TESLA II
First Smart Laboratory Source
(AC-DC Rectifier)

„Tesla II“ je prvi, moderni, pametni laboratorijski izvor (u daljnjem tekstu "ispravljač") s najvećom mogućom efektivnosti u radu. Radi na principu digitalne obrade signala. Kada na ispravljaču poželimo promijeniti napon iz 30V u 12V, okrenut ćemo potenciometar za određenu vrijednost, koju će procesor prepoznati kao razliku napona na svojim pinovima, te prema toj razlici napona izračunati dali treba promijeniti ulazni napon u ispravljač i postaviti digitalne potenciometre na nove vrijednosti. Transformator s više izlaza koristimo iz razloga istovremene dostupnosti više različitih napona i maksimalne efikasnosti uređaja. Kao što znamo, koeficijent zagrijavanja je jednak P_zagrijavanja = (U_ulazno - U_izlazno) x I_izlazno, a ukupna ulazna snaga ispravljača jednaka P_ulazno = P_izlazno + P_zagrijavanja.

Npr. želimo uključiti žarulju snage 100W napona 12V na regulirani izlaz. Postavimo napon izlaza na približno 12V. Obični ispravljač bi po gore navedenoj formuli imao

P_zagrijavanja = (30V - 12V) x 8.33A = 150W i P_ulazno = 100W + 150W = 250W

što je za jedan ispravljač nezamislivo veliko zagrijavanje. Tu se također javlja i problem odvođenja tako velike topline koju uzrokuje promjena napona u ispravljaču, te preopterećenje izlaza transformatora. Pametni ispravljač koristi transformator sa više izlaza, zbog povećanja efikasnosti. Npr. kada postavimo izlazni napon na reguliranom izlazu na 12V, ispravljač računa s kojeg ulaza treba dovesti napon na ulaz ispravljača, da bi na izlazu dobio što manju razliku tih napona. Tako da, ako postoji izlaz 12V sa transformatora, on će ga putem SSR releja dovesti na ulaz ispravljača. Po tablici koja je prethodno napisana u sustav, ispravljač će izračunati potreban otpor na ispravljaču te ga postaviti putem digitalnih potenciometara. Taj cijeli proces se odvija u max. 10ms. Tada prema formuli dobijemo:

P_zagrijavanja = (12V - 12V) x 8.33A = 0W i P_ulazno = 100W + 0W = 100W

To je u teoriji savršeni rezultat, nažalost u praksi ćemo ipak dobiti par wata zagrijavanja, što je višestruko manje od običnog ispravljača. Na takvom ispravljaču tada možemo dodatno opteretiti izlaze sa trošilima od još 150W jer izlazna snaga nije prešla dozvoljenu granicu. Takav ispravljač ima više prednosti i više mana. Prednost je naravno ušteda u rashladnim tijelima koja se koriste u ispravljaču, brzina postavljanja napona na izlazu, velika efikasnost u radu itd. Najveća mana mu je cijena izrade i vrijeme potrebno za programiranje. Također, takav ispravljač zahtjeva veliku količinu električnih i elektroničkih komponenti, pa je time sam po sebi puno teži.

Procesori koji se nalaze u ispravljaču su Atmel SAM3X8E ARM® Cortex-M3. Njihova brzina je 84MHz, bazirani su na 32-bitnoj arhitekturi, te pripadaju jednima od najbržih i najpouzdanijih mikroprocesora koji se trenutno nalaze na tržištu. Svaki od njih je u mogućnosti izvesti do 400 tisuća logičkih izračuna i operacija u jednoj sekundi. Razlog uporabe dva procesora je jednostavan: prvi i glavni procesor ima zadaću nadgledanja cijelog sustava, praćenje ulaza i izlaza ispravljača, postavljanje napona, izračunavanje efikasnosti, kalibraciju, korekciju napona, te slanje rezultata sa senzora drugom procesoru. Za to vrijeme drugi, sporedni procesor, ima zadaću prikazivanja rezultata izračuna koje dobije od prvog procesora na LCD ekranu, praćenju komandi sa dodirne površine, te njihovo izvršavanje. Zadaća prvog procesora – nadgledanje cijelog sustava – je svake sekunde oko 1 000 puta provjeriti sve senzore, te utvrditi dali u strujnom krugu postoje nepravilnosti.

