Выпиливаем источник тока для гальваники...

Занимаюсь подготовкой оснастки для металлизации плат и неожиданно для себя столкнулся с тем, что нормального источника для гальваники никто внятно не описал. Либо ужасы в стиле «трансформатор с табуретку и таких же размеров ЛАТР», либо не менее жесткие ужасы в стиле «стотыщпитсот советских транзисторов впараллель». Иногда попадаются любопытные схемы, но максимум, до чего дошла любительская мысль — использовать PWM для регуляции тока через ванну. Вобщем пришлось закатать рукава и разбираться самому. Решение еще далеко не окончательное, но предварительные результаты обнадеживают. Впрочем, есть и проблемы/вопросы, может кто чего путного подскажет…

Сначала я хотел просто сделать мост с PWM, но по ходу дела подумалось, что, по сути, такой источник тока здорово похож на обычные стабилизаторы тока для светодиодов, разве что преобразование нужно делать не «вверх», а «вниз». То есть вместо step up делать step down. Поскольку токи могут быть большими, да и в планах есть реверс, то интегральные преобразователи сразу отсеялись, пришлось делать практически на рассыпухе (интегральные контроллеры таких источников, почему-то, попадаются очень не часто, да и стоят каких-то запредельных денег). Опять-таки, поскольку токи большие, сразу встал вопрос выбора диода. И тут же вопрос отпал, поскольку стало понятно, что единственным разумным решением, в данном случае, будет «синхронный выпрямитель», то есть вместо диода нужно использовать второй ключ, который управляется в противофазе с основным. В итоге родилась вот такая вот схемка:

(Драйвер на схеме — IR2104, ключи — IRFZ44, индуктивность около 80мкГн).
На вход 1 разъема JP1 подаем PWM сигнал (скажем, от микроконтроллера) около 150КГц. Меняя скважность PWM можно регулировать выходной ток. Причем, ток на выходе может быть значительно больше тока потребляемого схемой от источника питания (соотношение тока в нагрузке к току от источника питания примерно равно отношению напряжения питания к напряжению на нагрузке). В процессе тестовых запусков сжег лампочку и 5-ваттный резистор 2.2Ома, которые использовались в качестве нагрузки. Увы, они плохо переносят «вдувание» в них по 15ампер. Однако в процессе тестовых же запусков выяснилось и то, что полевики, все-таки, изрядно греются (они установлены на общий радиатор через изоляционные прокладки), причем греются не только при 15 амперах, но и при 3-4 тоже, а такие токи в процессе работы придется держать часами. И вот тут куда копать я не очень понимаю, опыта работы с такими схемами маловато. Пробовал поиграться частотой PWM, но заметной зависимости я не получил (хотя по теории, чем выше частота, тем больше потери и нагрев). На проблемы с разводкой не похоже, провода и плата не греются. Да, в качестве тестовой нагрузки используется резистор 0.22Ома, а резисторы датчика тока закорочены накоротко. Возможно дело в малом сопротивлении нагрузки или неправильном выборе компонентов. Вобщем, комментарии и советы по делу категорически приветствуются.

P.S. печатки и игловских файлов не даю по одной простой причине — это только прототип, как доведу все до ума, в том числе реверс и управление — опубликую все полностью.
  • +2
  • 23 апреля 2012, 22:57
  • evsi

Комментарии (74)

