Dodatkowy moduł pomiarowy i komunikacyjny. Zasilacz dostarcz trzech grup napięć odizolowanych

Transkrypt

1 PROJEKTY Podstawowym przyrządem niezbędnym w pracowni elektronika konstruktora jest zasilacz. Przyrząd opisywany w artykule wytwarza kilkanaście najbardziej popularnych napięć zasilających, w tym jedno regulowane. Dużą zaletą zasilacza jest galwaniczne oddzielenie większości napięć od siebie oraz kontrola i wyświetlanie faktycznego napięcia na zaciskach wyjściowych. Ponadto, otrzymujemy informacje o poborze prądu na poszczególnych wyjściach. W razie przekroczenia określonych parametrów włącza się sygnał ostrzegawczy. Rekomendacje: uniwersalny zasilacz, który przyda się przy uruchamianiu lub konstruowaniu urządzeń zasilanych energią elektryczną. Zasilacz może być przydatny podczas uruchamiania różnych urządzeń, na przykład, wstępnego uruchamiania końcówek mocy audio (prąd ograniczony do czy, A zmniejsza ryzyko uszkodzenia w razie błędu montażowego lub konstrukcyjnego). Przyda się także przy uruchamiania/kontroli zasilaczy (np. po wymianie uszkodzonego stabilizatora), dzięki możliwości płynnego zwiększania napięcia (0 0 V) oraz monitorowania pobieranego prądu. Zasilacz składa się z trzech zasadniczych modułów i można zmontować go w trzech wersjach: Moduł zasilaczy i panelu czołowego. Moduł kontrolno-pomiarowy z wyświetlaczem LCD. Dodatkowy moduł pomiarowy i komunikacyjny. Zasilacz dostarcz trzech grup napięć odizolowanych galwanicznie:. ± V/A, +, V/A, ±// V/, A.. ±0// V/, A.. V/ A, 0 0 V/, A. Wyjścia napięciowe odizolowane galwanicznie można ze sobą łączyć, aby uzyskać inne wartości napięcia. Na przykład, bez napięcia + V można uzyskać: ±, V (+, V i regulowane). ±0 V (zaciski V i + V jeden biegun, drugi biegun napięcie regulowane ustawione na 0 V). ±0 V (zaciski V i + V oraz szeregowo V i + V jeden biegun, drugi biegun napięcie regulowane ustawione na 0 V). Budowa Schemat ideowy zasilacza pokazano na rysunku. Wykonano go w typowy, analogowy sposób, wykorzystując transformatory, mostki prostownicze, kondensatory filtrujące i układy scalonych stabilizatorów napięcia. Są to popularne stabilizatory napięcia dodatniego lub ujemnego, zarówno o regulowanym, jak i o stałym napięciu wyjściowym. Stabilizatory zabezpieczono diodami likwidującymi skutki wystąpienia napięcia wyjściowego wyższego niż wejściowe. Stabilizator napięcie regulowanego zabezpieczono dodatkową diodą D. Podobne zabezpieczenie powinno być zastosowane dla pozostałych stabilizatorów z ustawianym napięciem. Diody takie można nalutować na rezystory w dzielnikach napięcia. Zasilacz wykorzystuje trzy transformatory, z których po wyprostowaniu i filtrowaniu uzyskuje się napięcia stałe ± V, ± V i +0 V. Z nich uzyskuje się stabilizowane napięcia dostępne na wyjściach zasilacza. W wypadku napięć ±// V i ±0// V na dodatkowe Najlepszy Mobilny Adres w Sieci

2 R +i R i i + D D D U U 0 C0 R R OUT R k OUT C 00uF C 00uF C 00uF C0 C C 00uF C C 00uF U SPX- OUT -w L C C C 00uF +w R L +i + D R J TST0 V-V +REGi D U LMT M SVB L C 00uF L C C Rysunek ELEKTRONIKA. Schemat ideowy PRAKTYCZNA zasilacza 0/0 R OUT U LM0IT.0 OUT +w C 00uF +w C 00uF C R k C 00uF/V -w -U C C 00uF R +i + D U LMT D0 +i R R D + C 00uF/V OUT U LMT +w L C C 00uF C 0R % +w OUT J TST0 V-V R C k % C 00uF C 00uF C 0R % R L R C0 00uF M B0R-DIO -U k % i H D -U U LMT -w R 0R D N OUT R -U C 00uF C J k Helitrim C C R C 00uF R 00uF k % R L -U D k J N H H D -w N C 00uF R0 0R % -w D R U LMT OUT R k % H C R k % C0 00uF C LMBZ-.G k R C 00uF J SW 0,, - 0V nc - V - - V -i C +w R k M B0R-DIO H 0R % J TST0 V-V -U D + H C 00uF/V C 00uF/V R R C D -0 D k% C 00uF -i - +w +i + H R R -U R +REGi 0 +i + -U -U -U R...R k...v R...R k R k % R k % H R k % R 0k % R k % R R + - L L L L L + + R0 0k % H - 0V nc - V - - V - V nc - V - - V J SW 0,, J SW,, - V J nc - V SW,, - - V J 0...0V J J V ±0,,V J V J +/V J0 /V J L L +w -w i +i i + 0 +i i + R...R R...R k...v k

3 J Vo RS E D0 D D D 0 D D D D KCD R 0k PT0LV Adc Adc Adc /SSled D D D D Jb R...R 0k/% J C J ISP Atmel /RST R0 0k/% /T PA0/ADC0 PA/ADC PA/ADC PA/ADC PB/SS PB/A/OC0 PB/A0/T PB/T PB0/XCK/T0 0 Adc R SCL SDA BZ 0k % SDA ZW w i i 0 +W i +i + +i + Adc Adc IIC C Adcref J R 0k C Adcref Adcsel Adc Adc Adc Rysunek. Schemat ideowy modułu pomiarowego /Rst L uh V RS C C C E TDI TDO 0 /RxD /TxD PA/ADC PA/ADC PA/ADC PA/ADC Aref Avcc PC/TOSC PC/TOSC PC/TDI PC/TDO PB/ PB/ PB/ RST XTAL XTAL PD0/RXD0 PD/TXD0 RXD/T0 BUZZER V Buzz R...R 0k/% R...R 0k/% J J P Reg CoolPWM CoolSPD PD/TXD/T PD/XCLK/OCB PD/OCA PD/ICP PD/OCA PC0/SCL PC/SDA PC/TCK PC/TMS 0 Xtal J C ZW U ATMEGA-TQFP L 0 Adc J R 0k % Adc U L PD Adc R 0k % OUT BAS 0 Miernik D Cooler SCL SDA TCK TMS R C CoolPWM Adcsel CoolEN CoolSPD - Kalibracja C...C0 uf 0k CoolEN R0 k R k D BAS R k C U 0 T BSS J TCK JP J DSB0 ( ) /RxD U OUT /Rst TDO TMS 0 J0 /TxD R k /SSled TDI D BAS C 00uF/V C C 00uF/V DS0 JTAG LED D Vcc złącza wyprowadzono rezystory z obwodów dzielnika napięcia. Dzięki temu przełącznikiem -pozycyjnym -sekcyjnym można uzyskać jedno z trzech zdefiniowanych napięć. Napięcie regulowane 0 0 V dostarcza LM pracujący w typowej aplikacji z tym, że dolny zacisk potencjometru wieloobrotowego dołączono nie do masy, lecz do napięcia, V uzyskanego w obwodzie D-R. Ujemne napięcie uzyskuje się z układu z kondensatorami C/C i diodami D/D. Myślałem nad użyciem do regulacji wzmacniacza operacyjnego, wtedy skala regulacji byłaby liniowa. Niestety, wzmacniacze operacyjne zasilane napięciami wyższymi niż V są trudno dostępne. Przed każdym stabilizatorem zamontowano rezystor 0, V, na którym powstaje spadek napięcia zależny od pobieranego prądu. Taka metoda pomiaru ma wadę uwzględnia prąd pobierany nie tylko przez obciążenie, ale również przez stabilizator. Oprogramowanie musi uwzględniać prąd polaryzacji stabilizatora odejmując go od wyniku pomiaru. Moduł zasilacza, poza złączami dla transformatorów i wyjściami napięciowymi, ma wyjścia pomiarowe J i J. Na nich są obecne napięcia zasilaczy oraz zasilające moduły pomiarowe. Możliwości zasilacza znaczenie wzrastają po wyposażeniu go w moduł pomiarowy, którego schemat ideowy pokazano na rysunku. Łączy się go zasilaczem taśmą FLAT z wtykami FC łączącymi złącze Ja modułu miernika z J modułu zasilacza ze stabilizatorami. Moduł wyposażono w stabilizator 0 i mikrokontroler z rodziny AVR. Steruje on wyświetlaczem tekstowym LCD 0 znaków linie oraz brzęczykiem i wentylatorem. Pomiar temperatury realizują termometry DSB0, których może być maksymalnie. Kontrolowane napięcia są dzielone przez 0 rezystorami o oporności 0 kv i 0 kv (tolerancja %). Na wejście P (Reg) można podać napięcie ze stabilizatora 0.0 V. Trzeba pamiętać, aby w tej sytuacji połączyć masy obwodu + V i 0 0 V z masą ± V. Napięcie to jest mierzone z dwoma stopniami podziału. Uzyskuje się to przełączając źródło napięcia odniesienie z, V na V. Dzięki temu pomiar napięcia do 0 V jest wykonywany z większą precyzją. Warto tu wspomnieć, że po zmianie napięcia odniesienia z wyższego na niższe nie zmienia się ono natychmiastowo i musi upłynąć trochę czasu, zanim kondensator filtrujący na wyprowadzeniu Aref mikrokontrolera rozładuje się. Pomiar temperatury realizują termometry DSB0. Wyjście mikrokotrolera obsługujące magistralę -Wire jest zabezpieczone układem U (DS0). Wentylator jest zasilany za pomocą tranzystora T, jeśli temperatura zmierzona przez któregokolwiek termometr przekroczy 0 C. Wyłączenie wentylatora nastąpi, gdy temperatura

4 PROJEKTY DODATKOWE MATERIAŁY NA FTP: ftp://ep.com.pl user:, pass: mqhk Podstawowe informacje: ytrzy grupy napięć wyjściowych odizolowanych galwanicznie: ) ± V/ A, +,/ A, ±// V/,A; ) ±0// V/, A; ) + V/ A, 0 0 V/,A. yograniczenie prądowe, zabezpieczenie przed przegrzaniem, zabezpieczenie przed Vout > Vin. yostrzeżenie/alarm o przekroczeniu dopuszczalnego prądu. yostrzeżenie o spadku napięcia na wyjściu o ponad %. yalarm po wzroście napięcia na wyjściu o ponad 0% (uszkodzenie stabilizatora, obce napięcie na wyjściu). ymonitorowanie temperatury radiatora i pracy wentylatora. Projekty pokrewne na FTP: (wymienione artykuły są w całości dostępne na FTP) AVT Precyzyjny, regulowany zasilacz uniwersalny,- V/ A (EP /0) AVT Zasilacz napięcia symetrycznego z LM (EP /0) AVT- Uniwersalny moduł zasilający (EP 0/0) AVT Moduł miniaturowego zasilacza (EP /0) AVT- Zasilacz modułowy (EP /0) AVT- Stabilizator impulsowy A z układem LM (EP /0) AVT- Regulowany zasilacz uniwersalny,... V/ A (EP /0) AVT- Symetryczny zasilacz warsztatowy ±, V...± V,/ A (EP /00) AVT- Uniwersalny zasilacz laboratoryjny i VDC/ A (EP /00) AVT- Uniwersalny moduł zasilający (EdW /00) AVT0 Mikroprocesorowy zasilacz laboratoryjny (EP 0/00) AVT- Zasilacz 0 A V (EdW /00) AVT- Zasilacz symetryczny (EP /) AVT-0 Miniaturowy zasilacz uniwersalny (EP /) * Uwaga! Elektroniczne zestawy do samodzielnego montażu. Wymagana umiejętność lutowania! Podstawową wersją zestawu jest wersja [B] nazywana potocznie KITem (z ang. zestaw). Zestaw w wersji [B] zawiera elementy elektroniczne (w tym [UK] jeśli występuje w projekcie), które należy samodzielnie wlutować w dołączoną płytkę drukowaną (PCB). Wykaz elementów znajduje się w dokumentacji, która jest podlinkowana w opisie kitu. Mając na uwadze różne potrzeby naszych klientów, oferujemy dodatkowe wersje: wersja [C] zmontowany, uruchomiony i przetestowany zestaw [B] (elementy wlutowane w płytkę PCB) wersja [A] płytka drukowana bez elementów i dokumentacja Kity w których występuje układ scalony wymagający zaprogramowania, posiadają następujące dodatkowe wersje: wersja [A+] płytka drukowana [A] + zaprogramowany układ [UK] i dokumentacja wersja [UK] zaprogramowany układ Nie każdy zestaw AVT występuje we wszystkich wersjach! Każda wersja ma załączony ten sam plik pdf! Podczas składania zamówienia upewnij się, którą wersję zamawiasz! zmierzona przez wszystkie termometry spadnie poniżej 0 C. Obroty wentylatora mierzy wejście PCT mikrokontrolera. Jest ono od niego odseparowane diodą D, która zabezpiecza przed wystąpieniem napięcia + V, jeśli wentylator nie pracuje. D 0..0 D D V D + D + D + D D RP U HC Q0 Q Q Q Q Q Q Q DATA CK LOAD 0 SS MR OE 0 QS Rysunek. Schemat ideowy panelu sterującego Moduł mikrokontrolera oblicza pobierany prąd na podstawie różnicy napięcia przed i za rezystorem pomiarowym. Nie jest to sposób najdokładniejszy, dlatego w dodatkowej karcie pomiarowej użyto wzmacniaczy różnicowych. Możliwy jest pomiar napięć +, V, + V, +// V i regulowanego 0 0 V. Aby mierzyć wszystkie dostępne napięcia i prądy z zachowaniem izolacji galwanicznej, potrzebna jest dodatkowa karta pomiarowa, podłączana do złącza J. Jej opis będzie zamieszczony w jednym z kolejnych wydań EP. Do mikrokontrolera jest przyłączony wyświetlacz LCD (złącze J) i diody LED (złącze J0) sterowane interfejsem SPI. Schemat ideowy panelu czołowego pokazano na rysunku. Od typowego SPI interfejs diod różni się tym, że strob jest ustawiany na chwilę po transmisji danych, a nie aktywowany przed transmisją i dezaktywowany po jej zakończeniu. Montaż i uruchomienie Schematy montażowe poszczególnych płytek wchodzących w skład zasilacza pokazano na rysunkach. Montaż jest typowy. Należy pamiętać o zastosowaniu izolatorów pomiędzy stabilizatorami a radiatorem. Izolację stabilizatora + V można, a nawet warto 0R J JP RP U HC D0 Power 0 Q0 Q Q Q Q Q Q Q DATA CK LOAD SS MR OE 0 QS 0 LCD lcd lcd lcd lcd lcd lcd lcd lcd lcd lcd0 lcd lcd lcd lcd lcd C 0uF SS LED D - 0R lcd C lcd JP lcd lcd lcd lcd lcd lcd lcd lcd lcd lcd0 0 lcd lcd lcd lcd lcd lcd LCD SMD pominąć. Przy napięciu zasilającym V w układzie może wydzielić się W mocy. Jeśli jednak napięcie zasilające pod obciążeniem przekroczy V, to wydzieli się więcej niż 0 W i w stabilizatorze włączy się zabezpieczenie termiczne. Uruchomienie należy rozpocząć od modułu zasilacza kontrolując wszystkie napięcia wyjściowe. W następnym kroku montujemy moduł miernika. Mikrokontroler można zaprogramować po wlutowaniu interfejsem SPI lub JTAG. Ustawienie bitów konfiguracyjnych (Low=$E, High=$, Ext=$FC) pokazano na rysunku. Zasilacz budowano z myślą o obudowie T. Do niej też przystosowano wielkość płyty panelu czołowego. Z lewej strony przewidziano miejsce dla modułu pomiarowego. Panel czołowy ma obszar połączony do punktu oznaczonego UZIOM. Punkt ten można podłączyć do uziemienia. Ramkę wyświetlacza LCD warto połączyć z masą. Robi się ta na wyświetlaczu. Do tego celu producenci wyświetlaczy przewidują miejsce na zwory lub pola lutownicze. Sam wyświetlacz jest przylutowany do śrub M przylutowanych do PCB panelu. Panel w miejscach ma pola o wymiarach 0 mm 0 mm, do których można

5 przylutować elementy mocujące. Panel czołowy zastępuje płytę czołową obudowy, ale oryginalna blacha stanowi wzmocnienie konstrukcji. Dlatego należy ją przeciąć, aby powstał kątownik. Do kątownika mocujemy panel czołowy na śruby/wkręty lub lutując do przeznaczonych na cen cel pul. Sam kątownik przykręcony jest od spodu obudowy. W prototypie zastosowano dwa wentylatory: mały bezpośrednio na radiatorze sterowany z mikrokontrolera, drugi duży, na V zasilany z V. Zamontowany jest on z tyłu obudowy za radiatorem Pracuje cały czas na zmniejszonych obrotach, dzięki czemu prawie go nie słychać. Dodatkowo, zastosowałem przełącznik doprowadzający do stabilizatorów + V i napięcia regulowanego pełne napięcie lub połowę. Napięcie regulowane wyższe niż V jest używane przeze mnie dość rzadko, podobnie jak + V. Zmniejszenie napięcia zasilającego o połowę pozwala na zmniejszenie strat mocy na stabilizatorach. Kalibracja W zaprezentowanym urządzeniu kalibracje można przeprowadzić dobierając rezystory lub ingerując w źródło programu. Przy zastosowaniu rezystorów o tolerancji % kalibracja nie wydaje się celowa. Prąd spoczynkowy stabilizatorów jest zdefiniowany w programie, ale można go zmienić. W tym celu, w nieobciążonym zasilaczu, należy zewrzeć na co najmniej sekundy pin - złącza J. Wtedy to usłyszymy sygnał buzzera, a na wyświetlaczu Rysunek. Schemat montażowy zasilacza

6 PROJEKTY pojawi się stosowny komunikat. Prąd spoczynkowy zostanie zapamiętany w EEPROM i będzie odejmowany od wyniku pomiaru. Obsługa Obsługa samego zasilacza jest banalna, dlatego jej opis zostanie pominięty. Ważniejsze są informacje pokazywane na wyświetlaczu i oraz sygnalizowane za pomocą LED. Po restarcie na wyświetlaczu zostaną wyświetlone następujące komunikaty: Data kompilacji: rok, miesiąc i dzień kompilacji programu. Liczba znalezionych układów -Wire przez liczbę sensorów DSB0. Po chwili zostanie pokazany ekran główny, a na nim wyniki pomiaru poszczególnych wyjść napięciowych: Napięcie zasilające obwody wytwarzające, V, ± V, ±// V. Temperatura termometrów w stopniach Celsjusza. Napięcie wyjściowe i prąd stabilizatora + V; // V;, V; wyjścia napięcia regulowanego. Prędkość obrotowa wentylatora w tysiącach obrotów na minutę. Symbol gwiazdki przedstawia animację obracających się łopatek, gdy wentylator pracuje. W przypadku przekroczenia dopuszczalnych parametrów napięcia czy prądu wybrany napis na wyświetlaczu migocze. Podobnie w wypadku zatrzymania wentylatora (zbyt małych obrotów) w sytuacji, gdy powinien pracować. Tabela. Alarmy i ostrzeżenia Stan Led Power LED pomiędzy zaciskami wyjściowymi Restart Krótkie na zielono mignięcie Normalna praca Świeci na zielono Nieznacznie przekroczony prąd: A dla V A dla, i V*, A dla +// i pozostałych wyjść * Znacznie przekroczony prąd:, A dla V, A dla, V i V*, A dla +// i pozostałych wyjść * Napięcie wyjściowe za niskie (poniżej %) ** Napięcie wyjściowe za wysokie (powyżej 0%) ** Świeci na zielono na czerwono Świeci na zielono na czerwono Wyświetlacz LCD Ekran powitalny Buzzer Krótki ton Świeci Ekran roboczy Wyłączony Wygaszona Wygaszona Praca wentylatora - - Wskazanie prędkości obrotowej Uszkodzony wentylator - - Wskaźnik prędkości miga Brak termometrów wentylator cały czas załączony Temperatura radiatora ponad 0 o C - - Wskaźnik temperatury miga na czerwono * tylko z dodatkową kartą pomiarową. ** bez dodatkowej karty tylko napięcia, V, i // V - Wskaźnik temperatury miga Krótki ton co sekundę Ton ciągły Krótki ton co sekundę Ton ciągły Ton ciągły Wykaz elementów: Rezystory: (SMD 0) R, R:, kv/% R, R R: kv R, R, R:, kv R, R:, kv/% R, R:, kv/% R, R:, kv/% R, R:, kv/% R0, R: 0 kv/% R: 0 V R, R, R0, R: 0 V/% R R, R, R, R, R, R, R: 0, V/ W (THT) Kondensatory: (SMD 0) C C0, C C, C, C, C, C, C, C, C, C, C, C: 00 nf C C, C, C, C, C, C, C0, C, C, C, C0, C: 00 mf (elektrolit.) C. C: 00 mf/ V (elektrolit.) C, C, C, C: 00 mf/0 V (elektrolit.) C, C, C, C: 00 mf/ V (elektrolit.) C: 00 mf/0 V (elektrolit.) Półprzewodniki: D D: LED mm (zielony) D, D, D: N D D: D: LMBZ-.G (TO) M, M: B0R-DIO (mostek prostowniczy) M: SVB (mostek prostowniczy) U: SPX- (TO-0) U: (TO-0) U: 0 (TO-0) U U: LMT (TO-0) U, U: LMT (TO-0) U: LM0IT.0 / LS0CV-DG (TO-0) Inne: J: IDCMLP J: IDCMLP Transformator TST0 V-V szt. Transformator TST0 V-V szt. F: oprawa bezpiecznika ZH Radiator Sk-00+SK+0 Miernik Rezystory: (SMD 0) R: kv R, R0, R:, kv R: 0 kv/% R, R: 0 kv R: 0 kv (potencjometr) R R, R0, R R: 0 kv/% R R, R R, R, R: 0 kv/% Kondensatory: C C0: mf (SMD 0) C C, C, C, C: 00 nf (SMD 0) C, C: 00 mf/ V (elektrolit.) Półprzewodniki: D: dioda LED, zielona (SMD) D, D, D: BAS T: BSS (SOT-) U: 0 U: ATmega (TQFP) U: L (TO) U: DS0 (SO-) Inne: BZ: buzzer V ZW, ZW: zwora (0 V SMD 0) J, J0: IDC J: IDC0 J: IDC J: IDC Jb: IDC L: mh (dławik osiowy, poziomy) Radiator HS-A Panel Rezystory: RP, RP: 0 V P: kv (POTPK potencjometr wieloobrotowy) Kondensatory: C: 00 nf (SMD 0) C: 0 mf (elektrolit.) Półprzewodniki: D D0: LED mm U, U: HC (SO-) Inne: JP: LCD 0 JP: ZL0-x J: LED J, J, J, J, J J, J J0, J, J, J: PJ0-B (gniazdo bananowe) SW: przełącznik RSCBGN SW, SW: przełącznik MTS0

7 Rysunek. Schemat montażowy modułu pomiarowego Rysunek. Schemat montażowy panelu sterującego Rysunek. Ustawienie fusebitów mikrokontrolera ATmega Alarmy i ostrzeżenia sygnalizowane przez zasilacz wyszczególniono w tabeli. Uwagi końcowe Obudowa T, w której umieszczono prototyp jest metalowa. Dla bezpieczeństwa warto uziemić obudowę, jak zrobiono to w prototypie. Żadne obwody wtórne (za transformatorami) nie są połączone z uziemieniem. Uziemienie umożliwiło odprowadzenie ewentualnych ładunków ESD z obudowy do ziemi. Ponadto, wyprowadziłem uziemienie na śrubę M, do której w prosty sposób mogę dołączyć matę ESD. Transformatory są dość drogie. Zamiast nich można też użyć zasilaczy impulsowych od laptopów lub innych urządzeń w obudowie jest dość dużo miejsca (lewa strona zarezerwowana na moduł pomiarowy). Sygnalizacja spadku napięcia wyjściu w sytuacji, gdy nie jest ono przeciążone, oznacza włączenie się zabezpieczenia termicznego stabilizatora. Ma to miejsce najczęściej, gdy stabilizator ma słaby kontakt z radiatorem. Większe możliwości zasilacz będzie miał po zainstalowaniu dodatkowej karty wejść pomiarowych i interfejsu USB, które będą przedmiotem kolejnego artykułu. ES, EP