Vrhunsko laboratorijsko napajanje: 15 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

S moga 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 vlastiti.

Svi dijelovi sklopa izravno se mogu naručiti na digikeyu, ebayu, amazonu ili aliexpressu, osim u krugu mjerača. Napravio sam prilagođeni oklop za Arduino koji može mjeriti do 36V - 4A, s rezolucijom od 10mV - 1mA koja se može koristiti i za druge projekte.

Napajanje ima sljedeće značajke:

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

Korak 1: Dijelovi i shema ožičenja

Osim slike, ovom koraku prilažem i datoteku WiringAndParts.pdf. Dokument opisuje sve funkcionalne dijelove, uključujući vezu za naručivanje, napajanje stola i kako ih spojiti.

Mrežni napon dolazi preko priključka IEC ploče (10) koji ima ugrađeni 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 izravno 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), a može omogućiti ili onemogućiti vezu između ulaza i izlaza.

Kabeli, općenito koristite otpadne kabele koje imate u kući. Na internetu možete provjeriti ima li 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).

Izvorni 10K potenciometri kruga napajanja zamijenjeni su višenamjenskim modelima (7), što omogućuje 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 izmijenjena tako da dobije 12V umjesto 24V.

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

Postoje dva gumba ožičena na krug brojila (3). Gumb za isključivanje "crveno" isključuje izlazni napon. Gumb za uključivanje "crno" povezuje izlazni napon i poništava greške OV ili OC.

Postoje dva potenciometra ožičena 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 zaslon (1) dimenzija 20x4 I2C ožičen je u krug mjerača. Prikazuje trenutne informacije o izlaznom naponu, izlaznoj struji, zadanoj vrijednosti OV, zadanoj vrijednosti OC i statusu.

Korak 2: Komplet kruga napajanja

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

Prilažem vodič za montažu koji sam pronašao na Internetu i sliku sheme. Kratko:

Krug je linearno napajanje.

Q4 i Q2 su Darlingtonova matrica i tvore serijski prolazni tranzistor, njime se upravlja pomoću operacijskih pojačala za održavanje napona i struje na željenoj vrijednosti.

Struja se mjeri pomoću R7, dodavanjem ovog otpora na niskoj strani uzemljenje kruga napajanja i izlazno uzemljenje se razlikuju.

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

Krug uključuje Graethov 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 prikladno dimenzioniranje hladnjaka vrlo važno.

Krug ima 24V izlaz za "opcijski" 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: Sastavljanje kompleta kruga napajanja

U ovom krugu svi dijelovi su kroz rupu. Općenito, morate početi od onih najmanjih.

• 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 smjesu hladnjaka.

Korak 4: Dizajn i shema kruga mjerila

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

Izlaz kompleta kruga napajanja vkmaker spojen je na priključni blok IN, a izlazni priključni blok OUT ide izravno na vezna mjesta napajanja.

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

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

IC1 je pojačalo velike bočne struje: MAX44284F. Baziran je u usitnjenom operacijskom pojačalu koje mu omogućuje da dobije vrlo nizak ulazni offset napon, 10uV na maksimumu pri 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 uobičajenog načina rada MAX44284F je 36V, što ograničava raspon ulaznog napona na 36V.

R1 i C1 tvore filtar za suzbijanje 10KHz i 20KHz neželjenih signala koji se mogu pojaviti zbog arhitekture uređaja, preporučuje se na stranici 12 u podatkovnom listu.

R5, R6 i R7 su visoko impedancijski razdjelnik napona od 0,05 V/V. R7 s C4 tvori filter ~ 5Hz kako bi se izbjegla buka. Razdjelnik napona postavlja se iza R4 za mjerenje stvarnog izlaznog napona nakon pada napona.

IC3 je operativno pojačalo MCP6061T, čini sljedbenik napona za izolaciju visoko impedansanog razdjelnika napona. 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 pri ulaznom naponu od 40V (maksimalno moguće je 36V zbog IC1). SI i SV signali ožičeni su na IC2. IC2 je MCP3422A0, dvokanalni I2C sigma delta ADC. Ima referencu unutarnjeg napona od 2.048V, mogući odabir napona od 1, 2, 4 ili 8 V/V i broj koji se može odabrati od 12, 14, 16 ili 18 bita.

Za ovaj krug 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.

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

X2 je priključak za tipku ON. R11 sprječava unos Arduino pin-a 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 tipku OFF. R13 sprječava unos Arduino pin-a od statičkog pražnjenja, a R14 je pull-up otpornik koji čini 5V kad nije pritisnut i ~ 0V kada se pritisne. I_OFF signal.

X5 je konektor za potenciometar zadane vrijednosti zaštite od struje. R15 sprječava ulazni pin Arduina od statičkog pražnjenja, a R16 sprječava kratki spoj tračnice +5V. A_OC signal.

X6 je priključak za potenciometar zadane vrijednosti zaštite od prenapona. R17 sprječava statički pražnjenje ulaznog pina Arduina, a R18 sprečava kratki spoj trake +5V. A_OV signal.

