Vynikající laboratorní napájecí zdroj: 15 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Z mého pohledu je jedním z nejlepších způsobů, jak začít s elektronikou, vybudovat si vlastní laboratorní napájecí zdroj. V tomto pokynu jsem se pokusil shromáždit všechny potřebné kroky, aby si každý mohl postavit ten svůj.

Všechny části sestavy lze přímo objednat v digikey, ebay, amazonu nebo aliexpressu s výjimkou měřicího obvodu. Vytvořil jsem vlastní stínící obvod měřiče pro Arduino schopný měřit až 36 V - 4 A s rozlišením 10 mV - 1 mA, který lze použít i pro jiné projekty.

Napájecí zdroj má následující vlastnosti:

• Jmenovité napětí: 24V.
• Jmenovitý proud: 3A.
• Zvlnění výstupního napětí: 0,01% (podle specifikací sady napájecích obvodů).
• Rozlišení měření napětí: 10mV.
• Rozlišení měření proudu: 1mA.
• Režimy CV a CC.
• Nadproudová ochrana.
• Ochrana před vysokým napětím.

Krok 1: Schéma součástí a zapojení

Kromě obrázku jsem k tomuto kroku připojil soubor WiringAndParts.pdf. Dokument popisuje všechny funkční části stolního napájecího zdroje, včetně objednacího odkazu, a způsob jejich připojení.

Síťové napětí přichází přes konektor panelu IEC (10), který má vestavěný držák, na předním panelu (11) je vypínač, který přerušuje obvod vytvořený z konektoru IEC do transformátoru (9).

Transformátor (9) má výstup 21 VAC. 21 VAC jde přímo do napájecího obvodu (8). Výstup napájecího obvodu (8) jde přímo na svorku IN obvodu měřiče (5).

Svorka OUT obvodu měřiče (5) je připojena přímo k kladným a záporným vazebným sloupkům (4) napájecího zdroje. Obvod měřiče měří napětí i proud (horní strana) a může povolit nebo zakázat spojení mezi vstupem a výstupem.

Kabely, obecně používejte šrotovací kabely, které máte doma. Na internetu můžete zkontrolovat vhodný měřič AWG pro 3A, ale obecně platí pravidlo palce 4A/mm², zvláště pro krátké kabely. Pro kabeláž síťového napětí (120 V nebo 230 V) použijte vhodně izolované kabely, 600 V v USA, 750 V v Evropě.

Sériový tranzistor napájecího obvodu (Q4) (12) byl místo pájení zapojen, aby umožnil snadnou instalaci chladiče (13).

Původní 10K potenciometry napájecího obvodu byly nahrazeny víceotáčkovými modely (7), což umožňuje přesné nastavení výstupního napětí a proudu.

Deska Arduino obvodu měřiče je napájena kabelem napájecího konektoru (6), který vychází z napájecího obvodu (8). Napájecí deska byla upravena tak, aby místo 24V získala 12V.

Kladný kolík LED CC z napájecího obvodu je zapojen do konektoru režimu měřicího obvodu. Díky tomu bude vědět, kdy má zobrazit režim CC nebo CV.

K obvodu měřiče jsou připojena dvě tlačítka (3). Vypínač „červený“odpojí výstupní napětí. Tlačítko „černé“připojuje výstupní napětí a resetuje chyby OV nebo OC.

K obvodu měřiče (2) jsou připojeny dva potenciometry. Jeden nastavuje práh OV a druhý nastavuje práh OC. Tyto potenciometry nemusí být víceotáčkové, použil jsem původní potenciometry z napájecího obvodu.

20x4 I2C alfanumerický LCD (1) je zapojen do obvodu měřiče. Zobrazuje aktuální informace o výstupním napětí, výstupním proudu, žádané hodnotě OV, žádané hodnotě OC a stavu.

