Превосходный лабораторный источник питания: 15 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

С моей точки зрения, один из лучших способов начать заниматься электроникой - это создать собственный лабораторный источник питания. В этом руководстве я попытался собрать все необходимые шаги, чтобы каждый мог построить свои собственные.

Все части сборки можно заказать напрямую в digikey, ebay, amazon или aliexpress, за исключением схемы счетчика. Я сделал специальный экран для измерительной схемы для Arduino, способный измерять до 36 В - 4 А с разрешением 10 мВ - 1 мА, который также можно использовать для других проектов.

Блок питания имеет следующие особенности:

• Номинальное напряжение: 24 В.
• Номинальный ток: 3А.
• Пульсация выходного напряжения: 0,01% (в соответствии со спецификациями комплекта цепи питания).
• Разрешение измерения напряжения: 10 мВ.
• Разрешение измерения тока: 1 мА.
• CV и CC режимы.
• Защита от сверхтока.
• Защита от перенапряжения.

Шаг 1: Детали и схема подключения

Помимо изображения, я прикрепил к этому шагу файл WiringAndParts.pdf. В этом документе описаны все функциональные части настольного источника питания, включая ссылку для заказа, и способы их подключения.

Напряжение сети поступает через разъем панели IEC (10), который имеет встроенный плавкий держатель, на передней панели (11) есть выключатель питания, который размыкает цепь, образованную разъемом IEC и трансформатором (9).

Трансформатор (9) выдает 21 В переменного тока. Напряжение 21 В переменного тока поступает непосредственно в цепь питания (8). Выход схемы источника питания (8) идет непосредственно на клемму IN схемы счетчика (5).

Клемма OUT схемы счетчика (5) подключена непосредственно к положительной и отрицательной клеммной колодке (4) источника питания. Схема измерителя измеряет как напряжение, так и ток (сторона высокого напряжения) и может включать или отключать соединение между входом и выходом.

Кабели, как правило, используйте утильные кабели, которые есть у вас дома. Вы можете найти в Интернете соответствующий калибр AWG для 3A, но в целом правило большого пальца 4A / мм² работает, особенно для коротких кабелей. Для разводки сетевого напряжения (120 В или 230 В) используйте соответственно изолированные кабели: 600 В в США, 750 В в Европе.

Последовательный транзистор цепи питания (Q4) (12) был соединен проводом, а не припаян, чтобы упростить установку радиатора (13).

Оригинальные потенциометры цепи питания 10К заменены на многооборотные (7), что позволяет точно регулировать выходное напряжение и ток.

Плата Arduino схемы счетчика питается с помощью кабеля с разъемом питания (6), который идет от цепи питания (8). Плата блока питания была изменена для получения 12 В вместо 24 В.

Положительный вывод светодиода CC от цепи питания подключен к разъему режима цепи измерителя. Это позволяет ему знать, когда отображать режим CC или CV.

К цепи счетчика подключены две кнопки (3). Красная кнопка Off отключает выходное напряжение. Черная кнопка On подключает выходное напряжение и сбрасывает ошибки OV или OC.

К цепи счетчика (2) подключены два потенциометра. Один устанавливает порог OV, а другой - порог OC. Эти потенциометры не обязательно должны быть многооборотными, я использовал оригинальные потенциометры из схемы питания.

Буквенно-цифровой ЖК-дисплей 20x4 I2C (1) подключен к цепи счетчика. Он показывает текущую информацию о выходном напряжении, выходном токе, уставке OV, уставке OC и состоянии.

Шаг 2: Комплект цепи источника питания

Я купил этот комплект на 30 В, 3 А:

Прилагаю руководство по сборке, которое я нашел в Интернете, и изображение схемы. Вкратце:

Схема представляет собой линейный блок питания.

Q4 и Q2 представляют собой матрицу Дарлингтона и образуют транзистор последовательного прохода, он управляется операционными усилителями для поддержания напряжения и тока на желаемом уровне.

Ток измеряется резистором R7, добавление этого сопротивления на стороне низкого уровня делает заземление цепи питания и выходное заземление разными.

Схема управляет светодиодом, который загорается, когда включен режим постоянного тока.

Схема включает мост Грэта для выпрямления входного переменного тока. Вход переменного тока также используется для создания отрицательного напряжения смещения до 0 В.

В этой схеме нет тепловой защиты, поэтому очень важно правильно подобрать размер радиатора.

Схема имеет выход 24 В для «дополнительного» вентилятора. Я заменил регулятор 7824 регулятором 7812, чтобы получить 12 В для платы Arduino схемы счетчика.

Я не собирал светодиод, вместо этого я использовал этот сигнал, чтобы указать схему счетчика, если источник питания находится в CC или CV.

Шаг 3: Сборка комплекта схемы источника питания

В этой схеме все детали сквозные. В общем, начинать нужно с самых маленьких.

• Припаиваем все резисторы.
• Припаиваем остальные компоненты.
• При изгибе выводов диодов используйте плоскогубцы, чтобы не сломать их.
• Изогните выводы операционных усилителей DIP8 TL081.
• При сборке радиаторов используйте компаунд для радиатора.

Шаг 4: Разработка схемы и схемы измерителя

Схема представляет собой экран для Arduino UNO, совместимого с версиями R3. Я разработал его с деталями, доступными на digikey.com.

Выход комплекта схемы источника питания vkmaker подключается к клеммной колодке IN, а клеммная колодка OUT - непосредственно к клеммам источника питания.

R4 - это шунтирующий резистор в положительной шине номиналом 0,01 Ом, он имеет падение напряжения, пропорциональное текущему выходному току. Дифференциальное напряжение R4 подключается напрямую к контактам RS + и RS- микросхемы IC1. Максимальное падение напряжения при максимальном выходном токе составляет 4 А * 0,01 Ом = 40 мВ.

R2, R3 и C2 образуют фильтр ~ 15 Гц, чтобы избежать шума.

IC1 - это усилитель высокого тока: MAX44284F. Он основан на операционном усилителе с прерывистой структурой, который позволяет получить очень низкое входное напряжение смещения, максимум 10 мкВ при 25 ° C. При 1 мА падение напряжения на R4 составляет 10 мкВ, что равно максимальному входному напряжению смещения.

MAX44284F имеет коэффициент усиления по напряжению 50 В / В, поэтому выходное напряжение, сигнал SI, при максимальном токе 4 А будет равно 2 В.

Максимальное синфазное входное напряжение MAX44284F составляет 36 В, что ограничивает диапазон входного напряжения до 36 В.

R1 и C1 образуют фильтр для подавления нежелательных сигналов 10 кГц и 20 кГц, которые могут появиться из-за архитектуры устройства, это рекомендуется на странице 12 таблицы данных.

R5, R6 и R7 - это делитель напряжения с высоким сопротивлением 0,05 В / В. R7 с C4 образуют фильтр ~ 5 Гц, чтобы избежать шума. Делитель напряжения помещается после R4 для измерения реального выходного напряжения после падения напряжения.

IC3 - это операционный усилитель MCP6061T, он образует повторитель напряжения для изоляции высокоомного делителя напряжения. Максимальный входной ток смещения составляет 100 пА при комнатной температуре, этот ток незначителен по сравнению с импедансом делителя напряжения. При 10 мВ напряжение на входе IC3 составляет 0,5 мВ, что намного больше, чем его входное напряжение смещения: 150 мкВ на максимум.

Выходной сигнал IC3, сигнал SV, имеет напряжение 2 В при входном напряжении 40 В (максимально возможное 36 В из-за IC1). Сигналы SI и SV подключены к IC2. IC2 - это MCP3422A0, двухканальный сигма-дельта АЦП I2C. Он имеет внутреннее опорное напряжение 2,048 В, выбираемое усиление напряжения 1, 2, 4 или 8 В / В и выбираемое количество 12, 14, 16 или 18 бит.

Для этой схемы я использую фиксированный коэффициент усиления 1 В / В и фиксированное разрешение 14 бит. Сигналы SV и SI не являются дифференциальными, поэтому отрицательный вывод каждого входа должен быть заземлен. Это означает, что количество доступных младших битов сократится вдвое.

Поскольку внутреннее опорное напряжение составляет 2,048 В, а эффективное количество младших разрядов равно 2 ^ 13, значения АЦП будут следующими: 2 младших байта на каждый 1 мА в случае тока и 1 младший бит на каждые 5 мВ в случае напряжения.

X2 - разъем для кнопки включения. R11 предотвращает статические разряды на входе Arduino, а R12 - это подтягивающий резистор, который составляет 5 В при нажатии и ~ 0 В при нажатии. Сигнал I_ON.

X3 - это разъем для кнопки ВЫКЛ. R13 предотвращает статические разряды на входе Arduino, а R14 - это подтягивающий резистор, который составляет 5 В при нажатии и ~ 0 В при нажатии. Сигнал I_OFF.

X5 - это разъем для потенциометра уставки защиты от перегрузки по току. R15 защищает входной контакт Arduino от статических разрядов, а R16 предотвращает короткое замыкание шины + 5V. Сигнал A_OC.

X6 - это разъем для потенциометра уставки защиты от перенапряжения. R17 защищает входной контакт Arduino от статических разрядов, а R18 предотвращает короткое замыкание шины + 5V. Сигнал A_OV.

X7 - это внешний вход, который используется для получения режима постоянного тока или постоянного напряжения источника питания. Поскольку он может иметь много входных напряжений, он сделан с использованием Q2, R19 и R20 в качестве переключателя уровня напряжения. Сигнал I_MOD.

X4 - это разъем внешнего ЖК-дисплея, это просто соединение шины 5V, GND и линий I2C SCL-SDA.

Линии I2C, SCL и SDA совместно используются IC2 (АЦП) и внешним ЖК-дисплеем, их подтягивают R9 и R10.

R8 и Q1 образуют драйвер реле K1. К1 подключает выходное напряжение при питании. При 0 В на входе -CUT реле обесточено, а при 5 В на входе -CUT реле запитано. D3 - это безынерционный диод для подавления отрицательного напряжения при отключении напряжения обмотки реле.

Z1 - это ограничитель переходных напряжений с номинальным напряжением 36 В.

Шаг 5: Печатная плата измерительной цепи

Я использовал бесплатную версию Eagle как для схемы, так и для печатной платы. Печатная плата представляет собой двустороннюю конструкцию толщиной 1,6 мм с отдельной заземляющей пластиной для аналоговой и цифровой схемы. Дизайн довольно простой. Я получил в Интернете файл в формате dxf с размерами контура и положением коннекторов Arduino.

Отправляю следующие файлы:

• Исходные файлы Eagle: 00002A.brd и 00002A.sch.
• Файлы Gerber: 00002A.zip.
• И BOM (Bill Of Materials) + руководство по сборке: BOM_Assemby.pdf.

Я заказал печатную плату на PCBWay (www.pcbway.com). Цена была на удивление низкой: 33 доллара, включая доставку, за 10 плат, доставленных менее чем за неделю. Я могу поделиться оставшимися досками с друзьями или использовать их в других проектах.

Ошибка в дизайне, я приложил переход к шелкографии в легенде 36V.

Шаг 6: Сборка схемы измерителя

Хотя большинство деталей в этой плате SMT, ее можно собрать с помощью обычного паяльника. Я использовал Hakko FX888D-23BY, пинцет с тонкими кончиками, немного припоя и припой 0,02.

• После получения деталей лучше всего их отсортировать, я отсортировал конденсаторы и резисторы и скрепил пакеты.
• Сначала соберите мелкие детали, начиная с резисторов и конденсаторов.
• Соберите R4 (0R1), начиная с одного из четырех выводов.
• Припаяйте остальные части, как правило, для SOT23, SOIC8 и т. Д. Лучше всего сначала нанести припой на одну площадку, припаять деталь на ее место, а затем припаять остальные выводы. Иногда припой может соединять вместе несколько контактных площадок, в этом случае вы можете использовать флюс и припой, чтобы удалить припой и очистить зазоры.
• Соберите остальные компоненты со сквозным отверстием.

Шаг 7: Код Arduino

Прикрепил файл DCmeter.ino. В этот файл включена вся программа, кроме ЖК-библиотеки «LiquidCrystal_I2C». Код легко настраивается, особенно форма индикаторов выполнения и отображаемых сообщений.

Как и во всех кодах Arduino, функция setup () выполняется в первый раз, а функция loop () выполняется непрерывно.

Функция настройки настраивает дисплей, включая специальные символы для индикатора выполнения, в конечном автомате MCP4322 и настраивает реле и подсветку ЖК-дисплея в первый раз.

Прерываний нет, на каждой итерации функция цикла выполняет следующие шаги:

Получите значение всех входных сигналов I_ON, I_OFF, A_OC, A_OV и I_MOD. I_ON и I_OFF отклоняются. A_OC и A_OV считываются непосредственно с АЦП Arduino и фильтруются с использованием средней части последних трех измерений. I_MOD читается напрямую, без устранения ошибок.

Контролируйте время включения подсветки.

Запустите конечный автомат MCP3422. Каждые 5 мс он опрашивает MCP3422, чтобы узнать, закончилось ли последнее преобразование, и, если да, он запускает следующее, последовательно получает значение напряжения и тока, присутствующих на выходе.

Если есть свежие значения выходного напряжения и тока от конечного автомата MCP3422, обновляет состояние источника питания на основе измерений и обновляет дисплей.

Существует реализация с двойным буфером для более быстрого обновления дисплея.

Следующие макросы можно настроить для других проектов:

MAXVP: максимальное напряжение в единицах 1/100 В.

MAXCP: Максимальный OC в блоках 1 / 1000A.

DEBOUNCEHARDNESS: количество итераций с последовательным значением, чтобы предположить, что оно является правильным для I_ON и I_OFF.

LCD4x20 или LCD2x16: Компиляция для дисплея 4x20 или 2x16, опция 2x16 еще не реализована.

Реализация 4x20 показывает следующую информацию: В первой строке выходное напряжение и выходной ток. Во второй строке индикатор выполнения, представляющий выходное значение относительно уставки защиты как для напряжения, так и для тока. В третьей строке заданное значение тока для защиты от перенапряжения и максимальной токовой защиты. В четвертой строке текущий статус источника питания: CC ON (включен в режиме постоянного тока), CV ON (включен в режиме постоянного напряжения), OFF, OV OFF (выкл, показывая, что источник питания отключился из-за OV), OC OFF (Не горит, показывая, что питание отключено из-за OC).

Я сделал этот файл для создания символов индикаторов выполнения:

Шаг 8: Проблемы с температурой

Использование правильного радиатора очень важно в этой сборке, потому что цепь источника питания не имеет самозащиты от перегрева.

Согласно паспорту транзистор 2SD1047 имеет тепловое сопротивление перехода к корпусу Rth-j, c = 1,25ºC / Вт.

Согласно этому веб-калькулятору: https://www.myheatsinks.com/calculate/thermal-resi… тепловое сопротивление приобретенного мной радиатора составляет Rth-hs, воздух = 0,61 ° C / Вт. Я предполагаю, что фактическое значение ниже, потому что радиатор прикреплен к корпусу, и тепло тоже может рассеиваться таким образом.

По словам продавца на ebay, теплопроводность купленного мною изоляционного листа составляет K = 20,9 Вт / (мК). При толщине 0,6 мм тепловое сопротивление составляет: R = L / K = 2,87e-5 (км2) / Вт. Таким образом, тепловое сопротивление корпуса радиатора изолятора для поверхности 15 мм x 15 мм 2SD1047 составляет: Rth-c, hs = 0,127 ° C / Вт. Вы можете найти руководство для этих расчетов здесь:

Максимально допустимая мощность при 150 ° C в соединении и 25 ° C в воздухе составляет: P = (Tj - Ta) / (Rth-j, c + Rth-hs, воздух + Rth-c, hs) = (150 - 25) / (1,25 + 0,61 + 0,127) = 63Вт.

Выходное напряжение трансформатора составляет 21 В переменного тока при полной нагрузке, что составляет в среднем 24 В постоянного тока после диодов и фильтрации. Таким образом, максимальное рассеивание будет P = 24V * 3A = 72W. Учитывая, что тепловое сопротивление радиатора немного ниже из-за рассеивания металлического корпуса, я предположил, что этого достаточно.

Шаг 9: Вложение

Корпус, включая транспортировку, - самая дорогая часть блока питания. Я нашел эту модель на ebay от Cheval, производителя Thay: https://www.chevalgrp.com/standalone2.php. На самом деле продавец на ebay был из Таиланда.

Эта коробка имеет очень хорошее соотношение цены и качества и прибыла в довольно хорошо упакованной.

Шаг 10: Механизация передней панели

Лучший вариант для механизации и гравировки передней панели - это использовать такой фрезер https://shop.carbide3d.com/products/shapeoko-xl-k… или, например, изготовить индивидуальную пластиковую крышку с помощью PONOKO. Но поскольку у меня нет роутера и я не хотел тратить много денег, я решил сделать его по-старому: вырезать, обрезать с файлом и использовать переводные буквы для текста.

Я прикрепил файл Inkscape с трафаретом: frontPanel.svg.

• Вырежьте трафарет.
• Закройте панель малярным скотчем.
• Приклейте трафарет к малярной ленте. Я использовал клей-карандаш.
• Отметьте положение сверл.
• Просверлите отверстия, чтобы лобзик или диск копировальной пилы попали во внутренние прорези.
• Вырежьте все формы.
• Обрезать напильником. В случае круглых отверстий для потенциометров и зажимных стержней нет необходимости использовать пилу перед опиливанием. В случае отверстия для дисплея обрезка файла должна быть максимально возможной, потому что эти края будут видны.
• Удалите трафарет и малярную ленту.
• Отметьте положение текстов карандашом.
• Перенесите буквы.
• Удалите карандашные отметки ластиком.

Шаг 11: механизация задней панели

• Отметьте положение радиатора, включая отверстие для силового транзистора и положение крепежных винтов.
• Отметьте отверстие для доступа к радиатору изнутри корпуса блока питания, я использовал изолятор в качестве образца.
• Отметьте отверстие для разъема IEC.
• Просверлите контур фигур.
• Просверлите отверстия для шурупов.
• Вырежьте формы кусачками.
• Обрежьте формы напильником.

Шаг 12: Сборка передней панели

• Зачистите многожильный кабель от лома, чтобы получить кабели.
• Соберите сборку ЖК-дисплея, припаяв I2C к параллельному интерфейсу.
• Создайте «соединитель Molex», провод и термоусадочную трубку для потенциометров, кнопок и ЖК-дисплея. Удалите выступы потенциометров.
• Снимите указательное кольцо ручек.
• Обрежьте стержень потенциометра по размеру ручки. Я использовал кусок картона в качестве меры.
• Присоедините кнопки и кнопку включения.
• Соберите потенциометры и установите ручки, многооборотные потенциометры, которые я купил, имеют вал ¼ дюйма, а однооборотные модели - вал 6 мм. Я использовал шайбы в качестве прокладок, чтобы уменьшить расстояние между потенциометрами.
• Прикрутите крепежные стойки.
• Вставьте двусторонний скотч в ЖК-дисплей и приклейте его к панели.
• Припаяйте положительный и отрицательный провода к клеммам.
• Вставьте клемму GND в зеленую клемму.

Шаг 13: Сборка задней панели

• Прикрутите радиатор к задней панели, хотя краска является термоизолятором, я нанес радиаторную смазку, чтобы увеличить теплоотдачу от радиатора к корпусу.
• Соберите разъем IEC.
• Установите клейкие прокладки, используя схему комплекта источника питания.
• Вкрутите силовой транзистор и изолятор, на каждой поверхности должна быть термопаста.
• Соберите 7812 для питания Arduino, повернув его лицом к корпусу, чтобы обеспечить рассеивание тепла, используя один из винтов, удерживающих радиатор. Мне следовало использовать пластиковую шайбу вроде этой https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Transistor-… но в итоге я использовал тот же изолятор, что и силовой транзистор, и изогнутую часть корпуса.
• Подключите силовой транзистор и 7812 к цепи питания.

Шаг 14: Окончательная сборка и подключение

• Разметьте и просверлите отверстия для трансформатора.
• Соберите трансформатор.
• Приклейте клеящиеся ножки корпуса.
• Заклейте цепь измерителя постоянного тока с помощью клейких прокладок.
• Соскребите краску, чтобы прикрутить клемму заземления.
• Соберите сборки проводов сетевого напряжения, все выводы - 3/16 дюйма Faston. Я использовал термоусадочную трубку, чтобы изолировать концевые заделки.
• Обрежьте переднюю часть держателя корпуса с правой стороны, чтобы освободить место для кнопки питания.
• Подключите все провода в соответствии с руководством по сборке.
• Установите предохранитель (1A).
• Установите потенциометр выходного напряжения (потенциометр VO) на минимум против часовой стрелки и отрегулируйте выходное напряжение как можно ближе к нулю с помощью многооборотного потенциометра точной настройки цепи питания vkmaker.
• Соберите корпус.

Шаг 15: Улучшения и дальнейшая работа

Улучшения

• Используйте шайбы гровера, чтобы винты не откручивались из-за вибрации, особенно вибрации от трансформатора.
• Покрасьте переднюю панель прозрачным лаком, чтобы буквы не стирались.

Дальнейшая работа:

• Добавьте usb-коннектор следующим образом: https://www.ebay.com/itm/Switchcraft-EHUSBBABX-USB-… на задней панели. Полезно для обновления кода без разборки или для создания небольшого ATE, управляющего функциями On Off, получения статуса и измерения с помощью ПК.
• Сделайте компиляцию кода 2x16 LCD.
• Сделайте новую схему питания вместо набора vkmaker с цифровым управлением выходным напряжением и током.
• Выполните соответствующие тесты для определения характеристик источника питания.

Первое место в конкурсе источников питания