Блок питания разработан для налаживания и ремонта аппаратуры в радиолюбительской лаборатории. Термодатчиком контролируют температуру питаемого устройства. Если она превысит порог, устройство будет отключено. Это позволяет прервать развитие аварийной ситуации на ранней стадии и предотвратить катастрофические последствия. Таймер отключает блок питания через определённое время, что, в частности, может быть использовано при зарядке аккумуляторов.
Основные технические характеристики
Выходное стабилизированное напряжение, В………..0…15
Разрешение цифрового вольтметра, В ………………..0.1
Порог ограничения выходного тока. А
минимальный ……………………………………………….0,1
максимальный ………………………………………………..1
Интервал измерения температуры, °С …………….0…100
Максимальная выдержка таймера ……………9 ч 50 мин
Габариты, мм ……………………………………….105x90x70
Схема блока питания показана на рис. 1. Основа устройства — микроконтроллер PIC16F88 (DD1), использование периферийных модулей которого позволило расширить функциональные возможности блока, не усложняя его.
Регулируемый стабилизатор напряжения – линейный компенсационный. Он содержит регулируемый источник образцового напряжения, регулятор выходного напряжения и устройство сравнения напряжений. Устройство сравнения — встроенный компаратор микроконтроллера, на инвертирующий вход RA1 которого через делитель R26R28 и резистор R27 подаётся выходное напряжение, а на неинвертирующий вход RA2 — образцовое. Выходной сигнал устройства сравнения управляет регулятором выходного напряжения.
Источник регулируемого образцового напряжения — модуль ССР микроконтроллера, работающий в режиме генерации прямоугольных импульсов с переменной длительностью на выходе RB0. Образцовое напряжение — постоянная составляющая этих импульсов, пропорциональная их коэффициенту заполнения, которым можно управлять по программе. Образцовое напряжение выделяется фильтром нижних частот R1C1R2R5C3. Подстроечным резистором R2 регулируют его при налаживании.
Регулятор выходного напряжения собран на мощном составном p-n-p транзисторе VT1, включённом в плюсовой провод питания. Поскольку транзистор VT1 имеет большой коэффициент передачи тока базы, для его открывания достаточен небольшой базовый ток, который обеспечивает маломощный полевой транзистор VT2. Резистор R7 соединяет затвор транзистора VT2 с общим проводом, что удерживает этот транзистор в закрытом состоянии во время инициализации портов микроконтроллера в начале выполнения его программы. Конденсатор С9 корректирует АЧХ петли регулирования, предотвращая самовозбуждение стабилизатора.
Цепь управления регулятором выходного напряжения подключена к линии RA4 микроконтроллера. С помощью внутреннего электронного переключателя этот вывод может быть подключен к выходу компаратора устройства сравнения либо отключён от него. Программно управляя этим переключателем, можно установить регулятор выходного напряжения в выключенное состояние, когда выходное напряжение равно нулю, или во включённое, когда выходное напряжение пропорционально образцовому.
Аналоговый калиброванный температурный датчик LM35 (ВК1), линейно преобразующий температуру в напряжение с коэффициентом 10 мВ/ ºС, подключён через цепь R4C2 к выводу RA3 микроконтроллера, настроенному как аналоговый вход. Внутренний аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микроконтроллера использован в цифровом измерителе напряжения и температуры. Вход АЦП может быть программно подключён к выводам RA1 — RАЗ. Для повышения помехозащищённости измерительного тракта работа АЦП синхронизирована с периодом динамической индикации длительностью 20 мс. Результат преобразования обрабатывается программным усредняющим фильтром.
В начале каждого периода измерения АЦП преобразует напряжение сначала с выхода, затем — с температурного датчика. Из 16 отсчётов каждого параметра вычисляется среднее арифметическое значение, которое и выводится на индикатор. Период обновления показаний — 320 мс. Среднее значение температуры, независимо от того, выводится оно на индикатор HG1 или нет, перед обновлением сравнивается с установленным пользователем порогом. Если оно превысит порог, будет отключено выходное напряжение. Как только температура упадёт на 2 ºС ниже порога, вновь включится выходное напряжение.
В программе микроконтроллера предусмотрен счётчик времени включённого состояния блока питания. Значения регистров счётчика обновляются каждую минуту и сравниваются с заданным значением, при превышении которого выходное напряжение отключается. Это бывает необходимо, чтобы ограничить время какого-нибудь процесса, например, зарядки аккумулятора.
Ограничитель выходного тока работает независимо от микроконтроллера и его программы Он защищает блок питания от замыкания на выходе и ограничивает выходной ток путём уменьшения выходного напряжения. Основа ограничителя — узел преобразователя тока нагрузки в пропорциональное ему напряжение относительно общего провода, описанный в статье И. Нечаева «Индикатор предельного тока» в «Радио», 2002, № 9, с. 23. Этот узел собран на ОУ DA2.2, транзисторе VT4 и резисторах R23— R25. Резистор R25 — датчик тока нагрузки, включённый в цепь плюсового провода питания.
Напряжение, пропорциональное выходному току, с истока транзистора VT4 через резистор R20 поступает на инвертирующий вход (вывод 6) ОУ DA2.1, а на его неинвертирующий вход (вывод 5) подаётся напряжение с движка переменного резистора R18. При неизменном положении этого движка напряжение на нём стабильно, так как последовательно соединённые резисторы R17 и R18 подключены к стабилизированному напряжению +5 В с выхода микросхемы DA1. Перемещая движок переменного резистора R18, регулируют порог ограничения выходного тока.
Если напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA2.1 больше напряжения на истоке транзистора VT4, пропорционального току, то напряжение на выходе этого ОУ близко к напряжению его питания, диод VD2 закрыт и не влияет на стабилизацию выходного напряжения. Светодиод HL1 погашен и защищён от обратного напряжения диодом VD3.
Если напряжение на истоке транзистора VT4 превысит напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA2.1, напряжение на выходе этого ОУ DA2.1 упадёт практически до нуля. Через резистор R19, диод VD3 и светодиод HL1 начнёт протекать ток. Диод VD2 открывается, в результате чего выходное напряжение уменьшится так. чтобы выходной ток не превышал порога ограничения. Включится светодиод HL1 — индикатор режима ограничения тока нагрузки.
После включения блока напряжение питания 5 В со стабилизатора DA1 поступает на микроконтроллер DD1. который настраивает порты ввода—вывода, конфигурацию и режимы встроенных периферийных модулей согласно программе, считывает из EEPROM (энергонезависимой памяти) в регистры значения выходного напряжения, установки температуры и выдержки времени. На индикатор HG1 выводятся на две секунды номер версии программы и далее, с пониженной яркостью, значение напряжения, которое должно быть на выходе, но оно в это время ещё не включено Нажатием на кнопку SB1 включают выходное напряжение со значением, записанным ранее в EEPROM, индикатор HG1 будет его показывать с полной яркостью. Следующее нажатие на эту кнопку вновь отключит выходное напряжение и так далее. Нажатием на SB3 и SB4 соответственно увеличивают или уменьшают выходное напряжение. Коротким нажатием осуществляют точную установку выходного напряжения, удержанием кнопок — грубую. Если необходимо, чтобы при следующем включении источника питания на выходе было новое значение напряжения, то нужно записать его в память нажатием и удержанием кнопки SB2. Когда на индикаторе появится надпись «SAU», кнопку отпускают, новое значение будет сохранено в EEPROM.
Короткое нажатие на SB2 позволяет просматривать на индикаторе температуру и значение счётчика времени с дискретностью 10 мин. Значения установок температуры и времени можно посмотреть удержанием этой кнопки, при этом индикатор покажет мигающие значения соответствующих установок, изменить которые можно кнопками SB3 и SB4. Нажатие и удержание кнопки SB2 сохранят новые значения в EEPROM.
Если во время работы устройства с включённым выходным напряжением температура датчика ВК1 превысит установленную, то выходное напряжение отключится. На индикаторе появится мигающая надпись «о.t», что означает превышение температуры. Как только температура снизится менее установленной на 2 С, будет включено выходное напряжение, а на индикаторе HG1 — показано его значение.
Если значение счётчика времени совпадёт с установленным, выходное напряжение будет отключено, а на индикаторе появится мигающая надпись «o.h», что означает превышение времени. Включить входное напряжение после этого можно, если передвинуть установку времени вперёд или в «0».
Сетевой трансформатор Т1 — промышленного изготовления с напряжением вторичной обмотки 17 В и допустимым током нагрузки 1,2 А. Можно применить трансформатор ТП-115-К8 с двумя вторичными обмотками по 9 В и током 1,1 А, которые соединяют синфазно-последовательно. Годится также сетевой трансформатор от ламповой техники с тремя накальными обмотками по 6,3 В, которые соединяют аналогично. Диодный мост VD1 должен быть рассчитан на напряжение не ниже 50 В и средневыпрямленный ток не менее 2 А. Диоды 1N4148 (VD2 и VD3) могут быть заменены на КД522 с любым буквенным индексом. Диоды ВАТ85 (VD4— VD6) можно заменить другими диодами Шотки, например, 1N5817, 1N5818.
Регулирующий транзистор VT1 структуры p-n-р, составной КТ825Г в металлическом корпусе, выбран с большим запасом по току для обеспечения надёжности устройства. Его можно заменить аналогичным с максимальным напряжением коллектор—эмиттер не менее 50 В и током коллектора 3 А и больше. Транзистор VT1 установлен на ребристом теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности 100см2. Теплоотвод с транзистором VT1 закреплён на верхней крышке корпуса снаружи, как показано на фото рис. 2. Полевые транзисторы VT2 и VT4 — любые из серии КП501 или импортные 2N7000. Транзистор VT3 может быть любым из серий КТ3102, КТ342.
Индикатор HG1 — трёх- или четырёхразрядный с общим анодом. Он может быть составлен из трёх отдельных одноразрядных индикаторов. В этом случае одноимённые выводы сегментов соединяют между собой, транзистор VT3 не устанавливают, а вывод десятичной точки второго разряда соединяют с общим проводом через резистор 1 кОм.
Кнопки SB1—SB4 взяты из неисправной офисной техники, в том числе из струйного принтера. Стабилизатор напряжения DA1 — любой из серии 7805 в корпусе ТО220. Подстроечный резистор R28 — 3266W-1-103 — импортный малогабаритный многооборотный производства фирмы Bourns. Датчик тока R25 составлен из четырёх параллельно соединённых резисторов сопротивлением 1 Ом и номинальной мощностью 0,5 Вт.
Блок питания собирают без диода VD2. проверяют правильность монтажа и отсутствие замыканий. В первый раз подключают блок к сети без микроконтроллера DD1 и нагрузки. С помощью вольтметра проверяют, что напряжение в гнезде 14 панели DD1 равно 5 В, на эмиттере транзистора VT1 — 17…20 В, на его коллекторе — около 0 В. Блок выключают и устанавливают в панель микроконтроллер DD1 с заранее записанной программой, коды которой приведены в файле ad_ps1 .hex.
К выходу подключают образцовый вольтметр и включают блок. При безошибочном монтаже и исправных деталях на индикаторе должен появиться номер версии программы, далее с пониженной яркостью отобразится некоторое значение напряжения. Нажимают на кнопку SB1, на выходе появится напряжение. Подстроечным резистором R28 на индикаторе HG1 устанавливают значение, которое показывает образцовый вольтметр. Подстроечным резистором R2 устанавливают максимальное напряжение, и с помощью кнопок SB3 и SB4 проверяют регулировку выходного напряжения в пределах 0…15 В. При необходимости подстроечным резистором R28 снова подстраивают показания индикатора HG1 по образцовому вольтметру. Проверяют правильность показаний температуры по контрольному термометру, а счётчика времени — по контрольному таймеру. При налаживании ограничителя тока к выходу последовательно с амперметром подключают нагрузку — резистор сопротивлением 10…15 Ом достаточной мощности и монтируют диод VD2. Устанавливают максимальное напряжение на выходе. При крайнем верхнем положении движка R18 ток должен ограничиваться на уровне 1…1.2А, при необходимости подбирают резистор R17.
Прилагаемые файлы: labmic.zip
А. КУЗНЕЦОВ, г. Кадников Вологодской обл.
«Радио» №7 2012г.