Представляю для вашего внимания проверенную схему хорошего лабораторного источника питания, опубликованного в журнале "Радио" №3, с максимальным напряжением 40 В и током до 10 А. Блок питания оснащён цифровым блоком индикации, с микроконтроллерным управлением. Схема БП показана на рисунке:
Описание работы устройства. Оптопара поддерживает падение напряжения на линейном стабилизаторе примерно 1,5 В. Если падение напряжения на микросхеме увеличивается (например, вследствие увеличения входного напряжения), светодиод оптопары и, соответственно, фототранзистор открываются. ШИ-контроллер выключается, закрывая коммутирующий транзистор. Напряжение на входе линейного стабилизатора уменьшится.
Для повышения стабильности резистор R3 размещают как можно ближе к микросхеме стабилизатора DA1. Дроссели L1, L2 — отрезки ферритовых трубок, надетых на выводы затворов полевых транзисторов VT1, VT3. Длина этих трубок равна примерно половине длины вывода. Дроссель L3 наматывают на двух сложенных вместе кольцевых магнитопроводах К36х25х7,5 из пермаллоя МП 140. Его обмотка содержит 45 витков, которые намотаны в два провода ПЭВ-2 диаметром 1 мм, уложенных равномерно по периметру магнитопровода. Транзистор IRF9540 допустимо заменить на IRF4905, а транзистор IRF1010N — на BUZ11, IRF540.
Если потребуется с выходным током, превышающим 7,5 А, необходимо добавить еще один стабилизатор DA5 параллельно DA1. Тогда максимальный ток нагрузки достигнет 15 А. В этом случае дроссель L3 наматывают жгутом, состоящим из четырех проводов ПЭВ-2 диаметром 1 мм, и увеличивают примерно в два раза емкость конденсаторов С1—СЗ. Резисторы R18, R19 подбирают по одинаковой степени нагрева микросхем DA1, DA5. ШИ-контроллер следует заменить другим, допускающим работу на более высокой частоте, например, КР1156ЕУ2.
Модуль цифрового измерения напряжения и тока лабораторного БП
Основа устройства - микроконтроллер PICI6F873. На микросхеме DA2 собран стабилизатор напряжения, которое используется и как образцовое для встроенного АЦП микроконтроллера DDI. Линии порта RA5 и RA4 запрограммированы как входы АЦП для измерения напряжения и тока соответственно, a RA3 - для управления полевым транзистором. Датчиком тока служит резистор R2, а датчиком напряжения — резистивный делитель R7 R8. Сигнал датчика тока усиливает ОУ DAI. 1. а ОУ DA1.2 использован как буферный усилитель.
Технические характеристики:
- Измерение напряжения, В - 0..50.
- Измерение тока, А - 0.05..9,99.
- Пороги срабатывания защиты:
- - по току. А - от 0,05 до 9.99.
- - по напряжению. В - от 0,1 до 50.
- Напряжение питания, В - 9...40.
- Максимальный потребляемый ток, мА - 50.
У каждого уважающего себя блока питания, имеются встроенные вольтметр и амперметр. В старых моделях устройств, индикаторы были стрелочными, однако прогресс не стоит на месте, и сейчас многим хочется видеть цифровую индикацию. Многие радиолюбители изготавливают такие индикаторы на базе микроконтроллера или применяя микросхемы АЦП, к примеру КР572ПВ2, КР572ПВ5. Однако есть и другие микросхемы, схожие по функционалу.
Одной из множества является микросхема СА3162Е, она предназначена для создания измерителя аналоговой величины с последующим отображением результата на трехразрядном цифровом индикаторе. Данная микросхема представляет собой АЦП, с максимальным входным напряжением 999 мВ и логической схемой, последняя выдает результат измерения в виде трех поочередно меняющихся двоично-десятичных четырехразрядных кодов на параллельном выходе и трех выходах для опроса разрядов схемы динамической индикации. Но чтобы получился законченный прибор, необходимо добавить дешифратор для работы семисегментного индикатора и сборку из трех семисегментных индикаторов, которые включены в матрицу для динамической индикации. А так же, трех управляющих ключей. Тип индикаторов можно применить любой, будь то светодиодные, люминесцентные, газоразрядные или даже жидкокристаллические, все будет зависеть от схемы выходного узла на дешифраторе и ключах. В данной схеме используется светодиодная индикация состоящая из трех семисегментных индикаторов с общими анодами. Они включены по схеме динамической матрицы, иными словами, все их сегментные выводы включены параллельно. А для опроса, то есть, последовательного переключения, используются общие анодные выводы.
На рисунке который мы видим выше, показана схема вольтметра, который может измерять напряжение от 0 до 100В. Измеряемое напряжение поступает на делитель, собранный на резисторах R1-R3, а затем далее на выводы 11-10 микросхемы D1. Конденсатор C3 служит для исключения помех, мешающих измерениям.
Резистор R4 служит для установки показания прибора на ноль, при отсутствии входного напряжения. А вот резистором R5, можно выставить предел измерения так, чтобы результат измерения соответствовал реальному, т. е. можно сказать что им калибруют прибор.
Логическая часть микросхемы СА3162Е построена по логике ТТЛ, а выходы еще и с открытыми коллекторами. На выходах «1-2-4-8» формируется двоично-десятичный код, который периодически сменяется, обеспечивая последовательную передачу данных о трех разрядах результата измерения. Если используется дешифратор ТТЛ, как, например, КР514ИД2, то его входы непосредственно подключаются к данным входам D1. Если же будет применен дешифратор логики КМОП или МОП, то его входы будет необходимо подтянуть к плюсу при помощи резисторов. Это нужно будет сделать, например, если вместо будет использован дешифратор или CD4056.
Выходы дешифратора D2, через токоограничивающие резисторы R7-R13, подключаются к сегментным выводам светодиодных индикаторов Н1-НЗ. Одноименные сегментные выводы всех трех индикаторов соединены вместе. Чтобы произвести опрос индикаторов, необходимо использовать транзисторные ключи VT1-VT3, на базы которых подаются команды с выходов Н1-НЗ микросхемы D1. Эти выводы сделаны по схеме, с открытым коллектором. Активный ноль, поэтому используются транзисторы структуры p-n-p.
Схема амперметра не сильно отличается от вольтметра. Вместо делителя здесь установлен шунт, на пятиваттном резисторе R2 сопротивлением которого 0,1 Ом. Благодаря такому шунту, прибор может измерять ток до 10А (если уж совсем точно, то 0…9,99А). А установка на ноль и калибровка, как и в схеме вольтметра, осуществляется двумя резисторами R4 и R5.
Применяя другие делители и шунты можно задать другие пределы измерения. К примеру, 0…9,99В, 0…999 мА, 0…999В, 0…99,9А, все зависит от задач, поставленных перед изготовлением устройства. Да и вообще, на основе данных схем можно сделать и самостоятельный измерительный прибор для измерения напряжения и тока (проще говоря мультиметр). Однако стоит учесть, что даже применяя жидкокристаллические индикаторы прибор будет потреблять немалый ток, так как логическая часть СА3162Е построена на ТТЛ-логике.
Питание прибора осуществляется постоянным, стабилизированным напряжением 5В. В источнике питания, в который будут они установлены, необходимо предусмотреть наличие такого напряжения при токе не ниже 150 мА.
Налаживание устройства не представляет из себя ничего сложного. Итак, вольтметр. Сначала замкнем между собой выводы 10 и 11 D1, и крутя резистор R4 выставим нулевые показания. Далее, убираем перемычку, замыкающую выводы 11-10 и подключаем к клеммам «нагрузка» образцовый прибор, например, мультиметр. Регулируя напряжение на выходе источника, резистором R5 калибруем прибор так, чтобы его показания совпадали с показаниями мультиметра.
