41_45.PDF

Zasilacz laboratoryjny

sterowany cyfrowo,

część 1

W†kaødym laboratorium

elektronicznym jest potrzebny

zasilacz o†duøej mocy

i†regulowanym napiÍciu na

wyjúciu. W†zasilaczu

opisanym w†artykule wszelkie

nastawy s¹ monitorowane

przez mikrokontroler.

Istnieje wiele rodzajÛw zasila-

czy laboratoryjnych, od bardzo

prostych do niezwykle z³oøonych.

Od liniowych analogowych zasi-

laczy z†regulacj¹ jedynie napiÍcia,

do zasilaczy impulsowych, z†mik-

roprocesorow¹ stabilizacj¹ napiÍ-

cia i†pr¹du, z†programowalnymi

przebiegami sygna³Ûw i†rozmaity-

mi funkcjami monitorowania oraz

z†interfejsem GPIB.

Prezentowany zasilacz naleøy

do grupy plasuj¹cej siÍ poúrodku.

W†zaleønoúci od wersji, napiÍcie

wyjúciowe wynosi 0...25V, przy

pr¹dzie wyjúciowym do 2,5A lub

0...20V, przy maksymalnym pr¹-

dzie wyjúciowym 1A. NapiÍcie

i†natÍøenie pr¹du s¹ nastawialne

cyfrowo, kaøde za pomoc¹ czte-

rech przyciskÛw (dwoma zgrubnie

i†dwoma dok³adnie), z†rozdziel-

Artyku³ publikujemy na pod-

stawie umowy z wydawc¹ mie-

siÍcznika "Elektor Electronics".

Tab. 1. Skrócone dane techniczne zasilacza laboratoryjnego

Parametr wersja 2,5A wersja 1A

Napięcie zasilania 230VAC −0/+10% przy 25V, 2,5A 230VAC ±10% przy 20V, 1A

±10% przy 24V, 2,5A

Dokładność ustalonego typowo +30mV

Editorial items appearing on

pages 41...44 are the copyright

property of (C) Segment B.V., the

Netherlands, 1998 which reserves

all rights.

typowo +30mV

napięcia

Dokładność ustalonego typowo +5mA

typowo +5mA

ograniczenia prądu

Tętnienia napięciowe

5mV (stabilizacja napięcia)

na wyjściu

10mV (stabilizacja prądu)

25mV (stabilizacja prądu)

Elektronika Praktyczna 3/2002

Rys. 1. Schemat zasilacza 2,5A. W nawiasach podano wartości dla zasilacza 1A.

Elektronika Praktyczna 3/2002

czoúci¹ 100mV i†10mA. Zadane

i†faktyczne wartoúci napiÍcia

i†pr¹du s¹ wyúwietlane na pod-

úwietlanym wyúwietlaczu ciek³ok-

rystalicznym. Zasilacz moøe byÊ

sterowany zdalnie przez wbudowa-

ny interfejs RS232, a†mierzone war-

toúci napiÍcia i†natÍøenia pr¹du s¹

przesy³ane przez ten interfejs

w†sposÛb ci¹g³y. W†protokole ko-

munikacyjnym s¹ uøywane tylko

znaki ASCII, zatem w†najprostszym

przypadku do wyúwietlania i†regu-

lacji wystarcza HyperTerminal . Od-

powiedni program sterowania zasi-

laczem jest dostÍpny bezp³atnie

z†autorskiej witryny www.pic-ba-

sic.de . Kod ürÛd³owy takøe zosta³

tam opublikowany, a†wiÍc program

ten moøe byÊ modyfikowany do

innych aplikacji.

Do sterowania zasilaczem s³u-

øy mikrosterownik PIC16F84 fir-

my Microchip z†programem napi-

sanym w†PIC-Basic 1.3. Kod ürÛd-

³owy, listing asemblera i†szesnas-

tkowy ìzrzutî kodu maszynowego

tego programu s¹ takøe udostÍp-

nione bezp³atnie pod wyøej po-

danym adresem. W† tab. 1 zawarto

g³Ûwne dane techniczne zasilacza.

miniÍciem rezystancji úcieøek

i†stykÛw) dostosowywane do wy-

magaÒ napiÍciowych komparatora.

