LTC3631 en rand-onderdelen: zit ik goed?

Beste,

Als modelbouwer ben ik al jaren bezig een klein model dieselloc om te bouwen.
Andere motor, werkende verlichting inbouwen, een DCC-decoder toevoegen, dat soort zaken.
Als rangeerloc krijgt het ding ook 2 zwaailichten.

Het heeft een flinke tijd stil gelegen, maar recent heb ik nieuwe inzichten opgedaan en het weer opgepakt.
Over die zwaailichten een belangrijke kanttekening:
de decoder kan dat in zijn eentje voor z'n rekening nemen, maar helaas hebben ze nog altijd de onrealistische eigenschap dat 2 functie-uitgangen altijd in dezelfde snelheid/fase blijven knipperen, terwijl echte zwaailichten nooit even snel draaien en dus langzaam verlopen.
Dat heb ik nu nog 'opgelost' met een printje met een 556 erop. Dat werkt, maar zodra het model gaat rijden verlopen de zwaailichten niet meer, ergens stoort dus iets. Daarnaast moet ik de voedingsspanning van de functie-uitgang flink verlagen, waar ik maar een hele berg diodes in serie voor gebruikt heb.

M'n reparaties (en veel experimenteren) met gas gauges en de honderd-miljoen-miljard registers daarin en het vele binaire en hexadecimale rekenen, openden m'n ogen wat betreft registers in microcontrollers en zodoende had ik in hele korte tijd een PIC10F200 draaiend met wat assembler code (ja, ik weet het... 'ouwe meuk').
Een controller met meer geheugenruimte en gebruik van een timer-module of zo zal vast een nog realistischer effect kunnen maken, maar dat moet je dan wel snappen én willen. Vooralsnog vind ik hard geknipper goed genoeg.
Met creatief coderen van wachtlussen kon ik in het hele beperkte geheugen iets van 12 'knippers' kwijt waarbij er 'verloop' op lijkt te treden en de twee LEDs nooit even snel lijken te knipperen, precies wat ik zoek en omdat ik die 10F200 in een leuke kleine hehuizing kan krijgen, ideaal voor plekken waar een gebrek aan ruimte heerst.
Daarnaast vermoed ik dat dit niet de laatste keer zal zijn dat ik een hele kleine uC in een modeltrein prop, dus wat ik nu wil zal vast nog eens van pas komen.

M'n punt is het voeden van de controller aan boord van het model.

Een functie-uitgang van de locdecoder levert op mijn systeem zo'n 21 Volt.
Dat oplossen met een weerstandsdeler lijkt voor de hand te liggen, met als nadeel dat het stroomverbruik absoluut niet constant is en ik ook geen idee heb hoeveel stroom er getrokken zal worden. Een meting van een gemiddelde of zo zou ik alleen kunnen doen door de knipperfrequentie tot in het onzichtbare te verhogen.
Daarnaast lijkt de warmte-ontwikkeling bij (laten we zeggen) 10 mA niet zo'n probleem, maar het geheel zit straks
echt opgepropt met nóg een warmte-genererend printje (de locdecoder) en het nodige lood en krijgt echt 0 luchtkoeling.

Een zener met weerstand lijkt me om dezelfde reden ook niet voor de hand liggen gezien het vermogen dat ik in de weerstand kwijt moet.

Daarom dacht ik (uiteraard) aan een schakelend regelaartje. Vanwege de extreem beperkte ruimte heb ik een bouwsteentje
uitgesloten: de print daarvan is al snel ruim veel groter dan het aantal onderdelen erop en daar heb ik de ruimte gewoon niet voor. Daarnaast vind ik die alleen maar voor een half ampère en hoger, wat voor een uC die alleen twee LEDs laat knipperen wel erg overdreven is én daardoor ook flink van formaat is.

Een schakelende regelaar dus.

Na veel zoeken ben ik op de LTC3631 uitgekomen.

https://nl.mouser.com/datasheet/2/609/3631fe-2954991.pdf

Dat kan ik hoogstwaarschijnlijk nog wel af met een printje wat ik zelf brouw omdat elk ander chipje een print met heel veel lagen en via's nodig heeft of in behuizingen (DFN) zit die ik als onverwerkbaar beschouw met m'n hobby-gereedschap. Niet dat MSOP erg geweldig verwerkbaar is, maar het heeft in ieder geval nog pootjes.
Daarnaast zijn sommige zo complex kwa formules dat ik meteen jeuk krijg.

Het datablad heb ik gevolgd, maar met mijn lichte discalculie en sowieso grote hekel aan rekenen, het feit dat
er hier en daar wat formules omgezet worden en ik al de mist ingegaan ben met het juist invoeren op m'n rekenmachine, wil ik het toch zeker weten. Daarnaast heb ik moeite om Cout te berekenen. Hoewel ik best rekening kan houden met het toevoegen van extra condensators (die onderdelen heb ik al), is het toch prettig als ik begrijp wat ik aan het doen ben.

