Napajanje elektroničke mete

Prema sadašnjem modelu, elektronička meta mora imati dva izvora napajanja: 5 V / 3 A za napajanje lasera i 3,3 V / 0,5 A za napajanje detektorske elektronike. Realna potrošnja struje lasera ne prelazi 2,5 A na 5 V, dok je potrošnja struje ostale elektronike do 200 mA. Naravno da rezerva snage nikad nije na odmet tako da su ovdje zapravo navedeni minimalni zahtjevi.

S obzirom da elektronička meta mora raditi u terenskim uvjetima, napajanje mora biti baterijsko (akumulator).

Napajanje lasera

U dosadašnjim testovima našli smo optimum potrebne snage lasera kako bi prijenos energije na foto-diode uzrokovao dovoljnu foto-struju za sigurno prepoznavanje logičkih pragova uz optimalan anodni otpornik za zadržavanje visoke brzine odziva sustava. Također, snaga lasera mora uvelike nadvladati Sunčevo i druga tipična ambijentalna (umjetna) svjetla.

Veća snaga lasera znači bolju reakciju senzora, mogućnost boljeg razlučivanja ambijentalnog svjetla od laserskog svjetla, veću otpornost na pogreške u optičkom poravnanju, te veću otpornost na moguću prašinu i slične sjene koje mogu pasti na optičke senzore. S druge strane, veća snaga lasera znači veću potrošnju struje, veće zagrijavanje i manji životni vijek lasera.

Došli smo do rezultata kako je struja u rasponu 15-17 mA optimalna za postizanje dovoljne snage lasera. To znači da je ukupna potrošnja 128 lasera nešto preko 2 A, međutim, ovaj izračun treba uzeti s rezervom.

Testovi su pokazali da snaga lasera jako ovisi o temperaturi i pada za 1% sa svakim porastom temperature za 1°C. To znači da će kod viših radnih temperatura (preko 30°C) trebati i preko 2,5 A struje da se postigne dovoljna snaga lasera. Također, moguće je da će trebati i napajanje za neki sustav hlađenja lasera.

Ovo su svakako prilično velike potrošnje struje za baterijsko napajanje. Morati ćemo naći optimalan način napajanja (tip, napon i kapacitet baterije) za najbolju praktičnu primjenu.

Opcije napajanja lasera

Svakako je najlošija opcija lasere napajati nominalnim naponom od 5 V (na primjer preko akumulatora 6 V)  jer tu imamo kontinuiranu potrošnju struje od oko 2,5 A. Ako idemo na viši napon napajanja, trebamo razmotriti dvije opcije.

Prva opcija je kombinacija serijskog i paralelnog spajanja lasera. Uz napajanje od 12 V možemo po 4 lasera spojiti serijski (12:4=3 V), a zatim takve 32 serijske grupe spojiti paralelno. Ako uzmemo da je na 3 V potrošnja 2,5 A onda bi ovakvim spajanjem na 12 V napona kontinuirana potrošnja bila 0,63 A.

Međutim, serijsko spajanje lasera generira niz mogućih problema. Veliki problem mogu predstavljati međusobne minimalne razlike u električnim karakteristikama pojedinih lasera što može dovesti do nejednake raspodjele struje u serijskom krugu. To će rezultirati nejednakim jačinama svjetla kod pojedinih lasera. Također, ako jedan od lasera u serijskoj grupi otkaže to će utjecati i na ostala 3 lasera. Ovisno da li se kvar manifestira kao prekid ili kratki spoj, ostala tri lasera će se ugasiti ili moguće čak i pregorjeti.

Druga opcija je koristi napajanje od 12 V uz upotrebu DC-DC Buck (step-down) konvertera koji će napon sniziti na 3 V ili 5 V. Takvi konverteri imaju visoku učinkovitost (92% do 96%) i višak napona ne pretvaraju u toplinu nego u dodatnu struju.

Razlike u napajanju lasera sa 3 V i 5 V napona

Pad napona na laserskim diodama je tipično oko 2,15 V (17 mA) pa se čini da je bolje napajati lasere sa naponom primjerice 3 V umjesto 5 V jer će se tada manje snage trošiti na otpornicima za ograničenje struje (ukupno 16 mW umjesto 56 mW). Međutim, napajanjem od 5 V dobivamo neke dobre strane koje su povoljnije od neznatnog smanjenja rasipanja snage.

Kao prvo, utjecaj mogućih malih fluktuacija u visini (stabilnosti) napona napajanja će biti puno manje izražen na 5 V nego na 3 V. Naime, kod napajanja od 3 V napon na otporniku za ograničenje struje je 0,8 V dok je kod napajanja 5 V napon na otporniku 2,8 V. Napon 0,8 V je vrlo mali te će i vrlo mali poremećaj tog napona dovesti do velikih razlika u ograničenu struje. Taj poremećaj može nastati zbog malih nestabilnosti napona napajanja ili zbog minimalno različitih električnih karakteristika između pojedinih laserskih dioda. Iako je pad napona na laserskim diodama tipično 2,2 V on kod jeftinih dioda može varirati i do ±0,2 V.

U našem konkretnom slučaju ako napon napajanja padne za samo 0,2 V (sa 3 na 2,8 V) bilo zbog nestabilnosti napona ili različitog pada napona na diodama, onda će na otporniku napon pasti sa 0,8 na 0,6 V. To znači da otpornik od 43 Ω više neće propuštati struju od 18 mA, nego struju od samo od 14 mA, što čini ogromnu razliku u jačini laserske zrake. Ako pak napajamo sa 5 V napona, onda će napon pasti sa 2,8 V na 2,6 V što znači da će na otporniku 156 Ω ograničenje struje od 18 mA povećati na samo 16,6 mA što je puno manja razlika.

Bilo bi najbolje od recimo 200 lasera odabrati njih 128 koji imaju najsličnije karakteristike. Veći napon napajanja svakako pomaže da te razlike ne budu previše izražene. Također, pomoglo bi i struju podesiti što bliže 20 mA gdje već dolazi do zasićenja u intenzitetu svjetla i razlike od 2-3 mA nisu toliko izražene kao u području 10-17 mA. Međutim, veća struja opet znači i veću potrošnju.