Krok 2: Sada napájecího obvodu

Koupil jsem tuto soupravu s hodnocením 30 V, 3 A:

Přikládám montážní příručku, kterou jsem našel na internetu, a obrázek schématu. Krátce:

Obvod je lineární napájecí zdroj.

Q4 a Q2 jsou Darlingtonovo pole a tvoří sériový tranzistor, který je řízen operačními zesilovači, aby udržoval napětí a proud na požadované hodnotě.

Proud se měří pomocí R7, přidáním tohoto odporu na spodní stranu se uzemnění napájecího obvodu a výstupní zem liší.

Obvod pohání LED, která se rozsvítí, když je zapnutý režim konstantního proudu.

Obvod obsahuje Graethův můstek k nápravě střídavého vstupu. Vstup AC se také používá ke generování záporného předpětí na dosažení 0V.

V tomto obvodu není tepelná ochrana, proto je vhodné dimenzování chladiče velmi důležité.

Obvod má výstup 24 V pro „volitelný“ventilátor. Nahradil jsem regulátor 7824 regulátorem 7812, abych získal 12V pro desku Arduino obvodu měřiče.

Nesestavil jsem LED, místo toho jsem použil tento signál k označení obvodu měřiče, pokud je napájení v CC nebo CV.

Krok 3: Sestavení sady napájecího obvodu

V tomto obvodu jsou všechny části průchozí dírou. Obecně musíte začít od těch nejmenších.

• Pájejte všechny odpory.
• Pájejte zbytek součástí.
• Při ohýbání vodičů diod používejte kleště, aby nedošlo k jejich zlomení.
• Ohněte vývody operačního zesilovače DIP8 TL081.
• Při montáži chladičů použijte směs chladiče.

Krok 4: Návrh obvodu obvodu a schéma

Obvod je štítem pro Arduino UNO kompatibilní s verzemi R3. Navrhl jsem to s díly dostupnými na digikey.com.

Výstup sady napájecích obvodů vkmaker je připojen ke svorkovnici IN a svorkovnice OUT jde přímo na vazební sloupky napájecího zdroje.

R4 je bočníkový odpor v kladné kolejnici v hodnotě 0,01 ohm, má úbytek napětí úměrný aktuálnímu výstupnímu výkonu. Diferenční napětí R4 je zapojeno přímo na piny RS+ a RS-IC1. Maximální pokles napětí při maximálním proudovém výstupu je 4A*0,01ohm = 40mV.

R2, R3 a C2 tvoří filtr ~ 15 Hz, aby se zabránilo šumu.

IC1 je zesilovač vysokého bočního proudu: MAX44284F. Je založen na nasekaném operačním zesilovači, který umožňuje získat velmi nízké vstupní offsetové napětí, 10uV při maximu při 25ºC. Při 1mA je pokles napětí v R4 10uV, což se rovná maximálnímu vstupnímu ofsetovému napětí.

MAX44284F má napěťový zisk 50V/V, takže výstupní napětí, signál SI, při maximálním proudu 4A, bude mít hodnotu 2V.

Maximální vstupní napětí ve společném režimu MAX44284F je 36V, což omezuje rozsah vstupního napětí na 36V.

R1 a C1 tvoří filtr pro potlačení nežádoucích signálů 10KHz a 20KHz, které se mohou objevit kvůli architektuře zařízení, doporučuje se na straně 12 datového listu.

R5, R6 a R7 jsou dělič napětí s vysokou impedancí 0,05 V/V. R7 s C4 tvoří filtr ~ 5 Hz, aby se zabránilo hluku. Dělič napětí je umístěn za R4, aby změřil skutečné výstupní napětí po poklesu napětí.

IC3 je operační zesilovač MCP6061T, který tvoří napěťový sledovač k izolaci děliče napětí s vysokou impedancí. Maximální vstupní předpětí je 100 pA při pokojové teplotě, tento proud je zanedbatelný pro impedanci děliče napětí. Při 10mV je napětí na vstupu IC3 0,5mV, mnohem větší než jeho vstupní ofsetové napětí: 150uV při maximu.

Výstup signálu IC3, SV, má napětí 2 V při vstupním napětí 40 V (maximální možné je 36 V kvůli IC1). Signály SI a SV jsou zapojeny do IC2. IC2 je MCP3422A0, dvoukanálový I2C sigma delta ADC. Má interní referenční napětí 2,048 V, volitelné zesílení napětí 1, 2, 4 nebo 8 V/V a volitelný počet 12, 14, 16 nebo 18 bitů.

Pro tento obvod používám pevný zisk 1 V/V a pevné rozlišení 14 bitů. Signály SV a SI nejsou diferenciální, takže záporný pin každého vstupu musí být uzemněn. To znamená, že počet dostupných LSB bude poloviční.

Protože referenční hodnota vnitřního napětí je 2,048 V a efektivní počet LSB je 2^13, budou hodnoty ADC: 2 LSB na každý 1 mA v případě proudu a 1 LSB na každých 5 mV v případě napětí.

X2 je konektor pro tlačítko ON. R11 brání vstupu kolíku Arduino před statickými výboji a R12 je pull-up odpor, který při stlačení vytváří 5V a při stisknutí ~ 0V. I_ON signál.

X3 je konektor pro tlačítko OFF. R13 brání vstupu kolíku Arduino před statickými výboji a R14 je výsuvný odpor, který při stlačení vytváří 5V a při stisknutí ~ 0V. I_OFF signál.

X5 je konektor pro potenciometr žádané hodnoty nadproudové ochrany. R15 zabraňuje vstupnímu kolíku Arduino statickým výbojům a R16 zabraňuje zkratu +5V kolejnice. Signál A_OC.

X6 je konektor pro potenciometr žádané hodnoty přepěťové ochrany. R17 zabraňuje vstupnímu kolíku Arduino statickým výbojům a R18 zabraňuje zkratu +5V kolejnice. A_OV signál.

X7 má externí vstup, který slouží k získání režimu konstantního proudu nebo konstantního napětí napájecího zdroje. Protože může mít mnoho vstupních napětí, je vyroben pomocí Q2, R19 a R20 jako měniče úrovně napětí. I_MOD signál.

X4 je konektor externího LCD, je to jen připojení 5V kolejnice, linek GND a I2C SCL-SDA.

I2C linky, SCL a SDA, jsou sdíleny IC2 (ADC) a externím LCD, jsou vytaženy nahoru R9 a R10.

R8 a Q1 tvoří ovladač relé K1. K1 připojuje výstupní napětí při napájení. Při 0 V v -CUT je relé bez napájení a při 5V v -CUT je relé napájeno. D3 je volnoběžná dioda k potlačení záporných napětí při přerušení napětí cívky relé.

Z1 je tlumič přechodného napětí se jmenovitým napětím 36V.

Krok 5: PCB obvodu měřiče

Pro schéma i desku plošných spojů jsem použil bezplatnou verzi Eagle. Deska plošných spojů je oboustranná o tloušťce 1,6 mm a má samostatnou zemní rovinu pro analogový obvod a digitální obvod. Design je docela jednoduchý. Získal jsem soubor dxf z internetu s dimenzí for the outline a pozicí pinhead konektorů Arduino.

Zasílám následující soubory:

• Původní soubory orlů: 00002A.brd a 00002A.sch.
• Soubory Gerber: 00002A.zip.
• A BOM (kusovník) + montážní příručka: BOM_Assemby.pdf.

Objednal jsem PCB na PCBWay (www.pcbway.com). Cena byla úžasně nízká: 33 dolarů včetně poštovného za 10 desek, které dorazily za méně než týden. Zbývající desky mohu sdílet se svými přáteli nebo je použít v jiných projektech.

V návrhu je chyba, do legendy 36V jsem vložil dotyk přes sítotisk.

Krok 6: Sestavení obvodu měřiče

Ačkoli většina částí je v této desce SMT, lze ji sestavit pomocí běžné páječky. Použil jsem Hakko FX888D-23BY, pinzetu s jemným hrotem, nějaký pájecí knot a pájku 0,02.

• Po obdržení dílů je nejlepší je roztřídit, roztřídil jsem kondenzátory a odpory a sešil tašky.
• Nejprve sestavte malé části, počínaje rezistory a kondenzátory.
• Sestavte R4 (0R1) počínaje jedním ze čtyř vodičů.
• Pájejte zbytek dílů, obecně pro SOT23, SOIC8 atd. Nejlepší způsob je nanést nejprve pájku na jednu podložku, pájet součást na její místo a poté pájet zbytek vodičů. Někdy může pájka spojit mnoho podložek dohromady, v tomto případě můžete použít tavidlo a pájecí knot k odstranění pájky a vyčištění mezer.
• Sestavte zbytek součástí průchozího otvoru.

Krok 7: Arduino kód

Připojil jsem soubor DCmeter.ino. V tomto souboru je obsažen veškerý program kromě knihovny LCD „LiquidCrystal_I2C“. Kód je vysoce přizpůsobitelný, zejména tvar indikátorů průběhu a zobrazené zprávy.

Jako všechny arduino kódy má funkci setup () spuštěnou poprvé a funkci loop () spuštěnou nepřetržitě.

Funkce nastavení konfiguruje displej, včetně speciálních znaků pro ukazatel průběhu, vstoupí do stavového stroje MCP4322 a poprvé nastaví relé a podsvícení LCD.

Neexistuje žádné přerušení, v každé iteraci funkce smyčky provede následující kroky:

Získejte hodnotu všech vstupních signálů I_ON, I_OFF, A_OC, A_OV a I_MOD. I_ON a I_OFF jsou zrušeny. A_OC a A_OV se čtou přímo z ADC Arduina a filtrují se pomocí střední části posledních tří měření. I_MOD se čte přímo bez debounování.

Ovládejte dobu zapnutí podsvícení.

Spusťte stavový stroj MCP3422. Každých 5 ms dotazuje MCP3422, aby zjistil, zda byla dokončena poslední konverze, a pokud ano, začne další, postupně získá hodnotu napětí a proudu přítomného na výstupu.

Pokud existují nové hodnoty výstupního napětí a proudu ze stavového stroje MCP3422, aktualizuje stav napájecího zdroje na základě měření a aktualizuje displej.

Pro rychlejší aktualizaci zobrazení existuje implementace dvojité vyrovnávací paměti.

Následující makra lze upravit pro jiné projekty:

MAXVP: Maximální OV v jednotkách 1/100V.

MAXCP: Maximum OC v jednotkách 1/1000A.

DEBOUNCEHARDNESS: Počet iterací s po sobě jdoucími hodnotami, které uhodnou, že jsou správné pro I_ON a I_OFF.

LCD4x20 nebo LCD2x16: Kompilace pro zobrazení 4x20 nebo 2x16, možnost 2x16 zatím není implementována.

Implementace 4x20 ukazuje následující informace: V první řadě výstupní napětí a výstupní proud. Ve druhém řádku indikátor průběhu představující výstupní hodnotu vztaženou k žádané hodnotě ochrany pro napětí i proud. Ve třetí řadě aktuální požadovanou hodnotu pro ochranu proti přepětí a nadproudovou ochranu. Ve čtvrté řadě aktuální stav napájecího zdroje: CC ON (zapnuto v režimu konstantního proudu), CV ON (zapnuto v režimu konstantního napětí), OFF, OV OFF (vypnuto ukazuje, že došlo k výpadku napájení kvůli OV), OC OFF (Vypnuto ukazuje, že došlo k výpadku napájení kvůli OC).

Vytvořil jsem tento soubor pro navrhování znaků ukazatelů průběhu:

Krok 8: Tepelné problémy

Použití správného chladiče je v této sestavě velmi důležité, protože napájecí obvod není samostatně chráněn proti přehřátí.

Podle datového listu má tranzistor 2SD1047 přechod k tepelnému odporu Rth-j, c = 1,25ºC/W.

Podle této webové kalkulačky: https://www.myheatsinks.com/calculate/thermal-resi… tepelný odpor chladiče, který jsem koupil, je Rth-hs, vzduch = 0,61ºC/W. Budu předpokládat, že skutečná hodnota je nižší, protože chladič je připevněn k pouzdru a teplo lze také takto odvádět.

Podle prodejce ebay je tepelná vodivost izolačního listu, který jsem koupil, K = 20,9 W/(mK). S tímto, s tloušťkou 0,6 mm, je tepelný odpor: R = L/K = 2,87e-5 (Km2)/W. Pouzdro tepelného odporu vůči chladiči izolátoru pro povrch 2SD1047 o rozměrech 15 mm x 15 mm je: Rth-c, hs = 0,127 ° C/W. Návod k těmto výpočtům najdete zde:

Maximální přípustný výkon pro 150 ° C na křižovatce a 25 ° C ve vzduchu je: P = (Tj-Ta) / (Rth-j, c + Rth-hs, vzduch + Rth-c, hs) = (150-25) / (1,25 + 0,61 + 0,127) = 63W.

Výstupní napětí transformátoru je 21 V AC při plném zatížení, což činí v průměru 24 V DC po diodách a filtrování. Maximální rozptyl tedy bude P = 24V * 3A = 72W. Vzhledem k tomu, že tepelný odpor chladiče je díky rozptylu kovového pláště o něco nižší, usoudil jsem, že to stačí.

Krok 9: Příloha

Pouzdro, včetně dopravy, je nejdražší částí napájecího zdroje. Tento model jsem našel na ebay od Cheval, výrobce Thay: https://www.chevalgrp.com/standalone2.php. Ve skutečnosti byl prodejce ebay z Thajska.

Tento box má velmi dobrou hodnotu za peníze a dorazil docela dobře zabalený.

Krok 10: Mechanizace předního panelu

Nejlepší možností mechanizace a gravírování předního panelu je použití routeru, jako je tento https://shop.carbide3d.com/products/shapeoko-xl-k…, nebo například výroba vlastního plastového krytu pomocí PONOKO. Ale protože nemám router a nechtěl jsem utrácet mnoho peněz, rozhodl jsem se to udělat starým způsobem: řezání, ořezávání pomocí souboru a použití přenosových písmen pro text.

Připojil jsem soubor Inkscape se vzorníkem: frontPanel.svg.

• Uřízněte šablonu.
• Panel překryjte malířskou páskou.
• Přilepte šablonu na malířskou pásku. Použil jsem lepicí tyčinku.
• Označte polohu vrtáků.
• Vyvrtejte otvory, aby se pražcová pila nebo upínací pilový list mohly dostat do vnitřních řezů.
• Vyřízněte všechny tvary.
• Ořízněte soubor. V případě kulatých otvorů pro potenciometry a vázací sloupky není nutné pilku před pilováním používat. V případě zobrazovacího otvoru musí být oříznutí souboru nejlepší možné, protože tyto hrany budou vidět.
• Odstraňte šablonu a malířskou pásku.
• Pozici textů označte tužkou.
• Přeneste písmena.
• Odstraňte značky na tužce gumou.

Krok 11: Mechanizace zadního panelu

• Označte polohu chladiče včetně otvoru pro výkonový tranzistor a polohu přídržných šroubů.
• Označte otvor pro přístup k chladiči z vnitřku skříně napájecího zdroje, jako referenci jsem použil izolátor.
• Označte otvor pro konektor IEC.
• Vyvrtejte obrys tvarů.
• Vyvrtejte otvory pro šrouby.
• Vystřihněte tvary řezacími kleštěmi.
• Ořízněte tvary pilníkem.

Krok 12: Sestavení předního panelu

• Oddělením vícevodičového kabelu ze šrotu získáte kabely.
• Sestavte sestavu LCD, která pájí I2C k paralelnímu rozhraní.
• Sestavte sestavu „molex konektoru“, drátu a smrštitelné trubice pro: potenciometry, tlačítka a LCD. Odstraňte jakýkoli výčnělek v potenciometrech.
• Sejměte kroužek ukazatele knoflíků.
• Odřízněte tyč potenciometrů na velikost knoflíku. Jako měřidlo jsem použil kus lepenky.
• Připojte tlačítka a vypínač.
• Sestavte potenciometry a nainstalujte knoflíky, víceotáčkové potenciometry, které jsem koupil, mají ¼ palcový hřídel a jednootáčkové modely mají 6 mm hřídel. Pro zkrácení vzdálenosti potenciometrů jsem použil podložky.
• Zašroubujte vázací sloupky.
• Vložte oboustrannou pásku na LCD a přilepte ji k panelu.
• Pájejte kladné a záporné vodiče k vázacím sloupkům.
• Namontujte svorku GND do zeleného vázacího sloupku.

Krok 13: Sestavení zadního panelu

• Přišroubujte chladič k zadnímu panelu, ačkoli barva je tepelný izolátor, dal jsem mazivo na chladič, aby se zvýšil přenos tepla z chladiče do skříně.
• Sestavte konektor IEC.
• Umístěte lepicí rozpěrky pomocí obvodu napájecí sady.
• Zašroubujte výkonový tranzistor a izolátor, na každém povrchu musí být tepelné mazivo.
• Sestavte 7812 pro napájení arduina tak, aby stál proti pouzdru, aby umožňoval odvod tepla, pomocí jednoho ze šroubů, které drží chladič. Měl jsem použít plastovou podložku, jako je tato https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Transistor-…, ale nakonec jsem použil stejný izolátor jako napájecí tranzistor a ohnutý kus pouzdra.
• Připojte napájecí tranzistor a 7812 k napájecímu obvodu.

Krok 14: Konečná montáž a zapojení

• Označte a vyvrtejte otvory pro transformátor.
• Sestavte transformátor.
• Přilepte lepicí nožičky krytu.
• Obvod DC měřiče přilepte pomocí lepicích rozpěr.
• Oškrábejte barvu a zašroubujte GND očko.
• Sestavte sestavy vodičů síťového napětí, všechna zakončení jsou 3/16”Faston. K izolaci zakončení jsem použil smršťovací trubičku.
• Odřízněte přední část držáku skříně na pravé straně, abyste získali prostor pro tlačítko napájení.
• Připojte všechny vodiče podle montážního návodu.
• Nainstalujte pojistku (1A).
• Potenciometr výstupního napětí (potenciometr VO) nastavte na minimální CCW a pomocí víceotáčkového potenciometru jemného nastavení napájecího obvodu vkmaker nastavte výstupní napětí co nejblíže nulovým voltům.
• Sestavte skříň.

Krok 15: Vylepšení a další práce

Vylepšení

• Použijte podložky pěstitelského stylu, abyste zabránili uvolnění šroubů vibracemi, zejména vibracemi z transformátoru.
• Přední panel natřete průhledným lakem, aby nedošlo k vymazání písmen.

Další práce:

• Přidejte USB konektor takto: https://www.ebay.com/itm/Switchcraft-EHUSBBABX-USB-… na zadním panelu. Užitečné pro upgrade kódu bez demontáže nebo pro vytvoření malého ATE ovládajícího funkce Zapnuto Vypnuto, získání stavu a měření pomocí PC.
• Vytvořte 2x16 LCD kompilaci kódu.
• Vytvořte nový napájecí obvod namísto sady vkmaker s digitálním ovládáním výstupního napětí a proudu.
• Proveďte odpovídající testy pro charakterizaci napájecího zdroje.

První cena v soutěži o napájecí zdroj