Vrhunsko laboratorijsko napajanje: 15 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

S moje točke gledišta, jedan od najboljih načina za početak rada u elektronici je izgradnja vlastitog laboratorijskog napajanja. U ovom uputstvu pokušao sam prikupiti sve potrebne korake kako bi svatko mogao izraditi svoj vlastiti.

Svi dijelovi sklopa mogu se direktno naručivati na digikey -u, ebay -u, amazon -u ili aliexpress -u, osim kruga mjerača. Napravio sam prilagođeni oklop za Arduino koji može mjeriti do 36V - 4A, rezolucije 10mV - 1mA koji se može koristiti i za druge projekte.

Napajanje ima sljedeće karakteristike:

• Nominalni napon: 24V.
• Nazivna struja: 3A.
• Talasanje izlaznog napona: 0,01% (Prema specifikacijama kompleta strujnog kola).
• Rezolucija mjerenja napona: 10mV.
• Trenutna rezolucija merenja: 1mA.
• CV i CC načini rada.
• Prenaponska zaštita.
• Zaštita od prenapona.

Korak 1: Dijelovi i shema ožičenja

Osim slike, ovom koraku sam priložio datoteku WiringAndParts.pdf. Dokument opisuje sve funkcionalne dijelove, uključujući vezu za naručivanje, napajanje sa stola i način njihovog povezivanja.

Mrežni napon dolazi preko konektora IEC ploče (10) koji ima ugrađen držač koji se ne može izvesti, na prednjoj ploči (11) nalazi se prekidač za napajanje koji prekida krug formiran od IEC konektora do transformatora (9).

Transformator (9) ima izlaz 21VAC. 21 VAC ide izravno u krug napajanja (8). Izlaz kruga napajanja (8) ide direktno na IN priključak kruga brojila (5).

Izlazni priključak kruga brojila (5) spojen je izravno na pozitivne i negativne vezne stubove (4) napajanja. Krug mjerača mjeri i napon i struju (visoka strana) i može omogućiti ili onemogućiti vezu između ulaza i izlaza.

Kablovi, općenito koriste otpadne kabele koje imate u kući. Na internetu možete provjeriti ima li odgovarajući AWG mjerač za 3A, ali općenito pravilo palca od 4A/mm² funkcionira, posebno za kratke kabele. Za ožičenje mrežnog napona (120V ili 230V) koristite odgovarajuće izolirane kabele, 600V u SAD -u, 750V u Europi.

Serijski prolazni tranzistor kruga napajanja (Q4) (12) ožičen je umjesto lemljen kako bi se omogućila laka ugradnja hladnjaka (13).

Originalni 10K potenciometri kruga napajanja zamijenjeni su višenamjenskim modelima (7), što omogućava precizno podešavanje izlaznog napona i struje.

Arduino ploča kruga brojila napaja se pomoću kabela za napajanje (6) koji dolazi iz kruga napajanja (8). Ploča za napajanje je modificirana tako da dobije 12V umjesto 24V.

Pozitivni pin CC LED iz strujnog kruga napajanja je ožičen na mod konektor u krugu mjerila. To mu omogućuje da zna kada treba prikazati CC ili CV način rada.

Postoje dva dugmeta ožičena na krug brojila (3). Dugme za isključivanje „crveno“isključuje izlazni napon. Dugme za uključivanje „crno“povezuje izlazni napon i poništava greške OV ili OC.

Postoje dva potenciometra spojena na krug brojila (2). Jedan postavlja prag OV, a drugi postavlja prag OC. Ovi potenciometri ne moraju biti višenamjenski, koristio sam originalne potenciometre iz kruga napajanja.

Alfanumerički LCD ekran veličine 20x4 I2C (1) povezan je na krug brojila. Prikazuje trenutne informacije o izlaznom naponu, izlaznoj struji, radnoj vrijednosti OV, zadanoj vrijednosti OC i statusu.