Možemo spomenuti i da veći napon napajanja uz veći serijski otpornik teoretski pruža nešto brži odziv lasera (brzina paljenja i gašenja) jer se brže savladava parazitski kapacitet poluvodičkog spoja. Ova razlika je za naš slučaj zanemariva i nebitna (nama je bitan odziv foto-senzora), no čisto da ju spomenemo.

Odabir izvora napajanja (tipa baterije)

Za naš projekt uvijek tražimo najjeftinija rješenja koja dobro obavljaju funkciju, a to su onda glede napajanja svakako olovni akumulatori bez održavanja (GEL). Takvi akumulatori su robusni i najmanje osjetljivi na vanjske utjecaje te najbolje toleriraju napone i struje punjenja i pražnjenja. Također, akumulatori od 12 V su svuda dostupni za kupnju u puno različitih kapaciteta, tipova i oblika.

Olovne akumulatore od 12 V je najbolje koristiti u opsegu napona između 12,7 V (potpuno pun akumulator) i 12 V (najniži preporučeni napon pražnjenja), eventualno do 10,5 V kao apsolutni dozvoljeni minimum napona akumulatora. U kombinaciji sa DC-DC Step-down konverterom 12/5 V ovakav akumulator bi mogao napajati svu elektroniku mete. Ako uzmemo da potrošnja struje na 5 V iznosi 2,5 A onda bi preko DC-DC Step-down konvertera spojenog na prosječni napon 12 V (11,7 – 12,7 V) potrošnja bila oko 1,16 A (uz tipičnu učinkovitost DC-DC konvertera od 90%). To smo i provjerili u praksi i rezultati posve odgovaraju ovim brojkama.

Upotreba DC-DC Buck konvertera sa stabilnim izlazom od 5 V omogućava zapravo korištenje bilo kakvog izvora istosmjernog napona u širokom rasponu tipično 9-36 V. Mogu se bez problema koristiti akumulatori od 12 ili 24 V kao i sve druge vrste baterija napona većeg od 9 V. Takvi konverteri snage 5 W koštaju manje od 5 eura.

Kontrola stanja baterije     

Na našoj upravljačkoj MCU platformi moramo osigurati programski kod za daljinsko uključenje i isključenje laserske mreže tako da se baterije bespotrebno ne troše u vrijeme kada se ne vrši samo gađanje.

Također, ne bi bilo loše osigurati liniju za detekciju napona baterija (stanje istrošenosti). Ovime ćemo se baviti kada dođemo do faze programiranja našeg sustava.

Dodatne opcije kontrole napajanja lasera

Veliki problem sa napajanjem lasera, a koji je još u fazi traženja najboljeg rješenja, to je izravna ovisnost snage lasera o njegovoj temperaturi. Laserska dioda se ponaša praktično kao termistor i svaki stupanj promjene temperature rezultira promjenom snage laserske zrake za cca 1%. Čak i u idealnim uvjetima, grupa od 64 lasera će početnu „sobnu“ temperaturu zraka od 15°C za 15-30 minuta zagrijati na 33°C u neposrednom okruženju tijela lasera. To uzrokuje pad snage cca 20 % ili pad napona na foto-senzorima za preko 1 V. To je za digitalni sustav 3,3 V jako puno i može izazvati lažne detekcije promjena stanja.

Postoje tri načina rješenja ovog problem i svaki je u određenom dijelu problematičan za praktičnu izvedbu:

1. Automatsko povećanje struje lasera kako uslijed porasta temperature pada snaga lasera.
2. Automatsko povećanje napona na foto-senzorima kako raste temperature i pada snaga lasera.
3. Izvedba aktivnog hlađenja lasera (kontrola temperature).

Prva opcija je problematična jer se povećavam struje lasera dodatno povećava zagrijavanje. Zagrijavanjem se smanjuje životni vijek lasera, a nakon određene temperature oni postaju posve neučinkoviti. Druga opcija je problematična jer moramo unositi nove elemente u osjetljivi detektorski krug (virtualna masa sa regulacijom nivoa) čime se umanjuje postignuta stabilnost i brzina detektorskog kruga.

Treća opcija pak traži složena mehanička rješenja odvođenja topline uz upotrebu termo cijevi (Heat Pipe), pasivnih i aktivnih hladnjaka, Peltierovih elementa i drugih rješenja koja zahtijevaju prostor i dodatnu struju (pogotovo Peltier, najmanje 3-6 A). Najgore je što je potrebno postići ujednačeno zagrijavanje i hlađenje svih lasera, a ne možemo ih termički čvrsto spregnuti jer mora ostati mogućnost individualnog finog podešavanja svakog lasera.

Ovo je problem koji još uvijek rješavam. Svjetlosna zavjesa neće dobro funkcionirati ako se ne postigne dovoljno dobra termička sprega svih lasera, tako da se svi jednako zagrijavaju i hlade, čime će i sve optičke zrake imati jednaki odnos snaga.

Svakako je predviđeno da će napajanje za lasere imati digitalni potenciometar kojim će se moći ručno ili automatski regulirati snaga lasera. Time će se svjetlosna zavjesa moći prilagoditi različitim uvjetima gađanja. Za gađanje malim kalibrima (4,5 mm) snaga lasera će se smanjiti tako da prag okidanja foto-dioda bude što je moguće niži, zbog mogućnosti djelomične sjene na laserskim zrakama. Također, ako se na prozor senzora nataloži prašina, na primjer tijekom cjelodnevnog gađanja na otvorenom, može se snaga lasera digitalno pojačati kako bi se „probila“ ta prljavština.

Sustav će imati funkciju auto-kalibracije. MCU postepeno smanjuje struju lasera sve dok na jednoj optičkoj liniji napon ne padne na prag okidanja. Tada MCU pojača struju za 10 ili 15 % čime je svjetlosna zavjesa kalibrirana za najosjetljiviji i najbrži odziv.

Gotovi DC/DC konverteri

Pretražio sam kineske Internet trgovine i nisam našao gotovo rješenje DC/DC konvertera 12 V na 5 V sa digitalnim potenciometrom. Međutim, ima puno rješenja gotovih konvertera sa običnim (preciznim) potenciometrima za  regulaciju napona (CV) i regulaciju struje (CC). Cijene tih konvertera mogu biti vrlo slične, no shema i komponente na kojima se baziraju mogu biti posve različite. Naravno da nigdje nećete naći podatke na kojim čipovima se pojedini DC/DC konverter bazira. Time ne možete ocijeniti kvalitetu (učinkovitost) istih, a niti odabrati onaj kod kojeg će ugradnja digitalnog potenciometra biti najlakša.

