Digitaalisesti ohjattu lineaarinen virtalähde: 6 vaihetta (kuvien kanssa)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

Teini -iässä, noin 40 vuotta sitten, loin kaksois lineaarisen virtalähteen. Sain kaavion Elektuur -lehdestä, jota nykyään kutsutaan Elektoriksi Alankomaissa. Tässä virtalähteessä käytettiin yhtä potentiometriä jännitteen säätöön ja toista virran säätöön. Monien vuosien jälkeen nämä potentiometrit eivät toimineet enää oikein, mikä vaikeutti vakaan lähtöjännitteen saamista. Tämä virtalähde näkyy kuvassa.

Sillä välin otin sulautetun ohjelmistokehityksen osaksi harrastustani käyttäen PIC -mikrokontrolleria ja JAL -ohjelmointikieltä. Koska haluan edelleen käyttää virtalähdettäni - kyllä voit ostaa nykyään halvempia kytkentätilavaihtoehtoja -, sain idean korvata vanhat potentiometrit digitaalisella versiolla ja niin syntyi uusi PIC -projekti.

Virtalähteen jännitteen säätämiseen käytän PIC 16F1823 -mikro -ohjainta, joka käyttää kuutta painonappia seuraavasti:

• Yksi painike lähtöjännitteen kytkemiseksi päälle tai pois ilman virtalähteen kytkemistä päälle tai pois päältä kokonaan
• Yksi painike nostaa lähtöjännitettä ja toinen painike alentaa lähtöjännitettä
• Kolme painikkeita voidaan käyttää esiasetuksena. Kun olet määrittänyt tietyn lähtöjännitteen, tarkka jännite voidaan tallentaa ja hakea käyttämällä näitä esiasetettuja painikkeita

Virtalähde pystyy antamaan 2,4 - 18 voltin jännitteen ja enintään 2 ampeerin virran.

Vaihe 1: Alkuperäinen suunnittelu (versio 0)

Tein joitain muutoksia alkuperäiseen kaavioon, jotta se soveltuisi sen ohjaamiseen digitaalisella potentiometrillä. Koska en koskaan käyttänyt alkuperäistä potentiometriä nykyiseen säätöön, poistin sen ja korvasin sen kiinteällä vastuksella, rajoittamalla maksimivirran 2 ampeeriin.

Kaaviossa esitetään virtalähde, joka on rakennettu vanhan mutta luotettavan LM723 -jännitesäätimen ympärille. Tein sille myös piirilevyn. LM723: ssa on lämpötilakompensoitu referenssijännite, jolla on virranrajoitusominaisuus ja laaja jännitealue. LM723: n vertailujännite menee digitaaliseen potentiometriin, jonka pyyhin on kytketty LM723: n invertoimattomaan tuloon. Digitaalisen potentiometrin arvo on 10 kOhm, ja se voidaan muuttaa 0 ohmista 10 kOhm: iin 100 askeleessa 3 -johtimisella sarjaliitännällä.

Tässä virtalähteessä on digitaalinen voltti- ja ampeerimittari, joka saa tehonsa 15 voltin jännitesäätimestä (IC1). Tätä 15 volttia käytetään myös tulona 5 voltin jännitesäätimelle (IC5), joka käyttää PIC: tä ja digitaalista potentiometriä.

Transistoria T1 käytetään sammuttamaan LM723, joka tuo lähtöjännitteen 0 volttiin. Tehovastusta R9 käytetään virran mittaamiseen, mikä aiheuttaa jännitehäviön vastuksen yli, kun virta kulkee sen läpi. LM723 käyttää tätä jännitehäviötä rajoittaakseen maksimilähtövirran 2 ampeeriin.

