Digital styrd linjär strömförsörjning: 6 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:39

Under mina tjugo år, för cirka 40 år sedan, skapade jag en dubbel linjär strömförsörjning. Jag fick det schematiska diagrammet från en tidning som heter ‘Elektuur’, numera kallad ‘Elektor’ i Nederländerna. Denna strömförsörjning använde en potentiometer för spänningsjusteringen och en för strömjusteringen. Efter många år fungerade dessa potentiometrar inte längre korrekt vilket gjorde det svårt att få en stabil utspänning. Denna strömförsörjning visas på bilden.

Under tiden tog jag emot inbäddad mjukvaruutveckling som en del av min hobby, med hjälp av PIC -mikrokontroller och JAL -programmeringsspråk. Eftersom jag fortfarande vill använda min strömförsörjning - ja du kan köpa billigare switch -varianter nuförtiden - fick jag idén att ersätta de gamla potentiometrarna med en digital version och så föddes ett nytt PIC -projekt.

För att justera spänningen på strömförsörjningen använder jag en PIC 16F1823 mikrokontroller som använder 6 tryckknappar enligt följande:

• En tryckknapp för att slå på eller stänga av utspänningen utan att du behöver slå på eller stänga av strömförsörjningen helt
• En tryckknapp för att öka utspänningen och en annan knapp för att minska utspänningen
• Tre tryckknappar som ska användas som förinställda. Efter att ha ställt in en viss utspänning kan den exakta spänningen lagras och hämtas med hjälp av dessa förinställda tryckknappar

Strömförsörjningen kan mata ut en spänning mellan 2,4 och 18 volt med en maximal ström på 2 ampere.

Steg 1: Initial Design (revision 0)

Jag gjorde några ändringar i det ursprungliga schematiska diagrammet för att göra det lämpligt för att styra det med den digitala potentiometern. Eftersom jag aldrig tidigare använde den ursprungliga potentiometern för strömjusteringen tog jag bort den och ersatte den med ett fast motstånd, vilket begränsade maximal ström till 2 Ampere.

Det schematiska diagrammet visar strömförsörjningen, byggd kring den gamla men pålitliga LM723 spänningsregulatorn. Jag skapade också ett kretskort för det. LM723 har en temperaturkompenserad referensspänning med en strömbegränsande funktion och ett brett spänningsområde. LM723: s referensspänning går till den digitala potentiometern som torkaren är ansluten till den icke-inverterande ingången på LM723. Den digitala potentiometern har ett värde på 10 kOhm och kan ändras från 0 Ohm till 10 kOhm i 100 steg med ett 3 -trådigt seriellt gränssnitt.

Denna strömförsörjning har en digital volt- och ampere -mätare som tar emot sin effekt från en 15 Volt spänningsregulator (IC1). Denna 15 Volt används också som ingång för 5 Volt spänningsregulator (IC5) som driver PIC och den digitala potentiometern.

Transistorn T1 används för att stänga av LM723 som ger utspänningen till 0 Volt. Effektmotståndet R9 används för att mäta strömmen, vilket orsakar ett spänningsfall över motståndet när strömmen strömmar genom det. Detta spänningsfall används av LM723 för att begränsa den maximala utströmmen till 2 ampere.

I denna första design finns inte elektrolytkondensatorn och effekttransistorn (typ 2N3055) på kortet. I min ursprungliga design från många år sedan fanns den elektrolytiska kondensatorn på en separat bräda så jag behöll det. Strömtransistorn är monterad på en kylplatta utanför skåpet för bättre kylning.

Tryckknapparna finns på skåpets frontpanel. Varje tryckknapp dras upp högt av 4k7-motstånden på brädet. Tryckknapparna är anslutna till marken vilket gör dem aktiva låga.

Du behöver följande elektroniska komponenter för detta projekt (även revision 2):

• 1 PIC -mikrokontroller 16F1823
• 1 digital potentiometer på 10k, typ X9C103
• Spänningsregulatorer: 1 * LM723, 1 * 78L15, 1 * 78L05
• Brolikriktare: B80C3300/5000
• Transistorer: 1 * 2N3055, 1 * BD137, 1 * BC547
• Dioder: 2 * 1N4004
• Elektrolytkondensatorer: 1 * 4700 uF/40V, 1 * 4,7 uF/16V
• Keramiska kondensatorer: 1 * 1 nF, 6 * 100 nF
• Motstånd: 1 * 100 Ohm, 1 * 820 Ohm, 1 * 1k, 2 * 2k2, 8 * 4k7
• Effektmotstånd: 0,33 Ohm / 5 Watt

Jag har också designat ett kretskort som visas i bifogad skärmdump och bild.

Steg 2: Den reviderade designen (version 2)

Efter att ha beställt kretskorten fick jag idén att lägga till en funktion som jag kallar "spänningsskydd". Eftersom jag fortfarande hade mycket programminne tillgängligt i PIC bestämde jag mig för att använda PIC: s inbyggda Analog to Digital Converter (ADC) för att mäta utspänningen. Om denna utspänning - av någon anledning - går upp eller ner, stängs strömförsörjningen av. Detta skyddar den anslutna kretsen mot överspänning eller stoppar kortslutning. Detta var revision 1 som är en förlängning till version 0, den ursprungliga designen.

Även om jag testade designen med en brödbräda (se bild) var jag fortfarande inte nöjd med den. Ibland verkade det som att den digitala potentiometern inte alltid var exakt i samma position, t.ex. vid återställning av ett förinställt värde. Skillnaden var liten men störande. Det är inte möjligt att avläsa värdet på potentiometern. Efter lite eftertanke skapade jag en revision 2 som är en liten omdesign av revision 1. I den här designen, se schematisk diagramrevision 2, använde jag inte en digital potentiometer men jag använde den inbyggda Digital to Analog Converter (DAC) på PIC för att styra utspänningen via LM723. Det enda problemet var att PIC16F1823 bara har en 5-bitars DAC som inte var tillräcklig eftersom upp- och nedstegen skulle vara för stora. På grund av det bytte jag till en PIC16F1765 som har en 10-bitars DAC ombord. Denna version med DAC var pålitlig. Jag kunde fortfarande använda det första kretskortet eftersom jag bara behöver ta bort några komponenter, byta ut 1 kondensator och lägga till 2 ledningar (1 tråd behövdes redan för att lägga till spänningsdetekteringsfunktionen i revision 1). Jag bytte också 15 Volt regulatorn till en 18 Volt version för att begränsa effektförlusten. Se schematisk översikt 2.

Så om du vill använda den här designen måste du göra följande jämfört med version 0:

• Byt ut PIC16F1823 mot en PIC16F1765
• Valfritt: Byt ut 78L15 mot en 78L18
• Ta bort digital potentiometer typ X9C103
• Ta bort motstånden R1 och R15
• Ersätt den elektrolytiska kondensatorn C5 med en keramisk kondensator på 100 nF
• Gör en anslutning mellan IC4 -stift 13 (PIC) till IC2 -stift 5 (LM723)
• Gör en anslutning mellan IC4 -stift 3 (PIC) till IC2 -stift 4 (LM723)

Jag uppdaterade också kretskortet men beställde inte den här versionen, se skärmdump.

Steg 3: (Dis) Montering

På bilden ser du strömförsörjningen före och efter uppgraderingen. För att täcka hålen som gjordes av potentiometrarna lade jag till en frontpanel ovanpå skåpets frontpanel. Som du kan se hade jag gjort en dubbel strömförsörjning där båda nätaggregaten är helt oberoende av varandra. Detta gör det möjligt att sätta dem i serie om jag behöver en högre utspänning än 18 Volt.

På grund av kretskortet var det enkelt att montera elektroniken. Kom ihåg att den stora elektrolytkondensatorn och effekttransistorn inte finns på kretskortet. Bilden visar att för revision 2 behövs vissa komponenter inte längre och två ledningar behövdes en för att lägga till spänningsdetekteringsfunktionen och den andra på grund av att den digitala potentiometern byttes ut av den digitala till analoga omvandlaren på PIC -mikrokontrollen.

Naturligtvis behöver du en transformator som kan leverera 18 Volt AC, 2 Ampere. I min ursprungliga design använde jag en ringkärntransformator eftersom de är effektivare (men också dyrare).

Steg 4: Programvaran för revision 0

Programvaran utför följande huvuduppgifter:

• Styr utmatningens utspänning via den digitala potentiometern

• Hantera funktionerna i tryckknapparna, som är:

  • Ström på/av. Detta är en växlingsfunktion som ställer utspänningen till 0 Volt eller till den senast valda spänningen
  • Spänning upp/Spänning ned. För varje tryck på knappen går spänningen något upp eller något ner. När dessa tryckknappar hålls intryckta aktiveras en upprepningsfunktion
  • Förinställd butik/Förinställd hämtning. Varje spänningsinställning kan lagras i EEPROM i PIC genom att trycka på den förinställda tryckknappen i minst 2 sekunder. Om du trycker på den kortare hämtas EEPROM -värdet för förinställningen och utgångsspänningen ställs in därefter

Vid påslag sätts alla stift på PIC som ingång. För att förhindra att en odefinierad spänning är närvarande vid utgången från strömförsörjningen förblir utgången vid 0 Volt tills PIC är igång och den digitala potentiometern initieras. Denna strömavbrott uppnås med uppdragningsmotståndet R14 som ser till att transistorn T1 stänger av LM723 tills den släpps av PIC.

Resten av programvaran är sund framåt. Tryckknappar skannas och om något behöver ändras ändras värdet på den digitala potentiometern med hjälp av ett seriellt gränssnitt med tre ledare. Observera att den digitala potentiometern också har ett alternativ för att lagra inställningen men detta används inte eftersom alla inställningar lagras i EEPROM i PIC. Gränssnittet med potentiometern erbjuder inte en funktion för att läsa värdet på torkaren tillbaka. Så när torkaren behöver förinställas till ett visst värde är det första som görs att sätta torkaren tillbaka till nolläget och från den punkten skicka antalet steg för att sätta torkaren i rätt läge.

För att förhindra att EEPROM skrivs med varje knapptryckning och därmed sänker EEPROM: s livslängd skrivs EEPROM -innehållet 2 sekunder efter att knapparna inte längre aktiveras. Detta innebär att efter den senaste ändringen av tryckknapparna, se till att vänta i minst 2 sekunder innan du slår på strömmen för att se till att den sista inställningen lagras. När den är påslagen startar strömförsörjningen alltid med den senast valda spänningen lagrad i EEPROM.

JAL -källfilen och Intel Hex -filen för programmering av PIC för revision 0 bifogas.

Steg 5: Programvaran för revision 2

För revision 2 är de viktigaste ändringarna i programvaran följande:

• Spänningsdetekteringsfunktionen har lagts till genom att mäta utspänningen för strömförsörjningen efter att den har ställts in. För detta används ADC -omvandlaren för PIC. Med hjälp av ADC tar programvaran prover av utspänningen och om utspänningen efter några prov är cirka 0,2 Volt högre eller lägre än den inställda spänningen, är strömförsörjningen avstängd.
• Använda DAC för PIC för att styra utspänningen på strömförsörjningen istället för att använda en digital potentiometer. Denna förändring gjorde programvaran enklare eftersom det inte var nödvändigt att skapa ett 3-trådigt gränssnitt för den digitala potentiometern.
• Ersätt lagringen i EEPROM med lagring i High Endurance Flash. PIC16F1765 har inte EEPROM ombord men använder en del av programmet Flash för att lagra icke-flyktig information.

Observera att spänningsdetekteringen inte är aktiverad från början. Vid uppstart kontrolleras följande knappar för att tryckas in:

• Ström på/av -knapp. Om de trycks in stängs båda spänningsdetekteringsfunktionerna av.
• Tryck ner knappen. Om den trycks ned aktiveras lågspänningsdetekteringen.
• Tryckknapp uppåt. Om den trycks in aktiveras högspänningsdetekteringen.

Dessa spänningsdetekteringsinställningar lagras i High Endurance Flash och återkallas när strömförsörjningen slås på igen.

JAL -källfilen och Intel Hex -filen för programmering av PIC för revision 2 bifogas också.

Steg 6: Slutresultatet

I videon ser du strömförsörjningsrevision 2 i funktion, den visar strömmen till/från -funktionen, spänning upp/spänning ned och användningen av förinställningarna. För denna demo kopplade jag också ett motstånd till strömförsörjningen för att visa att verklig ström strömmar genom den och att den maximala strömmen är begränsad till 2 ampere.

Om du är intresserad av att använda PIC -mikrokontroller med JAL - ett Pascal -liknande programmeringsspråk - besök JAL -webbplatsen.

Ha kul att göra detta instruerbart och ser fram emot dina reaktioner och resultat.