Ispravljač ima mogućnost oponašanja FID-sklopke: Senzori koji se nalaze na izlazima ispravljača dojavljuju trenutnu struju koja protječe kroz njih. Ako procesor izračunava razliku tih struja i utvrdi da između njih postoji razlika, te ako je ta razlika veća od 30mA, ispravljač prekida dovod struje na određenom izlazu da bi spriječio oštećenje strujnog kruga spojenog na izlazu ispravljača. Na ekranu se zatim pojavljuje obavijest da je određeni izlaz isključen iz rada zbog probijanja od x mA. Korisnik zatim može odabrati dali želi ponovno uključiti izlaz i nastaviti sa Smart Sensing Mode radom ili Dummy Mode radom. Ukoliko korisnik odabere Smart Sensing mode, ispravljač ponovno uključuje zadani izlaz u rad, te ga ponovno prati i gasi u slučaju ponovnog proboja struje, a ukoliko se korisnik odluči za Dummy Mode, ispravljač prestaje često mjeriti struje na određenim izlazima te ih od tada mjeri rjeđe, te se samo brine da njihova snaga ne prelazi 250W. U slučaju da snaga izlaza preraste 250W, ispravljač prisilno isključuje sve izlaze na ispravljaču iz aktivnog rada, te korisniku javlja da je ispravljač prisilno zaustavljen zbog mogućnosti oštećenja elektroničkih komponenti.

Transformator koristi jednu toroidnu jezgru. Napon na primaru je oko 230V, dok su na sekundaru 3.3, 5, 9, 12, 13.8, 18, 24 i 30V. Na svakom izlazu je posebno limitirana struja protjecanja, tako da se snage izlaza ne zbrajaju, već se iz njih radi prosjek. Zamišljene struje na izlazima su u Tablici 1. Maksimalna snaga transformatora je 250VA. Izlazna snaga je zbroj snaga na svim izlazima koji su trenutno opterećeni. Zbog toga razloga, svi se izlazi mogu koristiti istovremeno. Naponi koji se mogu dobiti kombiniranjem napona na izlazima, nalaze se u Tablici 2.
Na taj način može se dobiti ukupno 30 različitih napona koji su nabrojeni u Tablici 3. Transformator će proizvesti tvrtka Trafo d.o.o.
*Napon 13.8V nije obavezan

Ispravljanje se vrši za svaki pojedini izlaz transformatora posebno putem „KBPC5010“ ispravljačkih spojeva karakteristike 50A 1000V sa aktivnim hlađenjem. Uz ispravljačke spojeve koriste se i elektrolitski kondenzatori visokog kapaciteta.

U ispravljaču bi se trebalo nalaziti između 20 i 30 SSR releja koji omogućuju iznimno brzo i potpuno tiho isključivanje strujnog kruga u slučaju kratkog spoja ili preopterećenja. SSR Releje proizvodi tvrtka Fotek.

Cijeli ispravljač nalazi se u aluminijskoj kutiji koju proizvodi engleska tvrtka Discount Devices Ltd. Veličina kutije nije unaprijed definirana, ali se procjenjuje na cca. 30x20x15cm.

