Klub SP2PUT

Akademicki Klub Krótkofalowców UTP w Bydgoszczy

13-Mar-2014

Układ zabezpieczenia wzmacniaczaMobile amplifier protection circuit

Jakiś czas temu Andrzej SP2CA kupił dla eksperymentu chiński wzmacniacz tranzystorowy typu mobilowego za ćwierć-darmo. Wzmacniacz był zaprojektowany nienajgorzej, tylko niechlujnie wykonany. Brak pasty na tranzystorach, brak układu polaryzacji tranzystorów, brak wentylatora czy wreszcie brak jakichkolwiek zabezpieczeń przeciwpożarowych 😀

Some time ago Andrew SP2CA bought out of couriosity an el-cheapo chinese solid-state mobile amplifier. The design turned out to be not that bad, however assembly was terrible. No thermal paste under the transistors, no bias circuit, no fan and finally no fire-protection circuitry. 😀

Andrzej zlecił mi opracowanie układu, który zabezpieczy wzmacniacz w podstawowym zakresie. Wymyśliłem prosty układ na mikrokontrolerze ATtiny26…. say what? Mikrokontroler do tak trywialnych rzeczy, jakby kilka komparatorów nie wystarczało?!
Da się takie zabezpieczenie zrobić na prostych elementach analogowych, ale rozmiar układu na pewno byłby większy (w obudowie wzmacniacza nie ma aż tyle wolnego miejsca) i ustawiany niezbyt wygodnie kilkoma PRkami.

Układ zapewnia:

  • ochronę przed przegrzaniem tranzystorów (czujniki temperatury LM35)
  • ochronę przed nadmiernym poborem prądu (czujnik prądu ACS713)
  • sterowanie wentylatorem
  • ochronę przed nadmiernym SWR lub nadmierną mocą (niezaimplementowane)

Schemat


Nie ma nic szczególnie skomplikowanego, po prostu

  • 7805
  • mikrokontroler
  • piny na dwa analogowe czujniki temperatury LM35 (zalutowane na kabelkach i przyłożone na tranzystory)
  • czujnik prądu ACS713 (bardzo fajne scalaki – rezystancja praktycznie żadna, pomiar w oparciu o efekt Halla i proste wyjście napięciowe zależne liniowo od prądu)
  • trzy tranzystory MOSFET mocy do sterowania zasilaniem, blokadą PTT i wiatrakiem
  • złącze do programowania
  • 4 LEDy do wskazywania stanu urządzenia
  • piny na 3 przyciski (w praktyce cały jeden wystarczył do wszystkiego)
  • piny do podłączenia opcjonalnego mostku pomiarowego SWR

Załączanie zasilania przez przekaźnik umożliwia użycie mniejszego wyłącznika, który nie musi wytrzymywać prądu pracy całego wzmacniacza.

Płytka


Firmware

Firmware po uruchomieniu załącza główny przekaźnik, zapala na chwilę wszystkie diody, żeby je przetestować a następnie po prostu cały czas próbkuje wskazania z obu czujników temperatury i czujnika prądu. Dla każdego czujnika są pobierane trzy próbki i jeżeli wszystkie przekraczają granicę zapisaną w EEPROMie to blokowane jest nadawanie i zapala się odpowiednia dioda (LED1 – temperatura A, LED2 – temperatura B, LED3 – prąd, LED4 – nieużywane, czeka na SWR 😉 ). Jeżeli któreś z zabezpieczeń zadziała to trzeba nacisnąć przycisk reset, ale jeżeli sytuacja się nie poprawi to układ momentalnie znowu odłączy nadawanie. Równolegle pomiar temperatury jest używany do sterowania wentylatorem z kilkustopniową histerezą (można by też zaimplementować w programie sterowanie PWM z kilkoma prędkościami zależnie od temperatury). Wszystkie dane są zapisane na stałe we flashu i EEPROMie, gdyż raczej nie przewiduję rekonfiguracji układu bez programatora i komputera. Ostatnią funkcją układu jest awaryjny tryb bojowy, przygotowany z myślą o sytuacjach, gdzie wzmacniacz po prostu musi działać, nawet gdyby miał się uszkodzić (sytuacja nadzwyczajna typu klęska żywiołowa, ale też ważna wyprawa w niedostępną puszcze SPFF 😉 ). Po przytrzymaniu przez ~20s przycisku reset układ wyłącza wszystkie zabezpieczenia, na stałe załącza wentylator i miga przeraźliwie diodami.

Integracja

Schemat gdzie co powinno być podłączone wewnątrz wzmacniacza:


Biały glut to gęsta pasta termoprzewodząca, która łączy czujniki LM35 z tranzystorami. Dwa białe przekaźniki dostarczają zasilanie, a pomarańczowy przekaźnik załącza PTT. Beżowa płytka u góry z lewej to układ biasu tranzystorów (temat na osobny wpis). Układ działa dokładnie tak, jak miał działać 🙂

SP2AGX_amp_protect_1.0.zip – schemat, płytka, firmware

Artur SP2AGX

Andrew asked me to design the missing protection circuitry. I made a small module based on ATtiny26…. say what? An MCU for something that trival like comparing two temperatures and fan control? Sure, a bunch of comparators would probably do the job, but the module would be much bigger (there is not so much free space inside the amplifier) and hard to „program” using a lot of potentiometers.

My device provides:

  • thermal protection (using LM35 analog sensors)
  • overcurrent protection (using ACS713 Hall-effect current sensor)
  • fan control
  • SWR protection and output power protection (ready, but not implemented)

Schematic


It is not rocket science, simply speaking:

  • 7805
  • ATtiny26 MCU
  • pins for two LM35 analog temperature sensors (soldered to wires and mounted directly on the final transistors)
  • ACS713 current sensor(lovely chips – they have virtually no resistance and no voltage drop, sensing is based on Hall effect and the output is a voltage linearly dependant on measured current)
  • three power MOSFETs for fan control, PTT control and switching main power relays
  • in-circuit programming connector
  • 4 LEDs for state indication
  • pins for three pushbuttons (but one turned out to be just enought)
  • pins for an optional external SWR and power bridge

Switching the main power bus using relays avoids the need to use a switch rated for full-scale current on the front panel .

PCB


Firmware

At power-on firmware switches on the main power relays, lights all LEDs (to test them), and then continously samples all sensors to look for a sign of malfunction. Each sensor is sampled three times and all three samples must be above the limit (stored in EEPROM) to trip PTT protection. LEDs indicate the reason of malfunction (LED1 – temperature sensor A, LED2 – temperature sensor B, LED3 – overcurrent, LED4 – unused, can be used for SWR). If the protection trips, the user has to press reset button on the front panel, however if the dangerous situation still persists PTT will be disabled immediately. Alongside protection the circuit uses temperature readings for fan control with a hysteresis of several degrees. Variable speed PWM control can be implemented in the future. All configuration parameters are hardcoded and burned permanently in flash memory and EEPROM. I do not think that it is worth to change any settings by the end user in the field.

The last feature is battleshort mode. It is turned on by holding the reset button for about 20s. In this mode all protection is disabled and the fan is run all the time at full speed. This mode can be useful in extreme situations and emergencies, when communication is more important than cheap amplifier protection.

Integration

Simple connection diagram:


The white goo is thick thermal paste to bind LM35s to the transistors. Two white relays switch the main power bus, the orange one controls PTT. The beige PCB in top-left provides transistor bias (topic for another post). Everything works as designed 🙂

SP2AGX_amp_protect_1.0.zip – schematic, PCB firmware

Artur SP2AGX

Opublikowano w dziale: SP2AGX DIY

Komentuj

Musisz być zalogowany aby komentować.