(Kolejny) Generator wysokiego napięcia

[H1M4W4R1]

Uwaga: treść tego wątku może być niebezpieczna do zastosowania. Zrób własny research!


 

Intro

Nudziło mi się i trafiłem na filmik bitclivedotcom, w którym rozbiera chiński elektrostymulator. Patrząc na schemat i normę EN (IEC) 60601-2-10 stwierdzam, że zdecydowanie nie jest on z nią zgodny  

Z racji, że jestem człowiekiem, który powinien być zamknięty w zakładzie dla mentalnie obłąkanych stwierdziłem... A czemu by nie zbudować czegoś podobnego i spróbować zrobić to bezpieczniejszym niż ten chiński wynalazek (to akurat raczej żadne wyzwanie)...

Założenia

Zdecydowałem rozdzielić to na kilka modułów (łatwiej potem coś podmienić) - obecnie jest to moduł zegara, generatora i przełącznika. Tak było najwygodniej połączyć funkcjonalości. Potem dojdzie I/O, ale do testów jest zbędne.

Generator to zwykła przetwornica typu boost sterowana przy pomocy dwóch wzmacniaczy - jeden odłącza zegar w momencie przekroczenia oczekiwanego napięcia, a drugi po przekroczeniu nieco większego napięcia załącza rozładowywanie kondensatora. W teorii ma działać dobrze, ale w praktyce różnie bywa...

Potrzebna pomoc

Przydałoby się, by ktoś sprawdził schematy (dla sanity check'a). Zanim ktoś spyta czy na głowę upadłem planując to zbudować: tak. I nie da rady tego uniknąć, OCD daje o sobie znać...

Schematy

Moduł zegara

Moduł generatora

Moduł przełącznika

SVG (lepsza jakość)

SVG.zip

Do weryfikacji (między innymi)

• [Ogólne] Czy nie walnąłem jakiegoś głupiego błędu
• [Generator] Układy ograniczania napięcia (obok wzmacniaczy U4 i U5).
• [Generator] Dzielnik R10/R12 (czy to ma sens)
• [Generator] Detekcja OCP (napięcie referencyjne to 0.5V, pytanie czy input bias nie będzie zbyt dużym problemem)
• [Switcher] ECD - ma za zadanie wykryć czy obwód jest zamknięty, powinno zadziałać, ale pewności nie mam  
• [Switcher] To samo co generator - OCP i ref 0.5V
• [Switcher] CN7 jest celowo podłączony tylko pod 10R dla kompatybilności z modułami INA169 i INA219 (łatwiejszy dobór rezystorów / parametrów)

Układy / komponenty nieopisane

• Wzmacniacze operacyjne: LM358P
• Tranzystory N-MOS: STP5NK60Z lub STP3N150F
• Tranzystory NPN: BC547 lub 2N2222 (obrócone o 180 stopni na PCB).
• Częstotliwość zegara: 10~400kHz (TBD)
• Częstotliwość impulsów: 1~1000Hz
• Napięcie wyjściowe (max): 500 / 1000V (w zależności od tranzystorów)

Rzeczy pominięte (bo autor był leniwy):

• Wzmacniacze balansujące N-MOSy w generatorze, ale raczej nie będzie z tym większych problemów - tranzystory mają rating na 3A prądu ciągłego.
• Wielokrotne systemy zabezpieczające (swoją drogą jeden planuję, ale nie wiem czy LM358P da radę wykryć przekroczenie 25mA na 10R jako low-side current sense amp oraz drugi jako komparator, wtedy mogłyby odcinać sygnał zegara).

 Z góry dzięki za wszystkie narzekania... Oby tylko nie było ich za dużo  (chociaż wszystko będzie bezpieczniejsze od tych chińskich wynalazków).

Przy okazji sprzęt będzie bardzo skutecznie testował odporność wszystkiego na ESD...

Jeszcze muszę zrobić pełną analizę short/open dla wszystkich komponentów... Wtedy będzie wiadomo czego jeszcze brakuje dla zabezpieczeń. Pytanie czy nie ma jakichś problemów z podstawami  (Nie lubię wzmacniaczy, często sprawiają problemy).

Edytowano Kwiecień 21, 2024 przez H1M4W4R1

[_LM_]

https://youtube.com/@doktortronikelektronikaszk4070?si=gI4Y9WwsrMjeTiyC zobacz ten kanał gościu pokazuje mniej więcej jak sterować taką przetwornicą

 

O ten film mi chodziło 

Edytowano Kwiecień 22, 2024 przez _LM_
Dodano link

[H1M4W4R1]

22 godziny temu, _LM_ napisał:

O ten film mi chodziło 

Te chińskie przetwornice to ZVS z multiplikatorem, którego wolę uniknąć  

W przypadku boost'a nie jest to takie proste, bo przy różnicy napięć ok. 5x impulsówki ze sprzężeniem zwrotnym na PWM stają się niestabilne (głównie obniżające napięcie, ale podwyższające też nie mają lekko). W sumie i tak przetwornica będzie pracować w jakimś cyklu 90~95%, więc raczej to nie jest duża różnica.

System rozładowywania i tak musi tam być - obciążenie przetwornicy jest za słabe by rozładować kondensator w względnie krótkim czasie [kilka us]... Trochę zastanawiam się czy te 0.3V/us dla 358P nie będzie ciut za małą wartością, ale wyprowadzenia tych opampów są dość standardowe, zawsze można tam wkleić coś z większymi parametrami  

(Szukam argumentu by nie przeprojektowywać PCB -,-)

[_LM_]

385 według mnie jest za wolny do tego układu aczkolwiek rozumiem że użyłeś bo jest łatwy w aplikowaniu i tani jak barszcz. Układ momentalnego rozładowania uprościłbym do granic możliwości 1) przekaźnikiem 2) tyrystorem z odpowiednim układem sterowania. W obu przypadkach zwieramy wyjście przetwornicy, tj: kwestia priorytetów ale domyślam się że jak ma napięcia nie być to nie przebierasz w środkach 

[Sylba]

Dnia 21.04.2024 o 20:39, H1M4W4R1 napisał:

Schematy

Moduł zegara

Przyglądam się projektowi i ciekawi mnie jaka jest rola rezystora R6

oraz diody D2

 

[H1M4W4R1]

18 godzin temu, _LM_ napisał:

385 według mnie jest za wolny do tego układu aczkolwiek rozumiem że użyłeś bo jest łatwy w aplikowaniu i tani jak barszcz.

Bardziej to, że mam tego pełno w szufladzie  Zawsze można dorzucić kilka NE5532 do następnego zamówienia, ale one czasami mają problemy z pojedynczym zasilaniem...

18 godzin temu, _LM_ napisał:

Układ momentalnego rozładowania uprościłbym do granic możliwości 1) przekaźnikiem 2) tyrystorem z odpowiednim układem sterowania. W obu przypadkach zwieramy wyjście przetwornicy

Wolę mieć ten rezystor co by nagle nie zrobić zwarcia na zasilaczu... Okej nadal się da poprzez wyjście, ale z założenia będzie ono miało własny ogranicznik prądowy.

9 godzin temu, Sylba napisał:

jaka jest rola rezystora R6

Rezystor R6 podciąga sygnał NRST do zasilania (stanu wysokiego), który potem jest sterowany przez transoptor U2 (pozwala wyłączyć pracę układu zegarowego). Jest to zwykły rezystor typu pull-up  

9 godzin temu, Sylba napisał:

diody D2

Zabezpiecza tranzystor Q1 (BC547) przed impulsem o odwróconej polaryzacji, który może do niego trafić z przetwornicy. Tranzystory bipolarne mają ograniczenia maksymalnego napięcia (jakieś 6V pi razy drzwi) między emiterem a bazą (tak EB, a nie BE). Bez takiej diody w momencie wystąpienia szpilki tranzystor może przez chwilę znajdować się w stanie odwróconej polaryzacji co skończy się jego uszkodzeniem.

