Zasilacz laboratoryjny sterowany cyfrowo, zasilacze
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Zasilacz laboratoryjny
sterowany cyfrowo,
część 1
W†kaødym laboratorium
elektronicznym jest potrzebny
zasilacz o†duøej mocy
i†regulowanym napiÍciu na
wyjúciu. W†zasilaczu
opisanym w†artykule wszelkie
nastawy s¹ monitorowane
przez mikrokontroler.
Istnieje wiele rodzajÛw zasila-
czy laboratoryjnych, od bardzo
prostych do niezwykle z³oøonych.
Od liniowych analogowych zasi-
laczy z†regulacj¹ jedynie napiÍcia,
do zasilaczy impulsowych, z†mik-
roprocesorow¹ stabilizacj¹ napiÍ-
cia i†pr¹du, z†programowalnymi
przebiegami sygna³Ûw i†rozmaity-
mi funkcjami monitorowania oraz
z†interfejsem GPIB.
Prezentowany zasilacz naleøy
do grupy plasuj¹cej siÍ poúrodku.
W†zaleønoúci od wersji, napiÍcie
wyjúciowe wynosi 0...25V, przy
pr¹dzie wyjúciowym do 2,5A lub
0...20V, przy maksymalnym pr¹-
dzie wyjúciowym 1A. NapiÍcie
i†natÍøenie pr¹du s¹ nastawialne
cyfrowo, kaøde za pomoc¹ czte-
rech przyciskÛw (dwoma zgrubnie
i†dwoma dok³adnie), z†rozdziel-
Artyku³ publikujemy na pod-
stawie umowy z wydawc¹ mie-
siÍcznika "Elektor Electronics".
Tab. 1. Skrócone dane techniczne zasilacza laboratoryjnego
Parametr wersja 2,5A wersja 1A
Napięcie zasilania 230VAC −0/+10% przy 25V, 2,5A 230VAC ±10% przy 20V, 1A
±10% przy 24V, 2,5A
Dokładność ustalonego typowo +30mV
Editorial items appearing on
pages 41...44 are the copyright
property of (C) Segment B.V., the
Netherlands, 1998 which reserves
all rights.
typowo +30mV
napięcia
Dokładność ustalonego typowo +5mA
typowo +5mA
ograniczenia prądu
Tętnienia napięciowe
5mV (stabilizacja napięcia)
5mV (stabilizacja napięcia)
na wyjściu
10mV (stabilizacja prądu)
25mV (stabilizacja prądu)
Elektronika Praktyczna 3/2002
41
Rys. 1. Schemat zasilacza 2,5A. W nawiasach podano wartości dla zasilacza 1A.
42
Elektronika Praktyczna 3/2002
czoúci¹ 100mV i†10mA. Zadane
i†faktyczne wartoúci napiÍcia
i†pr¹du s¹ wyúwietlane na pod-
úwietlanym wyúwietlaczu ciek³ok-
rystalicznym. Zasilacz moøe byÊ
sterowany zdalnie przez wbudowa-
ny interfejs RS232, a†mierzone war-
toúci napiÍcia i†natÍøenia pr¹du s¹
przesy³ane przez ten interfejs
w†sposÛb ci¹g³y. W†protokole ko-
munikacyjnym s¹ uøywane tylko
znaki ASCII, zatem w†najprostszym
przypadku do wyúwietlania i†regu-
lacji wystarcza
HyperTerminal
. Od-
powiedni program sterowania zasi-
laczem jest dostÍpny bezp³atnie
z†autorskiej witryny
www.pic-ba-
sic.de
. Kod ürÛd³owy takøe zosta³
tam opublikowany, a†wiÍc program
ten moøe byÊ modyfikowany do
innych aplikacji.
Do sterowania zasilaczem s³u-
øy mikrosterownik PIC16F84 fir-
my Microchip z†programem napi-
sanym w†PIC-Basic 1.3. Kod ürÛd-
³owy, listing asemblera i†szesnas-
tkowy ìzrzutî kodu maszynowego
tego programu s¹ takøe udostÍp-
nione bezp³atnie pod wyøej po-
danym adresem. W†
tab. 1
zawarto
g³Ûwne dane techniczne zasilacza.
miniÍciem rezystancji úcieøek
i†stykÛw) dostosowywane do wy-
magaÒ napiÍciowych komparatora.