X7 je vanjski ulaz koji se koristi za dobivanje načina konstantne struje ili konstantnog napona napajanja. Budući da može imati mnogo ulaznih napona, izrađen je pomoću Q2, R19 i R20 kao mjenjača razine napona. 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, a povlače ih R9 i R10.

R8 i Q1 čine pokretač releja K1. K1 povezuje izlazni napon kada se napaja. S 0V u -CUT relej se ne napaja, a s 5V u -CUT relej se napaja. D3 je dioda za slobodno kretanje koja potiskuje negativne napone pri rezanju napona zavojnice releja.

Z1 je prigušivač prolaznog napona s nazivnim naponom od 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 analogni krug i digitalni krug. Dizajn je prilično jednostavan. Dobio sam dxf datoteku s Interneta s dimenzijom obrisa i položajem Arduino konektora s pinheadom.

Objavljujem sljedeće datoteke:

• Izvorne 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 USD, 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 pogreške u dizajnu, stavio sam via touching na sitotisak u legendi 36V.

Korak 6: Sastavljanje kruga mjerača

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

• Nakon što ste primili dijelove, najbolje je sortirati ih, razvrstao sam kondenzatore i otpornike te spajao vrećice.
• Prvo sastavite male dijelove, počevši od otpornika i kondenzatora.
• Sastavite R4 (0R1) počevši od jednog od četiri vodiča.
• Lemite ostale dijelove, općenito za SOT23, SOIC8, itd. Najbolji način je da prvo zalijepite lemljenje u jedan jastučić, lemite dio na njegovo mjesto, a zatim lemite ostale kablove. Ponekad lemljenje može spojiti mnoge jastučiće zajedno, u ovom slučaju možete upotrijebiti 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, osobito oblik traka napretka i prikazane poruke.

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

Funkcija postavljanja konfigurira zaslon, uključujući posebne znakove za traku napretka, ulazi u stanje računala MCP4322 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 izravno s Arduinovog ADC -a i filtriraju pomoću medijana posljednja tri mjerenja. I_MOD se čita izravno bez odricanja.

Kontrolirajte vrijeme uključivanja pozadinskog osvjetljenja.

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

Ako postoje nove vrijednosti izlaznog napona i struje iz stroja stanja MCP3422, ažurira status napajanja na temelju mjerenja i ažurira zaslon.

Za brže ažuriranje zaslona postoji dvostruki međuspremnik.

Sljedeći makroi mogu se prilagoditi za druge projekte:

MAXVP: Maksimalni OV u 1/100V jedinicama.

MAXCP: Maksimalni OC u jedinicama 1/1000A.

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 zaslon, 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 retku trenutna zadana vrijednost za zaštitu od prenapona i zaštitu od struje. U četvrtom redu trenutni status napajanja: CC ON (Uključeno u načinu rada s 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 desnog 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… toplinski 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, a toplina se može i na taj način rasipati.

Prema riječima prodavatelja ebaya, toplinska vodljivost izolacijskog lima koji sam kupio je K = 20,9W/(mK). S 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 izračune možete pronaći ovdje:

Najveća dopuštena 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. Dakle, maksimalna disipacija bit će 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 sam model pronašao na ebayu, proizvođača Cheval, 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 usmjerivača poput ovog 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 to učiniti na stari način: 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 unutarnje rezove.
• Izrežite sve oblike.
• Obrežite datotekom. U slučaju okruglih rupa za potenciometre i vezne stupove, nije potrebno koristiti pilu prije turpijanja. U slučaju otvora za prikaz, obrezivanje datoteke mora biti najbolje moguće jer će se ti rubovi vidjeti.
• Uklonite matricu i slikarsku traku.
• Olovkom označite položaj tekstova.
• Prenesite slova.
• Uklonite oznake olovke gumicom.

Korak 11: Mehaniziranje stražnje ploče

• Označite položaj hladnjaka, uključujući rupu 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 reznim kliještima.
• 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 gumba.
• Izrežite štap potenciometara na veličinu gumba. Koristio sam komad kartona kao mjerač.
• Pričvrstite gumbe i gumb za uključivanje.
• 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.
• Odvijte 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 stražnje 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 upotrijebiti ovakvu plastičnu podlošku https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Tranzistor-…, ali na kraju sam 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 istosmjernog mjerila pomoću ljepljivih odstojnika.
• Ostružite boju kako biste zavrnuli GND držač.
• Napravite sklopove mrežnih naponskih žica, svi završeci su 3/16”Faston. Upotrijebio sam skupljajuću cijev za izolaciju završetaka.
• Izrežite prednji dio držača kućišta s desne strane kako biste dobili prostor za gumb za napajanje.
• Spojite sve žice prema uputama za montažu.
• Ugradite osigurač (1A).
• Potenciometar izlaznog napona (VO potenciometar) postavite na minimalni 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 daljnji 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.

Daljnji rad:

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

Prva nagrada na natjecanju za napajanje