Pomiar pr¹du jest nieco bar-

dziej z³oøony, poniewaø w†pÍtli

sprzÍøenia zwrotnego musi zna-

leüÊ siÍ pr¹dowy rezystor szere-

gowy. Jego rezystancja musi byÊ

moøliwie ma³a, aby zbytnio nie

ograniczaÊ zakresu napiÍcia wyj-

úciowego i†zachowaÊ niskie straty

mocy. Z†drugiej strony jednak,

rezystor szeregowy musi mieÊ na

tyle duø¹ rezystancjÍ i†musi byÊ

dok³adny, aby odk³adaj¹cy siÍ na

nim (proporcjonalny do pr¹du)

spadek napiÍcia by³ mierzalny

przez komparator i†nie zosta³ zdo-

minowany przez napiÍcie polary-

zacji i†szumy.

Rezystor szeregowy jest utwo-

rzony z†dziesiÍciu po³¹czonych

rÛwnolegle rezystorÛw 1

a†odk³ada siÍ

na nim napiÍcie 25,25V + 0,0625V

= 25,3125V. Cztery pi¹te tego

napiÍcia odk³ada siÍ na R7 i†R8,

a†na R15 jedna pi¹ta, czyli

5,0625V. W†miejscu po³¹czenia R8

i†R15 wystÍpuje zatem dok³adnie

5V wzglÍdem masy. NapiÍcie na

wyjúciu dzielnika wynosi wiÍc

zawsze dok³adnie 1/5 napiÍcia

wyjúciowego, niezaleønie od natÍ-

øenia pr¹du, pobieranego przez

obci¹øenie i†p³yn¹cego przez re-

zystor szeregowy. Bez takiej kom-

pensacji spadek napiÍcia na re-

zystorze szeregowym wp³ywa³by

na napiÍcie wyjúciowe zasilacza.

Wzmacniacze operacyjne IC1 wy-

magaj¹ takøe ujemnego napiÍcia

wzglÍdem masy zasilacza, musz¹

wiÍc byÊ zasilane odpowiednio

ujemnym napiÍciem. Wystarczaj¹-

cego do tego celu napiÍcia dostar-

cza dioda D1.

Podzielone, wzmocnione

i†skompensowane napiÍcia pomia-

rowe s¹ nastÍpnie kierowane do

wejúÊ odwracaj¹cych wzmacnia-

czy operacyjnych IC1D (przez R9)

i†IC1A (przez R14), dzia³aj¹cych

jako komparatory. Komparatory te

porÛwnuj¹ aktualne napiÍcie i†ak-

tualny pr¹d z†wartoúciami wyma-

ganymi, otrzymywanymi z†mikro-

sterownika PIC16F84 (IC3). Moøe

on generowaÊ dwa analogowe syg-

na³y napiÍciowe za poúrednict-

wem filtrÛw RC: R11, C9 i†R12,

C8. NapiÍcia te powstaj¹ przez

ca³kowanie sygna³Ûw z†modulacj¹

szerokoúci impulsÛw z†wyjúÊ mik-

Klasyczna stabilizacja

analogowa

Uk³ad sk³ada siÍ z†bloku ana-

logowego i†cyfrowego (schemat po-

kazano na rys. 1 ), mieszcz¹cych

siÍ na jednej p³ytce drukowanej.

Jedynie tranzystory szeregowe,

modu³ wyúwietlacza i†transforma-

tor sieciowy (wraz z†doprowadze-

niem sieci i†wy³¹cznikiem) umie-

szczono poza p³ytk¹. Schemat

klasycznego stabilizatora analogo-

wego zosta³ unowoczeúniony przez

zastosowanie uk³adu scalonego

LT1491. Jest to poczwÛrny wzmac-

niacz operacyjny o†identycznych

wyprowadzeniach i†takich samych

(jeúli nie lepszych) parametrach

jak legendarny LM324.