Pomiar pr¹du jest nieco bar-
dziej z³oøony, poniewaø w†pÍtli
sprzÍøenia zwrotnego musi zna-
leüÊ siÍ pr¹dowy rezystor szere-
gowy. Jego rezystancja musi byÊ
moøliwie ma³a, aby zbytnio nie
ograniczaÊ zakresu napiÍcia wyj-
úciowego i†zachowaÊ niskie straty
mocy. Z†drugiej strony jednak,
rezystor szeregowy musi mieÊ na
tyle duø¹ rezystancjÍ i†musi byÊ
dok³adny, aby odk³adaj¹cy siÍ na
nim (proporcjonalny do pr¹du)
spadek napiÍcia by³ mierzalny
przez komparator i†nie zosta³ zdo-
minowany przez napiÍcie polary-
zacji i†szumy.
Rezystor szeregowy jest utwo-
rzony z†dziesiÍciu po³¹czonych
rÛwnolegle rezystorÛw 1
a†odk³ada siÍ
na nim napiÍcie 25,25V + 0,0625V
= 25,3125V. Cztery pi¹te tego
napiÍcia odk³ada siÍ na R7 i†R8,
a†na R15 jedna pi¹ta, czyli
5,0625V. W†miejscu po³¹czenia R8
i†R15 wystÍpuje zatem dok³adnie
5V wzglÍdem masy. NapiÍcie na
wyjúciu dzielnika wynosi wiÍc
zawsze dok³adnie 1/5 napiÍcia
wyjúciowego, niezaleønie od natÍ-
øenia pr¹du, pobieranego przez
obci¹øenie i†p³yn¹cego przez re-
zystor szeregowy. Bez takiej kom-
pensacji spadek napiÍcia na re-
zystorze szeregowym wp³ywa³by
na napiÍcie wyjúciowe zasilacza.
Wzmacniacze operacyjne IC1 wy-
magaj¹ takøe ujemnego napiÍcia
wzglÍdem masy zasilacza, musz¹
wiÍc byÊ zasilane odpowiednio
ujemnym napiÍciem. Wystarczaj¹-
cego do tego celu napiÍcia dostar-
cza dioda D1.
Podzielone, wzmocnione
i†skompensowane napiÍcia pomia-
rowe s¹ nastÍpnie kierowane do
wejúÊ odwracaj¹cych wzmacnia-
czy operacyjnych IC1D (przez R9)
i†IC1A (przez R14), dzia³aj¹cych
jako komparatory. Komparatory te
porÛwnuj¹ aktualne napiÍcie i†ak-
tualny pr¹d z†wartoúciami wyma-
ganymi, otrzymywanymi z†mikro-
sterownika PIC16F84 (IC3). Moøe
on generowaÊ dwa analogowe syg-
na³y napiÍciowe za poúrednict-
wem filtrÛw RC: R11, C9 i†R12,
C8. NapiÍcia te powstaj¹ przez
ca³kowanie sygna³Ûw z†modulacj¹
szerokoúci impulsÛw z†wyjúÊ mik-
Klasyczna stabilizacja
analogowa
Uk³ad sk³ada siÍ z†bloku ana-
logowego i†cyfrowego (schemat po-
kazano na
rys. 1
), mieszcz¹cych
siÍ na jednej p³ytce drukowanej.
Jedynie tranzystory szeregowe,
modu³ wyúwietlacza i†transforma-
tor sieciowy (wraz z†doprowadze-
niem sieci i†wy³¹cznikiem) umie-
szczono poza p³ytk¹. Schemat
klasycznego stabilizatora analogo-
wego zosta³ unowoczeúniony przez
zastosowanie uk³adu scalonego
LT1491. Jest to poczwÛrny wzmac-
niacz operacyjny o†identycznych
wyprowadzeniach i†takich samych
(jeúli nie lepszych) parametrach
jak legendarny LM324.
