Лабораторный блок питания (0-30 В, 3 А)
На входы X1 и X2 подается переменное напряжение 24 В от сетевого трансформатора. Трансформатор должен быть приличных габаритов, чтобы в нагрузку он смог выдать до 3 А.
Диоды D1…D4 соединены в диодный мост. Можно взять диоды, которые выдерживают прямой ток 3 А и выше (1N5401. 1N5408, КД213), или использовать готовый диодный мост, который бы тоже выдерживал прямой ток 3 А и выше.
Микросхемы U1, U2, U3 представляют из себя операционные усилители. Их цоколевка (расположение выводов) показана на рис. 2.
Рис. 2 — Цоколевка операционных усилителей TL081
«NC» на выводе 8 означает, что этот вывод никуда не присоединяется. В схеме выводы 1 и 5 также никуда не соединяются. Операционные усилители желательно устанавливать в панельки ("кроватки") для микросхем.
Лабораторный блок питания своими руками
Сегодня вы узнаете как собрать надёжный лабораторный блок питания с регулировкой тока и напряжения. Использоваться будут готовые компоненты и модули, поэтому, если следовать схеме и инструкции, сложностей в сборке возникнуть не должно. Основным компонентом в схеме, будет модуль DC-DC преобразователя, который можно приобрести на Алиэкспресс, все ссылки будут в конце статьи.
Основные характеристики DC-DC преобразователя:
— Входное напряжение 5 — 40 Вольт;
— Выходное напряжение 1.2 — 35 Вольт;
— Выходной ток (мах) 9 Ампер, желательно установить кулер.
Схема блока питания:
Как уже говорилось выше, схема простая, сетевое напряжение поступает на трансформатор, имеется сетевой выключатель и предохранитель, напряжение понижается трансформатором, верхняя честь схемы силовая. Переменное напряжение поступает на диодный мост и сглаживающий конденсатор. Далее поступает на DC-DC преобразователь, с преобразователя напряжение поступает на выходные клеммы. Минус схемы разрывается приборчиком, для удобства, регулировочные резисторы вынесены с платы.
Нижняя предназначена для питания вольтамперметра. Трансформатор имеет отдельную обмотку, как и с силовой обмоткой, переменное напряжение поступает на диодный мост и фильтрующий конденсатор. Далее установлен линейный стабилизатор на 5 Вольт.
Со схемой разобрались, теперь переходим к компонентам.
Корпусом лабораторного блока питания будет служить старый корпус от регулятора паяльника. Регулятор паяльника еще времен СССР, очень добротный.
Передняя панель будет из композитного пластика. Состоит пластик из двух пластин алюминия и пластика между ним, с одной стороны, он белый, с второй черный. Черная сторона будет лицевой.
Понижающий трансформатор от старого оборудования, уже не помню какого. Его пришлось слегка доработать, сделал отвод на 22 Вольта, полная обмотка на 27 Вольт. Если оставить, то после диодного моста напряжение более 30 Вольт. Это много для стабилизатора 7805, установленного на DC-DC преобразователе. Он питает операционный усилитель схемы. Хоть и заявлено 40 Вольт, при учете максимального для 7805 в 30 Вольт.
Понижающий преобразователь постоянного тока.
Так же понадобятся клеммы, с данном случаи используются стары советские.
Конденсатор на 4700 мкф*63 Вольта. Из расчета 1000 мкф на 1 Ампер. На модуле установлены еще 2*470 мкф.
Диодный мост можно взять и единый, но у меня остался от старого проекта. Собран на 4-х диодах Д242.
Изготовление блока питания
На дне корпуса размечаем, сверлим отверстия под: трансформатор, диодный мост, модуль. Все спаиваем соответственно схемы. С модуля выпаял два подстроечных резистора. Вместо них припаял провода. На токовый 3 провода, на напряжение два.
Питать Вольтамперметр буду через линейный стабилизатор на 5 Вольт. Диодный мост КЦ402 и конденсатор небольшой емкости.
На задней панели делаю разметку под сетевой разъем и предохранитель. Все аккуратно выпиливаю и устанавливаю.
На передней панели размечаю и вырезаю все отверстия. Тут будут: выходные клеммы, сетевой выключатель, резисторы тока и напряжения, Вольтамперметр.
Распаял все элементы устанавливаемые изнутри. Сетевой выключатель коммутирует оба сетевых провода. Первоначально хотел применить другой.
Устанавливаем все элементы передней панели. Плюсовая клемма отмечена красной краской. Ручки резисторов разного цвета. Красная по цвету отображения Вольт. Желтая по току. Пока что не подписывал где ток и напряжение. Позже буду менять резисторы на многооборотные, ручки возможно тоже поменяю.
Верхнюю крышку покрасил. Между передней панелью и крышкой была слишком большая щель, ее закрыл небольшим уголком. При проверке блок выдал 9 Ампер на коротком, при 28 Вольтах, что составило чуть больше 250 Ватт.
Такой вот Лабораторный Блок Питания получился. Им можно как питать разного рода устройства, также заряжать аккумуляторы. Первоначально хотел применить импульсный источник на 24 Вольта, но попался трансформатор нужных габаритов. Так же, стараюсь собирать устройство из того что есть. Всем спасибо за внимание!
