Хороший, надежный и простой в использовании блок питания является наиболее важным и часто используемым устройством в каждой радиолюбительской лаборатории. Промышленный стабилизированный блок питания является достаточно дорогим устройством. Используя микроконтроллер при конструировании источника питания  можно построить устройство, которое имеет много дополнительных функций, легко в изготовлении  и очень доступно. Этот цифровой источник питания постоянного тока был очень успешным продуктом, и  сейчас доступна его третья версия. Он по-прежнему основан на той же идее, что и первый вариант, но поставляется с рядом хороших улучшений.

Введение

Этот блок питания является наименее сложным в изготовлении, чем большинство других схем, но имеет намного больше функций:

- На дисплее отображаются текущие измеренные значения напряжения и тока. 
- На дисплее отображается предварительно заданные пределы напряжения и тока. 
- Используются только стандартные компоненты(без специальных чипов). 
- Требуется напряжения питания одной полярности(нет отдельного отрицательного напряжение питания для операционных усилителей или управляющей логики) 
- Вы можете управлять блоком питания с компьютера.  Вы можете считать ток и напряжение, и Вы можете установить их простыми командами.  Это очень полезно для автоматизированного тестирования. 
- Небольшая клавиатура  для непосредственного ввода желаемого напряжения и максимального  тока. 
- Это действительно небольшой, но мощный источник питания.

Возможно удалить некоторые компоненты или добавить дополнительные функции?  Хитрость заключается в том, чтобы переместить функциональность аналоговых компонентов, таких как операционные усилители в микроконтроллер.  Иными словами, повышается сложность программного обеспечения, алгоритмов и уменьшается аппаратная сложность.  Это уменьшает общую сложность для вас, так как программное обеспечение может быть просто загружено.

Основные электрические идеи проекта

Давайте начнем с простейшего стабилизированного блока питания.  Он состоит из 2-х основных частей: транзистора и стабилитрона, который создает опорное напряжение.

Выходное напряжение этой схемы будет составлять Uref минус 0,7 Вольт, которые падают между В и Е на транзисторе.  Стабилитрон и резистор создают опорное напряжение, которое является стабильным, даже если на входе есть скачки напряжения.  Транзистор необходим для коммутации больших токов, которые стабилитрон и резистор не могут обеспечить.  В такой роли транзистор только усиливает ток.  Чтобы расчитать ток на резисторе и стабилитроне нужно выходной ток  поделить на HFE транзистора (HFE число, которое можно найти в таблице с характеристиками транзистора).

Какие проблемы в этой схеме? 

- Транзистор сгорит, когда будет короткое замыкание на выходе. 
- Она обеспечивает только фиксированное выходное напряжение.

Это довольно жесткие ограничения, которые делают эту схему непригодной для нашего проекта, но она является основой для конструирования блок питания с электронным управлением.

Для преодоления этих проблем необходимо использовать «интеллект», который будет регулировать ток на выходе и менять опорное напряжения.  Вот и все (... и это делает схему намного сложнее).

В последние несколько десятилетий люди используют операционные усилители, чтобы обеспечить этот алгоритм.  Операционные усилители в принципе могут быть использованы как аналоговые вычислители для сложения, вычитания, умножения или для осуществления операции логического "или" напряжений и токов.

В настоящее время все эти операции можно быстро выполнить с помощью микроконтроллера.  Вся прелесть в том, что вы получите в качестве бесплатного дополнения вольтметр и амперметр. Во всяком случае микроконтроллер должен знать  выходные параметры тока и напряжения.  Вам просто нужно отобразить их. Что нам нужно от микроконтроллера:

- АЦП(аналого-цифровой преобразователь) для измерения напряжения и тока. 
- ЦАП(цифро-аналоговый преобразователь) для управления транзистором (регулировка опорного напряжения).

Проблема в том, ЦАП должен быть очень быстрым.  Если будет обнаружено короткое замыкание на выходе, то мы должны немедленно уменьшить напряжение на базе транзистора в противном случае он сгорит.  Быстрота реакции должна быть в пределах  миллисекунд (так быстро, как операционный усилитель).

ATmega8 имеет АЦП, который является достаточно быстрым, и на первый взгляд он не имеет ЦАП.  Можно использовать широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) и аналоговый фильтр нижних частот, чтобы получить ЦАП, но ШИМ сам по себе слишком медленный в программном отношении для реализации защиты от короткого замыкания.  Как построить быстрый ЦАП?

