Kuva 1. Hakkuripowerin kytkentäkaavio. Poweria ei tule yrittää rakentaa pelkästään tämän kuvan avulla, teksti sisältää kriittistä tietoa osien mitoituksesta.
Tämä on ensimmäinen koskaan suunnittelemani hakkuripoweri. Poweri on piirretty ja simuloitu SwitcherCAD III ohjelmistolla ja toimiva prototyyppi on rakennettu koekytkentäalustalle.
Kuva 1. Hakkuripowerin kytkentäkaavio. Poweria ei tule yrittää rakentaa pelkästään
tämän kuvan avulla, teksti sisältää kriittistä tietoa osien mitoituksesta.
Poweri koostuu kahdesta kokonaisuudesta: 555-piirillä toteutetusta oskillaattorista ja varsinaisesta jännitettä pumppaavasta kytkennästä. Oskillaattorin selittäminen ei kuulu tämän dokumentin piiriin. Lisätietoja 555-piiristä löytää sivulta Karin kotisivu - Elektroniikka (miljoonalaatikko, satiaistietoutta, NE 555).
Jännitepumppu käyttää hyväkseen kelan ominaisuutta vastustaa virran muutoksia. Kun fetti M1 johtaa, virta kelan L1 läpi kasvaa induktanssin ja jännitteen määräämää vauhtia. Fetin tukkeutuessa kela pyrkii pitämään virran yllä, joten jännite M1:n yli kasvaa rajusti. Jännitteen noustessa kondensaattorin C3 (plus diodin D2 kynnysjännite) jännitettä ylemmäs, alkaa virta kulkea diodin D2 läpi kondensaattoriin C3. Käämin energian loputtua M1 ohjataan jälleen johtavaksi ja sykli alkaa alusta.
Kytkennästä tulee huomata, että C3:n ollessa aluksi tyhjä, se varautuu suoraan L1:n ja D2:n läpi syöttöjännitteen tasolle ilman pumppaustakin. Mikäli C3:n kapasitanssi on iso ja sen varautuminen syöttöjännitteen tasolle kestää kauan, L1:n läpi kulkeva virta kasvaa isommaksi kuin normaalin pumppaussyklin aikana. Jos M1 siirtyy johtavaan tilaan, L1:n läpi on jo virtaa, joka silloin kasvaa entisestään, kytkeehän M1 kelan suoraan maihin. Näin M1:n (ja L1:n) läpi kulkee laskettua suurempi virta, joka voi tuhota fetin.
Oskillaattorin kriittiset komponentit ovat vastukset R1 ja R2 ja kondensaattori C2, jotka määräävät oskillaattorin tuottaman kanttiaallon high- ja low-ajoitukset. R1:n tilalla käytin 4.7kΩ vastusta ja 1kΩ trimmeriä sarjassa, säätäen yhteisresistanssin mahdollisimman tarkasti 5.00kΩ:iin. R2:n tilalla käytin 1kΩ vastusta ja 2kΩ trimmeriä, säädetty yhteensä 1.80kΩ:iin. Suosittelen noin 100nF kondensaattorin kytkemistä mahdollisimman lähelle 555-piiriä sen jännitesyöttöön eli pinnien VCC ja GND väliin. Lisäksi jännitteensyötössä kannattaa olla luokkaa mikrofaradeja oleva (elektrolyytti)kondensaattori. Diodiksi D1 käy lähes mikä tahansa piensignaalidiodi.
555-piirin lähtö menee fetin hilalle vastuksen R3 kautta. Fetti on eristehilainen, joten hilan kautta ei tasajännitteillä virtaa kulje, mutta rajapinnasta löytyy pieni kapasitanssi. 555-piiri kytkee antonsa vuorotellen suoraan jännitteseen ja maihin, jolloin kapasitanssi vuoroin varautuu ja purkautuu. Korkeammilla taajuuksilla tästä voi tulla suurehko virta ja R3 on rajoittamassa sitä, jotta 555 ei kuumenisi. Toisaalta R3 ei saa olla liian iso, sillä fetin pitää vaihtaa tilaa nopeasti, muuten se kuumenee. Käytän 10 ohmin vastusta.
Tämä kytkentä on mitoitettu nimenomaan 30μH:n induktanssille. Käytin induktanssina ATX-powerista puretulle toroidiytimelle käämittyä kelaa, jonka induktanssin mittasin LC-piirin värähtelytaajuudesta. Mittaamalla osasin tehdä melko tarkkaan oikean kokoisen kelan, siitä tuli 31-32μH. Kelassa tulee käyttää kohtuupaksua lankaa, joka kestää usean ampeerin jatkuvaa virtaa.
Induktanssin mittaamiseen on monta keinoa, helpoin niistä on induktanssimittari. Minulla ei sellaista ylellisyyttä ollut, joten mittasin oskilloskoopilla LC-piirin värähtelytaajuuden. Myös muita (ehkä parempiakin) tapoja on olemassa.
Kuva 2. Induktanssin mittaamiseen käytettävä kytkentä.
V1 on kanttiaaltogeneraattori. Hätätapauksessa sellaiseksi kelpaa vaikkapa
viritetty ledivilkku. L1:n arvo on merkitty kuvaan, vaikka käytännön tilanteessa
se on tuntematon, jota ollaan selvittämässä.
Kuva 3. Oskilloskoopin tuottama kuva (simuloitu SwitcherCAD III:lla).
Sininen käyrä on kanttiaaltogeneraattorin jännite. Kymmenkertaiseksi skaalattu
vihreä käyrä on LC-piirin jännite.
