Vynikajúci laboratórny zdroj: 15 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Z môjho pohľadu je jedným z najlepších spôsobov, ako začať s elektronikou, vybudovať si vlastné laboratórne napájanie. V tomto návode som sa pokúsil zhromaždiť všetky potrebné kroky, aby si ktokoľvek mohol postaviť svoj vlastný.

Všetky diely zostavy je možné priamo v obvode digikey, ebay, amazon alebo aliexpress objednať okrem okruhu merača. Vytvoril som vlastný štít obvodu obvodu pre Arduino, ktorý dokáže merať až 36 V - 4 A s rozlíšením 10 mV - 1 mA a ktorý je možné použiť aj na iné projekty.

Napájací zdroj má nasledujúce vlastnosti:

• Menovité napätie: 24V.
• Menovitý prúd: 3A.
• Zvlnenie výstupného napätia: 0,01% (podľa špecifikácií súpravy obvodov napájacieho zdroja).
• Rozlíšenie merania napätia: 10mV.
• Rozlíšenie aktuálneho merania: 1mA.
• Režimy CV a CC.
• Nadmerná ochrana.
• Ochrana proti prepätiu.

Krok 1: Schéma dielov a zapojenia

K tomuto kroku som okrem obrázku pripojil súbor WiringAndParts.pdf. Dokument popisuje všetky funkčné časti, vrátane objednacieho odkazu, stolného zdroja a spôsob ich pripojenia.

Sieťové napätie vstupuje cez konektor panelu IEC (10), ktorý má vstavaný držiak, na prednom paneli (11) je vypínač, ktorý prerušuje obvod vytvorený z konektora IEC do transformátora (9).

Transformátor (9) má výstup 21 VAC. 21 V striedavý prúd ide priamo do obvodu napájania (8). Výstup obvodu napájania (8) ide priamo na svorku IN obvodu merača (5).

Svorka OUT obvodu obvodu (5) merača je pripojená priamo k kladným a záporným väzbovým stĺpikom (4) napájacieho zdroja. Obvod meradla meria napätie aj prúd (horná strana) a môže povoliť alebo zakázať spojenie medzi vstupom a výstupom.

Káble, spravidla používajú šrotové káble, ktoré máte doma. Na internete môžete skontrolovať vhodný merač AWG pre 3A, ale spravidla funguje pravidlo 4A/mm², špeciálne pre krátke káble. Na zapojenie sieťového napätia (120 V alebo 230 V) použite vhodne izolované káble, 600 V v USA, 750 V v Európe.

Sériový tranzistor napájacieho obvodu (Q4) (12) bol namiesto spájkovania zapojený tak, aby umožňoval jednoduchú inštaláciu chladiča (13).

Pôvodné 10 000 potenciometre napájacieho obvodu boli nahradené viacotáčkovými modelmi (7), čo umožňuje presné nastavenie výstupného napätia a prúdu.

Doska Arduino obvodu merača je napájaná káblom napájacieho konektora (6), ktorý pochádza z napájacieho obvodu (8). Napájacia doska bola upravená tak, aby namiesto 24V získala napätie 12V.

Kladný kolík LED CC z napájacieho obvodu je zapojený do konektora režimu obvodu merača. Vďaka tomu vie, kedy má zobrazovať režim CC alebo CV.

K obvodu merača (3) sú pripojené dve tlačidlá. Vypínač „červený“odpojí výstupné napätie. Tlačidlo zapnutia „čierne“pripája výstupné napätie a resetuje chyby OV alebo OC.

Do obvodu merača (2) sú zapojené dva potenciometre. Jeden nastavuje prah OV a druhý nastavuje prah OC. Tieto potenciometre nemusia byť viacotáčkové, použil som pôvodné potenciometre z napájacieho obvodu.

Alfanumerický LCD displej 20x4 I2C (1) je zapojený do obvodu merača. Zobrazuje aktuálne informácie o výstupnom napätí, výstupnom prúde, žiadanej hodnote OV, žiadanej hodnote OC a stave.