Ref. Horowitz & Hill, "The Art of Electronics", 2nd edition tome I, "Chapter 2 - Transistors"

EDIT:

LM358P ma 0.3V/us slew rate. Obliczenia z założeniem napięcia docelowego i dzielnika 1V/100V, komponenty idealne:

• 100nF: t = ~5ms... => ~1V/ms na dzielniku = 0.001V/us
• 10nF: t = ~600us -> ~0.008V/us na dzielniku... nadal grubo poniżej limitów wzmacniacza  

Chyba ta 358P da sobie z tym radę...

Edytowano Kwiecień 23, 2024 przez H1M4W4R1

[Sylba]

10 godzin temu, H1M4W4R1 napisał:

19 godzin temu, _LM_ napisał:

385 według mnie jest za wolny do tego układu aczkolwiek rozumiem że użyłeś bo jest łatwy w aplikowaniu i tani jak barszcz.

Bardziej to, że mam tego pełno w szufladzie  Zawsze można dorzucić kilka NE5532 do następnego zamówienia, ale one czasami mają problemy z pojedynczym zasilaniem...

19 godzin temu, _LM_ napisał:

Układ momentalnego rozładowania uprościłbym do granic możliwości 1) przekaźnikiem 2) tyrystorem z odpowiednim układem sterowania. W obu przypadkach zwieramy wyjście przetwornicy

Rozwiń cytat  

Wolę mieć ten rezystor co by nagle nie zrobić zwarcia na zasilaczu... Okej nadal się da poprzez wyjście, ale z założenia będzie ono miało własny ogranicznik prądowy.

10 godzin temu, Sylba napisał:

jaka jest rola rezystora R6

Rezystor R6 podciąga sygnał NRST do zasilania (stanu wysokiego), który potem jest sterowany przez transoptor U2 (pozwala wyłączyć pracę układu zegarowego). Jest to zwykły rezystor typu pull-up  

10 godzin temu, Sylba napisał:

diody D2

Zabezpiecza tranzystor Q1 (BC547) przed impulsem o odwróconej polaryzacji, który może do niego trafić z przetwornicy.

Bez rezystora też jest podłączony do Vcc. Nigdzie takiego rozwiązania nie widziałem.

[H1M4W4R1]

13 minut temu, Sylba napisał:

Bez rezystora też jest podłączony do Vcc. Nigdzie takiego rozwiązania nie widziałem.

Ale gdyby nie było tego rezystora przełączenie transoptora spowodowałoby zwarcie w układzie (dopóki transoptor nie zniszczyłby się od zbyt dużego prądu). Zauważ tam nazwę sieci "NRST", która jest też przy transoptorze U2. W schematach połączenia nie zawsze są zrobione liniami  

https://forbot.pl/blog/leksykon/rezystor-podciagajacy-rezystor-pull-up

 

Edytowano Kwiecień 23, 2024 przez H1M4W4R1

[Sylba]

Czy to znaczy, że sygnał z transoptora ma resetować 555?

[H1M4W4R1]

8 minut temu, Sylba napisał:

Czy to znaczy, że sygnał z transoptora ma resetować 555?

To znaczy, że sygnał z transoptora ma powodować, że NE555 znajduje się w trybie wyłączenia (resetu). "Resetowanie" to z reguły pojęcie, w którym układ uruchamia się ponownie po wystąpieniu sygnału. Ale ogólnie to do tego się sprowadza...

[jand]

W kilku miejscach transoptory wejściowe są zabezpieczone diodą  przed podaniem ujemnego napięcia. Niestety, dioda ta nie ma żadnego ograniczenia prądu, więc łatwo może ulec uszkodzeniu. Proponuję przenieść ją na drugą stronę opornika, bezpośrednio na końcówki transoptora. Wtedy i dioda, i transoptor będą bezpieczne.

[H1M4W4R1]

20 godzin temu, jand napisał:

W kilku miejscach transoptory wejściowe są zabezpieczone diodą  przed podaniem ujemnego napięcia. Niestety, dioda ta nie ma żadnego ograniczenia prądu, więc łatwo może ulec uszkodzeniu.

W założeniu było, że drugi rezystor ograniczający znajduje się przy układzie sterującym, ale masz rację, to głupie założenie...

[H1M4W4R1]

Dobra trochę zmian:

• poprawiłem diody dla transoptorów wejściowych
• dodałem diody dla transoptorów wyjściowych (bo czemu by nie)
• przesunąłem kondensator stabilizujący rozładowywanie za rezystor tworząc tym samym opóźnienie RC, które powinno działać lepiej niż wcześniejsza wersja bazująca tylko na szybkości wzmacniacza

Nowe schematy:

Zegar

Generator

Przełącznik

SVG

SVG_TENS Unit_2024-04-24.zip..zip

------------------------------------------------

Prototypowy routing PCB:

Zegar

Generator

Przełącznik

 

Jeszcze nie zrobiłem pełnego sprawdzenia (pomijając to, że za bardzo się nie stosowałem do zasad, ale tutaj raczej powinno to przejść... To nie są sygnały liczone w dziesiątkach MHz, które mają ciasne ramy czasowe).

Edytowano Kwiecień 24, 2024 przez H1M4W4R1

[_LM_]

Takie pytanie, ciekawskiego... Czemu nie użyjesz do tej przetwornicy układu który był do tego stworzony, ot tl494? https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl494.pdf?ts=1713935666547 występujący też pod nazwą KA7500 https://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/fairchild/KA7500B.pdf

Edytowano Kwiecień 24, 2024 przez _LM_

[H1M4W4R1]

Dnia 24.04.2024 o 22:57, _LM_ napisał:

Takie pytanie, ciekawskiego... Czemu nie użyjesz do tej przetwornicy układu który był do tego stworzony, ot tl494? https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl494.pdf?ts=1713935666547 występujący też pod nazwą KA7500 https://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/fairchild/KA7500B.pdf

Dla większego wyzwania. Dodatkowo łatwiej przewidzieć prawdopodobieństwo usterek dla wzmacniczy niż dla jakiegoś scalaka.

A tak szczerze... nie wiedziałem, że są przetwornice w DIP'ach z refem 5V [jeszcze większy dzielnik by miał pewnie szumy przekraczające zakres referencyjny, oczywiście to sarkazm]... Ale i tak raczej zostanę przy tym co mam dla większej zabawy  

System rozładowywania i tak musi zostać, więc przetwornica co najwyżej by ułatwiła sterowanie napięciem wyjściowym... Kosztem jakiegoś cm2 na płytce.

No i chciałbym uniknąć zamawiania komponentów, których nie mam (przynajmniej na starcie ew. poza jakimiś tam rezystorami). Jedyny argument, który by mnie miał szansę przekonać to f_sw > 400kHz

EDIT:

Mała poprawka na szybko  Dzięki temu nie da się przekroczyć limitu zaplanowanego dla urządzenia.

V_REQUESTED jest ścieżką wysokiej impedancji (pi razy drzwi 0.5e12R), więc te 2k2 raczej nie zrobi różnicy

Oraz wyprowadzenie napięcia (teoretycznie 0-10V, ale jest duże prawdopodobieństwo, że urządzenie będzie limitowane do 500V, więc wtedy VDET_SENSE będzie z zakresu 0-5V). W ten sposób będę mógł łatwo zaimplementować przetwornicę, o której wspominał wcześniej kolega @_LM_ jako osobny moduł (zamiast modułu zegarowego 555)  

Edytowano Kwiecień 26, 2024 przez H1M4W4R1