Серия «Многоамперные Киловольты»

Для отладки составим список ТТХ:

- вход 180...240В, 50Гц

- выход 400В, 2,5А

- плавный запуск (ограничение пускового тока)

В более подробный перечень ТТХ входит ещё несколько важны параметров:

- ЭМС по EN55022,

- Микросекунды 2кВ провод-провод, 4кВ провод-земля

Но в рамках этой статьи мы не будем касаться этих параметров.

Отладка будет построена по схеме повышающего контроллера с диодным мостом. Поскольку выходная мощность достаточно высока, выберем двухканальную топологию (2-phase interleaving). Это два ключа, два диода и два дросселя, работающие поочерёдно со сдвигом фазы 180 градусов.

Теперь выберем компоненты.

Сам корректор построен на двухканальном контроллере UCC28070A. Не смотря на то, что это ушедший из России Texas, микросхема продаётся на Aliexpress. Я много раз покупал, проблем с ними не было. Тексас составляет очень подробные мануалы и даташиты для своих компонентов, плюс есть дизайн-калькуляторы в Экселе. Но, при желании, можно и самому надёргать формул с апноутов и вбить в Эксель.

Транзисторы.

Использованы WML36N65C4 от Wayon. Лучше будут работать WML53N65C4, у них менее "омный" канал и они быстрее. Можно купить в Компэле, но он работает только с юрлицами. Расчётный ток ключей - 9А, поэтому использовать можно всё, что умеет кочегарить 18-20А (с двойным запасом) при температуре корпуса 100 градусов.

Диоды.

Поскольку корректор работает в неразрывном токе, ставим диоды на карбиде кремния (SiC) G4H06510AT, продаются в Промэлектронике. Можно, конечно, использовать ультрафасты, но для них надо обязательно замедлить отпирание ключей. И КПД при этом будет немного ниже.

Драйвер ключей.

У меня в запасе есть FAN3224T, это двойной драйвер нижних ключей от Fairchild (ONS). Контроллер выносим в тихое место, а драйвер располагаем около транзисторов.

Датчики тока.

Здесь у разработчика есть выбор - или резистивные шунты, или трансформатор тока. Я использовал самодельные трансформаторы тока на мелких колечках R10 из материала DMR44. Тексас рекомендует коэффициент трансформации 50...150, согласно даташиту. Поэтому выберем провод 0,2мм, которым наматываются 70 витков провода 0,2мм в один слой, или 100 витков в 2 слоя, по вашему желанию. Кольца есть в Лэпкосе.

Дроссели.

Я выбрал кольца 77894, это сендаст с проницаемостью 60. К сожалению, Магнетикс тоже дезертировал из России, но его место с удовольствием заняли азиаты, которые предлагают свои аналоги по ценам в 5 раз ниже. KS106-060A доступен в продаже, тоже в Лэпкосе.

Выходные конденсаторы

Типовая ёмкость для такого корректора - 1000мкФ 450В. Если позволяют нормы по пульсации выходного напряжения, можно использовать вдвое меньшую ёмкость. У меня по компоновке платы влезают 2 штуки 390мкФ 450В. Купить можно где угодно.

ЭМС фильтр - двухзвенный. В первом звене работает синфазный дроссель, который может быть выполнен на материале R10K от DMEGC, тоже есть в Лэпкосе. Кольцо диаметром 30мм. Обмотка выполняется в 1 слой. В отладке применён дроссель с двухслойной обмоткой, но от второго слоя эффекта практически нет, т.к. сказывается межслойная ёмкость, и помеха просто пролезает через неё без существенного ослабления. В дифференциальном звене можно использовать тот же сендаст, жёлто-белую распылёнку 26-го материала. Рассчитывайте на 100мкГн на макс.токе на нижней границе сети (1000Вт/КПД/180*1,41 = 8А)

Отдельная платка - это системный источник питания. На него возложен целый ряд функций и задач - он формирует напряжения питания и для узлов сетевой стороны, и для вторичной, а так же выполняет следующий алгоритм при включении в сеть:

1. При включении дать зарядиться электролитам через NTC термистор.

2. Спустя полсекунды подать питание на контроллер корректора.

3. Как только корректор довёл напряжение на банках до 350В - включить реле, которое зашунтирует термистор.

4. Одновременно с этим подать питание на второй каскад.

5. Напряжение питания на вторичную сторону подаётся сразу же при включении.

6. И отдельный узел - защита от обрыва нуля (защита от 380), которая отключает весь корректор от сети при подаче на вход напряжения свыше 320В переменного тока. Этот узел нужен будет мне в дальнейшей работе с отладкой. Для обычных условий применения он необязателен.

Разумеется, системный источник должен работать в очень широком диапазоне напряжения питания. Он должен уметь стартовать на нижней границе сети (180В) и выдерживать напряжение питания вплоть до верхней границы сети 380В, которая составляет 440В, а её выпрямленное значение - более 600. Поэтому, несмотря на невысокую мощность, здесь нельзя использовать типовые интегральные контроллеры с предельным напряжением ключа 700В. Лучше построить системный источник на обычной UC3842 и использовать мелкий транзистор в DPAK или SOT223 с напряжением 900-950В.

Конструкцию системного источника я описывать не буду, это информация для отдельной статьи.

Все цифры с ТЗ вбиваем в калькулятор параметров, получаем номиналы компонентов и список ограничений:

1. Кольца 77894 могут обеспечить такую мощность на частоте не ниже 100кГц. 83 витка дают нам 150мкГн при полном токе и 500мкГн без нагрузки.

2. Для токовых трансформаторов макс. рабочий цикл должен быть ограничен значением 0,9, не выше.

3. Рекомендуемая Тексасом схема коррекции пилы на малой мощности не требуется, если применены токовые трансформаторы - они дают сигнал высокой амплитуды, которую легко выделить среди шумов.

4. Одного выпрямительного диодного моста GBU810 мало - он сильно греется. Я попробовал использовать 2 в параллель - стало немного лучше. Но в финальный вариант я заложил 25-амперный мост GBJ2510 - на нём ещё ниже потери и выше КПД. В живой отладке остались 2 моста в параллель.

Чертим-рисуем в Алтьиуме схемы:

Фильтр ЭМС. Реле и системный источник не показаны

Силовой каскад.

И мозги

... и получаем вот такую красоту:

В Альтиуме, конечно, всё красиво, но отладка выглядит не так сексуально (я б не вдул™):

Важные моменты по сборке:

1. Под кольца необходимо подложить прокладки из текстолита, ПЭТ плёнки, любого диэлектрика. Бутафорская жёлтая лента здесь - не столько для изоляции, сколько для маркировки. Электролитов это тоже касается.

2. Транзисторы применены в корпусе Fullpack, они монтируются на радиатор напрямую. Диоды же - голый TO220. Поэтому нужны теплопроводящие подложки. И я ставлю по 2 подложки для лучшей электроизоляции. Тепла с диодов рассеивается немного, поэтому на нагреве 2 подложки не сказываются.

3. Системный источник отлаживается вообще отдельно. Или до установки на плату, или вначале на плату распаяйте всё кроме корректора и наладьте выходные напряжения и мощность, пороги переключения, сработки, задержек и пр.

Первое включение в розетку проводите через мощную галогеновую лампу от прожектора на 500-1000Вт. Для первого включения вместо всей выходной ёмкости можно поставить конденсаторы поменьше, раза в 2-3. Будет проще запуск через лампу. Убедитесь, что корректор формирует на выходе нужные 400В. Проверьте все напряжения питания. Подержите плату полчаса - проверьте, что ничего не перегревается, не дымит и не воняет.

После этого можно убрать лампу и включиться напрямую в сеть через автомат 10А. Обязательно встаньте двухканальным осциллографом на точки CS1 и CS2 - проверьте работу датчиков тока с ростом мощности. Форма сигнала должна быть ровным треугольником на малой мощности, постепенно переходящим в трапецию с ростом нагрузки.