Амперметр. Сначала, не подключая нагрузку, регулировкой резистора R5 устанавливаем показания на ноль. Теперь потребуется постоянный резистор, сопротивлением 20 Ом и мощностью не ниже 5Вт. Устанавливаем на блоке питания напряжение 10В и подключаем этот резистор в качестве нагрузки. Крутим резистор R5 так, чтобы амперметр показал 0,5 А. Хотя никто не запрещает выполнять калибровку и по образцовому амперметру, просто автору показалось более удобным делать это с резистором. Хотя безусловно, на качество калибровки влияет погрешность сопротивления резистора.
Описываемый блок питания (БП) предназначен для использования в радиолюбительской лаборатории. Устройство собрано только из доступных деталей и не требовательно к специализированным микросхемам и импортным элементам.
Основные характеристики БП
Выходное напряжение регулируется от 0 до 30 В.
Выходной ток 5 А.
Падение напряжения при токе 1…6 А ничтожно мало и на выходных показателях не отражается.
Принципиальная электрическая схема БП показана на рис.1.
Устройство содержит три основных узла: внутренний сетевой узел питания на VD1, VD2, С1-С7, DAI, DA2, узел защиты от перегрузки и короткого замыкания (КЗ) на VS1, R1, R3, R4, VD3, основной узел - регулируемый стабилизатор напряжения на VT1-VT7, VD4, VD5, R2, R5-R16, С8. К БП добавлена цифровая панель, т.е. блок цифровой индикации (БЦИ). Принципиальная электрическая схема БЦИ показана на рис.2.
Внутренний сетевой узел питания построен по традиционной схеме с сетевым трансформатором Т1.
Узел защиты особенностей не имеет. Датчик тока рассчитан на ток 3 А, но можно его рассчитать на ток 5 А. Длительное время БП эксплуатировался с током 5 А. Никаких сбоев в его работе не наблюдалось. Светодиод HL1 индицирует перегрузку по току или КЗ в нагрузке. Основной узел - регулируемый стабилизатор напряжения компенсационного типа. Он содержит входную дифференциальную ступень на транзисторах VT5, VT7, две ступени усиления на транзисторах VT3 и VT2 и регулирующий транзистор VT1. Элементы VT4, VT6, VD4, VD5, R5-R8, R10 образуют стабилизаторы тока. Конденсатор С8 предотвращает самовозбуждение блока. Усилитель охвачен ООС через резисторы R13, R14 так, чтобы напряжение на базах VT5 и VT7 были одинаковы и равны нулю. Так как транзисторы VT5 и VT7 не подбирались одинаковыми, имеется определенное "смещение нуля" этого каскада, которое является минимальным напряжением БП. В небольших пределах его можно подрегулировать с помощью подстроечного резистора R7. В авторском варианте на выходе БП оно достигало приблизительно 47 мкВ. Выходное напряжение регулируется резистором R13. Верхняя граница напряжения - подстроечным резистором R14.
Конструкция и детали. Мощность трансформатора Т1 должна быть не менее 100... 160 Вт, ток обмотки II -не менее 4...6. А, ток обмотки III-не менее 1...2 А. Диодную сборку RS602 можно заменить сборкой RS407 или диодами, рассчитанными на ток 10 А. В качестве диодного моста VD2 можно применить любой из серий КЦ402 - КЦ405. Транзистор VT1 следует установить на теплоотводе площадью не менее 1500 см. Транзистор КТ825А - составной. Его можно заменить парой транзисторов, как показано на рис.3
Данные транзисторы соединены по схеме Дарлингтона. Резистор R4 подбирают экспериментально, по току срабатывания защиты. Резисторы R7 и R14 многооборотные типа СП5-2. Резистор R13 любой переменный с линейной функциональной характеристикой (А). В авторском варианте применен переменный резистор ППБ-ЗА на 2,2 кОм±5%. Микросхемы DA1 и DA2 можно заменить аналогичными отечественными КР142ЕН5А и КР1162ЕН5А. Их мощность позволяет стабилизировать напряжение ± 5 В для питания внешних нагрузок с током потребления до 1 А. Данной нагрузкой является цифровая панель, которая используется для цифровой индикации напряжения и тока в БП. Цифровая панель состоит из входного делителя напряжения и тока, микросхемы КР572ПВ2 и узла индикации, состоящего из трех семисегментных светодиодных индикаторов. Резистор R4 цифровой панели состоит из двух отрезков константанового провода диаметром 1 мм и длиной 50 мм. Разница в номинале резистора должна быть не выше 15...20%. Резисторы R2 и R6 типа СП5-2 и СП5-16ВА. Переключатель режимов индикации напряжения и тока типа П2К. Микросхема КР572ПВ2 представляет собой преобразователь на 3,5 десятичных разрядов, работающий по принципу последовательного счета с двойным интегрированием, с автоматической коррекцией нуля и определением полярности входного сигнала. Для индикации использовались импортные светодиодные семисегментные индикаторы KINGBRIGT SA56 -11SRWA с общим анодом. Конденсаторы С4-С6 желательно применять пленочные типа К73-17. Резистор R9 типа С5-16ВА. Вместо импортных семисегментных светодиодов можно применить отечественные с общим анодом типа АЛС324Б.
Налаживание. Так как конструкция расположена на двух печатных платах, сначала настраивают БП, затем БЦИ. Блок питания. При исправных деталях и отсутствии ошибок в монтаже устройство начинает работать сразу после включения. Его налаживание заключается в установке необходимых пределов изменения выходного напряжения и тока срабатывания защиты. Движки резисторов R7 и R13 должны находиться в среднем положении. Резистором R14 по вольтметру добиваются показания 15 В. Затем движок резистора R13 переводят в минимальное положение и по вольтметру резистором R7 устанавливают 0 В. Далее движок резистора R13 переводят в максимальное положение и резистором R14 по вольтметру устанавливают напряжение 30 В. Резистор R14 можно заменить постоянным, для этого в плате предусмотрено место - резистор R15. В авторском варианте это резистор 360 Ом.
Цифровая панель индикации напряжения и тока. После включения питания, при безошибочном монтаже и исправных деталях, должны засветиться сегменты индикации. По вольтметру резистором R9 на выводе 36 микросхемы КР572ПВ2 выставляют напряжение 1 В. К ножкам (а) и (Ь) подключают БП. На выходе БП устанавливают напряжение 5... 15 В и подбирают резистор R1 (грубо), заменив его на время переменным. С помощью резистора R2 устанавливают более точное показание напряжения. После этого к выходу БП подсоединяют переменный резистор мощностью 10...30 Вт, по амперметру выставляют ток 1 А и резистором R6 выставляют значение на индикаторе. Показание должно быть 1,00. При токе 500 мА - 0,50, при токе 50 мА - 0,05. Таким образом, индикатор может индицировать ток от 10 мА, т.е. 0,01. Максимальное значение индикации тока 9,99 А. Для большей разрядности индикации можно применить схему на КР572ПВ6.
Радиоаматор №9 2005 стр. 24
Настраивая ту или иную конструкцию желательно постоянно держать под контролем напряжение питания или ток потребления схемой. Поэтому, во многих лабораторных источниках питания имеются встроенные вольтметры и амперметры, показывающие напряжение и ток на нагрузке, подключенной к источнику. Для этого можно применить цифровой индикатор на семисегментных светодиодах и специализированной микросхеме АЦП для измерительных приборов.
На рисунке приводится схема измерителя тока и напряжения для встраивания в самодельный лабораторный источник питания, выполненный на основе мощного силового низкочастотного трансформатора (например, трансформатора от старого телевизора).
Блок, с показанными на схеме номиналами R4 и R8 может измерять напряжение до 20V (19,99) и ток до 10 А. Выбор режима - ток/напряжение осуществляется переключателем S1 (на схеме он показан в положении напряжение).
В основе измерителя широкоизвестная микросхема КР572ПВ2А. Здесь она включена по упрощенной типовой схеме, в которой отрицательный полюс входа (вывод 30) соединен с общим минусом питания. Опорное напряжение, необходимое для работы схемы АЦП микросхемы создается делителем R2-R3. Индикация осуществляется на 3,5-разрядном цифровом табло (в старшем разряде только единица или ничего).
Для питания измерителя требуется переменное напряжение в пределах, примерно, 6...12V. Это напряжение, например, можно снять с накальной обмотки силового трансформатора, на основе которого сделан источник питания. Выпрямитель на диодах VD1 и VD2 формирует двухполярное напряжение. Интегральный стабилизатор А1 стабилизирует положительное напряжение питания измерителя на уровне +5V.
По положительной цепи измеритель потребляет значительно больший ток, чем по отрицательной, потому что от неё питается не только микросхема А2, но и светодиодные индикаторы, потребляющие значительный ток. Поэтому, в положительной цепи используется относительно мощный стабилизатор на А1.
Ток потребления отрицательного напряжения значительно ниже, так как отрицательное напряжение используется только для питания операционных усилителей схемы АЦП микросхемы А2. Поэтому, здесь стабилизатор параметрический, на VD3 и R1.
К выходным клеммам источника схема измерителя подключается посредством линий, обозначенных на схеме «1, 2, 3». Линия «1» подключается к положительной выходной клемме источника. А в цепи отрицательной клеммы необходимо включить низкоомный проволочный резистор R8. Его нужно подключить непосредственно к клемме, - в разрыв провода, идущего к ней. Таким образом, линия «2» идет к отрицательной клемме, а линия «3» к отрицательному выходу схемы источника питания, то есть, практически на корпус.
При измерении напряжения (S1 в показанном на схеме положении) напряжение с выхода источника питания поступает на вход измерителя через делитель R4-R5-R6, обеспечивающий верность показаний измерения напряжения.
При измерении силы тока (S1 в противоположном, показанному на схеме положении) на вход измерителя поступает напряжение, которое падает на R8. Резистор R10 служит для обеспечения верности показаний потребляемого нагрузкой тока.
В схеме можно использовать другие светодиодные цифровые индикаторы, важно только чтобы они были с общим анодом. Сопротивление резистора R8 не обязательно должно быть точно таким, как на схеме. Благодаря наличию подстроечного R10 его величина может отличаться от указанного на схеме даже в несколько раз.
Настройка
Переключите прибор на измерение силы тока. Установите R10 в среднее положение. Нагрузите источник питания нагрузкой, потребляющий ток в два раза ниже максимального выходного тока источника. Например, 3А. Подстройте R3 так, чтобы показания прибора соответствовали действительности.
Далее, переключите прибор на измерение напряжения, и подстройкой R5 добейтесь правильного показания величины напряжения. Если пределов подстройки R5 будет недостаточно, подстройте R3, а затем, поправите на режиме измерения тока подстройкой R10. В общем, получается как из учебника регулировщика аппаратуры, - настройка методом последовательных приближений.
Если важно контролировать одновременно и силу тока и напряжение, можно сделать два таких измерителя, - один для тока, другой для напряжения.
Чтобы ток и напряжение можно было контролировать одновременно, не делая второй измеритель, и при этом нет необходимости в большой точности измерения тока, можно сделать дополнительный светодиодный индикатор тока, по схеме, показанной на втором рисунке. Вход схемы подключен к R8 постоянно. Достоверность показаний устанавливают подстроенным резистором R13.
Схема на ВА6125 может служить и составной частью защиты источника питания. Нужно настроить R13 так, чтобы вся линейка светодиодов горела при максимальном токе, при котором должна срабатывать защита. И вместо светодиода старшего разряда подключить светодиод оптрона, сигнал с выхода которого, использовать для управления триггерной или релейной схемой отключения блока питания или нагрузки.
Вместо ВА6125 можно использовать любую аналогичную индикаторную микросхему, например, AN6884. Если чувствительности микросхемы будет недостаточно (для ВА6125 - 70mV, для AN6884 - 120mV) нужно немного увеличить сопротивление R8. Переключатель S1 работает как и прежде, -чтобы получить точное изменение тока, его нужно переключить в положение ток.
Ардуино следит за напряжением на выходе, за током, и посредством ШИМ пинает силовой транзистор так, чтобы блок питания выдавал установленные значения.Блок питания умеет выдавать напряжение от 1 до 16 вольт, обеспечивать ток 0.1 - 8 ампер (при нормальном источнике напряжения) уходить в защиту и ограничивать ток. То есть его можно использовать для зарядки аккумуляторов, но я не рискнул, да и у меня уже есть. Еще одна особенность этого странного блока питания в том, что он питается от двух напряжений. Основное напряжение должно подкрепляться вольтодобавкой от батарейки, или второго блока питания. Это нужно для корректной работы операционного усилителя. Я использовал ноутбучный блок питания 19в 4А в качестве основного, и зарядку 5в 350мА от какого-то телефона в качестве добавочного питания.
Сборка.
Сборку я решил начать с пайки основной платы с расчетом забить болт, если не заработает, так как начитался комментов от криворуких, как все у них дымит, взрывается и не работает, да и к тому же я внес некоторые изменения в схему.Для изготовления платы я купил новый лазерный принтер, чтобы наконец то освоить ЛУТ, ранее рисовал платы маркером (), тот еще геморрой. Плата получилась со второго раза, потому что в первый раз я зачем-то отзеркалил плату, чего делать было не нужно.
Окончательный результат:
Пробный запуск обнадежил, все работало как надо
После удачного запуска я принялся курочить корпус.
Начал с самого габаритного - системы охлаждения силового транзистора. За основу взял кулер от ноутбука, вколхозил это дело в заднюю часть. 
Натыкал на переднюю панель кнопок управления и лампочек. Здоровенная крутилка это энкодер со встроенной кнопкой. Используется для управления и настройки. Зеленая кнопка переключает режимы индикации на дисплее, прорезь снизу для разъема юсб, три лампочки (слева направо) сигнализируют о наличии напряжения на клеммах, активации защиты при перегрузе, и об ограничении тока. Разъем между клеммами для подключения дополнительных устройств. Я втыкаю туда сверлилку для плат и резалку для оргстекла с нихромовой струной.
Засунул все кишки в корпус, подсоединил провода
После контрольного включения и калибровки закрыл крышкой.
Фото собранного
Отверстия проделаны под радиатором стабилизатора lm7805, который нехило греется. Подсос воздуха через них решил проблему охлаждения этой детали
Сзади выхлопная труба, красная кнопка включения и разъем под сетевой кабель.
Прибор обладает кое-какой точностью, китайский мультиметр с ним согласен. Конечно калибровать самопальную махарайку по китайскому мультиметру и говорить о точности достаточно смешно. Несмотря на это прибору найдется место на моем столе, так как для моих целей его вполне достаточно
Некоторые тесты
Взаимодействие с программой. На ней в реальном времени отображается напряжение и ток в виде графиков, так же с помощью этой программы можно управлять блоком питания.
К блоку питания подключена 12-вольтовая лампа накаливания и амперметр. Внутренний амперметр после подстройки работает сносно
Измерим напряжение на клеммах. Великолепно.
В прошивке реализована ваттосчиталка. К блоку подключена все та же лампочка на 12 вольт, на цоколе которой написано «21W». Не самый паршивый результат.
Изделием доволен на все сто, поэтому и пишу обзор. Может кому-то из читателей нехватает такого блока питания.
О магазинах:
Чип-нн порадовал скоростью доставки, но ассортимент маловат на мой взгляд. Этакий интернет магазин, аналогичный арадиомагазину в среднем городке. Цены ниже, кое на что в разы.
Чип-дип… закупил там то, чего не было в чип-нн, иначе б не сунулся. розница дороговата, но все есть.