Krok 2: Súprava obvodov napájacieho zdroja

Kúpil som si túto súpravu s hodnotením 30 V, 3 A:

Pripájam montážneho sprievodcu, ktorý som našiel na internete, a obrázok schémy. Stručne:

Obvod je lineárny napájací zdroj.

Q4 a Q2 sú Darlingtonovo pole a tvoria sériový tranzistor, ktorý je riadený operačnými zosilňovačmi, aby udržiaval napätie a prúd na požadovanej hodnote.

Prúd sa meria pomocou R7, pridaním tohto odporu na dolnú stranu sa uzemní obvod napájacieho zdroja a výstupná zem.

Obvod poháňa LED diódu, ktorá sa rozsvieti, keď je zapnutý režim konštantného prúdu.

Obvod obsahuje Graethov most na opravu vstupu AC. Vstup AC sa tiež používa na generovanie záporného predpätého napätia na dosiahnutie 0V.

V tomto obvode nie je tepelná ochrana, preto je vhodné dimenzovanie chladiča veľmi dôležité.

Obvod má výstup 24 V pre „voliteľný“ventilátor. Nahradil som regulátor 7824 regulátorom 7812, aby som získal 12V pre dosku Arduino obvodu merača.

LED som nespojil, namiesto toho som použil tento signál na označenie obvodu merača, ak je napájanie v CC alebo CV.

Krok 3: Zostavenie súpravy obvodov napájacieho zdroja

V tomto obvode sú všetky časti cez otvor. Vo všeobecnosti musíte začať od tých najmenších.

• Spájkujte všetky odpory.
• Spájkujte ostatné komponenty.
• Pri ohýbaní vodičov diód používajte kliešte, aby nedošlo k ich zlomeniu.
• Ohnite zvody zosilňovačov DIP8 TL081.
• Pri montáži chladičov použite zmes chladiča.

Krok 4: Návrh a schéma obvodov meradla

Obvod je štítom pre Arduino UNO kompatibilný s verziami R3. Navrhol som ho s časťami dostupnými na digikey.com.

Výstup súpravy napájacieho obvodu vkmaker je pripojený k svorkovnici IN a svorkovnica OUT smeruje priamo k väzbovým stĺpikom napájania.

R4 je bočníkový odpor v kladnej koľajnici v hodnote 0,01 ohmu a má pokles napätia úmerný súčasnému výstupnému výkonu. Diferenčné napätie R4 je zapojené priamo na piny RS+ a RS-IC1. Maximálny pokles napätia pri maximálnom prúdovom výstupe je 4A*0,01 ohm = 40mV.

R2, R3 a C2 tvoria ~ 15 Hz filter, aby sa vyhli šumu.

IC1 je zosilňovač vysokého bočného prúdu: MAX44284F. Je založený na sekanom operačnom zosilňovači, ktorý mu umožňuje dosiahnuť veľmi nízke vstupné ofsetové napätie, 10uV, maximálne pri 25ºC. Pri 1mA je pokles napätia v R4 10uV, čo sa rovná maximálnemu vstupnému ofsetovému napätiu.

MAX44284F má zosilnenie napätia 50V/V, takže výstupné napätie, signál SI, pri maximálnom prúde 4A, bude mať hodnotu 2V.

Maximálne vstupné napätie v spoločnom režime MAX44284F je 36V, čo obmedzuje rozsah vstupného napätia na 36V.

R1 a C1 tvoria filter na potlačenie nežiaducich signálov 10 kHz a 20 kHz, ktoré sa môžu objaviť v dôsledku architektúry zariadenia, odporúča sa na strane 12 technického listu.

R5, R6 a R7 sú delič napätia s vysokou impedanciou 0,05 V/V. R7 s C4 tvorí filter ~ 5 Hz, aby sa zabránilo šumu. Delič napätia je umiestnený za R4 na meranie skutočného výstupného napätia po poklese napätia.

IC3 je operačný zosilňovač MCP6061T, ktorý tvorí sledovač napätia na izoláciu deliča napätia s vysokou impedanciou. Maximálny vstupný predpínací prúd je 100 pA pri izbovej teplote, tento prúd je zanedbateľný pre impedanciu deliča napätia. Pri 10 mV je napätie na vstupe IC3 0,5 mV, oveľa väčšie ako jeho vstupné ofsetové napätie: 150 uV maximálne.