Prednosti

Smart sensing mode

način rada u kojem sam ispravljač odlučuje kako će postaviti kombinacije ulaznih napona i otpora, koje na izlazu daju napon sa što manjom greškom i što većom preciznošću. Ispravljač također može sam mijenjati svoj software u svrhu kalibracije, veće preciznosti i efikasnosti sustava, u ovisnosti od podataka koje prikupi sa senzora. Ispravljač također prikuplja ogromnu količinu podataka, sprema ih i koristi u daljnjoj analizi. Ispravljač prati svaki izlaz, te ako utvrdi da snaga na izlazu može izazvati požar ili oštećenje strujnog kruga, ograničava struju koja protječe na izlazu ili ga prisilno isključuje. Isto tako, ako temperatura na bilo kojoj komponenti u ispravljaču preraste dopuštenu (koju korisnik sam definira u postavkama), ispravljač uključuje aktivno hlađenje. Ukoliko aktivno hlađenje nije dovoljno za odvodnju te količine topline koja se u ispravljaču stvara, izbacuje obavijest na ekran te obavještava korisnika da ukoliko temperatura nastavi rasti, dolazi do isključenja određenog izlaza iz rada. Na taj način ispravljač „štedi“ svoje komponente.

Dummy mode

način rada ispravljača gdje sam korisnik određuje parametre izlaznih veličina, ispravljač ne promatra snage pojedinih izlaza, već samo cjelokupnu potrošnju energije te neke bitnije procese i senzore

Blocking Mode

U oba iznad navedena načina rada, ispravljač prati temperaturu, te bez obzira na postavke koje definira korisnik, ako dođe do određene predefinirane temperature na bilo kojoj komponenti, ispravljač isključuje sve izlaze iz napajanja te ulazi u stanje blokade o kojem prethodno obavještava korisnika porukom na ekranu. To je stanje u kojemu na nijednom od izlaza ne postoji napon, ispravljač prestaje reagirati na dodire po ekranu, i bilokakve ostale faktore, dok se temperatura ne spusti na određenu predefiniranu razinu (uglavnom 5°C niže). Takvo stanje bi trebalo trajati najviše 2-3 minute pri aktivnom hlađenju. Tada se na ekranu pojavljuje nova obavijest koju korisnik mora potvrditi da bi nastavio s daljnjim radom. Ispravljač također u oba slučaja mjeri snage na svim izlazima, te bez prethodne obavijesti isključuje iz napajanja pojedine ili sve izlaze, ukoliko utvrdi da bi njihova snaga mogla oštetiti bilo koju komponentu. Korisnik tada također mora potvrditi obavijest te tek tada može nastaviti s radom.

Overload and short circuit protection

Ispravljač ima ugrađenu programsku zaštitu od preopterećenja i kratkog spoja. Zaštita se temelji na izračunavanju eksponencijalnog povećanja struje koju ispravljač automatski prepoznaje i blokira snagom svojih izlaza ili isključivanjem iz napajanja. Korisnik po potrebi može odrediti dali želi da ispravljač izbacuje izlaz iz napajanja što je prije moguće (čim detektira kratki spoj), nakon povećanja temperature iznad određene granice ili nakon određenog vremena. Bez obzira na te definirane postavke, ispravljač može izbaciti izlaz iz napajanja ukoliko postoji mogućnost za oštećenje bilo koje elektroničke komponente. Korisnik tada mora potvrditi obavijest te tek tada može nastaviti s radom. Ispravljač obavlja i funkcije strujne zaštitne sklopke (FID-ovke), u nekim slučajevima može biti i brži od nje (uobičajeno 20µs). Ukoliko ispravljač utvrdi da je razlika struje koja teče izlazima veća od 10mA (promjenjivo u postavkama), odmah isključuje izlaz na kojem se događa razlika struje, ukoliko može točno odrediti o kojem se izlazu radi; ukoliko ne može, isključuje sve izlaze.

Voltage drop protection

Ispravljač ima programsku zaštitu od pada napona prilikom visokog opterećenja izlaza ili kratkog spoja. Za korisnika to znači da ako izlazni napon postavi na precizno 12,000V da će napon ostati konstantan s obzirom na broj decimala koje sam definira (1 ili 2; za 1 od 11,9 do 12,1V, a za 2 od 11,99 do 12,01V); tj. Ako korisnik priključi trošilo od 200W, napon bi mogao pasti ispod 11,9V, ali ispravljač to sprječava tako da diže napon izlaza na određenu vrijednost, tako da izlazni napon ostane konstantan u cijelom radu. Nakon isključenja trošila, ispravljač vraća vrijednost napona na 12,000V ili najbližu moguću. Taj cijeli proces se odvija u pozadini ispravljača u max. 10ms. Korisnik tu mogućnost može isključiti u postavkama

