Curve tracer

[Khadgar2007]

Vrijeme je da se započne sa temom. U glavnim crtama ima se vizija kako to treba izgledati, tako da rekoh otvoriti ću temu u nadi da će biti više konstruktivnih prijedloga(ili šutnje) nego oftopičarenja.
Znači krenuo sam sa projektiranjem ovog tracera po uzoru na Tek 576 barem ča se tiče radnih napona,limita snage i ostalih parametara za mjerenje. Glavno kolektorsko napajanje će biti slično Tek 576 samo će otpornici za limit snage biti premješteni na primar trafoa(po savjetu Ilimzna). Generator stepenastog signala će biti riješen sa PICem te DA konverzijom i nakon što se dobije stepenasti signal on će se pojačati naponski i strujno sa nekoliko operacionih pojačala. Šemu tog dijela je napravio Macola sa susjednog foruma(to je zapravo samo prijedlog šeme ali u glavnim crtama je to to). PIC će zajedno sa jednim LCD displayom imati ulogu da prikazuje neke od parametara mjerenja.

uC step generator.pdf

Ima još tu dosta ideja koje mi se vrte po glavi i koje imam zapisane ali nešto se od toga promijenilo pa ćemo morati ponovo napraviti reviziju toga,za sada sam rekao da ću krenuti sa jednostavnijim dijelom a to je glavno napajanje. Ja ne bi bio ja kada ne bi krenuo lakšim putem...

Znači da krenemo sa kolektorskim napajanjem. O tome sam prije dosta mjeseci napisao nekoliko postova na forumu gdje se Ilimzn uključio sa svojim prijedlozima. Tu je to stalo jer je trebalo o svemu tome dobro razmisliti, također sam stupio u kontakt sa Macolom(znalac poput našeg Ilimzna) pa sam njime razmijenio nebrojene emajlove i nekoliko poziva preko skypea. On mi je dosta pomogao oko specifikacije dijelova za tracer te sam se nakupovao dosta dijelova iz TMEa(na kraju će biti i nešto viška ). Davorin je tu uskočio poklonivši mi jednu veliku jezgru za trafo koja je poslužila za glavno napajanje, a na ebayu sam kupio jedan mali vakiak od 220VA.

Evo i šeme kolektorskog napajanja.Ilimzn je odmah u startu rekao da je pametnije staviti otpornike za limit snage u primar jer se sa time izjegava kompliciran odabir otpornika u ovisnosti o naponu napajanja što se na Teku 576 vrši sa kompliciranom sklopkom a bome i smanjuje gužva u kutiji. Istina da bi se sa PICem to riješilo čas posla ali svejedno se vraćamo na gužvu u kutiji. Na šemi su nacrtani točni iznosti otpornika koje sam proračunao jučer. Sada je na meni da nađem postojeće vrijednosti otpornika koji će zadovoljiti da njihova kombinacija daje približnu vrijednost koja je na šemi,ali sigurno neće biti lako na područjima gdje je snaga 50-150W...

Kolektorsko napajanje v1.jpg

Za sada ću na stranu staviti problematiku otpornika te iznesti prijedlog o tome kako sam mislio montirati te kombinacije otpornika. Ideja je da se otpornici za svaki limit disipacije stave na odvojene PCBe(izuzetak su oni gdje je taj limit veoma mali i mogu staviti više njih na jedan PCB). PCBi se naprave tako da su rupe za montažu na istim mjestima te se može složiti jedan sendvič.
Ono ča na šemi nije nacrtano je način na koji se odabiru otpornici i napona na sekundaru trafoa. To je recimo riješeno(ili nije?) Macolinom idejom da se stave triaci koje će drajvati optocoupleri i njima se upravlja preko PICa(rotacionog preklopnika ili nećega trećeg).

Drugi dio koji sam za sada napravio je grec. To sam zamislio tako da upotrijebim kombinaciju nekoliko snažnih dioda u TO-220 kućištu koje bi spojio po dvije u seriju i onda takva četiri para u grec. Na Teku je to napravljeno sa dva "greca" jedan do 500V a drugi do 2kV. U ovome slučaju bi upotrijebio 600V/15A diode koje bi išle na hladnjak. Šemu greca svi znamo tako da evo layouta kako sam ga ja zamislio. Vodovi će biti podebljani sa punom žicom jer je maksimalna struja koju će ovaj tracer dati 10A.