Naručio sam tri DC/DC konvertera koji imaju gotovo iste specifikacije, no po izgledu se vidi da se baziraju na posve drugačijim čipovima. Ovi konverteri pretvaraju ulazni napon raspona 5-40 V u izlazni napon raspona 1,2-35 V. Ulazni napon, naravno mora uvijek biti za nekoliko volti veći od izlaznog napona (DC/DC step-down konverter). Snage su deklarirane na 300 W, odnosno maksimalne struje na 9 A.

Konverter sa XL4016E1

Ovaj konverter se bazira na čipu XL4016E1 (Buck DC/DC konverter), MBR 20100CT (dvostruka Schottky dioda snage), 7805 (regulator napona) i komponenti u SOIC-8 kućištu bez oznaka. Konverter ima CC i CV potenciometar.

XL4016 je regulator napona s fiksnom frekvencijom od 180 kHz koji radi na principu pulsno-širinske modulacije (PWM). Može isporučiti do 8A (neki podaci navode i do 12A pod određenim uvjetima) kontinuirane struje s učinkovitošću do 96%.

MBR20100 je dvostruka Schottky ispravljačka dioda (20A, 100V) u konfiguraciji sa zajedničkim katodama. U buck pretvaračima služi kao “freewheeling” ili catch dioda koja omogućuje protok struje kroz induktivitet kada je unutarnji prekidač XL4016 isključen.

Komponenta u neoznačenom SOIC-8 kućištu je gotovo uvijek operacijsko pojačalo (LM358 ili slično) koje služi za kontrolu ograničenja maksimalne struje (CC) s obzirom da sam čip XL4016 izvorno ima samo kontrolu napona (CV) i osnovnu unutarnju zaštitu od strujnog preopterećenja. Operacijsko pojačalo prati napon na strujnom shuntu, pojačava ga i tim naponom djeluje na povratnu vezu čipa XL4016 isto kao i CV kontrola.

Konverter sa LM5116

Ovaj konverter se bazira na čipu LM5116 (sinkroni Buck kontroler), HY 8290 (N-MOSFET), HY 8290 (N-MOSFET), LM321 (operacijsko pojačalo). Konverter ima CC i CV potenciometar.

Ovaj konverter je znatno moderniji i učinkovitiji dizajn od prethodnog. Za razliku od prvog koji koristi integrirani regulator, ovaj se temelji na sinkronom principu (LM5116 – Synchronous Buck Controller) s vanjskim MOSFET-ima. Radi na visokom ulaznom naponu (do 100V) i koristi sinkrono ispravljanje, što znači da umjesto diode (poput MBR20100) koristi drugi MOSFET kako bi se značajno smanjili gubici energije.

Dva MOSFET-a HY8290 služe kao sklopka. Jedan je High-side (glavni prekidač), a drugi Low-side (sinkroni ispravljač). Specifikacije su im prilično visoke: radni napon do 80 V i struja do 94 A, što omogućuje modulu stabilan rad do 20 A uz dobro hlađenje.

Operacijsko pojačalo LM321 i ovdje ima ulogu precizne regulacije struje (CC). Ono pojačava mali napon uzet s mjernog otpornika (shunta) i šalje povratnu informaciju kontroleru LM5116 kako bi ograničio struju prema postavci na potenciometru.

Prednosti ovog dizajna u odnosu na XL4016 su veća učinkovitost zahvaljujući sinkronom ispravljanju (MOSFET umjesto diode), širi raspon napona (do 60 V) i veća stabilnost (Current Mode Control).

Na ovom modulu se nalazi i mali prekidač koji služi za potpuno gašenje izlaza bez odspajanja ulaza, koristeći Enable (EN) pin na LM5116 kontroleru.

Konverter sa tri N-MOSFETa

Ovaj konverter se bazira na RU75N08R (N-MOSFET), RU75N08R (N-MOSFET), HY1707 (N-MOSFET), tri komponente bez oznaka u SOIC-8 (x2) i SOIC-16 kućištu. Konverter ima samo CV potenciometar.

Ovaj model nema CC potenciometar što znači da je optimiziran za visoku vršnu struju i stabilnost napona, a ne za precizno ograničavanje struje.

RU75N08R (Ruichips) su vrlo snažni MOSFET-i deklarirani za 80V i struju do 75A. Kad se nalaze u paru obično dijele opterećenje ili rade u sinkronom ispravljanju. HY1707 (Huayi) je  MOSFET deklariran za radni napon od 75V i struju od 80A. Njegova prisutnost uz RU75N08R sugerira da jedan tip služi kao glavni prekidač, a drugi za zaštitu od povratnog polariteta ili kao dio sinkronog ispravljača.

Od tri čipa bez oznaka jedan je vjerojatno  glavni kontroler  (SOIC-16), obično TL494 ili SG3525. To su klasični PWM kontroleri koji upravljaju MOSFET-ima. TL494 je standard za snažnije konvertere jer ima dva interna operacijska pojačala (iako se ovdje koristi samo jedno za napon, dok je drugo vjerojatno fiksirano na maksimalnu struju kao zaštita).

Budući da snažni MOSFET-i poput RU75N08R imaju veliki ulazni kapacitet, PWM kontroler ih ne može direktno okidati. Dva čipa u SOIC-8 kućištu su vjerojatno Gate Driveri (npr. IR2101, IR2110 ili kineski ekvivalenti) koji pojačavaju signal iz SOIC-16 čipa kako bi brzo i učinkovito otvarali/zatvarali MOSFET-e.

Na pločici se jasno vide dva shunt otpornika (R010 – 10 mΩ) spojena paralelno što znači da je ukupni otpor shunta samo 5 mΩ (0,005 Ω). To potvrđuje da je ovaj modul dizajniran za vrlo velike struje, vjerojatno u rangu od 15A do 20A ili više. Iako modul nema potenciometar za CC (konstantnu struju), ti shuntevi služe za fiksnu strujnu zaštitu (OCP – Overcurrent Protection).

