Adrian Florescu YO3HJV

Statiile militare de productie sovietica R-105 si versiunea modernizata R-105M sunt destinate, in principal, operarii din portabil si, drept urmare, se alimenteaza din baterii de acumulatori.

In cadrul seriei au fost realizate modele pentru diferite benzi de frecventa, cu denumire diferita, dupa cum urmeaza:
R-105D, R105M: 36 ... 46.1 MHz
R-108, R-108M: 28.0 ... 36.5 MHz
R-109, R-109M: 21.5 ... 28.5 MHz

Modelele sunt, in esenta, identice ca aspect si ca elemente constructive, diferite fiind circuitele de front end si oscilatorul local.

Ambele generatii de statii folosesc acumulatori NiFe sau NiCd, in perechi inseriate, pentru a obtine o tensiune cu masa comuna de +/- 2.4V.

Acesti acumulatori necesita electrolit special si oarecum periculos, bazat pe soda caustica si sare de Litiu si sunt si ei destul de voluminosi si, mai ales, grei.

Exista unele kituri de alimentare din tensiunea de 12V de la bateria masinii insa acestea sunt destul de rare, grele, voluminoase si inadecvate pentru utilizarea in regim de portabil.

In timp ce prima versiune a statiilor utilizeaza un vibrator electromecanic pentru obtinerea tensiunilor inalte necesare tuburilor cu vid, versiunea modernizata utilizeaza un convertizor de tensiune cu tranzistori.

In ambele versiuni insa, tensiunea de alimentare este critica, in special pragul superior, nefiind admisibila o depasire cu mai mult de 10%, consecinta directa fiind arderea filamentelor tuburilor; acestea functioneaza cu tensiune de alimentare de 1.2V fiind inseriate cate doua si alimentate dintr-una din ramurile de 2.4V.

Daca pentru alimentarea din stationar, pe internet se gasesc scheme care divizeaza tensiunea unor surse de 5V utilizand diode si rezistoare (Fig.1), pentru alimentarea din portabil, aceeasi schema prezinta unele inconveniente din care, cel mai important, este randamentul extrem de scazut si pierderile pe rezistrentele de divizare.

O masuratoare a consumului de curent in diferitele regimuri de lucru ale statiei arata ca, pe cele doua tensiuni de alimentare, consumul este inegal , aparand diferente semnificative in special la emisie cand, pe bara de tensiune pozitiva consumul este de cca .1300mA in timp ce pe cea negativa, consumul este de doar 800-900 mA.

Ca posesor de o astfel de statie, am incercat varianta de alimentare gasita pe internet, dar aceasta a dus la distrugerea relativ rapida a unor acumulatori SLA (cu Pb) de 6V/4Ah cu un timp de utilizare efectiva a statiei destul de restrans.

O varianta teoretizata acum circa 10 ani a fost gasirea unei surse de tensiune in comutatie capabila sa furnizeze cele doua tensiuni fiind alimentata cu o baterie baza pe celule LiIon sau LiPo.

Din pacate, cautarile nu au dat rezultate, o astfel de sursa nefiind disponibila pentru achizitie astfel ca proiectul a fost lasat sa “se coaca” dar in urma cu circa doua luni, astrele s-au aliniat si proiectul a intrat pe “masa de proiectare”.

Cerintele au fost stabilite dupa cum urmeaza, pornind de la schema statiei si de la premisa ca sursa trebuie sa aiba un comportament cat mai apropiat de cel al unor baterii:
-Tensiune de alimentare intre 7 – 18V.
-Tensiune duala cu masa comuna +/- 2.4V.
-Curent de lucru cca 2A pe fiecare ramura de tensiune.
-Disipatie termica minima datorita functionarii intr-un spatiu neventilat.
-Soft-start pentru angajarea convertizorului din aval in mod treptat, fara socuri de curent.
-Protectie la over-shoot (fenomen de crestere brusca a tensiunii la borne in anumite situatii).
-Protectie la inversarea polaritatii bateriei de alimentare.
-Protectie la supra-curent.
-Componente accesibile “la magazin”, fara batai de cap cu distribuitori internationali.

Exista o gama foarte larga de circuite cu care o astfel de sursa se poate realiza si, dupa o trecere in revista si o comparatie pe baza documentatiei si a articolelor prezente pe internet, m-am oprit asupra circuitului TL494 produs de Texas Instruments.

Circuitul este conceput in 1983 si inca este in productie fiind licentiat si catre alti producatori, ceea ce spune mult despre fiabilitate si utilitatea acestuia dovedita in peste 30 de ani de existenta in piata.

Cum functioneaza sursa in comutatie?

Principiul de functionare al surselor in comutatie este unul simplu: un oscilator comanda in contratimp o pereche de tranzistori (sunt si versiuni care folosesc un singur tranzistor) care alimenteaza cu impulsuri alternative cele doua sectiuni simetrice ale primarului unui transformator. Din secundar, printr-un divizor rezistiv, un circuit comparator masoara tensiunea de iesire si o compara cu o tensiune derivata dintr-o tensiune de referinta.

Factorul de umplere al impulsurilor din primar este comandat de acest comparator; in acest mod tensiunea de iesire se pastreaza constanta cand curentul furnizat de secundar variaza, factorul de umplere variind si el in mod proportional cu acel curent.

Frecventa de lucru a circuitului este de 50 KHz dar am facut teste si la 100 KHz si circuitul funcționeaza fara probleme.

In fisa tehnica a circuitului produs sub licenta de ONSEMI se gaseste o propunere de schema care acopera o buna parte din cerintele pe care le-am stabilit:

Selectia unor componente

Selectia tranzistorilor a fost realizata in functie de urmatorii parametri, in ordinea importantei lor: Tensiunea Drena-Sursa (min.30V), Curent Drena (min. 10A), Rds(on) (< 0.2 Ohm), graficul Id/Vgs.

Initial, am dorit sa realizez o sursa cat mai compacta astfel ca in selectie am inclus si componente SMD insa cerinta de disipatie termica era dificil de indeplinit cu astfel de tranzistori, astfel ca la selectia lor m-am oprit asupra familieide tranzistori HEX-FET IRFZ46 sau IRFZ48.

Acest lucru a avut insa un impact asupra tensiunii minime de functionare a sursei intrucat acesti tranzistori se deschid complet (RdsON=16.5mOhm) la o tensiune aplicata pe poarta de 10V!

Asadar, sursa va functiona in parametrii stabiliti de la o tensiune a bateriei mai mare de 10V.

Acest aspect poate fi acceptat atat in cazul alimentarii cu o baterie pe baza de Pb ori LiFePo4 cat si in cazul folosirii unei baterii cu 4 celule LiIon inseriate.

Se poate trai cu asta...

In mod evident, la frecventa de 50 KHz, diodele redresoare vor fi de tip Schottky, din gama celor capabile sa sustina curentul avut in vedere, fara a se incalzi. Va aduceti aminte? Sursa va sta intr-un compartiment neventilat.

Fara a intra in detalii cu privire la intreaga gama de optiuni, am avut de ales intre SB5100, o dioda in capsula “clasica” DO201AD capabila sa redreseze 5A si MBR1645 cu 45A. Am ales-o pe cea din urma datorita posibilitatii de a o monta pe radiator. Sursa functioneaza bine-mersi si cu SB5100 insa in cursul testelor evacuarea disipatiei termice a pus probleme la functionarea in incinta inchisa.

Transformatorul

Un instrument util pentru selectia si optimizarea transformatoarelor pentru sursele in comutatie este un software, “ExcellentIT-SMPS transformer calculation tool”, cu care am definit parametrii “de pornire” in optimizarea acestuia.

Miezul este un dublu “E”, foarte convenabil din perspectiva reducerii radiatiilor parazite de tip RFI (Radiated Frequency Interferences), dorind sa pastram cat mai scazut nivelul acestora.

La bobinarea transformatorului s-a luat in calcul faptul ca, la frecventa de lucru, de 50 KHz, adancimea de patrundere a curentului alternativ este de 0.6mm astfel ca bobinarea a fost realizata cu fir dublu de CuEm cu diametrul de 0.6mm pentru a putea sustine curentul fara o incalzire excesiva.

Desi am facut teste si la 100 KHz, scaderea adancimii de penetrare a curentului de RF duce la cresterea temperaturii infasurarilor, fiind necesara bobinarea cu 3 fire in paralel. Nu am gasit niciun beneficiu in utilizarea unei frecvente mai ridicate astfel ca m-am oprit la 50 KHz ca fiind adecvata pentru scopul propus.

Pentru determinarea functionarii corecte a buclei de feedback in gama de tensiune necesarea (2-4V), am facut o serie de experimente pentru determinarea numarului optim de spire pentru cele doua infasurari.

In urma acestora, a rezultat ca, pentru infasurarea primara sunt necesare 5+5 spire cu fir dublu iar pentru secundar, 4,5 x 2 spire cu fir dublu. Optimizarea s-a facut pentru un factor de umplere in gol de cca 1.5%, consumul in gol al sursei fiind in jur de 5mA ( 4 mA la 10.5V si 6mA la 18V).

Miezul pe care se realizeaza insa transformatorul nu este critic; experimente efectuate cu diferite miezuri toroidale recuperate din surse in comutatie au demonstrat o functionare in parametrii prevazuti. In imagine, un transformator realizat pe un tor de ferita folosit intr-o sursa de calculator ca filtru de retea!

Circuitul secundar a fost realizat pentru a furniza o tensiune simetrica, in curent continuu.

Principala provocare a fost aceea de a obtine stabilizarea in limitele circuitului TL494 pentru ambele ramuri din secundar in conditiile unui dezechilibru in curentul consumat pe acestea.

O prima versiune a montajului pornea de la un secundar cu o singura infasurare cu priza mediana si redresarea monoalternanta a celor doua tensiuni la capetele acelei infasurari.

Masurarea tensiunii pentru comparatorul circuitului TL494 era realizata pe tensiunea pozitiva.

TL494 are un comparator ce poate evalua doar tensiunile pozitive dar varianta de masurare doar a acestei tensiuni are drept efect o crestere a tensiunii pe ramura negativa cand curentul consumat pe cea pozitiva creste. Testele practice au confirmat inadecvarea acestei solutii, tensiunea pe ramura negativa depasind 5V!

Drept urmare, am ales insumarea vectoriala a tensiunilor si masurarea celor doua ramuri inseriate, virtualizand masa comuna.

Folosind aceasta metoda, am obtinut o foarte buna stabilizare a ambelor tensiuni, testele in sarcina aratand ca sursa prezinta functionalitatea urmarite, aceea de a stabiliza corect ambele tensiuni independent de curentul consumat din una dintre ramuri.

VFB (Voltage Feedback) este, drept urmare, masurat la bara de +2.4V fata de bara de -2.4V. Principalul dezavantaj al acestei metode este legat de modul in care cutia-ecran, metalica, va fi conectata la circuit pentru a realiza o suprimara efectiva a componentei de RFI.

Tot in urma testelor practice (destul de empirice, in absenta unei camere anecoice), cea mai eficienta suprimare a fost obtinuta prin conectarea carcasei la masa comuna (GND) prin intermediul unor capacitoare de 100nF la fiecare suport de prindere a montajului de carcasa.

Rezultatul este un pic contraintuitiv, ma asteptam ca eficacitatea maxima sa fie atinsa prin conectarea la 0V (iesire).

Toate aceste modificari au necesitat retrasarea cablajului. Iata cele doua versiuni:

Pentru testarea sursei, inainte de a o utiliza pe statia radio R-109M, am efectuat o serie de teste “de stress”, verificand rezultatele cu o camera termica. Am simulat existenta radiatorului format din carcasa metalica cu o platbanda cu o latime de 20mm pe care sunt montate tranzistoarele si diodele de redresare.

Semnalele pe unul dintre tranzistorii de comutatie. Cu albastru, semnalul pe poarta (Gate) si cu galben, semnalul in drena (Drain).