Grec v2.jpg

To je za sada to. Kada se napravi sve u kolektorskom napajanju onda će se polagano krenuti na step generator.

[Edison]

Kadghare, imas jeftino grec "kocki" od 1.000V 50A i 35A, ispod 20 kn su, i ne trebas plocicu i hladnjake, pricvrstis ga na kuciste.
Samo ako ti je 1.000V dovoljno. Mislim da ih je bilo i od 1.200V, a za vise napone nisam sretao...

[ilimzn]

Ja bi ipak napravio dva greca, jedan za male, drugi za velike napone. Ovako kako je, za male napone dolazi do velikih naponskih gubitaka sto uz velike struje stvara podosta grijanja. Bolje rijesenje bi bilo za male napone nesto tipa schottky. Njih danas ima za do 200V i ampera skoro pa koliko treba. Za visoke napone struje padaju ispod 1A i dovoljne su i 1N4007 u seriju ili 1N5408. Jeftinija verzija nego 8 velikih dioda i hladilo plus izolazija do 1kV. Isto tako, postoji i AC mod mjerenja, gdje se grec zaobilazi. No, postoji i jedna bitnija stavka koja bi se pomocu PIC-a dala relativno lako rijesiti a inace je jedna od mana Tek tracera.
Konkretno, on ima nekoliko modova generiranja stepenastog napona ili struja za pogon upravljackog izvoda mjerenog elementa (DUT). U 'najbrzem' modu u jednoj periodi 50Hz mreze, odradi 4 stepenice - po jednu za svaku cetvrtinu sinusoide. U normalnom modu po jednu za svaku poluperiodu, a u sporom po jednu za svaku periodu. U prevodu, u prvom modu crta linije od 0 do pozitivnog vrha sinusoide, pa slijedecu od pozitivnog vrha prema nuli, pa slijedecu od nule prema negativnom vrhu sinusoide (grec osigurava ispravan polaritet za DUT) i slijedecu od negativnog vrha sinusoide pa nazad u nulu. Ovo na prvi pogled izgleda super jer je moguce generirati graf bez treperenja. U praksi postoje problemi:
1) Struja u poluperiodama sinusoide nije ista sto znaci da dolazi do pojave DC magnetizacije jezgre. Tek ovo rijesava tako da koristi trafo s rasporom.
2) Kapacitivni efekti u DUT nisu jednaki kod rastuceg i padajuceg napona pa su linije u parovima pomaknute.
3) Kad se generira neparan broj linija, u svakom drugom prolazu kroz linije se mijenja smjer iscrtavanja linije za svaku liniju, pa se radi kapacitivnih efekata pojavljuju dvostruke linije
4) Neki elementi ne podnose iscrtavanje linije od najmanjeg prema najvecem naponu, npr. pentode. Uz konstantan napon G2, kod napona 0 na anodi, sva struja tece kroz G2 - koja to ne moze nuzno izdrzati. Ne samo da napon na anodi pocinje od nule ovisno o nacinu iscrtavanja linija, vec pocinej od nule jer se inicijalno pocinje mjerenje s regulacionim trafom u nuli.

Dodatno, nije prakticno za sve elemente generirati linije od najmanjeg prema najvecem kontolnom naponu ili struji. Dakle, generator stepenica bi morao moci brojati u naprijed ili u nazad. Kod Tek-a samo naprijed, sto znaci da je npr. kod mjerenja fet-ova i cijevi uvijek iscrtana linija s najvecom strujom (Ugs/Ugk=0).

