Reparatur Schaltnetzteil HP 54510A bzw. 1650A

[Konsole]

Respekt schonmal dafür, so weit gekommen zu sein.
Der UC3843 ist kompatibel zum 3842, braucht aber nur gut die halbe Versorgungsspannung. Vielleicht löst das zumindest das erste Problem.

Edith meint: Du Depp, das hat er doch schon geschrieben.

[barclay66]

Leider nein. Aber ich habe in der Teilesammlung eine Schottky-Diode gefunden, die bei wenig Strom unter 300mV Flussspannung hat. Das sind schon mal über 1V weniger als die UF4007, die jetzt drin ist. Morgen geht‘s weiter…

[andreas6]

Wenn die Spannung auf der kleinen netzseitigen Wicklung zu gering ist, probiere mal eine Vervielfacherschaltung. Strom kommt ja offenbar genug heraus, wenn man den vorher mit einem Widerstand bremsen musste. Und es ist nie verkehrt, eine Reihe an Schottkys im Vorrat zu haben. Bei mir sind die ausgelöteten Schottkys selektiert nach über und unter 0,2 V Flussspannung. Aber auch mit normalen schnellen Dioden funktioniert ein Vervielfacher gut.

MfG. Andreas

[ferdimh]

Bitte keinen UC3843 verwenden.
Die Hohe-Einschalt-UVLO vom 42er macht sicheres Starten erst möglich (Elko lädt auf 16V; Kiste läuft an, bevor die Spannung unter 10V gesunken ist, kommt Spannung von der Hilfswicklung). Beim 3842 darf sich der Elko nur 1V entladen und die Kiste bleibt wieder stehen.

Zur Snubberauslegung:
Drainspannung des FETs oszillographieren.
Last langsam erhöhen.
Zu sehen ist normalerweise beim Abschalten ein Überschwinger, gefolgt von einem Plateau. Der Überschwinger baut die Energie ab, die in der Streuinduktivität steckt. Da diese 1/2 LI² ist, steigt die Energie quadratisch mit dem Primärstrom (und damit mit dem Laststrom).
Der Kondensator muss so gewählt sein, dass er sich über eine Periode der Schaltfrequenz am gegebenen Widerstand ein gutes Stück entlädt. Ich würde mit viel C anfangen. Ist C zu groß, funktioniert der Snubber trotzdem, es wird nur unnötigerweise mehr Energie vernichtet.
R so lange verkleinern, bis bei Strombegrenzung die Spannungsspitze ein Stück (50V oder so) über dem Plateau ist und zur Spannungsfestigkeit des MOSFETs noch Luft ist.

Eine Leistungszener ist im Übrigen energetisch günstiger als ein Widerstand, da sie die verheizte Energie präzise an die tatsächlich anfallende anpasst. Bei Teillast wird so nicht "auf Verdacht" Energie verbraten. Dafür muss eine Zener mehr Luft lassen, dass sie nicht dauerhaft das Leiten anfängt...

[barclay66]

Hi,

danke für die Tipps. Das kann ich heute Abend mal versuchen. Bezüglich Vervielfacherschaltung müsste man sicherlich schauen, ob da genug Strom rumkommt, da der UC sich bis zu 25mA genehmigt.
In der nicht optimierten Schaltung zappelt die Versorgungsspannung um die 8V herum. Das ist definitiv zu wenig für einen UC3842 und lässt einen UC3843 zwischen Betrieb und Shutdown hin- und herschalten.

Das Thema Snubber gehe ich an, sobald mein Hochvolt-Tastkopf eingetroffen ist.

Zum Thema Source-Widerstand und Snubber möchte ich wie folgt vorgehen:

Sobald das Netzteil stabil läuft, messe ich unter Nennlast die Gesamtstromaufnahme und schaue, bei welcher Schaltfrequenz ein Minimum entsteht, ohne dass die Ausgänge in die Knie gehen. Dass muss ja dann die Frequenz für die bestmögliche Effizienz sein.
Dann schaue ich, wie viel Spannung am Source-Widerstand abfällt. Der Widerstand wird dann so neu berechnet, dass bei Nennlast ca. 0,9V abfallen. Damit sollte der Überlastschutz eingepegelt sein.
Zum Schluss wird dann gemäß obiger Vorschläge der Snubber optimiert. Da gibt es zwar auch einen ganzen Haufen Formeln dafür; mir gefällt jedoch der per Messung verifizierte Ansatz besser.

Dann kommt der erste Test im Gerät.

[barclay66]

Zur Hilfswicklung ist mir noch aufgefallen, dass diese in den meisten Anwendungsbeispielen gegenläufig zur Primärwicklung eingezeichnet ist. Damit soll wohl erreicht werden, dass der UC mit seiner Anlaufspannung wenigstens einmal den Mosfet durchschaltet und dann bei abfallender Flanke auf der Hilfswicklung ein Peak kommt. Das habe ich in meinem Netzteil noch gar nicht überprüft. Noch ein To Do...

[andreas6]

Eine Simulation zeigt diese Schaltung als brauchbar, um die Speisung des Chips aus der kleinen Trafowicklung zu sichern:

Villard.png (6.75 KiB) 605 mal betrachtet

Vorsichtshalber nur 6 V Sinus als Quelle angesetzt, kommen oben über glatte 20 V raus, bei einer Last von 25 mA. Wenn weniger reicht, tun es auch normale Dioden. Spitzenströme knapp 1 A, das sollten die Dioden und Elkos können.

MfG. Andreas

[barclay66]

Vielen Dank für Deine Mühe. Das baue ich mal separat auf zum testen.

[UMdih]

Ich würde dem Elko zwischen VCC und GND deutlich mehr Kapazität verpassen. Anstatt von 100uF würde ich eher mal 470uF probieren.
Ich kenne den UC3842 und auch den UC3843 aus beruflichen Gründen. Allerdings wird dieser Elko (aus welchen Gründen auch immer ...)
sehr gerne immer mit 100uF oder 220uF viel zu gering dimensioniert und dadurch entstehen dann unnötige Anlaufprobleme. Ein 470uF hat an
der Stelle dann immer "Wunder" bewirkt und seitdem gibt es keinerlei Anlaufprobleme mehr.

[ferdimh]

Die relativ kleine Kapazität des Elkos hat aber auch eine Schutzfunktion:
Kommt die Kiste nicht hoch, ist die Zeit, die der Wandler potentiell gegen einen Fehler arbeitet, begrenzt...
Auch 22 oder 47 µF sind öfter mal zu sehen. Problematisch werden die aber eigentlich nur, wenn sie bereits ordentlich Kapazität verloren oder ESR gewonnen haben.

[barclay66]

Hier gibt es mal wieder Neuigkeiten.

... und auch gleich noch Fragen.

Mehrere Versuche, die Stromversorgung für den UC3842 zu realisieren sind gescheitert. Darunter waren:

- Vorhandene Hilfswicklung und Vervielfacherschaltung (kam gar nicht richtig hoch, da der UC schon abschaltet bevor genug Halbwellen durchlaufen)
- Vorhandene Hilfswicklung, Gleichrichtung und DC/DC-Wandler (gleiches wie zuvor)
- Mini-Wandlertrafo parallel zu Primärwicklung und dann von dessen Sekundärwicklung abzweigen (instabil)

Am Ende ist es ein kleiner Buck-Wandler rund um den LNK304 geworden, der stabile 25V bereitstellt (siehe aktuelles Schaltbild).

Der Aufbau wurde in die vorhandenen Höhlungen eingepasst und -soweit notwendig- isoliert. Die senkrecht sitzende Platine enthält die Ansteuerung mit dem UC3842 und waagerecht sitzt der Buck-Wandler.
Der IRFP wurde auf einen neuen Kühlkörper gesetzt wo früher der TO-3 KK saß. Die nach oben stehenden Kühlrippen liegen nach Einbau ins Oszi genau im Luftstrom.

Damit läuft die ganze Chose sogar unter Last und ab rund 70 kHz stimmen auch die Ausgangsspannungen. Noch besser läuft es so rund um 100 kHz,
allerdings kommt dann ein nicht so gesund klingendes Zirpen aus der Schaltung. Der IRFP wird nicht mal richtig lauwarm und auch sonst steigt kein Magic Smoke auf.
Einzig der 15K Widerstand im Snubber wird ziemlich heiß und daher habe ich mir mal die Oszillogramme angeschaut. Das sieht irgendwie nicht wirklich gut aus:

Am Drain des IRFP460A sieht man das typische Nachschwingen nach dem Durchschalten des MOSFETs (weißer Abschnitt A im Bild).
So wie ich es verstanden habe, müsste der Snubber genau hier gegensteuern und da könnte man sicher auch noch optimieren.
Was ich aber gar nicht verstehe sind die fast zwei sinusförmigen Halbwellen, die im gelben Abschnitt B nach der Abschaltung des MOSFETs folgen. Die sollten m.E. nicht da sein, oder?
Aus der Ansteuerung stammen sie jedenfalls nicht, wie das Oszillogramm am Gate wiedergibt.

Was mir da aber nicht gefällt, ist das wilde Gezappel bei der ansteigenden Flanke. Könnte man das mit einer kleinen Kapazität gegen Masse bedämpfen, ohne das Nutzsignal abzurunden?

[ferdimh]

Der Snubber tut seinen Job vorbildmäßig, er hat nämlich die erste riesige Spannungsspitze am Anfang korrekt entsorgt (er ist vom Spannungsanstieg bis zum ersten Sinusförmigen Einbruch aktiv). Wenn der Snubber seinen Job getan hat, bleibt Restenergie übrig, die eben noch ein bisschen Nachschwingen verursacht. Dieser Schwinger ist potentiell ein EMV-Problem und könnte durch andere Dimensionierung des Gesamtkunstwerks noch etwas reduziert werden. Ein großes Problem ist er in meinen Augen aber nicht.
Der Snubber ist ansonsten nicht grob falsch dimensioniert. Man könnte den Kondensator noch verkleinern, so dass er sich während der Einschaltzeit des FETs weiter entlädt (z.Zt. ist die Zeitkonstante 150µs, d.h. das Ding entlädt sich in einem Schaltzyklus fast nicht). Dann greift der Snubber etwas früher und damit potentiell auch weicher.
Wenn du Diode und RC tauschst, kannst du auch die Spannung am Snubberkondensator zweckmäßig oszillographieren und im Zweikanalbetrieb ganz gut sehen, wann der Snubber arbeitet und wann nicht.
Das komplette Wegsnubbern des Überschwingers bei Vollast ist durch Verkleinern des Widerstandes möglich, aber nicht wirklich zweckmäßig - dann wird einfach nur unnötig viel Energie im Widerstand verbraten.

Das Gezappel am Gate würde ich erstmal für einen Messfehler halten. Ich würde zu Testzwecken mal über 1kOhm in ein Koax auskoppeln (direkt an G und Masseende-vom-Sourcewiderstand anlöten, kürzestmögliche Leitungslänge!) und am Oszi mit 50 Ohm Abschluß anschauen. Wenn dann immer noch ein Überschwinger da ist, dann können wir darüber reden, was wir dagegen machen.

EDIT: Beim genauen Hinsehen sieht man den Rumpler beim Einschalten auch auf dem Drain. Der kommt also vermutlich nicht vom Gate...

[barclay66]

Hi,

danke! Ich werde heue Abend die Diode versetzen und mit der Snubber-Kapazität etwas experimentieren.

Bezüglich der langsamen Nachschwinger habe ich eine vergleichbare Darstellung in dieser Application Note gefunden:
https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/d ... ethods.pdf

Das sieht doch fast genauso aus und wird als Effekt des LC-Schwingkreises bestehend aus Wandlerinduktivität in Verbindung mit der Drain-Source-Kapazität erklärt. Sieht nicht so aus, als ob das unterbunden werden müsste...

[Bastelbruder]

Die beiden Schwingungen unterscheiden sich primär dadurch daß die Diode bei der hohen Frequenz eingeschaltet und bei der niedrigen ausgeschaltet ist.

Bei der hohen Frequenz ist fast ausschließlich die (Summe der) Streuinduktivität(en) wirksam und bei der niedrigen nur die Induktivität der Primärwicklung.

Das RS-Pamphlet finde ich ziemlich brauchbar.

Der Snubber ist nicht besonders wirksam, die langsame Frequenz sollte viiel stärker gedämpft werden. Gegen die hohe Frequenz helfen Ferritperlen auf den Anschlüssen der Leistungshalbleiter.

[ferdimh]

Der Snubber ist nicht besonders wirksam, die langsame Frequenz sollte viiel stärker gedämpft werden.

Widerspruch!
Die niedrige Frequenz ist hässlich - tut aber kaum weh. In ihrer Sinusform hat sie auch nur geringe Motivation, die Büchse zu verlassen. "Quasi-resonant"-Wandler nutzen das sogar aus, dass sie durch Einschalten auf dem Tal der Schwingung EMV-Dreck sparen.

Um den mit dem vorhandenen Snubber kleinzukriegen, müsste man C (oder R) massiv verkleinern, sonst ist die Dioden für die ganze Zeit des langsamen Schwingers gesperrt.

[barclay66]

Nun ja, einen Schritt vorwärts und auch wieder einen oder zwei zurück...

Zunächst habe ich die Diode im Snubber versetzt, sodass sie mit der Anode am Drain des IRFP hängt.
Dann nochmal am Drain mit wesentlich näherer Massezuführung oszillografiert: Sieht natürlich fast genauso aus wie vorher aber mit weniger Spikes. War also die Masseführung zum Messen vorher nicht ideal.
Als Nächstes den Snubber-C von 10 nF auf erst 8,2 nF und dann auf 5 nF reduziert. Ergebnis: Eine geringfügigere Änderung im Einschwingmoment; es bildet sich etwas wie ein kleines Plateau aus; auf jeden Fall das genaue Gegenteil von zerstörerischen Impulsen.

Die größte Überraschung kam, als ich den Einfluss der Schaltfrequenz auf die Signalform untersuchte: Je höher die Frequenz, desto mehr vom Sinus-Schwanz im Ausschaltmoment verschwand! Bei etwa 120 kHz konnte ich den sogar komplett ausblenden. Hier die Messung am Drain bei 124 kHz:

Das sieht fast sauberer aus als am Gate!
Und hier noch die Messung an der Anode der Snubber-Diode:

Na ja, und dann wollte ich noch eine andere Diode ausprobieren, die noch schneller schaltet: Paff!
Die war etwas weniger Spannungsresistent, legierte durch, riss den IRFP mit sich, dessen Source-Widerstand und auch den UC3842. Zum Glück habe ich alles mehrfach da. Also morgen wieder der Neuaufbau...

[tom]

Diese Schalung Funktioniert seit Jahrzehnten in zig-tausend Geräten.
Vielleicht kannst Du damit was anfangen.
Schau Dir auch mal die Gate- Ansteuerung an.

[ferdimh]

Der Kondensator kann theoretisch solange verkleinert werden, bis entweder die Spannungsspitze am Anfang zu groß wird, oder eine Stufe im Sägezahn entsteht (die Diode also zwischendrin noch mal leitend wird). Da ginge also noch was...
Andererseits ist es vielleicht gut genug, und du optimierst dich kaputt.

Der Ausschwinger "verschwindet" durch Erhöhen der Schaltfrequenz, weil du den lückenden Betrieb verlässt:
Bei niedriger Schaltfrequenz steigt der Primärstrom (und damit das Magnetfeld im Kern) an, bis der Transistor abschaltet. Dann leitet die Diode auf der Sekundärseite, bis der Strom auf 0 geht. Wenn der Strom auf 0 ist, leitet gar nichts mehr, und die Energie, die in diversen Schaltkapazitäten steckt, kann unbehelligt schwingen.
Erhöhst du jetzt die Schaltfrequenz, schaltet der Transistor wieder ein, bevor der Strom auf 0 geht, und die Ausschwingphase wird (zumindest bei hoher Last) vermieden.

Das nutzt den Übertrager etwas besser aus (was du vermutlich hier nicht brauchst), macht aber die Regelschleife zickiger: Dadurch, dass der Strom nicht auf 0 geht, bekommt der Übertrager ein Gedächtnis. Bei gegebener Einschaltzeit wird der Spitzenstrom dann mit jeder Periode größer (oder kleiner). Das gibt eine zusätzliche verzögerte Reaktion, die zusätzliches Schwingpotential birgt.
Der UC3842 kommt damit klar (weil er eben nicht auf die Einschaltzeit, sondern auf den Spitzenstrom guckt), aber historische Schaltungen eher weniger. Daher wird Alttechnik in der Regel so ausgelegt, dass sie stets lückt.

Bei hohen Einschaltzeiten und nichtlückendem Betrieb können immer noch Instabilitäten auftreten. Die kann man beseitigen, indem man ein bisschen Sägezahn aus dem Generator mit auf den Current Sense-Pin gibt. Damit würde ich aber warten, bis ein reales Problem existiert. Meiner Meinung nach läuft der Eimer jetzt schon gut genug.