Цифровой источник питания постоянного тока - Устройства на микроконтроллерах - Схемы устройств на микроконтроллерах

внимание статья переведена с английского

Аннотация :

Очень важным устройством для электронных хобби является надежным источник питания постоянного тока. Надлежащее стабилизированным источник питания может стоить более 150 евро.
Использование умных микроконтроллер на основе дизайна мы можем построить питания, обладающий большими функциональными возможностями и намного дешевле. Те читатели, которые являются новыми для этой серии должны сначала прочитать Программирование микроконтроллеров AVR с GCC . Не волнуйтесь, если печатная плата похоже, что это слишком сложно для вашей домашней лаборатории. Все части и правильно травления печатных плат снова будет доступно из shop.tuxgraphics.org .

_________________ _________________ _________________

Введение

В 2002 году я написал статью о linuxfocus.org микроконтроллер основан источник питания постоянного тока (LF Ноябрь2002 article251 ) статья получила большой интерес, как я заметил из писем, которые я получил по этому вопросу. Дизайн этого источник питания Вместе с тем было что-то для продвинутых электронных хобби вентиляторов из-за сложности схемы. И вот теперь новый дизайн, который является менее сложным, но имеет гораздо больше возможностей.

Только дешевые и стандартные компоненты.
Только один источник питания не требуется (нет отдельной отрицательное напряжение питания для усилителей)
Дисплей показывает заданных и фактических значений напряжения и тока, в то же время.
Вы можете полностью контролировать источник питания с помощью ПК или его можно использовать автономно.
Это очень маленький и очень мощный.

Как это возможно, чтобы удалить компоненты и добавить больше возможностей? Фокус в том, чтобы переместить функциональность, которая ранее была основана на аналоговых компонентов, таких как операционные усилители в микроконтроллер. Другими словами, сложность программного обеспечения и алгоритмов выше, но аппаратные сложности снижается. Это уменьшает общую сложность для вас, как программное обеспечение может быть просто скопирована. Это также помогло то, что Atmega8 может сделать гораздо больше, чем в настоящее время прекращено AT90S4433 микроконтроллера. В этой статье вы также узнаете много нового о Atmega8. Вы видели, как использовать аналого-цифровой преобразователь. Теперь мы добавим очень быстро цифро-аналоговый преобразователь, который может быть полезным для многих других схем. В этой статье мы будем обсуждать оборудование и электрический проект. Там будут затем еще две статьи, где я объясняю, программное обеспечение. Мы также будем постепенно добавлять новые функции. Однако добавление тех, потребует лишь изменения программного обеспечения.

Основные электрические идея дизайна

Я мог, конечно, дать Вам только схема и некоторые инструкции о том, как его строить. Он, вероятно, работать, но вы не будете знать, как она работает. Большинство хобби электронных наборов такие. идеей shop.tuxgraphics.org покупки в Интернете, однако, для обеспечения хорошей и свободной документации наряду с разработкой наборов. В документации (например, этой статьи), мы объясняем, действительно, как это работает и почему она была разработана таким образом. Я считаю, что гораздо больше удовольствия, что-то построить, что я понимаю, и я надеюсь, вам понравится тоже. Начнем с простейшего стабилизированный источник питания. Он состоит из 2 основных частей: транзистор и опорного напряжения генерируется с Z-диод.

Выходное напряжение этой схемы Uref - 0,7. 0,7 примерно падения напряжения вы получите между В и Е на транзистор. Z-диод и резистор создания опорного напряжения, стабильная, даже если вход колеблется и шумно. Транзистор необходимо для обработки больших токах, чем Z-диод и резистор только может обеспечить. В этой конфигурации транзисторов только усиливает ток. Ток, сопротивление и Z-диод необходимо предоставить в выходной ток делится на HFE (ОФС является число, которое вы можете поиска в таблице транзистора). Каковы проблемы с этой схемой?