Korak 2: Komplet kola za napajanje

Kupio sam ovaj komplet koji ima ocjenu 30V, 3A:

Prilažem vodič za montažu koji sam pronašao na Internetu i sliku Sheme. Ukratko:

Krug je linearno napajanje.

Q4 i Q2 su Darlingtonski niz i tvore serijski prolazni tranzistor, kojim se upravlja pomoću operacijskih pojačala kako bi se održali napon i struja na željenoj vrijednosti.

Struja se mjeri pomoću R7, dodajući ovaj otpor na donjoj strani čini uzemljenje kruga napajanja i izlazno uzemljenje drugačijim.

Krug pokreće LED diodu koja se uključuje kada je uključen način konstantne struje.

Krug uključuje Graeth -ov most za ispravljanje AC ulaza. Ulaz izmjenične struje također se koristi za generiranje negativnog prednapona do 0V.

U ovom krugu nema toplinske zaštite, pa je odgovarajuće dimenzioniranje hladnjaka vrlo važno.

Krug ima izlaz 24V za "opcionalni" ventilator. Zamijenio sam regulator 7824 sa regulatorom 7812 kako bih dobio 12V za Arduino ploču kruga brojila.

Nisam sastavio LED diodu, već sam upotrijebio ovaj signal za označavanje kruga brojila ako je napajanje u CC ili CV.

Korak 3: Sklapanje kompleta kola napajanja

U ovom krugu svi dijelovi su kroz rupu. Općenito, morate početi s najmanjima.

• Lemite sve otpornike.
• Lemite ostale komponente.
• Upotrijebite kliješta pri savijanju dioda kako ih ne biste slomili.
• Savijte vodiče op -pojačala DIP8 TL081.
• Prilikom sastavljanja hladnjaka koristite mješavinu hladnjaka.

Korak 4: Dizajn i shema kola mjerača

Krug je štit za Arduino UNO kompatibilan s verzijama R3. Dizajnirao sam ga sa dijelovima dostupnim na digikey.com.

Izlaz kompleta kruga napajanja vkmaker spojen je na priključni blok IN, a izlazni priključni blok na izlazu ide direktno na spojne stubove napajanja.

R4 je otpornik u pozitivnoj šini vrijednosti 0,01 ohma, ima pad napona proporcionalan trenutnoj izlaznoj snazi. Diferencijalni napon R4 spojen je direktno na RS+ i RS-pinove IC1. Maksimalni pad napona pri maksimalnom izlazu struje je 4A*0,01 ohma = 40 mV.

R2, R3 i C2 formiraju ~ 15Hz filter kako bi se izbjegla buka.

IC1 je pojačalo velike jačine struje: MAX44284F. Baziran je u usitnjenom operativnom pojačalu koje mu omogućuje da dobije vrlo nizak ulazni offset napon, 10uV na maksimumu na 25ºC. Na 1mA pad napona u R4 je 10uV, jednak maksimalnom ulaznom pomaku.

MAX44284F ima pojačanje napona od 50V/V pa će izlazni napon, SI signal, pri maksimalnoj struji od 4A, vrijediti 2V.

Maksimalni ulazni napon zajedničkog moda MAX44284F je 36V, što ograničava raspon ulaznog napona na 36V.

R1 i C1 formiraju filter za suzbijanje neželjenih signala od 10KHz i 20KHz koji se mogu pojaviti zbog arhitekture uređaja, preporučuje se na stranici 12 u listu s podacima.

R5, R6 i R7 su djelitelj napona visoke impedanse od 0,05 V/V. R7 sa C4 formiraju ~ 5Hz filter kako bi se izbjegla buka. Razdjelnik napona postavlja se iza R4 za mjerenje stvarnog izlaznog napona nakon pada napona.

IC3 je operativno pojačalo MCP6061T, formira sljedbenik napona za izolaciju djelitelja napona visoke impedanse. Maksimalna ulazna struja pristranosti je 100pA na sobnoj temperaturi, ta je struja zanemariva u odnosu na impedanciju razdjelnika napona. Na 10mV napon na ulazu IC3 je 0,5mV, mnogo veći od ulaznog pomaka: 150uV na maksimumu.

