Индикация для блока питания своими руками

Индикация для блока питания своими руками

Модуль индикации, защиты и управления для лабораторного блока питания

Автор: CODE43
Опубликовано 20.08.2012
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса «Поздравь Кота по-человечески 2012!»

Итак, уважаемые товарищи Коты, разговор, как вы уже наверное догадались из названия, будет о таком важном, даже крайне необходимом приборе в лаборатории радиолюбителя, — лабораторном блоке питания (далее ЛБП). У меня первым таким блоком (еще в далекие школьные годы, на заре радиолюбительской деятельности) был простейший регулируемый параметрический стабилизатор на «дедушке» П213, затем он эволюционировал в стабилизатор на микросхеме uA723, потом — в стабилизатор на микросхеме LM317, которая была усилена внешним мощным составным транзистором. Этот работал безотказно многие годы, пока не случилось вот что: после экспериментов с очередной самоделкой (уже не помню, что это было), которые затянулись далеко за полночь, ушел спать, блок оставил включенным. Очевидно, ночью домашний кот Макс решил прогулятся по моему рабочему столу и нечаянно (или все-таки умышлено?) замкнул выход (провода от БП свободно валялись на столе). Защита, конечно, сработала и переключила блок питания в режим стабилизации тока (а регулятор тока после экспериментов оказался выкручен на максимум — где то 5А). БП начал изображать из себя нагревательный прибор, разогревая токоограничивающие резисторы. Утром обнаружил такую картину: проплавленную дыру в пластмассовом корпусе прибора и полностью выгоревшую схему. Восстанавливать было бессмысленно. Да. это я отвлекся.
Так вот, было решено делать совершенно новый ЛБП с учетом современного развития электроники и микроконтроллеров. Ориентировочные ТТХ были такими:

1) Мощный регулируемый канал 0. 50В, 0. 5А (Мне в большинстве случаев хватает);
2) 2-полярный регулируемый канал +/- 0. 15В, 1А (для питания схем на операционниках);
3) Защита по току, защита от КЗ;
4) Отображение текущего напряжения и тока каждого из каналов;

Саму схему ЛБП описывать не стану, так как каждый сам для себя решает какую схему использовать, — их огромное количество. Я остановился на схеме мощного стабилизатора из (1), переделав ее по указанным там рекомендациям под свои нужды, а двуполярный стабилизатор собрал по схеме из (2). Разговор будет о 3 и 4 пунктах — устройстве отображения напряжений и токов всех каналов. До этого в своих БП использовал стрелочные индикаторы. Для одного канала использовал два таких индикатора — один показывал напряжение, второй ток. Для трех пришлось бы использовать все 6, или также 2 и коммутировать их переключателем, что вызывает определенные неудобства с одновременным считыванием информации. Кроме того, в некоторых случаях нужно с высокой точносьтью выставлять выходнное напряжение или ток ЛБП. Поэтому было решено проектировать цифровое устройство отображения. К тому времени уже основательно освоил программирование микроконтроллеров и решил делать устройство с применением оных. Выбор пал на PIC16F874 из среднего семейства PICmicro, у которого наибольшее число аналоговых входов — 6, как раз столько, сколько надо. Схему данного устройства и выкладываю на суд Котов. Характеристики устройства следующие:

Число каналов для измерения напряжения — 3;
Число каналов для измерения тока — 3;
Пределы измерения напряжения всех 3-х каналов — 0. 50В;
Пределы измерения тока мощного канала (условно — канал 1) — 0. 10А;
Пределы измерения токов маломощных каналов (каналы 2, 3) — 0. 1А;
Индикация — ЖКИ 16 символов, 2 строки;
Защита по току — есть;
Программируемая установка тока срабатывания защиты:
Канал 1 — 0. 5А;
Каналы 2,3 — 0. 1А;
Возможность сохранения установок тока защиты в энергонезависимую флеш-память контроллера;
Свето-звуковая индикация срабатывания защиты с индикацией номера канала, в котором сработала защита;
Функция автоматического шим-управления вентилятором охлаждения регулирующего транзистора в зависимости от протекающего через нагрузку тока.

Последняя функция была организована на начальном этапе проектирования: не оказалось подходящего по площади радиатора для регулирующего транзистора — пришлось прикрутить к тому, что было, а он грелся как чайник — пришлось охлаждать вентилятором. Потом решил оставить, так как оставались свободные выводы контроллера.
Первая часть схемы — узел измерения напряжений и токов (рис. 1).

Рис. 1
Напряжение мощного канала (канал 1, 0. 30В, 5А) измеряется с помощью делителя R30, R2 (1:20) и подается на измерительный вход АЦП микроконтроллера RA0 (рис. 2), аналогично, с помощью делителей R6, R7 и R8, R9 измеряются напряжения двуполярного стабилизатора. Для измерения отрицательного напряжения дополнительно применен инвертирующий усилитель ОР2.1, с выхода которого снимается уже положительное напряжение для измерения. Напряжения с делителей поступают на измерительные входы микроконтроллера RA1 и RA2 соответственно.
Измерение тока мощного канала организовано с помощью операционного усилителя ОР1. На усилителе ОР1.1 собран масштабирующий усилитель, который меряет падение напряжения на шунте R3, вторая половина микросхемы используется как повторитель (ОР1.2). С выхода повторителя сигнал поступает на измерительный вход микроконтроллера RA3 (3). Тут следует заметить, что в книге товарища Зайца, из которой был взят этот узел нигде не указано, что измерение тока таким способом дает нормальную точность только при больших измеряемых токах (у меня точно меряется где-то начиная с 0,7А), а при измерении малых токов (до 1А) такой способ дает большую погрешность. Однако, для мощного канала это не столь важно, так как в основном он используется для налаживания мощной нагрузки и достаточно ориентировочно знать протекающий ток.
Для двуполярного стабилизатора такой способ измерения тока не подошел ввиду сказанного выше — большая погрешность измерения малых токов. Кроме того, возникла проблема измерения тока в отрицательном канале — микроконтроллеру для измерения по определению нужно положительное напряжение и одними инвертирующими усилителями тут не обойтись (пробовал и такой вариант). Поиски в сети не увенчались успехом — какого-либо готового работоспособного решения тогда так и не нашел. Пришлось, как говорится, учить матчасть :-). Решение нашлось в литературе (4) и называлось оно (. бррр. ) — «изолированные от земли амперметры с малым падением напряжения». Если коротко — это электрометрический вычитатель на операционных усилителях, в цепи обратных связей которых включены измерительные резисторы. Предварительное моделирование в 10-й версии Мультисима показало работоспособность данной схемы и бешеную точность измерения тока (практически удалось достичь точности до третьего знака после запятой). Затем моделирование было перенесено на практический макет, где были устранены все недостатки и глюки теоретического моделирования. Работоспособная схема показана на рис. 1. Для положительного канала измеритель тока собран на ОУ ОР3, ОР5.1, для отрицательного — на ОУ ОР4, ОР5.2. Измерительные шунты обоих каналов (R10-R13, R14-R17) имеют сопротивление 1 Ом и отводы через 0,25 Ом (о конструкции — ниже). С выходов 1 и 7 ОУ ОР5 напряжения, пропорциональные протекающим токам обоих каналов, поступают на измерительные входы микроконтроллера (RE0 и RA5 соответственно). Для правильной работы данной схемы необходимо (как выяснилось эксперементально), чтоб напряжения питания ОУ было больше, чем максимальное напряжение канала, в котором измеряется ток (в данном случае — 15В). Поэтому ОУ питаются двуполярным питанием +12В и -5В (это сделано для того, чтобы не городить еще один БП для питания ОУ, и запитать их от уже имеющихся).
Следующая часть схемы — узел индикации и управления (рис. 2)

Рис. 2
Как уже было сказано выше, основой является микроконтроллер PIC16F874. Порт А и один вывод порта Е (RE0) используются для измерений напряжений и токов, порт В — для параллельной передачи данных в ЖКИ WH1602 (LCD1). К порту С подключены исполнительные устройства: транзисторные ключи VT1 и VT2 управляют реле К1 и К2, которые подают на выходные клеммы ЛБП напряжение двуполярного стабилизатора и отключают его в случае срабатывания защиты. Полевой транзистор VT4 вместе с дросселем L1, диодом VD3 и конденсатором C3 используется для ШИМ-управления вентилятором охлаждения. Транзистор VT3 включает/выключает бузер BUZ1 (с встроенным генератором). На выводе RC6 появляется сигнал логической 1 в случае срабатывания защиты в мощном канале ЛБП (в моем случае мощный стабилизатор уже имеет собственную защиту от КЗ и по току, поэтому вывод оставил не подключенным). Остальные три вывода порта С зарезервированы для случая, когда захочется еще чего-нибудь подключить. Порт D используется для передачи сигналов управления ЖКИ (RS, E), также к нему подключены подтянутые через резисторы R3 — R6 к «+» питания кнопки управления SB1-SB4. Джампер Jmp1 используется для поключения ЖКИ разных типов. Если ЖКИ не имеет встроенного источника отрицательного напряжения, то резистор регулировки контрастности R11 подключаем джампером к общему проводу. Если в используемом ЖКИ присутствует такой источник (на плате ЖКИ можно обнаружить микросхему ICL7660), то R11 подключаем джампером к 15 выводу ЖКИ. Иначе не удастся установить нормальную контрастность в таком ЖКИ. Генератор микроконтроллера настроен на частоту 4Мгц (Cr1, C1, C2).

Теперь о работе программы микроконтроллера.

При подаче питания, микроконтроллер выполняет процедуры инициализации и настройки портов, инициализацию ЖКИ. Затем следует индикация заставки: три экрана с краткими характеристиками и версией прошивки. После каждой смены экрана бузер издаст короткий «Бип».

Затем программа спросит, нужно ли загружать установки защиты: здесь следует заметить, что во второй строке ЖКИ будут написаны назначения кнопок в меню, которое в данный момент на экране. При первом включении загрузятся предварительные установки 1,5А для мощного канала и 0,5А для двух других каналов. Эти значения можно изменить в предпоследней строке программного кода:

end
Если нажать Yes(SB3) — на ЖКИ отобразится индикация загрузки и загрузятся установки защиты, затем программа перейдет к основному циклу, если нажать No(SB4) — программа загрузит предварительные установки и сразу перейдет к основному циклу без индикации.
В основном цикле программа последовательно измеряет напряжения на входах порта А и Е, перекодирует в двоично-десятичный формат и записывает результат в регистры индикации. Одновременно проверяется, не вышло ли какое-нибудь значение тока за установленные пределы, также в конце цикла происходит управление вентилятором: по умолчанию длительность ШИМ устанавливается 10%, затем при увеличении тока на 1А последовательно длительность будет автоматически увеличиватся до 90%, при уменьшении тока аналогично длительность ШИМ будет автоматически уменьшаться до 10%. Константы, которые записываются в регистры модуля ССР описаны вот в этом куске кода:

Каждые 5мс происходит прерывание на индикацию. В основном режиме работы на ЖКИ будет отображаться напряжение и ток в мощном канале.
При нажатии кнопки СН2,3 (SB1) на ЖКИ будет отображаться напряжения и токи в двух других каналах ЛБП. При повторном нажатии на эту же кнопку будет отображаться снова мощный канал.
При нажатии кнопки Setup (SB3) (на ЖКИ она не подсвечивается, так как не хватило знако-места. Надпись «Setup» можно сделать на передней панели ЛБП непосредственно под/над кнопкой SB3) на ЖКИ отображается меню установки тока срабатывания защиты всех трех каналов:
CH1 (SB2) — установка тока срабатывания защиты мощного канала, CH2 (SB3), CH3 (SB4) — соответственно каналах «+» и «-» двуполярного стабилизатора. Exit (SB1) нажимаем, если передумали чего-либо устанавливать.
Меню установки тока срабатывания защиты выглядит следующим образом (для всех каналов одинаковое, меняется только номер канала):
кнопками (SB3) устанавливаем необходимый ток срабатывания защиты, который будет отображаться в верхней строке ЖКИ, Save (SB4) — сохраняем, Exit (SB1) — выходим, если опять передумали, или выходим после сохранения (при нажатии Exit во всех случаях выходим в основное меню отображения напряжений и токов). При сохранении ЖКИ отобразит процес сохранения.
Потом, при повторном включении, когда программа спросит загружать ли установки, нужно нажать yes — загрузятся сохраненные установки. В программе предусмотрена защита от установки слишком большого тока срабатывания защиты (например, если у вас БП может выдать ток 5А, а установили 10А, то толку от такой защиты не будет). При превышении некого предела (в данном случае 5А для мощного канала и 1А для двух других) на ЖКИ отобразится надпись LIMIT! и как бы вы не жали кнопку увеличения — значение не будет изменятся в большую сторону. Аналогично будет при установке слишком малого тока срабатывания защиты (иначе защита срабатывала бы от любой помехи или касания выходных клемм ЛБП).
При срабатывании защиты в любом из каналов на ЖКИ отобразится мигающая надпись OVERLOAD с номером канала, в котором сработала защита, а бузер будет издавать прерывистый сигнал. Если защита сработала в нескольких каналах — номера этих каналов будут чередоваться по кругу.
При этом микроконтроллер отключит канал, в котором сработала защита (RC6, реле К1, К2) и будет оставаться в таком состоянии, пока не устранена причина, вызвавшая срабатывание защиты и не нажата кнопка Reset (SB4).

Блок питания модуля

Блок питания (рис. 3) выполнен по стандартным схемам и особенностей не имеет.
На интегральных стабилизаторах VR1 и VR3 выполнены источники
Рис. 3
питания +12В и -5В, на микросхеме VR2 выполнен источник +5,12В для питания микроконтроллера (он же выступает в качестве источника образцового напряжения для АЦП).

Конструкция и налаживание

Устройство смонтировано на двухсторонней печатной плате (Рис.4)

Рис. 4

В процессе рисования возникла мысль сделать так, чтоб плата выполняла еще и функцию передней панели ЛБП. Так и было сделано. На ПП присутствуют места под необходимые регуляторы, которые могут использоваться по своему усмотрению (или не использоваться). также под каждым органом управления предусмотрена подсветка СМД-светодиодом. Плата рассчитана на установку выводных деталей и микроконтроллера в DIP-корпусе, кроме операционных усилителей — они в корпусах SO-8. Подстроечные резисторы, кроме R11, многооборотные (желательно использовать отечественные, например СП5-2, но у меня таких много не нашлось, поэтому плата под импортные 3296). Измерительные резисторы R10-R17 изготавливаются из провода с высоким удельным сопротивлением. Сначала нужно как можно точнее замерять отрезок 0,25 Ом, например с помощью методики (6), и затем нарезать восемь таких отрезков одинаковой длинны. Отрезки провода впаиваются непосредственно в плату в предусмотренные места.
Шунт R3 использован готовый от дешевого китайского цифрового тестера с пределом измерения тока 10А. Рекомендую сразу после изготовления платы соединить все переходные отверстия, чтоб потом не было плясок с бубном. Затем установить светодиоды подсветки (если она будет использоваться), а потом уже устанавливать остальные детали. Когда плата будет полностью готова, нужно тщательно отмыть ее от флюса, особенно в районе установки ОУ, затем приступаем к налаживанию. Для этого нам нужен цифровой мультиметр (а лучше — два). Прошиваем микроконтроллер, устанавливаем на положенное ему место (рекомендую использовать панельку), подаем на плату питание. Первым делом устанавливаем подстроечным резистором R36 в блоке питания напряжение 5,12В. Если все правильно сделано — микроконтроллер прошит, грубых ошибок в монтаже нет — на ЖКИ должна появится заставка, бузер три раза пропищит и затем мы должны увидеть запрос на загрузку установок. Нажимаем любую кнопку. Мы должны увидеть напряжения и ток в первом канале, как и положено — нули. подаем на входные клеммы платы напряжение с регулируемого БП, к выходным подключаем какую-нибудь нагрузку (например, мощный реостат, чтоб можно было регулировать ток). ЖКИ покажет какое-то напряжение и ток, скорее всего, ложные. Подключаем один мультиметр параллельно нагрузке, второй — в разрыв, для контролирования тока. Подбором одного из резисторов делителя R2, R30 (временно можно впаять переменный) выставляем напряжение на ЖКИ такое же, как на мультиметре, подстроечным резистором R5 выставляем ток. Операцию следует повторить несколько раз для разных значений напряжения и тока. Затем нажимаем кнопку СН2,3 (SB1) чтоб на ЖКИ высветились напряжения и токи двуполярного стабилизатора, затем подаем на входные клемы платы напряжение с двуполярного стабилизатора, к выходным клеммам подключаем маломощную нагрузку. Делителем R6, R7 выставляем напряжение, подстроечным резистором R27 — ток в плюсовом канале, подстроечным резистором R19 подгоняем напряжение, а R29 — ток в минусовом канале. На этом настройку можно считать законченой. При изменении тока в мощном канале также должна изменятся скорость вращения вентилятора охлаждения (в моем случае он охлаждает стабилизаторы источника питания платы). В заключение несколько фото:

Фото кликабельны. На последних фото в качестве нагрузки при налаживании была использована лампа на 24В от Камазовской фары.
Сверху на готовой плате укрепляется на стойках панель из матового оргстекла с вырезанными необходимыми отверстиями для органов управления, которая закрывается распечатанным на прозрачной пленке шаблоном с надписями и шкалами.
Ниже архив со всем необходимым — прошивка, исходный код, платы в формате SL6, схемы Splan, также есть шаблон передней панели в формате cdr (Corell Draw). Для желающих вв архиве есть схемы всего лабораторного блока питания.

P.S. Возможны незначительные различия между выложенными фото и содержимым архива (прошивка, платы), так как некоторые фото были сделаны на начальном этапе. Позже платы и прошивка неоднократно модернизировались.

Литература:

1. «РАДИО» №10, 1982г., ст. 33-36, В. Светозаров — Стабилизатор напряжения и тока.
2. «РАДИО» №1, 1999г., ст.45, В. Кобрин — Двуполярный регулируемый блок питания.
3. Н.И. Заец, «Радиолюбительские конструкции на PIC — микроконтроллерах», Книга 2, СОЛОН-Пресс, Москва, 2005г.
4. У.Титце, К.Шенк, «Полупроводниковая схемотехника», перевод с немецкого под ред. А.Г. Алексенко, «МИР», Москва, 1982г., ст.468-469 — Изолированные от земли амперметры с малым падением напряжения.
5. С. Катцен, «PIC-микроконтроллеры. Все, что вам необходимо знать», перевод с английского, ДОДЭКА XXI, Москва, 2008г.
6. «РАДИО» №8, 2011г. ст.53, А.Сарычев — Измерение малых значений сопротивлений.
7. С.М. Рюмик, «1000 и одна микроконтроллерная схема», выпуск 1, ДОДЭКА XXI, Москва, 2010г.

Источник