Actieve gelijkrichterbrug

@ohm pi:
Crap, je hebt gelijk, ik heb op een totaal verkeerd gedachtespoor gezeten: de schakeling wordt inderdaad gevoed uit de uitgangselco... Er zit ook een diode in mijn schakeling die nu nooit iets doet. Brainfart!

Ok, de voorgaande improvisatie kan de vuilbak in, ik zal de schakeling herontwerpen met een andere opzet. Het hoeft allemaal niet zo ingewikkeld dus, wat op zichzelf fijn is om te weten.

@SparkyGSX:
De oude datasheet van TI (bijgevoegd) is wel expliciet over de toegestane ingangsspanning, het volgende citaat staat op één of andere manier niet meer in de huidige:

This input current will only exist when the voltage at any of the input leads is driven negative. It is due to the collector-base junction of the input PNP transistors becoming forward biased and thereby acting as input diode clamps. In addition to this diode action, there is also lateral NPN parasitic transistor action on the IC chip. This transistor action can cause the output voltages of the comparators to go to the V+ voltage level (or to ground for a large overdrive) for the time duration that an input is driven negative. This is not destructive and normal output states will re-establish when the input voltage, which was negative, again returns to a value greater than -0.3V.

Dit spreekt me niet vrij, want het probleem dat een spanning van lager dan -0,3V is nog steeds mogelijk als de MOSFET niet aangestuurd wordt of de stroom heel groot. Misschien is een anti-parallele Schottky diode een goed idee. Het voordeel is dat er een relatief grote weerstand aan zit en de stroom bij de spanningen waar het om gaat zeer beperkt blijven. Wat die stromen vervolgens doen kan echter nog wel nare gevolgen hebben. Tot nu toe heb ik geen problemen gehad: de 4A zekeringen in serie met de MOSFETs heb ik nog niet hoeven vervangen, maar geluk is niet hetzelfde als elegantie natuurlijk.

Inderdaad, de getallen ontrent de offset die je noemt stemmen overeen met het gedachte-experiment dat ik ook deed. Het omschakelmoment duurt bij een 30V sinus niet heel lang, en daarom vond ik dat nog wel acceptabel. Het kan van meerwaarde zijn eens te testen of dit te zien is in de golfvormen. Ik heb nog geen scoop op deze schakeling gehad maar zal het tonen zodra dat gebeurt. Misschien moet ik de weerstand op de niet-inverterende ingang vergroten zodat dit resonantie-effect onwaarschijnlijker wordt. Dat zal waarschijnlijk de spanningsoffset niet (goed) compenseren, dus hier zal ik nog even over moeten denken.

Overigens moet ik toegeven dat de toepassing op de 2x30V trafo die ik had al wel aardig in de richting gaat van de grens van wat je kan bereiken met normale onderdelen: met 5A uitgangsstroom gaat er ongeveer 4,5A_RMS door elke (ongekoelde) MOSFET, en dan worden die al flink heet (90°C gemeten). Deze schakeling werkt een stuk beter als je kan werken met gescheiden wikkelingen of lagere spanningen, want dan kan je 50 of 60V MOSFETs toepassen die een merkbaar lagere R_DSon hebben. Het is nog steeds minder warmte dan gelijkrichting met diodes of een brugcel, maar koeling begint al een issue te worden.

Op 22 maart 2021 11:45:39 schreef Kruimel:
.. Er zit ook een diode in mijn schakeling die nu nooit iets doet..

Hoeft niet. Als de condensator achter de diode groot genoeg is, dan is de rimpel over die condensator kleiner dan de rimpel over de bufferelco. Kan gunstig zijn.

Met dit project een tijdje in de pauzestand ben ik aan de slag gegaan om een PCB'tje te ontwerpen om een aantal dingen aan te passen:

• Wat ohm pi hiervoor noemde: de buffer-elco die impliciet aan de brugcel zal zitten kan een groot deel van het werk doen van het handhaven van de voedingsspanning voor de opamps. Er hoeft dus geen grote capaciteit te zijn.
• Het ontwerp kleiner maken en in SMD uit te voeren.
• Een nieuwe "spanningsregelaar" te proberen: ik ontdekte recent dat de SM2082C, een lineaire LED driver, ook redelijk bleek in het handhaven van een stabiele spanning, maar intussen wel geschikt is voor hoge spanningen (tot 450V), dus die wilde ik in plaats van de lastiger te krijgen en duurdere LR645 die ik eerder had.
• De ruststroom iets verlagen door de open collector uitgangen van de LM393 niet met een weerstand hoog te trekken, maar met een kleine schakeling die actief afschakelt als de comparator de uitgang naar massa trekt.
• Een extra aansluiting voor het kunnen voeden van de schakeling als ik hem wil gebruiken in combinatie met de voorregeling waar ik eerder mee aan het prutsen was.

Gisteren heb ik de PCB bij de volgende schakeling ter productie opgestuurd naar JLCPCB:

Zo ver ik kan zien zou met deze onderdelen redelijk efficiënt een brugcel moeten kunnen maken die 75V_p aan kan en iets in de regio van 7A_RMS zonder koeling zou moeten kunnen gelijkrichten, uitgaande van ~1W aan mogelijke dissipatie. Ik denk nu achteraf trouwens dat R5 t/m 8 misschien blij zullen zijn met iets meer richting de 50V, want die worden wel warm zo...
Volgens de 3D viewer zou het er zo uit moeten gaan zien:

De header zou er eentje moeten worden met rechte pinnen waar ik de ongebruikte aan de onderkant zal inkorten. Ik weet nog niet helemaal hoe ik dat in de praktijk wil doen. Ik heb gaten in de pads gelaten om ook een enkele haakse header te kunnen plaatsen.

Het printje is nu 36x30mm groot, maar nu zie ik natuurlijk allemaal manieren om het efficiënter in te kunnen delen en te verkleinen. De lege ruimte op de voorkant van de PCB onder C3 zit nu al dwars...

Mocht iemand hier mee willen spelen heb ik de Gerbers bijgevoegd. Ik heb nog niets getest, dus bestellen op eigen risico.

Hebben jullie dit ook? Dat je eigenlijk iets anders aan het doen zou moeten zijn, maar je nog steeds nadenkt over optimalisaties in het project dat je al voor productie hebt weggestuurd? Ik wel...

Vandaag heb ik eens zitten te spelen met zones, en deze vind ik nu een stuk toonbaarder, beide optisch en technisch (bredere banen) Hij is tevens afgeslankt van 36x30 naar 35x25mm (-20%). Dat was meer werk dan je denkt...

Bij het layouten verlies je soms het idee van schaal, dus ik heb in KiCAD ook eens het model opgezocht van een standaard grote platte brugcel en er eens naast gezet ter vergelijking:

De afstand tussen de rechter twee poten is 10mm (op mijn print 10,16mm).

Er zijn een paar kleine tweaks in het schema, maar niets bijzonders:

Nu de silkscreen op orde brengen...

edit: En de 3D modellen dat de polariteit klopt...

Ja het is wel een kunstwerk geworden.

IK snap alleen even niet waarom je zoveel header pinnen gebruikt maar ze op de PCB er maar 5 gebruikt.
Waar is die 5de eigenlijk voor?

Ik zie nog steeds lege ruimte:

Maar even zonder gekheid, die elco's zo plaatsen is wel geinig. Waarom doe je die ook niet SMD?
En laat je zo ook bestücken of plaats je zelf?

Haha, grapjas!

Op de plek waar die elco's nu staan kan je ook 2 stuks 0805 keramische condensatoren plaatsen. Tegenwoordig is 22µF in die maat best algemeen. Die heb ik alleen niet, maar wilde er ruimte voor laten, want dat zal ik op een dag wel op voorraad willen hebben.

Plan is zelf in elkaar solderen, mijn plan is een beetje gestuurd door wat ik hier had liggen en wat relatief makkelijk met de hand te doen is. Die mini-elco'tjes heb ik er een paar van in de bestelling in verband met een reparatie aan mijn wake-up light, waar ik de elco'tjes wil vervangen met polymeertypen. Ik heb laatst een beetje een 'shopping spree' gehad bij LCSC, waar ze die dingen bijna weggeven. Reflecterend had ik misschien liever een paar van de SOT-23-5 push-pull comparatortjes gehaald, dat had wat werk gescheeld.

Op dinsdag 23 januari 2024 23:17:21 schreef benleentje:
Ja het is wel een kunstwerk geworden.

IK snap alleen even niet waarom je zoveel header pinnen gebruikt maar ze op de PCB er maar 5 gebruikt.

Als jij een handige bron weet van headers met een 5,08mm 7,62mm pitch sta ik ervoor open. Deze 0,1" headers zijn superalgemeen en kosten weinig, dus daar knip ik gewoon een paar pinnen vanaf of ik plan meer gaten in de PCB. Eigenlijk is "goedkoop" (behalve in arbeidsloon) het thema van deze PCB. Geen enkel component (behalve de print) kost meer dan €0,50, en de meeste minder dan €0,12.

Waar is die 5de eigenlijk voor?

Ik had eens een voorregeling voor een lineaire voeding bedacht, maar die werkte door een spanningsval te genereren aan de wisselspanningskant van de transformator waardoor er mogelijk zo goed als geen spanning over de brugcel komt te staan. Met een normale brugcel gaat dit goed want die hebben geen voedingsspanning nodig, maar deze heeft een volt of 10 nodig om de elektronica te voeden. Daarom heb ik een "zij-ingang" toegevoegd die ik direct op de "ongedimde" kant van de trafo kan aansluiten die de elco geladen houdt.

Sjiek gemaakt Kruimel, compliment!
Zo wordt een actieve brug prima praktisch toepasbaar, nauwelijks meer ruimte innemend dan een normale gelijkrichtbrug.
Eigenlijk makkelijker toepasbaar, omdat de actieve brug gewoon ergens op de print kan staan, zonder zorgen over de koeling.

Je ontwerp is een mooi voorbeeld hoe je kunt optimaliseren als je langer op een idee blijft kauwen

groet, Gertjan.

Dat printje ziet er zonder meer heel strak uit!

Ik twijfel nog een beetje over wat details van het ontwerp. Als de stroom, voorbij de top van de sinus, aan het afnemen is, wordt de spanningsval over de MOSFET kleiner, waardoor deze op een bepaald moment (afhankelijk van de input offset van de comparator) uitgeschakeld zal worden. Als er dan nog enige stroom loopt, krijg je een spanningsval over de body diode, waardoor de comparator weer zal inschakelen, en zou de comparator gaan klapperen. Niet direct een probleem, want de stroom is minimaal, maar het is niet heel fraai. Ik zou de comparator een condensator van zijn uitgang naar de niet-inverterende ingang geven, om hem na het schakelen voor korte tijd te blokkeren (een AC-gekoppelde hysterese).

Ik zat me af te vragen of er ooit een situatie zou kunnen zijn waarbij een verboden combinatie van MOSFETs in geleiding zou zijn, maar ik denk dat het altijd goed gaat. Immers, om ergens een te grote stroom te laten lopen, moet er een MOSFET met een negatieve spanning er overheen in geleiding gaan, en dat kan niet.

Als de Vgs(th) van de MOSFETs lager is dan de minimale werkspanning van de comparators zou het tijdens het opstarten even spannend kunnen worden.

Daar heb je wel een goed punt, dat is wel een risico inderdaad. Ik twijfel een beetje over de tijdconstante die ik aan zo een systeem zou geven.

Dit is een tijdconstante van 47µs, wat er op neer komt dat na een overgang de spanning binnen 250µs is gedaald naar (een redelijk arbitraire) 50mV, wat ik een acceptabele afwijking vind. Nu zit ik alleen met de vraag wat een LM393 vindt van zelfkastijding door 50x per seconde 1nF op -10V op zijn ingang te krijgen. Moet er ook weer een diode bij...

Dat is ook weer waar, maar als je een diode toevoegt, moet er eigenlijk ook weer een weerstand bij, om de stroom door die diode en zo te beperken. Dat voelt toch weer als meer complexiteit dan nodig zou moeten zijn.

Intussen heb ik het bord weer een beetje opgeschoond en toch weer 4mm van de breedte afgeschaafd, ten koste van een draadje dat er dan gesoldeerd moet worden:

Ik zal het laten weten zodra ik getest heb of deze schakeling überhaupt werkt...

Als jij een handige bron weet van headers met een 5,08mm pitch sta ik ervoor open. Deze 0,1" headers zijn superalgemeen en kosten weinig,

Dat snap ik helemaal. Volgens mij zijn die met 5,08mm ertussen ook met dikkere pinnen.
Maar als die gaten toch al in de PCB zitten waarom dan ook niet alvast aan die kan kant ook aansluiten.

Ik zal het laten weten zodra ik getest heb of deze schakeling überhaupt werkt...

JA ik ben benieuwd. Nu maar hopen dat er geen Ali-chinees meekijkt want dan worden ze zo nagemaakt.

Ha Kruimel,

Ziet er goed uit maar let op de toepassing dit concept is traag eigenlijk niet toepasbaar in een precisie voeding.
Heb je er al aan gemeten ?

Groet,
Henk.

Waarom zou dit systeem te traag zijn? Het ding is bedoeld voor een 50Hz trafo, niet voor een schakelende voeding, dus een beetje langzaam lijkt me geen probleem en is wat mij betreft alleen maar goed. Ik denk ook niet dat deze brugcel invloed gaat hebben op de precisie van een voeding.

Er zijn nog geen metingen aan gedaan, dit print-ontwerp is net een dag oud. Ik heb afgelopen week hetzelfde ontwerp, maar een andere layout wel ter productie gestuurd, hier: Kruimel in "Actieve gelijkrichterbrug". Die heb ik nog niet binnen.