Gornja 4 problema se rijesavaju dodavanjem nekoliko dodatnih modova mjerenja plus prekidacem (tranzistor ili MOSFET) koji po potrebi ukljucuje cetvrtine perioda mreznog napona prema trafou. Naravno postoji i RC 'zobel' koji sprecava efekte rasipnog kapaciteta kod takvog nagloh ukljucivanja ili iskljucivanja.
U brzom modu ostaje rad 1 linija po svakoj cetvrtini periode. Eventualno se moze napraviti korekcija kod generiranja neparnog broja linija, da generator zapravo generira paran broj linija ali jednu ne prikazuje (izkljucuje anodni napon), kako bi se sve linije uvijek generirale u istom smjeru.
U normalnom modu osim iscrtavanja linije od nule do vrha sinusiode pa nazad u nulu (kapacitivni i toplinski efekti se vide uvijek), treba odati modove generiranja samo na uzlazni do poluperiode ili samo na silazni dio poluperiode.
U modu generiranja za punu sinusoidu sve ostaje isto, taj mod se koristi za AC mjerenja kao i za osiguranje protiv magnetizacije jezgre trafoa.
'Prekidac' napajanja se moze inace rabiti za razne namjene kao npr. iskljucivanje napajanja u bilo kom trenu ako je struja G2 pentode iznad limita. Isto tako se moze koristiti za impulsnu modulaciju kako bi se smanjila disipacija kada IxU na DUT preraste neki zadani limit. Naravno moguce je dodati i limite na maksimalni napon neovisno o limitu snage i sl. Sve ovisi koliko e pametno programira PIC.

[Khadgar2007]

@Ilimzn,da te malo priupitam vezano za izračun vrijednosti otpornika i ovu tvoju izjavu.

Vodi racuna kod izracuna otpora da uracunas DCR namotaja trafoa (svih!).

Za primar trafoa nije problem, zna se koji je DCR njega i to se onda oduzme od izračunate vrijednosti za svaki limiterski otpornik.Recimo otpornik je 350ohma, DCR primara 10 ohma a ja trebam da mi računica bude točna staviti otpornik od 340ohma. Sekundar me zbunjuje, jasno mi je da se treba uzeti u obzir ali kako to napraviti nije mi jasno. Budući da su otpornici u primaru, svaki otpornik može biti "spojen" u strujni krug bilo kojeg izvoda sekundara a oni sigurno nemaju isti DCR, da se uzme onda maksimalna vrijednost DCR sekundara(otpor svih namotaja) ili neka prosječna vrijednost?

Ča se tiče shottky dioda, ima ih u TMEu za 200V/60A TO-3P(cijena 6,5$). Kod nas sam našao u Elmatisu 200V/20A TO-220(14kn) kućištu.Nekako bi rađe uzeo ove u TO-3P jer imaju veći razmak između vodova pa mogu staviti vodove od barem 100mil,ako misliš da je ok i TO-220 onda je dilema riješena.

[ilimzn]

Nepotrebno je imat razmak vodova ba schottky diodama koje sluze za ispravljaje napona do 55V
Sad gledam ideju za otpore u primaru trafoa, postoji jedan problem koji se tice kapaciteta primarnog namotaja koji ce biti problem za male snage. Osim toga postavlja se pitanje kako zelis oznaciti limiter - strujno ili prema makismalnoj snazi. Maksimalna snaga se postize kada je otpor opterecenja jednak serijskom otporu, preracunatom uzevsi u obzir prenosni omjer trafoa i DCR. Naravno taj je racun priblizan, i generalno se uzima dcr primara puta dva (jar kako god okrenes otprilike po namatanju ispada da je preneseni otpor sekundara jos jedan DCR primara.
Ako pogledas kako izgleda graf na traceru za razliku od pravog limita po maksimalnoj snazi, krivulje dolaze do linije koju definira serijski otpor, tocnije tocke Umax(V),0(A) i 0(V),Umax/Rs(A). Maksimalna snaga se positze na tocki pola napona i struje. Pravi limit po maksimumu snage je parabola, koja se dotice tog pravca u istoj tocki.
Dakle, ako racunas 230V i maksimalna snaga 100W, onda je serijski otpor ((230^2)/100)/2, minus 2xDCR visokonaponskog trafoa, cca 260 ohma. DCR regulacijskog trafoa uzimas kao samo DCR cijelog namota, tu nema pomoci osim da se aproksimira. Taj otpor mora izdrzati dvostruku snagu od odredjene (a trafo i vecu radi nesimetrije opterecenja!) za slucaj kratkog spoja. Radi toga je raditi tracer za 150W na ovaj nacin prilican optimizam.
Jos jedna bitna stvar. Neki traceri imaju tzv. DC mod. Iza greca dodje filter s dosta velikom valovitoscu koji time iscrtava samo 'rep' krivulje. Za tracer koji mora imati taj mod, otpornici na zalost moraju ici iza greca.

[micro]

Ja sam se prije igrao sa onim foto otpornicima i pogonio to sa DAC-ovima. Meni je bilo najjednostavnije sa 16-bitnim PIC mikrokontrolerima i mikrocipovim duplim 12-bitnim DAC, koji su bili najjeftiniji ali nisu imali unutrasnji referentni napon. Imas gotove biblioteke u C-u ili primjere pa ne treba pisati od nule drajver za dac samo prouciti komande kako sa njim upravljati i upotrijebiti gotov kod. Upravljanje je islo preko tri pina SCI i vrlo brzo. Jedino sto sam ja koristio specificni 7-segmentni led displej sa ebaya 8 znamenki kojim se isto upravljalo sa 3 pina , unutra je bio neki MAX cip mislim 7219 ili nesto slicno.

Trebala mi je pomoc logickog analizatora , uzeo onaj PCB logicki za 50 dolara i nasao problem koji me mucio kod upravljanja sa DAC-ovima.

[Khadgar2007]

Ča se tiče PICeva dobio sam prijedlog da uzmem 18F4620 koje sam i kupio(2 komada). Veliki su,hrpa memorije,I/O pinova i svih ostalih điđa. DAC će zapravo biti sam PIC sa otpornom mrežom na izlazu(šema u prvom postu). Macola mi je dao taj prijedlog a čovjek osim elektronike ima i PICeve te njihovo programiranje u malom prstu tako da mu vjerujem. Šteta ča nije na ovom forumu ali i sam je rekao da nema vremena prijavljivati se na hrpu foruma te ih čitati i pisati na njima.Možda ga ipak nagovorim da dođe ovdje da vidi nas audioDIYere.

@Ilimzn
Za sada tj. do Žarula festa neću ništa planirati da kupujem pa se nadam da ćemo se tamo vidjeti da malo popričamo. Budući da ću raditi sve to sa PICevima u teoriji nije bitno gdje idu otpornici,samo je stvar veličine kutije di će to biti smješteno. Sa PICem bi riješio problem komplicirane sklopke koju ima Tek, samo kažem PICu da je na recimo 1kV području i program u njemu kaže da može aktivirati samo te i te otpore.Problem "samo" izvesti to u praksi tj. isprogramirati. Ovo sigurno nije projekt koji treba biti gotov jučer već ako glavnina bude gotova kroz godinu dana ja zadovoljan.

Što se tiče snage budući da imam 220VA variak onda će maksimalna snaga biti 100W(1-2-5 slijed). Vezano za pravi limit snage(parabola) da odem onda Macolinim putem i napravim strujni limit sa poluvodičima. Drugim riječima onu ogromnu šemu koju si vidio na Triode festivalu,jer ako se ne varam za to si rekao da je Macola probao imitirati upravo parabolu.

Za taj DC mod koji si spominjao pretpostaljam da je taj filter na šemi Tek576 gore lijevo od otpornika za strujni limit u obliku one "hrpice" kondenzatora sa pripdajućim bleeder otpornicima?

Over&out za sada, valjda se vidimo na Žarula festu.

[micro]

Malo sam pogledao shenu sa PIC. Imam nekoliko pitanja. Kolika je rezolucija dok DAC-a ili koliko koraka ima od 0 do 2,5V?

Koliko bi bila rezolucija tog stepenastog signala maksimalna a koliko minimalna? Da li je dovoljan samo jedan generator stepenastog signala, da li PIC treba da ima jos neku funkciju osim ovog stepenastog signala?

[Khadgar2007]

Sorry na zakašnjelom odgovoru,ali Macola je bio dosta zauzet zadnjih dana pa je tek sada uhvatio malo vremena i odgovorio na neka pitanja. Rezolucija tog DACa bi bila 16 bita. Kaže se lako je biti general poslije bitke ali nekako sam i sam to mislio da bi to moglo biti 16 bita jer se koristi 16 izlaza iz PICa za taj DAC.

Ča se tiče funkcija PICa tu bi bilo još koješta "natrpano" osim step generatora,ali sve opcije bi bile vezane samo uz taj dio tracera(drugi PIC će riješavati neke druge zadaće). Znači u taj PIC bi stavio odabir broja stepenica/krivulja koje bi se ispisivale na ekranu,te preklapanje otpornika kojima se podešava amplituda step signala. Za preklapanje otpornika naravno da PIC nema dovoljno izlaza pa bih koristio I2C ekspandere, e sada da li bi sa ekspanderom kontrolirao tranzistore,releje ili nešto treće sa čime bi se preklapali ti otpornici ne znam. Dodao bi se naravno i odabir moda generiranja step signala i sve te opcije bi se prikazivale na 2x16 LCD ekranu.
Drugi PIC bi kontrolirao sve vezano uz glavno napajanje;odabir otpornika za strujni limit,izlazni napon,odabir DC,AC moda, odabir polariteta i takve stvari. Također bi bio spojen na drugi LCD 2x16 na kojem bi se ti parametri ispisivali.
Za sada je ovo veoma gruba procjena što će PICevi raditi,jer sigurno Ilimzn ima neke ideje a i ja ću ih sa vremenom dobiti.

@Ilimzn(ili Micro), vezano za način generiranja step signala,govorim od hardverskom dijelu a ne koliko će se pametno isprogramirati PIC to se recimo "lako" riješi kada se napravi hardver koji će sve to podržavati. Znam da se može napraviti sklopić koji će detektirati zero crossing i dovesti signal u PIC(pa se onda u PICu kaže što radi dalje sa time) i to je normalni mod,za spori mod se kaže PICu napravi to i to na svakom drugom zero crossingu. E sada ča napraviti za brzi mod di treba očitati četvrtinu sinusoide. Da li PIC može očitati maksimum amplitude signala na neki način ili da se ide nekim zaobilaznim putem te mu reći da podijeli vrijeme poluperiode(između dva zero crossing signala) na dva i onda po tome da ispisuje step signal?

[ilimzn]

BEz obzira sto macola kaze, rezolucija tog DAC-a ce biti 16 bita u njegovim i tvojim snovima. Da bi to bilo moguce, R-2R mreza otpora mora imati najmanje 2^17 veci otpor od izlaznog otpora PIC portova, a tolerancija otpornika mora biti ~7.6 PPM ili manja i... sve mora biti na istoj temperaturi. Yeah, right. NE znam zasto ljudi misle da je jednostavno pjeske napraviti 16-bitni DAC. Nadalje, ima PIC-eva sa ugradjenim DAC-evima (i ADC-ima) pa zasto ne koristiti to?
I opet, nadalje, ZASTO???? je potrebna 16-bita rezolucija? Za generiranje do ~16 stepenica? Dovoljno je 4 bita, jos nekakvi bitovi za offsetiranje (npr. jos 4 bita), i na kraju nekakvi bitovi za skaliranje - u nekoj skali tip1 1-2-5 ili sl sto je zapravo upravljanje ladder atenuatorom u pojacalu stepenica. To moze ispasti 16 bitova no to nije DAC 16-bitne rezolucije.

Sto se tice generiranja cetvrtina sinusoide, naravno da se radi o mjerenju vremena i dijeljenju sa 2 ili 4 (ovisno detektira li se pola ili cijela perioda). Tipican nacin da se to radi NIJE detektor prolaska kroz nulu, vec detektor pojave pozitivnog ili negativnog napona. Postavi se neka minimalna vrijednost iznad (pozitivna) ili ispod (negativna) koje se detektira pojava napona.
Tokom cijele sinusoide, pojavljivat ce se dakle dva signala, +detect i -detect, koji se nikad ne preklapaju, stovise, imaju 'prazninu' oko prolaska kroz nulu. Ove su praznine itekako pozeljne, i mogu se iskoristiti za 'blankiranje' displaya (gasenje zrake) jer se u tim trenucima dogadja prelaz s jedne stepenice na drugu, pa se mogu vidjeti prelazne pojave, pogotovo sto se u slucaju ispravljenog napona, tu nalazi prolaz vrijednosti napona kroz prag vodljivosti dioda u ispravljacu.
Generiranje cetvrtina se radi digitalno - brojanjem trajanja -det. i+det. signala.

