Digitalηφιακή ελεγχόμενη γραμμική τροφοδοσία: 6 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Στα έτη μου χρόνια, πριν από περίπου 40 χρόνια, δημιούργησα ένα διπλό γραμμικό τροφοδοτικό. Πήρα το σχηματικό διάγραμμα από ένα περιοδικό που ονομάζεται «Elektuur», που σήμερα ονομάζεται «Elektor» στην Ολλανδία. Αυτή η τροφοδοσία χρησιμοποίησε ένα ποτενσιόμετρο για τη ρύθμιση της τάσης και ένα για την τρέχουσα ρύθμιση. Μετά από πολλά χρόνια, αυτά τα ποτενσιόμετρα δεν λειτουργούσαν πια σωστά, γεγονός που καθιστούσε δύσκολο να επιτευχθεί σταθερή τάση εξόδου. Αυτό το τροφοδοτικό φαίνεται στην εικόνα.

Εν τω μεταξύ, επέλεξα την ενσωματωμένη ανάπτυξη λογισμικού ως μέρος του χόμπι μου, χρησιμοποιώντας τον μικροελεγκτή PIC και τη γλώσσα προγραμματισμού JAL. Δεδομένου ότι εξακολουθώ να θέλω να χρησιμοποιήσω το τροφοδοτικό μου - ναι μπορείτε να αγοράσετε φθηνότερες παραλλαγές τρόπου λειτουργίας στις μέρες μας - πήρα την ιδέα να αντικαταστήσω τα παλιά ποτενσιόμετρα με ψηφιακή έκδοση και έτσι γεννήθηκε ένα νέο έργο PIC.

Για τη ρύθμιση της τάσης του τροφοδοτικού χρησιμοποιώ έναν μικροελεγκτή PIC 16F1823 που χρησιμοποιεί 6 κουμπιά ως εξής:

• Ένα κουμπί για ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση της τάσης εξόδου χωρίς να χρειάζεται να ενεργοποιήσετε ή να απενεργοποιήσετε πλήρως την τροφοδοσία
• Ένα κουμπί για αύξηση της τάσης εξόδου και ένα άλλο κουμπί για μείωση της τάσης εξόδου
• Τρία κουμπιά για χρήση ως προεπιλογή. Αφού ορίσετε μια ορισμένη τάση εξόδου, αυτή η ακριβής τάση μπορεί να αποθηκευτεί και να ανακτηθεί χρησιμοποιώντας αυτά τα προκαθορισμένα κουμπιά

Το τροφοδοτικό είναι ικανό να εξάγει τάση μεταξύ 2,4 Volt και 18 Volt με μέγιστο ρεύμα 2 Ampere.

Βήμα 1: Ο αρχικός σχεδιασμός (αναθεώρηση 0)

Έκανα μερικές τροποποιήσεις στο αρχικό σχηματικό διάγραμμα για να το καταστήσω κατάλληλο για τον έλεγχο με το ψηφιακό ποτενσιόμετρο. Δεδομένου ότι δεν χρησιμοποίησα ποτέ το αρχικό ποτενσιόμετρο για την τρέχουσα ρύθμιση στο παρελθόν, το αφαίρεσα και το αντικατέστησα με μια σταθερή αντίσταση, περιορίζοντας το μέγιστο ρεύμα στα 2 Αμπέρ.

Το σχηματικό διάγραμμα δείχνει την παροχή ρεύματος, χτισμένη γύρω από τον παλιό αλλά αξιόπιστο ρυθμιστή τάσης LM723. Δημιούργησα επίσης μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος για αυτό. Το LM723 έχει τάση αναφοράς με αντιστάθμιση θερμοκρασίας με χαρακτηριστικό περιορισμού ρεύματος και ευρεία περιοχή τάσης. Η τάση αναφοράς του LM723 πηγαίνει στο ψηφιακό ποτενσιόμετρο του οποίου ο υαλοκαθαριστήρας είναι συνδεδεμένος στη μη αναστρέψιμη είσοδο του LM723. Το ψηφιακό ποτενσιόμετρο έχει τιμή 10 kOhm και μπορεί να αλλάξει από 0 Ohm σε 10 kOhm σε 100 βήματα χρησιμοποιώντας σειριακή διεπαφή 3 καλωδίων.

Αυτό το τροφοδοτικό διαθέτει ψηφιακό μετρητή βολτ & αμπέρ που λαμβάνει την ισχύ του από ρυθμιστή τάσης 15 βολτ (IC1). Αυτό το 15 Volt χρησιμοποιείται επίσης ως είσοδος για τον ρυθμιστή τάσης 5 Volt (IC5) που τροφοδοτεί το PIC και το ψηφιακό ποτενσιόμετρο.

Το τρανζίστορ Τ1 χρησιμοποιείται για να κλείσει το LM723 το οποίο φέρνει την τάση εξόδου στα 0 Volt. Η αντίσταση ισχύος R9 χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του ρεύματος, προκαλώντας πτώση τάσης πάνω από την αντίσταση όταν ρέει ρεύμα μέσα από αυτήν. Αυτή η πτώση τάσης χρησιμοποιείται από το LM723 για να περιορίσει το μέγιστο ρεύμα εξόδου στα 2 Αμπέρ.

Σε αυτόν τον αρχικό σχεδιασμό, ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής και το τρανζίστορ ισχύος (τύπος 2N3055) δεν βρίσκονται στην πλακέτα. Στο αρχικό μου σχέδιο από πολλά χρόνια πριν, ο Ηλεκτρολυτικός Πυκνωτής ήταν σε ξεχωριστό πίνακα, έτσι το κράτησα. Το τρανζίστορ ισχύος είναι τοποθετημένο σε μια πλάκα ψύξης έξω από το ντουλάπι για καλύτερη ψύξη.

Τα κουμπιά είναι στο μπροστινό μέρος του ντουλαπιού. Κάθε κουμπί τραβιέται ψηλά από τις αντιστάσεις 4k7 στην πλακέτα. Τα κουμπιά είναι συνδεδεμένα με τη γείωση, γεγονός που τα καθιστά ενεργά χαμηλά.

Χρειάζεστε τα ακόλουθα ηλεκτρονικά εξαρτήματα για αυτό το έργο (επίσης αναθεώρηση 2):

• 1 μικροελεγκτής PIC 16F1823
• 1 ψηφιακό ποτενσιόμετρο 10k, τύπου X9C103
• Ρυθμιστές τάσης: 1 * LM723, 1 * 78L15, 1 * 78L05
• Ανορθωτής γέφυρας: B80C3300/5000
• Τρανζίστορ: 1 * 2N3055, 1 * BD137, 1 * BC547
• Δίοδοι: 2 * 1N4004
• Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές: 1 * 4700 uF/40V, 1 * 4.7 uF/16V
• Κεραμικοί πυκνωτές: 1 * 1 nF, 6 * 100 nF
• Αντιστάσεις: 1 * 100 Ohm, 1 * 820 Ohm, 1 * 1k, 2 * 2k2, 8 * 4k7
• Αντίσταση ισχύος: 0,33 Ohm / 5 Watt

Σχεδίασα επίσης μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος η οποία εμφανίζεται στο συνημμένο στιγμιότυπο οθόνης και στην εικόνα.

Βήμα 2: Ο αναθεωρημένος σχεδιασμός (αναθεώρηση 2)

Αφού παρήγγειλα τους πίνακες τυπωμένων κυκλωμάτων, μου ήρθε η ιδέα να προσθέσω ένα χαρακτηριστικό που ονομάζω «προστασία τάσης». Δεδομένου ότι είχα ακόμα πολλή μνήμη προγράμματος διαθέσιμη στο PIC, αποφάσισα να χρησιμοποιήσω τον ενσωματωμένο μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό (ADC) του PIC για τη μέτρηση της τάσης εξόδου. Σε περίπτωση που αυτή η τάση εξόδου - για οποιονδήποτε λόγο - ανεβεί ή μειωθεί, η παροχή ρεύματος απενεργοποιείται. Αυτό θα προστατεύσει το συνδεδεμένο κύκλωμα από υπερβολική τάση ή θα σταματήσει τυχόν βραχυκύκλωμα. Αυτή ήταν η αναθεώρηση 1, η οποία είναι επέκταση της αναθεώρησης 0, του αρχικού σχεδιασμού.

Αν και δοκίμασα το σχέδιο χρησιμοποιώντας ένα breadboard (δείτε την εικόνα), δεν ήμουν ικανοποιημένος. Μερικές φορές φαινόταν ότι το ψηφιακό ποτενσιόμετρο δεν ήταν πάντα ακριβώς στην ίδια θέση, π.χ. κατά την ανάκτηση μιας προκαθορισμένης τιμής. Η διαφορά ήταν μικρή αλλά ενοχλητική. Δεν είναι δυνατή η ανάγνωση της τιμής του ποτενσιόμετρου. Μετά από κάποια σκέψη δημιούργησα μια αναθεώρηση 2 που είναι ένας μικρός επανασχεδιασμός της αναθεώρησης 1. Σε αυτό το σχέδιο, δείτε σχηματικό διάγραμμα αναθεώρηση 2, δεν χρησιμοποίησα ψηφιακό ποτενσιόμετρο αλλά χρησιμοποίησα τον ενσωματωμένο ψηφιακό σε αναλογικό μετατροπέα (DAC) του PIC για τον έλεγχο της τάσης εξόδου μέσω του LM723. Το μόνο πρόβλημα ήταν ότι το PIC16F1823 διαθέτει μόνο ένα DAC 5-bit, το οποίο δεν ήταν αρκετό, επειδή τα πάνω και κάτω βήματα θα ήταν πολύ μεγάλα. Εξαιτίας αυτού, άλλαξα σε ένα PIC16F1765 το οποίο διαθέτει ένα DAC 10-bit στο πλοίο. Αυτή η έκδοση με το DAC ήταν αξιόπιστη. Θα μπορούσα ακόμη να χρησιμοποιήσω την αρχική πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος, καθώς χρειάζεται μόνο να αφαιρέσω μερικά εξαρτήματα, να αντικαταστήσω 1 πυκνωτή και να προσθέσω 2 καλώδια (1 σύρμα χρειαζόταν ήδη για την προσθήκη της δυνατότητας ανίχνευσης τάσης στην αναθεώρηση 1). Άλλαξα επίσης τον ρυθμιστή 15 Volt σε έκδοση 18 Volt για να περιορίσω την κατανάλωση ισχύος. Δείτε το σχηματικό διάγραμμα της αναθεώρησης 2.

Έτσι, εάν θέλετε να ακολουθήσετε αυτό το σχέδιο, πρέπει να κάνετε τα εξής σε σύγκριση με την αναθεώρηση 0:

• Αντικαταστήστε το PIC16F1823 με ένα PIC16F1765
• Προαιρετικά: Αντικαταστήστε το 78L15 με ένα 78L18
• Αφαιρέστε το ψηφιακό ποτενσιόμετρο τύπου X9C103
• Αφαιρέστε τις αντιστάσεις R1 και R15
• Αντικαταστήστε τον ηλεκτρολυτικό πυκνωτή C5 με κεραμικό πυκνωτή 100 nF
• Πραγματοποιήστε μια σύνδεση μεταξύ της ακίδας IC4 13 (PIC) και της ακίδας IC2 5 (LM723)
• Πραγματοποιήστε μια σύνδεση μεταξύ του ακροδέκτη IC4 3 (PIC) με τον ακροδέκτη IC2 4 (LM723)

Ενημέρωσα επίσης την πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος, αλλά δεν παρήγγειλα αυτήν την έκδοση, δείτε το στιγμιότυπο οθόνης.

Βήμα 3: (Δια) Συναρμολόγηση

Στην εικόνα βλέπετε το τροφοδοτικό πριν και μετά την αναβάθμιση. Για να καλύψω τις τρύπες που έγιναν από τα ποτενσιόμετρα πρόσθεσα ένα μπροστινό πάνελ στο πάνω μέρος του μπροστινού πίνακα του ντουλαπιού. Όπως μπορείτε να δείτε είχα κάνει ένα διπλό τροφοδοτικό όπου και τα δύο τροφοδοτικά είναι εντελώς ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Αυτό καθιστά δυνατή τη σειρά τους σε περίπτωση που χρειάζομαι υψηλότερη τάση εξόδου από 18 Volt.

Λόγω της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος ήταν εύκολο να συναρμολογηθούν τα ηλεκτρονικά. Θυμηθείτε ότι ο μεγάλος ηλεκτρολυτικός πυκνωτής και το τρανζίστορ ισχύος δεν βρίσκονται στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος. Η φωτογραφία δείχνει ότι για την αναθεώρηση 2 ορισμένα εξαρτήματα δεν χρειάζονται πια και χρειάστηκαν 2 καλώδια το ένα για να προσθέσει τη λειτουργία ανίχνευσης τάσης και το άλλο λόγω της αντικατάστασης του ψηφιακού ποτενσιόμετρου από τον ψηφιακό σε αναλογικό μετατροπέα του μικροελεγκτή PIC.

Φυσικά χρειάζεστε έναν μετασχηματιστή που μπορεί να τροφοδοτήσει AC 18 Volt, 2 Ampere. Στον αρχικό σχεδιασμό μου χρησιμοποίησα έναν μετασχηματιστή πυρήνα δακτυλίου επειδή είναι πιο αποδοτικοί (αλλά και πιο ακριβοί).

Βήμα 4: Το λογισμικό για αναθεώρηση 0

Το λογισμικό εκτελεί τις ακόλουθες κύριες εργασίες:

• Έλεγχος της τάσης εξόδου του τροφοδοτικού μέσω του ψηφιακού ποτενσιόμετρου

• Χειριστείτε τα χαρακτηριστικά των κουμπιών, τα οποία είναι:

  • Ενεργοποίηση/Απενεργοποίηση. Αυτή είναι μια λειτουργία εναλλαγής που ορίζει την τάση εξόδου στα 0 Volt ή στην τελευταία επιλεγμένη τάση
  • Τάση πάνω/Τάση κάτω. Με κάθε πάτημα του κουμπιού η τάση ανεβαίνει ελαφρώς προς τα πάνω ή προς τα κάτω. Όταν αυτά τα κουμπιά παραμένουν πατημένα, ενεργοποιείται μια λειτουργία επανάληψης
  • Προεπιλεγμένο κατάστημα/Προκαθορισμένη ανάκτηση. Οποιαδήποτε ρύθμιση τάσης μπορεί να αποθηκευτεί στο EEPROM του PIC πατώντας το προκαθορισμένο κουμπί για τουλάχιστον 2 δευτερόλεπτα. Πιέζοντάς το πιο σύντομα θα ανακτήσει την τιμή EEPROM για αυτήν την προεπιλογή και θα ρυθμίσει ανάλογα την τάση εξόδου

Κατά την ενεργοποίηση, όλες οι ακίδες του PIC ορίζονται ως είσοδος. Προκειμένου να αποφευχθεί η ύπαρξη απροσδιόριστης τάσης στην έξοδο του τροφοδοτικού, η έξοδος παραμένει στα 0 Volt μέχρι να ενεργοποιηθεί ο PIC και να προετοιμαστεί το ψηφιακό ποτενσιόμετρο. Αυτή η απενεργοποίηση επιτυγχάνεται με την αντίσταση έλξης R14 που διασφαλίζει ότι το τρανζίστορ Τ1 κλείνει το LM723 μέχρι να απελευθερωθεί από το PIC.

Το υπόλοιπο λογισμικό είναι προχωρημένο. Τα κουμπιά σαρώνουν και αν κάτι πρέπει να αλλάξει, η τιμή του ψηφιακού ποτενσιόμετρου αλλάζει χρησιμοποιώντας σειριακή διεπαφή τριών καλωδίων. Σημειώστε ότι το ψηφιακό ποτενσιόμετρο έχει επίσης μια επιλογή για αποθήκευση της ρύθμισης, αλλά δεν χρησιμοποιείται καθώς όλες οι ρυθμίσεις αποθηκεύονται στο EEPROM του PIC. Η διεπαφή με το ποτενσιόμετρο δεν προσφέρει δυνατότητα ανάγνωσης της τιμής του πίσω υαλοκαθαριστήρα. Έτσι, κάθε φορά που ο υαλοκαθαριστήρας πρέπει να είναι προκαθορισμένος σε μια συγκεκριμένη τιμή, το πρώτο πράγμα που γίνεται είναι να επαναφέρει τον υαλοκαθαριστήρα στη θέση μηδέν και από εκείνο το σημείο και μετά να στείλει τον αριθμό των βημάτων για να τοποθετήσει τον υαλοκαθαριστήρα στη σωστή θέση.

Για να αποφευχθεί η εγγραφή του EEPROM με κάθε πάτημα ενός κουμπιού, και έτσι η μείωση της διάρκειας ζωής του EEPROM, τα περιεχόμενα του EEPROM γράφονται 2 δευτερόλεπτα αφού τα κουμπιά δεν είναι πλέον ενεργοποιημένα. Αυτό σημαίνει ότι μετά την τελευταία αλλαγή των κουμπιών, βεβαιωθείτε ότι περιμένετε τουλάχιστον 2 δευτερόλεπτα προτού αλλάξετε το ρεύμα για να βεβαιωθείτε ότι η τελευταία ρύθμιση είναι αποθηκευμένη. Όταν είναι ενεργοποιημένο, το τροφοδοτικό θα ξεκινά πάντα με την τελευταία επιλεγμένη τάση που είναι αποθηκευμένη στο EEPROM.

Επισυνάπτονται το αρχείο προέλευσης JAL και το αρχείο Intel Hex για τον προγραμματισμό του PIC για αναθεώρηση 0.

Βήμα 5: Το λογισμικό για αναθεώρηση 2

Για την αναθεώρηση 2, οι κύριες αλλαγές στο λογισμικό είναι οι ακόλουθες:

• Η δυνατότητα ανίχνευσης τάσης προστέθηκε μετρώντας την τάση εξόδου του τροφοδοτικού αφού έχει ρυθμιστεί. Για αυτό χρησιμοποιείται ο μετατροπέας ADC του PIC. Χρησιμοποιώντας το ADC, το λογισμικό λαμβάνει δείγματα της τάσης εξόδου και εάν μετά από μερικά δείγματα η τάση εξόδου είναι περίπου 0,2 Volt υψηλότερη ή χαμηλότερη από την καθορισμένη τάση, η παροχή ρεύματος απενεργοποιείται.
• Χρήση του DAC του PIC για τον έλεγχο της τάσης εξόδου του τροφοδοτικού αντί για χρήση ψηφιακού ποτενσιόμετρου. Αυτή η αλλαγή έκανε το λογισμικό απλούστερο, καθώς δεν υπήρχε ανάγκη δημιουργίας της διεπαφής 3 καλωδίων για το ψηφιακό ποτενσιόμετρο.
• Αντικαταστήστε τον αποθηκευτικό χώρο στο EEPROM με αποθήκευση σε Flash υψηλής αντοχής. Το PIC16F1765 δεν διαθέτει EEPROM, αλλά χρησιμοποιεί μέρος του προγράμματος Flash για αποθήκευση μη πτητικών πληροφοριών.

Σημειώστε ότι η ανίχνευση τάσης δεν είναι ενεργοποιημένη αρχικά. Κατά την ενεργοποίηση, τα παρακάτω κουμπιά ελέγχονται για πάτημα:

• Κουμπί ενεργοποίησης/απενεργοποίησης. Εάν πιέσετε και τα δύο χαρακτηριστικά ανίχνευσης τάσης είναι απενεργοποιημένα.
• Κουμπί προς τα κάτω. Εάν πιέσετε, η ανίχνευση χαμηλής τάσης είναι ενεργοποιημένη.
• Πάνω κουμπί. Εάν πιέσετε, η ανίχνευση υψηλής τάσης είναι ενεργοποιημένη.

Αυτές οι ρυθμίσεις ανίχνευσης τάσης αποθηκεύονται στο Φλας υψηλής αντοχής και ανακαλούνται όταν ενεργοποιηθεί ξανά το τροφοδοτικό.

Επισυνάπτονται επίσης το αρχείο προέλευσης JAL και το αρχείο Intel Hex για τον προγραμματισμό του PIC για την αναθεώρηση 2.

Βήμα 6: Το τελικό αποτέλεσμα

Στο βίντεο βλέπετε την αναθεώρηση τροφοδοσίας 2 σε δράση, δείχνει τη λειτουργία ενεργοποίησης/απενεργοποίησης, την τάση αύξησης/μείωσης της τάσης και τη χρήση των προεπιλογών. Για αυτό το demo συνέδεσα επίσης μια αντίσταση στην παροχή ρεύματος για να δείξω ότι το πραγματικό ρεύμα ρέει μέσα από αυτό και ότι το μέγιστο ρεύμα περιορίζεται στα 2 Ampere.

Εάν ενδιαφέρεστε να χρησιμοποιήσετε τον μικροελεγκτή PIC με JAL - μια γλώσσα προγραμματισμού όπως το Pascal - επισκεφτείτε τον ιστότοπο του JAL.

Διασκεδάστε κάνοντας αυτό το Instructable και περιμένουμε τις αντιδράσεις και τα αποτελέσματα.