Sisällysluettelo

  1. Yleistä
  2. Tekniset ominaisuudet
  3. Asetuksien muuttaminen
    1. Jännitteen asettelu
    2. Kompensointi
    3. Alijännitesuoja
  4. Mittaustuloksia
    1. Askelvaste
    2. Kohina

Yleistä

TACBUCK-A-tasajännitemuuttajia käytetään Tacnetin kuunteluasemilla, joissa matala häiriötaso on erityisen tärkeää. Muuttajat on suunniteltu luotettavammiksi ja vähemmän häiriöitä aiheuttaviksi tavallisiin radioamatööripiireissä kiertäviin Buck-muuttajiin verrattuna. Vanhempien Tacnet-laitesukupolvien ongelmista opiksi ottaneina suunnittelussa kiinnitettiin huomiota myös stabiiliuteen ja kompensoinnin oikeiden arvojen löytämisen helpottamiseen eri toimintapisteissä.

Muuttajia tilattiin kuunteluasemien rautaa rakennettaessa, ja samalla avattiin myös muille Kauniaisten ja Polyteknikkojen radiokerhojen jäsenille mahdollisuus osallistua tähän tilaukseen. Levyjen menekki yllätti suunnittelijat täysin. Jotta sovellustukitarve pysyisi kohtuullisena, on tällä sivulla esitelty TACBUCK-A-muuttimien ominaisuudet ja käyttämisen yleisimmät periaatteet ja muutosohjeet.

Tekniset ominaisuudet

Kukin TACBUCK-A-yksikkö sisältää kaksi muuttajakanavaa toisistaan riippumattomin jänniteasetuksin. Oletuksena kanavien lähtöjännitteet ovat 5 V ja 12 V.

Levyt voidaan halkaista sahaamalla omiksi kanavikseen.

Levyn pohja on täysin vailla juotoksia ja komponentteja, jotta sen kiinnittäminen jäähdyttävään pintaan olisi yksinkertaista. Kuormitettaessa raskaammin (noin yli 1,5 A) on levyä jäähdytettävä. Levyn pohjassa on tästä huolimatta tulon ja lähdön padit, mistä johtuen levy on eristettävä johtavasta jäähdytyspinnasta. Esimerkkitapoja ovat silikonimatto ja kapton-teippi yhdistettynä piitahnaan.

Levyt sisältävät alijännitesuojan, jonka aktivoituessa lähtö katkaistaan ja hakkuripiiri siirtyy korkeaimpedanssiseen tilaan. Suurin osa vuotovirrasta on alijännitesuojan vastusjakajan aiheuttamaa.

Muuttajaa voidaan ohjata EN-signaalilla päälle ja pois. Ohjaus ohittaa alijännitesuojan. Signaalia varten on 2-piikkinen piikkiriman paikka.

OminaisuusArvoKommentti
Syöttöjännitealue0-28 VLähtöjännitteen rajoittama
Lähtövirta3 A
Levyn mitat68 x 51 mm
Levyn paksuus1,6 mm
Kerroksien lkm2
Vuotovirta alijännitesuojan toimiessa87 µAVin = 30 V
Hakkuripiirin vuotovirta alij. suojan toimiessa< 4 µA
Muuttajan oma virrankulutus< 280 µA
KiinnitysreiätM3
HF-suodatus syötössä100 nF + 10 µF + 10 µF + 100 µF (elko) + 1 µH + 10 µF + 10 µFHakkurilta päin lukien

Asetuksien muuttaminen

Asettelussa muutettavat komponentit on piirretty ylempään muuttajakanavaan

Muuttajassa on kolme erikseen säädettävää kanavaa: takaisinkytkentä (jännitteensäätö), kompensointi (stabiilius) ja alijännitesuojaus. Asetuksia muutetaan vaihtamalla passiivikomponentteja (vastuksia ja kondensaattoreita) taulukoissa esitettyjen arvojen mukaisesti. Kaikkien muutettavien komponenttien koko on 0603 (1,6 x 0,8 mm).

Komponentteja voi korvata tavallisella hienokärkisellä juottimella, mutta huomattavasti helpompaa tämä on pihtijuottimella tai kuumailmapuhaltimella mikroskoopin alla. Kaikki nämä varusteet löytyvät esimerkiksi Kauniaisten Radiokerholta.

Jännitteen asettelu

Jännite asetellaan vastuksilla Rfb1 ja Rfb2. Lähtöjännitteelle pätee:

    \[ V_{out} = 0.8V\cdot\left(1+\frac{R_{fb1}}{R_{fb2}} \right) , \]

Tällöin Rfb2:n arvo jännitteen funktiona on:

    \[ R_{fb2}=\frac{R_{fb1}}{\frac{V_{out}}{0.8V}-1} . \]

Valmiiksi ladotut oletusarvot ovat:

JännitekanavaRfb1Rfb2
5 V10 kohm1.91 kohm
12 V10 kohm715 ohm

Vastusarvoja muutettaessa on aiheellista säilyttää Rfb1 noin 10kohm tuntumassa. Helpoiten tämä järjestyy jättämällä kyseinen vastus kokonaan rauhaan. Kyseinen vastus on ensimmäisessä tilauserässä muodostettu kahdesta päällekkäin juotetusta vastuksesta. Syy järjestelyyn oli huolimattomuusvirhe BOMia tehdessä, jolloin 10 kohm vastuksen tilalle ladottiin tehtaalla vahingossa 12 kohm vastus. Tästä pikkuvirheestä maksettiin oppirahoina satojen lisävastusten juottaminen.

Valmiiksi laskettuja vastusarvoja:

LähtöjänniteRfb1Rfb2
3.3 V10 kohm3.2 kohm
7.2 V10 kohm1.25 kohm
13.8 V10 kohm615 ohm
14.4 V10 kohm588 ohm

Kunnon insinööri tietenkin pyöristää arvot sallituissa reunaehdoissa lähimpään saatavilla olevaan arvoon.

Kompensointi

Kompensointiin vaikuttavat Cc1, Cc2 ja Rc. Kompensoinnin tehtävä on stabiloida takaisinkytkentäsilmukka kuorman nopeissa vaihteluissa. Muuttajien kompensointi on mitoitettu TI:n ohjeiden mukaisesti. Seuraavat arvot on ladottu oletuksena:

JännitekanavaCc1Cc2Rc
5 V10 pF2.2 nF13 kohm
12 V10 pF1 nF30 kohm

Kompensoinnin arvoja voidaan käyttää sellaisenaan lähtöjännitealueilla 4-7 V (5V kanavan arvot) ja > 7 V (12 V kanavan arvot). Pienillä lähtöjännitteillä käytetään seuraavia arvoja:

LähtöjänniteCc1Cc2Rc
3.3 V10 pF2.7 nF10 kohm

Lisää jänniteasetuksia taulukoidaan pyynnöstä tarpeen mukaan. Koska kompensoinnin arvoilla ei ammuta, valitaan laskettujen arvojen lähistöltä saatavilla olevia arvoja.

Alijännitesuoja

Muuttaja katkaisee lähdön ja siirtyy korkeaimpedanssiseen tilaan syöttöjännitteen pudottua määrätyn rajan alle. Muuttaja käynnistyy automaattisesti syötön palattua takaisin ylös. Käynnistymisraja on hystereesin verran katkaisurajaa korkeampi. Käynnistymisrajan määräävät Ruv1 ja Ruv2, ja hystereesin Ruv1.

Alijännitesuojan voi ohittaa EN-signaalin avulla, joka syötetään 2-piikkisen piikkiriman kautta. Tällöin muuttaja käskytetään käsiohjauksella päälle ja pois Käynnistymisraja on 1,25 V, jonka alla muuttaja ei ole käynnissä. EN-signaalin suurin sallittu jännite on 6 V.

Oletuksena kanaville on ladottu seuraavat arvot:

JännitekanavaKäynnistymisrajaHystereesiRuv1Ruv2
5 V7,0 V1 V330 kohm68 kohm
12 V13,4 V1 V330 kohm33 kohm

Käynnistymisjännitteen ja asetusvastusten välillä vallitsee seuraava yhteys:

    \[ R_{uv2} = \frac{1.25V}{1\mu A + \frac{V_{start} - 1.25V}{R_{uv1}}} , \]

josta on ratkaistavissa käynnistymisjännite:

    \[ V_{start} = 1.25V + \left(1.25V - R_{uv2}\cdot 1 \mu A \right) \frac{R_{uv1}}{R_{uv2}} \]

Muita hystereesin arvoja lasketaan pyynnöstä tarpeen mukaan lisää.

Mittaustuloksia

Askelvaste

Askelvaste mitattiin 4-pistemittauksella oskilloskoopin kertaliipaisulla. Liipaisuhetkellä kuorma nostettiin 0-3 A käyttäen jännitelähteenä ja kuormana HP6632-laboratorioteholähteitä, joiden pääteaste on lineaarisempi kuin useimpien stereosoittimien. Ylemmässä kanavassa on syöttöjännite HF-suodattimen jälkeen (1 V/div) ja alemmassa 5 V kanavan lähtöjännite (500 mV/div). Aikajakso on 100 µs/div. Kuvasta havaitaan, että inputissa on merkittävää kohinaa, minkä vuoksi suodatus on aiheellista, ja että 5 V linja putoaa n. 1 V mutta palautuu 100 µs:ssa 0,25 V overshootin kanssa. Lisäksi kuvasta havaitaan, että ruutukaappausten ottamisessa on vielä harjoittelemista, ja tämä on saatettu mittauksien toteuttajalle tiedoksi.

Askelvaste

Kohina

Buck-hakkurit kohisevat erityisesti syöttöönsä päin johtuvina häiriöinä virran katkomisen vuoksi. Lähdössä kohinataso on merkittävästi pienempi virran jatkuvuuden ja LC-suodatuksen vuoksi. Tämän vuoksi syöttöön on lisätty HF-suodatin.

Johtuvat häiriöt mitattiin Anritsu MS8609A -spektrianalysaattorilla pyyhkäisyalueena 100 kHz – 100 MHz. Resoluutiokaistanleveydeksi valittiin 30 kHz. Spektrikuvissa pystyakselin skaalaus on 10 dB/div, tehoasteikko.

Syötöstä mitattu spektri ilman HF-suodatusta
Syötöstä mitattu spektri HF-suodatuksen kanssa
Lähdön spektri

Tulon HF-suodatuksen merkitys on valtava: vähintään -32 dB eli valitun RBW:n pohjaan. Erityisesti tilanteissa, joissa muuttajaa käytetään pitkän syöttöjohdon päässä, toimisi syöttöjohto antennina syötön häiriöille heikentäen suorituskykyä voimakkaasti. Lähdön spektrissä on havaittavaa kohinaa (10 dB yli kohinapohjan) läpi HF-alueen ala-VHF:lle asti. Näin vähäisen kohinan suodattamisesta Scomsin kuunteluasemien elektroniikka selviytyy ongelmitta.