Vybíječ kondenzátorů

Před časem jsem vyrobila vybíječ kondenzátorů, který je vybíjel konstantním proudem. To má proti použití rezistoru mnoho výhod, například kondenzátor se vybíjí rychle, současně není vystavován zbytečně vysokým proudům. Moje původní řešení mělo bohužel jednu dosti zásadní vadu, která se ukázala až s odstupem času — baterii tvořenou dvěma lithiovými knoflíkovými články. Vzhledem k faktu, že napájely toliko gate MOSFETu, kde udržovaly (víceméně) konstantní napětí, mělo toto řešení vydržet na věky. Bohužel jeden z článků se po šesti letech mechanicky rozpadnul. Rozhodla jsem se tedy pro řešení zcela prosté veškerých zdrojů.

Koncept

Prvním řešením, které mne napadlo, bylo použití nějakého konstantního napětí v gate (stejně jako v původním vybíječi) s tím, že by se vyrobilo paralelní stabilizací, čili přesně to řešení, které jsem při návrhu původního vybíječe zavrhla. Nakonec jsem se rozhodla pro mírně složitější řešení, které umožní vybít kondenzátor na daleko menší napětí, současně poskytne menší závislost vybíjecího proudu na napětí.

 

Myšlenka sama byla nejprve ověřena v simulátoru. Vybíjecí proud je snímán na rezistoru R1 a je pomocí tranzitoru T2 porovnáván s referencí vzniklou z úbytku Ube tranzistoru T2 v seriové kombinaci s úbytkem na diodě D1, dva PN přechody v serii na křemíku, čili napětí kolem 1.4V. Jakmile napětí na R1 překročí 1.4V, začne se procházejícím proudem Ib tranzistoru T2 tento otevírat. Tím se začne vybíjet C1, tím klesá napětí v gate T1, který se začne zavírat, čímž poklesne proud tekoucí přes R1. Tímto vzniká záporná zpětná vazba regulující proud protékající přes T1, R1.

Jak klesá napětí na vybíjeném kondenzátoru, musí postupně růst napětí Ugs tranzistoru T1, protože ten se musí otevírat aby se zachoval konstantní procházející proud. V určitém momentu se napětí v gate tranzistoru T1 téměř vyrovná napětí na kondenzátoru. V tomto momentě se začne uplatňovat C1, který podrží napětí v gate a tím i otevřený tranzistor do bodu, kdy se kondenzátor plně vybije. Aby se C1 zbytečně nevybíjel do vybíjeného kondenzátoru, je v serii s R2 řazena dioda, která se zavře v momentě, kdy napětí na vybíjeném kondenzátoru poklesne pod napětí na C1. V simulaci není, protože simulace neprobíhá v čase, tudíž na výsledek simulace nemůže mít vliv. Na tomto místě se hodí připomenout, že simulátor je ve své podstatě jen než trochu složitější kalkulačka, která počítá výsledky na základě svého zadání, není to v žádném ohledu obraz reality. Tedy přinejmenším pokud jde o QUCS.

Realizace

Reálné zapojení bude pochopitelně vypadat jinak než simulace, tady už stavíme reálně fungující věc namísto abychom zadávali data do kalkulačky.

Předně. Zapojení potřebuje nějakou indikaci nebezpečného napětí na kondenzátoru. O to se v našem případě stará doutnavka NE1. Ta předchází diodovému můstku, který komutuje polaritu tak, aby nebylo možno zapojit vybíječ obráceně. Pokud by z jakéhokoliv důvodu diodový můstek selhal, musí indikace nebezpečného napětí stále fungovat, z tohoto důvodu je předsazena před můstkem. Diodový můstek/diody jsou současně pomalejší než D1, čímž se potlačí proudový overshoot v případě, že se C1 nevybije. Současně je v zapojení řazena D2, jejímž účelem je zabránit vytvoření přehnaně vysokého napětí v gate Q1 a tím brání jeho zničení v případě, že regulace nějakým způsobem katastrofálně selže. Současně se ukázalo, že je třeba přidat C2 mezi gate a source Q1 aby se zabránilo zakmitání regulace. Kondenzátor C2 zpomaluje otevírání Q1 a současně zrychluje otevírání Q2 zavedením další střídavé zpětné vazby. Zbytek zapojení v podstatě odpovídá simulaci.

Praktická zkouška

Pro první pokusy se zapojením jsem osadila pouze vlastní vybíjecí část, vynechala jsem diodový můstek a indikaci. Vybíjení 90µF kondenzátoru nabitého na 330V vypadá v čase takto:

Vybíjecí proud není zcela konstantní, to je cena za to, že zapojení neobsahuje žádný vlastní zdroj. Paralelně k regulovanému proudu se řadí ještě proud procházející přes R2, který je na napětí silně závisly, avšak je vzhledem k vysoké hodnotě R2 v porovnání k vybíjecímu proudu dostatečně malý. Kondenzátor se tedy vybil za cca s a vybíjecí proud nepřekročil 60mA, toto je přesně výsledek, kterého chceme dosáhnout — vybíjení je rychlé, ale současně se nepoužívají vysoké proudy.

Náběžná hrana vybíjecího proudu též neobsahuje žádné divoké overshooty, regulace je viditelně na přetlumené straně. Proud nabíhá s postupně se nabíjejícím C1.

Přídavná indikace proudu

Ve schématu ji neuvádím, důvodem je použití nedostupné součástky. Proud je mezi diodovým můstkem a vlastním vybíječem veden přes dvě křemíkové diody řazené v propustném směru seriově, které jsou přemostěny žárovkou 1.5V/10mA. Seriová kombinace diod omezí napětí na žárovce na 1.4V, přitom obvodem stále prochází dostatečný proud na to, aby žárovku rozsvítil. Jakmile napětí na žárovce poklesne pod 1.4V, diody se zavřou, což způsobí, že veškerý proud půjde přes žárovku, která si ale v tento moment nevezme více než 10mA, její vlákno bude postupně chladnout, čímž bude klesat jeho odpor až téměř k nule, čímž se vybíjený kondenzátor dovybije. Kdybych na místě žárovky použila například LED, zůstal by na ní nějaký úbytek, který by se už z kondenzátoru nepodařilo vybít. Takový úbytek vzniká už na diodovém můstku, nechtěla jsem k němu přidávat ještě úbytek na LED. Nicméně toto řešení má jednu poměrně zásadní vadu — několik žárovek 1.5V/10mA jsem dostala darem před deseti lety, pokud si dobře pamatuji, byly zakoupeny v Conradu. Když jsem se je tam snažila najít, nenašla jsem je. Buď je vyřadili ze sortimentu, nebo neumím hledat. Jsou opravdu velice malé, coby indikace však plně postačují, nicméně neumím je sehnat. Pokud se rozhodnete pro tuto indikaci vybíjecího proudu, budete potřebovat žárovku na napětí 1.5V s proudem ideálně pod 40mA, snažila jsem se něco takového u dnešních dodavatelů najít a je to čistá marnost. Z toho důvodu nakonec není tato indikace proudu součástí konstrukce, lidé by to neměli jak postavit, navíc si nemyslím, že je taková indikace nezbytná.

Mechanická část

Pochopitelně lze navrhnout plošný spoj, ale zapojení je do té míry jednoduché, že jsem se rozhodla jej realizovat na vyškrabované DPS. Celé zapojení jsem rozdělila na dvě části — vlastní vybíječ coby první část, diodový můstek a indikace coby část druhou. To mi umožnilo použít krabičku KM-35B z GME, která má bohužel sloupek uprostřed. Na připojení vybíjecích sond jsem použila zdířky pro měřicí přístroje, jsou relativně levné a současně spolehlivé. Mechanickou část držící desku vybíječe jsem nakreslila pomocí 3D pera užitím ABS filamentu, který se snadno spojí se zbytkem plastové krabičky. Dále jsem nahradila samořezný šroub krabičky pomocí šroubu M3 a M3 vsadky za tepla nalisované do středového sloupku, původní řešení se samořezným šroubem příliš nedrží. Desku diodového můstku a indikace jsem nakonec přilepila ke zdířkám pomocí tavného lepidla. Za zmínku stojí též provedení průhledů pro indikaci. Otvory jsou do čela krabičky vyvrtány vrtákem o průměru 3mm. Z vnější strany jsem otvory přelepila kaptonovou páskou a z vnitřní strany do nich nakapala průhledný UV resin, který jsem následně vytvrdila UV světlem. 15 minut z vnitřní strany, potom jsem čelní panel otočila, dalších 5 minut jsem na něj svítila přes kaptonovou folii, poté jsem ji sňala a zbytek vytvrdila znovu po dobu 15 minut, což bylo nejspíše zbytečně moc. Pokud postup míníte zopakovat, nevyhánějte z resinu malé bubliny, udělají po vytvrzení zajímavý světelný efekt, který zlepšuje čitelnost indikace. Na horní stranu krabičky jsem pomocí oboustranné isolepy přilepila zalaminovaný štítek. Je to bohužel celkem nezbytný čin, protože sloupek, který drží krabičku pohromadě, má z vnější strany poměrně nepěkný nálitek. A ano, původně jsem plánovala použít jinou krabičku, tato věc z GME je bohužel dost nepovedená, nicméně dá se s tím žít.

P.S. Ano, vývoj probíhá v kruzích. Ten vybíječ, co zmiňuji na začátku článku, je současně prvním článkem na tomto blogu. Takže to sloužilo pět let, nikoliv šest, detail. Jak dlouho asi bude sloužit tohle? …