Modul je stoga prikladan za napajanje snažnih potrošača koji pri pokretanju povuku puno struje (npr. motori, jača LED rasvjeta, audio pojačala). SOIC-16 kontroler (vjerojatno TL494) mjeri pad napona na shuntevima. Ako struja prijeđe tvornički definiranu granicu (npr. 20A ili 25A), kontroler će naglo smanjiti PWM signal ili potpuno isključiti MOSFET-e kako bi spriječio pregaranje. U ovoj konfiguraciji, jedan od ta dva SOIC-8 čipa bi mogao biti i operacijsko pojačalo koje pojačava napon sa shunta za glavni kontroler, dok je drugi dual gate driver za upravljanje RU75N08R MOSFET-ima.

Odabir konvertera

Kontroler sa XL4016 je jeftino rješenje sa „sve-u-jednom“ čipu do struja maksimalno 8 A. Ovo vjerojatno neće biti izbor za moj projekt. Kontroler sa LM5116 nudi modernu visoku učinkovitost, sinkroni rad, čist i stabilan izlaz te izvrsnu CC/CV kontrolu. Ovo je svakako prvi izbor. Kontroler sa RU75N08R/HY1707 je primarno dizajniran za veće struje od XL4016 ali uz manje preciznosti u kontroli struje nego kod LM5116 modula.

LM5116 modul je stoga uvjerljivo najbolji kandidat za modifikaciju s digitalnim potenciometrom TPL0501.

Kontrola struje (CC) ili kontrola napona (CV)

DC/DC konverter sa LM5116 ima mogućnost ograničenja struje (CC) ili napona (CV). Koju regulaciju odabrati za našu primjenu?

Za pojedinačni laser svakako se bolja regulacija snage postiže ograničenjem struje (CC) lasera. Međutim, za naš sustav od 128 neovisno kalibriranih grana, najbolji i najstabilniji način za ukupnu regulaciju snage je smanjenje (regulacija) napona (CV).

Naime, ako bi pokušao koristiti jedan glavni limiter struje za cijeli sustav, izgubio bi sav trud uložen u pojedinačno podešavanje struje svakog lasera potenciometrima. Na primjer, ograničim struju na 2 A i ta struja se raspodijeli na 128 grana. Čim se jedan laser zagrije malo više od ostalih, njegov unutarnji otpor pada. Budući da je izvor strujni, on će tom laseru čiji je otpor pao dati više struje nego ostalima. Više struje znači još više zagrijavanja, još manji otpor te još više struje. Taj laser bi počeo uzimati sve veći dio raspoložive ukupne struje, dok bi ostali laseri dobivali sve manje preostale struje i snaga bi im počela padati.

U sustavu s ograničenom strujom, ako se ukupna struja smanji, snaga lasera sa različitim unutrašnjim otporom (računajući i otpor podešenih potenciometara) bi se različito mijenjala. Omjer prvotno podešenih snaga bi se potpuno poremetio.

Najgori slučaj bi se dogodio da neki laser pregori (beskonačni otpor) ili ode u kratki spoj. CC sustav će i dalje na preostale lasere rasporediti podešenih 2 A, odnosno višak ili manjak struje zbog neispravnog lasera automatski će se rasporediti na sve ostale lasere. Ako bi otkazalo više lasera, preostali bi počeli dobivati preveliku struju i jedan po jedan bi počeli pregarati jer bi svaki idući dobivao sve više i više struje.

S druge strane kod naponske regulacije, budući da svaki laser ima svoj serijski otpor (91 Ω + potenciometar 200 Ω), on se ponaša kao lokalni regulator struje. Ako primjerice smanjim glavni napon s 5 V na npr. 4,5 V napon će pasti proporcionalno i jednako na svim granama. Pošto su otpornici na svakoj grani i dalje jednako podešeni, omjeri snage koji su njima podešeni ostat će (približno) očuvani. Nema međusobnog utjecaja jer svaki laser i dalje “vidi” samo svoj otpor i stabilan (iako niži) napon. Budući da je otpornik linearan i čini glavni dio ukupnog otpora, on linearno smanjuje struju kroz granu, što uzrokuje da svi laseri padnu u snazi podjednako, zadržavajući međusobne omjere podešene potenciometrima. Čak i ako se jedan laser zagrije više od drugih, dominantni fiksni otpornik u seriji sprječava da struja u toj grani “pobjegne” previše i nema rizika da jedan laser “pojede” struju ostalima.

Jedina stvar na koju moram paziti pri smanjivanju napona je da napon ne padne ispod napona praga lasera, što bi uz uračunate otpornike bilo ispod 3,5 V. Testovi su pokazali da pad napona za naše potrebe regulacije ne mora biti ispod 4 V.

DC/DC konverter sa LM5116

Da bi spojili digitalni potenciometar tako da vrši regulaciju napona u rasponu 4-5 V potrebno je vidjeti koji su uopće otpornici ugrađeni u povratni regulacijski krug na modulu LM5116 i kako izvesti taj djelitelj napona za naše potrebe. Naime, digitalni potenciometar TPL0501 ima samo 256 razina promjene otpora i sve te razine je potrebno iskoristiti za opseg 4-5 V. Time se dobiva teoretska finoća koraka od 4 mV. Svakako nije dobro jednostavno zamijeniti postojeći mehanički potenciometar digitalnim (iako su oba 100 kΩ) jer je onda regulacija napona opsega oko 33 V što korak regulacije povećava na 130 mV.

Stoga ovdje opet moramo izvesti osnovnu shemu kineskog DC/DC modula što je vrlo teško sa ovakve pločice.

Osnovna shema LM5116 iz tvorničke dokumentacije. 

Naponska kontrola (CV)

Naponska kontrola (CV) je izvedena kao što je to opisano u tvorničkim specifikacijama. U djelitelju napona za povratnu regulaciju (pin-8 FB) stavljen je potenciometar od 100 kΩ i otpornik od 3,9 kΩ. Standardni izračun za LM5116 na FB pinu s tim vrijednostima otpornika daje teoretski maksimum od oko 32 V, što se poklapa s deklaracijom modula.

