Грязные секреты от разработчика

Намедни мне как-то задали вопрос — как я осуществляю свои разработки, как я делаю прототипы устройств.

Ну, что ж. Особых секретов нет. Всё до неприличия банально и не особо интересно. А если наложить сверху еще и принцип социальной справедливости, то становится совсем уж погано.

Можно купить китайских печатных плат для макетирования. Но это затраты. Для безработного специалиста это непозволительная роскошь. А как же тогда?

Макетные платы я делаю из картона. В качестве проводничков использую толстый одножильный провод. Я загибаю провод в виде буквы «П» и наподобие тетрадной скрепки вставляю в картонку. Концы загибаю. Потом к таким импровизированным проводничкам припаиваю электронные компоненты — резисторы, транзисторы, конденсаторы. Если постараться, то можно изготовить платы даже для микросхем в корпусе DIP с шагом выводов 2.5 мм. Но это уже предел.

Вот, например, так на моем рабочем столе выглядит макетка драйвера светодиодной лампы:

Ничего особенного. В основе драйвера лежит легендарная UC2843, которая спаяна на своей плате:

Ключ вынесен на радиатор:

Надо сказать, что радиатор оказался совсем ни к чему. Транзистор практически не греется. Но я пока оставил радиатор, так как это всё-таки разработка и вполне может оказаться так, что я выйду на предельные режимы, когда транзистор начнёт греться.

Транзистор заряжает энергией ферритовый сердечник СБ-19. Скажу ещё пару слов про сердечник. Как видите, половинки сердечника скреплены между собой узенькой полоской скотча. Этого решения вполне оказалось достаточно, чтобы «горшки» не разлетелись.

По началу (несколько лет назад, когда я только начинал заниматься fly-back-ами) по привычке туго стягивал части сердечника — будь то Ш-образный сердечник или типа «СБ». Но потом, я случайно обнаружил, что в процессе работы у флай-бэка половинки сами прилипают друг к другу.

И в самом деле! У обычного 50-герцового трансформатора рабочая точка «летает» из одной области намагниченности в другую через ноль. При этом половинки сердечника достаточно интенсивно вибрируют друг относительно друга, издавая гул. Кроме того,  у трансформатора с нестянутым сердечником будет ниже кпд. Ну и другие «прелести».

У трансформаторов с ферритовым сердечником, которые работают на высоких частотах, будет наблюдаться всё тоже самое. Разве что вместо низкочастотного гудения будет стоять свист. Характер работы (перемагничивания) сердечника — тот же!

А вот у флай-бэков сердечник работает только в одну сторону. Там в принципе нет перемагничивания. А стало быть половинки сердечника будут притянуты друг к другу постоянно.

Даже если представить себе, что катушка намотана на одной половинке (вторая половинка без обмотки), то первая половинка будет работать как электромагнит, притягивая вторую половинку. А поскольку ток через обмотку (обмотки) идет только одном направлении, то получается, что полюса у «магнита» не меняются.

Это легко проверить! Просто включите такой флай-бэк и убедитесь, что вторая половинка горшка довольно-таки сильно примагничена к первой. Но стоит выключить питание, горшки легко распадаются.

У стати, о немагнитном зазоре. Я приклеил на центральный керн один слой скотча. Это примерно 0.05-0.1 мм. Как показывает практика, такой толщины оказалось достаточно.

Вторичная обмотка подключена к диоду и емкостному фильтру:

Далее идет нагрузка в виде линейки 1-ваттных светодиодов:

Сначала я сделал драйвер для трёх светодиодов. Но сравнивая световой поток от них с U-образной (настольной) лампой мощностью в 11 Вт, я пришёл к выводу, что трёх ватт явно мало.

Учитывая то, что ферритовый сердечник работает еще далеко от своих граничных возможностей я слегка изменил некоторые параметры схемы и добавил ещё пару светодиодов:

Печально, но 5 светодиодных ватт всё равно оказались слабее 11 ватт от энергосберегайки.

Буду еще наращивать мощность. При мощности в нагрузке 5 Вт ферритовый сердечник имеет небольшой перегрев (относительно температуры окружающей среды). По ощущениям примерно 10-15 градусов. Во всяком случае, когда берёшь его руками, чувствуется легкое приятное тепло.