*Precise current and voltage

Izlaz ispravljača je moguće namjestiti na preciznost do čak 2 decimale za napon i 3 decimale za struju (7,3mV za napon i 1,2mA za struju). Takvu preciznost je moguće izvesti samo na dva načina. Prvi je digitalno postavljanje napona i struje putem ekrana ispravljača, a drugi je postavljanje posebnim potenciometrom od 3600° zakretnog kuta. Takvim potenciometrom je moguće regulirati napon do najmanje moguće vrijednosti – 7,3mV (za područje od 1 do 30V ukupno je oko 4 000 mogućnosti; za 1mA do 10A ukupno 8 300 mogućnosti). Regulacija struje (ograničavanje struje) na izlazu štiti sklop od prevelike struje, ukoliko je to potrebno. Do tako velike preciznosti dolazimo digitalnim potenciometrima i DAC sklopovima. DAC (Digital to Analog Converter) sklopovi imaju vrlo visoku preciznost, koja u nekim slučajevima može iznositi i do 65 536 koraka (oko 20 000 koraka po voltu na ulazu ili 2180 k/V). Najčešće je nešto niža, poput 4 096 (1 200 k/V; 136 k/V) ili 16 384 (5 000 k/V; 545 k/V), ali može biti i do 262 144 koraka (79 400 k/V; 8735 k/V).

Primjeri DAC sklopova: TDA1543A (16-bit), PT8211-S (16-bit), PCM56P-K (16-bit), AD1856N-K (16-bit), AD1860N-K (18-bit)

Primjeri DCP sklopova: AD5231 (10-bit), MAX5481EUD+ (10-bit), MT-091 (10-bit)

Service Mode

Ukoliko ispravljač izračunima utvrdi da je neka od komponenata neispravna ili oštećena na način da može utjecati na stabilnost, efikasnost, ispravan rad, ili svojim radom izazvati oštećenje ostalih komponenti, ispravljač na ekran izbacuje obavijest da je potrebno napraviti servis te se potom potpuno isključuje te prelazi u stanje blokiranja. Stanje blokiranja će se automatski isključiti kada je kvar otklonjen. Ukoliko je oštećenje malo ili zanemarivo, u kutu se pojavljuje crveni trokut s uskličnikom te se pali indikatorska LED dioda za određeni dio ispravljača. Korisnik klikom na ikonu, korisnik može dobiti detaljan izvještaj o kvaru, ali ne može dalje koristiti ispravljač

Calibration Mode

Način rada koji korisnik sam pokreće ili ga ispravljač pokreće ukoliko utvrdi da se mora isključiti iz aktivnog rada da bi napravio novi izračun i kalibraciju, može zatražiti od korisnika ponovno pokretanje programa. Taj postupak omogućava ispravljaču da bude što precizniji i stabilniji u radu. Kalibracijski mod uključuje se prilikom svakog pokretanja ispravljača (npr. kao BIOS prilikom pokretanja PC-a)

*Oscilloscope

način rada koji omogućava korisniku da grafički prikaže izlazni napon ili napon po svojoj želji do 10MHz frekvencije u praksi (ili najviše 50MHz u teoriji)

*Function Generator

Generator funkcija sinusnih, trokutastih, pilastih i pravokutnih frekvencija do 25MHz (ili najviše 50MHz u teoriji) – preciznosti frekvencije do 0,0125 Hz (digitalnim putem). Radi na principu postavljanja triju parametara za određivanje oblika izlaznog napona - amplituda napona, frekvencija i širina pulsnog napona.

Dual CPU Multitasking System

Sustav koristi dva Atmel SAM3X8E ARM® Cortex-M3 mikroprocesora brzine 84MHz koji osiguravaju najbrže digitalno ispravljanje napona i konstantno nadgledanje svih procesa u sustavu. Takvi procesori se koriste iz razloga jer su vrlo brzi, imaju veliki broj priključnih mjesta, sposobni su raditi najsloženije logičke radnje više tisuća puta u jednoj sekundi, što korisniku omogućava da bez smetnje koristi sve raspoložive resurse koji se nalaze u sustavu. Uz to, sposobni su obavljati više desetina petlji u isto vrijeme korištenjem Multitasking funkcije. Na taj način je moguće istovremeno nadgledati rad sustava i obavljati logičke i matematičke izračune, bez straha da jedna petlja utječe na izvršavanje druge

Alternative: BeagleBone Black, Raspberry Pi B v2.0

Dual Channel regulation

U ispravljaču će se nalaziti dva regulirana ispravljačka kruga, jedan nezavisan od drugog. Njihovi izlazi će se moći zasebno regulirati - i strujni i naponski dio. Dva kanala regulacije koristimo iz razloga visoke isplativosti (sama cijena dodatnog ispravljačkog kruga je vrlo niska). Dodatan razlog je da su ispravljači sa dva zasebno regulirana izlaza konkurentniji na tržištu.

Multi-output transformer

Transformator s više izlaza koristi se iz dva temeljna razloga – što veće efikasnosti ispravljača u radu i istovremene dostupnosti više različitih napona. Kombinacijom napona na izlazu korisnik može dobiti još veću količinu različitih napona u isto vrijeme. Na taj način možemo postići što veću iskoristivost energije, ti umjesto na zagrijavanje, usmjeriti je na dostupnost korisniku

SSR Switching

U ispravljaču se nalaze Solid State Relay uređaji sa brzinom reagiranja između 10 i 100 µs što omogućuje rekordnu brzinu postavljanja zadanog napona na izlazu. Prijenos na releju se vrši optičkim putem što osigurava potpuno galvansko odvajanje primara od sekundara releja. Na taj način osiguravamo mikroprocesor od mogućih oštećenja. Također ih odlikuje tih i brzi rad

Solid Aluminium Polymer Capacitors

U ispravljaču se umjesto običnih elektrolitskih kondenzatora nalaze dugovječni Solid Aluminium Polymer kondenzatori. Njihov vijek trajanja je oko 50 000 radnih sati na temperaturi od 85°C. Uglavnom su rađeni od aluminija i polimera koji im omogućuju veliku pouzdanost, preciznost, sigurnost i produženi vijek trajanja do čak 5 puta.

5“ ili 7“ TFT LCD

Ekran dijagonale 5“ ili 7“ rezolucije 800x480px sa zaslonom osjetljivim na dodir, brzinom osvježavanja slike od 20ms omogućuje postavljanje svih postavki brzo i vizualno. Nažalost sam procesor nije u mogućnosti osvježavati sliku brže od 50ms. Izbornici i podizbornici na velikom ekranu su vrlo pregledni i korisnik sa lakoćom može doći do traženih podataka i postavki koje ga zanimaju. Sve postavke prije spremanja u memoriju, korisnik mora potvrditi. Veliki ekran osjetljiv na dodir se koristi jer uređaji s velikim ekranima daju dojam da je uređaj vrlo moćan

*SD Card slot

–Korisnik može u postavkama odabrati mogućnost snimanja log datoteka na SD karticu, ili snimanje signala koje pregledava putem osciloskopa.

*Software update

Ako korisnik prije uključivanja ispravljača u rad, umetne SD karticu ili USB memoriju na kojoj se nalazi predefinirani kod za ažuriranje programa, ispravljač će prilikom pokretanja upitati korisnika želi li nadograditi postojeću verziju programa na noviju, uz to će korisniku biti predstavljene sve prednosti (i mane) nadogradnje. Autor programa može uz prethodnu najavu zatražiti ažuriranje programa zbog prevencije štete, poboljšanja efikasnosti, novih mogućnosti, veće brzine i stabilnosti u roku 3 godine. Autor zadržava sva autorska prava na program te zabranjuje kopiranje i modificiranje istog bez prethodne konzultacije

*USB Hosting

Servis koji omogućava korisniku spajanje dodatnih uređaja poput flash memorija, tipkovnice ili miša (za sada bez detaljnijih opisa i uloge), te praćenje podataka na svome mobilnom telefonu ili računalu. Kasnije će biti dodana podrška za bežično upravljanje ispravljačem, praćenje cijelog sustava i mijenjanje postavki putem računala ili mobilnog uređaja Bluetooth-om ili USB-om

*Network Access (Internet Mode)

Način rada koji se samostalno uključuje prilikom priključenja mrežnog kabla u Ethernet port ispravljača. U gornjem lijevom uglu pojavljuje se ikona sa znakom interneta. Korisnik pritiskom na ikonu može dobiti informacije o trenutnom mrežnom stanju ispravljača. Tako je ispravljačem moguće upravljati preko interneta gotovo bilogdje u svijetu. Ispravljač se prilikom toga u pozadini spaja sa serverom i traži nove nadogradnje za software te izbacuje korisniku obavijest ako je pronađe. Ispravljačem je moguće upravljati preko glavnog servera bez obzira dali je on na privatnoj ili javnoj internetskoj liniji. Upravljanje se odvija u prividnom "realnom vremenu". Kasnije će biti dodane podrške za blokiranje ispravljača ukoliko su nadogradnje važne i korisnik ih odbija preuzeti, te za prijavom kvara koji kontaktira proizvođača i šalje mu detaljna izvješća o kvaru (ukoliko kvar postoji)

* - Funkcija koja ne mora nužno biti dodana prilikom izrade ispravljača, ali za nju mora biti osigurano mjesto u kutiji, ukoliko se bude naknadno dodavala

Mane

Cijena

Cijena izrade fizičkog dijela i komponenti se procjenjuje na oko 5000kn

Trajanje izrade

Vrijeme izrade procjenjuje se na 50-100 radnih sati za fizički dio, te dodatnih 100-200 sati za pisanje odgovarajućeg programa

Težina

oko 7kg, što je u odnosu na isti takav obični ispravljač cca. 4kg, skoro dvostruko više

Potrošnja struje u praznom hodu

oko 5 do 10W

Ideju za korištenje transformatora s više izlaza sam dobio kada mi je ponestalo priključnih mjesta na produžnome kablu. Tada mi je na pamet palo da ja istovremeno koristim 4 adaptera (ispravljača), čija ukupna snaga ne prelazi 50W. Zašto onda ne bih sva 4 adaptera stavio u 1, tako da oni ne zauzimaju 4 priključna mjesta, nego samo jedno. Tu se javio još jedan problem – sva 4 adaptera rade na različitom naponu. Adapter od 9V koristio sam za napajanje mrežnog usmjerivača, adapter od 12V za napajanje tipkovnice, adapter od 13.8V za napajanje radiostanice, a adapter od 18V za napajanje prijenosnog računala. Tada sam razmislio i došao na ideju kako bih mogao napraviti jedan ispravljač koji bi mi na izlazu davao sve potrebne napone koje trebam.

Tada sam jednog dana došao u školu, i vidio potpuno novi ispravljač kojemu je cijena bila oko 4500kn. Profesor ga je uključio i pokazivao nam kako na izlazu možemo dobiti bilo koji napon između 2V i 30V samo sa mijenjanjem otpora na potenciometrima. Takav ispravljač imao je 2 odvojena kanala, koji su proizvodili zvukove kada se radila regulacija napona. Ispostavilo se da su to releji koji škljocaju jer mijenjaju ulazni napon zbog veće efikasnosti. Tada sam dobio ideju da bih od transformatora koji ima više izlaza, mogao napraviti ispravljač koji bi sve te izlaze koristio da dobije određeni napon i što veću efikasnost.

Skice
Literatura i materijali
Nositelj projekta: Marko Vida ([email protected])
Ukupna vrijednost projekta: cca 5000,00kn (Cjenik komponenti)
Dostupnost: Nepoznato