Zasilacz liniowy sterowany cyfrowo: 6 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

W moich nastoletnich latach, około 40 lat temu, stworzyłem podwójny liniowy zasilacz. Schemat dostałem z magazynu „Elektuur”, obecnie zwanego „Elektor” w Holandii. Ten zasilacz używał jednego potencjometru do regulacji napięcia i jednego do regulacji prądu. Po wielu latach potencjometry te nie działały już poprawnie, co utrudniało uzyskanie stabilnego napięcia wyjściowego. Ten zasilacz pokazano na zdjęciu.

W międzyczasie zainteresowałem się tworzeniem oprogramowania wbudowanego w ramach mojego hobby, używając mikrokontrolera PIC i języka programowania JAL. Ponieważ nadal chcę korzystać z mojego zasilacza – tak, w dzisiejszych czasach można kupić tańsze warianty trybu impulsowego – wpadłem na pomysł zastąpienia starych potencjometrów wersją cyfrową i tak narodził się nowy projekt PIC.

Do regulacji napięcia zasilacza używam mikrokontrolera PIC 16F1823, który wykorzystuje 6 przycisków w następujący sposób:

• Jeden przycisk do włączania i wyłączania napięcia wyjściowego bez konieczności całkowitego włączania lub wyłączania zasilania
• Jeden przycisk, aby zwiększyć napięcie wyjściowe, a drugi przycisk, aby zmniejszyć napięcie wyjściowe;
• Trzy przyciski do użycia jako ustawienia wstępne. Po ustawieniu określonego napięcia wyjściowego, to dokładne napięcie można zapisać i odzyskać za pomocą tych wstępnie ustawionych przycisków

Zasilacz jest w stanie wyprowadzić napięcie między 2,4 V a 18 V z maksymalnym prądem 2 amperów.

Krok 1: Wstępny projekt (wersja 0)

Dokonałem kilku modyfikacji na oryginalnym schemacie, aby nadawał się do sterowania potencjometrem cyfrowym. Ponieważ nigdy wcześniej nie używałem oryginalnego potencjometru do regulacji prądu, usunąłem go i zastąpiłem stałym rezystorem, ograniczając maksymalny prąd do 2 Amperów.

Schemat ideowy przedstawia zasilacz, zbudowany na starym, ale niezawodnym regulatorze napięcia LM723. Stworzyłem do tego również płytkę drukowaną. LM723 ma napięcie odniesienia z kompensacją temperatury z funkcją ograniczania prądu i szerokim zakresem napięcia. Napięcie odniesienia LM723 trafia do cyfrowego potencjometru, którego wycieraczka jest podłączona do wejścia nieodwracającego LM723. Potencjometr cyfrowy ma wartość 10 kOhm i może być zmieniany od 0 Ohm do 10 kOhm w 100 krokach przy użyciu 3-przewodowego interfejsu szeregowego.

Ten zasilacz ma cyfrowy miernik napięcia i ampera, który jest zasilany z 15-woltowego regulatora napięcia (IC1). Ten 15 V jest również używany jako wejście dla regulatora napięcia 5 V (IC5), który zasila PIC i potencjometr cyfrowy.

Tranzystor T1 służy do wyłączania LM723, który doprowadza napięcie wyjściowe do 0 V. Rezystor mocy R9 służy do pomiaru prądu, powodując spadek napięcia na rezystorze, gdy przepływa przez niego prąd. Ten spadek napięcia jest wykorzystywany przez LM723 do ograniczenia maksymalnego prądu wyjściowego do 2 amperów.

W tym początkowym projekcie kondensator elektrolityczny i tranzystor mocy (typ 2N3055) nie są na płycie. W moim oryginalnym projekcie sprzed wielu lat kondensator elektrolityczny był na osobnej płytce, więc go zachowałem. Tranzystor mocy jest zamontowany na płycie chłodzącej na zewnątrz obudowy dla lepszego chłodzenia.

Przyciski znajdują się na przednim panelu szafki. Każdy przycisk jest podciągany wysoko przez rezystory 4k7 na płycie. Przyciski są połączone z masą, co sprawia, że są aktywne w stanie niskim.

Do tego projektu potrzebne są następujące komponenty elektroniczne (patrz także wersja 2):

• 1 mikrokontroler PIC 16F1823
• 1 cyfrowy potencjometr 10k, typ X9C103
• Regulatory napięcia: 1*LM723, 1*78L15, 1*78L05
• Prostownik mostkowy: B80C3300/5000
• Tranzystory: 1 * 2N3055, 1 * BD137, 1 * BC547
• Diody: 2 * 1N4004
• Kondensatory elektrolityczne: 1*4700 uF/40V, 1*4.7 uF/16V
• Kondensatory ceramiczne: 1 * 1 nF, 6 * 100 nF
• Rezystory: 1*100 Ohm, 1*820 Ohm, 1*1k, 2*2k2, 8*4k7
• Rezystor mocy: 0,33 Ohm / 5 W

Zaprojektowałem również płytkę drukowaną, która jest pokazana na załączonym zrzucie i obrazku.

Krok 2: Zmieniony projekt (wersja 2)

Po zamówieniu płytek drukowanych wpadłem na pomysł dodania funkcji, którą nazywam „ochroną napięcia”. Ponieważ nadal miałem dużo pamięci programu w PIC, zdecydowałem się użyć wbudowanego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) w PIC do pomiaru napięcia wyjściowego. W przypadku, gdy to napięcie wyjściowe – z jakiegokolwiek powodu – wzrośnie lub spadnie, zasilanie zostanie wyłączone. Zabezpieczy to podłączony obwód przed przepięciem lub zatrzyma zwarcie. To była wersja 1, która jest rozszerzeniem wersji 0, początkowego projektu.

Chociaż testowałem projekt za pomocą płytki stykowej (patrz zdjęcie), nadal nie byłem z niego zadowolony. Czasami wydawało się, że potencjometr cyfrowy nie zawsze jest dokładnie w tej samej pozycji, np. podczas odzyskiwania ustawionej wartości. Różnica była niewielka, ale niepokojąca. Nie ma możliwości odczytania wartości potencjometru. Po pewnym namyśle stworzyłem wersję 2, która jest niewielkim przeprojektowaniem wersji 1. W tym projekcie, patrz schemat wersja 2, nie użyłem potencjometru cyfrowego, ale użyłem wbudowanego przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC) PIC do sterowania napięciem wyjściowym za pośrednictwem LM723. Jedynym problemem było to, że PIC16F1823 ma tylko 5-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy, co nie było wystarczające, ponieważ kroki w górę i w dół byłyby zbyt duże. Z tego powodu przełączyłem się na PIC16F1765, który ma na pokładzie 10-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy. Ta wersja z DAC-em była niezawodna. Nadal mogłem korzystać z początkowej płytki drukowanej, ponieważ muszę tylko usunąć niektóre elementy, wymienić 1 kondensator i dodać 2 przewody (1 przewód był już potrzebny do dodania funkcji wykrywania napięcia w wersji 1). Zmieniłem również regulator 15 V na wersję 18 V, aby ograniczyć rozpraszanie mocy. Zobacz schemat ideowy wersji 2.

Więc jeśli chcesz wybrać ten projekt, musisz wykonać następujące czynności w porównaniu z wersją 0:

• Wymień PIC16F1823 na PIC16F1765
• Opcjonalnie: Zamień 78L15 na 78L18
• Usuń potencjometr cyfrowy typu X9C103
• Usuń rezystory R1 i R15
• Wymień kondensator elektrolityczny C5 na kondensator ceramiczny 100 nF
• Wykonaj połączenie między pinem 13 IC4 (PIC) a pinem 5 IC2 (LM723)
• Wykonaj połączenie między pinem 3 IC4 (PIC) a pinem 4 IC2 (LM723)

Zaktualizowałem również płytkę drukowaną, ale nie zamówiłem tej wersji, patrz zrzut ekranu.

Krok 3: Montaż (Dis)

Na zdjęciu widać zasilacz przed i po aktualizacji. Aby zakryć otwory, które zrobiły potencjometry, dodałem panel przedni na wierzchu przedniego panelu obudowy. Jak widać wykonałem zasilacz dualny, w którym oba zasilacze są całkowicie niezależne od siebie. Dzięki temu można je połączyć szeregowo w przypadku, gdy potrzebuję wyższego napięcia wyjściowego niż 18 Volt.

Dzięki płytce drukowanej montaż elektroniki był łatwy. Pamiętaj, że duży kondensator elektrolityczny i tranzystor mocy nie znajdują się na płytce drukowanej. Zdjęcie pokazuje, że w wersji 2 niektóre elementy nie są już potrzebne i potrzebne były 2 przewody jeden do dodania funkcji wykrywania napięcia, a drugi ze względu na zastąpienie potencjometru cyfrowego przez konwerter cyfrowo-analogowy mikrokontrolera PIC.

Oczywiście potrzebujesz transformatora, który jest w stanie dostarczyć 18 V AC, 2 Ampery. W moim oryginalnym projekcie zastosowałem transformatory z rdzeniem pierścieniowym, ponieważ są bardziej wydajne (ale też droższe).

Krok 4: Oprogramowanie dla wersji 0

Oprogramowanie wykonuje następujące główne zadania:

• Sterowanie napięciem wyjściowym zasilacza za pomocą potencjometru cyfrowego

• Obsługuj funkcje przycisków, którymi są:

  • Zasilanie włącz / wyłącz. Jest to funkcja przełączania, która ustawia napięcie wyjściowe na 0 V lub na ostatnio wybrane napięcie
  • W górę/napięcie w dół. Z każdym naciśnięciem przycisku napięcie nieznacznie wzrasta lub lekko spada. Gdy te przyciski pozostają wciśnięte, aktywowana jest funkcja powtarzania
  • Zapisywanie presetów/odzyskiwanie presetów. Dowolne ustawienie napięcia można zapisać w EEPROM PIC, naciskając wstępnie ustawiony przycisk przez co najmniej 2 sekundy. Naciśnięcie go krócej spowoduje odzyskanie wartości EEPROM dla tego ustawienia wstępnego i odpowiednie ustawienie napięcia wyjściowego

Po włączeniu wszystkie piny PIC są ustawione jako wejście. Aby zapobiec występowaniu nieokreślonego napięcia na wyjściu zasilacza, wyjście pozostaje na poziomie 0 V, dopóki PIC nie zostanie uruchomiony i uruchomiony oraz potencjometr cyfrowy zostanie zainicjowany. To wyłączenie jest osiągane przez rezystor podciągający R14, który zapewnia, że tranzystor T1 wyłącza LM723, dopóki nie zostanie zwolniony przez PIC.

Reszta oprogramowania jest prosta do przodu. Przyciski są skanowane i jeśli coś trzeba zmienić, wartość potencjometru cyfrowego jest zmieniana za pomocą trzyprzewodowego interfejsu szeregowego. Należy zauważyć, że potencjometr cyfrowy ma również opcję przechowywania ustawień, ale nie jest ona używana, ponieważ wszystkie ustawienia są przechowywane w EEPROM PIC. Interfejs z potencjometrem nie oferuje funkcji odczytu wartości wycieraczki z powrotem. Tak więc za każdym razem, gdy wycieraczka musi być ustawiona na określoną wartość, pierwszą rzeczą, którą należy wykonać, jest ustawienie wycieraczki z powrotem w pozycji zerowej i od tego momentu wyślij liczbę kroków, aby ustawić wycieraczkę we właściwej pozycji.

Aby zapobiec zapisywaniu EEPROM za każdym naciśnięciem przycisku, a tym samym skrócić żywotność EEPROM, zawartość EEPROM jest zapisywana 2 sekundy po tym, jak przyciski nie są już aktywne. Oznacza to, że po ostatniej zmianie przycisków należy odczekać co najmniej 2 sekundy przed włączeniem zasilania, aby upewnić się, że ostatnie ustawienie zostało zapisane. Po włączeniu zasilacz zawsze będzie się uruchamiał z ostatnio wybranym napięciem zapisanym w pamięci EEPROM.

Załączono plik źródłowy JAL i plik Intel Hex do programowania PIC dla wersji 0.

Krok 5: Oprogramowanie dla wersji 2

Dla wersji 2 główne zmiany w oprogramowaniu są następujące:

• Dodano funkcję wykrywania napięcia poprzez pomiar napięcia wyjściowego zasilacza po jego ustawieniu. W tym celu używany jest konwerter ADC PIC. Za pomocą przetwornika ADC oprogramowanie pobiera próbki napięcia wyjściowego i jeśli po kilku próbkach napięcie wyjściowe jest o około 0,2 V wyższe lub niższe od ustawionego napięcia, zasilanie zostaje wyłączone.
• Wykorzystanie przetwornika cyfrowo-analogowego PIC do sterowania napięciem wyjściowym zasilacza zamiast używania potencjometru cyfrowego. Ta zmiana uprościła oprogramowanie, ponieważ nie było potrzeby tworzenia 3-przewodowego interfejsu dla potencjometru cyfrowego.
• Wymień pamięć w EEPROM na pamięć w High Endurance Flash. PIC16F1765 nie ma na pokładzie pamięci EEPROM, ale wykorzystuje część programu Flash do przechowywania nieulotnych informacji.

Należy zauważyć, że wykrywanie napięcia nie jest początkowo aktywowane. Po włączeniu sprawdzane są następujące przyciski:

• Przycisk włączania/wyłączania zasilania. Po naciśnięciu obie funkcje wykrywania napięcia są wyłączone.
• Przycisk w dół. Po naciśnięciu aktywowane jest wykrywanie niskiego napięcia.
• Przycisk w górę. Po naciśnięciu aktywowane jest wykrywanie wysokiego napięcia.

Te ustawienia wykrywania napięcia są przechowywane w pamięci Flash High Endurance i są przywoływane po ponownym włączeniu zasilania.

Dołączono również plik źródłowy JAL i plik Intel Hex do programowania PIC dla wersji 2.

Krok 6: Ostateczny wynik

Na filmie widać wersję 2 zasilacza w akcji, pokazuje ona funkcję włączania/wyłączania zasilania, zwiększanie/zmniejszanie napięcia oraz użycie ustawień wstępnych. Do tego demo podłączyłem też rezystor do zasilacza, aby pokazać, że płynie przez niego rzeczywisty prąd i że maksymalny prąd jest ograniczony do 2 Amperów.

Jeśli jesteś zainteresowany użyciem mikrokontrolera PIC z JAL – językiem programowania podobnym do Pascala – odwiedź stronę JAL.

Baw się dobrze, robiąc to instruktażowe i czekając na twoje reakcje i wyniki.