Для сравнения — радиаторы под светодиодами греются ощутимо. Примерно через 20-30 минут работы они разогреваются градусов до 70. Рука держит, но уже неприятно. Еще немного и дюралевые пластинки будет обжигать пальцы.

Я, конечно, пробовал замерять температуру с помощью ИК-пирометра. Но он показал всего 40-43 ºC. Причём, если ИК-пистолет отклонить на 30-45º от нормали к излучаемой поверхности, то он покажет температуру большую на 10-15 градусов. Ну, то есть «голый» алюминий требует особого подхода при пирометрическом измерении его температуры.

Разумеется, у меня где-то есть термопара, которая шла в комплекте с китайским мультиметром М-838. Но это ж надо за ней ползти, рыться в многочисленных коробочках — куда я её заныкал, я уже и не помню! Гораздо быстрее оценить температуру, ухватившись пальцами за радиокомпонент непосредственно. Обычно большой точности измерения температуры вовсе и не требуется, а при определённой тренировке, можно научится тактильно оценивать температуру с точностью до 5-10 градусов в диапазоне от 0 до 70-80 ºC.

Ну, в общем, как-то так. У каждого разработчика свои методы, соответствующие его финансовым возможностям и его «испорченности».

Последняя плата — это плата токового датчика и опторазвязки на базе хорошо известной оптопары LT817:

Как видите, ничего хитростного в разработке нет. Даже если вас жизнь выкинула на помойку, не отчаивайтесь! Из говна и палок тоже можно творить вполне сносные вещи.

Бриллиант, упавший в грязь, всё равно остаётся бриллиантом, а пыль поднявшаяся до небес, так и остаётся пылью. (с)

Реклама

8 responses to “Грязные секреты от разработчика

  1. При всём уважении, Александр Антонович, нельзя макетировать импульсный преобразователь вот так «на проводах». Работать конечно будет, но проведя рукой над такой «сборкой» можно заметить её сходство с терменвоксом. Так и осциллографом корректно не замеряешь, и паразитных индуктивностей целый цветник.

    Я вот давно ушёл от макетных плат. Если что-то аналоговое — сперва TinaTi, MicroCap, LTSpice, MultiSim, etc. Тем более ШИМ на UC3843 — любой симулятор справится. Затем ЛУТ и уже на макете устройства исправление ошибок. Плату-то всё равно разводить! Вот на прошлой неделе, к примеру, ошибся с 78L05 в SOT89 — перевернул корпус зеркально. В остальном — заработало как в симуляторе. Это был диф. усилитель.

    Proteus неплохо моделирует цифровые схемы. Логики 74HCxx там гора, микроконтроллеры почти все что в базео симулируются без ошибок. Затем опять плата, исправление ошибок.

    Часто это даже не исправление ошибок — а оптимизация разводки. Когда паяешь макет, а сейчас почти всё в SMD, видишь где неудобно подлезть жалом паяльника, что немаловажно при большом тираже плат. А кое-где элементы удобнее использовать в меньших корпусах или наоборот — выгоднее поставить больший корпус.

    • Антон, спасибо Вам за Ваш комментарий.

      Я понял вашу мысль. Давайте попробуем разобраться, что и как мы (точнее — я) делаем и что допустимо и что нет.

      Длинные провода — зло. Они излучают. Они обладают индуктивностью. Вопрос — как и на сколько сильно это влияет на параметры схемы?

      Длина проводков, идущих от трансформатора, составляет примерно 7-8 см. Много это или мало? Известно, что погонная индуктивность тонкого провода в свободном пространстве составляет примерно 1-2 мкГн/м. Таким образом к индуктивности вторичной обмотки, которая составляет примерно 300 мкГн добавляется 70-160 нГн. Другими словами в схеме будут отклонения менее 0.05 %.

      В данный момент первичная обмотка у меня имеет точно такое же количество витков как и вторичная. Схема пока запитана от низковольтного напряжения — всего 30 В, вместо 310. Конечно, вдоволь поигравшись с этим «низковольтным» макетом, я изменю первичное питание на сетевое. Тогда первичная катушка буде иметь индуктивность ещё большую. Я предполагаю будет что-то в районе 2-3 мГн.

