Digital styret lineær strømforsyning: 6 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:26

I mine teenage år, for omkring 40 år siden, skabte jeg en dobbelt lineær strømforsyning. Jeg fik det skematiske diagram fra et magasin kaldet 'Elektuur', i dag kaldet 'Elektor' i Holland. Denne strømforsyning brugte et potentiometer til spændingsjusteringen og et til den aktuelle justering. Efter mange år fungerede disse potentiometre ikke længere korrekt, hvilket gjorde det svært at få en stabil udgangsspænding. Denne strømforsyning er vist på billedet.

I mellemtiden hentede jeg indlejret softwareudvikling som en del af min hobby ved hjælp af PIC -mikrokontrolleren og JAL -programmeringssproget. Da jeg stadig vil bruge min strømforsyning - ja du kan købe billigere switch mode -varianter i dag - fik jeg ideen om at erstatte de gamle potentiometre med en digital version, og så blev et nyt PIC -projekt født.

Til justering af spændingen på strømforsyningen bruger jeg en PIC 16F1823 mikrokontroller, der bruger 6 trykknapper som følger:

• En trykknap til at tænde eller slukke for udgangsspændingen uden at skulle tænde eller slukke strømforsyningen helt
• Én trykknap for at øge udgangsspændingen og en anden for at reducere udgangsspændingen
• Tre trykknapper, der skal bruges som forudindstillet. Efter at have indstillet en bestemt udgangsspænding, kan den nøjagtige spænding lagres og hentes ved hjælp af disse forudindstillede trykknapper

Strømforsyningen er i stand til at afgive en spænding mellem 2,4 Volt og 18 Volt med en maksimal strøm på 2 Ampere.

Trin 1: Det indledende design (revision 0)

Jeg lavede nogle ændringer til det originale skematiske diagram for at gøre det egnet til at styre det med det digitale potentiometer. Da jeg aldrig tidligere har brugt det originale potentiometer til strømjusteringen, fjernede jeg det og erstattede det med en fast modstand, hvilket begrænsede den maksimale strøm til 2 Ampere.

Det skematiske diagram viser strømforsyningen, der er bygget op omkring den gamle, men pålidelige LM723 spændingsregulator. Jeg har også oprettet et printkort til det. LM723 har en temperaturkompenseret referencespænding med en strømbegrænsende funktion og et bredt spændingsområde. Referencespændingen for LM723 går til det digitale potentiometer, som viskeren er forbundet til den ikke-inverterende indgang på LM723. Det digitale potentiometer har en værdi på 10 kOhm og kan ændres fra 0 Ohm til 10 kOhm i 100 trin ved hjælp af et 3 -leder serielt interface.

Denne strømforsyning har en digital volt & ampere måler, der modtager sin strøm fra en 15 Volt spændingsregulator (IC1). Denne 15 Volt bruges også som input til 5 Volt spændingsregulatoren (IC5), der driver PIC og det digitale potentiometer.

Transistor T1 bruges til at lukke LM723, hvilket bringer udgangsspændingen til 0 Volt. Effektmodstand R9 bruges til at måle strømmen, hvilket forårsager et spændingsfald over modstanden, når strøm strømmer gennem den. Dette spændingsfald bruges af LM723 til at begrænse den maksimale udgangsstrøm til 2 Ampere.

I dette indledende design er den elektrolytiske kondensator og effekttransistoren (type 2N3055) ikke på tavlen. I mit originale design fra mange år siden var den elektrolytiske kondensator på et separat bord, så jeg beholdt det. Strømtransistoren er monteret på en køleplade uden for kabinettet for bedre afkøling.

Trykknapperne er på kabinettets frontpanel. Hver trykknap trækkes højt op af 4k7 modstande på tavlen. Trykknapperne er forbundet til jorden, hvilket gør dem aktive lave.

Du har brug for følgende elektroniske komponenter til dette projekt (også revision 2):

• 1 PIC mikrokontroller 16F1823
• 1 digitalt potentiometer på 10k, type X9C103
• Spændingsregulatorer: 1 * LM723, 1 * 78L15, 1 * 78L05
• Broens ensretter: B80C3300/5000
• Transistorer: 1 * 2N3055, 1 * BD137, 1 * BC547
• Dioder: 2 * 1N4004
• Elektrolytkondensatorer: 1 * 4700 uF/40V, 1 * 4,7 uF/16V
• Keramiske kondensatorer: 1 * 1 nF, 6 * 100 nF
• Modstande: 1 * 100 Ohm, 1 * 820 Ohm, 1 * 1k, 2 * 2k2, 8 * 4k7
• Effektmodstand: 0,33 Ohm / 5 Watt

Jeg har også designet et printkort, der er vist på det vedhæftede skærmbillede og billede.

Trin 2: Det reviderede design (revision 2)

Efter at have bestilt printkortene kom jeg på ideen om at tilføje en funktion, som jeg kalder 'spændingsbeskyttelse'. Da jeg stadig havde meget programhukommelse til rådighed i PIC'en, besluttede jeg at bruge PIC's indbyggede Analog to Digital Converter (ADC) til at måle udgangsspændingen. Hvis denne udgangsspænding - uanset årsag - går op eller ned, er strømforsyningen afbrudt. Dette beskytter det tilsluttede kredsløb mod overspænding eller stopper enhver kortslutning. Dette var revision 1, som er en udvidelse til revision 0, det oprindelige design.

Selvom jeg testede designet ved hjælp af et brødbræt (se billede), var jeg stadig ikke tilfreds med det. Nogle gange så det ud til, at det digitale potentiometer ikke altid var nøjagtigt i samme position, f.eks. ved genopretning af en forudindstillet værdi. Forskellen var lille, men foruroligende. Det er ikke muligt at aflæse potentiometerets værdi. Efter nogen overvejelser lavede jeg en revision 2, som er et lille redesign af revision 1. I dette design, se skematisk diagram revision 2, brugte jeg ikke et digitalt potentiometer, men jeg brugte den indbyggede Digital til Analog Converter (DAC) på PIC til at styre udgangsspændingen via LM723. Det eneste problem var, at PIC16F1823 kun har en 5-bit DAC, hvilket ikke var tilstrækkeligt, fordi trinene op og ned ville være for store. På grund af det skiftede jeg til en PIC16F1765, som har en 10-bit DAC ombord. Denne version med DAC var pålidelig. Jeg kunne stadig bruge det første printkort, da jeg kun behøver at fjerne nogle komponenter, udskifte 1 kondensator og tilføje 2 ledninger (1 ledning var allerede nødvendig for at tilføje spændingsdetekteringsfunktionen i revision 1). Jeg ændrede også 15 Volt regulatoren til en 18 Volt version for at begrænse effekttab. Se skematisk diagram over revision 2.

Så hvis du vil gå efter dette design, skal du gøre følgende i forhold til revision 0:

• Udskift PIC16F1823 med en PIC16F1765
• Valgfrit: Udskift 78L15 med en 78L18
• Fjern digitalt potentiometer type X9C103
• Fjern modstande R1 og R15
• Udskift den elektrolytiske kondensator C5 med en keramisk kondensator på 100 nF
• Lav en forbindelse mellem IC4 pin 13 (PIC) til IC2 pin 5 (LM723)
• Lav en forbindelse mellem IC4 pin 3 (PIC) til IC2 pin 4 (LM723)

Jeg opdaterede også printkortet, men bestilte ikke denne version, se skærmbillede.

Trin 3: (Dis) Montering

På billedet ser du strømforsyningen før og efter opgraderingen. For at dække hullerne, der blev lavet af potentiometrene, tilføjede jeg et frontpanel oven på kabinettets frontpanel. Som du kan se, havde jeg lavet en dobbelt strømforsyning, hvor begge strømforsyninger er helt uafhængige af hinanden. Dette gør det muligt at sætte dem i serie, hvis jeg har brug for en højere udgangsspænding end 18 Volt.

På grund af printkortet var det let at samle elektronikken. Husk, at den store elektrolytkondensator og effekttransistoren ikke er på printkortet. Fotoet viser, at der ved revision 2 ikke længere er brug for nogle komponenter, og at der var brug for 2 ledninger, den ene for at tilføje spændingsdetekteringsfunktionen og den anden på grund af udskiftningen af det digitale potentiometer med den digitale til analoge omformer i PIC -mikrokontrolleren.

Selvfølgelig har du brug for en transformer, der er i stand til at levere 18 Volt AC, 2 Ampere. I mit originale design brugte jeg en ringkerntransformator, fordi de er mere effektive (men også dyrere).

Trin 4: Softwaren til revision 0

Softwaren udfører følgende hovedopgaver:

• Styring af strømforsyningens udgangsspænding via det digitale potentiometer

• Håndter funktionerne i trykknapperne, som er:

  • Tænd/sluk. Dette er en skiftefunktion, der sætter udgangsspændingen til 0 Volt eller til den sidst valgte spænding
  • Spænding op/Spænding ned. For hvert tryk på knappen går spændingen lidt op eller lidt ned. Når disse trykknapper holdes nede, aktiveres en gentagelsesfunktion
  • Forudindstillet butik/Forudindstillet hentning. Enhver spændingsindstilling kan gemmes i EEPROM'en i PIC'en ved at trykke på den forudindstillede trykknap i mindst 2 sekunder. Hvis du trykker på den kortere, hentes EEPROM -værdien for denne forudindstilling og indstiller udgangsspændingen i overensstemmelse hermed

Ved tænding indstilles alle ben i PIC'en som input. For at forhindre, at der findes en udefineret spænding ved strømforsyningens udgang, forbliver udgangen på 0 Volt, indtil PIC'en er i gang, og det digitale potentiometer initialiseres. Denne nedlukning opnås af pull-up-modstanden R14, der sørger for, at transistoren T1 lukker LM723 ned, indtil den frigives af PIC.

Resten af softwaren er strengt fremad. Trykknapper scannes, og hvis noget skal ændres, ændres værdien af det digitale potentiometer ved hjælp af et seriel interface med tre ledninger. Bemærk, at det digitale potentiometer også har mulighed for at gemme indstillingen, men dette bruges ikke, da alle indstillinger er gemt i EEPROM'en i PIC. Grænsefladen med potentiometeret tilbyder ikke en funktion til at læse værdien af viskeren tilbage. Så når viskeren skal forudindstilles til en bestemt værdi, er det første, der gøres, at sætte viskeren tilbage til nulpositionen og fra det tidspunkt sende antallet af trin for at sætte viskeren i den korrekte position.

For at forhindre, at EEPROM skrives med hvert tryk på en knap, og dermed sænke levetiden for EEPROM, skrives EEPROM -indholdet 2 sekunder efter, at trykknapperne ikke længere er aktiveret. Det betyder, at efter den sidste ændring af trykknapperne, skal du sørge for at vente i mindst 2 sekunder, før du skifter strøm for at sikre, at den sidste indstilling er gemt. Når den er tændt, starter strømforsyningen altid med den senest valgte spænding gemt i EEPROM.

JAL -kildefilen og Intel Hex -filen til programmering af PIC til revision 0 er vedhæftet.

Trin 5: Softwaren til revision 2

For revision 2 er de vigtigste ændringer i softwaren følgende:

• Spændingsdetekteringsfunktionen blev tilføjet ved at måle udgangsspændingen på strømforsyningen, efter at den er blevet indstillet. Til dette bruges ADC -konverteren til PIC. Ved hjælp af ADC'en tager softwaren prøver af udgangsspændingen, og hvis udgangsspændingen efter et par prøver er ca. 0,2 Volt højere eller lavere end den indstillede spænding, er strømforsyningen slukket.
• Brug af PIC'ens DAC til at styre strømforsyningens udgangsspænding i stedet for at bruge et digitalt potentiometer. Denne ændring gjorde softwaren enklere, da der ikke var behov for at oprette et 3-leder interface til det digitale potentiometer.
• Erstat lageret i EEPROM med opbevaring i High Endurance Flash. PIC16F1765 har ikke EEPROM om bord, men bruger en del af programmet Flash til lagring af ikke-flygtige oplysninger.

Bemærk, at spændingsdetekteringen ikke er aktiveret i første omgang. Ved opstart kontrolleres følgende knapper for at blive skubbet:

• Tænd/sluk -knap. Hvis der trykkes på, slukkes begge spændingsdetekteringsfunktioner.
• Trykknap ned. Hvis der trykkes på, aktiveres lavspændingsdetektionen.
• Trykknap op. Hvis der trykkes på, aktiveres højspændingsdetektionen.

Disse spændingsdetekteringsindstillinger gemmes i High Endurance Flash og genkaldes, når strømforsyningen tændes igen.

JAL -kildefilen og Intel Hex -filen til programmering af PIC til revision 2 er også vedhæftet.

Trin 6: Det endelige resultat

I videoen ser du strømforsyningens revision 2 i aktion, den viser funktionen tænd/sluk, spænding op/spænding ned og brugen af forudindstillingerne. Til denne demo sluttede jeg også en modstand til strømforsyningen for at vise, at der strømmer reel strøm gennem den, og at den maksimale strøm er begrænset til 2 Ampere.

Hvis du er interesseret i at bruge PIC -mikrokontrolleren med JAL - et Pascal -lignende programmeringssprog - kan du besøge JAL -webstedet.

God fornøjelse med at gøre dette instruerbart og ser frem til dine reaktioner og resultater.