Stepup-converter - råd behövs.

[MattisLind]

Behöver lite råd king ett projekt. har väl ganska bra koll på det digitala, men det analoga är jag inte 100 på.

För ett projekt behövde jag generera mellan 20 - 100 VDC med ganska låg strömstyrka från 5V in.

Jag tänkte mig en enkel step up converter skulle lösa biffen.
Ungefär så här:



MOSFETens gate drivs av 74ACT04 via ett 18 ohms motstånd. PWM signalen generers ev en STM32 (varför mikrokontroller - den behövs ändå)

Nåväl det tog några försök att hitta dels en spole som var lämplig. Lärde mig att Isat var väldigt intressant. Sedan kom valet av MOSFET. Även här gjorde jag några misstag. Den första MOSFETen hade väldigt stort RdsON verkade som. Med bara 5V käkade transistorn upp mycket av energin som skulle in i spolen. Nästa val av transistor kunde jag inte få att bottna. Hade missat att kolla Vgs thres visade det sig. Med 5V matning och lite ström igenom kanalen så bottnade den inte längre.

Nu har jag valt en IRFP250 (väldigt kraftig sak minsann) med lågt RdsOn och låg Vgs thres. Det fungerar. Jag får ut 100V gått och väl med lite lagom last.

Men vågformerna förbryllar mig lite.



Trace 1 är Drain och Trace 2 är Gate. Bilden är kanske inte helt topp kvalitet, men jag tror ni ser. När gaten går till noll så får jag en puls från spolen. Men sedan kommer en liten negativ puls i gaten när Drain pulsen har avklingat. Sedan blir det en liten puls på Drain när Gate går hög igen. Det är också lite märkliga knölar på Gaten precis innan gaten öppnar helt.

Vad beror allt detta på? Är det något som man kan undvika genom att lägga till några fler komponenter? Är det något som kan skada MOSFETen över tid? Borde jag ha bättre gate drivning än en 74ACT04? Vad ska man använda istället?

Det är ju inte så jätteviktigt att det blir 100% i ett hobbyprojekt, men det känns ju bra att förstå vad som händer.

[Icecap]

En MOSFET med lite muskler utgör en ganska stor kapacitiv belastning. Vill man ha snabb styrning av gaten använder man en drivkrets som omvandlar det lågspända digitala signalen till typ 10V/0V med kraftig totem-drivning.

Så en ACT04 är inte riktig rätt sak, den har helt enkelt en begränsat drivström och ihop med en "stor" kapacitans går det inte speciellt snabbt.

Men man kan ju koppla 2 eller fler i parallell...

Sedan är det ju så att i transistorn finns det lite olika kapacitanser mellan gate, source och drain som kan förklara en del av det du beskriver - men en sak saknar jag: exakt var har du GND till proberna kopplat in?

Om den tas ut PÅ source-benet är det en sak, är det "ett lämpligt ställe i närheten" kan mycket gå fel.
Det är ett mycket normalt fel att begå!

Och såklart ska BÅDA probers GND sitta i samma punkt.

[MattisLind]

Bra input där Icecap. Det var INTE på source benet. My bad. Testade att flytta probe-jordarna till source benet. Tyvärr blev det INGEN skillnad alls. Identiskt...

Jag har ingen 10V så någon sådan drivning är inte möjlig även om jag inser när jag tittar på datablad på många MOSFET att det antagligen skulle vara mycket bra.

Ska testa med parallellkoppla alla sex 74ACT04 grindarna. De klarar att sänka/driva max 24 mA max styck.

[MattisLind]

Nytt försök. Nu med fem parallellkopplade ACT04 som driver basen via var sitt 18 ohms motstånd.



Gate drivning ser ju bättre ut tycker jag. Mycket mindre av de där konstigheterna som man såg tidigare. Men den där blurpen på Drainen??

[HUGGBÄVERN]

Det finns enkla omvandlare (DIY) som bygger på en 555. Just nu har min PC slocknat för natten men om det är intressant kan jag kanske gräva fram något imorgon.
Annars finns här lite scheman som ge hintar: http://www.chemelec.com/Projects/Tens/Tens.htm

[MattisLind]

Jag tror jag behåller min överkvalificerade STM32a. Den ska göra en del annat. T ex se till att strömmen genom telex-maskinens solenoid håller sig på avsedd nivå (60, 40 eller 20 mA). Sedan ska den bitbanga baudot och omvandla till 8bits etc.

Matar man med så låg spänning som 5V blir Rds ON ett problem. Man måste ta till väldigt feta MOSFETar för att hålla den nere. I alla fall om man bara har att välja ur Elfas butikssortiment.

Nu ska det här i slutändan bli ett litet kort med ytmonterat att stoppa på en Raspberry Pi Zero. Jag hittade en liten nätt och ej överdimensionerad MOSFET på blyga 10A som verkade ha övriga specar på rätt sätt.

[Icecap]

Drain-hoppet kan kanske hänga ihop med att induktansen har gett sista gnutta energi ifrån sig och att spänningen över dioden minskar?
Dioden fungerar ju som en kondensator där kapacitansen beror på backspänningen så det kan kanske vara en förklaring?

[MattisLind]

Icecap: Hmm. Jag är inte säker på att jag förstår det där 100%. Du får gärna utveckla lite mer om du orkar.

Funderade på det faktum att man ser i skop-bilderna att V peak ökar från 114V till 132 V med den bättre drivningen. Det verkar rimligt att med skarpare switch of blir spiken hårdare och högre.
Men det finns ju en gräns vad transistorn klarar och jag tror inte skopet fångar den verkliga toppen. Det kan nog nå betydligt högre.

Jag antar att spiken beror på att det tar lite tid för BYV95C dioden att börja leda. Det är en fast recovery och den har lågt trr, men det finns i alla fall en tid mellan att MOSFET stänger till dess att dioden öppnar som i princip kan ge oändlig spänning på Drain. Ska man lägga någon liten kapacitans över Drain Source för att suga upp den här energin? Eller tänker jag fel?

[Icecap]

Man använder variocap-dioder för avstämning av oscillatorer. Effekten finns i alla dioder men på variocap-versioner är den större.
Grejen är att om en diod har en "backspänning" (- på anod, + på katod) kommer det att finnas en barriär inuti. Ju högre backspänning, ju längre avstånd mellan.

Om du ser barriären som två plåtbitar som är kortare eller längre isär kan du se att de skapa en kondensator och då avståndet beror på backspänningen kan man styra kapacitansen med spänningen.

Men när backspänningen går över i framspänning kommer kapacitansen att öka mycket när det är mycket låg backspänning - och sedan slå över till att faktisk leda för att det blir framspänning.

Fast-recovery dioder har såklart så minimal kondensatorverkan som möjligt men alla dioder har den "bieffekt".

[MattisLind]

Tack Icecap. Jag tänkte främst på den första meningen:

Drain-hoppet kan kanske hänga ihop med att induktansen har gett sista gnutta energi ifrån sig och att spänningen över dioden minskar?

Att backspända dioder kan fungera som en kapacitans är jag hyffsat förtrogen med.

Själv tänker jag att den första drain pulsen klampas till utgångskondensatorns spänning efter att dioden öppnat. När energin är slut i induktansen och magnetfältet kollapsat helt så sjunker drain spänningen till 0. Då blir dioden backspänd. Med en viss kapacitans. Efter som spänningen över utgångskondensatorn sakta minskar då det finns en liten last på utgången kommer backspänningen minska och därmed kapacitansen öka. Fast kapacitansskillnaden borde vara väldigt marginell.

Jag förstår inte hur allt detta kan ge en bump på drain-spänningen. Kan det verkligen finnas någon energi kvar i induktansen så här sent? Om kapacitansen ökar något efter hand borde mer laddning kunna lagras och därmed skapa en negativ puls tycker jag, inte positiv, eller?

[Icecap]

Jag kan inte riktigt klura ut vad som ger den bula men den kommer på drain och slår igenom i transistorns strökapasitanser. Det är alltså inte gate-styrningen som jävlas men sedan kan jag inte svra på mer utan att veta exakt hur allt är kopplat osv.

[l2t]

Sen så kanske det oxå beror på hur det är byggt, riktigt pcb eller skatbo?

[MattisLind]

Skatbo.



Jag testade, mest för att se om det gjorde någon skillnad, att sätta en 270pF konding över drain source. Minskade effektiviteten något och sänkte den initiala spiken till 125V (från 132). Påverkade inte nämvärt den där bumpen. Skulle bumpen utgöra någon högimpediv störning så borde den påverkats av kondensatorn tycker jag.

Tittade närmare på den initiala spiken och kom fram till att den inte utgör någon fara för transistorn om jag väljer en trissa som klarar runt 200V Vds eller högre. Den jag tittar på för slutvarianten klarar 190V, vilket jag tror går utmärkt. Stigtiden var mycket längre än jag befarade, antagligen är väl resistansen i induktansen begränsande.

Jaja. Vi får väl se när jag CADat det. Den ger ju den spänning och ström jag behöver utan problem nu så det är väl bara att köra på. Väntar nu bara på att få hem min Lorenz Lo15b för att testa i verkligheten. Lorenz-maskinen är en licenskopia av Teletype model 15. Men det är en del olikheter. Den senare vill ha 120V linjespänning och 60mA. Induktansen i selektormagneten ligger på ungefär 4H påstås det. Lorenz klarar sig med 40mA och kanske 60V.

[Pen]

En strömkurva på induktansen tror jag skulle förklara blurpen:

När gaten precis blockerar är är strömmen genom induktansen som störst - positivt. Denna avlämnas nu till utgången och rampar ner linjärt med en hastighet bestämt av 100-5=95V. När strömmen är 0 börjar spänningen sjunka - dock inte oändligt snabbt utan via parasitkapacitanser. Strömmen genom induktansen fortsätter därför att rampa ner till negativa värden men nu med lite mera av sinusform än linjärt. Det hela fångas upp av parasitdioden i MOSFETen som klampar till någon halvvolt under 0. Spänningen över induktansen är nu 0-5=-5V. Strömmen rampar nu upp tämligen linjärt och långsamt bestämt av detta tills dess att den på nytt passerar 0 och parasitdioden slutar att leda. Nu är det tämligen energilöst och det svänger lite fritt på drainen - upp till 25V och tillbaka. Hade det fått svänga tillräckligt länge borde det landat på 5V (0V över induktansen) men nu aktiverar gaten strax efteråt och den hålls kvar på 0V och upprampningen fortsätter i maklig takt med positiv ström såsom avsett.

[MattisLind]

Har kommit en liten bit längre på det här projektet. En teleprinter matas med en strömslinga och ganska hög spänning för att få snabb respons från magneten. En del kräver 120V 60mA, men denna klarar sig med 40 mA. Eftersom resistansen i spolen bara är 200 ohm så blir spänningen bara 8V över den i steady state. På den gamla goda tiden bolmade man bort mellanskillnaden i ett rejält 2k motstånd.

Fast jag vill ju kunna köra min teleprinter direkt från en RasPi. Så jag måste hålla nere effektförbrukningen. Jag designade en liten krets som fungerar som en switch mode current source. Kontrollerbar från en uC.

Lite mer info finns här: https://github.com/MattisLind/teleprinterHat

Och här är en film när jag loggar in på min linux laptop och skriver ls...

https://i.imgur.com/Fb5iS9r.mp4

Nu återstår att löda ihop den lite mindre rackliga stepup convertern som jag designade ett litet prov kretskort för och därefter CADa det slutgiltiga RasPi hat kortet med USB, RS-232, RasPi-header, isolerad current-loop etc etc.