DziÍki uøyciu precyzyjnych re-

zystorÛw warstwowych o†ma³ych

tolerancjach, wzmacniacze pracuj¹

na tyle dok³adnie, øe nie potrzeba

wielu punktÛw kalibracyjnych.

W†zasilaczu wyjúciowe napiÍ-

cie i†pr¹d s¹ nieustannie mierzo-

ne i†porÛwnywane z†wymaganymi

za pomoc¹ komparatorÛw. NapiÍ-

cie wyjúciowe jest w†tym celu

pobierane bezpoúrednio z†zacisku

wyjúciowego i†za poúrednictwem

dzielnika rezystancyjnego (z po-

o†tole-

rancji 1% (R24...R33). Tak po-

wsta³y rezystor jest taÒszy od

rezystora 0,1

/1%, a†oczekiwana

dok³adnoúÊ porÛwnywalna. Ele-

menty zosta³y tak rozmieszczone

na p³ytce drukowanej, aby rezys-

tancja skrÛconej do minimum

úcieøki obwodu tego rezystora

moøliwie najmniej wp³ywa³a na

pomiar.

Przy pr¹dzie obci¹øenia 2,5A,

spadek napiÍcia na rezystorze wy-

nosi 0,25V. Wzmacniacz operacyj-

ny IC1C w†wersji 2,5A wzmacnia

go 20-krotnie, a†w†wersji 1A 40-

krotnie. Wzmocnione napiÍcie jest

przez R14 doprowadzone do kom-

paratora.

Jednakøe na pomiar napiÍcia

wp³ywa rÛwnieø pr¹d. Wzmac-

niacz operacyjny IC1B dzieli spa-

dek napiÍcia na rezystorze szere-

gowym przez cztery i†odwraca go,

wytwarzaj¹c napiÍcie -0,0625V. Je-

Elektronika Praktyczna 3/2002

øeli napiÍcie na zaciskach wyj-

úciowych (czyli na obci¹øeniu)

wynosi 25V, to na zacisku dodat-

nim wzglÍdem masy zasilacza

powstaje 25,25V. Ca³kowita rezys-

tancja dzielnika napiÍcia (R7 + R8

+ R15) wynosi 50k

rokontrolera. RozdzielczoúÊ tych

przetwornikÛw cyfrowo-analogo-

wych wynosi 8†bitÛw.

DziÍki pojemnoúciom C6 i†C7

charakterystyki komparatorÛw s¹

dolnoprzepustowe. Ich wyjúcia

przez D6 i†D5, po³¹czone w†uk³ad

sumy galwanicznej ( wired OR ),

steruj¹ bazami tranzystorÛw sze-

regowych stabilizatora. Jeúli jedna

z†wielkoúci mierzonych przekro-

czy wartoúÊ wymagan¹, potencja³

baz jest obniøany do poziomu

masy, a†nawet nieco poniøej,

i†tranzystory szeregowe s¹ bloko-

wane. Jeøeli wymagane napiÍcie

lub wymagany pr¹d nie s¹ osi¹-

gane, sta³opr¹dowe ürÛd³o T1 do-

starcza pr¹du bazy 2mA (w†zasi-

laczu 2,5A) lub 360

WYKAZ ELEMENTÓW

Wersja 2,5A

(wersja 1A w nawiasach)

Rezystory

(* warstwowe metalizowane 1%)

R1: 220

, 5W

IC1: LT1491

IC2: TLC272

IC3: PIC16F84A−04P, zaprogramo−

wany, kod 000166−42

IC4: 4066

IC5, IC6: 74HC164

IC7: 78L05

IC8: MAX232

T1: BC557B

T2...T4: TIP142 (tylko jeden)

T5...T7: BC547B (nie potrzebne)

Różne

F1: bezpiecznik 2A, zwłoczny

F2: bezpiecznik 4A, zwłoczny (2A,

zwłoczny)

S1...S8: przycisk, C&K 3FTL6 + IS09

22.5, albo zwykły 10x10x20mm,

rozstęp 5mm

TR1: toroidalny transformator

sieciowy 24V. 80VA, np. UI39/1721

V, 2571 mA

X1: rezonator ceramiczny 4MHz, 3

wyprowadzenia

moduł LCD 16x1, z

podświetlaniem

oprawka bezpiecznika do druku

oprawka bezpiecznika do chassis,

albo aparatowe gniazdko

sieciowe z bezpiecznikiem

dwa zaciski prądowe, czerwony

i czarny

FI1: filtr sieciowy 2A

K1: 9−stykowy pinheader SIL ze

złączem D−9 (żeńskim) do chassis

K2: 5−stykowy pinheader

K4, K5: blok dwuśrubowy do

druku, rozstęp 5mm

14−stykowa podstawka układu

scalonego

18−stykowa podstawka układu

scalonego

12 szpilek lutowniczych

radiator 180x75x48mm, 0,6K/W

(100x50x31mm, 2,4K/W)

obudowa (szer x głęb x wys)

200x180x100mm, np. Telet typu

LC950

wyłącznik sieciowy

przewód sieciowy

płytka drukowana kod 000166−1

R2: 330

, 0,5W

Ω

R4: 100k

R5: 330

(1,8k

)

, 0,5W

R7, R18, R23: 1k

R9, R10, R13, R14, R40, R41, R43:

10k

Ω

R11, R12: 47k

R15, R16: 10k

A (w†zasila-

czu 1A), niezaleønie od napiÍcia

wyjúciowego.

Tak niewielki pr¹d w†zupe³-

noúci wystarcza, poniewaø T2, T3

i†T4 s¹ tranzystorami Darlingtona.

W†zasilaczu 2,5A uøyto trzech

tranzystorÛw szeregowych. Dla za-

pewnienia rÛwnomiernego roz-

dzia³u pr¹du pomiÍdzy nimi,

w†ich obwodach emiterowych

umieszczono rezystory 0,51

Ω

R20, R39: 1k

R21: 1k

* (0

)

R22: 18k

* (39k

*, 0,6W

R35−R38: 100k

Ω

R44: 3,3k

Ω

R45...R47: 0,51

, 0,5W (nie

potrzebne)

P1: 10

wieloobrotowy, nastawczy

. Gdy

napiÍcie na jednym z†nich wzroú-

nie powyøej 0,65V (przy oko³o

1,3A), odpowiadaj¹cy mu jeden

z†tranzystorÛw T5, T6 i†T7 zacz-

nie przewodziÊ i†przerwie prze-

p³yw pr¹du w†tranzystorach Dar-

lingtona. W†ten sposÛb uk³ad jest

skutecznie zabezpieczony przed

impulsami pr¹dowymi, wywo³y-

wanymi zwarciami obci¹øenia,

ktÛre mog³yby zniszczyÊ tranzys-

tory szeregowe. W†zasilaczu 1A

uøyto tylko jednego tranzystora

Darlingtona, wiÍc rezystory emi-

terowe i†uk³ad zabezpieczaj¹cy sta-

j¹ siÍ zbÍdne. Do zasilacza 2,5-

amperowego jest potrzebny radia-

tor 0,6K/W, a†w†1-amperowym za-

stosowano radiator 2,4K/W. Przy

maksymalnym obci¹øeniu -†czyli

przy zwartym wyjúciu i†maksy-

malnym moøliwym pr¹dzie -†zo-

stanie osi¹gniÍta temperatura 80 o C.

Obie wersje zasilacza moøna wiÍc

bez ograniczeÒ eksploatowaÊ przy

pe³nym obci¹øeniu (bez aktywne-

go ch³odzenia).

P2: 500

nastawczy płaski

Kondensatory

C1: 10000

F/50V (4700

F/35V)

F/50V, stojący

C3, C13...C17, C20: 10

F/16V

C4, C7, C11, C18: 100nF,

ceramiczny, rozstaw 5mm

C5: 10nF, ceramiczny, rozstaw

5mm

C6: 1nF, ceramiczny, rozstaw

2,5mm

C8, C9: 10

F, tantalowy, kroplowy

C10: 4,7nF, FKS−2

C12: 4,7

F/63V, MKS−4

F/63V

Półprzewodniki

B1: B80C5000 (B80C1500)

D1: P600D (1N4007)

D2: dioda Zenera 12V/1,3W

D3...D6: 1N4148

k³adnego pomiaru i†dostarczania

dok³adnego napiÍcia jest oczywiú-

cie potrzebne dok³adne i†stabilne

napiÍcie wzorcowe. Otrzymuje siÍ

je za pomoc¹ diody Zenera D2

(stabilizacja wstÍpna 12V) i†na-

stÍpnie stabilizatora 5V, IC7. Na-

piÍciem 12V zasila siÍ takøe IC2.