Strujna kontrola (CC)

Nigdje u dokumentacijama za LM5116 nisam našao primjer proširenja sheme na strujnu kontrolu (CC). Zanimalo me kako to radi, pa sam nacrtao i taj dio sheme. Lijepo se može vidjeti kako je izlaz operacijskog pojačala preko diode također spojen na FB pin čipa LM5116.

Modifikacija sa dodatkom CC kontrole na kineskom modulu.

Čip na FB pinu pokušava održavati stalan napon od 1,215 V. Djelitelj napona za CV mora na pin isporučiti točno 1,215 V kako bi regulacija bila mirna (neaktivna). Ako se izlazni napon poveća, povećati će se napon na djelitelju napona, a time i napon na pinu FB. Unutar čipa LM5116 nalazi se pojačalo pogreške koje uspoređuje napon na FB pinu sa svojom internom stabilnom referencom od 1,215 V. Ako čip vidi da je napon previsok, smanjuje izlazni napon sve dok se i posljedično napon na FB ne smanji na referentnih 1,215 V.

Strujna regulacija preko izlaza operacijskog pojačala i diode jednako djeluje na FB pin čipa LM5116 kao i naponska regulacija. Idemo redom. U negativnu granu napajanja stavljen je shunt od 4 mΩ koji stvara određeni napon (ovisno o jačini struje) na neinvertirajućem ulazu operacijskog pojačala. Primjerice pri struji od 1 A na shuntu od 4 mΩ stvara pad napona od 4 mV. To je vrlo mali napon pa je potrebno veliko pojačanje (nekoliko stotina puta) kako bi se dostiglo referentnih 1,215 V za čip LM5116, odnosno kako bi izlazni napon bio dovoljno visok da preko diode (dodatni pad napona) nadvlada CV granu od 1,215 V na FB pinu. Veliki otpornici (1 MΩ) u povratnoj vezi pojačala potvrđuju veliko pojačanje LM321.

Kada je dakle napon reguliran, na FB pinu je referentnih 1,215 V preko CV djelitelja napona. Ako sada dođe do prekoračenja struje, operacijsko pojačalo mora na FB pin isporučiti napon veći od 1,215 V kako bi se pokrenula regulacija, smanjio napon, i time ograničila visina struje. S obzirom na smjer polarizacije diode, struja može teći samo od izlaza operacijskog pojačala prema FB pinu. Time je spriječeno „miješanje“ regulacijskih napona (napona greške) sa CV i CC kruga. Ova dva napona na zajedničkoj FB točci funkcioniraju kao svojevrsni „analogni OR“ gdje je viši napon uvijek dominantan. Dioda je ovdje vrlo bitna jer sprječava direktni sukob CV i CC napona. Ako je CV napon veći, dioda je zatvorena i CC krug nema utjecaj na FB pin. Ako struja poraste previše, operacijsko pojačalo poveća napon iznad CV napona, dioda se otvori i CC napon kontrolira FB pin. U CC modu napon iz CC kruga mora biti veći od napona CV kruga (1,215 V) plus pad napona na diodi (0,2 V za Schottky do 0,7 V za obične silicijske diode).

Što bi mogao biti problem sa ovim dodatnim CC krugom?

Kombinacija vrlo malog napona na shuntu i jeftinog operacijskog pojačala LM321 natjeranog da radi na velikom pojačanju nije baš najbolja kombinacija za stabilnost. Ovdje čak i najmanji termički drift ili šum na masi može uzrokovati promjenu struje ili još gore, nestabilnost izlazne struje.

Isto tako, ne sviđa mi se ni shunt u negativnoj grani. Iako je 4 mΩ malo, na ukupnoj struji od npr. 2,5 A (za 128 lasera), taj shunt uzrokuje pad od 10 mV. Što je još važnije, taj pad napona nije fiksan. On varira kako se laseri pale, gase ili griju. Budući da je shunt u negativnoj grani, on zapravo uzrokuje da “masa” napajanja lasera “pliva” u odnosu na masu ulaznog napajanja. U konačnici, LM5116 regulira napon u odnosu na svoj AGND pin. Ako između mase lasera i AGND pina stoji shunt koji stalno mijenja pad napona ovisno o opterećenju, onda ni CV regulacija neće biti savršeno mirna.

Ovaj krug je svakako vrlo osjetljiv na šum i možda ga je bolje isključiti (odlemiti diodu) jer nama nije neophodan. Iako za napajanje lasera nije potreban posve čist napon, činjenica je da ovaj jeftini dodatak za regulaciju struje može više smetati nego koristiti. Kineze ova modifikacija nije puno koštala i bolje prodaje module, no sasvim sigurno ovo nije baš najstabilnija ni najčišća izvedba CC kontrole i zapravo je upitno kako radi u praksi.

Digitalni potenciometar TPL0501 (100 kΩ)

Cilj nam je dakle zamijeniti naponski (CV) mehanički potenciometar na DC/DC modulu LM5116 sa digitalnim potenciometrom TPL0501 (100 kΩ).

Digitalni potenciometar TPL0501 i magnetski izolator ADuM1201.

Napajanje digitalnog potenciometra

TPL0501 radi na naponima u rasponu 2,7V do 5,5V. Stoga napon napajanja i napon na terminalima digitalnog potenciometra (A, B, W) ne smije preći 5,5 V.

Na našem modulu operacijsko pojačalo LM321 je spojeno na napajanje preko malog regulatora 5 V u SOT-23 SMD kućištu. Takav regulator podnosi struje do 100 mA i možemo ga iskoristiti i za napajanje digitalnog potenciometra.

Digitalni potenciometar TPL0501 je izuzetno štedljiv (CMOS tehnologija). Njegova radna struja (quiescent current) iznosi svega oko 35–60 µA (mikroampera) tijekom komunikacije, a u stanju mirovanja i manje. Budući da je digitalni potenciometar otpora 100 kΩ, struja koja teče kroz sam otporni element (od pina A do pina B) pri naponu od 5 V iznosi samo 0,05 mA. Čak i sa LM321 (koji troši oko 0,5-1 mA) ukupna struja kroz regulator će biti ispod 2 mA.

Međutim, iako je struja mala, regulator mora razliku napona pretvoriti u toplinu. S obzirom da je napajanje DC/DC modula preko akumulatora (13,5 V) uz izlazni napon 5 V razlika napona je 8,5 V, što znači da će disipacija topline biti 17 mW. Ovo je zanemarivo zagrijavanje za SOT-23 kućište koje podnosi tipično  250-350 mW.

Proračun regulacijskog CV kruga za digitalni potenciometar

U originalnoj izvedbi djelitelj napona čini potenciometar od 100 kΩ i fiksni otpornik od 3,9 kΩ prema masi. Da ne kompliciram preinaku, ostaviti ću otpornik od 3,9 kΩ.

Sada umjesto mehaničkog potenciometra moram ugraditi digitalni potenciometar, međutim, napon regulacije mora biti sveden na opseg cca 4-5 V. To znači da potenciometru moram dodati serijski otpornik koji određuje minimalni napon regulacije (4 V) i paralelni otpornik kako bi se raspon od 100 kΩ sveo na raspon potreban za regulaciju do 5 V.

Prema formuli za regulacijski krug LM5116, uz otpornik od 3,9 kΩ prema masi, da bi regulacija bila u opsegu 4-5 V „gornji“ otpornik u djelitelju napona mora imati vrijednosti 8,95 kΩ (4 V) – 12,15 kΩ (5 V). Treba nam dakle fiksni otpornik vrijednosti najbliže 8,95 kΩ koji će najmanji napon ograničiti na 4 V (8,2 kΩ ili 9,1 kΩ) i serijski njemu potenciometar koji će imati raspon od preostalih cca 3 kΩ koliko je potrebno do 12,15 kΩ. Da bi se otpor potenciometra od 100 kΩ sveo na 3 kΩ, potrebno mu je paralelno dodati otpornik od 3,3 kΩ ili 3,9 kΩ.

Kada je TPL0501 na 0 Ω ukupni otpor je samo serijski otpor 9,1 kΩ te je napon 4 V. Kad je TPL0501 na 100 Ω ukupni otpor je 9,1 kΩ + 3,8 kΩ (paralelni spoj 100 kΩ i 3,9 kΩ), dakle oko 12,8 kΩ što odgovara naponu regulacije od 5,2 V.

Očekivani praktični problemi

Naravno, u praksi stvari nisu tako idealne. Čak i na nultom koraku, digitalni potenciometar uvijek ima neki mali otpor između klizača i terminala koji iznosi tipično 25 do 100 Ω. Iako je deklariran kao linearan, digitalni potenciometar na krajevima skale (blizu 0 i 255) pokazuje neko nelinearno odstupanje. Na izlazni otpor u određenoj mjeri utječe temperatura i frekvencija na kojoj čip radi. Također, TPL0501 ima toleranciju od čak ±20% na ukupni otpor (100 kΩ) tako da teoretski izračun nikad neće biti posve točan.

U našem slučaju tu je i utjecaj paralelnog otpornika koji po definiciji pretvara linearni potenciometar u nelinearni, odnosno odziv postaje sličan logaritamskom. Na početku skale (mali otpor), koraci će uzrokovati velike skokove napona. Na kraju skale (veliki otpor), koraci će postati jako sitni i gotovo neprimjetni. Ovo je vjerojatno najveći problem čitave zamjene.

Rješavanje problema prilagodbe otpora digitalnog potenciometra

Ako želimo zadržati linearnost i neovisnost o toleranciji 100 kΩ digitalnog otpora, umjesto da mijenjamo otpor u djelitelju, možemo iskoristiti TPL0501 na sličan način kako radi CC krug kojeg smo gore opisali.

Digitalni potenciometar u tom slučaju koristimo kao obični djelitelj napona sa nekim referentnim naponom, na primjer 3,3 V koji koristimo i za napajanje digitalnog potenciometra. Tu onda nema problema sa vrijednosti potenciometra i tolerancijama, a promjena napona će biti posve linearna. Napon sa digitalnog potenciometra jednostavno preko diode dovodimo na FB pin čipa LM5116. Mehaničkim potenciometrom ograničimo maksimalan napon (npr. 5,2 V), a TPL0501 će svojim naponom moći samo za određenu vrijednost smanjiti taj napon (npr. do 4 V) kada napon iz TPL0501 za određenu vrijednost premaši 1,215 V (plus pad napona na diodi). FB pin uvijek reagira samo na viši napon i to tako da smanjuje izlazni napon.

U ovom slučaju možemo iskoristiti postojeću diodu na pločici, međutim, možemo zapravo iskoristiti i cijelo operacijsko pojačalo. Razlika je što će umjesto strujnog shunta napon na ulazu davati digitalni potenciometar, a pojačalo više ne treba pojačanje nego radi kao buffer. Time su izbačena dva kritična i nestabilna elementa iz kruga, shunt i veliko pojačanje.

Osim ova dva rješenja, postoji još jedno, koje je možda i još bolje. Digitalni potenciometar neće davati napon greške, nego će ubrizgavati struju greške. On je jednako kao i prijem spojen kao djelitelj napona sa referentnim naponom 3,3 V. Međutim, klizač nije spojen preko diode na FB pin, nego preko otpornika. Promjenom napona na klizaču, na FB pin se dodaje malo struje.

U takvom sustavu, ubrizgavanje struje u FB pin opet može samo smanjiti izlazni napon s postavljenih 5,2 V prema nižem (npr. ciljanih 4 V). Povećanjem struje na FB pinu, LM5116 misli da je izlazni napon povećan pa ga zato smanjuje. Da bi na isti način LM5116 mislio da je napon smanjen i treba ga povećati, morali sa FB pina preko otpornika dio struje propuštati na masu.

Serijski otpornik između klizača digitalnog potenciometra i FB pina ključan je element koji određuje koliki će biti pad napona i ovo treba dobro izračunati.

Kako izračunati serijski otpornik?

Kada se digitalni potenciometar postavi na 0 V (Wiper na Ground), on praktički ne ubrizgava nikakvu struju. U tom stanju, pomoću mehaničkog 100 kΩ trimera na modulu namjestimo maksimalni izlazni napon, recimo 5,2 V. To je polazna točka i odavde napon može ići samo prema dolje.

Budući da je trimer od 100 kΩ namješten na 5,2 V (uz donji otpornik od 3,9 kΩ), on se onda nalazi na otprilike 12,8 kΩ (prema formuli za LM5116). Da bi se spustio napon za 1,2 V pomoću digitalnog potenciometra, treba se “ubrizgati” struja koja će na tih 12,8 kΩ stvoriti pad napona od 1,2 V. Ta struja je oko 93 µA (1,2 / 12800).

Digitalni potenciometar (TPL0501) na svom izlazu (klizaču) daje maksimalno 3,3 V. FB pin na koji se šalje struja je fiksno na 1,215 V. Dakle, napon koji “gura” struju kroz serijski otpornik je razlika ta dva napona: 3,3 V – 1,215 V = 2,085 V.

Sada kada znamo da na otporniku imamo pad napona od 2,085 V, a želimo da kroz njega teče struja od 93 µA, opet koristimo Ohmov zakon: 2,085 V / 93 µA = 22,4 kΩ.

To znači da bi za naš specifični slučaj na klizaču digitalnog potenciometra trebao biti serijski otpornik od 22 kΩ.

Koji je od ova tri načina bolji?

U prva dva slučaja moraju se koristiti diode, a za diode već znamo dva osnovna problema: nelinearnost i temperaturna ovisnost. Dioda ima svoj prag provođenja (cca 0,6 V) i eksponencijalnu karakteristiku. Regulacija će biti “mrtva” dok se ne prijeđe prag vođenja, a zatim će slijediti nagla reakcija. Pad napona na diodi također jako ovisi o temperaturi. Kako se unutrašnjost mete grije, kalibracija snage lasera može početi “šetati”, što svakako pokušavam izbjeći.

Čak i ako koristim postojeći LM321 da izoliram napon s potenciometra prije diode (buffer), to rješava problem impedancije, međutim dioda na izlazu i dalje unosi nelinearnost i temperaturni drift. Osim toga, LM321 je relativno sporo pojačalo i može uzrokovati nestabilnost kod brze promjene FB napona. Općenito gledano, uvođenje još jednog aktivnog elementa u povratnu vezu LM5116 može uzrokovati više problema nego koristi.

Treći način (injekcija struje preko otpornika) je ovdje najčišći način upravljanja naponom greške. Ovaj sustav bi trebao biti puno stabilniji, linearniji i precizniji od rješenja sa diodama. Svejedno, ima prostora za poboljšanje i ovog sustava.

Mi smo proračun serijskog otpornika na klizaču digitalnog potenciometra napravili na osnovu postojećih otpornika u djelitelju napona za CV regulaciju: 100 kΩ trimer (podešen na 12,8 kΩ) i fiksni otpornik od 3,9 kΩ. Zbog malog otpora trimera, serijski otpornik ima relativno malu vrijednost od 22 kΩ. Bolje bi bilo kad bi taj otpornik bio što veći.

Naime, FB pin čipa LM5116 je ulaz visoke impedancije i on je stoga osjetljiv i na vrlo slabe signale (šumove). Digitalni potenciometar (TPL0501) tijekom rada stalno komunicira preko SPI sabirnice, što stvara digitalni šum. Mali serijski otpornik lakše propušta taj visokofrekventni šum izravno u regulaciju napona. To može uzrokovati sitno “podrhtavanje” izlaznog napona. Veći otpornik (preko 100 kΩ) pak djeluje kao snažan filtar. On u kombinaciji s parazitskim kapacitetom FB pina guši digitalni šum prije nego što on stigne utjecati na regulaciju.

Također, u slučaju kvara na glavnom DC/DC regulatoru ili nekog proboja napona visoki otpornik je sigurnija brana koja sprječava da veća struja “procuri” natrag prema digitalnom potenciometru, sabirnici i dalje na mikrokontroler. Veći otpornik dakle služi i kao strujni limitator koji štiti digitalnu elektroniku.

Regulacija injekcijom struje i novi proračun serijskog otpornika

Trenutni odnos otpora u CV djelitelju napona je 12,8 kΩ / 3,9 kΩ (omjer 3,3:1). Možemo povećati vrijednosti ovih otpornika tako da zadržimo isti omjer, na primjer na 33 kΩ / 10 kΩ.

Sada je potrebna struja oko 36 µA (1,2 / 33000) iz čega proizlazi da je potreban serijski otpornik od oko 57 kΩ (standardne vrijednosti 56 kΩ ili 62 kΩ).

Da li ići na još veći otpor?

Teoretski bi povećanjem serijskog otpornika povećali otpornost na digitalni šum i visoke struje, kako smo gore i opisali. Ako želimo veći serijski otpornik, moramo smanjiti struju kroz njega (Ohmov zakon). Ipak, smanjenje struje i povećanje otpora ne može ići unedogled jer počinju biti sve izraženiji drugi problemi.

Struja od 36 µA, koju smo dobili zadnjim proračunom, je u svijetu analogne elektronike još uvijek dovoljne jačine za signal povratne veze. Iako se čini malom, ona je oko 360 puta veća od struje curenja (bias current) samog FB pina čipa LM5116 (koja iznosi oko 100 nA). Međutim, ako idem dalje na smanjenje struje, onda regulacijska linija postaje sve osjetljivija na parazitske otpore. Svaka promjena vlage ili nečistoća na tiskanoj pločici mogla bi stvoriti parazitski otpor koji bi počeo “vući” dio te male struje, što bi ti uzrokovalo drift napona lasera.

Što se tiče otpornika, u elektronici vrijedi pravilo: veći otpor = veći termički šum (Johnsonov šum), kao i veća osjetljivost na okolni elektromagnetski šum (EMI). Ako previše povećam otpornik, onda se linija od digitalnog potenciometra do FB pina počinje ponašati kao “antena” koja može pokupiti smetnje od prekidačkih tranzistora samog Buck konvertera. Također, preveliki otpor u kombinaciji s parazitskim kapacitetom FB pina stvara filtar koji bi mogao usporiti reakciju napajanja na brze promjene opterećenja (iako je to kod lasera koji rade stalno manje bitno).

Vrijednost serijskog otpornika od 56 kΩ ili 62 kΩ (struja oko 33-36 µA) je vjerojatno optimalna za ovu primjenu. To je dovoljno visoka vrijednost da priguši šum, dovoljno visoka impedancija da zaštiti digitalni dio i sam otpornik osigurana odličnu linearnost unutar 8-bitnog opsega digitalnog potenciometra (256 koraka). Struja od 36 µA je dovoljna da nadvlada parazitske smetnje, a otpornik 56 kΩ je dovoljno mali da ne postane preosjetljiva antena.

Bez obzira na navedeno, kod praktične montaže svakako je treba paziti da veze budu što kraće, odnosno da digitalni potenciometar bude što bliže FB pinu. Također, dobro je staviti mali keramički kondenzator (npr. 10 nF) izravno na FB pin prema masi (AGND). Taj kondenzator će “kratko spojiti” sav visokofrekventni šum na masu, dok će DC struja od 36 µA nesmetano prolaziti. Masa digitalnog potenciometra također mora biti čvrsto i kratko povezana s masom LM5116 (AGND).

U svijetu VF i brze signalne elektronike uvijek treba nalaziti neke kompromise i optimalna rješenja. Poboljšanje jedne karakteristike često sa sobom povlači pogoršanje nekoliko drugih karakteristika. U hobi i DIY elektronici radimo sa jeftinim komponentama i priručnim tehnologijama, tako da svaki proračun treba tri puta provjeriti i pet puta testirati u praksi, prije nego se proglasi (dovoljno) stabilnim.

Digitalna kontrola napona DC/DC regulatora (modifikacija modula sa LM5116).

Zaštita i izolacija komunikacijskih SPI linija

DC/DC konverteri, osim što su generatori visokih struja i napona, također su i generatori VF šuma. Od jeftinih DC/DC modula ne možemo očekivati vrhunske ulazne i izlazne filtre za VF smetnje u kablovima, kako ni vrhunsko oklapanje od zračenja EMI smetnji. Vidjeli smo u dosadašnjem opisu da je digitalni potenciometar dobro montirati što bliže Buck kontroler čipu LM5116 kako se u FB liniju ne bi inducirale smetnje, a s druge strane bi ga bilo dobro što više udaljiti od elektronike Buck kontrolera kako on sam ne bi hvatao EMI smetnje iz prekidačkog dijela konvertera. Ne možemo udovoljiti dvjema kontradiktornim zahtjevima, tako da se moramo oslanjati na EMI oklapanje i izolaciju komunikacijskih linija od energetskih.

Magnetski izolatori

Ideja je da svakako sve tri komunikacijske linije digitalnog potenciometra odvajam magnetskim izolatorom. Potreban nam je izolator za tri linije u istom smjeru. Od gotovih modula, možete kupiti samo ADuM1201 koji ima dvije linije u suprotnim smjerovima. To znači da bi trebali tri takva izolatora. Druga opcija je kupiti zasebne čipove poput ADuM1300 koji izolira tri linije u jednom smjeru ili ADuM1400 koji izolira četiri linije u jednom smjeru.

Vjerojatno je pametnije naručiti nekoliko komada ADuM1400 pa se višak može spojiti na masu. Također treba paziti da ispod magnetskog izolatora na tiskanoj pločici nema nikakvih bakrenih površina. To osigurava maksimalnu izolacijsku barijeru.

Serijski i pull-up otpornici

Iako magnetski izolator radi odličan posao, linije između izolatora i TPL0501 su i dalje podložne šumu s glavnog konvertera. Stoga nije loše ugraditi i serijsku terminaciju, odnosno otpornike od 22 Ω do 47 Ω serijski na SPI linije (SCK, DIN, CS) odmah na izlazu iz izolatora prema digitalnom potenciometru. Oni će prigušiti “ringing” (povratne oscilacije) i smanjiti EM zračenje linija. Ako se koristi modul sa digitalnim potenciometrom TPL0501, onda su takvi otpornici već zalemljeni na modul.

Obavezan je i 10 kΩ pull-up otpornik na Chip Select (CS) liniji na strani digitalnog potenciometra. To osigurava da potenciometar ostane neaktivan dok se ESP32 i izolator podižu (boot-up), sprječavajući nasumične skokove struje.

Grounding, decoupling, EMI zaštita

Ono što je izuzetno važno ne samo za ovaj dio nego i čitav sklop elektroničke mete, to je pravilno upravljanje masama (Grounding). U ovom slučaju to je izvedba zvjezdastog uzemljenja. Masu digitalnog potenciometra i masu magnetskog izolatora (sekundarna strana) spajamo izravno na pin mase LM321 operacijskog pojačala.

Decoupling kondenzatori su ovdje važni kao i kod svakog drugog elektroničkog sklopa. Između VDD i GND pinova TPL0501-a i izolatora treba staviti 100 nF keramički i 10 µF tantalski ili elektrolitski kondenzator. Oni moraju biti fizički što bliže čipovima.

Budući da se napajamo s regulatora 5 V koji je već na pločici konvertera, a zatim i preko dodatnog regulatora 3,3 V, onda je napon napajanja već prilično čist, ali dodavanje jednog feritnog zrna (ferrite bead) na liniju napajanja prema digitalnom potenciometru može dodatno filtrirati visokofrekventni šum koji proizvodi LM5116 buck kontroler. Feriti djeluju kao “filtar za visoke frekvencije” (Low-pass filter). Svaki DC/DC step-down konverter proizvodi visokofrekventne strujne šiljke (ripple). Feritni prsten na izlazu konvertera će te šiljke pretvoriti u malu količinu topline umjesto da ih proslijedi laserima. Stavljanje malog ferita na dolazne žice napajanja za digitalni potenciometar i izolator dodatno će “očistiti” napajanje za TPL0501. Kad god je to moguće (kad ima mjesta), najbolje je provući žicu 2 do 3 puta kroz feritni prsten. Učinak prigušenja raste s kvadratom broja provlačenja.

Za zaštitu od EM zračenja (EMI) dobro je koristiti upletene parice za dovod struje. Struja koja teče u suprotnim smjerovima kroz upletene žice stvara magnetska polja koja se međusobno poništavaju. To sprječava da kablovi postanu “antene” koje emitiraju šum konvertera u okolinu. Također, upletene žice sprječavaju da vanjski šum (npr. od motora ili drugih uređaja) inducira napon u napojnim linijama.

Cijeli konverter s digitalnim potenciometrom ćemo smjestiti u metalno kućište koje je spojeno na masu. To će spriječiti da EMI od PWM frekvencije konvertera (koja je prilično jaka na 300 W modulu) utječe na ESP32 ili magnetski izolator.