DziÍki uøyciu precyzyjnych re-
zystorÛw warstwowych o†ma³ych
tolerancjach, wzmacniacze pracuj¹
na tyle dok³adnie, øe nie potrzeba
wielu punktÛw kalibracyjnych.
W†zasilaczu wyjúciowe napiÍ-
cie i†pr¹d s¹ nieustannie mierzo-
ne i†porÛwnywane z†wymaganymi
za pomoc¹ komparatorÛw. NapiÍ-
cie wyjúciowe jest w†tym celu
pobierane bezpoúrednio z†zacisku
wyjúciowego i†za poúrednictwem
dzielnika rezystancyjnego (z po-
o†tole-
rancji 1% (R24...R33). Tak po-
wsta³y rezystor jest taÒszy od
rezystora 0,1
/1%, a†oczekiwana
dok³adnoúÊ porÛwnywalna. Ele-
menty zosta³y tak rozmieszczone
na p³ytce drukowanej, aby rezys-
tancja skrÛconej do minimum
úcieøki obwodu tego rezystora
moøliwie najmniej wp³ywa³a na
pomiar.
Przy pr¹dzie obci¹øenia 2,5A,
spadek napiÍcia na rezystorze wy-
nosi 0,25V. Wzmacniacz operacyj-
ny IC1C w†wersji 2,5A wzmacnia
go 20-krotnie, a†w†wersji 1A 40-
krotnie. Wzmocnione napiÍcie jest
przez R14 doprowadzone do kom-
paratora.
Jednakøe na pomiar napiÍcia
wp³ywa rÛwnieø pr¹d. Wzmac-
niacz operacyjny IC1B dzieli spa-
dek napiÍcia na rezystorze szere-
gowym przez cztery i†odwraca go,
wytwarzaj¹c napiÍcie -0,0625V. Je-
Elektronika Praktyczna 3/2002
43
øeli napiÍcie na zaciskach wyj-
úciowych (czyli na obci¹øeniu)
wynosi 25V, to na zacisku dodat-
nim wzglÍdem masy zasilacza
powstaje 25,25V. Ca³kowita rezys-
tancja dzielnika napiÍcia (R7 + R8
+ R15) wynosi 50k
rokontrolera. RozdzielczoúÊ tych
przetwornikÛw cyfrowo-analogo-
wych wynosi 8†bitÛw.
DziÍki pojemnoúciom C6 i†C7
charakterystyki komparatorÛw s¹
dolnoprzepustowe. Ich wyjúcia
przez D6 i†D5, po³¹czone w†uk³ad
sumy galwanicznej (
wired OR
),
steruj¹ bazami tranzystorÛw sze-
regowych stabilizatora. Jeúli jedna
z†wielkoúci mierzonych przekro-
czy wartoúÊ wymagan¹, potencja³
baz jest obniøany do poziomu
masy, a†nawet nieco poniøej,
i†tranzystory szeregowe s¹ bloko-
wane. Jeøeli wymagane napiÍcie
lub wymagany pr¹d nie s¹ osi¹-
gane, sta³opr¹dowe ürÛd³o T1 do-
starcza pr¹du bazy 2mA (w†zasi-
laczu 2,5A) lub 360
WYKAZ ELEMENTÓW
Wersja 2,5A
(wersja 1A w nawiasach)
Rezystory
(* warstwowe metalizowane 1%)
R1: 220
, 5W
IC1: LT1491
IC2: TLC272
IC3: PIC16F84A−04P, zaprogramo−
wany, kod 000166−42
IC4: 4066
IC5, IC6: 74HC164
IC7: 78L05
IC8: MAX232
T1: BC557B
T2...T4: TIP142 (tylko jeden)
T5...T7: BC547B (nie potrzebne)
Różne
F1: bezpiecznik 2A, zwłoczny
F2: bezpiecznik 4A, zwłoczny (2A,
zwłoczny)
S1...S8: przycisk, C&K 3FTL6 + IS09
22.5, albo zwykły 10x10x20mm,
rozstęp 5mm
TR1: toroidalny transformator
sieciowy 24V. 80VA, np. UI39/1721
V, 2571 mA
X1: rezonator ceramiczny 4MHz, 3
wyprowadzenia
moduł LCD 16x1, z
podświetlaniem
oprawka bezpiecznika do druku
oprawka bezpiecznika do chassis,
albo aparatowe gniazdko
sieciowe z bezpiecznikiem
dwa zaciski prądowe, czerwony
i czarny
FI1: filtr sieciowy 2A
K1: 9−stykowy pinheader SIL ze
złączem D−9 (żeńskim) do chassis
K2: 5−stykowy pinheader
K4, K5: blok dwuśrubowy do
druku, rozstęp 5mm
14−stykowa podstawka układu
scalonego
18−stykowa podstawka układu
scalonego
12 szpilek lutowniczych
radiator 180x75x48mm, 0,6K/W
(100x50x31mm, 2,4K/W)
obudowa (szer x głęb x wys)
200x180x100mm, np. Telet typu
LC950
wyłącznik sieciowy
przewód sieciowy
płytka drukowana kod 000166−1
R2: 330
, 0,5W
Ω
R4: 100k
R5: 330
(1,8k
)
, 0,5W
R7, R18, R23: 1k
*
*
R9, R10, R13, R14, R40, R41, R43:
10k
Ω
R11, R12: 47k
R15, R16: 10k
*
A (w†zasila-
czu 1A), niezaleønie od napiÍcia
wyjúciowego.
Tak niewielki pr¹d w†zupe³-
noúci wystarcza, poniewaø T2, T3
i†T4 s¹ tranzystorami Darlingtona.
W†zasilaczu 2,5A uøyto trzech
tranzystorÛw szeregowych. Dla za-
pewnienia rÛwnomiernego roz-
dzia³u pr¹du pomiÍdzy nimi,
w†ich obwodach emiterowych
umieszczono rezystory 0,51
Ω
R20, R39: 1k
R21: 1k
* (0
)
R22: 18k
* (39k
*)
*, 0,6W
R35−R38: 100k
*
Ω
R44: 3,3k
Ω
R45...R47: 0,51
, 0,5W (nie
potrzebne)
P1: 10
wieloobrotowy, nastawczy
. Gdy
napiÍcie na jednym z†nich wzroú-
nie powyøej 0,65V (przy oko³o
1,3A), odpowiadaj¹cy mu jeden
z†tranzystorÛw T5, T6 i†T7 zacz-
nie przewodziÊ i†przerwie prze-
p³yw pr¹du w†tranzystorach Dar-
lingtona. W†ten sposÛb uk³ad jest
skutecznie zabezpieczony przed
impulsami pr¹dowymi, wywo³y-
wanymi zwarciami obci¹øenia,
ktÛre mog³yby zniszczyÊ tranzys-
tory szeregowe. W†zasilaczu 1A
uøyto tylko jednego tranzystora
Darlingtona, wiÍc rezystory emi-
terowe i†uk³ad zabezpieczaj¹cy sta-
j¹ siÍ zbÍdne. Do zasilacza 2,5-
amperowego jest potrzebny radia-
tor 0,6K/W, a†w†1-amperowym za-
stosowano radiator 2,4K/W. Przy
maksymalnym obci¹øeniu -†czyli
przy zwartym wyjúciu i†maksy-
malnym moøliwym pr¹dzie -†zo-
stanie osi¹gniÍta temperatura 80
o
C.
Obie wersje zasilacza moøna wiÍc
bez ograniczeÒ eksploatowaÊ przy
pe³nym obci¹øeniu (bez aktywne-
go ch³odzenia).
P2: 500
nastawczy płaski
nastawczy płaski
Kondensatory
C1: 10000
F/50V (4700
F/35V)
F/50V, stojący
C3, C13...C17, C20: 10
F/16V
C4, C7, C11, C18: 100nF,
ceramiczny, rozstaw 5mm
C5: 10nF, ceramiczny, rozstaw
5mm
C6: 1nF, ceramiczny, rozstaw
2,5mm
C8, C9: 10
F, tantalowy, kroplowy
C10: 4,7nF, FKS−2
C12: 4,7
F/63V, MKS−4
F/63V
Półprzewodniki
B1: B80C5000 (B80C1500)
D1: P600D (1N4007)
D2: dioda Zenera 12V/1,3W
D3...D6: 1N4148
k³adnego pomiaru i†dostarczania
dok³adnego napiÍcia jest oczywiú-
cie potrzebne dok³adne i†stabilne
napiÍcie wzorcowe. Otrzymuje siÍ
je za pomoc¹ diody Zenera D2
(stabilizacja wstÍpna 12V) i†na-
stÍpnie stabilizatora 5V, IC7. Na-
piÍciem 12V zasila siÍ takøe IC2.
Za pomoc¹ R3 i†P1 napiÍcie
stabilizatora IC7 moøna nastawiÊ
na 5,12V (w rzeczywistoúci
5,14...5,16V). Rezystor R3 jest
g³Ûwnym obci¹øeniem IC7 i†przez
P1 p³ynie oko³o 33mA. Pr¹d ten
zosta³ tak dobrany, aby dziesiÍ-
ciokrotnie przewyøsza³ pr¹d od-
prowadzany do masy przez sam
stabilizator IC7. DziÍki temu za-
leønoúÊ jego napiÍcia od obci¹øe-
nia jest bardzo ma³a.
NapiÍcie i†pr¹d ustalane
przez mikrokontroler
Elementem wspÛlnym czÍúci
analogowej i†cyfrowej zasilacza
jest mikrokontroler IC3. Do do-
44
Elektronika Praktyczna 3/2002
R3: 150
R6: 1k
R8, R17: 39k
R19: 8,2k
R24−R34: 1
R42: 47k
P3: 2,5k
leżący
C2: 470
C19: 10
W†rezultacie tych zabiegÛw na-
piÍcie wzorcowe jest bardzo sta-
bilne i†zmienia siÍ tylko pod
wp³ywem normalnego starzenia
siÍ elementÛw. Zaleca siÍ wiÍc,
jak w†przypadku wszystkich elek-
tronicznych przyrz¹dÛw pomiaro-
wych, rekalibrowaÊ zasilacz po
kilku latach.
NapiÍcie wzorcowe jest takøe
wykorzystywane w†przetworniku
amplitudowo-cyfrowym delta-sig-
ma, utworzonym z†IC2. Korzysta-
j¹c z†takiego sposobu konwersji
A/C, z†niewielu podzespo³Ûw
moøna zbudowaÊ przetwornik
o†wysokiej precyzji, za pomoc¹
ktÛrego moøna dokonywaÊ bardzo
dok³adnych i†powtarzalnych po-
miarÛw, niezaleønie od tolerancji
elementÛw. Jednak w†celu uprosz-
czenia kalibracji napiÍcia za po-
moc¹ potencjometru P2, uøyto
rezystorÛw 1%. W†procesie kon-
wersji oczywiúcie bierze takøe
udzia³ mikroprocesor. Konwersja
przebiega w†nastÍpuj¹cych eta-
pach: w†stanie pocz¹tkowym koÒ-
cÛwka A2 mikrosterownika (usta-
wiona jako wejúcie) jest w†stanie
wysokiej impedancji, a†koÒcÛwka
A3 (wyjúcie) na poziomie niskim.
Mierzone napiÍcie jest doprowa-
dzone do wejúcia nieodwracaj¹ce-
go IC2B, a†poniewaø dzia³a on
jako bufor, pojawia siÍ rÛwnieø na
jego wyjúciu. Za³Ûømy, øe napiÍ-
cie to wynosi dok³adnie 1,28V.
Zatem wyjúcie integratora IC2A
jest na potencjale dodatniego bie-
guna zasilania wzmacniacza. Wej-
úcie A2 interpretuje to jako stan
wysoki. Gdy ma byÊ dokonany
pomiar, mikrosterownik zmienia
poziom na wyjúciu A3 z†niskiego
na wysoki (czyli 5,12V) i†czeka aø
napiÍcie A2 zmieni siÍ na niskie.