Транзистор умрет, когда есть короткого замыкания на выходе.
Она обеспечивает только фиксированным выходным напряжением.

Это довольно жесткие ограничения, которые делают эту схему непригодной, но эта схема до сих пор основным строительным блоком всех электронно регулируемые источники питания. Для преодоления этих проблем вам нужна "интеллектом", который будет регулировать ток на выходе и переменное напряжение ссылки. Вот и все (... и это делает схему намного сложнее). За последние несколько десятилетий люди использовали операционные усилители, чтобы обеспечить этот интеллект. Операционные усилители могут быть в основном используются как аналоговые калькуляторы для сложения, вычитания, умножения или логически "или" напряжений и токов. Сегодня микроконтроллеры так быстро, что все это можно легко сделать в программном обеспечении. Вся прелесть в том, что вы получите в качестве побочного эффекта вольтметр и амперметр бесплатно. Контур управления в микроконтроллерах должен знать, напряжения и тока во всяком случае.Вам просто необходимо для его отображения. Что нам нужно от микроконтроллера:

AD-конвертер для измерения напряжения и тока все время
DA-конвертер для отправки команд в нашей власти транзистор (обеспечивает опорное напряжение)

Проблема в том, что DA-преобразователь должен быть очень быстрым. Если есть короткое замыкание обнаружены на выходе мы должны немедленно сократить напряжение на базе транзистора в противном случае он умрет. Быстрый средств в миллисекундах (так быстро, как операционный усилитель). Atmega8 имеет AD-конвертер, который более чем достаточно быстро, но это на первый взгляд не DA-конвертер.Можно использовать импульсную модуляцию ширины и аналоговый фильтр нижних частот, чтобы получить DA-конвертер, но это слишком медленно для реализации защиты от короткого замыкания в программном обеспечении. Как построить быстро DA-конвертер?

R-2R лестнице

Есть много способов создания цифро-аналоговый преобразователь, но мы должны быстро и дешево, которое может легко интерфейс для нашего микроконтроллера. Существует DA-конвертор схема известна как "R-2R лестнице". Она состоит из резисторов и переключателей только. Есть два типа резисторов. Один с R и один с удвоенное значение R.

Выше, показывает, 3 бит R2R-DA-конвертер. Логика управления перемещается переключается между GND и Vcc. Цифровые "1" соединяется переходом на Vcc и цифровой "ноль" к общему проводу. Что делает эту схему сделать? Он обеспечивает напряжение с шагом Vcc / 8. В общем случае выходное напряжение Z * (Vcc / (Zmax +1), где Z является цифровой код В случае 3 бит ЦАП это:.. 0-7 внутреннее сопротивление цепи, как видно из выходной является Р. Вместо использования отдельных коммутаторов мы можем соединиться R-2R лестнице линии микроконтроллеров производства. выходной контакт из atmega8 может обеспечить около 10 мА, но на этот ток вы заметили, уже падение напряжения. Мы хотели бы использовать полный выход в диапазоне от 0-5V так нагрузка на выходе должна быть не менее 1 мА. Другими словами, мы строить R-2R лестнице с 5K и 10K резисторы. AD-конвертер Atmega8 имеет разрешение 10 бит. Для использования разрешение полностью мы должны также 10 бит для DA-конвертер. Другими словами, мы должны найти 10 выходных контактов, которые не используются на все остальное. Это маленькая проблема, как нам бы также хотелось иметь клавиатуру, ЖК-дисплей и последовательный I2C интерфейс для ПК, но Atmega8 неплохо. Он просто подходит.

Более детальное проектирование

Так вот теперь более детальное проектирование выше схеме.

Я не хочу разочаровывать вас, но это, к сожалению, до сих пор схемы, которые не будут использоваться. Однако это очень хорошо, чтобы понять идею, которая стоит за окончательный контур.
Так что же плохого в этой схеме? Существуют в основном две вещи:

ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) не может обеспечить ток привод силового транзистора
Микроконтроллер работает на 5V так максимальную мощность ЦАП 5V это означает, что максимальное выходное напряжение за мощного транзистора будет 5-0.7 = 4.3V.

Чтобы исправить это, мы должны добавить усилители тока и напряжения.

Окончательный контур

При добавлении усилителя мы должны иметь в виду, что те должны работать с большими сигналами. Большинство усилителя конструкции (например, для аудио) делается в предположении, что сигналы будут малы по сравнению с напряжением питания. Так что забудьте все классические книги о дизайне транзистора усилителя. Мы могли бы использовать операционные усилители но те, потребуют дополнительного положительного и отрицательного напряжений питания, которые мы хотим избежать. Существует также дополнительное требование о том, что усилитель должен идти от нуля напряжения питания для стабильной государство, не выводя заглянуть. Другими словами, не должно быть коротким колебаний или выходной заглянуть при включении источник питания. Что делать? Ну это не простая задача на всех, и требует некоторого опыта. Я пойду с вами через окончательной схемы и сделать необходимые расчеты. Начнем с силовой транзистор. По данным таблицы BD245B имеет HFE = 20 на 3A выход. Поэтому он будет привлечь около 150 мА на основе. Для усиления тока (снижение текущих, необходимой для работы схемы) мы используем конфигурации, известной как "Дарлингтон-транзистор". Для этого положим BD137 впереди. Он имеет HFE значение 50-100. Это позволит сократить текущие необходимо до менее чем 3 мА (150 мА / 50). 3 мА являются управляемыми с маленькими транзисторами сигнал как BC547/BC557. Эти небольшие транзисторы, затем очень хорошо для построения усилителя напряжения.

Для 30В выходе мы должны по крайней мере усиливают 5V с ЦАП на коэффициент 6. Для этого мы объединяем PNP и NPN транзистор, как показано ниже. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы:

Vampl = (R10 + R11) / R11

Источник питания должен быть доступен в 2 версиях: Max 30 выход 22В и максимальным выходом. Сочетание 1K и 5.6K дает множитель 6,6, что хорошо для 30V версии. . Для 22V версии мы используем 1K и 4.7K внутреннее сопротивление цепи, как показано на базе BC547 является:

Рин = hfe1 * S1 * R11 * R9 = 100 * 50 * 1К * 47K = 235 МОм

- HFE составляет около 100 до 200 за BC547 транзистор
- S является наклон кривой усиления транзистора и
 около 50 [единица = 1/Ohm]

Это более чем достаточно высок для подключения к нашей ЦАП который внутреннего сопротивления 5K. внутреннее сопротивление выходной эквивалент:

Разгром = (R10 + R11) / (S1 + S2 * R9 * R11) = около 2 Ом

Низкий достаточно, чтобы привести следующие BD137. R9 связей Основы BC557 к Излучатель что означает "выключено" для транзисторов, пока ЦАП и BC547 придумать. R11 и R10 галстук Основа BD137 первоначально земле, которая закрывает выходной каскад Дарлингтона вниз. Другими словами, каждый компонент в этой усилительного каскада изначально выключен. Это означает, что мы не сможем получить из этих транзисторов любые колебания или выходной выглядывает при включении питания. Теперь вы видели, как такие цепи. Нам нужно добавить некоторую защиту диодов и конденсаторов для стабилизации схемы, и мы сделали.

Окончательного замыкания в большой, как: [PNG] [PDF]
значения в квадратных скобках для 30V версии.
Схема и файл разводка платы (PCB формат), также включены в tar.gz пакет, который вы можете скачать в конце данной статьи. разъем называется "Raw округ Колумбия, в" (= CONN6) имеет 3 вывода. Контакт 1 "плюс" контакт 2 является "минус" (= GND), а контакт 3 должен быть подключен к заземления. Другими словами, "земля" не является ни напрямую подключены к GND, ни на «плюс».

Ограничения

Из предыдущего опыта я знаю, что большинству читателей хотелось бы, чтобы "настроить" схема немного. Вот список аппаратных ограничений и как их преодолеть:

78L05: макс 30В входного напряжения, ZD8.2 расширяет этот предел
примерно до 38В. Использование различных Z-диод можно расширить эту
немного. Я бы не выходить за рамки 45V.
Напряжение макс Вывод должен быть не менее 2V ниже, чем
входного напряжения.

BD245B: 10A 80W, 80W, однако, при температуре 25'C
Другими словами добавить запас прочности и расчета с 60W-70W:
(Макс. входное напряжение * Максимальный ток) <70 Вт

Вы можете добавить второй BD245B идти до 120Вт. Для обеспечения
что нынешний распределяет поровну добавить 0,22 Ом резистор
Эмитент в строке каждой BD245B.
Той же схеме и плате могут быть использованы. Горы транзисторов
на должном кулер алюминия и соединить их с короткими
провода к плате.

Текущий шунта измерения:
Это 0,5 или 0,55 Ом резистор с 6 Вт. Это достаточно хороший
около 3А продукции (Iout ^ 2 * 0,55 <= 6 Вт). Использование резистора
с более ватт для больших токов.

Источники питания

Вы можете использовать трансформатор, выпрямитель и большие конденсаторы, или вы можете попробовать получить источник питания 32/24V ноутбука. Я пошел на более поздний вариант. Те ноутбука источник питания "кирпичи" иногда продаются очень дешево (по акции), а некоторые из них обеспечивают 70 Вт при 24 В или 32 В постоянного тока даже. Большинство людей, вероятно, пойти на трансформатор, потому что те очень легко получить.

22V 2.5A версия: нужно 18В 2,5 А трансформатор, выпрямитель
 и 3000uF конденсатор. (Причина: 18 * 1,4 = 25В,
 по крайней мере 1000uF в ампер)

30V 2A версия: нужно 24V 2A трансформатор, выпрямитель и
 2200uF конденсатор. (Причина: 24 * 1,4 = 33.6V,
 по крайней мере 1000uF в ампер)

Это не вредит купить трансформатор, который может предоставить более ампер.

Мост силовых диодов с 4 диодами, которые указаны для
низкий перепад volatage (например BYV29-500) дает хорошее
выпрямителя.

Обратите внимание, что выше размеров не предназначено для постоянного Максимальная выходная мощность (причина: 22 * 2,5> 18 * 2.5). Существует никаких проблем использовать максимальную мощность на 10-20мин. Трансформатор будет получить немного теплой, но это только на короткое время. Если вы хотите, максимальная выходная мощность не только для пикового тока, но в течение часов и дней, то лимит максимальной выходной ток или напряжение в hardware_settings.h файл. Вы можете также использовать "тяжелые" трансформатора, но помните, что верхний предел задается силового транзистора. Формула:

VotageOfTransformer * 1,4 * MaxCurrent <70 Вт

70W является Ptot из BD245 минус маржа 10W savety. Проверьте схему для правильной изоляции. Убедитесь в том, что это не возможно прикоснуться к какой-либо части, которые могут нести 110V/230V даже тогда, когда дело ее открытой. Подключите все металлические части шасси на землю (не к общему проводу схемы).

Тестирование

Когда вы все распаяли то не вставить микроконтроллер в гнездо еще. Может быть некоторые основные тесты в первую очередь. Test1: Подключите источник питания некоторых (по крайней мере 15V) в степень вход схемы и убедитесь, что вы получите 5V DC за регулятором напряжения. Test2: Измерение выходного напряжения. Следует 0В. Test3: Подключите контакт 7 и пин-код 26 на микроконтроллер с проволокой (без микроконтроллера в гнездо). Вы должны получить на выходе пару вольт меньше, чем то, что используется на входе постоянного тока. Удаление проводов и выхода должны возвращаться к нулю. Будьте уверены, чтобы не вызывать никаких короткого замыкания на выходе. Вставьте микроконтроллера и загрузить программное обеспечение ЖК-тест, запустив команды в директории распакованного пакета tar.gz digitaldcpower.

сделать lcdtest
сделать lcdtestload

Вы должны увидеть "нормально работает" на дисплее. Теперь вы можете загрузить окончательный программно, как описано выше.

Слово предупреждения для дальнейшего тестирования с окончательным программного обеспечения: Будьте осторожны с коротких замыканий, пока вы проверили текущей функции ограничения. Способ сохранить для проверки ограничение тока является использование низких резистора Ом, например, автомобиль лампочки. Установите низкое ограничение тока, например, 30 мА при 10В. Вы должны увидеть напряжение падает сразу почти до нуля, как только вы подключите лампу на выходе. Существует еще неисправность в проводке, если он не войдет. Автомобиль лампочка будет защищать цепи питания даже при наличии вины, как это не полное короткое замыкание.

Программное обеспечение

Для любопытных я включил довольно подробное описание каждого. Файлов с в файле README из пакета tar.gz digitaldcpower. Код содержит также множество комментариев. В противном случае я планирую писать больше статей, которые просто объясняют программной части. В этой статье уже достаточно долго и нужно строить аппаратный в первую очередь. Я также добавлю постепенно все больше черт с следующих статьях:

Вы сможете хранить параметры (напряжение и ограничение тока), так что источник питания придумывает те же настройки после очередного включения питания.
Вы сможете контролировать источник питания от вас Linux ПК через RS-232 разъем.

Теперь вы хотите знать, как использовать программное обеспечение и как его загрузить.
Распакуйте пакет digitaldcpower tar.gz и "CD" в каталог, который будет создан.
Измените файл hardware_settings.h и настроить его в соответствии с аппаратным обеспечением. Здесь вы также можете сделать калибровки вольтметр и амперметр. Файл подробно прокомментирован.

Gedit hardware_settings.h

Подключите кабель программист и власти на цепи. Затем выполните команду:

сделать wrfuse4mhz

Это позволит установить тактовую частоту микроконтроллера 4 МГц. 
Программное обеспечение разработано для этой частоты.

делать

Это будет компиляция программного обеспечения.

сделать нагрузку

Это позволит загрузить программное обеспечение.

Некоторые рисунки и идеи

Вот некоторые фотографии из источник питания, который я построил. Картинки иногда гораздо лучше, чем длинное описание особенно когда дело доходит до оборудования и механических частей.

Вы можете создать простой, но профессионально выглядящий случае из листового алюминия и две деревянные доски.

Просто изгиб алюминия в два раза. Это легко сделать, даже без профессионального оборудования.

Две печатные платы. Меньше один для клавиатуры

Марк позиции кнопок на случай, прежде чем припой кнопки на борту. Это позволяет легко просверлить отверстия в правильном положении.

Цепи. Очень маленькая, многофункциональная и мощная.

Окончательный источник питания.

Удачи! ... и не будет больше удовольствия, потому что это оборудование может делать намного больше ...

Ссылки / Скачать

Страница загрузки для этой статьи (обновления и исправления также будут доступны здесь).
Как программировать atmega8 с GCC: November2004 статье 352
Datasheet для Atmega8: зайдите в http://www.atmel.com/ и выбрать товары-> Микроконтроллеры -> AVR-8-битный RISC-> Документация-> таблиц (локальная копия, PDF, 2479982 байт)
Преимуществом использования электроники разделе , совокупность всех статей в этой серии.
Преимуществом использования интернет-магазин, микроконтроллер разделе , Вы можете заказать все части (транзисторы, пассивные компоненты, ЖК-дисплей, печатные платы, микроконтроллер, ...) отсюда.

E-mail отправителя *:
Причина:	Такая схема уже есть на сайте Ненужный материал на сайте! Я против размещения этой статьи на сайте. В комментариях спам или нец-ая брань. Требую удаления материала.
Текст сообщения *:
Номер схемы или Url *: