НТВ плюс 

Блок питания на микроконтроллере. Блок индикации и управления

Рассказать в:

Выходное напряжение блока питания можно изменять в пределах 1,25....26 В, максимальный выходной ток - 2 А. Порог срабатывания защиты по току можно изменять в пределах 0,01...2 А с шагом 0,01 А, а задержку срабатывания - в пределах 1...10 мс с шагом 1 мс и 10...100 мс с шагом 10мс. Стабилизатор напряжения (рис. 1) собран на микросхеме LT1084-ADJ (DA2). Она обеспечивает выходной ток до 5 А и имеет встроенные узлы защиты как от перегрева (температура срабатывания около 150 °С), так и от превышения выходного тока. Причем порог срабатывания защиты по току зависит от падения напряжения на микросхеме (разности входного и выходного напряжений). Если падение напряжения не превышает 10 В, максимальный выходной ток может достигать 5 А, при увеличении этого напряжения до 15 В он уменьшится до 3...4 А, а при напряжении 17... 18 В и более не превысит 1 А. Регулировку выходного напряжения в интервале 1,25...26 В осуществляют переменным резистором R8.

Для обеспечения в блоке питания выходного тока до 2 А во всем интервале выходных напряжений применено ступенчатое изменение напряжения на входе стабилизатора DA2. Четыре двухполупериодных выпрямителя собраны на понижающем трансформаторе Т1 и диодах VD1-VD8. Выпрямитель на диодах VD1, VD2 и стабилизатор напряжения DA1 предназначены для питания микроконтроллера DD1, ОУ DA3 и цифрового индикатора HG1. Выходное напряжение выпрямителя на диодах VD5, VD6 составляет 9... 10 В, на диодах VD4, VD7 - 18...20 В, а на VD3, VD8 - 27...30 В. Выходы этих трех выпрямителей, в зависимости от значения выходного напряжения блока питания, через полевые транзисторы оптореле U1-U3 могут быть подключены к сглаживающему конденсатору С4 и входу стабилизатора DA2. Управление оптореле осуществляет микроконтроллер DD1.

Переключательный транзистор VT1 выполняет функцию электронного ключа, он по команде микроконтроллера DD1 подключает или отключает напряжение стабилизатора от выхода (гнездо XS1) блока питания. На резисторе R14 собран датчик тока, напряжение на нем зависит от выходного тока. Это напряжение усиливается масштабирующим усилителем постоянного тока на ОУ DA3.1 и с выхода буферного усилителя на ОУ DA3.2 поступает на линию РСО (вывод 23) микроконтроллера DD1, которая сконфигурирована как вход встроенного АЦП. Отображение режимов работы блока питания, а также текущих значений тока и напряжения осуществляет ЖК индикатор HG1.

При включении блока питания на выходе РСЗ микроконтроллера DD1, независимо от выходного напряжения, установится высокий логический уровень, полевые транзисторы оптопары U1 откроются и ко входу стабилизатора DA2 будет подключен выпрямитель на диодах VD3, VD8 (27...30 В). Далее осуществляется измерение выходного напряжения блока с помощью встроенного в микроконтроллер DD1 АЦП. Это напряжение поступает на резистивный делитель R9R11R12, и с движка подстроенного резистора R11 уже уменьшенное напряжение поступает на линию РС1 микроконтроллера, которая сконфигурирована как вход АЦП.

В процессе работы выходное напряжение постоянно измеряется, и ко входу стабилизатора будет подключен соответствующий выпрямитель. За счет этого разность входного и выходного напряжений стабилизатора DA2 не превышает 10... 12 В, что дает возможность обеспечить максимальный выходной ток при любом выходном напряжении. Кроме того, это существенно снижает нагрев стабилизатора DA2.

Если выходное напряжение блока не превышает 5,7 В, высокий уровень будет на выходе РС5 микроконтроллера DD1, а на выходах РСЗ и РС4 - низкий, поэтому на вход стабилизатора DA2 поступит напряжение 9...10В с выпрямителя на диодах VD5, VD6. В интервале выходных напряжений 5,7... 13,7 В на стабилизатор будет подано напряжение 18...20 В с выпрямителя на диодах VD4, VD7. При выходном напряжении более 13,7 В на стабилизатор DA2 будет подано напряжение 27...30 В с выпрямителя на диодах VD3, VD8. Пороговые напряжения переключения можно изменить в меню начальных настроек от 1 до 50 В.

Одновременно осуществляется измерение выходного тока; если он превысит заранее установленное значение, на выходе РС2 установится низкий логический уровень, транзистор VT1 закроется и напряжение не поступит на выход блока питания. При пульсирующем характере потребляемого тока индицируется его амплитудное значение.
Сразу после включения блока питания транзистор VT1 закрыт, и на выход напряжение не поступает. Программа находится в режиме установки тока срабатывания защиты и времени задержки (если требуется), на ЖК индикаторе HG1 будет сообщение:

ЗАЩИТА
I=0,00А

а после нажатия на кнопку SB3 при мигающем старшем разряде:

ЗАДЕРЖКА 1мс

В первом случае один из трех разрядов мигает, значение тока в этом разряде изменяют нажатием на кнопку SB1 "+" или SB2 "-". Выбор этого разряда осуществляют нажатием на кнопку SB3 "Выбор". Чтобы отключить защиту, необходимо нажимать на кнопку SB2 "-" до тех пор, пока на экране не появится сообщение:
U= 10,0V
z откл z

После установки требуемого тока срабатывания защиты нажимают на кнопку SB3 "Выбор" и удерживают ее около секунды - устройство перейдет в рабочий режим, транзистор VT1 откроется и ЖК индикатор HG1 отобразит текущие значения напряжения и тока:
U= 10,0V
I=0,00A

При включенной задержке на индикаторе, помимо значений напряжения и тока, как напоминание, будет отображаться мигающий восклицательный знак:
U=10,0V
I 0.00A !

Если защита выключена, взамен восклицательного знака появится мигающий знак "молния".
Если выходной ток будет равен или превысит установленное значение тока срабатывания защиты, транзистор VT1 закроется и на экране появится сообщение:
ЗАЩИТА
I=1,00А

Причем слово "ЗАЩИТА" будет мигающим. После кратковременного нажатия на любую из кнопок устройство снова перейдет в режим установки тока срабатывания защиты.
Если в рабочем режиме нажать на кнопку SB1 "+" или SB2 "-", включится раздел установки временной задержки срабатывания защиты по току и на индикаторе появится сообщение:
ЗАДЕРЖКА 1мс

Нажимая на кнопку SB1 "+" или SB2 "-", изменяют задержку в пределах от 1 мс до 10 мс с шагом 1 мс и от 10 до 100 мс с шагом 10 мс. Задержка срабатывания защиты по току работает следующим образом. Если выходной ток станет равным или превысит установленное значение, будет сделана пауза установленной длительности (от 1 до 100 мс), после чего снова проведено измерение. Если ток по-прежнему равен или превышает установленное значение, транзистор VT1 закроется и нагрузка будет обесточена. Если же за этот временной интервал выходной ток станет меньше тока срабатывания, устройство останется в рабочем режиме. Чтобы отключить задержку, необходимо уменьшать ее значение нажатием на кнопку SB2 "-", пока на экране не появится сообщение:
ЗАДЕРЖКА ОТКЛ

В рабочем режиме можно вручную отключить выходное напряжение и перейти в режим установки тока защиты, для этого нужно нажать на кнопку SB3 "Выбор".
В программе есть меню начальных настроек, для того чтобы в него войти, необходимо включить блок питания, удерживая нажатой кнопку SB3 "Выбор". Первым отобразится меню установки тактовой частоты встроенного АЦП микроконтроллера DD1:
ТАКТ АЦП 500кГц

Нажатием на кнопку SB1 "+" или SB2 "-" можно выбрать три значения тактовой частоты встроенного АЦП: 500 кГц, 1 МГц и 2 МГц. При частоте 500 кГц время срабатывания защиты составляет 64 мкс, при частотах 1 и 2 МГц - 36 и 22 мкс соответственно. Калибровку устройства лучше проводить при частоте 500 кГц (установлено по умолчанию).

Чтобы перейти к следующей настройке, нажимают на кнопку SB3 "Выбор", и появится сообщение:
СТУПЕНБ2
ОТ 5,7V

В этом разделе меню можно изменить (нажимая на кнопку SB1 "+" или SB2 "-") значение выходного напряжения, при котором осуществляется подключение ко входу стабилизатора DA2 того или иного выпрямителя. При следующем нажатии на кнопку SB3 "Выбор" появится меню установки такого порога переключения:
СТУПЕНЬЗ
ОТ 13,7V

При переходе в следующий раздел меню откроется транзистор VT1, а защита по току будет отключена. Появится сообщение: U= 10,0V* I=0,OOA*
В этом разделе изменяют значение коэффициента k, который использован в программе для коррекции показаний выходного напряжения в зависимости от выходного тока. Дело в том, что на резисторе R14 и транзисторе VT1 при максимальном выходном токе падение напряжения составляет до 0,5 В. Поскольку для измерения выходного напряжения использован резистивный делитель R9R11R12, включенный до резистора R14 и транзистора VT1, в программе, в зависимости от протекающего тока, рассчитывается это падение напряжения и вычитается из измеренного значения напряжения. При нажатии на кнопку SB1 "+" или SB2 "-" на индикаторе взамен значения тока отобразится значение коэффициента k:
U= 10,0V* k=80

По умолчанию он равен 80, его изменяют нажатием на кнопку SB1 "+" или SB2 "-".
При последующем нажатии на кнопку SB3 "Выбор" микроконтроллер DD1 запустится повторно, при этом все установленные настройки сохранятся в его энергонезависимой памяти и будут использованы при последующих запусках.




Большинство деталей, в том числе и трансформатор Т1, размещены на макетной печатной плате (рис. 2). Был использован проводной монтаж. Конденсаторы С5 и С7 устанавливают как можно ближе к выводам стабилизатора DA2. На передней панели (рис. 3) установлены индикатор, выключатель питания, переменный резистор, кнопки и выходные гнезда.


Применены постоянные резисторы МЛТ, С2-23, кроме резистора R14 - он типа SQP-15, подстроечные резисторы многооборотные - СП5-2, переменный резистор - СПЗ-1, СПЗ-400, движок которого приводится во вращение через зубчатую передачу с передаточным числом, равным трем (рис. 4). В результате получился трехоборотный переменный резистор, который позволяет быстро и в то же время точно изменять напряжение на выходе стабилизатора.

Конденсаторы С5, С7 желательно использовать танталовые, оксидные конденсаторы - импортные, остальные - К10-17. Взамен указанного на схеме можно применить ЖК индикатор (две строки по восемь символов) с англорусским набором символов на контроллерах KS0066, HD47780, например WH0802A-YGH-CT фирмы Winstar. Диоды 1N4005 заменимы на диоды 1N4002- 1N4007, 1N5819, диоды Р600В - на P600DP600M, 1 N5401-1 N5408.

Стабилизатор LT1084 через тепло-проводящую изолирующую прокладку крепят к металлическому корпусу устройства, который выполняет функции теплоотвода, этот стабилизатор можно заменить на LM1084, но он должен быть обязательно с регулируемым выходным напряжением (с индексом ADJ). Отечественный аналог - микросхема КР142ЕН22А, но ее работоспособность в этом устройстве не проверялась. Стабилизатор 7805 можно заменить на отечественный КР142ЕН5А.

Дроссель L1 - отечественный ДМ-0,1 или импортный ЕС-24, его можно заменить на резистор сопротивлением 100 Ом. Кварцевый резонатор ZQ1 - РГ-05, HC-49U. Кнопки - любые с нормально-разомкнутым контактом, например SDTM-630-N, выключатель питания - B100G. Был применен трансформатор, тип которого неизвестен (указаны только параметры вторичной обмотки - 24 В, 2,5 А), но по габаритам он аналогичен трансформатору ТТП-60. Вторичная обмотка удалена и намотаны две новые. Для определения требуемого числа витков перед удалением обмотки было измерено выходное напряжение и найдено число витков, приходящееся на 1 В напряжения. Затем проводом ПЭВ-2 0,7...0,8 одновременно наматывают две обмотки с двумя отводами каждая. Число витков должно быть таким, чтобы на первых отводах обеих обмоток было напряжение 9 В, а на вторых - 18В. В авторском варианте каждая из обмоток содержала по 162 витка с отводами от 54 и 108-го витка.

Налаживание начинают без установленных микроконтроллера, ОУ и индикатора с проверки постоянных напряжений на выходах выпрямителей и стабилизатора DA1. При программировании микроконтроллера необходимо установить конфигурационные биты (fuse bits):
CKSELO - 1;
CKSEL1 - 1;
CKSEL2- 1;
CKSEL3- 1;
SUT1 - 1;
BOOTRST - 1;
EESAVE - 1;
WDTON - 1;
RSTDISBL - 1;
SUTO - 0;
BODEN - 0;
BODLEVEL - 0;
BOOTSZO - 0;
BOOTSZ1 - 0;
CKOPT - 0;
SPIEN - 0.

Микроконтроллер может быть запрограммирован внутрисхемно, при этом программатор подключают к вилке ХР2. При этом микроконтроллер питают от блока питания.
После установки микроконтроллера и ОУ подключают индикатор и включают устройство (без нагрузки), удерживая нажатой кнопку SB3 "Выбор", при этом программа микроконтроллера перейдет в режим начальных настроек. Резистором R16 устанавливают желаемую контрастность изображения индикатора, а подборкой резистора R18 - яркость подсветки табло индикатора.

Далее, нажимая на кнопку SB3 "Выбор", необходимо выбрать в меню раздел установки коэффициента k. К выходу устройства подключают образцовый вольтметр и устанавливают выходное напряжение, близкое к максимальному. Резистором R11 уравнивают показания индикатора и вольтметра. При этом выходной ток должен быть равен нулю.

Затем устанавливают минимальное выходное напряжение (1,25В) и подключают к выходу последовательно соединенные образцовый амперметр и нагрузочный резистор сопротивлением около 10 Ом и мощностью 40...50 Вт. Изменяя выходное напряжение, устанавливают выходной ток около 2 А и резистором R17 приводят показания индикатора в соответствие с показаниями амперметра. После этого последовательно с амперметром подключают резистор сопротивлением 1 кОм и изменением выходного напряжения устанавливают выходной ток 10 мА. На индикаторе должно быть такое же значение тока; если это не так и показания меньше, необходимо между выходом стабилизатора DA1 и истоком транзистора VT1 установить резистор сопротивлением 300...1000 Ом и его подборкой уравнять показания индикатора и амперметра. Временно можно применить переменный резистор, заменив его затем на постоянный с соответствующим сопротивлением.

В заключение уточняют значение коэффициента k. Для этого к выходу снова подключают образцовый вольтметр и мощный нагрузочный резистор. Изменяя выходное напряжение, устанавливают выходной ток, близкий к максимальному. Нажимая на кнопку SB1 "+" или SB2 "-", изменяют коэффициент k так, чтобы показания индикатора и вольтметра совпали. После нажатия на кнопку SB3 "Выбор" произойдет перезагрузка микроконтроллера и блок питания будет готов к работе.
Следует отметить, что максимальный выходной ток (2 А) ограничен типом примененных оптореле и может быть увеличен до 2,5 А, если их заменить на более мощные.

АРХИВ: Скачать с сервера


Д. МАЛЬЦЕВ, г. Москва
"Радио" №12 2008г. Раздел:

Представляю для вашего внимания проверенную схему хорошего лабораторного источника питания, опубликованного в журнале "Радио" №3, с максимальным напряжением 40 В и током до 10 А. Блок питания оснащён цифровым блоком индикации, с микроконтроллерным управлением. Схема БП показана на рисунке:

Описание работы устройства. Оптопара поддерживает падение напряжения на линейном стабилизаторе примерно 1,5 В. Если падение напряжения на микросхеме увеличивается (например, вследствие увеличения входного напряжения), светодиод оптопары и, соответственно, фототранзистор открываются. ШИ-контроллер выключается, закрывая коммутирующий транзистор. Напряжение на входе линейного стабилизатора уменьшится.

Для повышения стабильности резистор R3 размещают как можно ближе к микросхеме стабилизатора DA1. Дроссели L1, L2 — отрезки ферритовых трубок, надетых на выводы затворов полевых транзисторов VT1, VT3. Длина этих трубок равна примерно половине длины вывода. Дроссель L3 наматывают на двух сложенных вместе кольцевых магнитопроводах К36х25х7,5 из пермаллоя МП 140. Его обмотка содержит 45 витков, которые намотаны в два провода ПЭВ-2 диаметром 1 мм, уложенных равномерно по периметру магнитопровода. Транзистор IRF9540 допустимо заменить на IRF4905, а транзистор IRF1010N — на BUZ11, IRF540.

Если потребуется с выходным током, превышающим 7,5 А, необходимо добавить еще один стабилизатор DA5 параллельно DA1. Тогда максимальный ток нагрузки достигнет 15 А. В этом случае дроссель L3 наматывают жгутом, состоящим из четырех проводов ПЭВ-2 диаметром 1 мм, и увеличивают примерно в два раза емкость конденсаторов С1—СЗ. Резисторы R18, R19 подбирают по одинаковой степени нагрева микросхем DA1, DA5. ШИ-контроллер следует заменить другим, допускающим работу на более высокой частоте, например, КР1156ЕУ2.

Модуль цифрового измерения напряжения и тока лабораторного БП

Основа устройства - микроконтроллер PICI6F873. На микросхеме DA2 собран стабилизатор напряжения, которое используется и как образцовое для встроенного АЦП микроконтроллера DDI. Линии порта RA5 и RA4 запрограммированы как входы АЦП для измерения напряжения и тока соответственно, a RA3 - для управления полевым транзистором. Датчиком тока служит резистор R2, а датчиком напряжения — резистивный делитель R7 R8. Сигнал датчика тока усиливает ОУ DAI. 1. а ОУ DA1.2 использован как буферный усилитель.

Технические характеристики:

  • Измерение напряжения, В - 0..50.
  • Измерение тока, А - 0.05..9,99.
  • Пороги срабатывания защиты:
  • - по току. А - от 0,05 до 9.99.
  • - по напряжению. В - от 0,1 до 50.
  • Напряжение питания, В - 9...40.
  • Максимальный потребляемый ток, мА - 50.
ЧАСТЬ1
Рано или поздно перед радиолюбителем возникает проблема изготовления универсального блока питания (БП), который имел бы достаточную надежность, регулируемое в широких пределах выходное напряжение, контроль от чрезмерного потребления тока и, конечно, защиту.
Каждый решает эту проблему по-своему. Вариантов построения источников питания не счесть. Вниманию читателей предлагаю еще один - с управлением на микроконтроллере. Он отличается качественной индикацией, доступной элементарной базой, отсутствием специализированных микросхем обвязки, надежной защитой от нештатных ситуаций и при этом легким в повторении и простым в эксплуатации.
Предлагаемый читателям БП вполне доступен для изготовления радиолюбителями, которые имеют минимальные знания в микропроцессорной технике, т.е. владеют алгоритмами «прошивания» готовых программ в микроконтроллер (МК) или могут обратиться к друзьям, способным им в этом помочь. В остальном - придерживайтесь принципов работы с микросхемами и, безусловно, не забывайте о правилах безопасности.
Несмотря на простоту конструкции, данный БП обладает следующими техническими характеристиками:

Такая идея возникла после желания построить новый БП с учетом реалий и развития современной элементарной базы.
При проектировании радиолюбительского источника питания для домашней лаборатории были поставлены следующие задачи:
наличие цифровой индикации, с которой легкого считываются значения выходного напряжения и тока;
охватить наиболее используемый диапазон выходного напряжения от самого нуля;
отказаться от переменного резистора как регулятора выходного напряжения;
наличие защиты, как от короткого замыкания, так и запредельного режима выходного транзистора;
отображать не установленные, а реальные данные по напряжению и току;
с учетом «цифровой начинки» излучать минимальный уровень шума;
доступность элементной базы;
легкость в настройке и повторении;
себестоимость.
Анализ опубликованных ранее схем показал, что авторы используют современные узкоспециализированные микросхемы, которые далеко не всегда имеются в наличии, особенно в небольших городах. Попытки их замены другими наталкиваются на необходимость изменения в программе. Так же, для облегчения макетирования, авторы идут по более легкому пути, используя жидкокристаллические индикаторы, но они имеют ограничения по углу обзора и не при всех условиях хорошо читаемые. Это понижает реакцию пользователя на изменения показаний, притупляет внимание и иногда приводит к полной потере подключаемого устройства.
Источник питания состоит из трех частей: основного - цифрового модуля управления с индикацией (А1), аналоговой части (А2) и отдельного модуля питания всего блока (A3).
Описание принципиальной электрической схемы источника питания и логика работы
Принципиальная электрическая схема устройства показана на рис.1.

Основу цифровой части устройства составляет микросхема U1 фирмы AVR ATMEGA16 (4). В ее составе имеются 10-разрядные аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Источником опорного напряжения 5 В для АЦП служит питание микроконтроллера (МК), поданное на 30 ногу через фильтр L1C4.
На МК возложены функции оцифровки выходного напряжения и тока через внутренний 10-битный АЦП, и вывод результата на шесть семи сегментных индикаторов, обработка клавиатуры, управление регулятором выходного напряжения, защита стабилизатора.
Для лучшей реакции пользователя индикация организована динамически на двух семи сегментных светодиодных индикаторах красного (напряжение) и зеленого (ток) цвета, объединяющих в себя по три разряда. Такой выбор цвета объясняется тем, что неконтролируемый рост значений напряжения всегда более опасен для нагрузки, чем изменение показаний амперметра, ибо последнее в автоматическом режиме отслеживается защитой.
Наличие шести индикаторов, управляемых портами МК, привело к тому, что пришлось применить буферную цепочку Т1-Т6 из 6 транзисторов р-n-р проводимости, уменьшающих до приемлемого значения ток через порты микроконтроллера.
К регистру порта РВ через восемь токоограничивающих резисторов R1-R8 включены соединенные в параллель сегменты шести индикаторов. К портам PDO-PD5 подключены транзисторы, активирующие конкретный разряд индикатора. Таким образом, процессор поочередно «засвечивает» каждый разряд индикатора и одновременно через порт РВО-РВ7 формирует изображение нужного числа.
Напряжение с выхода источника питания поступает для оцифровки на АЦП0 через резисторный делитель R49R50R51C9, коэффициент деления которого равен 5. МК производит выборки и затем определяет среднее значение. В качестве датчика тока, который потребляет нагрузка, используется мощный безындукционный резистор малого сопротивления R44. Величина падения напряжения на нем усиливается операционным усилителем DA2.2 и подается для анализа на АЦП1 МК.
Исходя из скорости обработки программы МК, опрос портов, в том числе клавиатуры, происходит циклически, без использования внутренних прерываний, что улучшает стабильность работы в целом. В случае не контролированного исчезновения питающего напряжения потери управляемости не наблюдалось и возрастания напряжения на выходе регулятора не фиксировалось.
Кнопки подключены к порту РА2, РАЗ, РА4. Их три: S1 - «+», в зависимости от величины шага, увеличивает значение выходного напряжения, S2 - «-» соответственно уменьшает. Кнопка S3 -«Плавно/грубо» определяет величину шага настройки. При включении - шаг составляет 0,1 В, при нажатии кнопки - увеличивается до 1,5 В. Повторное нажатие возвращает исходное значение, которое индицируется зеленым светодиодом LED2. Этот режим введен с целью быстрого ввода значений без утомительных нажатий кнопки «+». Шаг в 1,5 В выбран из соображения приближения к ряду питания низковольтной аппаратуры.
Таким образом, можно задать выходное напряжение с точностью в 0,1 В. Учтите, что БП не только измеряет реальное напряжение на выходе, но и задает его.
Указанный способ работы источника питания очень удобен в эксплуатации. Вы выставляете нужное напряжение, оно тут же выводится на клеммы и измеряется. При подключении нагрузки индикатор тока в реальном времени индицирует ток потребления. При ненормированной или нестабильной нагрузке напряжение выхода будет «проседать» или «прыгать», что немедленно отразится на индикаторах, а значит, привлечет внимание мастера к подключенному к нему устройству.
Следующим, не мене важном узлом, является цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), который через порт РС0-РС7 управляет аналоговой частью устройства и формирует выходное напряжение. Из соображения доступности, простоты изготовления и уменьшения уровня излучаемых шумов использован так называемый R-2R ЦАП на R21-R37. Схема ЦАП, взята из открытых источников (1), неоднократно проверена и показала приемлемые характеристики.
Аналоговая часть схемы показана на рис.2


и состоит из сдвоенного операционного усилителя DA1, который формирует напряжение управления выходными транзисторами и усиливает напряжение от датчика тока.
DA1.1 в связке с транзисторами Т7, Т9, Т10 осуществляют необходимое усиление по току и напряжению. Т7 и Т9 включен по схеме с общим эмиттером, а Т10 - с общим коллектором. У включения последнего транзистора есть неоспоримые достоинства: большое входное и малое выходное сопротивление, что очень важно в источнике питания. Схему с таким включением еще называют «эмиттерным повторителем». В целом схема работает следующим образом: выходной ток ОУ усиливается транзистором Т7, его коллекторный ток подается на базу Т9, а затем проинвертированный и усиленный сигнал управляет мощным транзистором Т10. По сути дела, Т10 является усилителем тока коллектора Т9, который увеличивает его в h21э раз Т10. Исходя из чего на месте Т9 можно использовать транзисторы средней мощности.
Питание операционного усилителя осуществляется однополярным положительным напряжением. Благодаря применению транзисторов разной проводимости удалось добиться минимальной разности входного и выходного напряжений и четкой управляемости системы в целом. Наличие резистора R42 в цепи эмиттера Т7 ограничивает его базовый и, главное, коллекторный ток на уровне около 30 мА. Коэффициент усиления по напряжению ОУ DA1.1 и транзисторов Т7, Т9, Т10 равен 1+R40/R39.
На DA1.2 собран усилитель напряжения датчика тока потребления нагрузки - резистора R44. Коэффициент усиления по напряжению ОУ DA1.2 равен 25. Резистор R48 и D2 представляют собой простейший стабилизатор, задача которого состоит из защиты порта РА1 от возможного перенапряжения, ограничивая входное напряжение на уровне в 5,1 В. Аналогично используется D1 и R49 для порта РА0.
На элементах R51, R54, R53, Т8 собран электронный предохранитель. Он введен, исходя из того, что время реакции МК может быть недостаточным для блокировки биполярного транзистора при быстротечной перегрузке системы. Ток срабатывания определяет R54 и в небольших пределах регулирует R53. Максимальный ток срабатывания защиты - 2 А, что не даст возможности выйти из строя транзистору Т10.
Если падение напряжения на R54, которое зависит от тока потребления, превысит величину, равную приближенно 0,6 В, транзистор Т8 откроется и предотвратит дальнейшее увеличение базового тока транзистора Т9, а вслед за ним и Т10. Ток нагрузки ограничится на безопасном для системы уровне. Использованная защита не имеет триггерного режима работы, а посему сразу после снятия короткого замыкания возвратится в исходное состояние. Таким образом, регулятор напряжения выдерживает возмущения выходного тока и в случаи короткого замыкания на клеммах, в том числе и импульсного характера.
Независимо от вышеуказанного электронного предохранителя на аналоговых элементах, который защищает источник питания от нагрузки, защита самой нагрузки возложена на МК, который в реальном времени следит за значениями выходного тока. Если этот показатель превысит заданную максимальную величину, он примет защитные меры, а именно: немедленно выключит ЦАП путем обнуления регистра порта PC, а также проинформирует пользователя миганием светодиода LED1. Отсутствие потенциала на резисторах ЦАП, а значит, и на входе DA1.1 закроет транзисторы регулятора. Напряжение на выходных клеммах будет снято - нагрузка отключена. В этом состоянии БП может находиться неограниченное время. Для возобновления подачи напряжения достаточно нажатиями кнопки S1 выставить необходимое выходное напряжение. При превышении указанных режимов защита автоматически сработает опять. Таким образом, в этом источнике питания используется две независимые петли защиты: быстродействующая - аналоговая на транзисторе Т8 и «контролирующая» - цифровая на U1.


Питание схемы показано на рис.3 и состоит из двух микросхем VR1, VR2 и цепей выпрямления, а также фильтрации. Стандартная схема включения пояснений не требует, кроме R58 мощностью в 1 Вт, наличие которого не обязательно, но с ним значительно лучший тепловой режим работы стабилизатора VR2 на 5 В.
Детали и конструкция
U1 -МКАVR АТМЕGА16А-16РPU или АТМЕGА16L.
Если от микроконтроллера никуда не уйдешь, то остальные детали - практически «ширпотреб», которого всегда в достатке. Детали блока не критичны к замене.
При построении ЦАП, безусловно, наилучшим вариантом был бы R-2R ЦАП в гибридном корпусе на одном кристалле. При его отсутствии, используйте резисторы в SMD исполнении или обычные, но обязательно возьмите каждый из номиналов из одной партии (коробки). Таким образом, будет максимально соблюдена линейность преобразования. Практика эксплуатации показала его стабильность и легкость реализации.
Индикаторы применены импортные типа GNT-3631BG, GNS-3611BD, но можно использовать и аналогичные отечественные, а также одиночные типа АЛС321Б или АЛС324Б, но обязательно с общим анодом.
Буферные транзисторы ВС478 заменяются любыми транзисторами малой мощности, что имеются в наличии, с соблюдением расположения выводов и проводимости, в том числе КТ209, КТ502 с любым буквенным индексом.
Транзисторы Т7, Т8 - импортные малой мощности, но можно установить КТ203, КТ208, КТ315 и КТ361 соответственно. В этом случае обратите внимание на максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер в сравнении с напряжением питания после диодного моста, если оно превышает 26 В. Т9 - КТ361, КТ801Б, КТ807Б. Т10 - средней мощности КТ803А, КТ814, КТ805, КТ808А или любой мощный с допустимым током коллектора не менее 2 А и допустимым напряжением коллектор-эмиттер больше напряжения питания. Испытано использование в качестве выходного составного транзистора по схеме Дарлингтона TIP110. Транзистор Т10 желательно выбрать с большим статическим коэффициентом передачи тока базы. Т10 установлен на радиаторе площадью 400 см2. Если Ваш радиатор мал, то установите вентилятор от компьютера.
Резисторы - датчики тока С5-16В, мощностью 5... 10 Вт. Мощность токозадающих резисторов из соображения надежности сознательно увеличена.
Конденсаторы на плате А1 - керамические, желательно в SMD исполнении. Электролиты в стабилизаторе - К50-12.
Операционный усилитель можно попробовать заменить TLC2272, TLC2262 или аналогичным. Подстроечные резисторы из серии СП5, СПЗ-19б.
Стабилизаторы питания на 5 и 18 В работают без радиатора, при наличии R58. Диодная сборка на 2 А или любые выпрямительные диоды с допустимым прямым током в 2 А и обратным напряжением не менее напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Если использовать трансформатор на 24 В переменного напряжения, то или германиевые с малым прямым падением напряжения и обратным не менее 30 В или современные Шотки. Светодиоды можно применить любого типа.
Габаритная мощность трансформатора должна быть не мене 60 Вт, выходное переменное напряжение от 25 до 35 В, 2 А. При большем напряжении не смогут работать стабилизаторы VR1, VR2.
Конструктивно изготавливается на 3-х или 2-х платах. В последнем случае блоки А2 и A3 сведены в один. Такая конструкция даст возможность быстрой модернизации блока в будущем путем замены устаревшей части, а также облегчит наладку.
Сборка и наладка
Правильно собранный БП начинает работать сразу, но нужно учесть следующее.
В цифровой части распайку платы провести без МК, вместо которого установить 40-выводную панельку. Можете установить 6-штырьковый
разъем для внутрисхемного ISP программирования (JMP1-JMP3). Катушку L1 и конденсатор С4 расположите как можно ближе к МК. Разводку платы произведите так, чтобы шина питания схемы и МК шла «звездочкой» с одной точки, чтобы не было «сквозного» тока через выводы микроконтроллера.
«Зашейте» программу в микроконтроллер. Внимательно отнеситесь к выставлению фьюзов, иначе введете его в «нокаут». Если этот этап проводите впервые, то сначала почитайте соответствующую литературу. «Прошитый» контроллер засветит нули в индикаторе, и будет реагировать на прикосновение пальцами к портам АЦП, высвечивая разные цифры. Подав через резисторы в сотню Ом на РА0, РА1 5 В от его же питания, получите соответствующие показания на индикаторах.
Аналоговую часть можно собирать всю сразу и начинать налаживать отдельно, без цифровой платы. Запаяйте все резисторы, конденсаторы и диоды. Впаивать цепочку транзисторов после DA1.1 поочередно с обязательным измерением тока коллектора Т7. Проконтролируйте, чтобы он не достиг значения больше 30 мА. Иначе меняйте очередной транзистор на другой, аналогичный или меньшей мощности (важен h21э). Если это условие не соблюсти, то резистор R2 придется уменьшать до десятков Ом, и он превратится в «печку». После этого ставим в панельку LM358. Убедившись в работоспособности усилителя напряжения, приступайте к электронному предохранителю на Т8. При нагрузке в 2 А он должен «реагировать» и блокировать выходную мощность на безопасном уровне.
Начальная настройка показаний вольтметра и амперметра производится по показаниям тестера. На 2 ногу DA1 подается 5 В от стабилизатора питания и подстроечным резистором R50 выставляется 5 В при выходном напряжении в 25 В.
Движком резистора R47 выставляете на выходе 7 DA1 1,5В при нагрузке в 1,5 А.
Когда вся цепь по напряжению работоспособна, выставляем верхнюю границу напряжения, в зависимости от входного напряжения от трансформатора, с помощью R40. Имейте в виду, что если при статической нагрузке «дергаются» показания индикаторов, значит, система возбуждается. Это может быть как следствием ошибок или неверной разводки аналоговых цепей на плате, так и недостаточной мощности обмоток трансформатора.
Теперь можно соединить все части воедино и произвести окончательную настройку - согласование указанными ранее подстроечными резисторами.
Вопросы по построению источника питания можно задать автору на электронный адрес [email protected] .
РА №3, 2011
Литература
1. Стабилизатор напряжения 0...25,5 В с регулируемой защитой по току. // Радио. - №8. - 2007.
2. Гребнев В.В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы ATMEL
3. Голубцов М.С. Микроконтроллеры AVR от простого к сложному
4. Datasheet ATMEGA16А-16PU - Atmel Даташит 1C, 8-бит 16К FLASH Микроконтроллер

ЧАСТЬ 2


(Продолжение. Начало см. в РА 3/2011)
Опубликованная в схема блока питания с микроконтроллерным управлением преследовала цель заинтересовать радиолюбителей и помочь им понять потенциальные возможности и перспективы использования микроконтроллеров (МК) в блоках питания аппаратуры, а также освоить МК практически. Вторая часть этой статьи - продолжение изысканий автора в этом направлении и анализ вопросов и предложений, высказанных автору читателями журнала.
Отзывы на статью показали наличие в среде радиолюбителей как теоретического, так и практического интереса к этой теме, а также выявили трудности, с которыми столкнулись читатели.
Внимание автора привлекло справедливое замечание одного из радиолюбителей из г. Курска, пожелавшего повторить блок. У него в наличии были только семисегментные индикаторы с общим катодом, а покупать подобные с общим анодом, используемые в БП из статьи , не вызывало особого энтузиазма. Как и ожидалось, не обошлось без «религиозных войн» со стороны приверженцев продукции конкурирующих фирм-производителей микроконтроллеров AVR и PIC.
К этому БП также проявили интерес радиолюбители, которые не имеют опыта работы с МК. Многих читателей интересует возможность повысить выходную мощность БП с сохранением заявленных ранее характеристик и возможностей.
Учитывая вышеизложенные пожелания, автор разработал ряд дополнений, которые можно условно
разбить на три направления:
1. Модернизация существующей цифровой части БП (А1) и разделение ее схемы на два узла
(части).
2. Перенесение полученного результата на другую микроконтроллерную платформу.
3. Повышение выходной мощности БП и выходного тока до 2 А.
Следует учесть, что при этом модернизация коснулась как принципиальной схемы, так и программы МК.
Кроме того, программа защиты контролирует теперь верхнюю границу тока потребления в 2,05 А.
Остальные заявленные в характеристики блока питания не изменились.
Описание изменений в принципиальной электрической схеме блока питания и логики его работы
Структура источника питания, как и прежде, состоит из трех частей. Изменению, как описано выше, подвергся цифровой модуль управления с индикацией (А1). Аналоговая часть (А2) и модуль питания (A3) самого БП остались без изменений.
Цифровой модуль управления разделен на две части, так как практика показала, что при стремлении сделать БП как можно более компактным, расположить на одной плате микроконтроллер с обвязкой, индикаторы и элементы управления практически невозможно. Кроме того, так решается проблема универсальности использования различных типов светодиодных индикаторов.
Таким образом, к плате микроконтроллерного управления (А1) теперь добавлена плата управления и индикации (А4).
Принципиальная электрическая схема модернизированного модуля А1 показана на рис.1.

Работа цифровой части устройства на микросхеме U1 фирмы AVR ATMEGA16 в целом не изменилась (см. ).
На МК, как и прежде, возложены функции оцифровки выходного напряжения и тока через внутренние АЦП и вывод результата на шесть семисегментных индикаторов, обработка клавиатуры, управление регулятором выходного напряжения и защита стабилизатора напряжения. Для удобства работы с блоком питания в программу добавлены алгоритм включения звукового излучателя (бипера) при переходе системы в режим «Авария» и алгоритм обработки энкодера (валко-дера). При этом оставлен режим работы с кнопками. Таким образом, пользователю предоставлена возможность выбора варианта управления. Например, можно использовать только одну кнопку S3 «Шаг» и энкодер. Такой вариант особо пригодится тем, кто имеет механический энкодер со встроенной кнопкой.
Итого, в схеме к первоначальному варианту уз-ла (А1) из в принципиальную схему добавлен узел опроса энкодера: два резистора (R46, R47) и сам энкодер, подключенный к ранее свободным выводам РА5, РА6. Добавлена также система управления звуковым излучателем R49, Т11, ЕР. В данной конструкции нужно использовать бипер с внутренней генерацией. Сделано это, чтобы не «отвлекать» микроконтроллер на генерацию сигнала. Тем, кто не сможет достать такой излучатель, рекомендую заменить его обычным генератором на транзисторах или логических элементах с пьезоизлучателем, питание на который надо снимать с коллектора Т11. Этот узел построен так, что по желанию его можно одновременно использовать для режима полного отключения выхода блока питания с помощью реле или полевого транзистора при нештатной ситуации.
В нынешнем варианте много чего вынесено в узел индикации и управления (А4), который может быть выполнен в двух вариантах: для индикаторов с общим анодом (рис.2)

и для индикаторов с общим катодом (рис.3).

Он подходит для всех микроконтроллеров, указанных в статье.
Таким образом, А4 содержит 6 транзисторных ключей индикации Т1-Т6 (n-p-n или p-n-р проводимости в зависимости от типа индикатора), которые уменьшают до приемлемого значения ток через порты микроконтроллера. В состав А4 входят схема управления самогенерирующим бипером на транзисторе Т11 и энкодер. Резисторы R46, R47, входящие в узел опроса энкодера, расположены на А1.
По просьбе радиолюбителей, которые столкнулись с проблемой приобретения МК AVR
ATMEGA16, разработана и испытана программа для МК AVR ATMEGA8535, который совпадает по выводам с ATMEGA16. Возможно также применение МК AVR ATMEGA32, у автора имеется соответствующая версия программы.
Кроме того, был разработан вариант схемы блока А1 на МК типа PIC16F877A, принципиальная схема которого показана на рис.4.

В целом в нем иная архитектура портов. Тем не менее, удалось подобрать оптимальный вариант его подключения с минимальными отличиями. Основные из которого -наличие кварцевого резонатора Сr1, отсутствие обвязки цепи «RESET», питания аналоговой части АЦП и, конечно, иного разъема внутрисхемного программирования. В дан ном случае он 10-штырь-ковый. Программная часть PIC16F877A работает аналогично. К плате физически подходит любой вариант платы управления и индикации (А4).
Принципиальная схема аналоговой части (А2) не изменилась. Ее можно посмотреть на рис.2 в .
Питание самого блока выполнено по схеме рис.3 из и объясненной там же.
Детали и конструкция
U1 - AVR ATMEGA16-16PU, ATMEGA16L или ATMEGA16А, а также вышеуказанные ATMEGA8535, ATMEGA32, аналогично - PIC16F877 и PIC16F877A.
Напоминаю, что в случае использования указанных микроконтроллеров AVR не требуется переделки схемы и платы.
МК PIC между собой также взаимозаменяемы. При этом автор использует кварцевый резонатор на 10 МГц. Индикаторы, как указано выше, с общим катодом или анодом любого типа и размера. От выбора индикатора и их размеров зависит значение тока в их цепи. Поэтому, возможно, необходим подбор резисторов в цепи между индикатором и портом РВ МК в диапазоне 100...300 Ом, но эти резисторы обязательно должны иметь одинаковые номиналы.
В качестве буферных транзисторов Т1-Т6 на плате индикаторов (А4) можно использовать любые из имеющихся в наличии транзисторов малой мощности с учетом проводимости и током коллектора около 100 мА.
Энкодер типа РЕС 12, РЕС 16 или аналогичный.
Мощность сетевого трансформатора должна быть 70... 100 Вт, выходное напряжение от 25 до 35 В, ток ЗА.
Радиатор выходного транзистора должен иметь полезную площадь охлаждения не менее 500 см2.
Иначе надо поставить вентилятор для принудительного обдува.
Сборка и наладка
Правильно собранный БП начинает работать сразу. Сборку производить в порядке, указанном в предыдущей статье.
К кварцевому резонатору в схеме на PIC16F877A, возможно, не потребуется присоединение по стандартной схеме двух одинаковых конденсаторов на 10...30 пФ (С2 и СЗ).
Программировать микроконтроллер можно как в отдельно собранном программаторе, так и внутри-схемно через соответствующий разъем на плате.
Акцентирую внимание на проверку при программировании правильности установленных фьюзов, так как программаторы не имеют единого стандарта в этом вопросе. Сначала нужно прочесть, каким способом обозначается установленный фьюз, и только потом активировать.
Вариант установки фьюзов для программы РоnyProg2000 показан на рис.5.


Для AVR ATMEGA8535 указанные фьюзы выставляются аналогично, а для МК PIC16F877 нужно использовать слово конфигурации: Ox3f3a.

Файлы для прошивки микроконтроллеров выложены в архиве на сайте издательства «Радиоаматор».
В этом архиве находится 8 файлов:
файл anod-2_05A_PIC877.hex прошивки МК PIC16F877 для индикаторов с ОА;
файл anod-2_05A_PIC877A.hex прошивки МК PIC16F877A для индикаторов с ОА;
файл catod-2_05A_PIC877.hex прошивки МК PIC16F877 для индикаторов с ОК;
файл catod-2_05A_PIC877A.hex прошивки МК PIC16F877A для индикаторов с ОК;
файл anod_2A_16.hex прошивки МК ATMEGA16 для индикаторов с ОА;
файл catod_2A_16.hex прошивки МК ATMEGA16 для индикаторов с ОК;
файл anod_2A_8535.hex прошивки МК ATMEGA8535 для индикаторов с ОА;
файл catod_2A_8535.hex прошивки МК ATMEGA8535 для индикаторов с ОК.
В данное время автором осуществляется ряд экспериментов для изучения поведения блока, особенно стабильности его характеристик при выходном токе от 3 до 5 А.
Литература:
1. Котик В.Д. Лабораторный блок питания с микроконтроллерным управлением 0.. .25,5 В с двойной защитой // Радиоаматор. - 2011 - №3. - С.26-30.
2. http://www.ra7.com.ua/ - сайт издательства «Радиоаматор».
Источник РА 6"2011

АРХИВ:
Котик В.Д

Эффектов, частотомеров и так далее. Скоро дойдёт до того, что и мультивибратор будет проще собрать на контроллере:) Но есть один момент, который очень роднит все типы контроллеров с обычными цифровыми микросхемами серии К155 - это питание строго 5 вольт. Конечно найти такое напряжение в устройстве подключенном к сети не проблема. А вот использовать микроконтроллеры в составе малогабаритных девайсов с батареечным питанием уже сложнее. Как известно, микроконтроллер воспринимает только цифровые сигналы – логический ноль или логическую единицу. Для микроконтроллера ATmega8 при напряжении питания 5В логический ноль – это напряжение от 0 до 1,3 В, а логическая единица – от 1,8 до 5 В. Поэтому для его нормальной работы и требуется такое значение питающего напряжения.

Что касается микроконтроллеров AVR, то есть два основных типа:

Для получения максимального быстродействия при высокой частоте - питание в диапазоне от 4,5 до 5,5 вольт при тактовой частоте 0...16 МГц. Для некоторых моделей - до 20 МГц, например ATtiny2313-20PU или ATtiny2313-20PI.

Для экономичной работы на небольших тактовых частотах - 2,7...5,5 вольт при частоте 0...8 МГц. Маркировка микросхем второго типа отличается от первого тем, что на конце добавляется буква "L". Например, ATtiny26 и ATtiny26L, ATmega8 и ATmega8L.

Существуют и микроконтроллеры с возможностью понижения питания до 1.8 В, они маркируются буквой "V", например ATtiny2313V. Но за всё надо платить, и при понижении питания должна быть снижена и тактовая частота. Для ATtiny2313V при питании 1,8...5,5 В частота должна находиться в интервале 0...4 МГц, при питании 2,7...5,5 В - в интервале 0...10 МГц. Поэтому если требуется максимальное быстродействие, надо ставить ATtiny26 или ATmega8 и повышать тактовую частоту до 8...16 МГц при питании 5В. Если важнее всего экономичность - лучше использовать ATtiny26L или ATmega8L и понизить частоту и питание.

В предложенной схеме преобразователя, при питании от двух пальчиковых батареек с общим напряжением 3В - выходное напряжение выбрано 5В, для обеспечения достаточного питания большинства микроконтроллеров. Ток нагрузки составляет до 50мА, что вполне нормально - ведь при работе на частоте например 4 МГц, PIC контроллеры, в зависимости от модели, имеют ток потребления менее 2 мА.


Трансформатор преобразователя мотается на ферритовом кольце диаметром 7-15мм и содержит две обмотки (20 и 35 витков) проводом 0,3мм. В качестве сердечника можно взять и обычный маленький ферритовый стержень 2,5х7мм от катушек радиоприёмников. Транзисторы используем VT1 - BC547, VT2 - BC338. Допустима их замена на другие аналогичной структуры. Напряжение на выходе подбираем резистором 3,6к. Естественно при подключенном эквиваленте нагрузки - резисторе 200-300 Ом.


К счастью технологии не стоят на месте, и то что казалось недавно последним писком техники - сегодня уже заметно устаревает. Представляю новую разработку кампании STMicroelectronics - линейка микроконтроллеров STM8L, которые производятся по технологии 130 нм, специально разработанной для получения ультранизких токов утечки. Рабочие частоты МК - 16МГц. Интереснейшим свойством новых микроконтроллеров является возможность их работы с в диапазоне питающих напряжений от 1,7 до 3,6 В. А встроенный стабилизатор напряжения дает дополнительную гибкость выбора источника напряжения питания. Так как использование микроконтроллеров STM8L предполагают питание от батареек, в каждый микроконтроллер встроены схемы сброса по включению и выключению питания, а также сброса по снижению напряжения питания. Встроенный детектор напряжения питания сравнивает входные напряжения питания с заданным порогом и генерирует прерывание при его пересечении.


К другим методам снижения энергопотребления в представленной разработке относятся использование встроенной энергонезависимой памяти и множества режимов сниженного энергопотребления, в число которых входит активный режим с энергопотреблением - 5 мкА, ждущий режим - 3 мкА, режим остановки с работающими часами реального времени - 1 мкА, и режим полной остановки - всего 350 нА! Микроконтроллер может выходить из режима остановки за 4 мкс, позволяя тем самым максимально часто использовать режим с самым низким энергопотреблением. В общем STM8L обеспечивает динамическое потребление тока 0,1мА на мегагерц.

Обсудить статью ПИТАНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Оценка 1 Оценка 2 Оценка 3 Оценка 4 Оценка 5

Хороший, надежный и простой в использовании блок питания является наиболее важным и часто используемым устройством в каждой радиолюбительской лаборатории.

Промышленный стабилизированный блок питания является достаточно дорогим устройством. Используя микроконтроллер при конструировании источника питания можно построить устройство, которое имеет много дополнительных функций, легко в изготовлении и очень доступно.

Этот цифровой источник питания постоянного тока был очень успешным продуктом, и сейчас доступна его третья версия. Он по-прежнему основан на той же идее, что и первый вариант, но поставляется с рядом хороших улучшений.

Введение

Этот блок питания является наименее сложным в изготовлении, чем большинство других схем, но имеет намного больше функций:

На дисплее отображаются текущие измеренные значения напряжения и тока.
- На дисплее отображается предварительно заданные пределы напряжения и тока.
- Используются только стандартные компоненты(без специальных чипов).
- Требуется напряжения питания одной полярности(нет отдельного отрицательного напряжение питания для операционных усилителей или управляющей логики)
- Вы можете управлять блоком питания с компьютера. Вы можете считать ток и напряжение, и Вы можете установить их простыми командами. Это очень полезно для автоматизированного тестирования.
- Небольшая клавиатура для непосредственного ввода желаемого напряжения и максимального тока.
- Это действительно небольшой, но мощный источник питания.

Возможно удалить некоторые компоненты или добавить дополнительные функции? Хитрость заключается в том, чтобы переместить функциональность аналоговых компонентов, таких как операционные усилители в микроконтроллер. Иными словами, повышается сложность программного обеспечения, алгоритмов и уменьшается аппаратная сложность. Это уменьшает общую сложность для вас, так как программное обеспечение может быть просто загружено.

Основные электрические идеи проекта

Давайте начнем с простейшего стабилизированного блока питания. Он состоит из 2-х основных частей: транзистора и стабилитрона, который создает опорное напряжение.

Выходное напряжение этой схемы будет составлять Uref минус 0,7 Вольт, которые падают между В и Е на транзисторе. Стабилитрон и резистор создают опорное напряжение, которое является стабильным, даже если на входе есть скачки напряжения. Транзистор необходим для коммутации больших токов, которые стабилитрон и резистор не могут обеспечить. В такой роли транзистор только усиливает ток. Чтобы расчитать ток на резисторе и стабилитроне нужно выходной ток поделить на HFE транзистора (HFE число, которое можно найти в таблице с характеристиками транзистора).

Какие проблемы в этой схеме?

Транзистор сгорит, когда будет короткое замыкание на выходе.
- Она обеспечивает только фиксированное выходное напряжение.

Это довольно жесткие ограничения, которые делают эту схему непригодной для нашего проекта, но она является основой для конструирования блок питания с электронным управлением.

Для преодоления этих проблем необходимо использовать «интеллект», который будет регулировать ток на выходе и менять опорное напряжения. Вот и все (... и это делает схему намного сложнее).

В последние несколько десятилетий люди используют операционные усилители, чтобы обеспечить этот алгоритм. Операционные усилители в принципе могут быть использованы как аналоговые вычислители для сложения, вычитания, умножения или для осуществления операции логического "или" напряжений и токов.

В настоящее время все эти операции можно быстро выполнить с помощью микроконтроллера. Вся прелесть в том, что вы получите в качестве бесплатного дополнения вольтметр и амперметр. Во всяком случае микроконтроллер должен знать выходные параметры тока и напряжения. Вам просто нужно отобразить их. Что нам нужно от микроконтроллера:

АЦП(аналого-цифровой преобразователь) для измерения напряжения и тока.
- ЦАП(цифро-аналоговый преобразователь) для управления транзистором (регулировка опорного напряжения).

Проблема в том, ЦАП должен быть очень быстрым. Если будет обнаружено короткое замыкание на выходе, то мы должны немедленно уменьшить напряжение на базе транзистора в противном случае он сгорит. Быстрота реакции должна быть в пределах миллисекунд (так быстро, как операционный усилитель).

ATmega8 имеет АЦП, который является достаточно быстрым, и на первый взгляд он не имеет ЦАП. Можно использовать широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) и аналоговый фильтр нижних частот, чтобы получить ЦАП, но ШИМ сам по себе слишком медленный в программном отношении для реализации защиты от короткого замыкания. Как построить быстрый ЦАП?

Есть много способов для создания цифро-аналоговых преобразователей, но он должен быть быстрым и простым, который будет легко взаимодействовать с нашим микроконтроллером. Существует схемы преобразователя, известного как "R-2R матрица". Он состоит только из резисторов и переключателей. Используются два типа номинала резисторов. Один со значением R и один с удвоенным значением R.

Выше показана схема 3 битного R2R - ЦАП. С помощью логического управления происходит переключение между GND и Vcc. Логическая единица соединяет переключатель с Vcc, а логический ноль с GND. Что делает эта схема? Она регулирует напряжение с шагом Vcc / 8. Общее выходное напряжение равно:

Uout = Z * (Vcc / (Zmax +1) , где Z разрадность ЦАП (0-7), в данном случае 3-битный.

Внутреннее сопротивление цепи, как видно, будет равно R.

Вместо использования отдельного переключателя можно подключить R-2R матрицу к линиям порта микроконтроллера.

Создание сигнала постоянного тока разного уровня с помощью ШИМ(широтно-импульсная модуляция)

Широтно-импульсная модуляция является методом, когда генерируют импульсы и пропускают их через фильтр нижних частот с частотой среза значительно ниже, чем частота импульсов. В результате сигнал постоянного тока и напряжения зависит от ширины этих импульсов.

В Atmega8 присутствует аппаратный 16-битных ШИМ. То есть теоретически можно иметь 16-битный ЦАП с помощью небольшого количества компонентов. Чтобы получить реальный сигнал постоянного тока из ШИМ-сигнала надо его отфильтровать, это может быть проблемой при высоких разрешениях. Чем больше надо точности, тем ниже должна быть частота ШИМ-сигнала. Это означает, что нужны конденсаторы большой емкости, а время отклика получается очень медленным. Первая и вторая версии цифрового источника питания постоянного тока были построены на 10 битной R2R матрице. То есть максимальное выходное напряжение может быть установлено за 1024 шага. Если использовать ATmega8 с тактовым генератором частотой 8 МГц и 10 битный ШИМ, то импульсы ШИМ сигнала будут иметь частоту 8MHz/1024 = 7.8KHz. Чтобы получить наиболее хороший сигнал постоянного тока нужно отфильтровать его фильтром второго порядка от 700 Гц или меньше.

Можно представить, что произойдет, если использовать 16-битный ШИМ. 8MHz/65536 = 122Hz. Ниже 12Hz, то что нужно.

Объединение R2R-матрицы и ШИМ

Можно совместно использовать ШИМ и R2R-матрицу. В этом проекте мы будем использовать 7-битную R2R-матрицу в сочетании с 5-битным ШИМ-сигналом. С тактовой частотой контроллера 8 МГц и 5-битным разрешением мы получим сигнал 250 кГц. Частота 250 кГц может быть преобразована в сигнал постоянного тока с помощью небольшого числа конденсаторов.

В оригинальной версии цифрового источника питания постоянного тока был использован 10-битный ЦАП на основе R2R-матрице. В новом дизайне мы используем R2R-матрицу и ШИМ с общим разрешением 12 бит.

Передискретизация

За счет некоторого времени обработки можно увеличить разрешение аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Это называется передискретизацией. Четверная передискретизация дает результат в двойном разрешении. То есть: 4 последовательных образцов могут быть использованы для получения в два раза больше шагов на АЦП. Теория, лежащая передискретизации объясняется в PDF документ, который вы можете найти в конце этой статьи. Мы используем передискретизации для напряжения контура управления. На текущий контур управления мы используем исходное разрешение АЦП как быстрое время отклика здесь более важным, чем разрешение.

Подробное описание проекта

Несколько технических деталей, по-прежнему отсутствуют:

ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) не может управлять силовым транзистором
- Микроконтроллер работает от 5V, это означает что максимальный выход ЦАП равен 5V, а максимальное выходное напряжение на силовом транзисторе будет 5 - 0.7 = 4.3V.

Чтобы исправить это, мы должны добавить усилители тока и напряжения.

Добавление усилительного каскада на ЦАП

При добавлении усилителя мы должны иметь в виду, что он должен работать с большими сигналами. Большинство конструкций усилителей (например, для аудио) делается в предположении, что сигналы будут малы по сравнению с напряжением питания. Так что забудьте все классические книги о расчете усилителя для силового транзистора.

Мы могли бы использовать операционные усилители, но те потребуют дополнительного положительного и отрицательного напряжения питания, которые мы хотим избежать.

Существует также дополнительное требование, что усилитель должен усиливать напряжение от нуля в стабильном состоянии без колебаний. Проще говоря не должно быть никаких колебаний напряжения при включении питания.

Ниже показана схема усилительного каскада, который подходит для этой цели.

Начнем с силового транзистора. Мы используем BD245 (Q1). В соответствии с характеристиками транзистор имеет HFE = 20 на 3А. Поэтому он будет потреблять около 150 мА на базе. Чтобы усилить управляющий ток мы используем связку известную как "Дарлингтон-транзистор". Для этого используем транзистор средней мощности. Как правило, значение HFE должно быть 50-100. Это позволит уменьшить необходимый ток до 3 мА (150 мА / 50). Ток 3mA является сигналом поступающим с маломощных транзисторов, таких как BC547/BC557. Транзисторы с таким выходным током очень хорошо подходят для построения усилителя напряжения.

Чтобы получить на выходе 30В мы должны усиливать 5В идущие с ЦАП с коэффициентом 6. Для этого мы объединяем PNP и NPN транзисторы, как показано выше. Напряжение коэффициента усиления этой схемы вычисляется:

Vampl = (R6 + R7) / R7

Блок питания может быть доступен в 2-х версиях: с максимальным выходым напряжением 30 и 22В. Сочетание 1K и 6.8K дает коэффициент 7,8, который хорош для версии 30В, но возможно будут некоторые потери на более высоких токах (наша формула является линейной, но в реальности нет). Для 22В версии мы используем 1K и 4.7K.

Внутреннее сопротивление цепи, как показано на базе BC547 будет:

Rin = hfe1 * S1 * R7 * R5 = 100 * 50 * 1К * 47K = 235 МОм

HFE примерно от 100 до 200 для BC547 транзистор
- S является наклон кривой усиления транзистора и около 50 [единица = 1/Ohm]

Это более чем достаточно высокой для подключения к нашему ЦАП, который имеет внутреннее сопротивление 5кОм.

Внутреннее эквивалентное сопротивление выхода:

Rout = (R6 + R7) / (S1 + S2 * R5 * R7) = около 2Ом

Достаточно низкое, чтобы использовать транзистор Q2.

R5 связывает базу BC557 с эмиттером, что означает "выключено" для транзистора до ЦАП и BC547 придумать. R7 и R6 связать основе Q2 сначала к земле, которая отключает выходной каскад Дарлингтона вниз.

Другими словами, каждый компонент в этом усилительном каскаде изначально выключен. Это означает, что мы не получим от транзисторов никаких входных и выходных колебаний при включении или выключении питания. Это очень важный момент. Я видел дорогие промышленные источники питания в которых бывают скачки напряжения при выключении. Такие источники, безусловно, следует избегать, поскольку они могут легко убить чувствительные устройства.

Пределы

Из предыдущего опыта я знаю, что некоторые радиолюбители хотели бы "настроить" устройство под себя. Вот список аппаратных ограничений и пути их преодоления:

BD245B: 10A 80Вт. 80Вт при температуре 25"C. Другими словами есть запас мощности из расчета 60-70Вт: (Max input voltage * Max current) < 65Вт.

Вы можете добавить второй BD245B и увеличить мощность до 120Вт. Чтобы убедиться, что текущая распределяется поровну добавить 0,22Ом резистор в эмиттер линии каждого BD245B. Та же схема и плата может быть использована. Установите транзисторов на должном кулер алюминия и соединить их с короткими проводами к плате. Усилитель может управлять второй транзистор питания (это максимум), но вы, возможно, необходимо отрегулировать коэффициент усиления.

Шунт для измерения тока: Мы используем резистор 0,75Ом мощностью 6Вт. Мощности достаточно хватает при токе 2,5А (Iout ^ 2 * 0,75 <= 6Вт). Для больших токов используйте резисторы соответствующей мощности.

Источники питания

Вы можете использовать трансформатор, выпрямитель и конденсаторы большой емкости или можете использовать адаптер для ноутбука 32/24В. Я пошел по второму варианту, т.к. адаптеры иногда продаются очень дешево (по акции), а некоторые из них обеспечивают 70Вт при 24В или даже 32В постоянного напряжения.

Большинство радиолюбителей, вероятно, будут использовать обычные трансформаторы, потому что их легко достать.

Для версии 22В 2.5A нужно: 3A 18В трансформатор, выпрямитель и 2200мкФ или 3300мкФ конденсатор. (18 * 1,4 = 25В)
Для версии 30В 2A нужно: 2.5A 24В трансформатор, выпрямитель и 2200мкФ или 3300мкФ конденсатор. (24 * 1,4 = 33.6В)

Не повредит если использовать более мощный по току трансформатор. Выпрямительный мост из 4 диодов с низким падением напряжения (например, BYV29-500) дает намного лучшие характеристики.

Проверьте ваше устройство на случай плохой изоляции. Убедитесь, что будет не возможно прикоснуться к любой части устройства, где может быть напряжение 110/230 В. Соединить все металлические части корпуса на землю (не GND схемы).

Трансформаторы и адаптеры питания для ноутбуков

Если вы хотите использовать два или более источника питания в своем устройстве, чтобы получить положительное и отрицательное напряжение, тогда важно, чтобы трансформаторы были изолированы. Будьте осторожны с адаптерами питания для ноутбуков. Маломощные адаптеры еще могут подойти, но в некоторых из них может быть подключен минусовой контакт на выходе с контактом земли на входе. Это возможно вызовет короткое замыкание через заземляющий провод при использовании двух источников питания в блоке.


Другие напряжение и ток

Есть два варианта 22В 2.5A и 30В 2A. Если вы хотите изменить пределы выходного напряжения или тока(только уменьшить) , то просто измените файл hardware_settings.h.

Пример: Чтобы построить 18В 2.5A версию вы просто меняете в файле hardware_settings.h максимальное выходное напряжение 18В. Вы можете использовать 20В 2.5A источник питания.

Пример: Чтобы построить 18В 1.5A версию вы просто меняете в файле hardware_settings.h максимальное выходное напряжение до 18В и макс. ток 1.5A. Вы можете использовать 20В 1.5A источник питания.

Тестирование

Последний элемент установленный на плату должен быть микроконтроллер. Перед тем, как установить его я рекомендовал бы сделать некоторые основные тесты оборудования:

Test1: Подключить небольшое напряжение (достаточно 10В) к входным клеммам платы и убедитесь, что регулятор напряжения выдает ровно 5В постоянного напряжения.

Test2: Измерьте выходное напряжение. Оно должно быть 0В (или близкое к нулю, например, 0,15, и оно будет стремиться к нулю, если вы подключите вместо нагрузки резисторы на 2кОм или 5кОм.)

Test3: Установить микроконтроллер на плату и загрузить программное обеспечение LCD-тест, выполнив команды в директории распакованного пакета tar.gz digitaldcpower.

сделать test_lcd.hex
сделать load_test_lcd

Вы должны увидеть на дисплее надпись: "LCD works".

Теперь вы можете загрузить рабочее программное обеспечение.

Некоторые слова предупреждения для дальнейшего тестирования с рабочим программным обеспечением: Будьте осторожны с короткими замыканиями, пока вы не испытали функцию ограничения. Безопасным способом проверить ограничение тока является использование резисторов с малым сопротивлением(единицы Ом), например, автомобильные лампочки.

Установите низкое ограничение тока, например, 30мА при 10В. Вы должны увидеть что напряжение уменьшится сразу почти до нуля, как только вы подключите лампочку на выходе. Существует неисправность в цепи, если напряжение не понижается. С помощью автомобильной лампы можно защитить цепь питания, даже если есть неисправность, поскольку она не делает короткого замыкания.

Программное обеспечение

Этот раздел даст вам понимание того, как работает программа, и как вы можете использовать знания, чтобы сделать некоторые изменения в ней. Однако следует помнить, что защита от короткого замыкания сделана программным способом. Если вы сделали где-то ошибку, то защита может не сработать. Если у вас произойдет короткое замыкание на выходе, то ваше устройство окажется в облаке дыма. Чтобы избежать этого, вы должны использовать 12В автомобильную лампу (см. выше) для проверки защиты от короткого замыкания.

Теперь немного о структуре программы. При первом взгляде на основную программу (файл main.c, скачать в конце этой статьи), вы увидите, что есть только несколько строк кода инициализации, которые выполняются при включении питания, а затем программа входит в бесконечный цикл.

Действительно, в этой программе есть два бесконечных цикла. Одним из них является основной цикл ("while(1){ ...}" в файле main.c), а другой представляет собой периодическое прерывание от аналогового цифрового преобразователя (функция "ISR(ADC_vect){...}" в файле analog.c). После инициализации прерывание выполняется каждые 104мкс. Все остальные функции и код выполняются в контексте одного из этих циклов.

Прерывание может остановить выполнение задачи основного цикла в любое время. Затем оно будет обрабатываться, не отвлекаясь на другие задачи, а дальше выполнение задачи снова продолжится в главном цикле на месте, где она была прервана. Из этого следует два вывода:

1. Код прерывания не должен быть слишком длинным, так как он должен завершиться до следующего прерывания. Потому что здесь важно количество инструкций в машинный коде. Математическая формула, которая может быть записана в виде одной строки CИ-кода может использовать до сотни строк машинного кода.

2. Переменные, которые используются в функции прерывания и в коде главного цикла могут внезапно измениться в середине исполнения.

Все это означает, что такие сложные вещи, как обновление дисплея, проверка кнопок, преобразование тока и напряжения должны быть сделано в теле главного цикла. В прерываниях мы выполняем задачи критические по времени: измерение тока и напряжения, защита от перегрузки и настройка ЦАП. Чтобы избежать сложных математических расчетов в прерываниях они выполняются в единицах ЦАП. То есть в тех же единицах что и АЦП(целые значения от 0 ... 1023 для тока и 0 .. 2047 для напряжения).

Это основная идея программы. Я также коротко объясню про файлы которые вы найдете в архиве(при условии, что вы знакомы с CИ).

main.c - этот файл содержит основную программу. Все инициализации производятся здесь. Основной цикл также реализуется здесь.
analog.c - аналого-цифровой преобразователь, все что работает в контексте прерывания задачи может быть найдено здесь.
dac.c - цифро-аналоговый преобразователь. Инициализируется из ddcp.c, но использованы только с analog.c
kbd.c - программа обработки данных с клавиатуры
lcd.c - драйвер ЖК-дисплея. Это специальная версия, в которой не понадобится RW контакт дисплея.

Для загрузки программного обеспечения в микроконтроллер вам нужен программатор, такой как avrusb500. Вы можете скачать zip архивы программного обеспечения в конце статьи.

Отредактируйте файл hardware_settings.h и настройте его в соответствии с вашим оборудованием. Здесь вы также можете сделать калибровку вольтметра и амперметра. Файл хорошо прокомментирован.

Подключите кабель к программатору и к вашему устройству. Затем установите биты конфигурации на работу микроконтроллера от внутреннего генератора частотой 8МГц. Программа предназначена для этой частоты.

Кнопки

Блок питания имеет 4 кнопки для местного управления напряжением и макс. током, 5-я кнопка служит для сохранения настроек в памяти EEPROM, чтобы в следующий раз при включении блока были эти же настройки напряжения и тока.

U+ увеличивает напряжение и U - уменьшает. Когда вы держите кнопку, то через некоторое время показания будут "бежать" быстрее, чтобы легко изменить напряжение в больших пределах. Кнопки I + и I - работают так же.

Дисплей

Индикация дисплея выглядит следующим образом:

Стрелка справа указывает на то, что в настоящее время работает ограничение по напряжению. Если есть короткое замыкание на выходе или подключенное устройство потребляет больше установленного тока, то стрелка будет высвечиваться в нижней строке дисплея, что означает включение ограничения по току.

Некоторые фотографии устройства

Вот некоторые фотографии источника питания который я собирал.

Он очень маленький, но с более широкими возможностями и более мощными, чем многие другие источники питания:

Старые алюминиевые радиаторы от процессоров Pentium хорошо подойдут для охлаждения силовых элементов:

Размещение платы и адаптера внутри корпуса:

Внешний вид устройства:

Вариант двухканального блока питания. Прислал Boogyman: