Цифровой блок питания с большим графическим дисплеем

При всём обилии готовой радиолюбительской аппаратуры в магазинах, чаще всего хочется не покупать готовый прибор, а собрать его самому. Поэтому хотим представить цифровой источник питания для самостоятельной сборки, если ваш профессиональный уровень конечно позволяет браться за столь сложное устройство. Это блок питания с аналоговой стабилизацией и цифровым управлением. Параметры блока питания:

• выходное напряжение 0-25 В с шагом 0,01 В
• ток 0-5 А с шагом 0,01 А.

Схема основного стабилизатора БП

В качестве основы аналоговой части использовалась старая, но все еще вполне эффективная микросхема LM723. Здесь почти стандартное включение. Схема более высокого качества в формате PDF есть по ссылке.

Аналоговая часть блока

Проблемой стандартного включения м/с LM723 заключаются в том, что переменным ток работает в ограниченных зонах, относительно опорного напряжения ~7.15V. С помощью простой процедуры избавляемся от этой проблемы, подав отрицательное напряжение -5 В на контакт V, что уменьшит потенциал массы. Согласно даташиту напряжение, измеренное между NI- и массовым потенциалом V-, не может быть выше 8 В. Итак, выходное напряжение источника питания поступает на IN через резисторный делитель 1:10, поэтому максимальное значение 25 В на выходе источника питания составляет 2,5 В на входе NI, и это вместе дает 7,5 В относительно V-, то есть условие выполнено <8 В.

Микросхема LM723 имеет встроенный усилитель ошибок (NI + и NI-) и стремится к тому, чтобы напряжения на обеих линиях были одинаковыми. Таким образом, с 12-битным ЦАП MCP4922 напряжение равно заданному выходному напряжению в соотношении 1:10, поэтому для 10,00 В это 1,00 В, для 25,00 В это 2,50 В. То есть схема гарантирует, что IN имеет такое же напряжение, как на IN+, и, таким образом, мы имеем выходное напряжение в 10 раз выше чем то, которое установлено ЦАП. Напряжение с IN также подается на вход 12-разрядного преобразователя MCP3202 и используется для измерения напряжения на ЖК-дисплее.

Проблема, которая возникает в LM723 в такой схеме, заключается в быстром исчезновении напряжения -5,0 В, используемого для питания некоторых блоков LM723 и позволяющего регулировать выходное напряжение от 0 В. Это приводит к тому, что напряжение питания появляется на мгновение при полном выходном напряжении, что недопустимо. Чтобы устранить это, использовалась оптопара в схеме затвора транзистора, управляющего силовыми транзисторами. Анод оптопары подключен через резистор к GND, а катод к -5V, и когда исчезает отрицательное напряжение, база управляющего транзистора подтягивается к GND и силовые транзисторы не перегружаются. Решение очень эффективное и работает без проблем.

Измерение тока контролируется как падение напряжения на резисторе 0R1 на стороне GND, которое подается на операционный усилитель MCP617 с низким напряжением на входе, которое усиливается в 5 раз, поэтому для 5 A напряжение составляет 2,50 В, после чего подаются ко второму элементу, усилитель работает в качестве компаратора, сравнивающего опорное напряжение ЦАП (в диапазоне 0-2.50V), а выход подаются на вход LM723 CL и через резистор к GND. Это входы схемы ограничения тока в цепи микросхемы. Приложение напряжения выше 2,5 В к этому выводу приведет в действие транзистор ограничения тока, содержащийся в структуре LM723. Выход компаратора также подается на затвор транзистора, переключающего диод, сигнализирующий о пределе тока, и на транзистор к выводу микроконтроллера.

Напряжение с выхода усилителя также подается на вход 12-разрядного преобразователя MCP3202 и используется для измерения тока на ЖК-дисплее.

На выходе БП на Mosfet IRF510 имеется схема источника тока, работающая в качестве предварительной нагрузки источника питания, что приводит к гораздо более быстрой и стабильной импульсной характеристике мощности.

Схема управления питанием была выполнена на двух силовых транзисторах 2SC5200 соединенных параллельно, управляемых с помощью транзистора BD139, с соответствующими эмиттерными резисторами.

Отрицательное напряжение -5 В для LM723 создается с помощью так называемого зарядного насоса в м/с ICL7660 с положительным напряжением + 5 В от понижающего преобразователя в LM2576. Потенциал +5 В также используется для питания других цифровых схем, включая ЦАП и АЦП.

Выбор MCP4922 и MCP3202 не был случайным, эти микросхемы должны ввести внешнее опорное напряжение. Данное напряжение было сформировано в TL431 и составляет 4,096 В. Это напряжение позволяет получать на 12-разрядных преобразователях ЦАП и АЦП значения напряжения без делений, поскольку разрешение для 12 бит составляет как раз 4096.

Блок питания также имеет возможность переключения отводов трансформатора или же работы без переключения. Это означает, что для питания БП может использоваться трансформатор 24 В или 2 x 12 В. В зависимости от используемого трансформатора. При этом трансформатор 24 В следует подключить к разъему, описанному на плате как ~ 24 В, и снять перемычку с маркировкой
12/24 В 2. Трансформатор 2×12 В — один отвод должен быть подключен к описанному разъему ~ 0-12 В, а другой аналогично другому. Перемычка прерывает или отключает сигнал от ЦАП, поэтому если перемычка снята, входное напряжение на компараторе равно 0 В, реле остается в одном положении независимо от установленного напряжения, в случае 24 В трансформатора. Однако из-за возможной очень большой разности напряжений на входе и выходе транзисторов произойдет большая потеря мощности в виде тепла.

В этом источнике питания использовался трансформатор 200VA 2x12V и 2x8A.

Блок питания имеет тепловую защиту в виде измерения температуры радиатора с помощью датчика DS18B20 и, в зависимости от температуры, включает либо выключает вентилятор. Несмотря на это, блок питания имеет двойную защиту, в случае если несмотря на работу вентилятора радиатор достиг температуры выше 60 градусов по Цельсию, БП остается отключенным, пока не будет достигнута температура отключения вентилятора. Схема управления вентиляторами собрана на IRL540.

Цифровая часть блока питания

управление основано (и здесь я определенно подведу своих любимых коллег) на Atmega328P. Atmega работает в стандартной конфигурации с кварцем 16 МГц.

Входы:

• MCP3202 — измерение напряжения и тока
• поворотный датчик с кнопкой (энкодер)
• кнопка пуска / останова
• измерение температуры на DS18B20
• измерение ограничения тока

Выходы:

• MCP4922 — настройка ограничения напряжения и тока
• выход управления вентиляторами

Датчики DAC и ADC подключены используя шину SPI. На плате источника питания имеются разъемы для энкодера, сигналов Rx, tX и En для управления потенциалом через шину RS485. В этом случае Rx и Tx используются для управления дисплеем Nextion. Шина I2C для EW, другая поддержка LCD также допустима.

В качестве экрана использовался сенсорный дисплей Nextion NX4827T043_011, разрешение 4,3″ 480×270.

Контакты на плате источника питания позволяют использовать и другие ЖК дисплеи, такие как стандартный 20×4 I2C или другие, тут есть несколько других доступных контактов, так что вы также можете использовать, например, LCD после SPI. Программное обеспечение для другого типа ЖК-дисплея естественно надо скорректировать.

Работа блока питания

БП прост, и здесь реализовано управление с использованием энкодера. После нажатия энкодера на ЖК-дисплее мигает настройка напряжения экрана, и при повороте энкодера значение изменяется, следующим нажатием является текущая настройка, аналогичная напряжению. Еще одно нажатие на энкодер отключает режим настройки.

Запуск источника питания можно выполнить с помощью кнопки, а также с помощью касания сенсорного экрана.

Энкодер имеет автоматический грубый и точный режим работы, при более быстром вращении значения увеличиваются быстрее, при этом медленные значения могут быть также точно установлены.

На экране имеется режим осциллографа. После входа в эту функцию с помощью кнопки вы можете увидеть формы напряжения и тока на графиках, отобразить заданные значения напряжения и значения тока, а также изменить настройки в этом режиме с помощью энкодера, как описано выше.

На основном экране также есть кнопка настроек. Это позволяет установить максимальное напряжение источника питания на 1-25 В, а ограничение тока на 0,01-5 А. Кроме того, можно установить температуру включения и выключения вентилятора. Если температура выключения установлена выше, чем температура включения, то программа автоматически изменит температуру выключения в соответствии с принципом гистерезиса.

Все настройки изменяются с помощью сенсорного экрана, нажав на отдельные поля. Значения могут быть сохранены с помощью кнопки Сохранить в EEPROM.

Значение коэффициента используется для расчета текущего напряжения с использованием полинома третьей степени. Он не влияет на правильное значение выходного напряжения блока питания, а используется для исправления нелинейности преобразователя АЦП, к сожалению, они не являются совершенно линейными.

Запуск источника питания

1. После пайки и перед установкой всех интегральных микросхем включите источник питания и измерьте напряжение на выводах Vcc и GND, оно должно быть почти идеально +5 В.
2. Измерьте напряжение между GND и ногой 7 LM723 — должно быть отрицательное напряжение в диапазоне от -4,5 до -5 В.
3. Многооборотный потенциометр VREF должен быть установлен в опорное напряжение 4.096V 8 U4 или на ножке 11 или 13 U7.
4. Теперь отключите питание и разрядите главные конденсаторы, затем вставьте все микросхемы, в случае с Atmega, конечно, предварительно запрограммируйте её.
5. Включите питание, программа выполнит автоматическую калибровку, затем установите выходное напряжение с помощью датчика 5 В и включите измеряя напряжение на его выходе, меняйте выходное напряжение с помощью многооборотного потенциометра VSET до 5 В.
6. Выключите питание, удерживайте кнопку энкодера и включите, удерживайте кнопку нажатой, пока не появится экран калибровки.
7. Установка ограничения тока ограничивается подключением нагрузки, настройки напряжения и тока должны превышать ток, потребляемый ей, например резистором 10 Ом 5 Вт — напряжение 5В, предел тока 1 А, мультиметр, подключенный последовательно с нагрузкой, должен быть подключен в режиме измерения тока, а при повороте потенциометра ISET ток, измеренный мультиметром, должен соответствовать отображаемому на экране. Затем опустите текущее предельное значение и проверьте на мультиметре и экране, что значения верны.

Что касается корпуса он выполнен на фрезерном станке ЧПУ из МДФ 6 мм, лицевая панель выгравирована. Естественно вы делаете коробку из чего считаете нужным. Всем удачи в сборке!