Fonte chaveada para power valvulado

[harckan]

Assim como o Chris, só para ajudar este tópico que me interessa muito.

Abraços

Essa outra foto mostra uma fonte de 70 W para alimentar duas EL84 num amplificador 6 + 6 W. Tem menos componentes porque usa um TOP226 no lado primário.

http://www.orkut.com.br/Main#AlbumZoom?gwt=1&uid=1766721204546236354&aid=1&pid=1322240051619

[hgamal]

a.sim

Qual é a teoria por trás do uso de potência de pico (instantânea) nas fontes chaveadas.

Em princípio, esta premissa me parece inviabilizar o projeto como um todo.

Por outro lado, nunca imaginei que a potência instantânea demandada por um JCM chegasse a 1kW. Este número me parece um tanto elevado.

[Eduardo]

Oi A.sim

Dei uma olhada no www.powerint.com e de fato parece ser uma solução bastante conveniente. A questão é se esses componentes estarão no mercado para que qualquer um possa adquiri-los com facilidade.

Bom, agora que temos no fórum alguém com experiência com fontes chaveadas, as coisas podem ficar mais fáceis!

Você gostaria de nos ajudar no projeto de uma fonte para valvulados que qualquer um com um soldador e boa vontade possa montar?

Abraços

Eduardo

[a.sim]

a.simQual é a teoria por trás do uso de potência de pico (instantânea) nas fontes chaveadas.
Em princípio, esta premissa me parece inviabilizar o projeto como um todo.
Por outro lado, nunca imaginei que a potência instantânea demandada por um JCM chegasse a 1kW. Este número me parece um tanto elevado.

Oi :

Vamos tomar um amplificador SE com EL84 como exemplo. Nessa válvula, a corrente quiescente de placa é de cerca de 40 mA. Quando o amplificador está a plena potência, a corrente de placa excursiona de praticamente zero até cerca de 80 mA. Nessas circunstâncias, a corrente média de placa ainda é 40 mA, e uma fonte a transformador em 60 Hz precisa ser dimensionada apenas para essa corrente média.
Na fonte chaveada, a corrente através do transistor chaveador é proporcional à corrente instantânea demandada da fonte, pois o circuito de controle tem velocidade suficiente para acompanhar as mudanças na corrente de saída. Se o circuito não é dimensionado para a máxima potência de pico, a limitação de corrente do transistor chaveador pode ser ativada ( especialmente quando estão sendo amplificados tons graves ) e desligar a fonte, ou ativar a proteção de curto-circuito.

[hgamal]

Vamos tomar um amplificador SE com EL84 como exemplo. Nessa válvula, a corrente quiescente de placa é de cerca de 40 mA. Quando o amplificador está a plena potência, a corrente de placa excursiona de praticamente zero até cerca de 80 mA. Nessas circunstâncias, a corrente média de placa ainda é 40 mA, e uma fonte a transformador em 60 Hz precisa ser dimensionada apenas para essa corrente média.
Na fonte chaveada, a corrente através do transistor chaveador é proporcional à corrente instantânea demandada da fonte, pois o circuito de controle tem velocidade suficiente para acompanhar as mudanças na corrente de saída. Se o circuito não é dimensionado para a máxima potência de pico, a limitação de corrente do transistor chaveador pode ser ativada ( especialmente quando estão sendo amplificados tons graves ) e desligar a fonte, ou ativar a proteção de curto-circuito.

Ok. Seguindo a linha de raciocínio da corrente máxima, se a maior corrente demandada pelo circuito fosse 80 mA a 300V,  fonte teria que fornecer 24 Watts, instantâneos. Este fato difere do comportamento das fontes comuns, onde a corrente instantânea faz pouco estrago nos componentes. Seguindo o mesmo raciocínio, não consigo encontrar razão para justificar 1kW no caso do JCM 800. Mas entendi o ponto.

Aqui vejo um ponto interessante que mais tarde, após vencermos este dragão atual, que seria implementar. Poderíamos usar um controlador programável, como um AVR ou PIC, que relaxaria um pouco a questão de tensão constante, e talvez "emular" uma fonte comum, tal qual faz uma fonte convencional. Uma heresia para projetistas de fontes, mas faz todo sentido em amps de guitarra, onde só queremos eliminar um componente pesado como o transformador de força. Mas não percamos tempo com esta idéia (ou heresia).

Olhei o site também. O HyperTFS vende na Digikey, o preço é por volta de 5 dólares (4 e uns quebrados). Olhei o datasheet, e achei deveras interessante. Ele tem características que não nos interessam, como a possibilidade de implementar uma fonte "mais fraca" para equipamentos que operam em "standby mode", mas me parece um belo tijolo de construção.

Eu sempre pendi para a idéia de usar um controlador (TL494, UC3842 e etc), por mais simples que ele seja, para a implementação da fonte, mas compreendo as preocupações do Eduardo.

Nesta missão, acho que o consenso vai beneficiar melhor a todos. Acredito que devíamos ir na direção do menor circuito possível usando um controlador. Depois do aprendizado, quem sabe um chip mais evoluído.

[a.sim]

Oi :

"Ok. Seguindo a linha de raciocínio da corrente máxima, se a maior corrente demandada pelo circuito fosse 80 mA a 300V,  fonte teria que fornecer 24 Watts, instantâneos."

Sim. A fonte precisa ser dimensionada para fornecer essa potência, embora ela não seja consumida durante todo o tempo. caso contrário, haverá a ativação da proteção de sobrecorrente do transistor chaveador.

"Seguindo o mesmo raciocínio, não consigo encontrar razão para justificar 1kW no caso do JCM 800."

Um JCM800 tem 100 W de potência máxima. Para um amplificador de 12 W eu precisei de uma fonte de 70 W; seguindo a proporção, seriam necessários cerca de 600 W só para a etapa de potência. Somando a potência de filamento, chegaria perto de...1 kW. Esse valor é só uma estimativa, não um valor exato a ser usado em projeto. Caso haja interesse, eu poderia fazer o cálculo exato.

"O HyperTFS vende na Digikey, o preço é por volta de 5 dólares (4 e uns quebrados). Olhei o datasheet, e achei deveras interessante. Ele tem características que não nos interessam, como a possibilidade de implementar uma fonte "mais fraca" para equipamentos que operam em "standby mode", mas me parece um belo tijolo de construção."

Pois é, a fonte de standby seria justamente para alimentar os filamentos. Apenas acho que 20 W é pouco; já encaminhei ao pessoal da Power minha sugestão de aumentar essa potência para uns 50 W, pelo menos. Assim, a fonte Forward principal entraria em operação somente após os filamentos estarem aquecidos. 

Com relação a usar microcontroladores, minha opinião ainda é " quem sabe, faz com dois transistores. Quem não sabe...usa dois PICs em paralelo..."
-----Uma pergunta off-topic :

Quem pode consertar a limitação de linhas no editor de texto que se usa para escrever essas mensagens ? A partir de um certo número de linhas, o texto desaparece sob a borda inferior da caixa de texto...

[hgamal]

Com relação a usar microcontroladores, minha opinião ainda é " quem sabe, faz com dois transistores. Quem não sabe...usa dois PICs em paralelo..."

Essa foi por demais maldosa...  essas tipo de coisa magoa!  

Quem pode consertar a limitação de linhas no editor de texto que se usa para escrever essas mensagens ? A partir de um certo número de linhas, o texto desaparece sob a borda inferior da caixa de texto...

As limitações do software do forum são muitas. A gente não costuma consertar estas coisas, apenas esperamos os desenvolvedores.

(mas acho que se pormos 2 PICS em paralelo....)

[Eduardo]

Oi A.sim

Com relação a usar microcontroladores, minha opinião ainda é " quem sabe, faz com dois transistores. Quem não sabe...usa dois PICs em paralelo..."

Poxa! Eu estou entando com dois transistores! Até que não estou tão ruim! 

Repito o convite: quer ajudar a gente em nosso projeto da fonte Handmades genérica?

Quem pode consertar a limitação de linhas no editor de texto que se usa para escrever essas mensagens ? A partir de um certo número de linhas, o texto desaparece sob a borda inferior da caixa de texto...

Esse problema é alguma coisa no navegador e não no fórum em si. No meu notebook funciona bem, mas no de mesa fica pulando. A solução mais simples é escrever no editor de texto e depois colar no fórum.

Abraços

Eduardo

[a.sim]

Olá, Eduardo :

"Poxa! Eu estou entando com dois transistores! Até que não estou tão ruim!  "

A brincadeira, na escola onde trabalho, diz respeito a um pisca-pisca com LED : um PIC acionando o catodo e outro acionando o anodo do LED...

"Repito o convite: quer ajudar a gente em nosso projeto da fonte Handmades genérica?"

Minha disponibilidade de tempo é restrita, mas estou às ordens para acompanhar o projeto. Sigamos adiante com a ideia...

[Eduardo]

Oi A.sim

Aqui todos temos o mesmo problema de tempo restrito. Estou aproveitando esta semana que a loja está menos movimentada para avançar nos estudos dos circuitos chaveadores.

Sei bem como o ensino consome a gente. Depois de concluir meu doutorado na Unicamp, tentei seguir a carreira acadêmica, ao mesmo tempo que montava a loja para ajudar no orçamento. Não demorou muito para eu pegar o barco mais confortável!

Dica: em lugar de usar aspas use os marcadores {quote} e {/quote} para fazer as citações, trocando o { por [. Fica dentro do padrão do fórum e mais fácil de ler

como neste exemplo

Abraços

Eduardo

[Ledod]

 Olá pessoal!

 Agora me parece que a coisa está caminhando bem, estive ausente nestes dias e não li todas as mensagens, mas com o nosso amigo que já tem experiência com fontes chaveadas o desenvolvimento vai seguir mais acertado, para não cometermos erros banais que só com a experiência poderiam ser previstos. Muito legal !
 Vou ler com calma nesses dias os comentários, o tópico está ficando muito bom.

Um abraço!

Eduardo

ps: para quê dois pics em paralelo para um led? Usa um FPGA de uma vez  haha

[Ledod]

 Estive pensando sobre o dimensionamento da fonte em função do valor de pico e acredito que não é necessário um circuito de 1kw para um JCM 800 por exemplo. Acredito que está superdimensionado, vou explicar.

 Bem, todos que abriram uma fonte de ATX, não sei sei notaram um fato muito interessante sobre os valores de capacitores de filtragem do secundário. Para a linha de 5v temos, 1000uF, 2000uF. Não acham estranho que o valor seja tão pequeno, comparado as correntes envolvidas, na casa dos 10A? Pensando sobre o que nosso amigo disse, onde as fontes são dimensionadas no valor de pico, juntei alguns pontos que acredito estarem corretos. Mais tarde vou procurar sobre isso para confirmar se está mesmo certo...
 
Os valores de capacitores são baixos pois o circuito de controle da fonte é rápido o suficiente para alterar o PWM com a variação da carga. Assim não é necessário capacitâncias altas já que em uma variação abrupta da carga a fonte "sentirá" e tão rapidamente quanto a variação irá estabilizar a tensão.
 
Ai temos uma diferença crucial entre nosso projeto e o de uma fonte ATX. Não necessitamos de uma tensão exata na saída, se é 250 ou 251v não importa. O importante é termos a tensão média de alimentação e o ripple de saída também não é crítico.
 Para contornar isso é até simples, aumentando os capacitores do secundário. O sistema ficará com uma resposta mais lenta, mas não será necessário dimensionar o circuito para o valor de pico! Para ex. vou colocar o gráfico de um sistema PID (proporcional integral derivativo) que no fundo é um RLC, com a resposta ao degrau. Uma fonte pode ser modelada bem porcamente por um sistema deste tipo...


 Vou usar esta figura para exemplificar:

 
 
 
 Digamos que a função degrau é variação da carga em um dado instante e as curvas são as respostas do sistema da fonte. Ai temos alguns fatos bem interessantes.

1- A curva verde, uma oscilação amortecida. Lembro-me que disse em algum post sobre isso, o ruído causado pela fonte, em uma frequência audível, onde a fontes com realimentação não eram usadas em sistemas de alta potência. Pois bem, é esse ruído.

2- A curva azul claro onde temos um amortecimento crítico. Pelo que entendi as fontes ATX trabalham por ai, assim a resposta ao pulso de corrente é rápida, porém sem oscilar, diminuindo o valor do capacitor, diminuindo custos, etc

3- Curva vermelha, sobre amortecida. Com o degrau da carga a resposta é lenta, observem que há um período maior para estabilizar.

 Agora vem o porquê. A função degrau, como mostrada é apenas um pulso que mantém a tensão constante até o infinito, sendo um nível DC. A nossa carga nunca irá ser assim pois são sinais de áudio, variando no tempo.

 Imaginem agora que existam pulsos quadrados em um frequência de 20hz. A curva azul claro vai "seguir" a carga o tempo todo, ou seja teremos sempre o valor de pico da fonte e 0. Se fosse uma fonte chaveada ai é justificado o que o nosso amigo falou! Na hora que tivesse o pico a de corrente fonte queimaria, pois ela está "seguindo" a carga. A curva vermelha já não seguiria, antes de ela chegar ao valor "1" que está no gráfico o pulso teria acabado, tendo assim uma resposta parecida com um dente de serra (que no fundo são curvas exponenciais) e nunca chegaria no valor de pico, não necessitando o superdimensionamento da fonte.

 Para o sistema ficar parecido com o da curva vermelha, precisamos aumentar o valor do capacitor do secundário, obtendo esta curva.

Essas impressões eu fiquei maturando antes de escrever, não sei se a realidade é essa mesmo, já que na prática muitos detalhes mudam.


 Concordam? Discordam? Vou pesquisar mais e ver se é isso mesmo.


 Um abraço!

 Eduardo

[Eduardo]

Oi Ledod

Eu verifiquei este problema com o meu circuito flyback. O conceito está correto, mas simplesmente aumentar o capacitor pode trazer instabilidade ao sistema. É necessário colocar um indutor antes desta capacitor, criando um filtro LC capaz de bloquear completamente (entenda-se esse "completamente" sob a óptica de um engenheiro civil  ) a componente fundamental do chaveador. Desta forma a carga fica desacoplada do chaveador e a fonte só vai ter que atender o pico de corrente "possível" dentro da banda passante do amplificador. Fui claro?

Abraços

Eduardo

[a.sim]

Oi :

Ainda sobre o valor de pico para a potência. Já que a coisa enveredou pela Teoria de Controle, vamos ir mais a fundo !

O laço de realimentação que controla a tensão de saída das fontes chaveadas tem uma largura de banda entre 100 e 500 Hz tipicamente. Quando há variação de consumo nas saídas da fonte, o laço de realimentação corrige o ciclo ativo do transistor chaveador para que a tensão de saída permaneça constante. Essa é a função do laço de realimentação...

A corrente drenada por um estágio SE, por exemplo, a plena potência, varia entre " zero " e o dobro da corrente quiescente. Essa variação segue a frequência do sinal sendo amplificado que, vamos imaginar, seja senoidal. Sendo o sinal de alta frequência, além da largura de banda do laço de realimentação, esse não poderá seguir as variações de corrente e o ciclo ativo permanecerá constante, aparecendo um ripple na linha de alimentação. Quem controla a amplitude desse ripple são os capacitores de desacoplamento que existem na linha de +B.

Se o sinal amplificado é de baixa frequência, dentro da faixa de frequências em que o laço de realimentação consegue acompanhar, esse irá procurar manter a tensão de saída estável, a despeito das variações na carga. Com isso, o ciclo ativo da fonte vai ser ajustado a cada pulso de chaveamento do transistor chaveador, visando minimizar a variação na tensão de saída.

A corrente através do transistor chaveador é monitorada permanantemente pelo circuito de controle ( geralmente há um resistor de pequeno valor em série com o emissor ou fonte, que amostra a corrente no transistor ). Quando essa corrente ultrapassa um determinado limiar, alguma ação protetiva acontece - a fonte desliga, a tensão de saída cai, etc. Assim, toda vez que a potência instantânea à saída da fonte supera a potência nominal para a qual a fonte foi projetada, é de se esperar que alguma proteção na fonte seja ativada. Esse fenômeno é propenso a ocorrer quando tons graves são reproduzidos pelo amplificador, devido à grande amplitude e baixa frequência. Essa é a razão do porquê é necessário dimensionar uma fonte chaveada para a potência de pico de um amplificador, e, não, para a média.

[Ledod]

O laço de realimentação que controla a tensão de saída das fontes chaveadas tem uma largura de banda entre 100 e 500 Hz tipicamente. Quando há variação de consumo nas saídas da fonte, o laço de realimentação corrige o ciclo ativo do transistor chaveador para que a tensão de saída permaneça constante. Essa é a função do laço de realimentação...

 Exatamente !

A corrente drenada por um estágio SE, por exemplo, a plena potência, varia entre " zero " e o dobro da corrente quiescente. Essa variação segue a frequência do sinal sendo amplificado que, vamos imaginar, seja senoidal. Sendo o sinal de alta frequência, além da largura de banda do laço de realimentação, esse não poderá seguir as variações de corrente e o ciclo ativo permanecerá constante, aparecendo um ripple na linha de alimentação. Quem controla a amplitude desse ripple são os capacitores de desacoplamento que existem na linha de +B.

Se o sinal amplificado é de baixa frequência, dentro da faixa de frequências em que o laço de realimentação consegue acompanhar, esse irá procurar manter a tensão de saída estável, a despeito das variações na carga. Com isso, o ciclo ativo da fonte vai ser ajustado a cada pulso de chaveamento do transistor chaveador, visando minimizar a variação na tensão de saída.

 Sim, este é o ponto. A minha idéia seria aumentar o valor de capacitância da linha do B+ a fim do controlador não entrar na zona em que ele segue a variação da carga, justamente para evitar o valor de pico em baixas frequências. Quando houvesse necessidade de maior corrente ao circuito os capacitores irão descarregar pela carga e o controlador poderia carregá-los em um tempo muito maior (explicando porcamente, não é isso realmente o que acontece, mas é difícil explicar com palavras).

 Sempre existiria um ripple junto a alimentação, facilmente filtrado por um indutor ou capacitores de valor pequeno.

 A diferença maior é esta. Estamos alimentando um sistema com 300ma no máximo. Se fosse uma fonte de alta corrente não teria como mesmo, o controlador em baixas frequências iria entrar nesta zona de operação e aconteceria o que estamos comentando, ele seguir a variação da carga.

Não sei se é isto mesmo, mas vou pesquisar mais sobre o tema!


Um abraço!

Eduardo