      Если Вы присмотритесь, то заметите, что у меня даже схема снаббера отсутствует. Почему я её не спаял? Да потому, что на данном этапе я считаю, что она мне погоды не сделает. Высоковольтные импульсы на стоке транзистора, конечно, присутствуют, Но они не «смертельные» для него. И тот факт, что каких-то процентов 5 или около того рассеиваются на стоке транзистора, тоже ни на что не влияют.

      Я не принуждаю Вас верить мне наслово. Просто на досуге попробуйте в программе-симуляторе «собрать» флай-бэк и попробуйте добавить в него паразитные индуктивности, обусловленные длинными концами трансформатора. И посмотрите, как это скажется на качестве схемы. (Вообще, мне самому это было бы интересно узнать.)

      В конструкции имеются еще длинные проводки. Наиболее критичными их них являются цепи обратной связи, которые подходят и уходят от маленькой платки опторазвязки. Здесь наиболее уязвимым местом является то, что на них наводятся всякие ВЧ-помехи, излучаемые силовыми цепями флай-бэка. Вроде бы опасно?

      На самом деле опасности нет. Почему? — Да потому, что частотный диапазон цепей обратной связи значительно ниже, чем частоты возможных наводок. У меня в схеме установлен конденсатор, который гарантированно загасит любую ВЧ-помеху.

      Остальные длинные проводки, которые присутствуют на макетке — не имеют вообще никакого значения. По ним течёт постоянный ток. Кроме как омического сопротивления они не оказывают в схеме никакого воздействия. Сопротивление проводков — единицы, ну, может десятки миллиом. Сопротивление резистора, который является датчиком тока и который включён последовательно с проводками — 3 Ома. О чём, собственно, разговор?

      Теперь, что касается частот. Преобразователь работает на частоте 30-50 кГц. Много это или мало? Если предположить, что спектр сигналов в силовой части имеет очень «длинный хвост»… ну, допустим, аж до 101-ой гармоники, то это частоты где-то в районе 5 МГц. Длина волны для этой частоты составляет 60 м. Соответственно, типовая четверть-волновая антенна для излучения этой частоты равна 15 м. Длина моих проводков — 7-8 см.Это примерно 2000-я часть антенны. Если есть желание, то можно посчитать, какая часть энергии излучается длинными концами обмоток трансформатора.

      Безусловно, когда схема устройства уже известна и нет желания поиграться с разными вариантами, то прототипирование лучше выполнять на печатной плате. Но описанный в этой статье случай не подходит под эту категорию.

      Месяц назад ремонировал китайский сварочный аппарат (инвертор). Что меня поразило — маломощный источник питания (step-down), который из +12 В готовит +3.3 В для микроконтроллера (STM32), работает на частоте 1 МГц. Тут топология платы будет оказывать влияние на поведение схемы.

      Или вот ещё — года три назад видел рекламу от Texas Instruments на какой-то step-down, который работает на частоте аж 8 МГц.

      — Восемь, Карл! Восемь!

      Я уж не знаю, какой магнитный материал они используют в качестве сердечника, но честно говоря, впечатляет!

      Глупо противопостовлять программы-симуляторы и натуральные физические компоненты. Каждый способ занимает свю нишу. Каждый разработчик имеет свои предпочтнения в разработке. Я не вижу никакой опасности в том, что делаю я. Если человек понимает, что он делает и может адекватно оценить в чём и на сколько его модель устройства отличается от идеального конечного продукта, к которому он идёт, то проблем нет. Проблем случаются там, где человека захлёстывают иллюзии. Там, где рефлексии (отображения в мозге) разработчика имеют расхождения с реальным миром.

    • Антон,

      Подскажите, у Вас перечислен внушительный список ПО. Из этого списка я знаю только протеус, но даже его достаточно для моего вопроса — неужели Вы обладаете лицензией на все это ПО? По моему Вы ‘слегка’ нарушаете авторское право, либо ‘стреляете из пушки по воробьям’, макетки как бы обходятся значительно дешевле.