RSS свернуть / развернуть
я понимаю, что не очень спортивно… но что если перепилить БП АТХ и на выход повесить мост для переполюсовки? там и на токи уже все посчитано, и управлять достаточно легко.
или вообще обойтись без моста, а коммутировать ту или иную полуобмотку…
0
Нужна регулировка тока, а для этого надо лезть в пузо БП. Чего не хочется, да и не очень это удачный вариант (ниже я описал почему).
0
У bsvi в бложике есть схема и описание блока для валяваники. Завтра дам ссылку
0
Сори для гальваники. :)
0
об этом?
0
Ага.
0
ну примерно об этой идее я и говорил.
только вместо проца лучше взять, скажем, STM32F100, с двумя ЦАПами. тогда можно программно задавать ток и напряжение. ведь прямой и обратный токи разные по величине.
0
Я видел эту схему и мне она не понравилась по многим причинам. Одна из них — отсутствие реверса. Вторая (и главная) — регуляция по первичке, в итоге выпрямитель нужен «на все деньги». С учетом токов и падений напряжений, получается, что питаем обогреватель в виде выпрямителя. Как-то не совсем хорошо. Синхронный преобразователь при прочих равных имеет тут ряд преимуществ, в частности, выходной ток ограничен параметрами транзисторов, а не диодов. Диоды на большие токи дороги и их нужно 4. Транзисторы способные пропустить через себя десятки ампер — по рупь ведро и их нужно всего два.
0
Диоды на большие токи дороги и их нужно 4.
Зачем стока, двух хватит.
Транзисторы способные пропустить через себя десятки ампер — по рупь ведро и их нужно всего два.
Плюс драйвер ценой 2-5 баксов в лучшем случае.
0
Драйверы и мост понадобятся в любом случае, поскольку нужен реверс. Достаточно скомбинировать buck с мостом для переключения полярности — и стоимость самого регулятора равна стоимости двух индуктивностей. Собственно, достаточно между выходами двух таких мостов, как на схеме, включить нагрузку и когда работает один, на втором нижний ключ открывается и наоборот.
0
www.terraelectronica.ru/catalog.php?ID=281&InHave=1&Page=

Тут же вроде напряжения низкие, так что и 15 рублей на драйвер хватит.
0
Спасибо, я в курсе. Номенклатуру драйверов IR я ковырял довольно много.
0
Какой например?
2 бакса — цена сдвоенного и довольно мощного драйвера нижнего ключа IR442x.
0
Я там выше упомина 2184. У нас они самую малость дешевле, ~рублей по 65 поштучно на ваши деньги.
0
Гм. Выпиливание — это слегка обратный процесс)

По поводу нагрева. Во первых, выбранный тобой драйвер очень хилый, менее 200мА. Для таких транзисторов и частот этого крайне мало. Поищи более сильноточный, на 1-2А (если вверху применить P-канальник и питание не более 15-18В — можно использовать сдвоенный low-side, вроде IR442x), и соответсвенно убавь затворные резюки.
Во вторых, не совсем ясен вопрос dead time. Скорее всего его добавляет драйвер, но надо смотреть даташит. Кроме того, во время dead time ток идет через обратный диод нижнего транзистора, желательно зашунтировать его диодом шоттки.
В третьих, стоит проверить ток через индуктивность — отсутствие насыщения и все такое.
0
  • avatar
  • Vga
  • 23 апреля 2012, 23:57
«Выпиливание» я применил в классическом значении, по аналогии, скажем, с «выпиливание лобзиком подарка маме на 8-е марта» :)

Комбинация 2104+Z44 в некотором смысле классика, они хорошо друг с другом сочетаются по параметрам, в том числе по времени включения/выключения и dead time, которое вставляет драйвер. Оттуда же и сопротивление резисторов.
По поводу индуктивности вопрос интересный. В самом первом варианте я ставил дроссель с паспортным током насыщения 8.5А, но там индуктивность маленькая, всего 12мкГн. Потом заменил его на дроссели из выходных фильтров компьютерного БП, индуктивность порядка 80мкГн (мерял тестером). Ток насыщения, естественно, не знаю, но уж 2-3А она держать должна легко. Да и не греется она совсем. В окончательный вариант думаю вообще «воздушку» намотать, тогда вопрос о насыщении отпадет автоматом.

Подозреваю проблема в маленьком сопротивлении тестовой нагрузки. 220мОм это уже не так далеко от 17.5мОм самого транзистора…
0
Попробуй все же помощнее драйвер. Ну и посчитай, в каком оно у тебя вообще режиме работает (в плане индуктивности). Ну и можно попробовать транзисторы с меньшим Rds.
220мОм это уже не так далеко от 17.5мОм самого транзистора…
Вообще это должно компенсироваться индуктивностью.
0
ОК, спасибо за подсказки, попробую покопать в этом направлении. Вообще в окончательный вариант я собираюсь поставить HIP4081, там 2.5А драйвер, должно хватить с головой.
0
Наковырял у IR-ов IR2184. Функционально копия 2104, но токи по 2А на плечо.
0
а может что-то типа такого?

взято отсюда
этим можно решить реверс тока.
p.s. опыта у меня в подобном нет, но вдруг поможет? заинтересован в ваших исследованиях, впрочем, как и все :)
0
Спасибо за линк, весьма интересная статья.
0
Посмотрите еще вот это обсуждение: Автоматическое ЗУ-приставка для свинцовых батарей на МК. Хоть и про зарядное устройство, но почерпнуть кое-что интересное, я думаю, можно.
0
  • avatar
  • kvm
  • 24 апреля 2012, 10:10
Спасибо, посмотрю.
0
А если отбросить все эти новомодные штучки в виде синхронных выпрямителей? и сделать обычный управляемый тиристорный выпрямитель или диммер в первичную цепь трансформатора?, тем более для гальваники принцип вроде, чем хуже форма тока, тем лучше покрытие(и реверс не нужен).
А мосфетом в силовых преобразователях, по моему опыту, лучше всего управлять трансформатором.
0
Эти новомодные штучки куда как проще и удобнее в реализации, чем управляемые тиристорные выпрямители. К тому же в бытовой сети, по возможности, лучше стараться не «сорить», а тиристорный выпрямитель в этом плане побороть будет, скажем так, не очень просто. Ну и главный плюс выбранного подхода — минимальные габариты/длины проводов сильноточной части, которая, вобщем-то, в таких схемах и есть самое геморройное в проектировании и монтаже. Так что тиристоры фтопку, синхронные выпрямители рулят :)
0
А мосфетом в силовых преобразователях, по моему опыту, лучше всего управлять трансформатором.
Специально для управления мосфетами разработаны эти драйверы. Не вижу ни малейшего смысла морочиться с трансформаторами.
0
Для этого надо плату правильно развести…
0
В этом, вобщем, никакой rocket science нет. К тому же маленький объем сильноточной части сильно упрощает задачу.
0
или диммер в первичную цепь трансформатора?
Пробовали на работе (цинкование) — почему-то незахотело работать. Либо ток «0», либо максимум…
0
я немного не в теме, потому есть пара вопросов. 1) какие характеристики надо получить? (рабочие токи, сопротивление нагрузки, мощность,,..) 2) электронные сварочники это не то? если их взять за основу?
0
Рабочие токи много амер, чем больше, тем лучше (меньше вероятность, что к этому вопросу придется возвращаться снова). Если заложиться на верхний размер платы, скажем, А4, то при плотности тока 4А/дм2 надо иметь возможность «вдуть» 24А. Сопротивление нагрузки очень мало, даже в маленькой экспериментальной ванне на 3Л и маленькой площади заготовок, сопротивление не превышает ~0.6Ом. Сварочники, возможно, похожи, но тут есть свои особенности — длительный режим работы (часы), жесткий контроль за током, необходимость иметь реверс.
0
24А при сопротивлении 0.6ом это напряжение 14 вольт и мощность 350ватт??? оно не закипит? или вся энергия тратится на осаждение меди?
0
При такой площади катода (заготовки) как я указал, сопротивление там будет значительно меньше, порядка 0.1Ом, я думаю. Соответственно, будет значительно меньше напряжение и мощность. И да, конечно, энергия тратится на все те химпреобразования, которые происходят в электролите. Ну и часть на нагрев, конечно.
0
Можно ещё заюзать чего-нибудь типа LM5116. Только стабилизацию тока добавить.
0
Эхх… Я писал там в топике, что контроллеры есть, но купить их проблематично. Собственно, когда я более-менее определился с тем, в какую сторону рыть, первое что я сделал — перешерстил онлайновые каталоги известных производителей в поисках контроллеров для синхронных регуляторов. Пробежка по каталогам местных продаваторов показала, что, в лучшем случае, подобные чипы есть только под заказ, причем не быстро и не дешево.
0
Я в Элитане брал. 156р.
0
Где я, а где элитан…
0
Не смотрел параметры дравйвера и транзисторов. Но частота кажется слишком большая. Разве оно надо?