Ik reken voorlopig met de in het datablad maximum piekstroom die het chipje aan kan, 225 mA: daarmee komt de duurstroom op de max (100 mA) die het chipje aan kan. Die heb ik natuurlijk nooit nodig, maar het gaat mij er vooral om dat ik de formules snap. Als ik die juist heb, kan ik altijd nog een slag kleiner gaan. Daarnaast vind ik het wel prettig om extra stroom achter de hand te hebben bij rare piekstromen die de controller zou kunnen trekken bij opstarten.

Ik begin met de spoelkeuze:

Ik kies voor ruwweg 450 kHz als schakelfrequentie, al snap ik, na m'n eigen aantekeningen nagelopen te zijn, niet geheel
waarom :)

Voor hen die zich afvragen waarom ik dat niet via LaTex oplos: ik kreeg al koppijn bij het zien van die taal en bij gebrek aan een duidelijke probeer-omgeving om te zien wat de code doet, heb ik het maar zo opgelost.

Lmin moet kleiner zijn dan de waarde van de gekozen spoel en voldoet met minimaal 10 uH, overgenomen uit het datablad, omdat de betreffende berekening voorlopig identiek is.

Voor de saturatiestroom heb ik afgekeken van de in het datablad voorgstelde spoel, die een half Ampère als opgave had.

Ik heb deze gekozen, al kan ik ook wel voor 47 uH gaan, dat schijnt in dit geval niet zo gek nauwkeurig te komen:
https://nl.mouser.com/ProductDetail/Bourns/SRR4528A-390M?qs=P%2FbxraXw…

Voor berekenen van Cin ben ik uitgegaan van een Ioutmax van 50 mA. Das vast zeer genereus, maar dan zit ik in ieder geval veilig. Omdat er verderop, bij een voorbeeld-berekening '1 uf is generally sufficient' gezegd wordt, hou ik dat aan.

Bij Cout doe ik vast iets fout, want daar kom ik op bijzonder hoge waardes uit vergeleken met de voorbeeldberekening.
Bij een berekening met 67 mV rimpel zit ik namelijk al op een capaciteit van 125 uF, terwijl het datablad bij een lagere uitgangsspanning 10 uF suggereert: ik kan best begrijpen dat een dergelijk forse verhoging van de uitgangsspanning z'n gevolgen heeft voor de uitgangs-capaciteit, maar meer dan 12 keer zoveel vind ik wel opvallend veel...

De rest hoef ik niet te berekenen, daar ik voor een model met vaste uitgangsspanning kies.

Wat ik wél wil doen is een ingangsbescherming: hoewel er een decoder tussenzit, is de voedingsleiding in totaal meters lang en kan, afhankelijk van de baan, natuurlijk nog gigantischer worden dan op mijn kleine baan. Samen met de dunne draadjes van stroomafnemers naar decoder, dunne draden van decoder naar schakelende regelaar, de vele storingen die er in nabijheid waarschijnlijk optreden door stroomafname en motorborstels én de sturing van die motor met PWM én de decoder die mogelijk ook rare dingen zou kunnen doen, lijkt het me geen overbodige luxe.

Het nadeel is alleen dat men daar op pagina 12 wel een formule voor geeft, maar ik in mijn geval geen idee heb van Lin...

Voor andere circuits heb ik wel eens 1 Ohm en 4,7 uF aangehouden, maar graag zou ik enige zekerheid hebben dat dat voldoende is.

Ander ding is de controller zelf: ik heb met de 555 en 556 in een model eigenlijk altijd last gehad van storingen waardoor het geknipper verstoord werd. Ik vermoed dat de eerder genoemde storingsbronnen het probleem zijn geweest.
Ik verwacht dat de uC daar minder gevoelig voor is, maar wat zou ik (eventueel) kunnen doen om de voedingsspanning daartegen te beschermen? De uC zal zo dicht mogelijk bij de regelaar in de buurt komen, dus er komen geen centimeter lange sporen tussen.

Samenvattend: kloppen de uitkomsten van de berekeningen?
Zit ik met de ingangs-beveiliging een beetje op het juiste spoor?
Zijn er zaken waar ik rekening mee moet houden wat betreft de voedingsspanning voor de uC en de immuniteit voor storingen van buitenaf?
Als iemand iets beters of minder complex idee heeft, mag diegene zich ook melden natuurlijk ;)

Alvast dank.

http://www.m-voorloop.nl --- Ik? Welnee! Ik zit nog lang niet achter de germaniums.
fatbeard

Honourable Member

Die serieschakeling aan de input is alleen nodig als er relatief veel inductie zit (lange leiding) tussen de regelaar en de voeding, ín de loc lijkt me dat niet zo'n groot probleem. Los daarvan, met 21V kom je in het worst-kaas geval op 42V, daar kan die chip tegen...
In mijn eigen designs neem ik altijd een elko van 10-22u die ik uitzoek op zo hoog mogelijke ESR. Maar daar moet je dan wel de ruimte voor hebben.

Keramische C's hebben een heel hinderlijke eigenschap: de capaciteit neemt af met de spanning. Zo heeft een gemiddelde 25V keramische condensator op 21V nog maar 10% van zijn capaciteit over. Een gemiddeld 50V exemplaar vaart iets beter: 30% over.
Je zult ze dus moeten uitzoeken, misschien staat er iets bruikbaars in mijn database(je).

De spoel moet je eigenlijk dimensioneren op de maximale piekstroom (die je niet groter moet nemen dan noodzakelijk: meer koperverliezen); als je die kleiner neemt kun je ook toe met een kleinere spoel.
Kijk ook even naar figuur 4 voor het optimon aan inductie.

Je berekeningen kloppen wel, 67mV rimpel is gewoon wat weinig. Je processortje zal (als je de brownout afzet) overweg kunnen met het 5 tot 10-voudige...

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

Ik heb er net eens gezellig met m'n pa voor gaan zitten, want ik snapte niet waarom ik zo hoog uit kwam. Ik had gewoon m'n waardes niet om moeten zetten naar Volt en Ampère maar in milli-Ampère en milliVolt moeten blijven rekenen, want dan kwam er wél een resultaat uit in de buurt van het voorbeeld (9 uF tegen de 125 uF waar ik eerder op uit kwam).

De capaciteits-afname is me bekend ;) Ik moet nog wat 100 Volt spul hebben liggen. Ik merk dat dát echt de pest is van schakelend spul: de speciale onderdelen zijn het punt niet zozeer, maar die ook onderscheidbaar én opzoekbaar kwa eigenschappen opslaan is pittig. Want ik heb ze vast ergens, maar dat zit met nog heel wat andere onderdelen in een grote doos.

Het lastige vind ik dat ik gewoon geen idee heb hoe alles doorwerkt in zo'n lok: de rails is natuurlijk een gigantisch lange voedingsleiding en de spanningsvoorziening van die decoder zelf vind ik al een wondertje der techniek (nou ja, de hele decoder vind ik een wondertje der techniek). Daar komt bij dat de functie-uitgangen geloof ik open-drain outputs zijn, niet geheel zeker.
Dat er daarnaast storingen optreden door gebrekkige spanningsafname (het is een twee-asser zonder gecompenseerde assen) en de motor maakt dat er zoveel mis kan gaan ;) Ik heb die 555 niet voor niets zo slecht aan de gang gekregen ;)

Ik heb in ieder geval wat geleerd over opslingering, die dus blijkbaar nooit groter dan tweemaal Vin kan worden. (wat, nu ik er bij nadenk, ook best logisch is eigenlijk)

Knap databaseje trouwens! Ik wil er niet eens aan beginnen met alles wat er veranderd, EOL raakt en dergelijke...

Binnenkort maar eens bestellen.
Dank!

http://www.m-voorloop.nl --- Ik? Welnee! Ik zit nog lang niet achter de germaniums.

Gaat het om de voltage-converter? Mijn onlangs nieuw aangetreden collega liet me een door hem ontworpen print zien. Hij wees daarbij naar een DC-DC converter die ik met het blote oog niet meer kon onderscheiden van een 'vliegenpoepje' en toch een aardig vermogen kom omzetten (een paar watt..) Miniaturisering op z'n best..en dat past beslist in een loc.

Natuurlijk is het leuk om zelf iets te ontwikkelen, maar ik kan ook mijn collega even vragen naar die DC-DC omzetter..

Michael

Niet alles wat op internet staat is waar... Dat geldt ook voor CO.

Uh ja ;) Een schakelende spanningsregelaar. Er zijn inmiddels extreem kleine converters ja, maar die extreem kleine (soms op een printje amper groter dan de al idioot kleine regelaar) zijn vaak nogal begrenst kwa ingangsspanning.

Als die collega iets heeft wat voldoet, wil ik best overwegen een andere weg in te slaan ;)

Kwa formaat heb ik inderdaad gisteren best even versteld gestaan van een (uit m'n hoofd) LDO-regelaar in een virtual reality hand-controller. Ik gok dat het dingetje 1 x 1 mm groot was en daar presteren ze het ook nog er ingelaserde markering op te maken ter identificatie...

http://www.m-voorloop.nl --- Ik? Welnee! Ik zit nog lang niet achter de germaniums.
fatbeard

Honourable Member

Geloof het of niet: zoiets heb ik wel eens met de hand gesoldeerd...
Kan ik niemand aanraden overigens.

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.