Tässä alustavassa suunnittelussa elektrolyyttikondensaattori ja tehotransistori (tyyppi 2N3055) eivät ole piirilevyssä. Alkuperäisessä suunnittelussani monta vuotta sitten elektrolyyttikondensaattori oli erillisellä levyllä, joten pidin sen. Tehotransistori on asennettu jäähdytyslevylle kaapin ulkopuolelle paremman jäähdytyksen takaamiseksi.

Painikkeet ovat kaapin etupaneelissa. Taulun 4k7-vastukset vetävät jokaisen painikkeen korkealle. Painikkeet on kytketty maahan, mikä tekee niistä aktiivisia alhaalla.

Tätä projektia varten tarvitset seuraavat elektroniset komponentit (myös versio 2):

• 1 PIC -mikrokontrolleri 16F1823
• 1 digitaalinen 10k: n potentiometri, tyyppi X9C103
• Jännitesäätimet: 1 * LM723, 1 * 78L15, 1 * 78L05
• Sillan tasasuuntaaja: B80C3300/5000
• Transistorit: 1 * 2N3055, 1 * BD137, 1 * BC547
• Diodit: 2 * 1N4004
• Elektrolyyttikondensaattorit: 1 * 4700 uF/40V, 1 * 4,7 uF/16V
• Keraamiset kondensaattorit: 1 * 1 nF, 6 * 100 nF
• Vastukset: 1 * 100 ohmia, 1 * 820 ohmia, 1 * 1k, 2 * 2k2, 8 * 4k7
• Tehovastus: 0,33 ohmia / 5 wattia

Suunnittelin myös piirilevyn, joka näkyy liitteenä olevassa kuvakaappauksessa ja kuvassa.

Vaihe 2: Tarkistettu malli (versio 2)

Kun olin tilannut piirilevyt, keksin idean lisätä ominaisuuden, jota kutsun "jännitesuojaksi". Koska PIC: ssä oli vielä paljon ohjelmamuistia, päätin käyttää PIC: n sisäänrakennettua analogista digitaalimuunninta (ADC) lähtöjännitteen mittaamiseen. Jos tämä lähtöjännite jostain syystä nousee tai laskee, virransyöttö katkaistaan. Tämä suojaa kytkettyä piiriä ylijännitteeltä tai pysäyttää oikosulun. Tämä oli versio 1, joka on laajennus versioon 0, alkuperäiseen suunnitteluun.

Vaikka testasin muotoilua leipälaudalla (katso kuva), en silti ollut tyytyväinen siihen. Joskus näytti siltä, että digitaalinen potentiometri ei ollut aina täsmälleen samassa asennossa, esim. kun palautetaan esiasetettu arvo. Ero oli pieni, mutta huolestuttava. Potentiometrin arvoa ei voi lukea. Hetken ajattelun jälkeen olen luonut version 2, joka on pieni uudistus versiosta 1. Tässä mallissa, katso kaavio 2, en käyttänyt digitaalista potentiometriä, mutta käytin sisäänrakennettua digitaalista analogiamuunninta (DAC) PIC ohjaa lähtöjännitettä LM723: n kautta. Ainoa ongelma oli, että PIC16F1823: ssa on vain 5-bittinen DAC, joka ei riittänyt, koska ylös- ja alas-portaat olisivat liian suuria. Tämän vuoksi vaihdoin PIC16F1765-laitteeseen, jossa on 10-bittinen DAC. Tämä DAC -versio oli luotettava. Voisin edelleen käyttää alkuperäistä piirilevyä, koska minun on poistettava vain joitakin komponentteja, vaihdettava 1 kondensaattori ja lisättävä 2 johtoa (1 johto tarvittiin jo tarkistuksen 1 jännitteenilmaisutoiminnon lisäämiseksi). Vaihdoin myös 15 voltin säätimen 18 voltin versioon virran haihtumisen rajoittamiseksi. Katso kaavion versio 2.

