.
X    

Regulovatelný vysokonapěťový 5 kV zdroj, tester izolace


Riziko úrazu elektrickým proudem. Pokud se rozhodnete toto zařízení zkonstruovat, činíte tak na vlastní riziko. Za případné poškození majetku, zranění, úmrtí či jakékoliv jiné následky neberu žádnou odpovědnost.


Jedná se o digitálně řízený vysokonapěťový zdroj s provozním rozsahem 500 V-5 kV a funkcí testování izolace (měření proudu, výpočet odporu). Tento zdroj je založen na mikrořadiči ATmega328p.

Popis

Schéma zapojení
Schéma zapojení (klikněte pro plné rozlišení)

Napájení (12 V) je do řídicí desky přivedeno konektorem J6, za kterým je pojistka F1 (vratná), dioda D3 jako ochrana proti přepólování, filtrační kondenzátor C7, LCR filtr (L1, R19, C11) a stabilizátor U3 (7805) s příslušnými kondenzátory (C14, C18, C22). Vzhledem ke spotřebě logické části spolu s displejem okolo 40-70 mA je při napájení 12 V na stabilizátoru U3 výkonová ztráta okolo 0,5 W (jeho teplota bude cca o 30°C vyšší než teplota okolí). Na napájení je vhodné použít zdroj s proudem alespoň 2 A.

Řídicí část je tvořena mikrořadičem ATmega328p (U1) pracujícím na frekvenci 16 MHz. Okolo něj je krystal Y1, reference U4, filtr pro AVCC (FB1, C9), RC články před tlačítky na potlačení zákmitů tlačítek a rušení a spodní část děliče výstupního napětí (R25, C20) - to je přivedeno přes externí 120 MΩ rezistor na konektor J9. Tento rezistor je složen z mnoha menších, poslední část se 40 MΩ je stíněná. Pro snímání napětí je použit vnitřní AD převodník. Snímání proudu pro režim měření izolace je zařízeno přepínatelnými bočníky R1-R3. Ochrana tohoto vstupu je zařízena pomocí varistoru MOV1 a rychlého omezovače špiček tvořeného R4, R6, Q1 (průrazné napětí takto zapojeného tranzistoru je cca 10 V, chová se v tomto zapojení jako Zenerova dioda s malým svodem - za cenu degradace jeho zesilovacího činitele při delším provozu v tomto režimu, což zde nevadí). Snímání výstupního proudu je zajištěno obvodem s tranzistory Q7, Q8 a součástkami okolo (spodní část sekundáru je připojena ke konektoru J5). Tento obvod se aktivuje při cca 5 mA a je zde pro bezpečnost. Tento proud lze změnit na cca 2-3 mA změněním hodnot R26 a C21 na 10 kΩ a 100 pF. Na uzel ~OCD je ještě připojen obvod snímající proud hlavním MOSFETem. Na tomto uzlu je také kondenzátor C21 a rezistor R26 proti zemi na odrušení kapacitní vazby ze zbytku obvodu, samotný pull-up v U1 nestačí.

Výkonová část je buzena PWM signálem s frekvencí cca 30 kHz. Skládá se z konvertoru úrovní (Q2, Q3 a součástky okolo, 5 V na 12 V), proudového posílení (Q4, Q5) pro buzení gate MOSFETu Q6, samotného MOSFETu Q6 řídícího primární vinutí VN transformátoru a nadproudové ochrany realizované pomocí komparátoru U2 a součástek okolo. Kondenzátor C1 zrychluje spínání a rozpínání tranzistoru Q2 proudovou špičkou při přepínání. Vypínání tranzistoru Q3 je zrychleno Schottkyho diodou D1, jenž zabraňuje saturaci. Jeho kolektor vede na báze tranzistorů Q4, Q5, které fungují jako sledovače (proudové posílení) a přes rezistor R9 budí gate MOSFETu Q6. Mezi zemí a source MOSFETu je umístěn rezistor R10 (0,22 Ω), na kterém se snímá úbytek napětí. Při překročení určité hodnoty se aktivuje komparátor U2A, který přizemní uzel ~OCD, čímž se aktivuje přerušení procesoru obsluhující nadproudovou ochranu. RC článek R12, C2 odstraňuje rychlé špičky. Maximální proud MOSFETem lze nastavit trimrem RV1 v rozsahu cca 1,5 až 4 A (trimrem RV1 se nastavuje napěťová úroveň nutná pro překlopení komparátoru). Druhá část U2 je využita jako detekce podpětí na 12 V větvi. MOSFET je nutné chladit (chladič je zde přímo na desce, připojený k J2 a odizolovaný silikonovou podložkou). Použitý MOSFET je "avalanche rated" a není zde externí člen na absorbci špiček.

Primární cívka VN transformátoru je připojena na J3, J4 pomocí krátkého stíněného kabelu (J3: stínění, J4: vnitřní vodič). Pozor na polaritu/fázování vinutí, transformátor je provozován ve flyback režimu (energie se do výstupní kapacity přenáší, když je MOSFET rozepnutý - polarita je při tomto ději opačná oproti polaritě při "nabíjení"). Zde použitý transformátor pochází z kopírky a má v sobě zabudovanou usměrňovací diodu, má kladný VN výstup a záporný studený konec (ten je připojen k HVRTN). Paralelně k transormátoru se zabudovanou diodou je připojen 5 nF, 5 kV kondenzátor. Mezi zátěž a výstupní kapacitu je nutné připojit rezistor okolo 1-5 kΩ na omezení proudové špičky/EMI při vybíjení kondenzátoru. Záporný pól zátěže je připojen na kovové stínění krabičky (a přes dále zmíněné součástky na konektor J11). V režimu měření izolačního odporu se zátěž připojuje mezi kladný VN výstup a J1 (MEASURE), před konektorem J1 musí být ještě externí ochranný člen. Těsně u konektorů na krabičce (které vedou na J1, J11) je umístěna 200 V bleskojistka (paralelně ke konektorům). Za konektorem pro měření proudu a bleskojistkou je umístěna cívka (několik závitů na malém feritovém jádře) na omezení di/dt při výboji. Výstup této cívky spolu s vodičem připojeným ke konektoru GND/stínění krabičky vedou přes filtr souhlasného rušení (několik závitů kroucenou dvojlinkou na malém feritovém jádře) na konektory J1, J11 na samotné desce. Uzel GND samotné desky je také připojen ke stínění.

Stínění je vyřešeno pomocí měděné pásky (na panelech, pod/nad/okolo DPS). Celé zařízení je umístěno v ABS krabičce.

Ke konektoru J8 je připojen znakový displej 16x2 s řadičem HD44780 (piny VCC/GND (pro display VDD/VSS), kontrast E, RS, D4-D7, ostatní jsou spojeny s GND) a tlačítka (BTN1-3, spínají proti zemi). Konektor J7 slouží k programování mikrořadiče.

Program je vytvořen v Arduino IDE. Části, kde záleží na rychlosti, jsou řešeny přímým zápisem do registrů. Regulace je řešena PID smyčkou. PID smyčka je provozována pouze na cca 8 kHz, což zde tak nevadí díky poměrně velké kapacitě na výstupu zdroje. PID koeficienty musí být vyladěny pro minimální překmit na výstupu při změně zátěže, maximální stabilitu, přesnost a rychlost regulace. Hodnoty pojistek (fuses) pro mikrořadič jsou vypsány ve zdrojovém kódu.

Deska je jednostranná (+ drátové propojky) a vyrobená fotocestou. Je osázená směsí THT a SMD součástek. Je potřeba dávat pozor na layout z hlediska citlivosti na EMI. Kondenzátory C4, C6, C8, C9, C11, C14, C15, C22 musí být umístěny blízko příslušným obvodům. Na desce byly provedeny různé úpravy, ty ovšem byly zpětně zaznamenány i do návrhu v KiCadu.

Napětí se nastavuje pomocí tlačítek UP (BTN1) a DOWN (BTN2) s 50 V kroky. Lze nastavit i napětí nižší než 500 V, ale nejsou moc přesná. Tlačítko SEL (BTN3) přepíná mezi režimem nastavení napětí a zobrazováním odporu/proudu (přibližně - pro orientační test izolace, 50 nA až 1 mA, >500 kΩ). Do kalibračního režimu se vstupuje držením tlačítka SEL při zapínání zařízení a jeho následným rychlým mačkáním po zobrazení výzvy na displeji. V kalibračním režimu tlačítka UP/DOWN nastavují zobrazenou veličinu, SEL přepně na další veličinu. Na konci se data uloží do zabudované paměti EEPROM.

Pozor, níže ukázaná konstrukce/prototyp není optimální z hlediska bezpečnosti. Rozhodnete-li se toto (či podobné) zařízení stavět, děláte to čistě na vlastní riziko.

Arduino program (prosinec 2020)
Soubory pro KiCad (prosinec 2020)
ZIP archiv - Kicad, program - stará verze (únor 2020)


Fotografie

Uvnitř
Uvnitř (klikněte pro plné rozlišení)

V provozu - zobrazení napětí
V provozu - zobrazení napětí (klikněte pro plné rozlišení)

V provozu - zobrazení proudu a odporu
V provozu - zobrazení proudu a odporu (klikněte pro plné rozlišení)

Zadní panel
Zadní panel (klikněte pro plné rozlišení)

Spodní strana desky s připájenými součástkami navíc
Spodní strana desky s připájenými součástkami navíc (klikněte pro plné rozlišení)


 


 
Reklama (od webhostingu):