Säädettävä AC-AC tai HV-DC jännitelähde (0-260Vac)

Julkaistu: perjantai 17.3.2017

Elektroniikkaharrastajana tarvitsee kaikenlaisia mittalaitteita ja välineitä, joista onneksi suurimman osan saa kaupasta valmiina ja testattuna tuotteena, mutta tätä laitetta en ainakaan itse löytänyt oikein mistään. Kyseessä on siis säädettävä vaihtojännitelähde, joka on lisäksi suojaerotettu muusta sähköstä (talon sähköstä). Miksi tarvitsin tällaista? No se selviää kun luet eteenpäin.

AC-AC jännitelähde on nimensä mukaisesti muuntaja, joka muuttaa AC-jännitteen toiseksi AC-jännitteeksi. Tässä ei sinänsä ole mitään erikoista, kaupastahan saa muuntajia mitä erilaisimmilla spekseillä. Tälle laitteelle kuitenkin poikkeuksellisen ominaisuuden tekee sen säädettävyys.

Säädettävyyden lisäksi laitteella on lisäksi pystyttävä syöttämään verkkosähköä laitteelle X. Tämä toinen vaatimus tekee myös laitteesta erityisen, sillä nyt puhutaan verkkosähköstä, siis siitä tappavimmasta muodosta väärin nautittuna.

Koteloimaton perusmuuntaja

Perinteistä kaupallista muuntajaa ei oikein voi kuitenkaan säätää. Esimerkiksi kuvan muuntaja antaa ulos 2 x 12 volttia, eikä sitä voi näin ollen säätää. Valmistaja on rakentanut muuntajan käämit sellaisiksi, että muuntajan toiselle puolelle syötetään sähköverkosta 230 Vac ja toiselta puolelta ulos saadaan 2x12 Vac . Tämä jännite voidaan toki tasasuunnata, mutta sitten kyseessä onkin jo AC-DC muuntaja.

AC-DC muuntajia minulta löytyy valmiiksi useita erilaisia ja labravirtalähteitä on parikin kappaletta, mutta nämä eivät tuota vaihtovirtaa/-jännitettä, mitä testilaitteeltani nyt vaaditaan.

Muita vaihtoehtoja vaihtojännitteen säätöön

Okei, tässä kohtaa voisi miettiä, että miksei voisi käyttää yksinkertaista lampun himmennintä? Toki, joissakin sovelluksissa voikin, mutta en halua että laitteeni muuttaa syötettyä aaltomuotoa (siniaalto).

Lampun himmentimethän toimivat niin, että ne muuntavat siniaaltoa ns. "leikkaamalla" siniaallosta palan pois, kuten alla oleva kuva esittää:

Signaalin amplitudia (eli jännitteen maksimia/minimiä) himmennin ei muuta. Voidaankin sanoa, että himmennin toimii vähentämällä lampulle syötettävää tehoa. No joka tapauksessa, tämä metodi ei kelpaa.

Verkkokaupasta valmis laite?

Elektronisesti ohjattua vaihtojännitelähdettä, joka kykenee syöttämään jotain kodin elektroniikkalaitetta, ei taida olla olemassa. Koitin pitkään googletella aihetta ja etsiä mm. amazonista ja ebaysta näitä laitteita, mutta en löytänyt mitään vastaavaa. Vinkatkaa toki, jos sellaisen löydätte!

Myöskään sopivia ei-elektronisia laitteita ei tuntunut löytyvän. Lopulta päädyin ratkaisuun, joka on aika yksinkertainen: ostan itselleni säätömuuntajan ja käytän sitä. Tämän ajatuksen ympärille rakentuikin sitten laitteen muut ominaisuudet.

Säätömuuntaja

Säätömuuntaja on kuin mikä tahansa muukin muuntaja (no, ei ehkä ihan siinä perinteisessä muodossa mutta kuitenkin), mihin syötetään 230 Vac vaihtosähköä ja toiselta puolen saadaan vaihtosähköä ulos. Ulos otettavan vaihtosähkön amplitudia (jännitteen huippuarvoa) voidaan säätää yksinkertaisesti pyörittämällä säätömuuntajan keskeltä löytyvää nuppia - samaan tapaan kuin potentiometrissä sitä keskimmäistä vipua.

Säätömuuntaja
Säätömuuntaja

 

Tottakai tarvitsin hommata muutakin komponenttia ympärille, joten kaappasin ostoskoriini säätömuuntajan lisäksi sulakkeita, suojaerotusmuuntajan, kotelon, virta- ja jännitemittarit. Muita osia minulta löytyi jo omasta takaa ja 3D-tulostimella sain tehtyä loput tarvittavat koteloinnin osat.

Laitteen käyttötarkoitus

Nyt kun taustaa laitteen erikoisille vaatimuksille ja aiheesta yleisesti on kerrottu, niin valotetaan hieman mihin kaikkeen tätä voidaan käyttää.

Laitetta voidaan käyttää ainakin seuraavissa tilanteissa:

  • Tutkimaan paljonko jokin laite kuluttaa sähköä (virtamittarin avulla)
  • Tuntemattomien muuntajien/venttiileiden testaus ja mittaus. Saturaation selvitys (oskilloskoopin avulla).
  • Tuottamaan korkeaa jännitettä (tasasuuntaussillan ja kondensaattorin avulla) esimerkiksi "load dump" tai "surge current" testaukseen.
  • Eristämään tutkittava laite mittalaitteista ja käyttäjästä
  • 110 Vac laitteiden jännitelähteenä
  • "Simuloimaan" erilaisia kaupallisia ei-säädettäviä muuntajia

Kyseiset käyttökohteet pitävät sisällään monenlaisia sovelluksia, joita en kuitenkaan ala erikseen selittelemään. Niistä sitten joskus myöhemmin.

Varsinainen käyttötarkoitus minulla on kuitenkin erottaa (galvaanisesti) mitattava laite verkkosähköstä. Erotus tarvitaan sen vuoksi, ettei hajoteta omia kalliita mittalaitteita, jotka toimivat verkkovirralla (oskilloskooppi esimerkiksi). Galvaaninen erotus ei tietenkään onnistu säätömuuntajan avulla, mutta koska jouduin säätömuuntajan hankkimaan, niin tarvitsin myös suojaerotusmuuntajan.

Suojaerotusmuuntaja

Suojaerotusmuuntajan avulla tutkittava laite erotetaan verkkosähköstä niin, että tutkittavan laitteen ja mittalaitteen (tai käyttäjän) potentiaalit (maa ja vaihe + suojamaa) eivät koskaan yhdisty. Tämä erotus tehdään turvallisuus- sekä suojaussyistä.

Suojaerotusmuuntajan toiminta

Kuvan lähde: http://www.intertrafo.fi/muuntaja/kaksikaamimuuntaja/suojaerotusmuuntaja

Kun ylläolevaa kuvaa katsotaan, voidaan ajatella että laboratorion mittalaitteet, virtalähteet yms on kytketty kuvan vasemmalle puolelle verkkosähköön. Suojaerotusmuuntaja tuottaa kuvan oikealle puolen myös verkkojännitteen (230Vac), mutta oikeanpuoleinen kytkentä ei koskaan tule kosketuksiin vasemman puolen virtapiirin tai laboratorion maan kanssa.

Ilman suojaerotusmuuntajaa saattaisi käydä esimerkiksi niin, että oskilloskoopin mittapään maajohtoa pitkin kulkisi kaikki piirissä oleva virta. Toisaalta myös oskilloskoopin runko (ja maaklipsu) saattaisi muuttua jännitteiseksi ja se olisi myös vaarallinen kytkentä.

Suojaerotusmuuntaja ei kuitenkaan tee kuvan oikeanpuoleisesta kytkennästä 100%:n turvallista, siitä edelleen saa kuolettavan sähköiskun jos tarraa molemmista johtimista kiinni käsillään. Onkin siis hyvä muistaa sähkömiehen nyrkkisääntö "toinen käsi taskussa" tässäkin tapauksessa.

Laitteen koteloinnin suunnittelu ja toteutus

Laitteen rakentaminen alkoi tietenkin mittailulla ja tuumailulla, että mihin muotoon ja millaiseen asentoon kunkin komponentin asentaa. Muovikotelo toimii myös hyvänä eristeenä, vaikka paloturvallisuuden kannalta se ei ole paras mahdollinen. Laitteessa on kuitenkin virranrajoittimet (sulakkeet) jos sitä ylikuormitetaan ja säätömuuntaja on mitoitettu suuremmalle kuormalle kuin mitä suojaukset ovat.

Osien saavuttua ensimmäisenä aloitin mittailemaan ja sommittelemaan säätömuuntajan paikkaa. Paikka tulee tietenkin ns. "etupaneeliin", mistä säätömuuntajan nuppia pitää pyörittää.

 

Vaikka koitin tilatessa katsoa, että kotelo olisi riittävän suuri, niin ei kuitenkaan jostain syystä ollut ja suunnitelmiin tuli muutos. Kotelon takaseinään täytyy tehdä aukko, että säätömuuntaja mahtuu paikoilleen:

 

Mittaristo tulee säätönumikan alapuolelle ja avaukset mittareille täytyi tehdä poraamalla useita yksittäisiä reikiä piirretyn ympyrän kehälle ja jyrsiä dremelillä reikien välit auki.

Kun etukannen laittaa väliaikaisesti kiinni, alkaa laitteen muoto hiljalleen hahmottua.

Suojaerotusmuuntajan ruuvasin laitteen taakse, mistä johtimet vedetään laitteen sisään läpivientien kautta.

Säätömuuntajan takaosalle tarvitsee 3D-tulostaa kotelo, koska muuten korkeajännitteiset osat olisivat paljaana ja sitähän minä en tietenkään halua. Kotelon mitat selvitin työntömitan ja viivottimen avulla ja mallinsin kappaleen Sketchup-ohjelmalla.

Kun tulostus oli n. 6 tuntia myöhemmin valmis, saattoi sitä mallailla kohteeseen. Tulostuksessa käytettiin 0,3mm kerrospaksuutta, 15% täyttöä ja tukimateriaalia tarvittiin neljään kohtaan kulmiin. Kiinnitys takakuoreen tulee M3-ruuveilla ja nylock-muttereilla.

Mitat osuivat tulostetussa kappaleessa kohdalleen. Laitteen sähkönsyöttö tulee alla olevassa kuvassa näkyvän pistokkeen kautta. Samanlaisia pistokkeita löytyy mm. läppäreiden muuntajista. Kyseinen pistoke on jostakin joskus löytänyt tiensä pajaani ja pääsee nyt hyötykäyttöön.

Kytkentöjen suunnittelu

Vietin pitkän tovin suunnitellessani millä tavalla kytkisin kaikki osat toisiinsa kiinni. Tietenkin mittaristo on selvä juttu, että jännite mitataan säätömuuntajalta ja virta koko laitteen läpi, mutta muut asiat olivat vielä hämärän peitossa.

Koska suojaerotusmuuntaja kykenee syöttämää vain 0,27 A virtaa (joka sekin tekee jo 62,1 Wattia) ja säätömuuntaja kykenee antamaan moninkertaisen määrän (2,8 A) virtaa, halusin mahdollisuuden ohittaa suojaerotusmuuntajan tarvittaessa.

Aluksi mietin relekytkentää, mutta releet äkkiä nostaisivat lisää laitteen hintaa ja laitteen sisällä kun ei ole kovin suuria tiloja käytettävissä (vaikka kyllä sinne parit releet varmaan olisikin mahtunut). En vain pitänyt rele-ajatuksesta, vaikka sitä pyörittelinkin.

Päädyin lopulta ratkaisuun, missä ohitus tehdään yksinkertaisella kytkimellä. Kytkin sisältää yhden vivun, mutta se ohjaa neljää eri kytkintä saman aikaisesti. Kytkimen tyyppi on tällöin 4PDT. Lisätietoa kytkimistä löytyy esimerkiksi sparkfunin sivuilta.

Oheinen kuva esittää kytkentäkaaviota, joka on varsin yksinkertainen, vaikka saattaa näyttää aluksi monimutkaiselta. Kytkennässä ohitetaan suojaerotusmuuntaja kun kytkin on toisessa laidassa. Tällöin sähköt ohjautuvat suoraan säätömuuntajalle ja suojaerotusmuuntajalle menevä sähkö katkeaa. Samalla myös suojaerotusmuuntajan toisiopuoli jää kelluvaksi.

Kytkentäkaavio PDF-tiedostona

Laitteeseen tulee myös DC-pistokkeet, joista saadaan vaihtosähkön sijaan tasasähköä tasasuuntauksen ja kondensaattorin avulla. Tätä ominaisuutta voidaan käyttää esimerkiksi "load dump" testauksessa tai muissa korkeaa DC-jännitettä vaativissa tarkoituksissa.

Kytkentöjen ja laitteen rakentaminen

Tämä vaihe kesti oikeastaan kaikista pisimpään. Tässä tuhraantui aikaa useamman illan verran, mikä pitkälti johtui siitä, että pohdin edelleen kytkennän vaihtamista johonkin muuhun samalla kun suunnittelin mikä osa ja liitin tulee mihinkin ja kuinka kaapelointi hoidetaan. Hyvin suunniteltu on puoliksi tehty pitää paikkansa, mutta minullahan ei kytkennän lisäksi muuta suunnitelmaa ollut, sen kun tein vain - siksipä se kestikin.

Alla kuvia rakentelun vaiheesta, missä sähköjohtoja on jo kytketty ja reititetty. Käytin johdotuksessa abico-liittimiä, mutta osan johdoista juotin paikoilleen ja eristin paljaat kohdat asianmukaisesti kutistesukilla.

Etukansi voidaan avata "naamalleen" laitteen eteen, kun johtimissa on riittävästi pituutta.

Suojaerotusmuuntajan johdot tulevat takaseinän läpi etupaneelille. Kuvasta voidaan huomata myös laitteen suojamaa (keltavihreä), joka on jätetty kytkemättä tarkoituksella sekä suojattu avonainen pää kutistesukalla.

Tässä kuvassa nähdään mittariston ja muuntajien lisäksi etupaneeliin ilmestyneet virtakatkaisin, sulakepesä, sulakkeen rikkoutumisen ilmaisinledi, banaaniliittimet DC-jännitteelle, 7mm punainen led joka kertoo että laite on päällä ja viimeisin alhaalla oikealla suojaerotusmuuntajan ohituskytkin, eli ns. "safety switch".

Laitteen mittaristo näyttää syötetyn vaihtojännitteen ja vaihtovirran, mitä testattava laite ottaa.

Laitteen kylkeen asennettiin pistorasia, mihin testattava laite "töpselöidään". Tämän lisäksi myös säätömuuntajan asteikko piti kiinnittää etukuoreen M3-ruuveilla. Tein kierteet etukuoren muoviin, joten muttereita tms. ei kiinnityksessä tarvinnut.

Kun laite alkoi olla viimeistelyä vaille valmis, tulostin Dymo tarrakirjoittimella etupaneelin tarrat, jotka kertovat kunkin osan merkityksen. Puhdistin liimattavat alueet huolellisesti El-Mec cleanerillä ja liimasin tarrat paikoilleen. Lopputulos näyttää ihan siedettävältä mielestäni.

Alla kuvat edestä ja takaa.

Testaus ja lopputulos

Testaukseen kuului kuormitustesti ja jännitetesti. Aluksi kuormatestinä käytin 10 Watin LED-työvalaisinta, mutta se ottaa 230 voltista niin vähän virtaa että mittarin neula tuskin värähtää (5 A:n asteikko). Toisen testin tein 6,8 ohmin tehovastuksella ja syötin siihen lähemmäs 3A virtaa lyhyen aikaa. En havainnut laitteessa mitään outoa, toki muuntajat voivat hieman lämmetä, mutta tätä laitetta ei ole tarkoitettu pitkäaikaisiin testauksiin. Myös tehovastus lämpesi erittäin nopeasti polttavan kuumaksi. Tämän testin tein sen vuoksi, että näin virtamittarin toimivuuden.

Jännitetestauksessa käytin kuormana LED-nauhaa, pientä vaihtovirtamoottoria sekä ihan mittailemalla tarkastin toimivuuden.

Ja lopuksi pieni pätkä laitteen testauksesta. Vasemmalla voidaan huomata mittarista DC-jännite ja oikealla AC-jännite. DC-jännite on 1,4 kertaa AC-jännite (tai tarkemmin sanottuna AC kertaa √2)

Laitteelle kertyi hintaa lopulta noin 160-200 €. En niin tarkasti laskenut kaikkia osia mitä minulla oli jo valmiiksi hyllyssä, mutta uudet osat jotka tilasin olivat noin 150 €:n luokkaa. Ehdottomasti kallein osa oli säätömuuntaja, hyvänä kakkosena suojaerotusmuuntaja ja kolmantena kotelo.

Loppusanat

Ennen rakentelun aloitusta koitin siis etsiä vastaavaa kaupallista laitetta, mutta en löytänyt mitään sopivaa. Tästä muotoitui ajatus, että rakennan laitteen itse ja asetin itselleni budjettirajan maksimissaan muutamaan sataseen.

Laitteessa on käytetty kierrätettyjä eli muista elektroniikkalaitteista purettuja osia, kuten virtaliitin, banaanipistokkeet, tasasuuntaussilta sekä 33uF 400V kondensaattori. Myös suurin osa laitteen johtimista on peräisin roskiin menevästä ylimääräisestä, mutta hyväkuntoisesta tavarasta. Laitteen oma verkkosähköjohto on myös alunperin roskiin tarkoitetuksi. Näille osille voidaan laskea muutama kymppi hintaa, jos nämä olisi pitänyt ostaa uutena.

Laitteessa on kustomoitu takakuori, joka olisi ollut hankala valmistaa ilman 3D-tulostinta. Jos minulla olisi ollut suurempialustainen 3D-tulostin, niin olisin ilman muuta tulostanut kotelon tälle laitteelle, joka sekin olisi pudottanut hintaa reilusti. Nykyinen fiboxin kotelo maksoi noin 25 euroa ja tulostamalla sen olisi saanut tehtyä varmasti alle 10:een euroon, uskaltaisin väittää että jopa alle vitoseen.

Toiseen kertaan en ehkä laitetta tekisi tällä tavalla, vaan suunnittelisin työvaiheita helpottavia ja nopeuttavia askareita. Esimerkiksi kunnollinen jyrsin nopeuttaisi rakentamista. Sähköjohdotukset miettisin uudestaan fiksummin ja siistimmin tehtäviksi ja etupaneelin ulkonäöstä voisi tehdä "coolimman".

Lopuksi...

AC-AC HV-DC jännitelähteen speksit:

  • Tulojännite: 230 Vac
  • Lähtöjännite: 0 - 230 Vac / 0-325 Vdc
  • Sallitut lähtövirrat:
    • Suojaerotusmuuntajan kautta: 0,27 A
    • Suoraan säätömuuntajalta: 2,0 A
  • Sulake: 2 A 6,3x32 (nopea)
  • DC-lähdön kapasitanssi: 33uF
  • LED-ilmaisin (laite on päällä)
  • Sulake palanut ilmaisin LED
  • AC-lähtö: CEE 7/3 Schuko -pistorasia (suojamaadoittamaton)