Labortáp. Venni vagy csinálni?

Vannak műszerek, melyre minden villamosmérnöknek szüksége van, ha nem csak a gép előtt ülve akar áramkörömet tervezni, amiket aztán majd valaki más éleszt fel. Szóval ha valaki nem „elméleti ember”. 😊 Ilyen például egy labortápegység is. Na de honnan lesz ilyenünk?

Alapvetően két lehetősége van az embernek, ha szeretne egy labortápot:  vesz vagy épít egyet. Természetesen mindkét oldalnak megvannak a maga előnyei és hátrányai. Ha a vásárlás mellett döntünk akkor csak ki kell fizetni és már használhatjuk is, viszont ebből nem tanulunk semmit. Így nagyon jó tapasztalat lehet egy labortáp építése, azonban fontos megjegyezni, hogy nem az a legnagyobb előnye hogy olcsóbb. Mert nem az! Ha összeszámolja az ember az alkatrészek árát, beleszámítva a trafót, házat, illetve minden apróságot, a hozzá szükséges időről nem is beszélve, akkor hamar rájön, hogy nem ez lesz az építés melletti legerősebb érv. Azonban ennek ellenére bátorítok mindenkit, hogy legyen egy tápegysége amit maga épített.

Mint ahogy azt sejteni lehet én is az építés mellett döntöttem. Egy olyan labortápot szerettem volna, ami  következőket tudja:

  • 300 W (max. 50 V / 6 A)
  • Toroid trafóról való működés (lágyindítóval)
  • Kapcsolóüzemű előfok, disszipativ végfok
  • Beállított és mért feszültség/áram kijelzés
  • Színes LCD kijelző
  • Rotary encoderrel és nyomógombokkal való vezérlés/beálltás
  • PC-s vezérelhetőség (USB)
  • Hangjelzések (pl. áramkorlát elérésekor csippanás)
  • Igényesen kialakított alumínium ház

Ha valakinek egy labortáp lenne az első megépített áramköre, akkor talán érdemes elsőre egy egyszerűbb konstrukciót kitűzni célul, de ha szereti a kihívásokat, akkor lehet hasonlóban gondolkozni.

Nézzük is, hogyan épül ez fel, azaz hogy lesz a hálózati feszültségből  általunk kívánt DC feszültség/áram. A hálózati csatlakozóból az áram először a lágyindtóba megy, melynek a feladata, hogy a toroid által bekapcsoláskor felvett nagy áramot korlátozza. Ennek nem túl bonyolult a kapcsolása, lényege, hogy egy ideig ellenállásokon keresztül folyik az áram a trafóba, melyek korlátozzák az áramot, majd rövid idő után rövidre zárja ezt egy relé. Kissebb trafók esetén elhagyható, a 300 W-os már határeset, felette azonban szinte elengedhetetlen.Itt nem szabad megfeletkezni a megfelelő biztosíték(ok) és varisztor elhelyezéséről sem! Továbbá fontos, hogy földelt csatlakozót használjunk és a tápegység háza is le legyen földelve. A hálózati feszültség nem játék!

A lágyindtó után jön a trafó, mely esetemben egy 300 W-os toroid, ami 2 db 28 V-os szekunderrel rendelkezik gyárilag. (Standard érték, lehet kapni boltban, főleg pénzért adják.) A két szekundert sorba kötve megkapjuk a kívánt feszültséget. Mivel a szabályzó és digitális elektronikának is szüksége van tápra, így tekertem még egy 15 V körüli szekundert a trafóra. Pár menetet feltekerve és azon a feszültséget megmérve már számolhatjuk is mennyi kell a kívánt feszültséghez. Ezután az 56 V körüli váltakozó feszültséget egyenirányítjuk és megfelelően nagy kondenzátorral puffereljük. Ezt a DC feszültséget kapja meg a kapcsolóüzemű előfok.

De miért is van szükségünk előfokra, mi az hogy kapcsolóüzemű, stb.? Egy bizonyos tápfeszültséget többféleképpen állíthatunk elő. Legegyszerűbb egy lineáris tartományban működő áteresztő taggal. Ennek az a lényege, hogy úgy vezérlünk egy tranzisztort, hogy az pont  annyira nyisson ki, hogy a kimeneten a kívánt feszültség álljon elő. Ennek a megoldásnak az előnye, hogy tiszta zajmentes feszültséget állíthatunk elő vele, viszont hátránya, hogy disszipatív. Gondoljunk bele: beállítottunk 1 V-ot a kimenetre és folyik 2 A. Ez azt jelenti, hogy ha pl. 50 V van a bemeneten, akkor 49 V esik a tranzisztoron, miközben 2 A folyik át rajta, ami 98 W disszipációt jelent. Ez egyrészt a hatásfok miatt sem előnyös, másrészt nem lesz egyszerű akár 300 W-ot úgy eldisszipálni, hogy ne égjen le az egész.

A másik lehetőség egy kívánt feszültség előállítására a kapcsolóüzemű megoldás. Ennek lényege, hogy úgy szaggatjuk a bejövő feszültséget, hogy azt induktivitással és kondenzátorokkal kisimítva a kívánt feszültséget kapjuk. Erre nem térnék ki részletesen, nagyon sokféle konstrukciójú kapcsolóüzemű táp létezik, akit érdekel nézzen utána! Annyit azonban fontos megjegyezni, hogy ezek általában zajosabb feszültséget eredményeznek, ami egy labortáp esetében nem kimondottan előnyös. Illetve másik hátránya, hogy ezek a kapcsolások általában igénylik a jelentős kimeneti pufferelést, ami szintén nem jó számunkra. Gondoljunk bele: hiába állítunk be áramkorlátot, ha feltöltött kondenzátorokból sokkal nagyobb áram is megindulhat. Előnye viszont, hogy meglehetősen jó hatásfokuk van, hiszen nem disszipálunk el feszültséget.

Ezt a két módszert azoban ötvözhetjük is! Amennyiben van egy kapcsolóüzemű előfokunk és egy disszipativ véhfokunk, akkor kiküszöbölhetjük egyikkel a másik hátrányát oda-vissza. Tehát ha úgy tervezzük meg a kapcsolást, hogy a kapcsolóüzemű előfok mindig ~2 V-al nagyobb feszültséget állt elő, mint amit a kimeneten szeretnénk, akkor a disszipativ végfoknak 6 A esetében is csak 12 W-ot kell elfűtenie. Így kiküszöböltük az áteresztő tag hátrányát, illetve csökkentettük a kapcsolóüzemű megoldás zajosságát.

Mivel szerettem volna színes LCD kijelzőt, PC-s kommunikációt, ezért szükség volt egy digitális részre is. Ennek alapja egy ARM-Cortex magú STM32F410-es mikrokontroller lett. Ez felelős a szabályzó áramkör számára az áram és feszültség alapjelek előlátásáért, melyek hatására áll be a kimeneten kívánt feszültség/áram. Továbbá feladata az aktuális értékek mérése, kijelző vezérlése, nyomógombok és encoder kezelése és a PC-a kommunikáció ellátása. Ahogy egy ilyen eszköznél elvárt, az USB galvanikusan  le lett választva. Ezenkívül helyett kapott a házban egy ventilátor, melyet szintén a mikrokontroller vezérel, ahogy a hangjelzések céljából elhelyezett buzzert is. Természetesen a mérnökember ihletgyűjtés céljából tett szüneteinek kellemes eltöltését elősegítő funkciók is implementálva lettek. (Van rajta játék. 😃)

Ha az építés mellett döntöttünk, akkor azonban nem elég a jó mérnök ember tudásához illő elektronika megépítése, azt bizony valamibe bele is kell tenni. Abban gondolom mindenki egyetért, hogy nem a legergonomikusabb egy asztalon összekábelezett labortáp. Ezt a részt igazából millióféleképpen lehet csinálni. Én a boltban kapható műszerdobozok közül választottam egy szimpatikus darabot, melynek szükséges átalakításához a SEM-ben található CNC marógépet használtam. Ezzel a választott alu doboz előlapján és hátlapján szükséges kivágásokat szépen meg tudtam csinálni.

A tápegység a cikk írása pillanatában már közel kész állapotban van. Automatikus kalibrációt megvalósító algoritmusok és védelmi/hibakezelő kódrészek, illetve a PC-s szoftver megírása van még hátra.

Remélem megfelelő áttekintésként tud ez a cikk szolgálni azok számára, akik esetleg labortáp építése mellett döntenek.

Készítette: Pokornyi Balázs