R-2R матрица

Есть много способов для создания цифро-аналоговых преобразователей, но он должен быть быстрым и простым, который будет легко взаимодействовать с нашим микроконтроллером. Существует схемы преобразователя, известного как "R-2R матрица".  Он состоит только из резисторов и переключателей. Используются два типа номинала резисторов. Один со значением R и один с удвоенным значением R.

Выше показана схема 3 битного R2R - ЦАП. С помощью логического управления происходит переключение между GND и Vcc.  Логическая единица соединяет переключатель с Vcc, а логический ноль с GND.  Что делает эта схема? Она регулирует напряжение с шагом Vcc / 8. Общее выходное напряжение равно:

Uout = Z * (Vcc / (Zmax +1), где Z разрадность ЦАП (0-7), в данном случае 3-битный.

Внутреннее сопротивление цепи, как видно, будет равно R.

Вместо использования отдельного переключателя можно подключить R-2R матрицу к линиям порта микроконтроллера.

Создание сигнала постоянного тока разного уровня с помощью ШИМ(широтно-импульсная модуляция)

Широтно-импульсная модуляция является методом, когда генерируют импульсы и пропускают их через фильтр нижних частот с частотой среза значительно ниже, чем частота импульсов.  В результате сигнал постоянного тока и напряжения зависит от ширины этих импульсов.

В Atmega8 присутствует аппаратный 16-битных ШИМ. То есть теоретически можно иметь 16-битный ЦАП с помощью небольшого количества компонентов. Чтобы получить реальный сигнал постоянного тока из ШИМ-сигнала надо его отфильтровать, это может быть проблемой при высоких разрешениях. Чем больше надо точности, тем ниже должна быть частота ШИМ-сигнала. Это означает, что нужны конденсаторы большой емкости, а время отклика получается очень медленным. Первая и вторая версии цифрового источника питания постоянного тока были построены на 10 битной R2R матрице. То есть максимальное выходное напряжение может быть установлено за 1024 шага. Если использовать ATmega8 с тактовым генератором частотой 8 МГц и 10 битный ШИМ, то импульсы ШИМ сигнала будут иметь частоту 8MHz/1024 = 7.8KHz. Чтобы получить наиболее хороший сигнал постоянного тока нужно отфильтровать его фильтром второго порядка от 700 Гц или меньше.

Можно представить, что произойдет, если использовать 16-битный ШИМ.  8MHz/65536 = 122Hz.  Ниже 12Hz, то что нужно.

Объединение R2R-матрицы и ШИМ

Можно совместно использовать ШИМ и R2R-матрицу.  В этом проекте мы будем использовать 7-битную R2R-матрицу в сочетании с 5-битным ШИМ-сигналом.  С тактовой частотой контроллера 8 МГц  и 5-битным разрешением мы получим сигнал 250 кГц.  Частота 250 кГц может быть преобразована в сигнал постоянного тока с помощью небольшого числа конденсаторов.

В оригинальной версии цифрового источника питания постоянного тока был использован 10-битный ЦАП на основе R2R-матрице.  В новом дизайне мы используем R2R-матрицу и ШИМ с общим разрешением 12 бит.

Передискретизация

За счет некоторого времени обработки можно увеличить разрешение аналого-цифровой преобразователь (АЦП).  Это называется передискретизацией.  Четверная передискретизация дает результат в двойном разрешении.  То есть: 4 последовательных образцов могут быть использованы для получения в два раза больше шагов на АЦП.  Теория, лежащая передискретизации объясняется в PDF документ, который вы можете найти в конце этой статьи.  Мы используем передискретизации для напряжения контура управления.  На текущий контур управления мы используем исходное разрешение АЦП как быстрое время отклика здесь более важным, чем разрешение.

Подробное описание проекта

Несколько технических деталей, по-прежнему отсутствуют: 

- ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) не может управлять силовым транзистором 
- Микроконтроллер работает от 5V, это означает что максимальный выход ЦАП равен 5V, а максимальное выходное напряжение на силовом транзисторе будет 5 - 0.7 = 4.3V.

