Линейный источник питания с цифровым управлением: 6 ступеней (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

В молодые годы, около 40 лет назад, я создал двойной линейный источник питания. Схематическую диаграмму я получил из журнала «Elektuur», который в настоящее время в Нидерландах называется «Elektor». В этом источнике питания использовался один потенциометр для регулировки напряжения и один для регулировки тока. По прошествии многих лет эти потенциометры больше не работали правильно, что затрудняло получение стабильного выходного напряжения. Этот блок питания показан на картинке.

Тем временем я занялся разработкой встроенного программного обеспечения как частью своего хобби, используя микроконтроллер PIC и язык программирования JAL. Поскольку я все еще хочу использовать свой источник питания - да, в настоящее время вы можете купить более дешевые варианты переключения режимов - мне пришла идея заменить старые потенциометры цифровой версией, и так родился новый проект PIC.

Для регулировки напряжения источника питания я использую микроконтроллер PIC 16F1823, который использует 6 кнопок следующим образом:

• Одна кнопка для включения или выключения выходного напряжения без необходимости полного включения или выключения источника питания
• Одна кнопка для увеличения выходного напряжения и еще одна кнопка для уменьшения выходного напряжения.
• Три кнопки используются в качестве предустановленных. После установки определенного выходного напряжения это точное напряжение может быть сохранено и получено с помощью этих предустановленных кнопок.

Источник питания способен выдавать напряжение от 2,4 до 18 вольт с максимальным током 2 ампера.

Шаг 1. Первоначальный дизайн (редакция 0)

Я внес некоторые изменения в исходную принципиальную схему, чтобы сделать ее пригодной для управления с помощью цифрового потенциометра. Поскольку в прошлом я никогда не использовал оригинальный потенциометр для регулировки тока, я удалил его и заменил постоянным резистором, ограничив максимальный ток до 2 ампер.

На принципиальной схеме показан блок питания, построенный на старом, но надежном стабилизаторе напряжения LM723. Еще я сделал для него печатную плату. LM723 имеет опорное напряжение с температурной компенсацией, функцией ограничения тока и широким диапазоном напряжений. Опорное напряжение LM723 поступает на цифровой потенциометр, стеклоочиститель которого подключен к неинвертирующему входу LM723. Цифровой потенциометр имеет значение 10 кОм и может изменяться от 0 Ом до 10 кОм за 100 шагов с помощью 3-проводного последовательного интерфейса.

Этот источник питания имеет цифровой вольт-амперметр, который получает питание от регулятора напряжения на 15 вольт (IC1). Эти 15 вольт также используются в качестве входа для регулятора напряжения 5 вольт (IC5), который питает PIC и цифровой потенциометр.

Транзистор T1 используется для отключения LM723, что снижает выходное напряжение до 0 В. Силовой резистор R9 используется для измерения тока, вызывая падение напряжения на резисторе, когда через него протекает ток. Это падение напряжения используется LM723 для ограничения максимального выходного тока до 2 ампер.

В этой первоначальной конструкции на плате отсутствуют электролитический конденсатор и силовой транзистор (тип 2N3055). В моем первоначальном дизайне много лет назад электролитический конденсатор был на отдельной плате, поэтому я оставил его. Силовой транзистор установлен на охлаждающей пластине за пределами шкафа для лучшего охлаждения.

Кнопки находятся на передней панели шкафа. Каждая кнопка поднимается резисторами 4k7 на плате. Кнопки заземлены, что делает их низкоактивными.

Для этого проекта вам потребуются следующие электронные компоненты (см. Также редакцию 2):

• 1 PIC микроконтроллер 16F1823
• 1 цифровой потенциометр 10к, тип X9C103
• Регуляторы напряжения: 1 * LM723, 1 * 78L15, 1 * 78L05
• Мостовой выпрямитель: B80C3300 / 5000
• Транзисторы: 1 * 2N3055, 1 * BD137, 1 * BC547
• Диоды: 2 * 1N4004
• Электролитические конденсаторы: 1 * 4700 мкФ / 40 В, 1 * 4,7 мкФ / 16 В
• Керамические конденсаторы: 1 * 1 нФ, 6 * 100 нФ
• Резисторы: 1 * 100 Ом, 1 * 820 Ом, 1 * 1к, 2 * 2к2, 8 * 4к7
• Резистор мощности: 0,33 Ом / 5 Вт

Я также разработал печатную плату, которая показана на прилагаемом скриншоте и картинке.

Шаг 2. Обновленный дизайн (редакция 2)

После заказа печатных плат у меня возникла идея добавить функцию, которую я называю «защитой от напряжения». Поскольку у меня все еще было много памяти для программ, доступной в PIC, я решил использовать встроенный в PIC аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для измерения выходного напряжения. Если это выходное напряжение по какой-либо причине повышается или понижается, питание отключается. Это защитит подключенную цепь от перенапряжения или предотвратит короткое замыкание. Это была ревизия 1, которая является расширением ревизии 0, первоначального дизайна.

Хотя я тестировал дизайн на макетной плате (см. Рисунок), мне все равно он не понравился. Иногда казалось, что цифровой потенциометр не всегда находится в одном и том же положении, например. при восстановлении заданного значения. Разница была небольшой, но тревожной. Невозможно прочитать значение потенциометра. Поразмыслив, я создал ревизию 2, которая представляет собой небольшую переработку ревизии 1. В этой версии, см. Схематическую диаграмму, ревизия 2, я не использовал цифровой потенциометр, но я использовал встроенный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) PIC для управления выходным напряжением через LM723. Единственная проблема заключалась в том, что PIC16F1823 имеет только 5-битный ЦАП, которого было недостаточно, потому что шаги вверх и вниз были бы слишком большими. Из-за этого я переключился на PIC16F1765 с 10-битным ЦАП на борту. Эта версия с ЦАП оказалась надежной. Я все еще мог использовать исходную печатную плату, так как мне нужно только удалить некоторые компоненты, заменить 1 конденсатор и добавить 2 провода (1 провод уже был нужен для добавления функции обнаружения напряжения в версии 1). Я также заменил регулятор 15 В на версию 18 В, чтобы ограничить рассеиваемую мощность. См. Принципиальную схему ревизии 2.

Поэтому, если вы хотите использовать этот дизайн, вам нужно сделать следующее по сравнению с версией 0:

• Замените PIC16F1823 на PIC16F1765.
• Необязательно: замените 78L15 на 78L18.
• Снимите цифровой потенциометр типа X9C103.
• Снимаем резисторы R1 и R15.
• Заменить электролитический конденсатор С5 керамическим конденсатором 100 нФ.
• Установите соединение между контактом 13 IC4 (PIC) и контактом 5 IC2 (LM723).
• Установите соединение между контактом 3 IC4 (PIC) и контактом 4 IC2 (LM723).

Печатную плату тоже обновил, но эту версию не заказывал, см. Снимок экрана.

Шаг 3: (Dis) Сборка

На картинке вы видите блок питания до и после обновления. Чтобы закрыть отверстия, сделанные под потенциометры, я добавил переднюю панель поверх передней панели корпуса. Как видите, я сделал двойной блок питания, в котором оба блока питания полностью независимы друг от друга. Это позволяет соединить их последовательно на случай, если мне понадобится выходное напряжение выше 18 Вольт.

Благодаря печатной плате собрать электронику было несложно. Помните, что на печатной плате нет большого электролитического конденсатора и силового транзистора. На фото показано, что для версии 2 некоторые компоненты больше не нужны, и потребовалось 2 провода: один для добавления функции обнаружения напряжения, а другой - из-за замены цифрового потенциометра на цифро-аналоговый преобразователь микроконтроллера PIC.

Конечно, вам нужен трансформатор, способный подавать 18 В переменного тока, 2 Ампера. В моем первоначальном дизайне я использовал трансформатор с кольцевым сердечником, потому что он более эффективен (но и дороже).

Шаг 4: Программное обеспечение для версии 0

Программа выполняет следующие основные задачи:

• Управление выходным напряжением источника питания с помощью цифрового потенциометра

• Управляйте функциями кнопок, а именно:

  • Включение / выключение питания. Это функция переключения, которая устанавливает выходное напряжение на 0 В или на последнее выбранное напряжение.
  • Напряжение повышается / понижается. С каждым нажатием на кнопку напряжение слегка повышается или понижается. Когда эти кнопки остаются нажатыми, активируется функция повтора.
  • Сохранение предустановок / получение предустановок. Любую настройку напряжения можно сохранить в EEPROM PIC, нажав кнопку предустановки и удерживая ее не менее 2 секунд. Нажатие на нее короче вернет значение EEPROM для этого пресета и соответственно установит выходное напряжение.

При включении все контакты PIC устанавливаются как входные. Чтобы предотвратить появление неопределенного напряжения на выходе источника питания, выход остается на уровне 0 В, пока PIC не будет запущен и не будет запущен и цифровой потенциометр не будет инициализирован. Это снижение мощности достигается за счет подтягивающего резистора R14, который гарантирует, что транзистор T1 отключит LM723 до тех пор, пока он не будет разблокирован PIC.

Остальное программное обеспечение прямолинейно. Кнопки сканируются, и если что-то нужно изменить, значение цифрового потенциометра изменяется с помощью трехпроводного последовательного интерфейса. Обратите внимание, что цифровой потенциометр также имеет возможность сохранить настройку, но она не используется, поскольку все настройки хранятся в EEPROM PIC. Интерфейс с потенциометром не предлагает функции считывания значения стеклоочистителя обратно. Таким образом, всякий раз, когда стеклоочиститель необходимо предварительно установить на определенное значение, первое, что нужно сделать, это вернуть дворник в нулевое положение и с этого момента отправить количество шагов, чтобы установить дворник в правильное положение.

Чтобы предотвратить запись в EEPROM при каждом нажатии кнопки и, таким образом, сократить срок службы EEPROM, содержимое EEPROM записывается через 2 секунды после того, как кнопки больше не активируются. Это означает, что после последней смены кнопок обязательно подождите не менее 2 секунд перед переключением питания, чтобы убедиться, что последняя настройка сохранена. При включении источник питания всегда будет запускаться с последним выбранным напряжением, сохраненным в EEPROM.

Исходный файл JAL и файл Intel Hex для программирования PIC для версии 0 прилагаются.

Шаг 5: Программное обеспечение для версии 2

Для ревизии 2 основные изменения в программном обеспечении следующие:

• Функция обнаружения напряжения была добавлена путем измерения выходного напряжения источника питания после его настройки. Для этого используется преобразователь ADC PIC. Используя АЦП, программное обеспечение берет образцы выходного напряжения, и если после нескольких выборок выходное напряжение примерно на 0,2 В выше или ниже установленного напряжения, источник питания отключается.
• Использование ЦАП PIC для управления выходным напряжением источника питания вместо использования цифрового потенциометра. Это изменение упростило программное обеспечение, поскольку отпала необходимость в создании 3-проводного интерфейса для цифрового потенциометра.
• Замените хранилище в EEPROM хранилищем в High Endurance Flash. PIC16F1765 не имеет встроенной EEPROM, но использует часть программы Flash для хранения энергонезависимой информации.

Обратите внимание, что определение напряжения изначально не активируется. При включении проверяется нажатие следующих кнопок:

• Кнопка включения / выключения питания. При нажатии обе функции определения напряжения отключаются.
• Кнопка вниз. При нажатии активируется обнаружение низкого напряжения.
• Кнопка вверх. При нажатии активируется обнаружение высокого напряжения.

Эти настройки определения напряжения сохраняются во флэш-памяти High Endurance Flash и вызываются при повторном включении источника питания.

Также прилагаются исходный файл JAL и файл Intel Hex для программирования PIC для версии 2.

Шаг 6: окончательный результат

На видео вы видите блок питания версии 2 в действии, он показывает функцию включения / выключения, повышение / понижение напряжения и использование предустановок. Для этой демонстрации я также подключил резистор к источнику питания, чтобы показать, что через него протекает реальный ток и что максимальный ток ограничен 2 амперами.

Если вы заинтересованы в использовании микроконтроллера PIC с JAL - языком программирования, подобным Pascal, - посетите веб-сайт JAL.

Получайте удовольствие, создавая это Руководство, и с нетерпением ждем ваших отзывов и результатов.