Kuvassa 2 esitetyssä kytkennässä olevien komponenttien arvot eivät ole kovin kriittiset. Vastus R1 voi olla jonkun sata ohmia. Kondensaattorin C1 kapasitanssi tulisi olla mahdollisimman tarkkaan tiedossa, joten se kannattaa mitata erikseen. Monista yleismittareista löytyy nykyään kapasitanssimittaus.
Tuntemattoman induktanssin L1 arvo voidaan laskea, kun tunnetaan kapasitanssi C1 ja
LC-piirin värähtelytaajuus. Taajuus voidaan mitata oskilloskoopilla (kuva 3, vihreä käyrä).
Tämän jälkeen induktanssi saadaan kaavalla
,
jossa C on kapasitanssi (faradia), f taajuus (hertsiä) ja
L induktanssi (henryä). Sopivan kelan löydyttyä kannattaa suorittaa vielä
tarkistusmittauksia useammalla eri kondensaattorin arvolla. Huomaa, että
elektrolyyttikondensaattori ei tähän käy, sillä se ei toimi kunnolla negatiivisella jännitteellä.
Fetin tärkeimmät ominaisuudet ovat virran ja jännitteen kesto. Fetin tulee kestää vähintään suurin mahdollinen ulostulojännite, mikä on tämän hakkurityypin yksi huono puoli. Jatkuvaa virrankestoa tulee löytyä vähintään käämille mitoitetun maksimivirran verran.
Käämin normaalin pumppauksen aikana kokema maksimivirta voidaan arvioida kaavan
avulla. Vaihtamalla differentiaaliset muuttujat (dI ja dt)
nollasta eroaviksi oikeiksi muuttujiksi voidaan kaavaan sijoittaa kelan yli vaikuttava
jännite U, induktanssi L ja jännitteen vaikutusaika Δt.
Samalla kaavalla voidaan myös laskea sopiva induktanssin arvo annetulle jännitteelle ja
vaikutusajalle, kun maksimivirta tiedetään. Vaikutusaika on suoraan yhteydessä
pumppauspiirin käyttötaajuuteen. Se on aika, jonka fetti on johtavana.
Käyttämäni fetti on tyyppiä BUZ50A, jonka jännitekesto on 1000V ja maksimi jatkuva virta 3.1A.
Tekemässäni prototyypissä induktanssi on 30μH ja jännite 12V. 555-piirin toimintateorian mukaan (katso aiheeseen liittyvät linkit) vaikutusaika on 7.59μs. Virta ehtii siis nousta arvoon 12V*7.59μs/30μH=3.0A. Olisi ehkä järkevää valita fetti, joka ei joudu noin äärirajoille. Toisaalta tulee muistaa, että oikea laite käyttäytyy aina hieman (tai hyvin) eri tavalla kuin tällä tavalla laskettu. Hyvin suunniteltu simulaatio on korvaamaton apuväline.
Tämän diodin tulee myös kestää vähintään maksimi ulostulojännite ja kelan maksimivirta. Itse löysin miljoonalaatikosta UF5404:n, joka kestää 400V jännitettä ja 3A jatkuvaa sekä 150A (8.3ms single half sine wave) piikkivirtaa. Tyypit 1N4004 - 1N4007 käyvät mielestäni myös oikein hyvin, vaikka niiden jatkuva virrankesto onkin vain 1A (30A piikki).
C3 on kondensaattori, johon tuotettu jännite varastoidaan. C3:n koko voi olla väliltä esim. 10nF - 4700μF, itse käytin testailussa enimmäkseen 0.1μF kondensaattoria. R4 on paitsi C3:n purkuvastus, se myös rajoittaa piirin maksimijännitettä. R4:ää ei kannata jättää pois, sillä hyvin pienen vuotovirran omaavan kondensaattorin kanssa jännite voi nousta niin korkeaksi, että fetti ja/tai diodi hajoaa. Minulla R4 on 240kΩ.
0.1μF kondensaattoriin kertyi sekunnissa parissa yli 300V:n jännite. Koetin ladata myös "kuuluisaa" 4700μF/350V elektrolyyttikondensaattoria, jonka jännite nousikin melko pian yli sadan voltin, mutta lopetin lataamisen, koska fetti tuntuu lämpenevän, eikä minulla ole siinä vielä kunnollista jäähyä.
Kytkentä on suunniteltu käytettäväksi 12V:n jännitteellä. Muiden jännitteiden käyttämiseksi tulee ajoitus- ja virtalaskelmat tarkistaa, sillä ne muuttuvat käyttöjännitteen mukaan. Erityisesti käyttöjännitteen suurentaminen vaatii virtojen uudelleenlaskentaa ja -mitoitusta, jotta fetti ja diodi D2 säilyisivät ehjinä. Myös 555-piirin toiminta-alue pitää huomioida.
Syötössä on hyvä olla kondensaattoreita lähellä 555-piiriä (josta jo mainittiinkin) ja kelaa/fettiä. C4 ja C5 kuvaavat näitä kondensaattoreita. Kun fetti kytkee, kela ottaa ison virran, jolloin käyttöjännite voi niiata. Tämän estämiseksi tarvitaan esim. muutaman sadan mikrofaradin kondensaattori ja nopeita piikkejä suodattamaan (muutaman) sadan nanofaradin kondensaattori. Tantaali- ja muovikondensaattorit ovat tunnettuja reagoimaan nopeasti, elektrolyytit ovat hieman hitaampia.
12V:lla prototyyppi kulutti 0.85A virtaa.