Izlaz IC3, SV signala, ima napon od 2V na ulaznom naponu od 40V (maksimalno moguće je 36V zbog IC1). SI i SV signali su ožičeni na IC2. IC2 je MCP3422A0, dvokanalni I2C sigma delta ADC. Ima internu referencu napona od 2.048V, mogući izbor napona od 1, 2, 4 ili 8V/V i broj koji se može izabrati od 12, 14, 16 ili 18 bita.

Za ovo kolo koristim fiksni dobitak od 1V/V i fiksnu rezoluciju od 14 bita. SV, i SI signali nisu diferencijalni pa negativni pin svakog ulaza mora biti uzemljen. To znači da će se broj raspoloživih LSB -ova prepoloviti.

Kako je referenca internog napona 2.048V, a efektivni broj LSB -a 2^13, vrijednosti ADC -a će biti: 2LSB po svakom 1mA u slučaju struje i 1LSB po svakih 5mV u slučaju napona.

X2 je konektor za dugme ON. R11 sprječava Arduino pin ulaz od statičkog pražnjenja, a R12 je pull-up otpornik koji čini 5V kad nije pritisnut i ~ 0V kada se pritisne. I_ON signal.

X3 je konektor za dugme OFF. R13 sprječava Arduino pin ulaz od statičkog pražnjenja, a R14 je pull-up otpornik koji čini 5V kada nije pritisnut i ~ 0V kada se pritisne. I_OFF signal.

X5 je konektor za potenciometar zadane vrijednosti nadstrujne zaštite. R15 sprječava Arduino ulaznu iglu od statičkog pražnjenja, a R16 sprječava kratki spoj +5V šine. A_OC signal.

X6 je konektor za potenciometar zadane vrijednosti zaštite od prenapona. R17 sprečava Arduino ulaznu iglu od statičkog pražnjenja, a R18 sprečava kratki spoj šine +5V. A_OV signal.

X7 ima vanjski ulaz koji se koristi za dobivanje načina konstantne struje ili konstantnog napona napajanja. Kako može imati mnogo ulaznih napona, izrađen je pomoću Q2, R19 i R20 kao prekidača naponskog nivoa. I_MOD signal.

X4 je konektor vanjskog LCD-a, to je samo povezivanje 5V šine, GND i I2C SCL-SDA vodova.

I2C linije, SCL i SDA, dijele IC2 (ADC) i vanjski LCD, povlače ih R9 i R10.

R8 i Q1 čine pokretač releja K1. K1 povezuje izlazni napon kada se napaja. Sa 0V u -CUT relej se ne napaja, a sa 5V u -CUT relej se napaja. D3 je dioda sa slobodnim hodom za suzbijanje negativnih napona pri rezanju napona zavojnice releja.

Z1 je prigušivač prolaznog napona nominalnog napona 36V.

Korak 5: PCB kruga mjerila

Koristio sam besplatnu verziju Eagle -a i za shemu i za PCB. PCB je dvostrani dizajn debljine 1,6 koji ima zasebnu ravninu uzemljenja za analogno i digitalno kolo. Dizajn je prilično jednostavan. Dobio sam dxf datoteku s Interneta sa dimenzijom obrisa i položajem Arduino konektora sa pinheadom.

Objavljujem sljedeće datoteke:

• Originalne datoteke eagle: 00002A.brd i 00002A.sch.
• Gerber datoteke: 00002A.zip.
• I BOM (Bill of Materials) + vodič za montažu: BOM_Assemby.pdf.

Naručio sam PCB na PCBWay (www.pcbway.com). Cijena je bila nevjerojatno niska: 33 dolara, uključujući dostavu, za 10 ploča koje su stigle za manje od tjedan dana. Preostale ploče mogu podijeliti sa svojim prijateljima ili ih koristiti u drugim projektima.

Došlo je do greške u dizajnu, stavio sam dodir putem svilenog ekrana u legendi 36V.

Korak 6: Sklapanje kola mjerača

Iako je većina dijelova SMT na ovoj ploči, može se sastaviti običnim lemilicom. Koristio sam Hakko FX888D-23BY, pincetu sa finim vrhom, neki fitilj za lemljenje i lemljenje 0,02.

• Nakon što ste primili dijelove, najbolja ideja je sortirati ih, sortirao sam kondenzatore i otpornike i spajao vrećice.
• Prvo sastavite male dijelove, počevši od otpornika i kondenzatora.
• Sastavite R4 (0R1) počevši s jednim od četiri vodiča.
• Lemite ostale dijelove, općenito za SOT23, SOIC8, itd. Najbolji način je da prvo zalijepite lemljenje u jednu podlogu, lemite dio na njegovo mjesto, a zatim lemite ostale dijelove. Ponekad lemljenje može spojiti mnoge jastučiće zajedno, u ovom slučaju možete koristiti fluks i fitilj za lemljenje kako biste uklonili lemljenje i očistili praznine.
• Sastavite ostale dijelove prolaznih rupa.

Korak 7: Arduino kod

Priložio sam datoteku DCmeter.ino. Svi programi su uključeni u ovu datoteku osim LCD biblioteke „LiquidCrystal_I2C“. Kôd je vrlo prilagodljiv, posebno oblik traka napretka i prikazane poruke.

Kao i svi arduino kodovi, funkcija setup () se izvodi prvi put i funkcija loop () se izvodi kontinuirano.

Funkcija postavljanja konfigurira prikaz, uključujući posebne znakove za traku napretka, ulazi u MCP4322 state stroj i prvi put postavlja relej i pozadinsko osvjetljenje LCD -a.

Nema prekida, u svakoj iteraciji funkcija petlje čini sljedeće korake:

Dobijte vrijednost svih ulaznih signala I_ON, I_OFF, A_OC, A_OV i I_MOD. I_ON i I_OFF su debuncirani. A_OC i A_OV se očitavaju direktno iz Arduino ADC -a i filtriraju pomoću medijana posljednja tri mjerenja. I_MOD se čita direktno bez odricanja.

Kontrolirajte vrijeme uključivanja pozadinskog osvjetljenja.

Izvršite MCP3422 mašinu stanja. Svakih 5 ms anketira MCP3422 da vidi je li zadnja konverzija završena i ako je tako, započinje sljedeću, uzastopno dobiva vrijednost napona i struje prisutne na izlazu.

Ako postoje svježe vrijednosti izlaznog napona i struje iz MCP3422 state mašine, ažurira status napajanja na osnovu mjerenja i ažurira prikaz.

Postoji dvostruka implementacija međuspremnika za brže ažuriranje ekrana.

Sljedeći makroi se mogu prilagoditi za druge projekte:

MAXVP: Maksimalni OV u 1/100V jedinicama.

MAXCP: Maksimalni OC u 1/1000A jedinicama.

DEBOUNCEHARDNESS: Broj iteracija s uzastopnom vrijednošću za pretpostaviti da je točna za I_ON i I_OFF.

LCD4x20 ili LCD2x16: Kompilacija za 4x20 ili 2x16 ekran, opcija 2x16 još nije implementirana.

Implementacija 4x20 prikazuje sljedeće informacije: U prvom redu izlazni napon i izlazna struja. U drugom redu traka napretka koja predstavlja izlaznu vrijednost u odnosu na zadanu vrijednost zaštite za napon i struju. U trećem redu trenutna zadana vrijednost za zaštitu od prenapona i zaštitu od struje. U četvrtom redu trenutni status napajanja: CC ON (Uključeno u načinu rada sa konstantnom strujom), CV ON (Uključeno u načinu rada s konstantnim naponom), OFF, OV OFF (Isključeno pokazuje da je napajanje nestalo zbog OV), OC OFF (Isključeno pokazuje da je napajanje nestalo zbog OC).

Napravio sam ovu datoteku za oblikovanje znakova traka napretka:

Korak 8: Toplinska pitanja

Korištenje pravog hladnjaka vrlo je važno u ovom sklopu jer krug napajanja nije samozaštitan od pregrijavanja.

Prema tehničkom listu, tranzistor 2SD1047 ima spoj na toplinski otpor kućišta Rth-j, c = 1,25 ° C/W.

Prema ovom web kalkulatoru: https://www.myheatsinks.com/calculate/thermal-resi… termalni otpor hladnjaka koji sam kupio je Rth-hs, zrak = 0,61ºC/W. Pretpostavit ću da je stvarna vrijednost niža jer je hladnjak pričvršćen na kućište i toplina se može rasipati na taj način.

Prema prodavaču s ebaya, toplinska vodljivost izolacijskog lima koji sam kupio je K = 20,9W/(mK). Ovim, debljine 0,6 mm, toplinski otpor iznosi: R = L/K = 2,87e-5 (Km2)/W. Dakle, kućište toplinske otpornosti prema hladnjaku izolatora za površinu od 15 mm x 15 mm za 2SD1047 je: Rth-c, hs = 0,127 ° C/W. Vodič za ove proračune možete pronaći ovdje:

Maksimalna dozvoljena snaga za 150ºC u spoju i 25ºC u zraku je: P = (Tj-Ta) / (Rth-j, c + Rth-hs, zrak + Rth-c, hs) = (150-25) / (1,25 + 0,61 + 0,127) = 63W.

Izlazni napon transformatora je 21VAC pri punom opterećenju, što čini u prosjeku 24VDC nakon dioda i filtriranja. Tako će maksimalna disipacija biti P = 24V * 3A = 72W. Uzimajući u obzir da je toplinski otpor hladnjaka nešto manji zbog rasipanja metalnog kućišta, pretpostavio sam da je to dovoljno.

Korak 9: Ograđivanje

Kućište, uključujući isporuku, najskuplji je dio napajanja. Ovaj model sam pronašao na ebayu, od Chevala, tajlandskog proizvođača: https://www.chevalgrp.com/standalone2.php. Zapravo, prodavač ebaya bio je s Tajlanda.

Ova kutija ima vrlo dobru vrijednost za novac i stigla je prilično zapakirana.

Korak 10: Mehanizacija prednje ploče

Najbolja opcija za mehanizaciju i graviranje prednje ploče je korištenje ovakvog usmjerivača https://shop.carbide3d.com/products/shapeoko-xl-k… ili izrada prilagođenog plastičnog omota s PONOKO-om, na primjer. Ali kako nemam usmjerivač i nisam želio potrošiti mnogo novca, odlučio sam da to učinim starim načinom: rezanje, obrezivanje datotekom i korištenje prijenosnih slova za tekst.

Priložio sam Inkscape datoteku sa šablonom: frontPanel.svg.

• Izrežite matricu.
• Pokrijte ploču slikarskom trakom.
• Zalijepite matricu na slikarsku traku. Koristio sam štapić za ljepilo.
• Označite položaj bušilica.
• Izbušite rupe kako biste omogućili da pila za piljenje ili list pile za suzbijanje uđu u unutrašnje rezove.
• Izrežite sve oblike.
• Obrežite datotekom. U slučaju okruglih rupa za potenciometre i vezne stubove, nije potrebno koristiti pilu prije turpijanja. U slučaju otvora za prikaz, obrezivanje datoteka mora biti najbolje moguće jer će se ove ivice vidjeti.
• Uklonite šablon i slikarsku traku.
• Olovkom označite položaj tekstova.
• Prenesite slova.
• Uklonite oznake olovke gumicom.

Korak 11: Mehanizacija zadnjeg panela

• Označite položaj hladnjaka, uključujući otvor za tranzistor napajanja i položaj vijaka za držanje.
• Označite rupu za pristup hladnjaku iz unutrašnjosti kućišta napajanja. Upotrijebio sam izolator kao referencu.
• Označite rupu za IEC konektor.
• Izbušite konturu oblika.
• Izbušite rupe za vijke.
• Izrežite oblike kliještima za rezanje.
• Obrežite oblike turpijom.

Korak 12: Sklapanje prednje ploče

• Izvadite viševodički kabel iz otpada da biste dobili kabele.
• Napravite sklop LCD -a za lemljenje I2C na paralelno sučelje.
• Napravite „molex konektor“, žicu i skupljajuću cijev za: potenciometre, tipke i LCD. Uklonite svaku izbočinu na potenciometrima.
• Uklonite pokazivački prsten dugmadi.
• Izrežite štap potenciometara na veličinu dugmeta. Koristio sam komad kartona kao mjerač.
• Pričvrstite dugmad i dugme za napajanje.
• Sastavite potenciometre i postavite gumbe, potenciometri sa više okretaja koje sam kupio imaju osovinu od ¼ inča, a modeli sa jednim okretom imaju osovinu od 6 mm. Koristio sam podloške kao odstojnike za skraćivanje udaljenosti potenciometara.
• Odvrnite vezne stupove.
• Stavite dvostranu traku u LCD i zalijepite je na ploču.
• Lemiti pozitivne i negativne žice na vezne stupove.
• Sastavite stezaljku GND priključka u zeleni vezni stub.

Korak 13: Sklapanje zadnje ploče

• Pričvrstite hladnjak na stražnju ploču, iako je boja toplinski izolator, stavio sam masku za hladnjak kako bih povećao prijenos topline iz hladnjaka u kućište.
• Sastavite IEC konektor.
• Postavite ljepljive odstojnike pomoću sklopa kompleta za napajanje.
• Pričvrstite tranzistor za napajanje i izolator, na svakoj površini mora biti toplinske masti.
• Sastavite 7812 za napajanje arduina, okrenut je prema kućištu kako bi se omogućilo rasipanje topline, koristeći jedan od vijaka koji drže hladnjak. Trebao sam koristiti ovakvu plastičnu podlošku https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Tranzistor-…, ali sam na kraju koristio isti izolator kao i tranzistor za napajanje i savijeni dio kućišta.
• Priključite tranzistor napajanja i 7812 u krug napajanja.

Korak 14: Završna montaža i ožičenje

• Označite i izbušite rupe za transformator.
• Sastavite transformator.
• Zalijepite ljepljive noge kućišta.
• Zalijepite krug DC mjerača pomoću ljepljivih odstojnika.
• Ostružite boju kako biste zavrnuli GND držač.
• Napravite sklopove mrežnih naponskih žica, svi završeci su 3/16”Faston. Koristio sam skupljajuću cijev za izolaciju završetaka.
• Odrežite prednji dio držača kućišta s desne strane kako biste dobili prostor za dugme za napajanje.
• Spojite sve žice prema uputama za montažu.
• Ugradite osigurač (1A).
• Potenciometar izlaznog napona (VO potenciometar) postavite na minimalnu CCW i podesite izlazni napon što je moguće bliže nuli volta pomoću višenamjenskog potenciometra za fino podešavanje vkmaker kruga napajanja.
• Sastavite kućište.

Korak 15: Poboljšanja i dalji rad

Poboljšanja

• Koristite podloške u stilu uzgajivača kako biste izbjegli da se vijci olabave s vibracijama, posebno vibracijama iz transformatora.
• Obojite prednju ploču prozirnim lakom kako biste spriječili brisanje slova.

Dalji rad:

• Dodajte USB konektor ovako: https://www.ebay.com/itm/Switchcraft-EHUSBBABX-USB-… na zadnjoj ploči. Korisno za nadogradnju koda bez rastavljanja ili za izradu malog ATE -a koji kontrolira funkcije Isključeno, dobijanje statusa i mjerenje pomoću računara.
• Napravite 2x16 LCD kompilaciju koda.
• Napravite novi krug napajanja, umjesto korištenja vkmaker kompleta, s digitalnom kontrolom izlaznog napona i struje.
• Izvršite odgovarajuća ispitivanja za karakterizaciju napajanja.

Prva nagrada na takmičenju za napajanje