Za pomoc¹ R3 i†P1 napiÍcie

stabilizatora IC7 moøna nastawiÊ

na 5,12V (w rzeczywistoúci

5,14...5,16V). Rezystor R3 jest

g³Ûwnym obci¹øeniem IC7 i†przez

P1 p³ynie oko³o 33mA. Pr¹d ten

zosta³ tak dobrany, aby dziesiÍ-

ciokrotnie przewyøsza³ pr¹d od-

prowadzany do masy przez sam

stabilizator IC7. DziÍki temu za-

leønoúÊ jego napiÍcia od obci¹øe-

nia jest bardzo ma³a.

NapiÍcie i†pr¹d ustalane

przez mikrokontroler

Elementem wspÛlnym czÍúci

analogowej i†cyfrowej zasilacza

jest mikrokontroler IC3. Do do-

Elektronika Praktyczna 3/2002

R3: 150

R6: 1k

R8, R17: 39k

R19: 8,2k

R24−R34: 1

R42: 47k

P3: 2,5k

leżący

C2: 470

C19: 10

W†rezultacie tych zabiegÛw na-

piÍcie wzorcowe jest bardzo sta-

bilne i†zmienia siÍ tylko pod

wp³ywem normalnego starzenia

siÍ elementÛw. Zaleca siÍ wiÍc,

jak w†przypadku wszystkich elek-

tronicznych przyrz¹dÛw pomiaro-

wych, rekalibrowaÊ zasilacz po

kilku latach.

NapiÍcie wzorcowe jest takøe

wykorzystywane w†przetworniku

amplitudowo-cyfrowym delta-sig-

ma, utworzonym z†IC2. Korzysta-

j¹c z†takiego sposobu konwersji

A/C, z†niewielu podzespo³Ûw

moøna zbudowaÊ przetwornik

o†wysokiej precyzji, za pomoc¹

ktÛrego moøna dokonywaÊ bardzo

dok³adnych i†powtarzalnych po-

miarÛw, niezaleønie od tolerancji

elementÛw. Jednak w†celu uprosz-

czenia kalibracji napiÍcia za po-

moc¹ potencjometru P2, uøyto

rezystorÛw 1%. W†procesie kon-

wersji oczywiúcie bierze takøe

udzia³ mikroprocesor. Konwersja

przebiega w†nastÍpuj¹cych eta-

pach: w†stanie pocz¹tkowym koÒ-

cÛwka A2 mikrosterownika (usta-

wiona jako wejúcie) jest w†stanie

wysokiej impedancji, a†koÒcÛwka

A3 (wyjúcie) na poziomie niskim.

Mierzone napiÍcie jest doprowa-

dzone do wejúcia nieodwracaj¹ce-

go IC2B, a†poniewaø dzia³a on

jako bufor, pojawia siÍ rÛwnieø na

jego wyjúciu. Za³Ûømy, øe napiÍ-

cie to wynosi dok³adnie 1,28V.

Zatem wyjúcie integratora IC2A

jest na potencjale dodatniego bie-

guna zasilania wzmacniacza. Wej-

úcie A2 interpretuje to jako stan

wysoki. Gdy ma byÊ dokonany

pomiar, mikrosterownik zmienia

poziom na wyjúciu A3 z†niskiego

na wysoki (czyli 5,12V) i†czeka aø

napiÍcie A2 zmieni siÍ na niskie.

Mikrosterownik za pomoc¹ prze-

³¹czania napiÍcia na wyjúciu A3

utrzymuje wyjúcie integratora

w†po³owie jego zakresu. Zmienia-

j¹cy siÍ sygna³ wyjúciowy integ-

ratora bÍdzie interpretowany przez

mikrosterownik jako wysoki lub

niski. Teraz jest mierzony wspÛ³-

czynnik wype³nienia sygna³u in-

tegratora. Moøna sprawdziÊ, øe

wyjúcie A3 musi utrzymywaÊ siÍ

na poziomie wysokim trzykrotnie

d³uøej niø na niskim. Jest tak

wtedy, gdy úrednie napiÍcie na

wejúciu odwracaj¹cym integratora

jest takie samo, jak napiÍcie na

jego wejúciu nieodwracaj¹cym,

czyli 2,56V.

Potrzebne jest zatem dodatnie

napiÍcie polaryzacji tego wejúcia

za pomoc¹ P2, bowiem ten rodzaj

przetwornika A/C nie moøe dzia-

³aÊ przy napiÍciach ujemnych -

algorytm mikrosterownika tego nie

dopuszcza. Jako IC2 wybrano

TLC272 z†wejúciami MOS, ponie-

waø przetwornik A/C jest dok³ad-

ny tylko wtedy, gdy pr¹dy wej-

úciowe s¹ znacznie mniejsze niø

w†bipolarnych uk³adach scalo-

nych. Za tÍ zaletÍ trzeba by³o

jednak zap³aciÊ stosunkowo wy-

sokim napiÍciem polaryzacji.

W†tym jednak przypadku, gdy

regulacja i†tak jest konieczna, nie

jest to niekorzystne. Uk³ad IC4

jest prze³¹cznikiem elektronicz-

nym, doprowadzaj¹cym do bufora

IC2B sygna³ pomiaru napiÍcia lub

pr¹du.

pomoc¹ IC5, a†interfejsem wy-

úwietlacza ciek³okrystalicznego

jest uk³ad IC6. S¹ to 8-bitowe

rejestry przesuwaj¹ce typu

74HC164 z†szeregowym wejúciem

i†rÛwnoleg³ym wyjúciem. Mikro-

sterownik ³aduje dane cyfrowe do

rejestrÛw za pomoc¹ RB5 (dane)

i†RB6 (taktowanie). W†przypadku

IC6 dane te s¹ poleceniami ste-

ruj¹cym i†kodami znakÛw, przesy-

³anymi do modu³u wyúwietlacza

w†trybie 8-bitowym z†uøyciem syg-

na³u strobuj¹cego z†wyjúcia RB7.

W†przypadku IC5 dane tworz¹

uk³ady bitÛw pozwalaj¹ce mikro-

procesorowi identyfikowaÊ (za po-

úrednictwem RB4) naciúniÍty kla-

wisz. Potencjometr P3 s³uøy do

regulacji kontrastu wyúwietlacza.

Suwak na potencjale masy odpo-

wiada k¹towi patrzenia 10 do 20

powyøej pionu, ktÛry jest zaleca-

ny, gdy zasilacz jest uøywany na

stole.

Wyprowadzenia mikrosterow-

nika RB0, RB2, i†RB3 wykorzys-

tano do komunikacji szeregowej.

DziÍki dobrze znanemu uk³adowi

MAX232 (IC8) poziom sygna³Ûw

mieúci siÍ w†granicach ±10V od

strony RS232, a†w†granicach po-

ziomÛw TTL od strony mikroste-

rownika. OprÛcz koniecznych wy-

prowadzeÒ dla sygna³Ûw nadawa-

nych i†odbieranych (RXD i†TXD)

jest takøe wyprowadzony sygna³

CTS ( Clear To Send ). Interfejs

RS232 umoøliwia zarÛwno zdalne

wyúwietlanie, jak i†zdalne stero-

wanie.

Opis oprogramowania i†dzia³a-

nia zasilacza zostanie przedsta-

wiony w†nastÍpnej czÍúci artyku-

³u.

R. Pagel, EE

Interfejsy

Mikrosterownik jest wyposaøo-

ny w†szereg interfejsÛw. Interfejs

klawiatury zosta³ zrealizowany za

Elektronika Praktyczna 3/2002

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: