Tym razem chciałbym zaprezentować zasilacz warsztatowy mojego projektu. Troszkę czasu nad nim spędziłem, aż osiągnąłem zakładany efekt. Obecna rewizja płytki to 18, więc trochę wersji przetestowałem
Ale do rzeczy.
Jest to zasilacz z torem analogowym i sterowaniem cyfrowym. Parametry zasilacza to napięcie wyjściowe 0-25V z nastawą co 0.01V oraz prąd z ograniczeniem 0-5A z nastawą co 0.01A.
Jako serce części analogowej, użyłem, przez część społeczności znienawidzonego, leciwego ale nadal super skutecznego układu LM723.
Wykorzystałem aplikację prawie standardową, prawie, bo ograniczenie prądowe i regulacja ograniczenia prądowego nie jest zgodna z notą
Schemat w pdf :
Regulacja napięcia :
Standardowymi problemami z LM723 są praca zasilacza w ograniczonych zakresach, albo poniżej wbudowanego napięcia referencyjnego (~7.15V) albo powyżej. Prostym zabiegiem, pozbyłem się tego problemu, podając napięcie ujemne -5V na pin V- czym został obniżony potencjał masy. Zgodnie z notą, napięcie mierzone pomiędzy NI- a potencjałem masy (V-) nie może być wyższe niż 8V, dlatego to zdeterminowało projekt części cyfrowej. Otóż napięcie wyjściowe zasilacza trafia na IN- poprzez dzielnik rezystorowy 1:10, zatem maksymalne 25V na wyjściu zasilacza to 2.5V na wejściu NI-, a to razem daje 7.5V względem V-, czyli warunek spełniony <8V. LM723 ma wbudowany wzmacniacz błędu (NI+ i NI-) i dązy do tego, aby do tego, aby napięcia na obu nóżkach były sobie równe. Dlatego też, na nóżkę NI+ podaje napięcie odniesienia za pomocą 12-bitowego przetwornika DAC MCP4922. Napięcie to jest równe ustawionemu napięciu wyjściowego w stosunku 1:10, zatem dla 10.00V jest to 1.00V, dla 25.00V jest to 2.50V. A więc układ dazy, aby na nóżce IN- było takie same napięcie podane na IN+, i w ten sposób mamy napięcie wyjściowe 10x większe od zadanego przez DAC. Napięcie z nóżki IN- jest podane również na wejście 12-bitowego przetwornika MCP3202 i służy do pomiaru napięcia dla LCD.
Problem który występuje w układzie LM723 w takim układzie, jest szybkie zanikanie napięcia -5.0V służącego do zasilania niektórych bloków LM723 i umożliwiającego regulację napięcia wyjściowego od 0V. Powoduje, że na wyjściu zasilacza pojawia się przez chwilę pełne napięcie zasilania, co jest niedopuszczalne. Aby to wyeliminować, zastosowałem transoptor w obwodzie bramki tranzystora sterującego tranzystorami mocy. Anoda transoptora podłączona jest przez rezystor do GND, a anoda do -5V, co powoduje, że w momencie zaniku napięcia ujemnego, baza tranzystora sterującego jest podciągana do GND i tranzystory mocy są niewysterowane. Rozwiązanie jest bardzo skuteczne i działa jak należy
Regulacja prądu :
Pomiar prądu mierzony jest jako spadek napięcia na rezystorze 0R1 po stronie GND, które podawane jest na wzmacniacz operacyjny rail-to-rail MCP617 o niskim wejściowym napięciu niezrównoważenia, które jest wzmacniane 5-krotnie, a wiec dla 5A napięcie wynosi 2.50V, po czym podane jest na drugi człon wzmacniacza pracującego w roli komparatora porównującego zadane przez DAC napięcie odniesienia (w zakresie 0-2.50V) a wyjście podane jest na wejście układu LM723 nóżka CL i poprzez rezystor do GND. Są to wejścia układu ograniczenia prądowego układu 723. Podanie napięcia na ten pin wyższego niż 2.5V powoduje wysterowanie tranzystora ograniczenia prądowego zawartego w strukturze LM723. Wyjście komparatora podane jest również na bramkę tranzystora załączającego diodę sygnalizującą ograniczenie prądowe, oraz na tranzystor zwierający pin atmegi, jako sygnalizację zadziałanie ograniczenia prądowego.
Napięcie z wyjścia wzmacniacza jest podane również na wejście 12-bitowego przetwornika MCP3202 i służy do pomiaru prądu dla LCD.
Pozostałe układy analogowe :
Na wyjściu układu zasilacza znajduje się układ źródła prądowego na mosfecie IRF510, pracującego jako wstępne obciążenie zasilacza które powoduje zdecydowanie szybszą i stabilną odpowiedź impulsową zasialcza.
Układ sterujący praca zasilacza został wykonany na dwóch tranzystorach mocy połączonych równolegle 2SC5200 wysterowanym za pomocą tranzystora mocy BD139, z rezystorami emiterowymi.
Ujemne napięcie -5V dla 723 wytworzone jest z wykorzystaniem pompy ładunku na układzie ICL7660 z dodatniego napięcia +5V z przetwornicy step down na układzie LM2576. napiecie +5V służy również do zasilania pozostałych układów części cyfrowej, w tym DAC i ADC.
Wybór MCP4922 i MCP3202 nie był przypadkowy, układy te posiadają wejście na zewnętrzne napięcie odniesienia. Napięcie to zostało wygenerowane na układzie TL431 i wynosi ono 4.096V. Napięcie to pozwala na uzyskanie na przetwornikach 12-bitowych DAC i ADC, wartości napięć bez podziałów, gdyż rozdzielczość dla 12 bitów wynosi 4096.
Zasilacz posiada dodatkowo możliwość przełączania odczepów transformatora lub pracy bez przełączania. oznacza to, że do zasilania układu można wykorzystać transformator 24V lub 2x12V. W zależności od użytego transformatora należy :
1. Transformator 24V nalezy podłączyć do złącza opisanego na płytce jako ~24V i zdjąć zworę oznaczoną 12/24V
2. Transformator 2x12V - jeden odczep podłączyć do złącza opisanego ~0-12V i drugi analogicznie do drugiego, pamiętając o właściwej kolejności przewodów transformatora
układ przełączania odczepów zbudowany jest na komparatorze LM393 z histerezą, jako źródło napięcia odniesienia wykorzystałem układ LM385 w wersji 1.2V. jako napięcie porównania wykorzystywane jest napięcie z przetwornika DAC służące do ustawiania napięcia wyjściowego zasilacza. Zwora przerywa lub nie, sygnał z DAC, zatem w przypadku usuniętej zwory, napięcie wejściowe na komparatorze jest równe 0V, a więc przekaźnik pozostaje w jednej pozycji bez względu na ustawione napięcie, w przypadku transformatora 24V. Jednak z uwagi na możliwą bardzo dużą różnicę napięć na wejściu i wyjściu tranzystorów wyjściowych, wystąpi duża moc strat w postaci ciepła.
W moim zasilaczu użyłem trasfrmatora Indel TST 200/004 2x12V i 2x8.33A.
Zasilacz posiada zabezpieczenie termiczne w postaci pomiaru temperatury radiatora za pomocą czujnika temperatury DS18B20 i w zależności od temperatury, załącza/wyłącza wentylator. Mimo tego, zasilacz ma podwójne zabezpieczenie, w przypadku gdyby mimo pracy wentylatora, radiator osiągnął powyżej 60 st., zasil;acz ostanie wyłączony do czasu osiągnięcia min temperatury wyłączenia wentyaltora.
Układ sterowania wentylatorem to typowa aplikacja na mosfecie logic level IRL540.
Część cyfrowa :
Sterowanie oparte jest (i tu zawiodę na pewno moich ulubionych kolegów ) na Atmega328P zamiast STM32
Atmega pracuje w standardowej konfiguracji z kwarcem 16MHz.
Wejścia :
- MCP3202 - pomiar napięcia i prądu
- enkoder obrotowy z przyciskiem
- przycisk start/stop
- pomiar temperatury na DS18B20
- pomiar stanu ograniczenia prądowego
Wyjścia :
- MCP4922 - ustawianie napięcia i ograniczenia prądowego
- wyjście sterowania wentylatorem
Przetworniki DAC i ADC są podłączone z wykorzystaniem magistrali SPI.
Na płycie zasilacza są wyprowadzone złącza dla enkodera, sygnały Rx, tX i En dla potencjalnego sterowania za pośrednictwem magistrali RS485. W tym przypadku Rx i Tx służą do obsługi wyświetlacza Nextion. Wprowadzana jest też magistrala I2C do ew, obsługi innych LCD.
Jako ekranu użyłem wyświetlacza dotykowego Nextion NX4827T043_011 czyli 4.3" 480x270
Obsługa :
Obsługa zasilacza jest prosta i realizowana za pomocą enkodera. Po wciśnięciu enkodera zaczyna migać na LCD nastawa napięcia i obracając enkoderem następuje zmiana wartości, kolejne wciśnięcie to nastawa prądu, analogicznie jak w przypadku napięcia. Kolejne wciśniecie enkodera powoduje deaktywację trybu nastaw.
Start zasilacza można zrealizować za pomocą przycisku, jak również za pomocą ekranu dotykowego. Na ekranie są przyciski króee mają zdefiniowane wartości typowe dla napięcia i prądu, wciśnięcie powoduje ustawienie danej wartości napięcia lub ograniczenia prądowego, a enkoder przyjmuje te wartości jak wyjściowe do dalszej regulacji.
Enkoder ma automatyczny tryb pracy zgrubnej i precyzyjnej, przy szybkim obrocie wartości przyrastają szybciej, przy wolnym wartości można ustawiać precyzyjnie.
Ekran ma tryb a'la oscyloskopu, po wejściu przyciskiem w ta funkcję, widać na wykresach przebiegi napięcia i prądu, wyświetlane są wartości zadane orz aktualne, jak również, można zmieniać w tym trybie nastawy za pomocą enkodera, analogicznie jak opisałem wyżej.
Na ekranie głównym jest też przycisk ustawień. Pozwala on na ustawienie maksymalnego napiecia zasilacza do 1-25V, oraz ograniczenia prądowego do 0.01-5A. Dodatkowo, można ustawić temperaturę załączenia i wyłączenia wentylatora, przy czym, wymagana jest min 2st. histerezy, aby uniknąć bouncingu. W przypadku ustawienia temperatury wyłączenia wyższej niż temperatury włączenia - 2, program automatycznie zmieni temperaturę wyłączenia zgodnie z pow. zasadą.
Jak ktoś lubi, może też sobie zmienić język na angielski.
Powyższe ustawienia zmienia się za pomocą ekranu dotykowego klikając w poszczególne pola. Wartości można zapisać za pomocą przycisku Zapisz, do EEPROM.
Na tym ekranie jest też wyświetlona wartość tzw. "Współ.". Jest to wartość wyznaczana w automatycznym procesie kalibracji podczas pierwszego uruchomienia po wgraniu programu do atmegi. Można ją też uruchomić niezależnie, poprzez przytrzymanie przycisku enkodera podczas włączenia zasilacza.
Wartość tego współczynnika służy do obliczania aktualnego napięcia za pomocą wielomianu trzeciego stopnia. Nie ma to wpływu na prawidłową wartość napięcia wyjściowego zasilacza, służy do korekcji nieliniowości przetwornika ADC, niestety nie są one idealnie liniowe.
Uruchomienie zasilacza :
1. Po zlutowaniu, A PRZED WŁOŻENIEM wszystkich układów scalony, należy włączyć zasilacza i zmierzyć napięcie na pinach Vcc i GND, powinno tam być prawie idealnie +5V
2. Zmierzyć napięcie pomiedzy GND a nóżką nr 7 U( (lm723) - powinno tam być napięcie ujemne w przedziale -4.5 do -5V
3. Z pomocą potencjometru wieloobrotowego VREF, należy ustawić napięcie referencyjne 4.096V na nóżce 8 U4, lub na nóżce 11 lub 13 U7
4. Teraz należy wyłączyć zasilacz i rozładować kondensatory główne, następnie włożyć w podstawki wszystkie układy, w przypadku atmegi, oczywiście wcześniej zaprogramowaną
4. Włączyć zasilacz, program wykona automatyczną kalibrację, następnie należy ustawić za pomocą enkodera napięcie wyjściowe 5V i włączyć zasilacz, mierząc napięcie na jego wyjściu, zmieniać za pomocą potencjometru wielobrotowego VSET napięcie wyjściowe, aż będzie wynosiło 5V
5. Wyłączyć zasilacz, przytrzymać przycisk enkodera i włączyć zasilacz, przycisk trzymać do momentu pojawienia się ekranu kalibracji
6. Ustawienie ograniczenia prądowego sprowadza się do podłączenia obciążenia, nastawy napięcia i prądu powinny być powyżej prądu pobieranego przez odbiornik, np. rezystor 10R 5W - napięcie 5V, ograniczenia prądowe 1A, w szeregu z obciążeniem należy podłączyć multimetr w trybie pomiaru prądu, i obracając potencjometrem ISET, należy doprowadzić do zgodności prądumierzonego multimetrem z prądem wyświetlanym na ekranie. Następnie należy obniżyć wartośc ograniczenia prądowego tak aby zostało załączone, i sprawdzić, na multimetrze i ekranie, czy wartości sa prawidłowe.
Dużo by można pisać o szczegółach, ale już mnie bolą ręce
chętnie odpowiem na wszelkie pytania.
Co do obudowy, wykonana na zrobione przeze mnie frezarce CNC, z MDF 6mm, płyta czołowa z HIPS, też grawerowane przeze mnie.
Poniżej fotki, schematy i wsad do atmegi oraz wyświetlacza Nextion.
Pozdr
Sławek
Cool? Ranking DIY