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

Добавление усилительного каскада на ЦАП

При добавлении усилителя мы должны иметь в виду, что он должен работать с большими сигналами.  Большинство конструкций усилителей (например, для аудио) делается в предположении, что сигналы будут малы по сравнению с напряжением питания.  Так что забудьте все классические книги о расчете усилителя для силового транзистора.

Мы могли бы использовать операционные усилители, но те потребуют дополнительного положительного и отрицательного напряжения питания, которые мы хотим избежать.

Существует также дополнительное требование, что усилитель должен усиливать напряжение от нуля в стабильном состоянии без колебаний.  Проще говоря не должно быть никаких колебаний напряжения при включении питания.

Ниже показана схема усилительного каскада, который подходит для этой цели.

Начнем с силового транзистора. Мы используем BD245 (Q1). В соответствии с характеристиками транзистор имеет HFE = 20 на 3А.  Поэтому он будет потреблять около 150 мА на базе.  Чтобы усилить управляющий ток мы используем связку известную как "Дарлингтон-транзистор".  Для этого используем транзистор средней мощности. Как правило, значение HFE должно быть 50-100.  Это позволит уменьшить  необходимый ток до 3 мА (150 мА / 50). Ток 3mA является сигналом поступающим с маломощных транзисторов, таких как BC547/BC557. Транзисторы с таким выходным током очень хорошо подходят для построения усилителя напряжения.

Чтобы получить на выходе 30В мы должны усиливать 5В идущие с ЦАП с коэффициентом 6.  Для этого мы объединяем PNP и NPN транзисторы, как показано выше.  Напряжение коэффициента усиления этой схемы вычисляется:

Vampl = (R6 + R7) / R7

Блок питания может быть доступен в 2-х версиях: с максимальным выходым напряжением 30 и 22В. Сочетание 1K и 6.8K дает коэффициент 7,8, который хорош для версии 30В, но возможно будут некоторые потери на более высоких токах (наша формула является линейной, но в реальности нет).  Для 22В версии мы используем 1K и 4.7K.

Внутреннее сопротивление цепи, как показано на базе BC547 будет: 

Rin = hfe1 * S1 * R7 * R5 = 100 * 50 * 1К * 47K = 235 МОм

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

Это более чем достаточно высокой для подключения к нашему ЦАП, который имеет внутреннее сопротивление 5кОм. 

Внутреннее эквивалентное сопротивление выхода:

Rout = (R6 + R7) / (S1 + S2 * R5 * R7) = около 2Ом

Достаточно низкое, чтобы использовать транзистор Q2.

R5 связывает базу BC557 с эмиттером, что означает "выключено" для транзистора до ЦАП и BC547 придумать.  R7 и R6 связать основе Q2 сначала к земле, которая отключает выходной каскад Дарлингтона вниз.

Другими словами, каждый компонент в этом усилительном каскаде изначально выключен. Это означает, что мы не получим от транзисторов никаких входных и выходных колебаний при включении или выключении питания. Это очень важный момент. Я видел дорогие промышленные источники питания в которых бывают скачки напряжения при выключении. Такие источники, безусловно, следует избегать, поскольку они могут легко убить чувствительные устройства.

Пределы

Из предыдущего опыта я знаю, что некоторые радиолюбители хотели бы "настроить" устройство под себя. Вот список аппаратных ограничений и пути их преодоления:

BD245B:  10A 80Вт.  80Вт при температуре 25'C. Другими словами есть запас мощности из расчета 60-70Вт: (Max input voltage * Max current) < 65Вт.

Вы можете добавить второй BD245B и увеличить мощность до 120Вт.  Чтобы убедиться, что текущая распределяется поровну добавить 0,22Ом резистор в эмиттер линии каждого BD245B.  Та же схема и плата может быть использована.  Установите транзисторов на должном кулер алюминия и соединить их с короткими проводами к плате.  Усилитель может управлять второй транзистор питания (это максимум), но вы, возможно, необходимо отрегулировать коэффициент усиления.

Шунт для измерения тока: Мы используем резистор 0,75Ом мощностью 6Вт. Мощности достаточно хватает при токе 2,5А (Iout ^ 2 * 0,75 <= 6Вт).  Для больших токов используйте резисторы соответствующей мощности.

Источники питания

Вы можете использовать трансформатор, выпрямитель и конденсаторы большой емкости или можете использовать адаптер для ноутбука  32/24В.  Я пошел по второму варианту, т.к. адаптеры иногда продаются очень дешево (по акции), а некоторые из них обеспечивают 70Вт при 24В или даже 32В постоянного напряжения.

Большинство радиолюбителей, вероятно, будут использовать обычные трансформаторы, потому что их легко достать. 

Для версии 22В 2.5A нужно: 3A 18В трансформатор, выпрямитель и 2200мкФ или 3300мкФ конденсатор.  (18 * 1,4 = 25В)
Для версии 30В 2A нужно: 2.5A 24В трансформатор, выпрямитель и 2200мкФ или 3300мкФ конденсатор.  (24 * 1,4 = 33.6В)

Не повредит если использовать более мощный по току трансформатор. Выпрямительный мост из 4 диодов с низким падением напряжения (например, BYV29-500) дает намного лучшие характеристики.

Проверьте ваше устройство на случай плохой изоляции. Убедитесь, что будет не возможно прикоснуться к любой части устройства, где может быть напряжение 110/230 В. Соединить все металлические части корпуса на землю (не GND схемы).

Трансформаторы и адаптеры питания для ноутбуков

Если вы хотите использовать два или более источника питания в своем устройстве, чтобы получить положительное и отрицательное напряжение, тогда важно, чтобы трансформаторы были изолированы.  Будьте осторожны с  адаптерами питания для ноутбуков. Маломощные адаптеры еще могут подойти, но в некоторых из них может быть подключен минусовой контакт на выходе с контактом земли на входе. Это возможно вызовет короткое замыкание через заземляющий провод при использовании двух источников питания в блоке.

Другие напряжение и ток

Есть два варианта 22В 2.5A и 30В 2A.  Если вы хотите изменить пределы выходного напряжения или тока(только уменьшить) , то просто измените файл hardware_settings.h.

Пример: Чтобы построить 18В 2.5A версию вы просто меняете  в файле hardware_settings.h максимальное выходное напряжение 18В. Вы можете использовать 20В 2.5A источник питания.

Пример: Чтобы построить 18В 1.5A версию вы просто меняете в файле hardware_settings.h максимальное выходное напряжение до 18В и макс.  ток 1.5A. Вы можете использовать 20В 1.5A источник питания.

Тестирование

Последний элемент установленный на плату должен быть микроконтроллер. Перед тем, как установить его я рекомендовал бы сделать некоторые основные тесты оборудования:

Test1: Подключить небольшое напряжение (достаточно 10В) к входным клеммам платы и убедитесь, что регулятор напряжения выдает ровно 5В постоянного напряжения.

Test2: Измерьте выходное напряжение. Оно должно быть 0В (или близкое к нулю, например, 0,15, и оно будет стремиться к нулю, если вы подключите вместо нагрузки резисторы на 2кОм или 5кОм.)

Test3: Установить микроконтроллер на плату и загрузить программное обеспечение LCD-тест, выполнив команды в директории распакованного пакета tar.gz digitaldcpower. 

сделать test_lcd.hex
сделать load_test_lcd

Вы должны увидеть на дисплее надпись: "LCD works".

Теперь вы можете загрузить рабочее программное обеспечение.

Некоторые слова предупреждения для дальнейшего тестирования с рабочим программным обеспечением: Будьте осторожны с короткими замыканиями, пока вы не испытали функцию ограничения. Безопасным способом проверить ограничение тока является использование резисторов с малым сопротивлением(единицы Ом), например, автомобильные лампочки.

Установите низкое ограничение тока, например, 30мА при 10В.  Вы должны увидеть что напряжение уменьшится сразу почти до нуля, как только вы подключите лампочку на выходе. Существует неисправность в цепи, если напряжение не понижается.  С помощью автомобильной лампы можно защитить цепь питания, даже если есть неисправность, поскольку она не делает короткого замыкания.

Программное обеспечение

Этот раздел даст вам понимание того, как работает программа, и как вы можете использовать знания, чтобы сделать некоторые изменения в ней.  Однако следует помнить, что защита от короткого замыкания сделана программным способом. Если вы сделали где-то ошибку, то защита может не сработать. Если у вас произойдет короткое замыкание на выходе, то ваше устройство окажется в облаке дыма.  Чтобы избежать этого, вы должны использовать 12В автомобильную лампу (см. выше) для проверки защиты от короткого замыкания.

Теперь немного о структуре программы. При первом взгляде на основную программу (файл main.c, скачать в конце этой статьи), вы увидите, что есть только несколько строк кода инициализации, которые выполняются при включении питания, а затем программа входит в бесконечный цикл.

Действительно, в этой программе есть два бесконечных цикла. Одним из них является основной цикл ("while(1){ ...}" в файле main.c), а другой представляет собой периодическое прерывание от аналогового цифрового преобразователя (функция "ISR(ADC_vect){...}" в файле analog.c).  После инициализации прерывание выполняется каждые 104мкс.  Все остальные функции и код выполняются в контексте одного из этих циклов.

Прерывание может остановить выполнение задачи основного цикла в любое время.  Затем оно будет обрабатываться, не отвлекаясь на другие задачи, а дальше выполнение задачи снова продолжится в главном цикле на месте, где она была прервана. Из этого следует два вывода: 

1. Код прерывания не должен быть слишком длинным, так как он должен завершиться до следующего прерывания. Потому что здесь важно количество инструкций в машинный коде.  Математическая формула, которая может быть записана в виде одной строки CИ-кода может использовать до сотни строк машинного кода. 

2. Переменные, которые используются в функции прерывания и в коде главного цикла могут внезапно измениться в середине исполнения.

Все это означает, что такие сложные вещи, как обновление дисплея, проверка кнопок, преобразование тока и напряжения  должны быть сделано в теле главного цикла. В прерываниях мы выполняем задачи критические по времени: измерение тока и напряжения, защита от перегрузки и настройка ЦАП. Чтобы избежать сложных математических расчетов в прерываниях они выполняются в единицах ЦАП. То есть в тех же единицах что и АЦП(целые значения от 0 ... 1023 для тока и 0 .. 2047 для напряжения).

Это основная идея программы.  Я также коротко объясню про файлы которые вы найдете в архиве(при условии, что вы знакомы с CИ).

main.c - этот файл содержит основную программу.  Все инициализации производятся здесь.  Основной цикл также реализуется здесь.
analog.c - аналого-цифровой преобразователь, все что работает в контексте прерывания задачи может быть найдено здесь.
dac.c - цифро-аналоговый преобразователь.  Инициализируется из ddcp.c, но использованы только с analog.c
kbd.c - программа обработки данных с клавиатуры
lcd.c - драйвер ЖК-дисплея.  Это специальная версия, в которой не понадобится RW контакт дисплея.

Загрузка и использование программного обеспечения

Для загрузки программного обеспечения в микроконтроллер вам нужен программатор, такой как avrusb500.  Вы можете скачать zip архивы программного обеспечения в конце статьи.

Отредактируйте файл hardware_settings.h и настройте его в соответствии с вашим оборудованием.  Здесь вы также можете сделать калибровку вольтметра и амперметра.  Файл хорошо прокомментирован.

Подключите кабель к программатору и к вашему устройству. Затем установите биты конфигурации на работу микроконтроллера от внутреннего генератора частотой 8МГц. Программа предназначена для этой частоты.

Кнопки

Блок питания имеет 4 кнопки для местного управления напряжением и макс.  током, 5-я кнопка служит для сохранения настроек в памяти EEPROM, чтобы в следующий раз при включении блока были эти же настройки напряжения и тока.

U+ увеличивает напряжение и U - уменьшает. Когда вы держите кнопку, то через некоторое время  показания будут "бежать" быстрее, чтобы легко изменить напряжение в больших пределах. Кнопки I + и I - работают так же.

Дисплей

Индикация дисплея выглядит следующим образом:

Стрелка справа указывает на то, что в настоящее время работает ограничение по напряжению. Если есть короткое замыкание на выходе или подключенное устройство потребляет больше установленного тока, то стрелка будет высвечиваться в нижней строке дисплея, что означает включение ограничения по току.

Некоторые фотографии устройства

Вот некоторые фотографии источника питания который я собирал.

Он очень маленький, но с более широкими возможностями и более мощными, чем многие другие источники питания:

Старые алюминиевые радиаторы от процессоров Pentium хорошо подойдут для охлаждения силовых элементов:

Размещение платы и адаптера внутри корпуса:

Внешний вид устройства:

Вариант двухканального блока питания. Прислал Boogyman: