PROJEKTY Zasilacz warsztatowy (1)

Transkrypt

1 PROJTY Zasilacz warsztatowy () lika lat temu opisywałem na łamach lektroniki Praktycznej projekt zasilacza sterowanego cyfrowo. Ten zasilacz jest moim podstawowym zasilaczem i pracuje bezawaryjnie do dzisiaj, jednak postanowiłem zaprojektować i zbudować kolejny zasilacz, o lepszych parametrach elektrycznych, nieco prostszy w konstrukcji. Rekomendacje: programowany, nowoczesny zasilacz warsztatowy, który przyda się każdemu elektronikowi (i nie tylko jemu). DODTOW MTRIŁY N FTP: ftp://ep.com.pl user:, pass: kcaku W ofercie VT* VT- Podstawowe informacje: ynapięcie wyjściowe regulowane w zakresie 0 V DC. yprąd wyjściowy regulowany w zakresie 0. ystabilizator liniowy, analogowy z szeregowym tranzystorem regulacyjnym. ypomiar prądu i napięcia wyjściowego. ysterowanie zasilaczem za pomocą mikrokontrolera. Projekty pokrewne na FTP: (wymienione artykuły są w całości dostępne na FTP) VT- Zasilacz napięcia symetrycznego z LM (P /0) VT- Moduł zasilacza z układem DSN0 (P /0) VT- Uniwersalny moduł zasilający (P 0/0) VT- Moduł miniaturowego zasilacza (P /0) VT- Stabilizator z kompensacją spadku napięcia na przewodach połączeniowych (P /0) VT- Regulowany zasilacz napięcia symetrycznego (P /0) VT- Dołączany do US zasilacz napięcia symetrycznego z układem DP0 (P /0) * Uwaga: Zestawy VT mogą występować w następujących wersjach: VT xxxx U to zaprogramowany układ. Tylko i wyłącznie. ez elementów dodatkowych. VT xxxx płytka drukowana PC (lub płytki drukowane, jeśli w opisie wyraźnie zaznaczono), bez elementów dodatkowych. VT xxxx płytka drukowana i zaprogramowany układ (czyli połączenie wersji i wersji U) bez elementów dodatkowych. VT xxxx płytka drukowana (lub płytki) oraz komplet elementów wymieniony w załączniku pdf VT xxxx C to nic innego jak zmontowany zestaw, czyli elementy wlutowane w PC. Należy mieć na uwadze, że o ile nie zaznaczono wyraźnie w opisie, zestaw ten nie ma obudowy ani elementów dodatkowych, które nie zostały wymienione w załączniku pdf VT xxxx CD oprogramowanie (nieczęsto spotykana wersja, lecz jeśli występuje, to niezbędne oprogramowanie można ściągnąć, klikając w link umieszczony w opisie kitu) Nie każdy zestaw VT występuje we wszystkich wersjach! ażda wersja ma załączony ten sam plik pdf! Podczas składania zamówienia upewnij się, którą wersję zamawiasz! (U,,, lub C). LTRONI PRTYCZN /0 Tor analogowy starszego zasilacza był zbudowany w oparciu o wysokonapięciową wersję wzmacniacza operacyjnego m. To powodowało ograniczenie napięcia wyjściowego do V DC. W nowym zasilaczu zastosowałem analogowe rozwiązanie układowe niemające tego typu ograniczenia, zaproponowane przez Marka Stuarta w czasopiśmie veryday with Practical lectronics. Jednak jego rozwiązanie nie było przystosowane do sterowania poprzez sterownik mikroprocesorowy, więc wartości większości elementów trzeba było przeliczyć od nowa. Z oryginalnego rozwiązania pozostała topologia poszczególnych analogowych bloków funkcjonalnych i co bardziej istotne ogólna idea pracy zasilacza. Założenia konstrukcyjne Przyjąłem, że zasilacz będzie źródłem napięcia stałego z zakresu 0 V o maksymalnej wydajności prądowej. Założyłem też, że układ będzie sterowany przez sterownik mikroprocesorowy i będzie mierzył napięcie wyjściowe oraz prąd wyjściowy. Pomiar prądu umożliwi wykonanie regulowanego ograniczenia prądowego. Po osiągnięciu zadanej wartości prądu jest ograniczane napięcie wyjściowe. Ograniczenie prądowe zapewnia też odporność zasilacza na zwarcie. Zasilacz pracuje wtedy jako źródło prądowe bez funkcji odcięcia rozumianej jako znaczne ograniczenie prądu wyjściowego przy zwarciu na wyjściu. Układ ma być typowym

2 Zasilacz warsztatowy U 0 UC UD C 0000uF/0V R k R k R M C0 00n R 0k D ZNR R 00R 00R R Q IRF 0N C n R R k M C 0uF/0V R 0k R0 0k R k R k R R k D D R 0R D C 0uF/0V D Uwe C uf/v Uwe T D V k R Uref C 0uF/0V D ZNR V R 0R T D R k R J C C C CON V R 0R D T D R k C C C C D D V J 0 DIGITL P V Uref 0 Header 0 R k T D C R M R k R R 0k R 00R R0 k D R k UWYJ WY Header D ZNR Rysunek. Schemat części analogowej zasilacza C n R 0k U LM V C 00nF C 0uF/0V R k R k R0 0,R LTRONI PRTYCZN /0

3 PROJTY Wykaz elementów: Płytka analogowa Rezystory: (metalizowane 0, W) R, R:, kv R, R, R0, R, R: 0 kv R, R: 0 V R, R, R, R, R: kv R, R, R: MV R: 0 V R: kv R:, kv R, R: kv R, R, R: 00 V R:, kv R:, kv Rpom: 0, V/ W Potencjometry regulacyjne R, R: kv potencjometr wieloobrotowy R0: kv potencjometr wieloobrotowy ondensatory: C, C, C, C: 0 mf/0 V (elektrolit.) C: mf/ V (elektrolit.) C: 0 mf/0 V (elektrolit.) C, C:, nf/00 V (foliowy) C: 00 nf/ V (ceramiczny) C0: 00 nf/00 V (foliowy) Półprzewodniki: D D: diody krzemowe, prostownicze 0 /00 V D, D, D, D: N00 : N D: dioda Zenera 0 V/, W D: dioda Zenera V/, W D: dioda Zenera, V/0, W Q: IRF0N T T: D- U: LM (DIP) Inne: Płytka drukowana Listwa goldpin, raster, mm Złącze IDC0 męskie (lub podwójna listwa goldpinów, raster, mm) Radiator dla tranzystora T Płytka sterownika Rezystory: (SMD 0) R R, R: 0 kv R, R0: 00 V R: kv R: 0 V R: kv (potencjometr) ondensatory: C, C, C, C, C: 0 mf/ V (SMD ) C, C: 00 nf/00 V (SMD 0) Półprzewodniki: U: PICF /P (do montażu przewlekanego) U: SPX-.0 (SOT-) Inne: Wyświetlacz 0 znaków typu RC00- -IW-SX lub podobny ze sterownikiem ST0U Impulsator z przyciskiem Listwa goldpin, raster, mm Złącze IDC0 męskie (lub podwójna listwa goldpinów, raster, mm) LTRONI PRTYCZN /0 Rysunek. Schemat regulatora napięcia stabilizatorem analogowym z szeregowym tranzystorem regulacyjnym. Całe urządzenie zostało funkcjonalnie i konstrukcyjnie podzielone na dwie części: układ analogowy zasilacza i układ sterownika mikroprocesorowego. Jednocześnie układ analogowy został tak skonstruowany, by mógł pracować bez sterownika. lementami regulacyjnymi są wtedy potencjometry (najlepiej wieloobrotowe), a do pomiaru napięcia i prądu osobne analogowe lub cyfrowe mierniki. Układ analogowy Schemat bloku analogowego pokazano na rysunku. udowa i zasada działania regulowanego, analogowego, stabilizowanego zasilacza prądu stałego jest ogólnie znana. Można w nim wyróżnić: źródło napięcia odniesienia, wzmacniacz błędu, tranzystor regulacyjny mocy. Ponadto do opisywanego zasilacza dodano następujące bloki pomocnicze: blok pomiaru napięcia i prądu, blok ograniczenia prądowego, blok napięcia pomocniczego (powielacz napięcia). Schemat regulatora napięcia pokazano na rysunku. Zasada działania tego układu jest następująca: napięcie wyjściowe ze źródła (S) tranzystora Q, po podzieleniu w układzie dzielnika z rezystorów R, R i R (sygnał regulacji), trafia na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego UD. Na wejście odwracające UD jest podawane napięcie odniesienia (referencyjne). Wzmacniacz operacyjny UD to komparator porównujący napięcia z dzielnika rezystancyjnego i referencyjne. W wyniku porównania powstaje sygnał błędu sterujący układem regulacyjnym zbudowanym z tranzystorów T i Q. Zastosowanie tranzystora T powoduje, że sygnał z wyjścia UD ma stosunkowo niskie napięcie i nie ma potrzeby stosowania wysokonapięciowych wzmacniaczy operacyjnych, jak to było w poprzednim rozwiązaniu. Wyjściowe napięcie jest stale mierzone i jeżeli po podzieleniu nie jest równe napięciu, to sygnał z wyjścia komparatora ma taką wartość, by te różnicę zniwelować. Przy obciążeniu zmieniającym się dynamicznie jest wymagane, aby układ komparatora był szybki. Z drugiej strony, szybki komparator ma tendencję do wzbudzania się. Z tego powodu trzeba ograniczyć pasmo przenoszenia układu. Do tego celu użyto obwodu RC złożonego z kondensatora C (, nf) i rezystora R ( MV). ondensator C powinien być dobrej jakości, najlepiej foliowy. Układ regulacji napięcia można traktować jako wzmacniacz operacyjny mocy objęty pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego poprzez dzielnik napięcia wyjściowego (R, R, R). Taki układ z ujemnym sprzężeniem zwrotnym ma bardzo dobre parametry elektryczne i dlatego jest chętnie stosowany w topologiach scalonych stabilizatorów napięcia i w zasilaczach wykonywanych z elementów dyskretnych. Napięcie na wyjściu można wyliczyć z zależności = (R/(RR)). Dzielnik napięcia wyjściowego obliczmy następująco: Zakładamy, że napięcie referencyjne będzie się zmieniało w zakresie 0 V. Wynika to z właściwości przetworników C/ zastosowanego mikrokontrolera (będzie to wyjaśnione dalej). Z założenia wiemy, że napięcie wyjściowe zasilacza może maksymalnie wynosić V. Wzmocnienie układu R/(RR) = /=. R/(RR)=. Do wyliczenia dzielnika można użyć strony Ja przyjąłem R=0 k V i dla podziału przez suma RR jest równa k V. Próby zastosowania dwóch łatwo dostępnych rezystorów 0 k V i k V o tolerancji % nie dały

4 Zasilacz warsztatowy zadowalających efektów i dlatego użyto połączonych szeregowo: rezystora, k V i potencjometru wieloobrotowego k V. Układ pomiaru napięcia na płytce analogowej jest dzielnikiem rezystancyjnym dzielącym napięcie wyjściowe przez (przy napięciu V na wyjściu dzielnika występuje V). Tu również zastosowałem dzielnik z potencjometrem wieloobrotowym, aby dokładnie ustawić stopień podziału. Dzielnik jest zbudowany z rezystorów R0, R i R (rysunek ). Suma wartości rezystancji R i R powinna być równa, k V dla R0=0 k V. Rysunek. Dzielnik pomiaru napięcia wyjściowego Napięcie jest mierzone przez przetwornik /C mikrokontrolera sterownika. Z pomiarem prądu nie jest tak łatwo. Mikrokontroler może bezpośrednio mierzyć tylko napięcie, więc do pomiaru prądu najwygodniej jest użyć szeroko stosowanej metody technicznej polegającej na pomiarze spadku napięcia na rezystorze szeregowym. Z powodu trudności z pomiarem spadku napięcia w dodatniej gałęzi zasilacza rezystor pomiarowy R0 włączono od strony masy (rysunek ). Napięcie wyjściowe powinno być niezależne od spadku napięcia na rezystorze pomiarowym, więc jego próbka w układzie regulacji musi te spadki uwzględniać. Masa (pokazana na rys. ) jest jednocześnie ujemnym biegunem napięcia wyjściowego. Dzielnik dzielący napięcie wyjściowe w układzie regulatora jest połączony z tą masą (rys. ). Powoduje to, że napięcie wyjściowe Rysunek. Obwody pomiaru natężenia prądu Rysunek. Zasada działania ograniczenia prądowego zasilacza jest niezależne od spadku na rezystorze pomiarowym R0. Przy pomiarze prądu metodą techniczną najlepiej, aby rezystor pomiarowy miał jak najmniejszą rezystancję. Jednak na rezystorze o małej rezystancji występuje niewielki spadek napięcia, które jest trudno zmierzyć. Przy rezystancji 0, V i maksymalnym prądzie wyjściowym zasilacza na poziomie spadek wyniesie 0, V. To zdecydowanie za mało, żeby można było zmierzyć bezpośrednio to napięcie przetwornikiem o zakresie pomiarowym 0 V. Dlatego musi być wzmocniony, aby przy prądzie mikrokontroler mierzył napięcie zbliżone do V. Do wzmocnienia zastosowano wzmacniacz operacyjny pracujący w konfiguracji nieodwracającej, jak to pokazano na rysunku. Wzmocnienie powinno wynosić ok. V/0, V=,. Wzmocnienie wzmacniacza nieodwracającego jest wyliczane z zależności: u=(r0r)/r. Jeżeli dobierzemy rezystory, aby RR/R było równe,, to wzmocnienie całego układu będzie równe,. Łatwo obliczyć, że RR=, k V przy R= k V. Tu również zastosowałem potencjometr wieloobrotowy k V połączony szeregowo z rezystorem 0 k V. Jest to konieczne z dwóch powodów. Po pierwsze, trudno jest znaleźć rezystor o rezystancji, k V, a po drugie, regulowane wzmocnienie pozwoli na skorygowanie niepewności rezystancji pomiarowej. Jak pokazała praktyka, układ z potencjometrem pozwala na uzyskanie satysfakcjonujących wyników pomiaru prądu. Z układem pomiaru prądu jest związany układ ograniczenia prądowego. Ograniczenie prądowe to bardzo istotna część zasilacza laboratoryjnego prawidłowo ustawione ograniczenie może chronić zasilany układ przed zniszczeniem. Ograniczenie prądowe chroni też sam zasilacz przed skutkami zwarcia na wyjściu zasilacza. W trakcie uruchamiania modelowego zasilacza zniszczyłem dwa tranzystory szeregowe Q po przypadkowym zwarciu wyjścia, kiedy układ ograniczenia nie był jeszcze włączony. Testy kompletnego zasilacza pokazały, że nawet dłuższe zwarcie na wyjściu nie powoduje uszkodzenia czy nieprawidłowego działania zasilacza. Na rysunku zilustrowano zasadę działania układu zabezpieczenia prądowego. omparator analogowy porównuje napięcie z wyjścia układu pomiaru prądu z napięciem referencyjnym określającym natężenie prądu, przy którym układ zaczyna ograniczać napięcie wyjściowe zasilacza. iedy napięcie z układu pomiaru prądu próbuje przekroczyć wartość napięcia, wtedy na wyjściu komparatora U występuje napięcie ograniczające napięcie wyjściowe zasilacza. Napięcie wyjściowe jest ograniczane do takiego poziomu, przy którym prąd nie przekroczy ustawionej wartości. Dioda separuje wyjście komparatora od wyjścia układu regulatora napięcia. Układ komparatora jest podatny na wzbudzenia i aby im zapobiec, stosuje się filtr RC: rezystor R i kondensator C0 w gałęzi ujemnego sprzężenia zwrotnego. rak kondensatora C0 lub zbyt mała pojemność powoduje powstanie sporych oscylacji o wysokiej częstotliwości w momencie zadziałania układu ograniczenia prądowego. RLM LTRONI PRTYCZN /0

5 PROJTY Rysunek. Obwody napięcia polaryzacji Układy zasilające Źródłem napięcia wejściowego Uwe jest transformator sieciowy o mocy 00 V i napięciu wyjściowym V C. Mostek prostowniczy składa się z czterech diod krzemowych o maksymalnym prądzie 0. Główny kondensator filtrujący ma pojemność 0 mf i napięcie znamionowe 0 V. Szeregowy tranzystor regulacyjny NMOS wymaga, aby napięcie na bramce (G) było o kilka woltów wyższe od napięcia źródła (S). Dla umożliwienia prawidłowej polaryzacji tranzystora zastosowano powielacz napięcia pokazany na rysunku. Napięcie z wyjścia powielacza jest stabilizowane diodą Zenera (0 V) i podawane przez rezystor R na bramkę tranzystora szeregowego Q. Do zasilania wzmacniacza operacyjnego LM oraz sterownika mikroprocesorowego zastosowałem stabilizator napięcia z tranzystorem D i -woltową diodą Zenera. Sterownik mikroprocesorowy Sterownik zasilacza ma za zadanie wykonać regulację napięcia wyjściowego i ograniczyć prąd obciążenia. Ponadto musi mierzyć wartość ustawionego napięcia i prąd pobierany z zasilacza. Do wykonania tych zadań będziemy potrzebowali dwóch przetworników C/ i dwóch wejść przetwornika /C. W poprzedniej wersji zasilacza zastosowałem -bitowy mikrokontroler STMF00RT, głównie ze względu na wbudowane dwa przetworniki C/ w tym zdecydowałem się na użycie mikrokontrolera PICF firmy Microchip. Oprócz zaawansowanych cyfrowych modułów funkcjonalnych PICf ma dwa 0-bitowe przetworniki C/, 0-bitowy przetwornik /C, programowane źródło napięcia odniesienia oraz wzmacniacze operacyjne. Te analogowe peryferie są w zupełności SW R 0k DISP R/W D D 0 D D D D D V R k SW SW IMP C 0u R 00R D D D R0 00R R 0k k R Rysunek. Schemat sterownika zasilacza C C V USPX IN 0k R R 0k OUT ISPDT ISPCL SW MCLR U R0/ICSPDT R/ICSPCL R R/MCLR/VPP R R 0 J 0 DIGITL wystarczające, aby zbudować sterownik zasilacza bez konieczności stosowania dodatkowych elementów w torach analogowych. Wersje PICFxxx mogą być zasilane napięciem V, co jest korzystne ze względu na większą odporność na zaburzenia. Schemat sterownika pokazano na rysunku. Interfejs użytkownika stanowią: alfanumeryczny wyświetlacz LCD DISP mieszczący 0 znaków oraz impulsator IMP ze stykiem zwieranym przez naciśnięcie osi. Złącze J (IC) jest przeznaczone do doprowadzenia C R R R R VDD PICF C 00nF 0k R MCLR ISPDT ISPCL C 00nF RC0 RC RC RC RC RC RC RC VSS ISPCL 0k R J 0 ICSP C 0u ISPDT D D D J ey sygnałów sterujących analogowych i cyfrowych z płytki sterownika do płytki analogowej oraz napięcia V zasilającego sterownik. Jest ono podawane poprzez połączone równolegle rezystory R i R0 na wejście stabilizatora U (SPX-.0) zasilającego sterownik. Spadek napięcia na tych rezystorach jest tak dobrany, aby napięcie na wejściu U miało wartości ok. V. Złącze J jest przeznaczone dla programatora PICkit-. Tomasz Jabłoński, P LTRONI PRTYCZN /0