Superb Lab Power Supply: 15 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

Från min synvinkel är ett av de bästa sätten att komma igång inom elektronik att bygga din egen laboratorieförsörjning. I denna instruerbara har jag försökt samla alla nödvändiga steg så att vem som helst kan bygga sin egen.

Alla delar av enheten kan beställas direkt i digikey, ebay, amazon eller aliexpress utom mätarkretsen. Jag gjorde en anpassad mätarkretssköld för Arduino som kunde mäta upp till 36V - 4A, med en upplösning på 10mV - 1mA som också kan användas för andra projekt.

Strömförsörjningen har följande funktioner:

• Nominell spänning: 24V.
• Nominell ström: 3A.
• Utgångsspänningsippel: 0,01% (Enligt specifikationerna för strömförsörjningssatsen).
• Spänningsmätningsupplösning: 10mV.
• Nuvarande mätupplösning: 1mA.
• CV- och CC -lägen.
• Överströmsskydd.
• Överspänningsskydd.

Steg 1: Delar och kopplingsschema

Förutom bilden har jag bifogat filen WiringAndParts.pdf till detta steg. Dokumentet beskriver alla funktionella delar, inklusive beställningslänken, i bänkens strömförsörjning och hur du ansluter dem.

Nätspänningen kommer in genom en IEC -panelkontakt (10) som har en inbyggd fusibel hållare, det finns en strömbrytare i frontpanelen (11) som bryter kretsen som bildas från IEC -kontakten till transformatorn (9).

Transformatorn (9) matar ut 21VAC. 21 VAC går direkt till strömförsörjningskretsen (8). Strömförsörjningskretsens (8) utgång går direkt till IN -uttaget på mätarkretsen (5).

Mätkretsens (5) UT -anslutning är direkt ansluten till strömförsörjningens positiva och negativa bindningsposter (4). Mätarkretsen mäter både spänning och ström (hög sida) och kan aktivera eller inaktivera anslutningen mellan in och ut.

Kablar, i allmänhet använder du skrotkablar du har i huset. Du kan kontrollera internet för lämplig AWG -mätare för 3A men i allmänhet fungerar tumregeln för 4A/mm², speciellt för korta kablar. För nätspänningskablar (120V eller 230V) använd lämpligt isolerade kablar, 600V i USA, 750V i Europa.

Seriepass -transistorn för strömförsörjningskretsen (Q4) (12) har kopplats i stället för att lödts för att möjliggöra en enkel installation av kylflänsen (13).

De ursprungliga 10K potentiometrarna i strömförsörjningskretsen har ersatts med flervridningsmodeller (7), detta möjliggör en exakt justering av utspänningen och strömmen.

Arduino -kortet i mätarkretsen drivs med en strömuttagskabel (6) som kommer från strömförsörjningskretsen (8). Strömförsörjningskortet har modifierats för att få 12V istället för 24V.

Den positiva stiftet på CC -lysdioden från strömförsörjningskretsen är ansluten till lägesanslutningen på mätarkretsen. Detta gör att den kan veta när CC eller CV -läget ska visas.

Det finns två knappar anslutna till mätarkretsen (3). Av -knappen "röd" kopplar ur utspänningen. På -knappen “svart” ansluter utspänningen och återställer OV- eller OC -fel.

Det finns två potentiometrar kopplade till mätarkretsen (2). Den ena anger OV -tröskeln och den andra anger OC -tröskeln. Dessa potentiometrar behöver inte vara multiturn, jag har använt de ursprungliga potentiometrarna från strömförsörjningskretsen.

20 x 4 I2C alfanumerisk LCD (1) är ansluten till mätarkretsen. Den visar den aktuella informationen om utspänning, utgångsström, OV -börvärde, OC -börvärde och status.

Steg 2: Strömförsörjningssats

Jag köpte detta kit som är klassat som 30V, 3A:

Jag bifogar en monteringsguide som jag hittade på Internet och en bild av schemat. I korthet:

Kretsen är en linjär strömförsörjning.

Q4 och Q2 är en Darlington -array och bildar seriepass -transistorn, den styrs av operationsförstärkarna för att hålla spänningen och strömmen vid önskat värde.

Strömmen mäts med R7, vilket lägger till detta motstånd i den låga sidan gör marken för strömförsörjningskretsen och utgångsmarken annorlunda.

Kretsen driver en lysdiod som tänds när konstantströmläget är på.

Kretsen innehåller Graeth -bron för att rätta till AC -ingången. AC -ingången används också för att generera en negativ förspänning för att nå 0V.