1/150e+3 = ~6.6us

Время переключения наверно несколько сотен наносекунд. Получаем потери приближающиеся к ~10%.
0
Суммарно время переключения (то есть включение и выключение вместе) транзисторов там около 210нс (44-й хоть и совсем не новый, но достаточно быстрый). Так что потери там около 3%, что вполне приемлемо, IMHO. С другой стороны, индуктивность при таких токах хочется иметь поменьше, поскольку ее придется мотать в окончательном варианте проводом не меньше 2мм. С этой точки зрения я бы даже поднял частоту, но там драйвер довольно медленный.
0
Суммарно время переключения (то есть включение и выключение вместе) транзисторов там около 210нс
А драйвер слаботочный успевает за это время затвор перезарядить?
0
Максимальная суммарный заряд затвора у IRFZ44 — 83nC, при токе 0.2А для перезаряда требуется ~170нс, если я еще не забыл физику и нигде не ошибся в подсчетах.
0
Во первых, 200мА они выдают только в одном направлении, в другом 130-150. Во вторых, у тебя резюк великоват, там скорее всего менее сотни мА. Ну и напряжение на затворе во время заряда не нулевое, так что и ток падает.
0
Возможно. Сочетание драйвера, транзистора и резистора в цепи затвора я взял такое, какое очень часто встречал в просмотренных схемах. И в очередной раз убедился, что копипаста — зло :)
0
Мое ИМХО говорит, что даже 1% это много.
0
Возможно. Но, вобщем, мощности-то тут относительно маленькие.
0
Очень сильно зависит от тока, который может обеспечить драйвер. В идеале >5A Вон, на материнках, на питании проца токи >50A на выходе. И ниче, чуть теплые. Я пробовал IR2104 на IRLR2905 нагружать. Увы, больше 25-30 кГц — транзисторы чуть не докрасна грелись и дохли. Переделал, поставил LM5116, у неё 3,5А по даташиту. Чуть теплые на 250кГц…
0
Ага, спасибо за информацию, буду менять драйвер.
0
Еще вариант — использовать халявный набор COMBOSOLAR от техаса. Там есть замечательный драйвер полного моста SM72295, 3А на ключ, плюс два усилителя для токоизмерительных резисторов.
0
  • avatar
  • Resp
  • 24 апреля 2012, 21:55
Да, это прикольный вариант. Увы, семплы дают не всем, да и закладываться на это, как-то, не хочется.
0
с этими семплами проблем вроде как не было. солар не заказывал, а мотор, сенсор и лед пришли нормально.
0
на счет закладываться -
0
все таки не партией же шлепать будешь, так что если только погорит пригодится более одного драйвера.

