf meiner Fräse angefertigt. Das ist auch nur für grobe Strukturen empfehlenswert.

AnalogPlatine

CPUplatine

Zentraler Erdpunkt

Leistungswahl- Schalter

Tastensatz

Netzteil

Strommonitor

Sonstiges

Für dieses Projekt habe ich nur einen einzigen Halbleiter dazu kaufen müssen: den AD633. Alle sonstigen Halbleiter waren in meinen alten Bestand. Insgesamt bin ich mit der Funktion der Stromsenke sehr zufrieden. Die Kombination VMOS plus Zeilenendtransistor arbeitet sehr gutmütig, es tritt kein HF-Schwingen auf. Ob allerdings der vorgesehene Überlastschutz in allen Situationen ausreicht? Was passiert, wenn der Prüfling ruckartig auf 500V ansteigt bei voll aufgedrehten Sollwert, z.B. 16A, kann ich wegen fehlender HV-Netzteile nicht testen. Die Abweichung des Stromes im unteren Bereich kann zu Problemen bei hoher Spannung führen. Bei einer Spannung von 511V (Sollwert Maximum) darf der Strom nur bis 360/511 = 700mA betragen. Ob dann die Abweichung von 41mA eine Rolle spielt? Vermutlich noch nicht, aber vorsichtshalber habe ich mir dickere Zeilendtransistoren vom Typ BUH1215 beschafft. Die kommen aber erst zum Einsatz wenn ein entsprechender Fehler auftritt. Kann erst passieren wenn ich mal ein HV-Netzteil für Röhren teste. Etwas beunruhigend ist noch ein Effekt, der beim plötzlichen Spannungssprung auftritt. Dann entsteht ein kurzer Stromimpuls durch den VMOS. Damit wird der BU kurz aufgesteuert. Dieser Effekt ist auch in der Simulation erkennbar. Die Ursache ist die Kapazität von ca. 100pF zwischen Drain und Source des VMOS.

Download

Die ZIP-Datei enthält: ISG9050.zip = alle mit KiCAD entworfenen Platinen mit Layouts Firmware9050.zip = die Assembler-Software, Hex und alle Quellen ISG9050.stp = 3D-Zeichnung als STEP-Datei isg9050komplett.zip

Update

Im Laufe der Zeit hat sich ein Konstruktionsfehler in der Hardware gezeigt. Die Ströme wurde richtig angezeigt, waren aber viel zu niedrig. Die Ursache: Übergangswiderstände an den Steckverbindern X1 bis X8 von der Endstufe. Weil diese mit den Strom-Shunts in Reihe liegen, war der Strom zu klein. Abhilfe: alle 8 Leitungen erneuern und auf den zentralen GND-Punkt ohne Stecker direkt auflöten.