Это не надёжный блок питания, если выставить напряжение и нагрузка будет потреблять ток неравномерно, то напряжение тоже будет плясать
А вот это — отстой. Транс слабенький и даже половину мощности DC-DC данных не выдаст. Да и вообще транс не одобряю, лучше его продать туда где он нужен реально и купить китайский AC-DC на нормальную мощность.
Собственно основа и начало мыслей было тут
Блок питания
Доброго времени суток, уважаемые пикабушники! Начну с небольшой предыстории. Недавно собрал себе стереоусилитель для двух колонок от музыкального центра. Звук радовал но всё же не хватало низкочастотной составляющей. Так как конструировать сабвуфер для меня не самое простое дело, то нужно было что-то думать. Мне повезло и в гараже нашёлся старенький автомобильный активный (со встроенным усилителем) саб, со всей проводкой.
Но подключить его дома, в розетку, само собой не представлялось возможным, т.к. питается он от 12 В. Тут и решено было изготовить блок питания, который бы решил эту проблему.
Началось всё с печатной платы. Я далеко не профессионал в проектировании, поэтому решил взять готовую плату и переразвести под свои нужды. Далее фото этапов изготовления печатной платы методом лут (Если коротко, печатаем дорожки на лазерном принтере, желательно использовать глянцевую бумагу. Потом переносим с помощью нагретого утюга изображение на кусок фольгированного стеклотекстолита. Подробности узнайте у гугла).
Залудил плату, просверлил отверстия.
Немаловажным является и корпус устройства. Плату делал в расчёте на то, что она встанет на «родные» крепления компьютерного блока питания. Смонтировал габаритные детали и примерил. Всё вроде достаточно не плохо, нечего не выпирает).
Далее я приступил к монтажу деталей на плату.
Самым непростым, на мой взгляд, является намотка трансформатора, однако, если долго мучится, что-нибудь получится:) Если кому интересно, первичная обмотка 35 витков, вторичная 3+3 витка. Рассчитывался на частоту 40 кГц в специализированных программах. Сечения проводов не запомнил, но они довольно толстые.
После завершения монтажа необходимо было проверить работоспособность платы.
Фуф, всё работает и не взрывается:) На выходе получилось 15 вольт.
Далее приступил к подготовке корпуса. Клеммами выступили винты М4. Закрепил их через пластину из стеклотекстолита, дабы они не замкнули через металлический корпус. «Плюсом» блока питания будет верхняя клемма. Так же решено было покрасить ящик.
Да, маляр из меня так себе. Наверно нужно было использовать матовую краску, может вышло бы получше, но как говорится.
Мощность блока питания составляет примерно 450 Вт (в теории). Для моих нужд достаточно с головой. При работе нагрузить удалось от силы на 100-150 Вт а то и меньше.
Таким образом крепятся провода питания идущие от сабвуфера. С обратной стороны, аналогичным образом крепятся провода с платы.
Лабораторный блок питания
При создании различных электронных устройств, рано или поздно, встаёт вопрос о том, что использовать в качестве источника питания для самодельной электроники. Допустим, собрали вы какую-нибудь светодиодную мигалку, теперь её нужно от чего-то аккуратно запитать. Очень часто для этих целей используют различные зарядные устройства для телефонов, блоки питания компьютеров, всевозможные сетевые адаптеры, которые никак не ограничивают ток, отдаваемый в нагрузку.
А если, допустим, на плате этой самой светодиодной мигалки случайно остались незамеченными две замкнутые дорожки? Подключив её к мощному компьютерному блоку питания собранное устройство легко может сгореть, если на плате имеется какая-либо ошибка монтажа. Именно для того, чтобы не случалось таких неприятных ситуаций, существуют лабораторные блоки питания с защитой по току. Заранее зная, какой примерно ток будет потреблять подключаемое устройство, мы можем предотвратить короткое замыкание, и, как следствие, выгорание транзисторов и нежных микросхем.
В этой статье рассмотрим процесс создания именно такого блока питания, к которому можно подключать нагрузку, не боясь, что что-нибудь сгорит.
Схема блока питания
Схема содержит в себе микросхему LM324, которая совмещает в себе 4 операционных усилителя, вместо неё можно ставить TL074. Операционный усилитель ОР1 отвечает за регулировку выходного напряжения, а ОР2-ОР4 следят за потребляемым нагрузкой током. Микросхема TL431 формирует опорное напряжение, примерно равное 10,7 вольт, оно не зависит от величины питающего напряжения. Переменный резистор R4 устанавливает выходное напряжение, резистором R5 можно подогнать рамки изменения напряжения под свои нужны. Защита по току работает следующим образом: нагрузка потребляет ток, который протекает через низкоомный резистор R20, который называется шунтом, величина падения напряжения на нём зависит от потребляемого тока. Операционный усилитель ОР4 используется в качестве усилителя, повышая малое напряжение падения на шунте до уровня 5-6 вольт, напряжение на выходе ОР4 меняется от нуля до 5-6 вольт в зависимости от тока нагрузки. Каскад ОР3 работает в качестве компаратора, сравнивая напряжение на своих входах. Напряжение на одном входе задаётся переменным резистором R13, который устанавливает порог срабатывания защиты, а напряжение на втором входе зависит от тока нагрузки. Таким образом, как только ток превысит определённый уровень, на выходе ОР3 появится напряжение, открывающее транзистор VT3, который, в свою очередь, подтягивает базу транзистора VT2 к земле, закрывая его. Закрытый транзистор VT2 закрывает силовой VT1, размыкая цепь питания нагрузки. Происходят все эти процессы за считанные доли секунды.
Резистор R20 стоит взять мощностью ватт на 5, чтобы предотвратить его возможный нагрев при долгой работе. Подстроечный резистор R19 задаёт чувствительность по току, чем больше его номинал, тем большей чувствительности можно добиться. Резистор R16 настраивает гистерезис защиты, рекомендую не увлекаться с повышением его номинала. Сопротивление 5-10 кОм обеспечит чёткое защёлкивание схемы при срабатывании защиты, более большое сопротивление даст эффект ограничения по току, когда напряжение не выходе будет пропадать не полностью.
В качестве силового транзистора можно применить отечественные КТ818, КТ837, КТ825 или импортный TIP42. Особое внимание стоит уделить его охлаждению, ведь вся разница входного и выходного напряжение будет рассеиваться в виде тепла на этом транзисторе. Именно поэтому не стоит использовать блок питания на малом выходном напряжении и большом токе, нагрев транзистора при этом будет максимальным. Итак, перейдём от слов к делу.
Изготовление печатной платы и сборка
Печатная плата выполняется методом ЛУТ, который неоднократно описывался в интернете.
Как устроен лабораторный блок питания
Двухканальный управляемый лабораторный блок питания
Автор: hax
Опубликовано 21.09.2016
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса «Поздравь Кота по-человечески 2016!»
Краткие характеристики
_____________________________________________________
Для питания своих устройств длительное время пользовался зарядкой от ноутбука, зарядками для телефонов и простейшим регулируемым блоком питания, переделанным из “дежурки” ATX.
Потребность в хорошем лабораторном блоке питания ощущалась всегда, при этом хотелось сделать его самостоятельно.
В конце концов, вооружившись схемами лабораторных блоков питания из интернета, мне удалось разработать схему, прошивку и собрать блок питания, который служит безотказно вот уже более года. Результат полностью удовлетворил мои нужды.
Далее попытаюсь вжать в с статью то, что делалось почти два года с перерывами.
Постановка задачи
_____________________________________________________
Итак, разработка началась с постановки задачи, все пункты которой в итоге оказались выполнены на 100%:
- двухканальный блок питания. Каналы независимые. Можно соединять последовательно для получения двухполярного или повышенного напряжения. Есть режим синхронизации установки параметров;
- диапазон регулировки напряжения: 0 — 25В;
- диапазон регулировки тока: 10мА — 3А. Нижний предел в 10мА желателен для проверки светодиодов, стабилитронов;
- режимы отсечки и ограничения тока. При КЗ в режиме ограничения тока напряжение должно опускаться до нуля. Ограничение тока должно отрабатывать в пределах 1мс;
- уровень пульсаций напряжения меньше 50мВ;
- точность установки напряжения — до 100мВ;
- точность установки тока — до 10мА;
- отображение текущего измеренного напряжения и тока ( 4 разряда ) на 7-ми сегментных светодиодных индикаторах. Эти индикаторы отлично читаются при любом освещении и угле зрения;
- малогабаритный пластмассовый корпус Z2W 70x150x180;
- управление каналом одним энкодером
- общая кнопка включения/отключения питания;
- автоматическая регулировка скорости вентилятора и аварийное отключение при превышении температуры;
- высокий КПД и низкое тепловыделение, желательна работа без принудительного обдува;
- первичный источник должен иметь достаточный запас по мощности, чтобы выдавать ток 3А на всём диапазоне регулировки напряжений;
- по максимуму использовать имеющиеся детали от компьютерных блоков питания, материнских плат, энергосберегающих ламп, радиоуправляемых игрушек;
- схема может использовать большее количество деталей, чем необходимо, если они есть в наличии или очень дёшевы;
- баланс в сторону простоты схемы, а не получения экстраординарных характеристик.
В качестве вдохновения выступал блок питания от ноутбука, который при своих габаритах и полном отсутствии охлаждения способен выдавать 200Вт!
Обзор модулей блока питания
_____________________________________________________
Общий вид БП показан на диаграмме. Первичный источник питания с двумя гальванически развязанными выходами подаёт питание на два идентичных контроллера каналов. Контроллеры подключаются к блоку индикации, каждый к своему. Оба блока индикации находятся на лицевой плате, но они не связаны гальванически. Общая кнопка включения присоединяется к первому каналу.
Гальваническая развязка каналов
_____________________________________________________
Гальваническая развязка измерительных модулей сама по себе является непростой задачей. Для упрощения схемы был выбран другой путь: каналы управляются полностью одинаковыми модулями, каждый на своём отдельном микроконтроллере. Связь между модулями осуществляется через UART интерфейс, развязанный с помощью оптопар. Оба канала — равноправные, осуществляют двухстроннюю коммуникацию для синхронизации параметров и для аварийного отключения.
Далее рассмотрим все модули подробней.
Первичный источник питания
_____________________________________________________
В качестве первичного источника питания используется нерегулируемый импульсный источник питания 2×38В.
Вариант с трансформаторным источником сразу отпал по нескольким причинам. Во-первых, в рамках поставленной задачи для такого трансформатора попросту нет места. Во-вторых, готового трансформатора у меня не было, а стоят они дорого. Зато у меня есть целая куча неисправных ATX блоков питания, из деталей которых можно изготовить миниатюрный мощный первичный источник.
Схема на микросхеме IR2153 была выбрана из-за своей простоты. Кроме того, в ней используется готовый трансформатор из БП ATX, которые я пока не научился правильно рассчитывать и мотать.
Однако, схемы на IR2153, которых полно в интернете, слишком упрощены. Схема со всеми “лишними” деталями показана ниже:
Рассмотрим схему подробно.
Все детали для входной части схемы ( X-конденсатор, позистор, дроссель, диоды, силовые конденсаторы) выпаиваются из любого ATX БП.
Далее идет контроллер IR2153, который управляет двумя силовыми ключами IRF840, образуя прямоходовой преобразователь, работающий на частоте
32 кГц.
Обмотка L3 служит для питания контроллера в рабочем режиме. В упрощенных схемах контроллер питается через резистор R5, но в этом случае на нём выделяется
2Вт тепла, что в нашем корпусе неприемлемо. В этой схеме R5 наоборот максимально увеличен, запуск блока происходит через
3 секунды после включения из-за ожидания заряда C5, но зато потом ничего не греется.
Силовой трансформатор TR2 — из БП ATX на 200Вт, с доработкой.
Для получения 38В, необходимо распустить “косу” и соединить последовательно 3 обмотки 5В и обмотки 12В, получив 2 независимые обмотки на 38В. Типичная схема соединений в трансформаторе ATX БП показана ниже:
Главное — не перепутать направление намотки!
Далее, сверху наматывается обмотка питания проводом МГТФ минимального диаметра:
Далее трансформатор изолируется, а сверху делается короткозамкнутый виток из медной фольги, как показано выше.
Выходная часть схемы представляет собой 2 независимых полномостовых выпрямителя.
Диоды подойдут FR302 из ATX БП. Дроссели тоже:
Конденсаторы на 50V придётся докупить.
Отводы 12В планировались для питания микроконтроллеров каналов, но в финале пришлось от них отказаться, так как под выпрямительные диоды и конденсаторы просто не хватило места. Зато схема контроллера стала более универсальной — требует только 38. 40В.
Как видно, в схеме нет обратной связи. По сути, она представляет собой электронный трансформатор. Выходное напряжение будет снижаться при увеличении нагрузки, с 38В до 28В при 3А на канал.
Порядок настройки первичного источника на IR2153
_____________________________________________________
-
От внешнего источника питания подаем 12В на ножки 1(+) и 4(-) микросхемы (к сети не подключаем!) Убеждаемся, что на затворах обоих транзисторов присутствуют прямоугольные импульсы
Борьба с высокочастотными помехами в первичном источнике питания
_____________________________________________________
Отдельно нужно рассмотреть вопрос подавления помех, или “зачем нужны все эти лишние детали”.
В любом импульсном блоке питания присутствуют высокочастотные пульсации. Для того, чтобы пульсации не шли в сеть и не вызывали радиоизлучение, на входе установлен фильтр TR1C1.
В любом трансформаторе присутствует паразитная емкость между обмотками. Существуют приемы намотки трансформатора для её уменьшения, но она всё равно всегда есть. Импульсы в первичной обмотке попадают во вторичную цепь, в результате чего потенциал вторичной цепи “взлетает” относительно нейтрали на сотни вольт. Во вторичной цепи возникают наводки. Это синфазные помехи — они идут как бы одновременно по двум проводам, их не могут отфильтровать сглаживающие фильтры L1C9, L2C10.
Для борьбы с синфазными помехами внутри блока питания применяют так называемые Y-конденсаторы. Обычно устанавливается один конденсатор между минусами “горячей” и “холодной” частей, на котором замыкаются высокочастотные помехи. При этом на низкой частоте конденсатор остаётся изолятором.
Особенность конструкции Y-конденсатора гарантирует, что при выходе из строя он не уйдёт в пробой, и сетевое напряжение не попадёт во вторичную цепь. Поэтому нужно применять только конденсаторы с обозначением “Y”, а не просто высоковольтные.
В нашем случае всё несколько сложнее: мы планируем соединять выходы последовательно в разные конфигурации. Поэтому в схеме установлены несколько Y конденсаторов, соединяющихся в некой виртуальной точке, к которой также подключается металлический экран (жестяной корпус).
Короткозамкнутый виток трансформатора (медный экран) подключается к “-” горячей части! (исток Q2).
Подробнее о синфазных помехах можно узнать в статье [3.7] [3.10].
На “холодной” стороне для сглаживания пульсаций и фильтрации помех применяются простой LC-фильтр, шунтирование диодов керамическими конденсаторами и шунтирование электролитов танталовыми конденсаторами. Далее у нас будут ферритовые кольца — но об этом позже.
Окончательная сборка первичного источника
_____________________________________________________
К сожалению, знания добывались в процессе, поэтому плата не финальная.
Изменения делались навесным монтажом, в частности — добавление обмотки питания контроллера и допаивание Y-конденсаторов.
Как допаивались Y-конденсаторы — вообще страшно показывать 🙂
Алюминиевые радиаторы в виде пластин толщиной 3мм прикручиваются к силовым ключам и диодным сборкам через изолирующие прокладки (взятые из тех же ATX БП).
После тестирования, блок помещается в жестяной корпус, выпиленный из корпусов ATX БП и CD-ROM.
Важно обеспечить большое количество вентиляционных отверстий. К сожалению, трансформатор от ATX БП рассчитан с учетом принудительного охлаждения, поэтому ощутимо нагревается даже в холостом режиме. Также будут нагреваться выходные диоды под нагрузкой.
Для достижения всех поставленных целей (высокий КПД, низкий нагрев, быстрая реакция на ограничение тока ) применяется линейный регулятор с импульсным предрегулятором.
Отдельно взятый линейный регулятор потребовал бы огромного радиатора, так как все излишки мощности выше выставленного напряжения должны рассеиваться на регулирующем транзисторе, а она может достигать 150Вт.
Отдельно взятый импульсный стабилизатор, напротив, не может обеспечить быструю реакцию на ограничение тока, так как частью выходного фильтра является конденсатор большой емкости.
Используя предрегулятор, выдающий напряжение на 1.2В выше требуемого, мы не рассеиваем энергию в тепло, а на транзисторе линейного регулятора выделяется так мало энергии, что он может работать с минимальным радиатором даже на 3А.
За основу схемы линейного регулятора взята часть схемы блока питания под авторством Koyodza. Все её преимущества описаны в статье [2.12]. Мне она понравилась за простоту и стабильность работы при ограничении тока.
Рассмотрим элементы схемы подробно.
Импульсный предрегулятор построен на контроллере TL494 — “сердце” большинства ATX БП. Выходное напряжение предрегулятора задается сигналом OUT_SENSE — напряжением на выходе БП. Оно сравнивается с сигналом PRE_SENSE — напряжением на выходе предрегулятора, заниженным на
1.2В за счёт падения на диодах D7, D11 (оба сигнала уменьшены в
10 раз резистивными делителями). Таким образом, напряжение на выходе предрегулятора поддерживается примерно на 1.2В выше, чем на выходе БП.
На этом этапе разработка сильно затормозилась, почти до полного отчаяния — не удавалось побороть осцилляцию БП. Пришлось изучать довольно обширную тему стабильности обратной связи, моделировать в LTSpice! [3.11 — 3.17].
Напряжение на предрегулятор подаётся с первичного источника через дроссель на плате фильтрации и проходит через импровизированный предохранитель FU1, который представляет собой перемычку проводом
0.05 прямо между дорожками платы.
Дроссель L1 мотается на кольце от дросселя групповой стабилизации из ATX БП проводом диаметром 1мм до заполнения.
Дроссель L3 — готовый дроссель с линии 12В из ATX БП.
Линейный регулятор взят у Koyodza почти без изменений. Поправлены номиналы компонентов для улучшения стабильности после моделирования схемы в LTSpice. Добавлен диод D5, не позволяющий аккумулятору, подключенному к БП, питать БП после выключения. Изменены коэффициенты усиления, чтобы привести сигналы на выходах U1D U1A и входах U1B, U1C к диапазону 0. 3.6В, соответствующие характеристикам БП 25В/3А (3.6В — максимальное выходное напряжение LM324 при питании от 5В)..
Цифровая часть контроллера канала построена на микроконтроллере ATMega328p.
Питание 5В для микроконтроллера получается тоже связкой импульсный предрегулятор + линейный регулятор, так как LM7805 не выдерживает ни 38В входного напряжения, ни падения 33В при 0.1А.
Импульсный предрегулятор построен на микросхеме MC34063. Он опускает напряжение до 7В, а дальше работает LM7805.
LM7805 бывают разные, с tolerance от 0.5 до 5%. Так как от стабильности питания микроконтроллера, который задает опорные напряжения, зависит точность всего БП, лучше взять стабилизатор поточнее, например LM7805CV.
Уже в процессе наладки сделал для себя открытие, что MC34063 — не ШИМ, а релейный регулятор. Если ключ открылся — компаратор напряжения уже не может его закрыть до конца импульса. Из-за этого при большом перепаде напряжений (38->5В) на выходе получаются большие пульсации, которые можно немного уменьшить только увеличением частоты до предела — 100КГц(таким образом уменьшив длину импульса). Выход предрегулятора приходится фильтровать дополнительным дросселем L7. О том, как еще уменьшить высокочастотные пульсации в данной связке, можно послушать здесь[3.3].
Гантельки для дросселей L6 и L7 добываются от балластов КЛЛ.
Микроконтроллер формирует опорные напряжения с помощью ШИМ. Сигналы сглаживаются двухкаскадными фильтрами R33R34C17R35C18 и R36R37C19R38C20. Применяется ШИМ на 4096 отсчетов, что теоретически позволяет устанавливать напряжение и ток с дискретностью 25/4096=0,0061В, 3/4096=0,0007А.
Для измерения напряжения и тока применяется встроенный АЦП, что позволяет измерять напряжение и ток с точностью 25/4096/3.6*5=0,0084В и 3/4096/3.6*5=0,001А если повезёт(применяется оверсамплинг до 4096 -16 измерений с усреднением на 4), где 3.6 — максимальное напряжение на выходе LM324, 5 — опорное напряжение АЦП.
Обычно я делаю много изменений в процессе разработки, как результат у меня обычно нет финальной печатной платы. Но в данном случае, плата была переработана под второй контроллер и она содержится в архиве.
Плата первой версии в процессе разработки:
Как видно, некоторые проводники нужно усилить медным проводом 1mm^2 для улучшения общей точности и стабильности БП.
На этапе настройки контроллера разработка сильно затормозилась почти до полного отчаяния — не удавалось побороть осцилляцию БП. Пришлось изучать довольно обширную тему стабильности обратной связи, моделировать в LTSpice [3.11 — 3.18].
Расчет стабильности осуществляется по методике, описанной в [3.18].
Стабильность линейного стабилизатора в режиме стабилизации напряжения:
Crossover frequency = 7kHz
Phase margin = 84 o
Gain Margin = 26dB
Очень хорошие показатели.
Стабильность линейного стабилизатора в режиме ограничения тока:
Crossover frequency = 5kHz
Phase margin = 79 o
Gain Margin = 22dB
Стабильность связки пререгулятор + линейный стабилизатор, режим стабилизации напряжения:
Crossover frequency = 7kHz
Phase margin = 85o
Плата блока индикации прикручивается к передней панели корпуса Z2W. Передние стойки нужно удалить.
Блок индикации содержит две независимые схемы для каждого канала, в составе:
- семисегментные индикаторы, RGB светодиоды состояния, светодиоды SYNC, CUTOFF, подключенные к сдвиговым регистрам 74HC595. Управляются по трём проводам;
- энкодер;
- клеммы
- кнопка включения
- переключатель включения 220B.
Кнопка включения и светодиоды SYNC, CUTOFF подключены к первому каналу.
Светодиод состояния — SMD 5050 из светодиодной ленты. Под него выпиливается “обманка” из оргстекла, чтобы он выглядел как обычный светодиод.
Качественных клемм красного цвета не нашёл — подкрасил лаком для ногтей.
Значительного снижения шумов в импульсном блоке питания можно добиться используя ферритовые бусинки [3.8] и синфазные фильтры ( Common mode Choke ) [3.5,3.9].
Все индукторы величиной 20uH в схеме контроллера — это SMD Ferrite beads:
Детали черного цвета, выпаиваются в огромном количестве из материнских плат и видеокарт, имеют нулевое сопротивление. Правила использования ferrite beads просты: не хотим, чтобы микроконтроллер зашумлял шину питания — питаем через ferrite bead! Не хотим, чтобы шум с шины питания попадал на операционник — питаем через ferrite bead! Не хотим, чтобы высокочастотные помехи попадали на затвор — ставим ferrite bead! Ну и ставим блокировочные конденсаторы по питанию с обеих сторон, естественно.
Для борьбы с синфазными помехами применяются Common Mode Choke:
Благодаря особой намотке [3.5], мы можем подавить синфазные помехи на выходе БП прямо перед клеммами.
Кольца для таких дросселей добываются из старых CRT мониторов и принтеров — это те самые утолщения на проводах:
Мне лень было травить отдельную плату — фрезернул вручную:
Плата крепится бутербродом к лицевой панели, прямо на клеммы. Верхние индукторы подключаются между первичным источником и контроллерами — больше для них просто не нашлось места.
Связь с компьютером
_____________________________________________________
Блок питания подключается к компьютеру через USB интерфейс. Конвертор USB<->UART встроен в прибор. БП и компьютер гальванически развязаны.
Общение с компьютером осуществляет мастер, он имеет два UART интерфейса. На подчиненном второй UART не распаиваетсся. Компьютер осуществляет общение с подчиненным через мастера.
Реализован простой текстовый протокол (удобный для отладки), защищенный контрольными суммами.
Второй UART в мастере реализован программно.
Скорость работы: UART1 — 9600, UART2 — 4800.
Модуль связи с компьютером
_____________________________________________________
Модуль связи представляет собой готовый конвертер USB->UART и плату опторазвязки.
Я использую готовые модули на микросхеме CH340G, так как они дёшевы, для них есть драйвера под все версии Windows, и нет шанса нарваться на заблокированную подделку.
Из модуля необходимо выпаять USB разъем и заменить его на “гребёнку”. Модуль вставляется сверху в плату опторазвязки.
Опторазвязка, построенная на оптронах PC817, позволяет общаться на скорости до 19200 бод.
Модуль устанавливается на задней стенке прибора с помощью крепления, распечатанного на 3D принтере.
Упаковка в корпус
_____________________________________________________
Недостаток плотного монтажа — при любой поломке придется долго добираться до нужной платы. К счастью — у меня поломка случилась всего один раз — ушел в к.з. блокировочный конденсатор, перегорел предохранитель.
Заднюю крышку выпилял из алюминия толщиной 3мм — она служит радиатором для транзисторов линейных регуляторов. Крепятся к нему через изолирующие прокладки.
Вентилятору внутри места не нашлось — немного торчит сзади.
Платы контроллеров каналов устанавливаются на стойках друг на другом.
Для силового транзистора предрегулятора нужно изготовить небольшой алюминиевый радиатор, отпилив часть радиатора от видеокарты. Также нужен небольшой ( пластинка 1см^2 ) радиатор на транзистор драйвера вентилятора. Радиаторы и дроссели слегка фиксируются герметиком к плате.
Первичный источник располагается посередине, все провода идут под ним.
Один датчик температуры проталкивается внутрь первичного источника, второй — прижимается к задней стенке поближе к транзисторам. Оба датчика подсоединяется к мастеру. К подчинённому датчики не подсоединяются, вместо сенсора TEMP1 устанавливается перемычка, чтобы контроллер работал в режиме подчиненного.
В качестве датчиков, кстати, работают какие-то германиевые диоды, Д9В, кажется:
В передней части корпуса, по бокам и сверху нужно сделать продольные вентиляционные отверстия длиной 2см — воздух должен проходить сквозь первичный источник, контроллеры и выходить сзади.
Модуль USB-UART прикручивается к задней стенке. Стойки, крепление модуля USB-UART, крепление динамика, крепление датчика температуры на радиатор и решётку вентилятора печатал на 3D принтере.
Верхняя часть корпуса прикручивается двумя винтами М3 к алюминиевым стойкам с нарезанной резьбой.
Прошивка написана на CodeVisionAVR 2.05.
В оба контроллера заливается одна и та же прошивка. Контроллер начинает работать как подчиненный, если вместо первого датчика температуры установлена перемычка.
Прошивку можно заливать через ISP разъем, но гораздо удобнее это делать через ПО на PC.
Для этого в контроллеры записывается Bootloader, который реализует протокол программатора AVR910, на скорости 9600 для мастера и 4800 для подчиненного. Bootloader выбирает скорость в зависимости от наличия перемычки вместо датчика температуры.
Для ручного перевода контроллера в режим бутлоадера, нужно зажать кнопку энкодера при включении устройства. Контроллер будет отображать букву P на верхнем индикаторе. Это может понадобиться для первой заливки прошивки в БП. В дальнейшем ПО для PC умеет автоматически переводить контроллеры в режим программирования, прошивка обоих контроллеров осуществляется через USB, не нужно разбирать устройство.
Мастер осуществляет туннелирование пакетов для обеспечения коммуникации PC с подчиненным, включая заливку прошивки. Реализация такой системы с минимальными затратами памяти — самая сложная часть прошивки. Подпрограммы коммуникации используют меньше 256 байт RAM, остальная память используется системой логирования.
БП умеет вести лог работы автономно. Лог можно посмотреть, запустив ПО для PC. Можно просматривать зарядные кривые аккумуляторов. Лог содержит 200 записей. Период логирования задается в настройках. При заполнении лога, период автоматически удваивается, лог ужимается, логирование продолжается.
Программное обеспечение для PC
_____________________________________________________
Программное обеспечение написано в среде Flash Builder 4.6.
ПО позволяет увидеть индикаторы передней панели, задавать напряжения и токи, включать/выключать устройство.
Основное применение ПО — обновление прошивки и настройка. Всё это можно делать и без ПО, но так намного удобнее.
Описание элементов управления
_____________________________________________________
Общее состояние блока питания отображают RGB светодиоды, расположенные над клеммами.
В выключенном состоянии светодиод светит синим цветом.
Верхний индикатор отображает установленное напряжение, нижний — установленное ограничение тока.
Каждый энкодер управляет своим каналом. Для изменения напряжения необходимо нажать на кнопку энкода, при этом загорится точка в крайнем правом разряде на индикаторе напряжения. Ручка энкодера изменяет настройку.
Для изменения тока нужно нажать кнопку энкодера ещё раз. При этом загорается точка в крайнем правом разряде индикатора тока.
Светодиод “Sync” сигнализирует о включенном режиме синхронизации настроек. При этом изменение заданных напряжения или тока на одном канале сразу передается на другой канал.
Светодиод “Cutoff” сигнализирует о включенном режиме отсечки по превышению максимального тока.
Для включения блока питания нужно нажать кнопку “All On/Off”. Оба канала включаются и выключаются одновременно. Нет возможности отдельно управлять включением каналов. При срабатывании отсечки на любом канале отключаются оба канала одновременно.
Во включенном состоянии RGB светодиод светится зеленым цветом. Если сработало ограничение тока — красным цветом.
Верхний и нижний индикаторы отображают реальные измеренные значения напряжения и тока на клеммах.
Изменение настроек напряжения и тока осуществляется аналогично, но настроенные значения будут отображаться кратковременно во время изменения, при этом будет мигать точка в крайней правой позиции. После изменения настроек БП возвращается к показу измеренных значений.
Для входа в меню опций необходимо удерживать кнопку энкодера в течении 1 секунды.
Переключение между пунктами меню — короткое нажатие на кнопку энкодера.
Поворот ручки энкодера изменяет настройку.
Таблица. Меню опций
В связи с тем, что это программируемый БП, измеренные значения могут отличаться от установленных на несколько младших разрядов вследствие малой точности встроенного АЦП, шунта, наволок, температурного дрейфа. Например, БП сформирует опорные напряжения для установки 5В на выходе, но измерительный модуль вследствие плохой калибровки или общей неточности БП будет отображать 4.98. Чтобы избежать такого “некрасивого” поведения, добавлены настройки dU и dI, которые задают максимальную разницу между выставленными и измеренными значениями, при которой применяется корректировка. Например, 5.00-4.98 => 2, при dU >= 2 измеренное напряжение будет отображаться как 5.00, при dU < 2 — как 4.98.
Для выхода из меню опций необходимо удерживать кнопку энкодера в течении 1 секунды.
Калибровка блока питания
_____________________________________________________
После прошивки, установка и измерение напряжения и тока работают неточно. Блок питания необходимо откалибровать.
Каналы калибруются независимо.
Таблица. Точки калибровки
Для входа в режим калибровки нужно удерживать кнопку энкодера в течении 5 сек.
Настройки сохраняются в EEPROM.
Кнопка On/Off включает или выключает оба канала.
Для выхода из режима калибровки нужно удерживать кнопку энкодера в течении 5 сек.
Калибровку удобнее проводить, используя ПО для PC, так как все параметры отображаются на экране.
Таблица. Меню калибровки.
Калибровка установки напряжения:
- установить ограничение тока на максимум;
- в пункте меню “Ure0” изменить значение PWM, чтобы на выходе блока питания было 0В; нажать кнопку энкодера в течении 1 сек;
- в пункте меню “Ure1” изменить значение PWM, чтобы на выходе блока питания был 1В;нажать кнопку энкодера в течении 1 сек;
- в пункте меню “Ure2” изменить значение PWM, чтобы на выходе блока питания было 20В; нажать кнопку энкодера в течении 1 сек.
Калибровка установки ограничения тока:
- подключить к блоку питания амперметр и нагрузку сопротивлением 10. 200 Ом;
- задать такое выходное напряжение, чтобы ток был равен 110. 200мА;
- в пункте меню “Ire0” указать значение PWM, при котором блок питания ограничивает ток до 10мА; нажать кнопку энкодера в течении 1 сек;
- в пункте меню “Ire1” указать значение PWM, при котором блок питания ограничивает ток до 100мА; нажать кнопку энкодера в течении 1 сек;
- подключить к блоку питания амперметр и нагрузку сопротивлением 1. 10 Ом;
- задать такое выходное напряжение, чтобы ток был равен 1.6. 2А;
- в пункте меню “Ire2” указать значение PWM, при котором блок питания ограничивает ток до 1.5А; нажать кнопку энкодера в течении 1 сек.
Калибровка измерения напряжения:
- в пункте меню “U0” выставить выходное напряжение в 0В; нажать кнопку энкодера в течении 1 сек;
- в пункте меню “U1” выставить выходное напряжение в 1В; нажать кнопку энкодера в течении 1 сек;
- в пункте меню “U2” выставить выходное напряжение в 20В;нажать кнопку энкодера в течении 1 сек.
Калибровка измерения тока:
- подключить нагрузку 1. 10 Ом;
- в пункте меню “I0” выставить ограничение тока на 10мА; нажать кнопку энкодера в течении 1 сек;
- в пункте меню “I1” выставить ограничение тока на 100мА; нажать кнопку энкодера в течении 1 сек;
- в пункте меню “I2” выставить ограничение тока на 1.5А; нажать кнопку энкодера в течении 1 сек.
Калибровка температуры:
К сожалению, реализовать полностью пассивное охлаждение не удалось. Вентилятор должен вращаться всегда, на минимальной скорости, чтобы создавать хоть какой-то воздушный поток. К счастью, на минимальной скорости вентилятора вообще не слышно даже в полной тишине.
- В пункте Fan1 настраиваем минимальную скорость вентилятора. Это та скорость, на которой вентилятор уверенно стартует.
- В пункте Fan2 настраиваем максимальную скорость вентилятора (на вентилятор должно подаваться 12В)
- В пункте t1 o 1 указываем значение ADC с датчика, оставленного при температуре 20 o
- В пункте t1 o 2 указываем значение ADC с датчика, нагретого феном до 70 o
- В пункте t1 o 3 указываем значение ADC с датчика, нагретого до 80 o
- Тоже самое проделываем для t2
В заключение приведу несколько осциллограмм.
12В, без нагрузки, нарастание напряжения при включении:
12В, нагрузка 1А, нарастание напряжения при включении:
12В, без нагрузки, спад напряжения при выключении:
12В, нагрузка 1А, спад напряжения при выключении:
5В, нагрузка 0.7А, уровень шума:
12В, нагрузка 1А, уровень шума:
25В, нагрузка 1.5А, уровень шума:
12В, ограничение тока 1А, короткое замыкание:
- Добавить режимы заряда аккумуляторов. Я не уверен насчёт Li-Ion, но быстрый заряд SLA батарей можно реализовать точно.
- Измерение малых токов. В схеме применяется шунт на 0.13Ом, так как он не должен греться на максимальном токе. Но на малых токах (меньше 50мА) напряжение на шунте слишком маленькое