а на счет не было проблем — это не совсем семпл. тут не звонят и не проверяют
(блин что ж такое то, дописать одним мессагом не могу)
0
Партией не партией, а в планах есть и публикация конструкции, а тут повторяемость существенный фактор. Да и не хочу я ждать пока посылка придет. Ту схема, которая в топике я собрал из того, что давно валялось «в закромах», а те компоненты, которые я планирую поставить в окончательный вариант можно просто пойти и купить (чем и хочу завтра заняться). Так что да, драйверок там в комплекте прикольные, но не вижу смысла заморачиваться с ними.
+1
Дык они федексом шлют, в течение 3-6 дней приходит. В комплекте 2 микросхемы, и подозреваю многие их уже набрали.
0
Да, я в курсе. Вот только мое нетерпение не хочет ждать даже столько :)
0
зато ни куда ходить не придется. созвонятся и доставят туда, куда удобно))
0
а что в качестве ванны применить планируется?
0
Пока экспериментирую с 3-литровым аквариумом. В принципе, для заготовок до ~90х90мм он вполне подходит, а там будет видно. Не смотря на то, что на аквариуме написано «3Л» реальная емкость меньше, так что двухлитровой бутылки электролита хватает тютелька в тютельку.
0
а фотки будут процесса? )
0
Тут — нет. Топик-то не об этом. Да и рано еще, как доведу до работоспособного состояния, тогда уж буду чего-то писать об этом.
0
ток в прямом и реверсном режиме должен быть одинаков или разный?
0
Разный, причем лучше всего иметь независимую регулировку длительности и тока прямого и реверсного импульсов.
0
Индуктивность гарантированно не должна входить в насыщение, лучше всего сердечник стержневого типа или бочонок, драйвер должен тянуть 2-3А, резистор в затворе можно и меньше, до 3.3 Ом, а еще я бы поставил IRF3205, они дешевые и Квы очень низкое и частоту кгц 30-40, не больше.
0
То есть Rds )))
0
Частота позволяет хорошо сэкономить на индуктивности.
IRF3205 хороши, да. Правда, у нас недешевы.
0
Я думаю катушку сделать вообще без сердечника, резисторы такие и поставил, а вот частоту хочу больше, хотя бы килогерц 300-350. Ну и IRF3205 мне не нравится, он медленный и заряд затвора большой. У меня есть некоторое количество IRLR7833, вот они, скорее всего, в дело и пойдут. Там и заряд затвора раза в три поменьше чем у 3205, и времена переключения в разы меньше. А главное — они точились как раз под такие применения — конвертеры с синхронным выпрямителем.
0
Заряд большой, потому что Rds низкое. Зато нагрев можно уменьшить. А на катушке без сердечника сэкономить, думаю, трудно.
0
Тут дело не в экономии, а в том, что там гарантировано отсутствие насыщения. Да и сложно найти готовую индуктивность на большие токи, я уже всех местных продаваторов этими вопросами достал.

P.S. у 7833 Rds почти вдвое ниже — 4.5mOm.
0
Кстати, на высоких частотах проблемы с разводкой проявляются гораздо сильнее. Цепи затворов должны быть максимально прямые и короткие, если это невозможно, сделать витую пару затвор-исток от драйвера до полевика. И еще — 100 процентное заполнение нельзя сделать при таком питании верхнего плеча.
0
100% заполнение можно сделать, если драйвер с автогенератором или разница между питанием и выходным напряжением больше порогового напряжения. В данном случае на выходе напряжения очень маленькие, порядка 1-2 вольт, в промышленных ваннах, если мне память не изменяет, порядка 6-8 вольт. Разницы в 4 вольта более чем достаточно для транзисторов с «логическими» уровнями. Как вариант, никто не мешает програмно ограничить ШИМ, что бы он на пару отсчетов не доходил до 100%, тогда подкачка будет всегда работать, а на максимальном выходном токе это практически никак не скажется. Ну, наконец, можно взять питание чуть выше, скажем 24В (все компоненты это позволяют). Вобщем, вариантов решения для этой (к слову, совершенно не актуальной) проблемы масса.
Впрочем, это теория, на практике в моих экспериментах пока я работаю c ~5-10% заполнения и врядли в ближайшее время дойду хотя бы до 15%.
0
По поводу разводки: да, я в курсе всех этих проблем, цепи затворов в меня кратчайшие, драйвер буквально «на длину резистора» от выводов полевика. Но там есть более геморройная проблема — нужно все время представлять себе как будут течь токи по земляному полигону, поскольку токи большие а дорожки отнюдь не нулевого сопротивления.
0
у меня глюки или утром было продолжение этой статьи ??
0
упс, кажись зря беспокоился)
0
Не глюки, было.
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.