Teoretski dovoljno je imati samo jedan signal npr. +det - racunajuci da je sinusioda simetricna. Zahtijeva jedan ulazni port i komparator.
Za izracun duljine trajanja cijele periode tp koristi se vrijeme izmedju dvije detekcije prelaska +det iz neaktivnog u aktivno stanje. Iz toga je trivijalno izracunati periodu/4. Osim toga potrebno je i izmjeriti vrijeme izmedju prelaska +det iz neaktivnog u aktivno stanje i iz aktivnog u neaktivno. To ce vrijeme biti krace od 1/2 periode jer fali 'mrtvo vrijeme' kad je mreza ispod +det nivoa. Nazovimo to vrijeme th. 'Mrtvo vrijeme' td kad je mreza izmedju +-det nivoa se lako dobije kao td=(tp/2-th). Trajanje 1/4 periode tq izracunato iz tp se takodjer korigira tako da ga se skrati za 'mrtvo vrijeme' - zato da se izbjegne avantualno izoblicenje na vrhu sinusoide i blankira prelaz s jedne stepenice na drugu u trenutku prolaska kroz vrh sinusoide. Sustav nakon toga koristi pojavu signala +det (prelaz iz neaktivnog u aktivno stanje) i nadalje radi ovo (dok i dalje racuna trajanje tp i th):
0) upali zraku (ako vec nije)
1) cekaj tq: za to vrijeme sustav generirira krivulju (prema odabranom algoritmu) za uzlazni dio pozitivne poluperiode
2) ugasi zraku (vrh pozitivne poluperiode)
3) generiraj novu stepenicu (prema odabranom algoritmu)
4) cekaj tq
5) upali zraku
6) cekaj tq: za to vrijeme sustav generirira krivulju (prema odabranom algoritmu) za silazni dio pozitivne poluperiode
7) opcija: ugasi zraku (prolaz kroz nulu - pozeljno je vidjeti tren kad je napon nula kako bi se slika mogla namjestiti na 0-0)
8) generiraj novu stepenicu (prema odabranom algoritmu)
9) cekaj tq
10) upali zraku (ako vec nije)
11) cekaj tq: za to vrijeme sustav generirira krivulju (prema odabranom algoritmu) za silazni dio negativne poluperiode
12) ugasi zraku (vrh negativne poluperiode)
13) generiraj novu stepenicu (prema odabranom algoritmu)
14) cekaj tq
15) upali zraku
16) cekaj tq: za to vrijeme sustav generirira krivulju (prema odabranom algoritmu) za uzlazni dio negativne poluperiode
17) opcija: ugasi zraku (prolaz kroz nulu - pozeljno je vidjeti tren kad je napon nula kako bi se slika mogla namjestiti na 0-0)
18) generiraj novu stepenicu (prema odabranom algoritmu)
19) cekaj td

U algoritmu se odabire hoce li za bilo koju cetvrtinu sinusoide napon uopce biti upaljen tako da se moze odabrati generiranje krivulja od 0 ili od maksimuma, i hoce li se ili nece i u kom smjeru (uzlaznom ili silaznom) generirati nova stepenica. Dodatno se moze broj stepenica sinhronizirati s koritenim cetvrtinama periode tako da se iste stepenice generiraju u istom smjeru porasta ili pada napona (primjerice sve parne u jednom, sve neparne u drugom) da se izbjegne generiranje krivulje s istom stepenicom pobude jednom u jednom, jednom u drugom smjeru alternativno sa svakim prolazom, jer se dobije treperenje radi razlike udjelovanju kapaciteta elementa koji se mjeri. Postoje mnogi nacini na koje se ovaj sustav moze rafinirati ukljucivo i izbjegavanje regulacijskog trafoa koristenjem samo jednog dijela cetvrtina poluperiode za ogranicavanje napona (drugim rijecima, fazna regulacija), kao i detekcija maksimalnog napona ili struje s pretpostavljanjem (*).

* - ovo je problem s sustavom koji kod postizanja limita struje, napona ili snage iskljucuje mjereni napon - sustav ne moze raditi u silaznim cetvrtinama perioda jer ne moze unaprijed znati, pocevsi od previsokog napona, struje i snage, kad ce to stanje prestati bez da ih aplicira na mjereni element, a sto upravo radi prelaska maksimalnih uvjeta ne smije. No, moze na temelju ponasanja u prethodnoj cetvrtini polupreriode zakljuciti na kom mjestu u slijedecoj cetvrtini ce ti uvjeti biti otklonjeni. Naravno nije moguce to savrseno odrediti ali postoje nacini da se to prilicno dobro rijesi.