  2. Александр Антонович, Вы бесспорно знаете мат. часть и умудрены опытом. Если не секрет, какая мощность обратнохода? Мощность светодиодов? И чисто из любопытства — какие пульсации на выходе считаете приемлемыми в этой задаче?

    В остальном — рост частоты «вверх» обусловлен стремлением к миниатюризации. Сейчас в моду входят GaN транзисторы, так что есть примеры киловаттных AC-DС и наоборот в размерах книги. Есть даже соревнование https://littleboxchallenge.com.

    Вот практический пример 2.5МГц, 3кВт для авиации http://www.powerpulse.net/story.php?storyID=35963

    • Потребляемая мощность макета составляет около 30 В * 0.14 А = 4.2 Вт.

      Вторичная цепь. Пять светодиодов расположены последовательно с токовым шунтом. С шунта снимается управляющее напряжение для стабилизации тока через светодиоды.

      Напряжение на пяти светодиодах = 15.4 В.

      Токовый шунт: 3 Ома. Напряжение на шунте: 654 мВ. Ток через шунт (и светодиоды) = 654 / 3 = 218 мА. (Светодиоды работают в «недокале». У меня там радиаторы хиленькие. Я не хочу «жарить» светики.)

      Общее напряжение во вторичной цепи: 15.4 + 0.654 = 16.1 В

      Мощность во вторичной цепи: 16.1 * 0.218 = 3.51 Вт.

      К.п.д. системы 3.51 / 4.2 = 83%.

      По пульсациям ничего не могу сказать. Пока не думал на эту тему. Тем более, я удерживаю не напряжение на светодиодах, а ток через них.

      Я не ставил себе сверхзадач. Тем более не собирался переплюнуть промышленное производство. Просто у меня есть несколько десятков светиков, у меня есть с десяток горшков. Есть и другие электронные компоненты. Почему бы не попытаться и не сделать самодельную лампу? Вот и занялся. Я — безработный. Время куда-то надо тратить. Не водку ж пить!

  3. w5277c, я привёл список наиболее распространённых в среде радиоинженеров программ. Конечно же, никто разом все их не использует. В том числе и я. Если Вы присмотритесь, то увидите, что лишь две из них требуют лицензирования за деньги. Поэтому Вы ошибаетесь, намекая на «легкое» нарушение copyright. Для оставшихся платных программ остаётся вопрос коммерческого и некоммерческого использования, который не так прост. Тут подходит пример SimuLink как части MatLab. Использование, пусть и в урезанном варианте, для научных и учебных целей не запрещено. Ну а то, что моделируем в Simulink целые системы, например векторные частотники, поди знай — это основа диссертации или новая разработка. А часто и первое, и второе.

    Чаще всего пользуюсь TinaTi — это прекрасный и сильный инструмент. Spice модели добавляются без труда. К примеру, недавно удалось промоделировать резонансный инвертор. Основная проблема была недоверии к моделям распространённых драйверов IR2110. И конечно же LTSpice, сейчас кажется 17я версия. Это бесплатные программы, условно перекрывающие весь диапазон аналоговых задач. MultiSim немного «грузная», впрочем как и всё, что прямо или косвенно связано с LabView.

    Отдельной статьёй стоит моделирование ИИП. У многих производителей ШИМ контроллеров и моточных изделий есть свои симуляторы, конечно с ограниченным функционалом, заточенные под узкий круг задач. В качестве примера приведу SwitcherPro от TI и их же Webench Power Designer. Аналогично Power Supply Designer компании Fairchild, Flyback SMPS Design Tool компании NXP. Всё это производители комплектующих. А также Epcos’овскую программу Ferrite Magnetic Desighn Tool, такую же программу от Micrometals и т.д. Программ десятки и сотни. Попадалось даже что-то для расчёта ККМ.

    Если Вы говорите о воробьях и моделировании вообще, то, очевидно, не до конца понимаете во что в денежном эквиваленте может вылиться серия сгоревших «как бы макетиков» с кучей дорогих деталюшек. И потерянное время на выяснение вопроса что пошло не так. Но всё зависит от задачи.Приведу пример в защиту программного моделирования.