Joten jos haluat käyttää tätä mallia, sinun on tehtävä seuraava verrattuna versioon 0:

• Korvaa PIC16F1823 PIC16F1765 -laitteella
• Valinnainen: Korvaa 78L15 78L18
• Poista digitaalinen potentiometri tyyppi X9C103
• Irrota vastukset R1 ja R15
• Korvaa elektrolyyttikondensaattori C5 keraamisella kondensaattorilla 100 nF
• Liitä IC4 -nasta 13 (PIC) IC2 -nasta 5 (LM723)
• Liitä IC4 -nasta 3 (PIC) ja IC2 -nasta 4 (LM723)

Päivitin myös piirilevyn, mutta en tilannut tätä versiota, katso kuvakaappaus.

Vaihe 3: (Dis) Kokoonpano

Kuvassa näkyy virtalähde ennen päivitystä ja sen jälkeen. Potentiometrien tekemien reikien peittämiseksi lisäsin etupaneelin kaapin etupaneelin päälle. Kuten näette, olin tehnyt kaksoisvirtalähteen, jossa molemmat virtalähteet ovat täysin riippumattomia toisistaan. Tämä mahdollistaa niiden kytkemisen sarjaan, jos tarvitsen korkeamman lähtöjännitteen kuin 18 volttia.

Piirilevyn ansiosta elektroniikan kokoaminen oli helppoa. Muista, että suuri elektrolyyttikondensaattori ja tehotransistori eivät ole piirilevyllä. Valokuva osoittaa, että tarkistusta 2 varten joitain komponentteja ei enää tarvita ja kaksi johtoa tarvittiin, jotta lisättiin jännitteenilmaisin ja toinen, koska digitaalinen potentiometri on korvattu PIC -mikrokontrollerin digitaalisesta analogiamuuntimeen.

Tietenkin tarvitset muuntajan, joka pystyy syöttämään 18 voltin vaihtovirtaa, 2 ampeeria. Alkuperäisessä suunnittelussa käytin rengasydinmuuntajaa, koska ne ovat tehokkaampia (mutta myös kalliimpia).

Vaihe 4: Ohjelmistoversio 0

Ohjelmisto suorittaa seuraavat päätehtävät:

• Virtalähteen lähtöjännitteen ohjaus digitaalisen potentiometrin kautta

• Käsittele painikkeiden ominaisuuksia, jotka ovat:

  • Virta päälle/pois. Tämä on vaihtotoiminto, joka asettaa lähtöjännitteeksi 0 volttia tai viimeksi valittuun jännitteeseen
  • Jännite ylös/Jännite alas. Jokaisella painikkeen painalluksella jännite nousee hieman ylös tai alas. Kun nämä painikkeet pidetään painettuna, toistotoiminto aktivoituu
  • Esiasetettu tallennus/Esiasetushaku. Mikä tahansa jänniteasetus voidaan tallentaa PIC: n EEPROMiin painamalla esiasetettua painiketta vähintään 2 sekunnin ajan. Painamalla sitä lyhyemmäksi haetaan kyseisen esiasetuksen EEPROM -arvo ja asetetaan lähtöjännite sen mukaan

Kun virta kytketään, kaikki PIC -nastat asetetaan tuloksi. Jotta estetään määrittelemättömän jännitteen esiintyminen virtalähteen ulostulossa, lähtö pysyy 0 voltissa, kunnes PIC on käynnissä ja digitaalinen potentiometri alustetaan. Tämä virrankatkaisu saavutetaan vetovastuksella R14, joka varmistaa, että transistori T1 sammuttaa LM723: n, kunnes PIC vapauttaa sen.

Loput ohjelmistot ovat kireällä eteenpäin. Painikkeet skannataan ja jos jotain on muutettava, digitaalisen potentiometrin arvoa muutetaan kolmijohtimisen sarjaliitännän avulla. Huomaa, että digitaalisessa potentiometrissä on myös mahdollisuus tallentaa asetus, mutta sitä ei käytetä, koska kaikki asetukset on tallennettu PIC: n EEPROM -muistiin. Käyttöliittymä potentiometrin kanssa ei tarjoa ominaisuutta pyyhkimen arvon lukemiseen takaisin. Joten aina kun pyyhin täytyy esiasettaa tiettyyn arvoon, ensimmäinen asia, joka tehdään, on laittaa pyyhin takaisin nolla -asentoon ja lähettää siitä eteenpäin vaiheiden määrä pyyhkimen asettamiseksi oikeaan asentoon.

EEPROMin sisältö kirjoitetaan 2 sekuntia sen jälkeen, kun painikkeita ei enää aktivoida, jotta EEPROM ei kirjoiteta jokaisella painikkeen painalluksella ja siten EEPROM -käyttöikä lyhenee. Tämä tarkoittaa, että painikkeiden viimeisen vaihdon jälkeen odota vähintään 2 sekuntia ennen virran kytkemistä varmistaaksesi, että viimeisin asetus on tallennettu. Kun virta kytketään päälle, virransyöttö käynnistyy aina viimeksi valitusta jännitteestä, joka on tallennettu EEPROMiin.

Liitteenä on JAL -lähdetiedosto ja Intel Hex -tiedosto PIC: n ohjelmointia varten.

Vaihe 5: Ohjelmistoversio 2

Tarkistuksessa 2 ohjelmiston tärkeimmät muutokset ovat seuraavat:

• Jännitteen tunnistusominaisuus lisättiin mittaamalla virtalähteen lähtöjännite sen asettamisen jälkeen. Tätä varten käytetään PIC: n ADC -muunninta. Ohjelmisto ottaa ADC: n avulla näytteitä lähtöjännitteestä ja jos muutaman näytteen jälkeen lähtöjännite on noin 0,2 V korkeampi tai pienempi kuin asetettu jännite, virtalähde katkaistaan.
• PIC: n DAC: n käyttö virtalähteen lähtöjännitteen ohjaamiseen digitaalisen potentiometrin käyttämisen sijaan. Tämä muutos teki ohjelmistosta yksinkertaisemman, koska digitaaliseen potentiometriin ei tarvinnut luoda 3-johtimista liitäntää.
• Korvaa EEPROM -tallennustila High Endurance Flash -muistilla. PIC16F1765-laitteessa ei ole EEPROM-muistia, mutta se käyttää Flash-ohjelman osaa pysyvien tietojen tallentamiseen.

Huomaa, että jännitteen tunnistus ei ole aluksi käytössä. Käynnistyksen yhteydessä seuraavat painikkeet tarkistetaan painetuiksi:

• Virta päälle/pois painike. Painamalla molemmat jännitteenilmaisinominaisuudet kytkeytyvät pois päältä.
• Alas -painike. Pienjännitteen tunnistus aktivoituu, jos sitä painetaan.
• Ylös painike. Jos sitä painetaan, suurjännitteen tunnistus aktivoituu.

Nämä jännitteen tunnistusasetukset tallennetaan kestävään salamaan ja palautetaan muistiin, kun virtalähde kytketään uudelleen päälle.

Liitteenä on myös JAL -lähdetiedosto ja Intel Hex -tiedosto PIC: n ohjelmoimiseksi versioon 2.

Vaihe 6: Lopputulos

Videossa näet virtalähteen version 2 toiminnassa, se näyttää virran päälle/pois -ominaisuuden, jännitteen nousun/jännitteen laskun ja esiasetusten käytön. Tätä esittelyä varten liitin myös vastuksen virtalähteeseen osoittamaan, että todellinen virta kulkee sen läpi ja että maksimivirta on rajoitettu 2 ampeeriin.

Jos olet kiinnostunut käyttämään PIC -mikrokontrolleria JAL: n kanssa - Pascal -kaltainen ohjelmointikieli - käy JAL -verkkosivustolla.

Pidä hauskaa tämän ohjeen tekemisestä ja odotan reaktioita ja tuloksia.