Van het printje onderaan in de openingspost heb ik er al een paar binnen en geassembleerd en succesvol gebruikt, maar geen specifieke metingen aan gedaan. Die waren een beetje onhandig ontworpen, er zitten 3 stuks 78L12 spanningsregelaar op met elco's op de piek ingangsspanning. Dat is niet schaalbaar naar hogere spanningen omdat de 78L12 die ik gebruikte daarvoor niet geschikt is en de elco's snel te groot worden. Ze zijn gebouwd met HUF76143 (30V 5,5mΩ) MOSFETs omdat ik geen geschikte hoge spanning onderdelen kon vinden (de LR645 die ik later noem heeft een andere pinout).

Op donderdag 25 januari 2024 21:14:05 schreef benleentje:
Dat snap ik helemaal. Volgens mij zijn die met 5,08mm ertussen ook met dikkere pinnen.
Maar als die gaten toch al in de PCB zitten waarom dan ook niet alvast aan die kan kant ook aansluiten.

Snap ik en dacht ik ook over. Ik wilde de spoorbreedte vanaf de 'drain' van Q1 naar de '+' zo breed mogelijk hebben, maar om op die plek nu opeens twee pinnen op dat net aan te sluiten vond ik niet mooi (en zou nu ook directe sluiting met '-' aan de andere kant van de PCB geven), maar kan misschien wel als je de pinnen voldoende inkort of verwijdert.

JA ik ben benieuwd. Nu maar hopen dat er geen Ali-chinees meekijkt want dan worden ze zo nagemaakt.

Zou ik wel leuk vinden eigenlijk. Dit is geen product dat ik verkoop of ga verkopen. Totaal geen probleem mee om dit ding volledig geassembleerd en klaar voor actie van AliExpress te bestellen.

Dan ga je er wel vanuit dat ze het correct kopiëren

In het correct copieren zijn de chinezen volgens wel heel goed qua PCB ontwerp dan, maar ze zullen het dan wel op componenten niveau aanpassen wat voor hun het beste uitkomt.

Zou ik wel leuk vinden eigenlijk.

IK dan stiekem ook wel.

geen geschikte hoge spanning onderdelen kon vinden

Ik denk dat als je het zo rond de 60V kan krijgen je de meeste gelijkrichter toepassing wel hebt. Daarboven kan je net zo goed een gewone diode brug gebruiken dan zijn de stromen ook niet meer zo hoog.

JE hebt toch ook een LM317HV die gaat tot max 60v tussen Vin en Vout.

Ik zou zelf denken dat omdat het enkel maar 4 opamps en 4 torren moet aansturen het ook wel met een zenerdiode moet kunnen en dan kan steeds de weerstand ervoor schalen naar toepassing.

[Bericht gewijzigd door benleentje op vrijdag 26 januari 2024 20:04:22 (14%)]

De exacte componenten die ik hier heb zullen niet de optimale keuze zijn als iemand dit ding wil maken, zeker niet in China, ik heb gewoon geïmplementeerd wat ik hier heb liggen. Ik maakte tijdens het proces wel de fout op LCSC rond te klikken voor componenten, maar dat is een valkuil: na een tijdje had ik in mijn hoofd bijna elk component al vervangen met iets optimalers.

Ik denk dat als je het zo rond de 60V kan krijgen je de meeste gelijkrichter toepassing wel hebt. Daarboven kan je net zo goed een gewone diode brug gebruiken dan zijn de stromen ook niet meer zo hoog.

JE hebt toch ook een LM317HV die gaat tot max 60v tussen Vin en Vout.

Ik zou zelf denken dat omdat het enkel maar 4 opamps en 4 torren moet aansturen het ook wel met een zenerdiode moet kunnen en dan kan steeds de weerstand ervoor schalen naar toepassing.

Ik probeer de gelijkrichter geschikt te maken voor 2x30V trafo's, want dat zijn de grootste spanningen die ik hier heb. Het valt nog tegen hoe makkelijk dit is zonder teveel warmte te genereren: één mA ruststroom op 80V elcospanning zorgt voor 80mW aan dissipatie, en de ruststroom van zo een opamp is tot 1mA en trekt nog eens 0,2mA als de uitgang laag is. De weerstanden die de spanning meten genereren samen 0,14W@80V. Een LM317HV heeft een ruststroom nodig van tot 12mA en kost net zo veel als de andere halfgeleiders bij elkaar, de TL783 (125V) is vergelijkbaar. Ik moet nog tests doen, maar het heeft er alle schijn van dat die SM2082 met vrij weinig ruststroom kan werken en misschien krijg ik die werkende met een TLV431 equivalent, die ook erg goedkoop zijn zoals de AZ431L.