    В одном из своих постов, кажется на тему STM32 vs AVR, Александр Антонович писал, что часто не закладывает в основу устройства новый МК, т.к. он недостаточно изучен, а заказчику требуетcя получить устройство побыстрее. В этом случае разработчик идёт проторенной дорожкой так как, скажем прямо, не уверен в своих силах по отношению к новому железу. И в этом нет ничего зазорного — всегда требуется время для перестройки на новую колею. А сроки поджимают. Но ведь новое железо и стоит дешевле, и памяти в нём больше, и работает быстрее. Из-за особенностей архитектуры код легко портируется на старшие семейства, а о богатой периферии и говорить не стоит.

    В аналогичной ситуации оказывается инженер, который вынужден заниматься разработкой в незнакомой области схемотехники. Если есть spice модель — прекрасно, попробуем собрать виртуальный узел. Посмотрим на токи, напряжения, оценим их «формы» 🙂 А там, глядишь, уже не страшно повторять в железе. Именно не страшно, поскольку всё те же время и деньги постоянно довлеют над нами.

    А вообще, как говорила моя первая учительница (по электронике) на лабораторных: «Смело собирайте схему. Ошибка — не беда. Всё ненужное отгорит, а всё нужное останется».

    • Антон,

      Спасибо за развернутый ответ и потраченное время. Безусловно мне с Вами никак не тягаться, я — то в элементарной цифровой схемотехники можно сказать начинающий любитель да еще и самоучка, что тут говорить про аналог и профессиональную деятельность.
      При этом пытаюсь отдаленно примерить одёжку на себя.
      И в моем, частном, случае думаю я буду все же прав, что для радиолюбителя использование дорогостоящего ПО для симулирования не рационально, впрочем как и бесплатного серьезного уровня(так как его изучение требует много времени, а время — деньги).
      Конечно с профессиональной стороны все выглядит совершенно иначе, я это понимаю.

      • Не могу не добавить в общий котел разговора своих 5 копеек.

        Нельзя сравнивать возможности радиолюбителя и возможности профессионала. Сравните бюджет радиолюбителя и бюджет предприятия — они отличаются даже не в разы! Они отличаются на несколько порядков.

        Я иногда удивляюсь амбициям отдельных радиолюбителей, которые изготавливают какую-нибудь печатную плату по 4-му классу точности (t = 0.15 мм, s = 0.15 мм), потом накатывают маску, на маску наносят шелкографию и т.д. Не, конечно, впечатляет! Ничего не говорю — здорово! Шедевр!

        Вопрос только в том — а какой ценой это всё достигается? Кому и что они доказывают этими порывами? Разумных ответов нет. Если сказать, что это есть удовлетворение собственных амбиций, то это равносильно «обидеть художника». И в самом деле — они реально художники! Мастера с большой буквы!

        Проблема в том, что картина художника и печатная плата — суть разного рода вещи. Картина — это произведение искусства, где важна не сама точность отражения мира, а привнесённый художником его человеческий фактор. (Современная фотография ведь несоизмеримо более точно, чем художник, передает цвета и пропорции.) Но ценим-то мы именно картины, а не фотографии — пусть даже они будут трижды красивы и уникальны.

        Печатная плата — это всего лишь техническая часть нашего техногенного мира. Назначение печатной платы утилитарно — удерживать на своей поверхности электронные компоненты. Ведь именно для этого создаются они!

        Во, блин! Пока говорил, забыл о чём вообще говорю…

        Ну, не важно! В общем, мне кажется, наверно по этой причине радиолюбительство сейчас сходит на нет. Это 30-50 лет назад рынок электроники был не развит, и многие устройства людям приходилось делать самим. Помимо получения самого устройства, люди получали ещё и удовольствие от удовлетворения от труда и осознания своей доминантности — «Никто не может, а я сделал!»
        По нынешним временам, сейчас это не котируется — «Сделал? Ну, молодец. Ичо дальше? А я вот пошел и купил.» И когда подбиваешь итог по затратам, то при любом раскладе радиолюбительство всегда в аутсайдерах.

        Нельзя сравнивать несравнимые вещи. Нельзя завидовать возможностям промышленных предприятий. И чрезвычайно глупо вступать с ними в соревнования.

        Как-то так.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s