На что нагружать? Я сделал такую вот переключаемую нагрузку на лампочках

Лампы по 100 и по 200Вт включены парами по 2 последовательно. На каждую пару сзади панели - выключатель. Правда, бытовые выключатели не могут размыкать постоянный ток, формируется дуга. Включать могут. Выключать - нет.

И не забывайте, что задача корректора - прежде всего сделать синус на входе, а не 400В. Поэтому обязательно надо чем-то наблюдать форму входного тока. У меня специализированные приборы. Если их нет - можно использовать токовый трансформатор, нагрузив его расчётным резистором и смотреть осциллографом.

В конечном результате прибор показывает измеренные параметры:

Ключевые параметры:

Левый столбец сверху вниз: напряжение и ток по входу, входная мощность, коэффициент мощности, частота. Дальше не нужно.

Правый столбец сверху вниз: напряжение и ток по выходу, выходная мощность, пульсация выходного тока (не важно для корректора), КПД.

Красная синусоида - форма напряжения в сети, зелёная - форма входного тока. Есть небольшое фазовое опережение током напряжения, тут могут влиять и ёмкости в фильтре ЭМС, и сам корректор может чудить. Можно исправить, а можно оставить так - третья гармоника всего 5.5%

Если есть ЛАТР - проверьте работу корректора на нижней границе сети и на верхней. На нижней будет хуже КПД, но лучше форма тока. На верхней - наоборот.

Берегите электросеть, и о своих глазах не забывайте - пользуйтесь защитой.

Ах да, сами квадрики и мотоциклы тоже надо везти, в прицепах, потому что они не того класса, чтобы иметь ПТС.

А ещё эту ораву людей надо кормить какой-то едой, которую надо где-то хранить. А ещё, ночами всё-таки не так светло, как днём, а объявлять отбой в 22.00 как-то не хочется. Просто потому, что романтика и всё такое. И если компания перемещается к костру с играми где-то ближе к часу ночи, то с 9 вечера до костра все сидят в шатре и болтают о вечном. А хочется это делать не в потёмках.

А ещё, поскольку электронная наркомания очень развита, у этой оравы людей огромное множество всяких электронных сигарет, которые регулярно жаждут зарядки. И телефоны.

Ну и, конечно, в лесной тишине просидеть неделю - совсем тускло, хочется какой-то озвучки, потанцулек, короче – музыки.

В общем, тема затрагивает электротехнические аспекты оснащения палаточного лагеря.

Мы много лет ездим с палатками. Поначалу это были вылазки на 1-2 дня на ближайшие водоёмы. Потом стали выезжать с пятницы по воскресенье, и это были уже 3 дня / 2 ночи. А сейчас все удачно подгадали отпуска, кто-то договорился о переносах дней, у кого-то свободный график, у детей и так летние каникулы. В общем, решили ехать на неделю.

Синоптики нам пророчили дождливую и прохладную неделю, и, поскольку это только синоптики, а не погодные шаманы, они не принимают магарычи, пожертвования, донаты и прочие замасливания с целью улучшения погоды. Поэтому наша экипировка включала в себя так же большое количество ПВХ баннеров, тентов, дождевиков, сапогов и сменных комплектов одежды.

Забегая вперёд, скажу, что синоптик – самая бестолковая профессия, потому что погода была 22+, и мы получили хорошую порцию загара. Кроме разве что пары пасмурных дней.

Итак.

Наш состав оборудования для туристических поездок. Надеюсь, эта информация будет полезна тем, кто осваивает палаточный отдых или планирует длительные поездки в глухие чащобы.

1. Штатно в нашей компании есть небольшой компрессорный холодильник на 15 литров для заморозки мяса. Его объёма хватает для поездок на выходные. Что не влезло – можно обмотать в одеяла, и оно сможет продержаться замороженным пару дней без поддержки холодильника. Но для оравы в дюжину человек и недельной плановой стоянки мы решили купить 30-литровый холодильник. К сожалению, Озон нас подвёл с доставкой, дважды перенося срок на день. В общем, новый холодильник мы получили уже по приезду домой, а в поездку взяли старый 15-литровый. Его крайне мало, просто катастрофически мало на эту компанию, потому что много мяса, потому что ловим рыбу, потому что кто-то хочет холодное пивко.

2. 12-вольтовая солнечная панель на 100Вт. За время стоянки на выходных мы высаживаем на холодильник все аккумуляторы в машинах, кроме одного, а на сборах от него – прикуриваемся. Если солнечная панель добудет какую-то халяву от солнца – будет хорошо. Нет – автомобильные генераторы в машинах дают приличный зарядный ток. В моём Форде, например, можно получить до 20А от генератора, работающего на холостом ходу двигателя. Поработал час – добыл две-три сотни ватт-час, потратил литр бензина. В широтах Ладоги 100-ваттная панель  на открытом солнце добывает примерно 80Вт мощности, в пасмурный день – работает процентов на 15-20.

3. Учитывая обещанную пасмурную погоду, я взял «попользоваться» панель побольше, на 450Вт. Это крупная и тяжёлая панель, размером 2м*1м, весом под 20кг. Она оказалась для систем с напряжением 36В, поэтому на скорую руку пришлось конструировать понижайку в 12В. Её очень неудобно таскать, разворачивать на солнце. Можно было бы просто положить её на крышу прицепа и выкатить его на открытую местность, но в эту поездку самый большой прицеп у нас был с акриловым обтекаемым колпаком, а на нём панель не расположить – сдует ветром. И я не люблю шумные бензогенераторы, в первую очередь интересна халява )

4. В досугово-развлекательном плане у нас есть активная колонка с усилителем на 200Вт, цветомузыкальная голова и ноутбук. Колонку я изначально делал с питанием 12В, а вот ноутбук и голова питаются от 220В. Поэтому для них я раздобыл небольшой инвертор на 220В. Также инвертор полезен для зарядки аккумуляторов раций, и один из матрасов в палатке был с 220-вольтовым электрическим насосом.

5. Вишенка на торте – система хранения энергии, короче – повербанк. Четыре LiFePO4 призматика по 136Ач, по 435Вт*ч каждый. Суммарно – 1700Вт*ч. Это более чем в два раза ёмче обычного автомобильного аккумулятора на 12В 55Ач. Он заслуживает отдельного описания, потому что самодельный.

Заряд его ведётся от солнечных панелей. Поскольку у меня их две разнокалиберных, каждая оснащена своим зарядным конвертером. Они не MPPT, это просто DC-DC понижайки на LM5116 с мягким UVLO, т.е. в работе они садят панель до её штатной точки макс. мощности, которая указана на панели, и не отслеживают её изменение. И вот с таким конвертером 100-ваттная панель жмёт честные 80Вт, причём не на экваторе, а на широте даже севернее Санкт-Петербурга.

Контроль заряда включается при достижении на любой банке напряжения 3,6В. На каждой ячейке установлена плата активного балансировщика током до 10А. Балансиры отбирают излишек заряда у ячеек и возвращают его в источник зарядного тока. Теоретически, заряд прекращается отключением батареи от зарядников запиранием входного ключа, но на практике, солнечные панели не заряжали повербанк на 100%, и он работал в этаком буферном режиме, панели+аккумулятор комбо.

При разряде схема отключает нагрузку полностью при просадке напряжения на любой банке до 2В. Это случилось в нашу поездку один раз, ночью, ему предшествовали 2 пасмурных дня, за которые панели не набрали нужной энергии в аккумулятор. Но холодильник не успел разморозиться, утром мы подкинули ему заряд от генератора автомобиля, и мясо было спасено )))

Поскольку система развивается, она постоянно обвешивается свистелками-перделками. В эту поездку она особенно хорошо показала, какие доработки надо внести.

- Много USB выходов. 5 штук минимум. Не надо делить на USB-micro, type-C, просто – обычные USB гнёзда с мозгами быстрой зарядки. Всё равно все ездят со своими шнурами, просят подключиться и зарядить свои повербанки, сиги, телефоны и прочие гаджеты.

- Много гнёзд XT-60. Свет в шатре – подключил. Аккумулятор эхолота зарядить – подключил. Конвертер для питания ноутбука на 19В – подключил. Микшерный пульт тоже переведён на XT-60. Какой-то нестандартный непредсказуемый потребитель – сделай его на XT-60 и подключи. В будущем я планирую перевести цветомузыку на 12-вольтовое питание, и она тоже будет подключаться через XT-60.

- Ну и соответственно входные зарядные разъёмы для панелей – тоже XT-60

- Anderson на 50А. Это не шибко распространённый, но зато действительно силовой и крепкий разъём. У меня через него подключена звуковая колонка, я установил в багажнике машины блок совмещённых андерсона и прикуривателя. Можно запустить двигатель авто через Андерсон. XT-60 сломается, если кто-то заденет ногой провод. Андерсону пофиг.

Вопросы защиты выходных гнёзд от к/з я оставлю на ваше усмотрение. Может быть плавкая вставка, может какие-то умные полупроводниковые ключи.

- Нужен ли разъём прикуривателя? Если только для галочки. Потребности в нём не появилось ни разу. Холодильник я тоже перевёл на XT-60.

- Чисто ради интереса надо 2 счётчика энергии – добытой и израсходованной. Сейчас установлен 1 счётчик на нагрузку, поэтому невозможно посчитать, сколько энергии осталось в батарее.

6. Если кому-то интересно, что внутри звуковой колонки:

- Голова 200ГДШ-36-8 от новосибирской Ноэмы. Ноэма предлагает 2 фазоинверторных оформления для этой головы – на 65 и 100 литров. Даже считать ничего не надо. ЕМНИП, я сделал на 65 литров, компактно и достаточно басовито для этой головы и наших предпочтений. Даже drum’n’bass хорошо звучит. По верхам там плоховатенько, кристальной чистоты звука нет. Но алкоголь в крови и богатая фантазия додумывают и компенсируют все огрехи ) А кому-то просто пофиг.

- Усилитель D-класса на TDA8954 в BTL режиме

- Конвертер с 12В в ±40В мощностью 250Вт

- Конвертер с 220В в 12В мощностью 300Вт

При работе от сети получается паровозик 220/12/±40, но зато можно использовать готовый DCDC.

Колонка питается, как я уже говорил, через Anderson, поэтому при работе от 220В можно из неё выводить 12В от сетевого источника для всяких нужд.

Меня заслуженно испепелят любители качественного звука, но идите в жопу – корпус сделан из обычной фанеры 8мм с рамой из рейки 20х20мм. Внутри нет никакого поглотителя. Получилась очень лёгкая и прочная колонка, которая радует нашу компанию уже несколько лет.

Ну и результаты.

За 9 дней / 8 ночей наш лагерь израсходовал электроэнергии почти на 7кВт*ч, в среднем - по 0,7кВт*ч в сутки. Учитывая, что выехали мы с полностью заряженным повербанком и один раз высадили его в ноль, мы добыли солнечной энергии на 5,5кВт*ч.

БОльшая часть электричества приходится на холодильник, а у него расход энергии зависит от многих параметров – и литраж, и заданная температура, и где он установлен. Не держите холодильник в багажнике авто, там слишком жарко – он не сможет выйти на хороший мороз, даже если вы откроете все окна и двери. Расположите его снаружи, в тени, в хорошо продуваемом месте. У меня он стоял за шатром и легко и непринуждённо поддерживал -15, а на ночь я убирал его в прицеп.

В общем, к следующей поездке я из макета аккумуляторов с проводами и болтающимися разъёмами соберу полноценную аккумуляторную станцию. Если, конечно, не будет лень.

А вам всем – хорошего отдыха, ловите солнечные деньки, фотоэлектрическую халяву и крупную рыбу!

З.Ы. Про все интересующие узлы системы могу запилить отдельные посты, если интересно.