Digitálně řízený lineární napájecí zdroj: 6 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

V mých patnácti letech, asi před 40 lety, jsem vytvořil duální lineární napájecí zdroj. Schematický diagram jsem získal z časopisu s názvem „Elektuur“, dnes v Nizozemsku nazývaného „Elektor“. Tento napájecí zdroj používal jeden potenciometr pro nastavení napětí a jeden pro nastavení proudu. Po mnoha letech tyto potenciometry již nefungovaly správně, což ztěžovalo získání stabilního výstupního napětí. Toto napájení je znázorněno na obrázku.

Mezitím jsem v rámci svého koníčku využil vývoj integrovaného softwaru pomocí mikrokontroléru PIC a programovacího jazyka JAL. Protože stále chci používat svůj napájecí zdroj - ano, v dnešní době můžete koupit levnější varianty spínacích režimů - dostal jsem nápad nahradit staré potenciometry digitální verzí, a tak se zrodil nový projekt PIC.

Pro nastavení napětí napájecího zdroje používám mikrokontrolér PIC 16F1823, který používá 6 tlačítek následujícím způsobem:

• Jedno tlačítko pro zapnutí nebo vypnutí výstupního napětí bez nutnosti úplného zapnutí nebo vypnutí napájení
• Jedno tlačítko ke zvýšení výstupního napětí a druhé tlačítko ke snížení výstupního napětí
• Jako přednastavení lze použít tři tlačítka. Po nastavení určitého výstupního napětí lze toto přesné napětí uložit a načíst pomocí těchto přednastavených tlačítek

Napájecí zdroj je schopen vydávat napětí mezi 2,4 V a 18 V s maximálním proudem 2 A.

Krok 1: Počáteční návrh (revize 0)

Udělal jsem nějaké úpravy původního schematického diagramu, aby byl vhodný pro ovládání digitálním potenciometrem. Protože jsem v minulosti nikdy nepoužil původní potenciometr pro úpravu proudu, odstranil jsem jej a nahradil pevným odporem, přičemž maximální proud byl omezen na 2 ampéry.

Schematický diagram ukazuje napájecí zdroj postavený na starém, ale spolehlivém regulátoru napětí LM723. Také jsem pro něj vytvořil desku s plošnými spoji. LM723 má teplotně kompenzované referenční napětí s funkcí omezení proudu a široký rozsah napětí. Referenční napětí LM723 jde do digitálního potenciometru, jehož stěrač je připojen k neinvertujícímu vstupu LM723. Digitální potenciometr má hodnotu 10 kOhm a lze jej změnit z 0 Ohm na 10 kOhm ve 100 krocích pomocí 3vodičového sériového rozhraní.

Tento napájecí zdroj má digitální měřič napětí a ampér, který získává energii z 15voltového regulátoru napětí (IC1). Tento 15 V je také použit jako vstup pro 5voltový regulátor napětí (IC5), který napájí PIC a digitální potenciometr.

Tranzistor T1 se používá k vypnutí LM723, který přivádí výstupní napětí na 0 voltů. Výkonový odpor R9 se používá k měření proudu, což způsobuje pokles napětí na rezistoru, když jím protéká proud. Tento pokles napětí využívá LM723 k omezení maximálního výstupního proudu na 2 ampéry.

V tomto počátečním návrhu nejsou elektrolytický kondenzátor a výkonový tranzistor (typ 2N3055) na desce. V mém původním návrhu z doby před mnoha lety byl elektrolytický kondenzátor na samostatné desce, takže jsem to nechal. Výkonový tranzistor je pro lepší chlazení namontován na chladicí desku mimo skříň.

Tlačítka jsou na předním panelu skříně. Každé tlačítko je vytaženo vysoko rezistory 4k7 na desce. Tlačítka jsou připojena k zemi, díky čemuž jsou aktivní nízko.

Pro tento projekt (také revize 2) potřebujete následující elektronické součásti:

• 1 PIC mikrokontrolér 16F1823
• 1 digitální potenciometr 10k, typ X9C103
• Regulátory napětí: 1 * LM723, 1 * 78L15, 1 * 78L05
• Usměrňovací můstek: B80C3300/5000
• Tranzistory: 1 * 2N3055, 1 * BD137, 1 * BC547
• Diody: 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

Také jsem navrhl desku s plošnými spoji, která je zobrazena na přiloženém snímku obrazovky a obrázku.

Krok 2: Revidovaný design (revize 2)

Poté, co jsem si objednal desky s plošnými spoji, jsem přišel s nápadem přidat funkci, kterou nazývám „ochrana proti napětí“. Protože jsem měl v PIC stále k dispozici spoustu programové paměti, rozhodl jsem se pro měření výstupního napětí použít vestavěný analogový a digitální převodník (ADC) v PIC. V případě, že se toto výstupní napětí - z jakéhokoli důvodu - zvýší nebo sníží, napájení se vypne. To ochrání připojený obvod před přepětím nebo zastaví jakýkoli zkrat. Toto byla revize 1, která je rozšířením revize 0, původního návrhu.

Přestože jsem design testoval pomocí prkénka (viz obrázek), stále jsem s ním nebyl spokojený. Někdy se zdálo, že digitální potenciometr nebyl vždy přesně ve stejné poloze, např. při obnovování přednastavené hodnoty. Rozdíl byl malý, ale znepokojující. Není možné odečíst hodnotu potenciometru. Po nějaké úvaze jsem vytvořil revizi 2, což je malý redesign revize 1. V tomto návrhu, viz schematický diagram revize 2, jsem nepoužil digitální potenciometr, ale použil jsem vestavěný převodník digitálního signálu na analogový (DAC) PIC pro ovládání výstupního napětí přes LM723. Jediným problémem bylo, že PIC16F1823 má pouze 5bitový DAC, což nebylo dostatečné, protože kroky nahoru a dolů by byly příliš velké. Kvůli tomu jsem přešel na PIC16F1765, který má na desce 10bitový DAC. Tato verze s DAC byla spolehlivá. Stále jsem mohl použít počáteční desku s plošnými spoji, protože potřebuji pouze odstranit některé součásti, vyměnit 1 kondenzátor a přidat 2 vodiče (1 vodič již byl potřebný pro přidání funkce detekce napětí revize 1). Také jsem změnil 15voltový regulátor na 18voltovou verzi, abych omezil ztrátový výkon. Viz schematický diagram revize 2.

Pokud tedy chcete jít na tento design, musíte ve srovnání s revizí 0 udělat následující:

• Vyměňte PIC16F1823 za PIC16F1765
• Volitelné: Nahraďte 78L15 78L18
• Demontujte digitální potenciometr typu X9C103
• Odstraňte odpory R1 a R15
• Vyměňte elektrolytický kondenzátor C5 za keramický kondenzátor 100 nF
• Vytvořte spojení mezi pinem IC4 13 (PIC) a konektorem IC2 5 (LM723)
• Vytvořte spojení mezi pinem IC4 3 (PIC) a konektorem IC2 4 (LM723)

Také jsem aktualizoval desku s plošnými spoji, ale tuto verzi jsem neobjednal, viz screenshot.

Krok 3: (Ne) montáž

Na obrázku vidíte napájecí zdroj před a po upgradu. Abych zakryl otvory, které byly vytvořeny potenciometry, přidal jsem přední panel na horní část předního panelu skříně. Jak vidíte, vytvořil jsem duální napájecí zdroj, kde jsou oba napájecí zdroje na sobě zcela nezávislé. To umožňuje jejich uvedení do série v případě, že potřebuji vyšší výstupní napětí než 18 Voltů.

Díky desce s plošnými spoji bylo snadné sestavit elektroniku. Pamatujte, že velký elektrolytický kondenzátor a výkonový tranzistor nejsou na desce plošných spojů. Fotografie ukazuje, že pro revizi 2 již některé součásti nejsou potřeba a byly zapotřebí 2 vodiče, jeden pro přidání funkce detekce napětí a druhý kvůli výměně digitálního potenciometru za převodník digitálního na analogový mikrokontroléru PIC.

Samozřejmě potřebujete transformátor, který je schopen dodávat 18 voltů AC, 2 ampéry. Ve svém původním návrhu jsem použil prstencový transformátor, protože jsou efektivnější (ale také dražší).

Krok 4: Software pro revizi 0

Software provádí následující hlavní úkoly:

• Řízení výstupního napětí napájecího zdroje pomocí digitálního potenciometru

• Ovládejte funkce tlačítek, kterými jsou:

  • Zapnutí/vypnutí. Toto je přepínací funkce, která nastavuje výstupní napětí na 0 voltů nebo na naposledy zvolené napětí
  • Zvýšení napětí/snížení napětí. Při každém stisknutí tlačítka se napětí mírně zvýší nebo mírně sníží. Pokud tato tlačítka zůstanou stisknutá, aktivuje se funkce opakování
  • Preset store/Preset retrieve. Jakékoli nastavení napětí lze uložit do EEPROM PIC stisknutím přednastaveného tlačítka po dobu alespoň 2 sekund. Krátkým stisknutím získáte hodnotu EEPROM pro tuto předvolbu a podle toho nastavíte výstupní napětí

Při zapnutí jsou všechny piny PIC nastaveny jako vstup. Aby se zabránilo přítomnosti nedefinovaného napětí na výstupu napájecího zdroje, zůstává výstup na 0 voltech, dokud není PIC v provozu a digitální potenciometr není inicializován. Toto vypnutí je dosaženo vytahovacím odporem R14, který zajišťuje, že tranzistor T1 vypne LM723, dokud jej neuvolní PIC.

Zbytek softwaru jde napřed. Tlačítka jsou skenována a pokud je potřeba něco změnit, hodnota digitálního potenciometru se změní pomocí třívodičového sériového rozhraní. Digitální potenciometr má také možnost uložit nastavení, ale toto se nepoužívá, protože všechna nastavení jsou uložena v EEPROM PIC. Rozhraní s potenciometrem nenabízí funkci pro čtení hodnoty stěrače zpět. Kdykoli tedy musí být stěrač přednastaven na určitou hodnotu, první věcí, kterou je třeba udělat, je vrátit stěrač zpět do nulové polohy a od tohoto bodu poslat počet kroků, které uvedou stěrač do správné polohy.

Aby se zabránilo zápisu EEPROM při každém stisknutí tlačítka, a tím se zkrátila životnost EEPROM, je obsah EEPROM zapsán 2 sekundy poté, co tlačítka již nejsou aktivována. To znamená, že po poslední změně tlačítek počkejte alespoň 2 sekundy, než přepnete napájení, abyste se ujistili, že je uloženo poslední nastavení. Při zapnutí se napájení vždy spustí s posledním zvoleným napětím uloženým v EEPROM.

Připojen je zdrojový soubor JAL a soubor Intel Hex pro programování PIC pro revizi 0.

Krok 5: Software pro revizi 2

U revize 2 jsou hlavní změny softwaru následující:

• Funkce detekce napětí byla přidána měřením výstupního napětí napájecího zdroje po jeho nastavení. K tomu se používá ADC převodník PIC. Pomocí ADC software odebírá vzorky výstupního napětí a pokud je po několika vzorcích výstupní napětí asi o 0,2 Voltu vyšší nebo nižší než nastavené napětí, napájení se vypne.
• Použití DAC PIC k ovládání výstupního napětí napájecího zdroje místo použití digitálního potenciometru. Díky této změně byl software jednodušší, protože pro digitální potenciometr nebylo nutné vytvářet 3vodičové rozhraní.
• Nahraďte úložiště v EEPROM úložištěm ve hře High Endurance Flash. PIC16F1765 nemá na paměti EEPROM, ale používá část programu Flash pro ukládání energeticky nezávislých informací.

Všimněte si, že detekce napětí není původně aktivována. Při zapnutí jsou zkontrolována stisknutí následujících tlačítek:

• Tlačítko zapnutí/vypnutí. Po stisknutí se obě funkce detekce napětí vypnou.
• Tlačítko dolů. Po stisknutí se aktivuje detekce nízkého napětí.
• Tlačítko nahoru. Po stisknutí se aktivuje detekce vysokého napětí.

Toto nastavení detekce napětí je uloženo v blesku High Endurance Flash a je vyvoláno při opětovném zapnutí napájení.

Připojen je také zdrojový soubor JAL a soubor Intel Hex pro programování PIC pro revizi 2.

Krok 6: Konečný výsledek

Ve videu vidíte revizi napájecího zdroje 2 v akci, ukazuje funkci zapnutí/vypnutí, zvýšení/snížení napětí a využití předvoleb. Pro toto demo jsem také připojil odpor k napájecímu zdroji, abych ukázal, že jím protéká skutečný proud a že maximální proud je omezen na 2 ampéry.

Pokud vás zajímá používání mikrokontroléru PIC s JAL - programovacím jazykem jako Pascal - navštivte webové stránky JAL.

Bavte se dělat tento návod a těšíme se na vaše reakce a výsledky.