Det finns inget termiskt skydd i denna krets, så lämplig dimensionering av kylflänsen är mycket viktig.

Kretsen har en 24V utgång för en "valfri" fläkt. Jag har ersatt 7824 -regulatorn med en 7812 -regulator för att få 12V för Arduino -kortet i mätarkretsen.

Jag har inte monterat lysdioden, istället har jag använt denna signal för att indikera mätarkretsen om strömförsörjningen är i CC eller CV.

Steg 3: Montering av strömförsörjningskrets

I denna krets är alla delar genomgående hål. I allmänhet måste du börja med de minsta.

• Löd alla motstånd.
• Löd resten av komponenterna.
• Använd en tång när du böjer dioder för att undvika att de går sönder.
• Böj ledningarna för DIP8 TL081 -förstärkarna.
• Använd kylflänsen när du monterar kylflänsar.

Steg 4: Mätarkretsdesign och schematisk

Kretsen är en sköld för Arduino UNO kompatibel med R3 -versioner. Jag har designat den med delar tillgängliga på digikey.com.

Utgången från vkmaker -strömförsörjningskretssatsen är ansluten till IN -kopplingsblocket och OUT -kopplingsblocket går direkt till strömförsörjningens bindningsposter.

R4 är ett shuntmotstånd i den positiva skenan som värderas 0,01ohm, den har ett spänningsfall proportionellt mot den aktuella utgången. Differentialspänningen R4 kopplas direkt till RS+ och RS-stift på IC1. Det maximala spänningsfallet vid maximal strömutgång är 4A*0,01 ohm = 40mV.

R2, R3 och C2 bildar ett ~ 15Hz filter för att undvika brus.

IC1 är en hög sidströmförstärkare: MAX44284F. Den är baserad i en hackad operationsförstärkare som gör att den kan få en mycket låg ingångsspänning, max 10uV vid 25ºC. Vid 1mA är spänningsfallet i R4 10uV, lika med den maximala ingångsspänningen.

MAX44284F har en spänningsförstärkning på 50V/V så att utspänningen, SI -signalen, vid maximal ström på 4A, kommer att värdera 2V.

Den maximala vanliga ingångsspänningen för MAX44284F är 36V, detta begränsar ingångsspänningsområdet till 36V.

R1 och C1 bildar ett filter för att undertrycka 10KHz och 20KHz oönskade signaler som kan visas på grund av enhetens arkitektur, det rekommenderas på sidan 12 i databladet.

R5, R6 och R7 är en högimpedansspänningsdelare på 0,05V/V. R7 med C4 bildar ett ~ 5Hz filter för att undvika brus. Spänningsdelaren placeras efter R4 för att mäta den verkliga utspänningen efter spänningsfallet.

IC3 är MCP6061T operationsförstärkare, den bildar en spänningsföljare för att isolera spänningsdelaren med hög impedans. Den maximala ingångsförspänningsströmmen är 100pA vid rumstemperatur, denna ström är försumbar för spänningsdelarens impedans. Vid 10mV är spänningen vid ingången till IC3 0,5mV, mycket större än dess ingångsförskjutna spänning: max 150uV.

Utgången från IC3, SV -signalen, har en spänning på 2V vid 40V ingångsspänning (högsta möjliga är 36V på grund av IC1). SI- och SV -signaler är anslutna till IC2. IC2 är en MCP3422A0, en dubbelkanal I2C sigma delta ADC. Den har en intern spänningsreferens på 2,048V, valbar spänningsförstärkning på 1, 2, 4 eller 8V/V och valbart antal 12, 14, 16 eller 18bits.

För denna krets använder jag en fast förstärkning på 1V/V och en fast upplösning på 14bit. SV- och SI -signalerna är inte differentiella så den negativa stiftet för varje ingång måste jordas. Det betyder att antalet tillgängliga LSB kommer att vara hälften.

Eftersom den interna spänningsreferensen är 2,048V och det effektiva antalet LSB är 2^13 blir ADC -värdena: 2LSB per varje 1mA vid ström och 1LSB per varje 5mV vid spänning.

X2 är kontakten för ON -tryckknappen. R11 förhindrar Arduino-stiftingången från statiska urladdningar och R12 är ett pull-up-motstånd som gör 5V när det inte trycks och ~ 0V när det trycks in. I_ON -signal.

X3 är kontakten för avstängningsknappen. R13 förhindrar Arduino-stiftingången från statiska urladdningar och R14 är ett uppdragningsmotstånd som gör 5V när det inte trycks och ~ 0V när det trycks. I_OFF -signal.