Výstup signálu IC3, SV, má napätie 2V pri vstupnom napätí 40V (maximum je 36V kvôli IC1). Signály SI a SV sú zapojené do IC2. IC2 je MCP3422A0, dvojkanálový I2C sigma delta ADC. Má vnútornú referenciu napätia 2,048 V, voliteľné zosilnenie napätia 1, 2, 4 alebo 8 V/V a voliteľný počet 12, 14, 16 alebo 18 bitov.

Pre tento obvod používam pevný zisk 1 V/V a pevné rozlíšenie 14 bitov. Signály SV a SI nie sú diferenciálne, takže záporný kolík každého vstupu musí byť uzemnený. To znamená, že počet dostupných LSB bude polovičný.

Pretože referenčná hodnota vnútorného napätia je 2,048 V a efektívny počet LSB je 2^13, hodnoty ADC budú: 2 LSB na každý 1 mA v prípade prúdu a 1 LSB na každých 5 mV v prípade napätia.

X2 je konektor pre tlačidlo ON. R11 bráni vstupu kolíka Arduino pred statickými výbojmi a R12 je výsuvný odpor, ktorý pri stlačení vytvára 5 V a pri stlačení ~ 0 V. I_ON signál.

X3 je konektor pre tlačidlo OFF. R13 bráni vstupu kolíka Arduino pred statickými výbojmi a R14 je výsuvný odpor, ktorý pri stlačení vytvára 5 V a pri stlačení ~ 0 V. Signál I_OFF.

X5 je konektor pre potenciometer nastavenej hodnoty nadprúdovej ochrany. R15 zabraňuje vstupnému kolíku Arduino pred statickými výbojmi a R16 zabraňuje skratu +5V koľajnice. Signál A_OC.

X6 je konektor pre potenciometer nastavenia prepäťovej ochrany. R17 zabraňuje vstupnému kolíku Arduino pred statickými výbojmi a R18 zabraňuje skratu +5V koľajnice. A_OV signál.

X7 má externý vstup, ktorý sa používa na získanie režimu konštantného prúdu alebo konštantného napätia napájacieho zdroja. Pretože môže mať veľa vstupných napätí, je vyrobený pomocou Q2, R19 a R20 ako meniča úrovne napätia. Signál I_MOD.

X4 je konektor externého LCD, je to len spojenie 5V koľajnice, liniek GND a I2C SCL-SDA.

Riadky I2C, SCL a SDA, zdieľajú IC2 (ADC) a externý LCD displej, ťahajú ich nahor konektory R9 a R10.

R8 a Q1 tvoria vodič relé K1. K1 pripája výstupné napätie pri napájaní. Pri 0 V pri -CUT je relé bez napájania a pri 5V pri -CUT je relé napájané. D3 je dióda s voľným otáčaním, ktorá potláča záporné napätie pri prerušení napätia cievky relé.

Z1 je tlmič prechodného napätia s menovitým napätím 36V.

Krok 5: PCB obvodu meradla

Na schému a PCB som použil bezplatnú verziu Eagle. Doska plošných spojov je obojstranná s hrúbkou 1,6 mm a má oddelenú základnú rovinu pre analógový obvod a digitálny obvod. Dizajn je dosť jednoduchý. Z internetu som dostal súbor dxf s rozmerom osnovy a umiestnením pinhead konektorov Arduino.

Posielam nasledujúce súbory:

• Pôvodné súbory orlov: 00002A.brd a 00002A.sch.
• Súbory Gerber: 00002A.zip.
• A BOM (kusovník) + montážny návod: BOM_Assemby.pdf.

Objednal som si PCB na PCBWay (www.pcbway.com). Cena bola úžasne nízka: 33 dolárov vrátane poštovného za 10 dosiek, ktoré dorazili za menej ako týždeň. Zostávajúce tabule môžem zdieľať so svojimi priateľmi alebo ich použiť v iných projektoch.

V dizajne je chyba, do legendy 36V som vložil prechod dotykom na sieťotlač.

Krok 6: Zostavenie obvodu meradla

Napriek tomu, že väčšina súčiastok je v tejto doske SMT, je možné ju zostaviť pomocou bežnej spájkovačky. Použil som Hakko FX888D-23BY, pinzetu s jemným hrotom, nejaký spájkovací knôt a spájku 0,02.

• Po obdržaní dielov je najlepšie ich triediť, roztriedil som kondenzátory a odpory a zošíval vrecia.
• Najprv zostavte malé časti, začínajúc odpormi a kondenzátormi.
• Zostavte R4 (0R1) začínajúc jedným zo štyroch káblov.
• Spájkujte ostatné diely, všeobecne pre SOT23, SOIC8 atď. Najlepším spôsobom je najskôr naniesť spájku na jednu podložku, spájkovať časť na jej mieste a potom spájkovať ostatné vodiče. Niekedy môže spájka spojiť veľa podložiek dohromady, v tomto prípade môžete použiť tavidlo a spájkovací knôt na odstránenie spájky a vyčistenie medzier.
• Zostavte zvyšok komponentov priechodného otvoru.

Krok 7: Kód Arduino

Priložil som súbor DCmeter.ino. V tomto súbore je zahrnutý všetok program, okrem knižnice LCD „LiquidCrystal_I2C“. Kód je vysoko prispôsobiteľný, najmä tvar indikátorov priebehu a zobrazené správy.

Ako všetky arduino kódy má funkciu setup () spustenú prvýkrát a funkciu loop () vykonáva nepretržite.

Funkcia nastavenia konfiguruje displej, vrátane špeciálnych znakov pre indikátor priebehu, do stavového automatu MCP4322 a prvýkrát nastaví relé a podsvietenie LCD.

Nedochádza k žiadnym prerušeniam, v každej iterácii funkcia slučky vykoná nasledujúce kroky:

Získajte hodnotu všetkých vstupných signálov I_ON, I_OFF, A_OC, A_OV a I_MOD. I_ON a I_OFF sú zrušené. A_OC a A_OV sa čítajú priamo z ADC Arduina a filtrujú sa pomocou strednej časti posledných troch meraní. I_MOD sa číta priamo bez toho, aby sa museli odstraňovať chyby.

Ovládajte čas zapnutia podsvietenia.

Spustite stavový počítač MCP3422. Každých 5 ms vyhľadá MCP3422, aby zistil, či bola dokončená posledná konverzia, a ak áno, začne nasledujúcu, postupne získa hodnotu napätia a prúdu prítomného na výstupe.

Ak existujú nové hodnoty výstupného napätia a prúdu zo stavového automatu MCP3422, aktualizuje stav napájania na základe meraní a aktualizuje displej.

Existuje implementácia dvojitej vyrovnávacej pamäte pre rýchlejšiu aktualizáciu displeja.

Nasledujúce makrá je možné upraviť pre iné projekty:

MAXVP: Maximálne OV v jednotkách 1/100V.

MAXCP: Maximálne OC v jednotkách 1/1000A.

DEBOUNCEHARDNESS: Počet iterácií s poradovou hodnotou, ktorá má odhadnúť, že je správna pre I_ON a I_OFF.

LCD4x20 alebo LCD2x16: Kompilácia pre displeje 4x20 alebo 2x16, možnosť 2x16 zatiaľ nie je implementovaná.

Implementácia 4x20 zobrazuje nasledujúce informácie: V prvom riadku je uvedené výstupné napätie a výstupný prúd. V druhom rade indikátor priebehu predstavujúci výstupnú hodnotu vzhľadom na nastavenú hodnotu ochrany pre napätie aj prúd. V treťom rade aktuálna požadovaná hodnota pre ochranu proti prepätiu a nadprúdovú ochranu. Vo štvrtom riadku aktuálny stav napájania: CC ON (zapnuté v režime konštantného prúdu), CV ON (zapnuté v režime konštantného napätia), OFF, OV OFF (vypnuté, ktoré ukazuje, že sa napájanie prerušilo kvôli OV), OC OFF (Vypnuté, čo ukazuje, že sa napájanie prerušilo kvôli OC).

Vytvoril som tento súbor na navrhovanie znakov indikátorov priebehu:

Krok 8: Tepelné problémy

Použitie správneho chladiča je v tejto zostave veľmi dôležité, pretože napájací obvod nie je chránený proti prehriatiu.

Podľa údajového listu má tranzistor 2SD1047 prechod na tepelný odpor Rth-j, c = 1,25 ° C/W.

Podľa tejto webovej kalkulačky: https://www.myheatsinks.com/calculate/thermal-resi… tepelný odpor chladiča, ktorý som si kúpil, je Rth-hs, vzduch = 0,61ºC/W. Budem predpokladať, že skutočná hodnota je nižšia, pretože chladič je pripevnený k puzdru a teplo je možné tak odvádzať.

Podľa predajcu na ebay je tepelná vodivosť izolátora, ktorý som si kúpil, K = 20,9 W/(mK). S týmto, s hrúbkou 0,6 mm, je tepelný odpor: R = L/K = 2,87e-5 (Km2)/W. Prípad tepelného odporu voči chladiču izolátora pre povrch 15 mm x 15 mm 2SD1047 je: Rth-c, hs = 0,127 ° C/W. Sprievodcu týmito výpočtami nájdete tu:

Maximálny povolený výkon pre 150 ° C v križovatke a 25 ° C vo vzduchu je: P = (Tj-Ta) / (Rth-j, c + Rth-hs, vzduch + Rth-c, hs) = (150-25) / (1,25 + 0,61 + 0,127) = 63W.

Výstupné napätie transformátora je 21 VAC pri plnom zaťažení, čo v priemere predstavuje 24 VDC po diódach a filtrácii. Takže maximálny rozptyl bude P = 24V * 3A = 72W. Vzhľadom na to, že tepelný odpor chladiča je o niečo nižší v dôsledku rozptylu kovového krytu, predpokladal som, že to stačí.

Krok 9: Príloha

Kryt, vrátane dopravy, je najdrahšou súčasťou napájacieho zdroja. Tento model som našiel na ebay od spoločnosti Cheval, výrobcu Thay: https://www.chevalgrp.com/standalone2.php. V skutočnosti bol predajca eBay z Thajska.

Tento box má veľmi dobrú hodnotu za peniaze a prišiel celkom dobre zabalený.

Krok 10: Mechanizácia predného panela

Najlepšou možnosťou mechanizácie a gravírovania predného panela je použitie smerovača, ako je tento https://shop.carbide3d.com/products/shapeoko-xl-k…, alebo napríklad výroba vlastného plastového krytu pomocou systému PONOKO. Pretože však router nemám a nechcel som míňať veľa peňazí, rozhodol som sa ho urobiť starým spôsobom: rezanie, orezávanie súboru a používanie prenosových písmen pre text.

Priložil som súbor Inkscape so šablónou: frontPanel.svg.

• Vystrihnite šablónu.
• Panel prikryte maliarskou páskou.
• Prilepte šablónu na maliarsku pásku. Použil som lepiacu tyčinku.
• Označte polohu vrtákov.
• Vyvŕtajte otvory, aby sa pražcová píla alebo pílový kotúč mohli dostať do vnútorných rezov.
• Vystrihnite všetky tvary.
• Orezať súborom. V prípade okrúhlych otvorov pre potenciometre a viazacie stĺpiky nie je potrebné pílu pred podávaním používať. V prípade zobrazovacieho otvoru musí byť orezanie súboru čo najlepšie, pretože tieto okraje budú vidieť.
• Odstráňte šablónu a maliarsku pásku.
• Pozíciu textov označte ceruzkou.
• Preneste písmená.
• Značky ceruzky odstráňte gumou.

Krok 11: Mechanizácia zadného panelu

• Označte polohu chladiča vrátane otvoru pre výkonový tranzistor a polohu prídržných skrutiek.
• Vyznačte otvor pre prístup k chladiču z vnútra skrine napájacieho zdroja, ako referenciu som použil izolátor.
• Označte otvor pre konektor IEC.
• Vyvŕtajte obrys tvarov.
• Vyvŕtajte otvory pre skrutky.
• Vystrihnite tvary rezacími kliešťami.
• Orezajte tvary pilníkom.

Krok 12: Zostavenie predného panela

• Odpojte viacvodičový kábel zo šrotu, aby ste získali káble.
• Zostavte zostavu LCD, ktorá spájkuje I2C s paralelným rozhraním.
• Zostavte zostavu „molex konektora“, drôtu a zmršťovacej trubice pre: potenciometre, tlačidlá a LCD. Odstráňte všetky výčnelky v potenciometroch.
• Odstráňte krúžok ukazovateľa gombíkov.
• Odrežte tyč potenciometrov na veľkosť gombíka. Ako meradlo som použil kus lepenky.
• Pripojte tlačidlá a tlačidlo napájania.
• Zostavte potenciometre a nainštalujte gombíky, viacotáčkové potenciometre, ktoré som kúpil, majú ¼ palcový hriadeľ a jednootáčkové modely majú 6 mm hriadeľ. Na skrátenie vzdialenosti potenciometrov som použil podložky ako rozpery.
• Zaskrutkujte väzobné stĺpiky.
• Vložte obojstrannú pásku na displej LCD a prilepte ju k panelu.
• Spájajte kladné a záporné vodiče k väzbovým stĺpikom.
• Namontujte svorku GND do zeleného väzbového stĺpika.

Krok 13: Zostavenie zadného panela

• Naskrutkujte chladič na zadný panel, aj keď farba je tepelný izolátor, na zvýšenie prenosu tepla z chladiča do krytu som dal mazivo do chladiča.
• Zostavte konektor IEC.
• Umiestnite lepiace vložky pomocou obvodu súpravy napájacieho zdroja.
• Zaskrutkujte výkonový tranzistor a izolátor, na každom povrchu musí byť tepelné mazivo.
• Zostavte 7812 na napájanie arduina tak, aby bol otočený k puzdru, aby umožňoval odvod tepla, pomocou jednej zo skrutiek, ktoré držia chladič. Mal som použiť plastovú podložku, ako je táto https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Transistor-…, ale nakoniec som použil ten istý izolátor ako výkonový tranzistor a ohnutý kus puzdra.
• Napájací tranzistor a 7812 zapojte do napájacieho obvodu.

Krok 14: Konečná montáž a zapojenie

• Označte a vyvŕtajte otvory pre transformátor.
• Zostavte transformátor.
• Nalepte lepiace nožičky krytu.
• Prilepte obvod DC merača pomocou lepiacich podložiek.
• Oškrabte farbu a priskrutkujte GND očko.
• Postavte zostavy vodičov sieťového napätia, všetky koncovky sú 3/16”Faston. Na izoláciu koncov som použil zmršťovaciu trubicu.
• Odrežte prednú časť držiaka krytu na pravej strane, aby ste získali priestor pre tlačidlo napájania.
• Pripojte všetky vodiče podľa montážneho návodu.
• Nainštalujte poistku (1A).
• Nastavte potenciometer výstupného napätia (potenciometer VO) na minimum CCW a nastavte výstupné napätie čo najbližšie k nulovým napätiam pomocou viacotáčkového potenciometra jemného nastavenia napájacieho obvodu vkmaker.
• Zostavte kryt.

Krok 15: Vylepšenia a ďalšia práca

Vylepšenia

• Použite podložky v pestovateľskom štýle, aby ste sa vyhli uvoľneniu skrutiek vibráciami, najmä vibráciami z transformátora.
• Predný panel natrite priehľadným lakom, aby ste zabránili vymazaniu písmen.

Ďalšia práca:

• Pridajte USB konektor takto: https://www.ebay.com/itm/Switchcraft-EHUSBBABX-USB-… na zadnom paneli. Užitočné na aktualizáciu kódu bez demontáže alebo na vytvorenie malého ATE ovládajúceho funkcie On Off, získavanie stavu a meranie pomocou počítača.
• Vytvorte 2x16 LCD kompiláciu kódu.
• Vytvorte nový napájací obvod namiesto súpravy vkmaker s digitálnym ovládaním výstupného napätia a prúdu.
• Vykonajte primerané testy na charakterizáciu zdroja napájania.

Prvá cena v súťaži o napájanie