Se observa “ring-ul” comutarii celuilalt tranzistor in semnalul capturat in drena acestui tranzistor (galben, dreapta)

Testul a fost efectuat cu urmatorii parametri:
-Tensiune de alimentare; 13.8V
-Curent, pe fiecare ramura: 2A (total 4A)
-Tensiunea de iesire: +/- 2.4V

Circuitul prevede si o protectie la suprasarcina; tensiunea citita pe R14 se aplica celui de-al doilea comparator al circuitului TL494. Intrucat tensiunea masurabila pe aceasta (pentru a-I pastra valoarea in limite acceptabile din punct de vedere al disipatiei termice) este prea mica pentru a fi peste pragul de eroare al comparatorului, am decis sa elimin aceasta functionalitate. Astfel, intrarea neinversoare a circuitului este pusa la masa prin R0 iar R9 a ramas nepopulata pe PCB. R14 a fost mentinuta, ca amuleta, avand valoarea de 0.3 Ohm/1W.

Protectia la supracurent se realizeaza cu o siguranta fuzibila de 3-5A, tranzistorii rezistand fara nicio problema la curenti mult peste acest prag; pentru protectia circuitului la conectarea inversa a bateriei, o dioda Schottky de putere a fost instalata pe placa. Nu este figurata pe schema, a fost adaugata direct in faza de proiectare a cablajului.

Schema completa este prezentata mai jos. Cu valorile din schema, tensiunea de iesire se poate regla din semireglabilul RV1 intre 1,4V si 6V pe fiecare ramura.

Socurile L1 si L2 sunt realizate pe miezuri de pulbere de fier tip T23 sau 3C90 (Ferroxcube), cu diametrul exterior de 20mm pe care se bobineaza cu CuEm cu diametru de 1mm, 30 de spire. Tipul de miez este usor de identificat fiind de culoare galbena cu alb.

Condensatorii electrolitici din secundar sunt de tip LowESR si sunt pusi in paralel pentru cresterea eficientei.

Schema prezinta doua circuite TL494 intrucat la realizarea ei am folosit un CAD online, al producatorului de cablaje (EasyEDA) si am prevazut ambele versiuni ale circuitului, cea “clasica” si cea SMD pentru ca la proiectarea cablajului sa imi fie mai usor sa selectez amprenta pe circuit mai convenabila.

Carcasa a fost realizata din Al. 1mm si, suplimentare, un soc cu bobinaj dublu a fost instalat pe ramurile de tensiune pozitiva si negativa pentru atenuarea suplimentara a eventualelor reziduuri de RF care ar putea fi conduse pe cablurile de alimentare spre statie.

Cablajul a fost acoperit cu un varnis de protectie la factorii de mediu pentru a se incadra clasa de protectie necesara pentru o operare in portabil, cat mai aproape de clasa de protectie a statiei pentru care este proiectata.

Zonele cu terminale expuse au fost acoperite cu PVB60, pensulabil iar apoi, dupa ansamblarea in carcasa, am folosit PVB16, spray.

Pulverizarea de apa pe sursa nu a influentat functionarea.

PCB. Cateva detalii.

Tranzistorii si diodele redresoare fiind astfel plasate incat sa poata folosi peretii laterali ai cutiei metalice ca radiator.

Pentru orice detalii privind realizarea acestei surse, ma puteti contacta pe email: yo3hjv (at) gmail.com

Ca o concluzie de final

Realizarea de la zero acestei surse pentru o statie pe care doresc sa o readuc “la viata” m-a purtat printr-un domeniu care a ramas, asadar, indelung neexplorat pentru mine si m-au facut sa depasesc un prag pe care singur mi l-am impus. Depasirea acestuia a fost insa usoara, cantitatea de informatii prezente acum pe internet facand documentarea foarte usoara iar prezenta unui numar mare de distribuitori locali si magazine accesibile imediat au facut ca proiectul sa poata fi finalizat destul de rapid cu toate erorile din prima iteratie.

Dar, mai mult ca orice, satisfactia “cuceririi” unui nou domeniu din hobby este egala, poate, cu cea a alpinistului care ajunge pe un nou varf de munte...

Link-uri utile

Adrian Florescu YO3HJV

Articol aparut la 29-8-2024

1362