X5 är kontakten för överströmskyddets börvärdespotentiometer. R15 hindrar Arduino -ingångsstiftet från statiska urladdningar och R16 förhindrar +5V -skenan från en kortslutning. A_OC -signal.

X6 är kontakten för överspänningsskyddets börvärdespotentiometer. R17 hindrar Arduino -ingångsstiftet från statiska urladdningar och R18 förhindrar +5V -skenan från en kortslutning. A_OV -signal.

X7 har en extern ingång som används för att få konstant ström eller konstant spänning för strömförsörjningen. Eftersom den kan ha många ingångsspänningar görs den med Q2, R19 och R20 som spänningsnivåreglage. I_MOD -signal.

X4 är kontakten på den externa LCD-skärmen, det är bara en anslutning av 5V-skenan, GND och I2C SCL-SDA-linjer.

I2C -linjer, SCL och SDA, delas av IC2 (ADC) och den externa LCD -skärmen, de dras upp av R9 och R10.

R8 och Q1 utgör drivrutinen för K1 -reläet. K1 ansluter utspänningen vid strömförsörjning. Med 0V i -CUT är reläet utan ström, och med 5V i -CUT är reläet drivet. D3 är den fria hjuldioden för att undertrycka negativa spänningar när reläspolen spänns.

Z1 är en övergående spänningsdämpare med en nominell spänning på 36V.

Steg 5: Mätkrets -kretskort

Jag har använt gratisversionen av Eagle för både schemat och kretskortet. Kretskortet är 1,6 tjock dubbelsidig design som har ett separat jordplan för den analoga kretsen och den digitala kretsen. Designen är ganska enkel. Jag fick en dxf -fil från Internet med dimensioner för konturen och positionen för Arduino -nålhuvudkontakterna.

Jag lägger ut följande filer:

• Original örnfiler: 00002A.brd och 00002A.sch.
• Gerber -filer: 00002A.zip.
• Och BOM (Bill Of Materials) + monteringsguide: BOM_Assemby.pdf.

Jag beställde kretskortet till PCBWay (www.pcbway.com). Priset var otroligt lågt: $ 33, inklusive frakt, för 10 brädor som kom på mindre än en vecka. Jag kan dela de återstående brädorna med mina vänner eller använda dem i andra projekt.

Det är ett misstag i designen, jag satte en via att röra silkscreen i 36V -legenden.

Steg 6: Montering av mätkrets

Även om de flesta delar är SMT i detta bräda, kan det monteras med ett vanligt lödkolv. Jag har använt en Hakko FX888D-23BY, pincett med fin spets, lite lödväg och en 0,02 lödning.

• Efter att ha fått delarna är den bästa idén att sortera dem, jag har sorterat kondensatorer och motstånd och häftat påsarna.
• Montera först de små delarna, börja med motstånd och kondensatorer.
• Montera R4 (0R1) med en av de fyra avledningarna.
• Löd resten av delarna, i allmänhet för SOT23, SOIC8, etc. det bästa sättet är att applicera lödet i en kudde först, lödda delen på sin plats och sedan löd resten av ledningarna. Ibland kan lödet koppla ihop många kuddar, i det här fallet kan du använda flussmedel och lödväg för att ta bort lödet och rengöra luckorna.
• Montera resten av genomgående hålskomponenter.

Steg 7: Arduino -kod

Jag har bifogat filen DCmeter.ino. Allt program ingår i denna fil förutom LCD -biblioteket “LiquidCrystal_I2C”. Koden är mycket anpassningsbar, särskilt formen på förloppsindikatorer och meddelandena som visas.

Som alla arduino -koder har setup () -funktionen utförts första gången och loop () -funktionen körs kontinuerligt.

Inställningsfunktionen konfigurerar displayen, inklusive specialtecknen för förloppsindikatorn, stängs i tillståndsmaskinen MCP4322 och ställer in reläet och LCD -bakgrundsbelysningen för första gången.

Det finns inga avbrott, i varje iteration gör loopfunktionen följande steg:

Få värdet på alla insignaler I_ON, I_OFF, A_OC, A_OV och I_MOD. I_ON och I_OFF är avstängda. A_OC och A_OV läses direkt från Arduino ADC och filtreras med mediandelen av de tre senaste mätningarna. I_MOD läses direkt utan att debounce.

Kontrollera starttiden för bakgrundsbelysningen.

Kör tillståndsmaskinen MCP3422. Varje 5 ms undersöker den MCP3422 för att se om den senaste omvandlingen slutfördes och i så fall startar den nästa, successivt får värdet av spänning och ström närvarande vid utgången.

Om det finns nya värden på utspänning och ström från tillståndsmaskinen MCP3422, uppdaterar strömförsörjningens status baserat på mätningarna och uppdaterar displayen.

Det finns en dubbelbuffertimplementering för snabbare uppdatering av displayen.

Följande makron kan justeras för andra projekt:

MAXVP: Maximal OV i 1/100V enheter.

MAXCP: Maximal OC i 1/1000A enheter.

DEBOUNCEHARDNESS: Antal iterationer med ett på varandra följande värde för att gissa att det är korrekt för I_ON och I_OFF.

LCD4x20 eller LCD2x16: Kompilering för 4x20 eller 2x16 display, alternativet 2x16 är inte implementerat ännu.

4x20 -implementeringen visar följande information: I den första raden är utspänningen och utströmmen. I den andra raden en förloppsindikator som representerar utgångsvärdet i förhållande till skyddets börvärde för både spänning och ström. Int på tredje raden det aktuella börvärdet för överspänningsskydd och överströmskydd. I den fjärde raden strömförsörjningens aktuella status: CC ON (På i konstant strömläge), CV ON (På i konstant spänningsläge), OFF, OV OFF (Av som visar att strömförsörjningen gick av på grund av en OV), OC OFF (Av som visar att strömförsörjningen gick av på grund av en OC).

Jag har skapat den här filen för att utforma tecknen i statusfältet:

Steg 8: Termiska frågor

Att använda rätt kylfläns är mycket viktigt i denna montering eftersom strömförsörjningskretsen inte är självskyddad mot överhettning.

Enligt datablad har 2SD1047-transistorn en koppling till termisk resistans hos Rth-j, c = 1,25ºC/W.

Enligt den här webbkalkylatorn: https://www.myheatsinks.com/calculate/thermal-resi… är värmebeständigheten hos kylflänsen jag har köpt Rth-hs, luft = 0,61ºC/W. Jag antar att det verkliga värdet är lägre eftersom kylflänsen är ansluten till fodralet och värmen kan släppas ut på det sättet också.

Enligt ebay -säljaren är värmeledningsförmågan hos isolatorarket jag har köpt K = 20,9W/(mK). Med detta, med en tjocklek på 0,6 mm, är det termiska motståndet: R = L/K = 2,87e-5 (Km2)/W. Så det termiska motståndshöljet mot kylflänsen för isolatorn för 15 mm x 15 mm ytan på 2SD1047 är: Rth-c, hs = 0,127 ° C/W. Du hittar en guide för dessa beräkningar här:

Den högsta tillåtna effekten för 150ºC i korsningen och 25ºC i luften är: P = (Tj-Ta) / (Rth-j, c + Rth-hs, air + Rth-c, hs) = (150-25) / (1,25 + 0,61 + 0,127) = 63W.

Transformatorns utspänning är 21VAC vid full belastning, vilket ger i genomsnitt 24VDC efter dioder och filtrering. Så den maximala spridningen blir P = 24V * 3A = 72W. Med tanke på att kylflänsens värmebeständighet är lite lägre på grund av metallhöljes avledning har jag antagit att det är tillräckligt.

Steg 9: Kapsling

Kapslingen, inklusive frakt, är den dyraste delen av strömförsörjningen. Jag hittade den här modellen på ebay, från Cheval, en Thay -tillverkare: https://www.chevalgrp.com/standalone2.php. Faktum är att ebay -säljaren var från Thailand.

Denna låda har ett mycket bra värde för pengarna och kom ganska bra förpackat.

Steg 10: Mekanisera frontpanelen

Det bästa alternativet för att mekanisera och gravera frontpanelen är att använda en router som denna https://shop.carbide3d.com/products/shapeoko-xl-k… eller till exempel göra ett anpassat plastskydd med PONOKO. Men eftersom jag inte har routern och jag inte ville spendera mycket pengar bestämde jag mig för att göra det på det gamla sättet: Klippning, trimning med fil och användning av överföringsbokstäver för texten.

Jag har bifogat en Inkscape -fil med schablonen: frontPanel.svg.

• Skär schablonen.
• Täck panelen med målartejp.
• Lim stencilen på målartejpen. Jag har använt en limpinne.
• Markera borrens position.
• Borra hål för att låta bandsågen eller sågklingan komma in i de inre skärningarna.
• Klipp alla former.
• Trimma med en fil. Vid runda hål för potentiometrar och bindande stolpar är det inte nödvändigt att använda sågen innan filning. När det gäller displayhålet måste filtrimningen vara den bästa möjliga eftersom kanterna kommer att synas.
• Ta bort schablonen och målartejpen.
• Markera texternas position med en penna.
• Överför bokstäverna.
• Ta bort pennmarkeringarna med ett suddgummi.

Steg 11: Mechanizing Back Pannel

• Markera kylflänsens läge, inklusive hålet för effekttransistorn och hållarens skruvar.
• Markera hålet för att komma åt kylflänsen från insidan av nätaggregatet, jag har använt isolatorn som referens.
• Markera hålet för IEC -kontakten.
• Borra formerna.
• Borra hålen för skruvarna.
• Skär formerna med en tång.
• Trimma formerna med en fil.

Steg 12: Montera frontpanelen

• Ta bort en flerledarkabel från skrot för att få kablar.
• Bygg LCD -enheten som lödar I2C till parallellt gränssnitt.
• Bygg "molex -kontakt", tråd och krympbar rörmontering för: potentiometrar, tryckknappar och LCD. Ta bort eventuella utstick i potentiometrar.
• Ta bort pekarringen på vredet.
• Skär stången av potentiometrar till vredets storlek. Jag har använt en kartongbit som mätare.
• Fäst tryckknapparna och strömknappen.
• Montera potentiometrarna och installera rattarna, multiturn -potentiometrarna som jag har köpt har en ¼ tum axel och envarvsmodellerna har en 6 mm axel. Jag har använt brickor som distanser för att trimma avståndet mellan potentiometrar.
• Skruva fast de bindande stolparna.
• Sätt in dubbelsidig tejp i LCD -skärmen och fäst den på panelen.
• Löd de positiva och negativa trådarna till bindningsstolparna.
• Montera GND -terminalen i den gröna bindningsposten.

Steg 13: Montera bakpanelen

• Skruva kylflänsen på bakpanelen, även om färg är en värmeisolator, har jag lagt fett från kylflänsen för att öka värmeöverföringen från kylflänsen till kapslingen.
• Montera IEC -kontakten.
• Placera de självhäftande distanserna med strömförsörjningssatskretsen.
• Skruva på effekttransistorn och isolatorn, det måste finnas termiskt fett på varje yta.
• Montera 7812 för att driva arduino, den är vänd mot höljet för att tillåta värmeavledning med en av skruvarna som håller kylflänsen. Jag borde ha använt en plastbricka så här https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Transistor-… men jag slutade använda samma isolator som effekttransistorn och en böjd del av fodralet.
• Anslut effekttransistorn och 7812 till strömförsörjningskretsen.

Steg 14: Slutmontering och kabeldragning

• Markera och borra hålen för transformatorn.
• Montera transformatorn.
• Stick fast de självhäftande benen på höljet.
• Stick fast DC -mätarkretsen med hjälp av självhäftande distanser.
• Skrapa färgen för att skruva GND -klacken.
• Bygg nätspänningskablarna, alla avslutningar är 3/16”Faston. Jag har använt krympbart rör för att isolera avslutningarna.
• Skär den främre delen av hållaren på höljet på höger sida för att få plats med strömknappen.
• Anslut alla ledningar enligt monteringsguiden.
• Montera säkringen (1A).
• Sätt utspänningspotentiometern (VO -potentiometern) till lägsta CCW och justera utspänningen så nära noll volt som möjligt med hjälp av multiturn finjusteringspotentiometern i vkmaker -strömförsörjningskretsen.
• Montera höljet.

Steg 15: Förbättringar och vidare arbete

Förbättringar

• Använd brickor i odlare för att undvika att skruvar lossnar med vibrationer, särskilt vibrationer från transformatorn.
• Måla frontpanelen med transparent lack för att förhindra att bokstäver raderas.

Ytterligare arbete:

• Lägg till en usb-kontakt så här: https://www.ebay.com/itm/Switchcraft-EHUSBBABX-USB-… på bakpanelen. Användbart för uppgradering av kod utan demontering eller för att göra en liten ATE som styr On Off -funktionerna, få status och mäta med en PC.
• Gör 2x16 LCD -kompilering av kod.
• Skapa en ny strömförsörjningskrets, istället för att använda vkmaker -kit, med digital styrning av utspänning och ström.
• Utför lämpliga tester för att karakterisera strömförsörjningen.

Första pris i Power Supply Contest