Mikrosterownik za pomoc¹ prze-
³¹czania napiÍcia na wyjúciu A3
utrzymuje wyjúcie integratora
w†po³owie jego zakresu. Zmienia-
j¹cy siÍ sygna³ wyjúciowy integ-
ratora bÍdzie interpretowany przez
mikrosterownik jako wysoki lub
niski. Teraz jest mierzony wspÛ³-
czynnik wype³nienia sygna³u in-
tegratora. Moøna sprawdziÊ, øe
wyjúcie A3 musi utrzymywaÊ siÍ
na poziomie wysokim trzykrotnie
d³uøej niø na niskim. Jest tak
wtedy, gdy úrednie napiÍcie na
wejúciu odwracaj¹cym integratora
jest takie samo, jak napiÍcie na
jego wejúciu nieodwracaj¹cym,
czyli 2,56V.
Potrzebne jest zatem dodatnie
napiÍcie polaryzacji tego wejúcia
za pomoc¹ P2, bowiem ten rodzaj
przetwornika A/C nie moøe dzia-
³aÊ przy napiÍciach ujemnych -
algorytm mikrosterownika tego nie
dopuszcza. Jako IC2 wybrano
TLC272 z†wejúciami MOS, ponie-
waø przetwornik A/C jest dok³ad-
ny tylko wtedy, gdy pr¹dy wej-
úciowe s¹ znacznie mniejsze niø
w†bipolarnych uk³adach scalo-
nych. Za tÍ zaletÍ trzeba by³o
jednak zap³aciÊ stosunkowo wy-
sokim napiÍciem polaryzacji.
W†tym jednak przypadku, gdy
regulacja i†tak jest konieczna, nie
jest to niekorzystne. Uk³ad IC4
jest prze³¹cznikiem elektronicz-
nym, doprowadzaj¹cym do bufora
IC2B sygna³ pomiaru napiÍcia lub
pr¹du.
pomoc¹ IC5, a†interfejsem wy-
úwietlacza ciek³okrystalicznego
jest uk³ad IC6. S¹ to 8-bitowe
rejestry przesuwaj¹ce typu
74HC164 z†szeregowym wejúciem
i†rÛwnoleg³ym wyjúciem. Mikro-
sterownik ³aduje dane cyfrowe do
rejestrÛw za pomoc¹ RB5 (dane)
i†RB6 (taktowanie). W†przypadku
IC6 dane te s¹ poleceniami ste-
ruj¹cym i†kodami znakÛw, przesy-
³anymi do modu³u wyúwietlacza
w†trybie 8-bitowym z†uøyciem syg-
na³u strobuj¹cego z†wyjúcia RB7.
W†przypadku IC5 dane tworz¹
uk³ady bitÛw pozwalaj¹ce mikro-
procesorowi identyfikowaÊ (za po-
úrednictwem RB4) naciúniÍty kla-
wisz. Potencjometr P3 s³uøy do
regulacji kontrastu wyúwietlacza.
Suwak na potencjale masy odpo-
wiada k¹towi patrzenia 10 do 20
powyøej pionu, ktÛry jest zaleca-
ny, gdy zasilacz jest uøywany na
stole.
Wyprowadzenia mikrosterow-
nika RB0, RB2, i†RB3 wykorzys-
tano do komunikacji szeregowej.
DziÍki dobrze znanemu uk³adowi
MAX232 (IC8) poziom sygna³Ûw
mieúci siÍ w†granicach ±10V od
strony RS232, a†w†granicach po-
ziomÛw TTL od strony mikroste-
rownika. OprÛcz koniecznych wy-
prowadzeÒ dla sygna³Ûw nadawa-
nych i†odbieranych (RXD i†TXD)
jest takøe wyprowadzony sygna³
CTS (
Clear To Send
). Interfejs
RS232 umoøliwia zarÛwno zdalne
wyúwietlanie, jak i†zdalne stero-
wanie.
Opis oprogramowania i†dzia³a-
nia zasilacza zostanie przedsta-
wiony w†nastÍpnej czÍúci artyku-
³u.
R. Pagel, EE
Interfejsy
Mikrosterownik jest wyposaøo-
ny w†szereg interfejsÛw. Interfejs
klawiatury zosta³ zrealizowany za
Elektronika Praktyczna 3/2002
45
[ Pobierz całość w formacie PDF ]