Digitálne riadený lineárny napájací zdroj: 6 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

V mojich pätnástich rokoch, asi pred 40 rokmi, som vytvoril duálne lineárne napájanie. Schematický diagram som získal z časopisu s názvom „Elektuur“, v súčasnosti sa v Holandsku nazýva „Elektor“. Tento napájací zdroj používal jeden potenciometer na nastavenie napätia a jeden na nastavenie prúdu. Po mnohých rokoch tieto potenciometre už nefungovali správne, čo sťažovalo získanie stabilného výstupného napätia. Tento napájací zdroj je zobrazený na obrázku.

Medzitým som sa v rámci svojho koníčka rozhodol pre vývoj vstavaného softvéru pomocou mikrokontroléra PIC a programovacieho jazyka JAL. Keďže chcem stále používať svoj napájací zdroj - áno, v dnešnej dobe si môžete kúpiť lacnejšie varianty prepínacích režimov - dostal som nápad nahradiť staré potenciometre digitálnou verziou, a tak sa zrodil nový projekt PIC.

Na úpravu napätia zdroja používam mikrokontrolér PIC 16F1823, ktorý používa 6 tlačidiel nasledovne:

• Jedno tlačidlo na zapnutie alebo vypnutie výstupného napätia bez potreby úplného zapnutia alebo vypnutia napájania
• Jedno tlačidlo na zvýšenie výstupného napätia a druhé tlačidlo na zníženie výstupného napätia
• Tri tlačidlá, ktoré sa majú použiť ako predvoľby. Po nastavení určitého výstupného napätia je možné toto presné napätie uložiť a načítať pomocou týchto prednastavených tlačidiel

Napájací zdroj je schopný vydávať napätie medzi 2,4 V a 18 V s maximálnym prúdom 2 A.

Krok 1: Počiatočný návrh (revízia 0)

Pôvodný schematický diagram som upravil tak, aby bol vhodný na ovládanie digitálnym potenciometrom. Pretože som v minulosti pôvodný potenciometer na úpravu prúdu nikdy nepoužíval, odstránil som ho a nahradil pevným odporom, pričom maximálny prúd som obmedzil na 2 ampéry.

Schematický diagram zobrazuje napájací zdroj postavený na starom, ale spoľahlivom regulátore napätia LM723. Vytvoril som k tomu aj dosku s plošnými spojmi. LM723 má teplotne kompenzované referenčné napätie s funkciou obmedzenia prúdu a široký rozsah napätia. Referenčné napätie LM723 ide do digitálneho potenciometra, ktorého stierač je pripojený k neinvertujúcemu vstupu LM723. Digitálny potenciometer má hodnotu 10 kOhm a je možné ho zmeniť z 0 Ohm na 10 kOhm v 100 krokoch pomocou 3 -vodičového sériového rozhrania.

Tento napájací zdroj je vybavený digitálnym meračom napätia a ampéra, ktorý napája z 15 -voltového regulátora napätia (IC1). Týchto 15 voltov sa používa aj ako vstup pre 5 voltový regulátor napätia (IC5), ktorý napája PIC a digitálny potenciometer.

Na vypnutie LM723 sa používa tranzistor T1, ktorý zníži výstupné napätie na 0 voltov. Výkonový odpor R9 sa používa na meranie prúdu, ktorý spôsobuje pokles napätia na rezistore, keď ním preteká prúd. Tento pokles napätia používa LM723 na obmedzenie maximálneho výstupného prúdu na 2 ampéry.

V tomto počiatočnom návrhu nie sú elektrolytický kondenzátor a výkonový tranzistor (typ 2N3055) na doske. V mojom pôvodnom návrhu spred mnohých rokov bol elektrolytický kondenzátor na samostatnej doske, takže som to ponechal. Výkonový tranzistor je pre lepšie chladenie namontovaný na chladiacej doske mimo skrinky.

Tlačidlá sú na prednom paneli skrinky. Každé tlačidlo je vytiahnuté vysoko odpormi 4k7 na doske. Tlačidlá sú spojené so zemou, vďaka čomu sú aktívne nízko.

Na tento projekt (tiež revízia 2) potrebujete nasledujúce elektronické súčiastky:

• 1 mikrokontrolér PIC 16F1823
• 1 digitálny potenciometer 10k, typ X9C103
• Regulátory napätia: 1 * LM723, 1 * 78L15, 1 * 78L05
• Mostový usmerňovač: B80C3300/5000
• Tranzistory: 1 * 2N3055, 1 * BD137, 1 * BC547
• Diódy: 2 * 1N4004
• Elektrolytické kondenzátory: 1 * 4700 uF/40V, 1 * 4,7 uF/16V
• Keramické kondenzátory: 1 * 1 nF, 6 * 100 nF
• Rezistory: 1 * 100 Ohm, 1 * 820 Ohm, 1 * 1k, 2 * 2k2, 8 * 4k7
• Výkonový odpor: 0,33 Ohm / 5 Watt

Tiež som navrhol dosku s plošnými spojmi, ktorá je znázornená na priloženom obrázku a obrázku.

Krok 2: Revidovaný dizajn (revízia 2)

Po objednaní dosiek s plošnými spojmi som prišiel s myšlienkou pridať funkciu, ktorú nazývam „ochrana pred napätím“. Pretože som mal na PIC stále k dispozícii veľa programovej pamäte, rozhodol som sa na meranie výstupného napätia použiť vstavaný analógovo-digitálny prevodník (ADC) v PIC. V prípade, že sa toto výstupné napätie - z akéhokoľvek dôvodu - zvýši alebo zníži, napájanie sa vypne. To ochráni pripojený obvod pred prepätím alebo zastaví akýkoľvek skrat. Toto bola revízia 1, ktorá je rozšírením revízie 0, pôvodného návrhu.

Napriek tomu, že som testoval dizajn pomocou breadboardu (viď obrázok), stále som s ním nebol spokojný. Niekedy sa zdalo, že digitálny potenciometer nie je vždy úplne v rovnakej polohe, napr. pri obnovení predvolenej hodnoty. Rozdiel bol malý, ale znepokojujúci. Nie je možné odčítať hodnotu potenciometra. Po chvíli premýšľania som vytvoril revíziu 2, ktorá je malým redizajnom revízie 1. V tomto návrhu, pozri schematický diagram, revízia 2, som nepoužil digitálny potenciometer, ale použil som vstavaný prevodník digitálneho signálu na analógový (DAC) PIC na ovládanie výstupného napätia pomocou LM723. Jediným problémom bolo, že PIC16F1823 má iba 5-bitový DAC, čo nebolo dostatočné, pretože kroky hore a dole by boli príliš veľké. Z tohto dôvodu som prešiel na PIC16F1765, ktorý má na palube 10-bitový DAC. Táto verzia s DAC bola spoľahlivá. Stále som mohol použiť pôvodnú dosku s plošnými spojmi, pretože potrebujem len odstrániť niektoré súčiastky, vymeniť 1 kondenzátor a pridať 2 vodiče (1 vodič už bol potrebný na pridanie funkcie detekcie napätia pri revízii 1). Tiež som zmenil 15 voltový regulátor na 18 voltovú verziu, aby som obmedzil stratový výkon. Pozrite si schematický diagram revízie 2.

Ak teda chcete ísť na tento návrh, musíte v porovnaní s revíziou 0 urobiť nasledujúce:

• Vymeňte PIC16F1823 za PIC16F1765
• Voliteľné: Vymeňte 78L15 za 78L18
• Odstráňte digitálny potenciometer typu X9C103
• Odstráňte odpory R1 a R15
• Vymeňte elektrolytický kondenzátor C5 za keramický kondenzátor 100 nF
• Vytvorte spojenie medzi kolíkom IC4 13 (PIC) a kolíkom IC2 5 (LM723)
• Vytvorte spojenie medzi pinom IC4 3 (PIC) a kolíkom IC2 4 (LM723)

Tiež som aktualizoval dosku s plošnými spojmi, ale túto verziu som si neobjednal, pozri snímku obrazovky.

Krok 3: (Ne) montáž

Na obrázku vidíte napájanie pred a po aktualizácii. Na prekrytie otvorov, ktoré boli urobené potenciometrami, som pridal predný panel na vrch predného panelu skrinky. Ako vidíte, vyrobil som duálny napájací zdroj, kde sú obidva zdroje úplne nezávislé. To ich umožňuje zaradiť do série v prípade, že potrebujem vyššie výstupné napätie ako 18 Voltov.

Vďaka doske s plošnými spojmi bolo jednoduché zostaviť elektroniku. Nezabudnite, že veľký elektrolytický kondenzátor a výkonový tranzistor nie sú na doske s plošnými spojmi. Fotografia ukazuje, že pre revíziu 2 niektoré komponenty už nie sú potrebné a boli potrebné 2 vodiče, jeden na pridanie funkcie detekcie napätia a druhý z dôvodu výmeny digitálneho potenciometra za digitálny analógový prevodník mikrokontroléra PIC.

Samozrejme potrebujete transformátor, ktorý je schopný dodávať 18 voltov AC, 2 ampéry. Vo svojom pôvodnom návrhu som použil prstencový jadrový transformátor, pretože sú účinnejšie (ale aj drahšie).

Krok 4: Softvér pre revíziu 0

Softvér vykonáva nasledujúce hlavné úlohy:

• Ovládanie výstupného napätia zdroja pomocou digitálneho potenciometra

• Ovládajte funkcie tlačidiel, ktorými sú:

  • Zapnutie/vypnutie. Toto je prepínacia funkcia, ktorá nastavuje výstupné napätie na 0 voltov alebo na naposledy zvolené napätie
  • Zvýšenie napätia/zníženie napätia. Pri každom stlačení tlačidla sa napätie mierne zvýši alebo mierne zníži. Keď tieto tlačidlá zostanú stlačené, aktivuje sa funkcia opakovania
  • Prednastavený obchod/Obnovenie predvoľby. Akékoľvek nastavenie napätia je možné uložiť do EEPROM PIC stlačením predvoleného tlačidla najmenej na 2 sekundy. Jeho kratším stlačením získate hodnotu EEPROM pre túto predvoľbu a podľa toho nastavíte výstupné napätie

Pri zapnutí sú všetky kolíky PIC nastavené ako vstup. Aby sa zabránilo tomu, že na výstupe zdroja je prítomné nedefinované napätie, výstup zostane na 0 voltoch, kým nie je PIC v prevádzke a inicializuje sa digitálny potenciometer. Toto vypnutie je dosiahnuté vyťahovacím odporom R14, ktorý zaisťuje, že tranzistor T1 vypne LM723, kým ho neuvoľní PIC.

Ostatný softvér je priamo vpred. Tlačidlá sa skenujú a ak je potrebné niečo zmeniť, hodnota digitálneho potenciometra sa zmení pomocou trojvodičového sériového rozhrania. Digitálny potenciometer má tiež možnosť uložiť nastavenie, ale to sa nepoužije, pretože všetky nastavenia sú uložené v EEPROM PIC. Rozhranie s potenciometrom neponúka funkciu na čítanie hodnoty stierača. Kedykoľvek je teda potrebné stierač prednastaviť na určitú hodnotu, prvá vec, ktorú treba urobiť, je vrátiť stierač späť do nulovej polohy a od tohto bodu odoslať počet krokov na uvedenie stierača do správnej polohy.

Aby sa zabránilo zapisovaniu EEPROM pri každom stlačení tlačidla, a tým sa skrátila životnosť EEPROM, obsah EEPROM sa zapíše 2 sekundy po tom, ako už tlačidlá nie sú aktivované. To znamená, že po poslednej zmene tlačidiel počkajte aspoň 2 sekundy, než zapnete napájanie, aby ste sa presvedčili, že posledné nastavenie je uložené. Po zapnutí sa napájanie vždy spustí s posledným zvoleným napätím uloženým v EEPROM.

Priložený je zdrojový súbor JAL a súbor Intel Hex na programovanie PIC pre revíziu 0.

Krok 5: Softvér pre revíziu 2

V prípade revízie 2 sú hlavné zmeny softvéru tieto:

• Funkcia detekcie napätia bola pridaná meraním výstupného napätia zdroja po jeho nastavení. Na tento účel sa používa ADC prevodník PIC. Softvér pomocou ADC odoberie vzorky výstupného napätia a ak je po niekoľkých vzorkách výstupné napätie približne o 0,2 Voltu vyššie alebo nižšie ako nastavené napätie, napájanie sa vypne.
• Použitie DAC PIC na ovládanie výstupného napätia zdroja namiesto použitia digitálneho potenciometra. Vďaka tejto zmene bol softvér jednoduchší, pretože nebolo potrebné vytvárať trojvodičové rozhranie pre digitálny potenciometer.
• Vymeňte úložisko v EEPROM za úložisko vo High Endurance Flash. PIC16F1765 nemá integrovanú EEPROM, ale používa časť programu Flash na ukladanie energeticky nezávislých informácií.

Detekcia napätia nie je pôvodne aktivovaná. Pri zapnutí sa kontroluje, či nie sú stlačené nasledujúce tlačidlá:

• Tlačidlo zapnutia/vypnutia. Po stlačení sa obe funkcie detekcie napätia vypnú.
• Tlačidlo dole. Po stlačení sa aktivuje detekcia nízkeho napätia.
• Tlačidlo hore. Po stlačení sa aktivuje detekcia vysokého napätia.

Tieto nastavenia detekcie napätia sú uložené vo vysoko odolnom blesku a vyvolajú sa po opätovnom zapnutí napájania.

Priložený je aj zdrojový súbor JAL a súbor Intel Hex na programovanie PIC pre revíziu 2.

Krok 6: Konečný výsledok

Vo videu vidíte revíziu napájania 2 v prevádzke, ukazuje funkciu zapnutia/vypnutia, zvýšenie napätia/zníženie napätia a využitie predvolieb. Pre toto demo som tiež pripojil odpor k napájaciemu zdroju, aby som ukázal, že ním preteká skutočný prúd a že maximálny prúd je obmedzený na 2 ampéry.

Ak máte záujem o používanie mikrokontroléra PIC s programovacím jazykom JAL - Pascal - navštívte webovú stránku JAL.

Bavte sa pri tvorbe tohto návodu a tešíme sa na vaše reakcie a výsledky.