Font d'alimentació lineal controlada digitalment: 6 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

En els meze anys, fa uns 40, vaig crear una font d'alimentació lineal dual. Vaig obtenir el diagrama esquemàtic d’una revista anomenada ‘Elektuur’, avui anomenada ‘Elektor’ als Països Baixos. Aquesta font d'alimentació feia servir un potenciòmetre per a l'ajust de tensió i un per a l'ajust de corrent. Després de molts anys, aquests potenciòmetres ja no funcionaven correctament, cosa que dificultava l'obtenció d'una tensió de sortida estable. Aquesta font d'alimentació es mostra a la imatge.

Mentrestant, vaig agafar el desenvolupament de programari incrustat com a part del meu hobby, utilitzant el microcontrolador PIC i el llenguatge de programació JAL. Com que encara vull utilitzar la meva font d’alimentació (sí, avui en dia es poden comprar variants de mode de commutació més barates), vaig tenir la idea de substituir els antics potenciòmetres per una versió digital i així va néixer un nou projecte PIC.

Per ajustar la tensió de la font d’alimentació, estic fent servir un microcontrolador PIC 16F1823 que utilitza 6 polsadors de la manera següent:

• Un polsador per activar o desactivar la tensió de sortida sense necessitat d’encendre o apagar completament la font d’alimentació
• Un polsador per augmentar el voltatge de sortida i un altre per disminuir el voltatge de sortida
• Tres polsadors per utilitzar-los com a preset. Després d’haver configurat un voltatge de sortida determinat, es pot emmagatzemar i recuperar aquest voltatge exacte utilitzant aquests botons premuts predeterminats

La font d'alimentació és capaç de generar una tensió entre 2,4 volts i 18 volts amb un corrent màxim de 2 amperes.

Pas 1: el disseny inicial (revisió 0)

Vaig fer algunes modificacions al diagrama esquemàtic original per fer-lo adequat per controlar-lo amb el potenciòmetre digital. Com que mai no vaig fer servir el potenciòmetre original per a l'ajust de corrent, el vaig eliminar i el vaig substituir per una resistència fixa, limitant el corrent màxim a 2 amperes.

El diagrama esquemàtic mostra la font d'alimentació, construïda al voltant del vell però fiable regulador de tensió LM723. També hi vaig crear una placa de circuit imprès. El LM723 té una tensió de referència compensada per temperatura amb una característica de limitació de corrent i un ampli rang de voltatge. La tensió de referència del LM723 va al potenciòmetre digital del qual es connecta l’eixugaparabrises a l’entrada no inversora del LM723. El potenciòmetre digital té un valor de 10 kOhm i es pot canviar de 0 Ohm a 10 kOhm en 100 passos mitjançant una interfície sèrie de 3 fils.

Aquesta font d'alimentació té un voltímetre i amperímetre digital que rep la seva potència des d'un regulador de voltatge de 15 volts (IC1). Aquest 15 volts també s’utilitza com a entrada per al regulador de voltatge de 5 volts (IC5) que alimenta el PIC i el potenciòmetre digital.

El transistor T1 s’utilitza per apagar el LM723, que porta la tensió de sortida a 0 volts. La resistència de potència R9 s’utilitza per mesurar el corrent, provocant una caiguda de tensió sobre la resistència quan hi circula corrent. Aquesta caiguda de tensió l’utilitza el LM723 per limitar el corrent de sortida màxim a 2 amperes.

En aquest disseny inicial, el condensador electrolític i el transistor de potència (tipus 2N3055) no es troben a la placa. Al meu disseny original de fa molts anys, el condensador electrolític estava en una placa separada, així que ho vaig mantenir. El transistor de potència està muntat en una placa de refrigeració a l'exterior de l'armari per a una millor refrigeració.

Els polsadors es troben al tauler frontal de l'armari. Les resistències 4k7 de la placa abreguen cada polsador. Els polsadors estan connectats a terra, cosa que els fa estar actius baixos.

Necessiteu els components electrònics següents per a aquest projecte (a més de la revisió 2):

• 1 microcontrolador PIC 16F1823
• 1 potenciòmetre digital de 10k, tipus X9C103
• Reguladors de tensió: 1 * LM723, 1 * 78L15, 1 * 78L05
• Rectificador de pont: B80C3300 / 5000
• Transistors: 1 * 2N3055, 1 * BD137, 1 * BC547
• Diodes: 2 * 1N4004
• Condensadors electrolítics: 1 * 4700 uF / 40V, 1 * 4,7 uF / 16V
• Condensadors ceràmics: 1 * 1 nF, 6 * 100 nF
• Resistències: 1 * 100 Ohm, 1 * 820 Ohm, 1 * 1k, 2 * 2k2, 8 * 4k7
• Resistència de potència: 0,33 Ohm / 5 watts

També vaig dissenyar una placa de circuit imprès que es mostra a la captura de pantalla i a la imatge adjuntes.

Pas 2: el disseny revisat (revisió 2)

Després d’haver demanat les plaques de circuits impresos, se m’acut la idea d’afegir una característica que anomeno ‘protecció de tensió’. Com que encara tenia molta memòria de programa disponible al PIC, vaig decidir utilitzar el convertidor analògic a digital (ADC) incorporat del PIC per mesurar la tensió de sortida. En cas que aquesta tensió de sortida, per qualsevol motiu, pugi o baixi, la font d'alimentació està apagada. Això protegirà el circuit connectat contra la sobretensió o aturarà qualsevol curtcircuit. Es tractava de la revisió 1, que és una extensió a la revisió 0, el disseny inicial.

Tot i que he provat el disseny amb una taula de visualització (vegeu la imatge), encara no n’estic satisfet. De vegades semblava que el potenciòmetre digital no sempre estava exactament a la mateixa posició, per exemple. en recuperar un valor predefinit. La diferència era petita però inquietant. No és possible llegir el valor del potenciòmetre. Després d’algunes reflexions, vaig crear una revisió 2, que és un redisseny reduït de la revisió 1. En aquest disseny, vegeu l’esquema esquemàtic de la revisió 2, no he utilitzat un potenciòmetre digital, sinó que he utilitzat el convertidor digital a analògic (DAC) incorporat. PIC per controlar la tensió de sortida a través del LM723. L'únic problema era que el PIC16F1823 només té un DAC de 5 bits que no era suficient perquè els passos ascendents i descendents serien massa grans. Per això vaig canviar a un PIC16F1765 que té un DAC de 10 bits a bord. Aquesta versió amb el DAC era fiable. Encara podria utilitzar la placa de circuits impresos inicial, ja que només necessito eliminar alguns components, substituir 1 condensador i afegir 2 cables (ja es necessitava 1 cable per afegir la característica de detecció de voltatge de la revisió 1). També he canviat el regulador de 15 volts per una versió de 18 volts per limitar la dissipació de potència. Vegeu l’esquema esquemàtic de la revisió 2.

Per tant, si voleu optar per aquest disseny, heu de fer el següent en comparació amb la revisió 0:

• Substituïu el PIC16F1823 per un PIC16F1765
• Opcional: substituïu el 78L15 per un 78L18
• Traieu el potenciòmetre digital tipus X9C103
• Traieu les resistències R1 i R15
• Substituïu el condensador electrolític C5 per un condensador ceràmic de 100 nF
• Feu una connexió entre el pin IC4 13 (PIC) i el pin 5 IC2 (LM723)
• Feu una connexió entre el pin IC4 3 (PIC) i el pin 4 IC2 (LM723)

També he actualitzat la placa de circuits impresos però no he demanat aquesta versió; vegeu la captura de pantalla.

Pas 3: (Des) muntatge

A la imatge es veu la font d'alimentació abans i després de l'actualització. Per cobrir els forats que van fer els potenciòmetres, vaig afegir un tauler frontal a la part superior del tauler frontal de l'armari. Com podeu veure, havia fabricat una font d'alimentació dual on les dues fonts d'alimentació són completament independents entre si. Això fa possible posar-los en sèrie per si necessito una tensió de sortida superior a 18 volts.

A causa de la placa de circuits impresos, era fàcil muntar l'electrònica. Recordeu que el gran condensador electrolític i el transistor de potència no es troben a la placa de circuits impresos. La foto mostra que per a la revisió 2 ja no es necessiten alguns components i es necessitaven dos cables per afegir la funció de detecció de voltatge i l’altre per la substitució del potenciòmetre digital pel convertidor digital a analògic del microcontrolador PIC.

Per descomptat, necessiteu un transformador que pugui subministrar 18 volts de corrent altern i 2 amperes. Al meu disseny original he utilitzat un transformador de nucli anell perquè són més eficients (però també més cars).

Pas 4: el programari per a la revisió 0

El programari realitza les tasques principals següents:

• Control de la tensió de sortida de la font d'alimentació mitjançant el potenciòmetre digital

• Gestioneu les funcions dels botons de pressió, que són:

  • Encès / apagat. Es tracta d'una funció de commutació que estableix el voltatge de sortida a 0 volts o a l'última tensió seleccionada
  • Voltatge amunt / baix voltatge. Amb cada pulsació del botó, la tensió puja lleugerament cap amunt o lleugerament cap avall. Quan es mantenen premuts aquests botons, s'activa la funció de repetició
  • Emmagatzematge predefinit / Recuperació predefinida. Qualsevol paràmetre de voltatge es pot emmagatzemar a la EEPROM del PIC prement el botó predefinit durant almenys 2 segons. En prémer-lo més curt es recuperarà el valor EEPROM per a aquesta configuració predeterminada i es configurarà el voltatge de sortida en conseqüència

En engegar-se, tots els pins del PIC es configuren com a entrada. Per evitar que hi hagi una tensió no definida a la sortida de la font d'alimentació, la sortida es manté a 0 volts fins que el PIC estigui en funcionament i s'inicialitzi el potenciòmetre digital. Aquesta apagada s’aconsegueix amb la resistència de tracció R14, que assegura que el transistor T1 apaga el LM723 fins que el PIC l’allibera.

La resta del programari és avançat. S'exploren els botons i, si cal canviar alguna cosa, el valor del potenciòmetre digital es canvia mitjançant una interfície sèrie de tres cables. Tingueu en compte que el potenciòmetre digital també té una opció per emmagatzemar el paràmetre, però no s’utilitza ja que tots els paràmetres s’emmagatzemen a la EEPROM del PIC. La interfície amb el potenciòmetre no ofereix cap característica per llegir el valor del netejador. Per tant, sempre que s’hagi de preestablir l’eixugaparabrises amb un valor determinat, el primer que es fa és tornar a posar el netejador a la posició zero i, a partir d’aquest moment, enviar el nombre de passos per posar l’eixugaparabrises en la posició correcta.

Per evitar que l'EEPROM s'escrigui amb cada pulsació d'un botó i, per tant, reduint la vida útil de l'EEPROM, el contingut de l'EEPROM s'escriu 2 segons després que els polsadors ja no s'activen. Això vol dir que, després de l'últim canvi dels botons, assegureu-vos d'esperar almenys 2 segons abans de canviar l'alimentació per assegurar-vos que l'últim paràmetre estigui emmagatzemat. Quan s’encén, la font d’alimentació sempre començarà amb l’última tensió seleccionada emmagatzemada a EEPROM.

S'adjunten el fitxer font JAL i el fitxer Intel Hex per programar el PIC per a la revisió 0.

Pas 5: el programari per a la revisió 2

Per a la revisió 2, els canvis principals en el programari són els següents:

• La funció de detecció de voltatge es va afegir mesurant la tensió de sortida de la font d'alimentació després d'haver-la definit. Per a això s'utilitza el convertidor ADC del PIC. Mitjançant l'ADC, el programari pren mostres del voltatge de sortida i, si després d'algunes mostres, el voltatge de sortida és aproximadament 0,2 volts superior o inferior al voltatge establert, la font d'alimentació està apagada.
• Utilitzar el DAC del PIC per controlar la tensió de sortida de la font d'alimentació en lloc d'utilitzar un potenciòmetre digital. Aquest canvi va fer que el programari fos més senzill, ja que no calia crear la interfície de 3 fils per al potenciòmetre digital.
• Substituïu l’emmagatzematge a EEPROM per emmagatzematge a High Endurance Flash. El PIC16F1765 no té EEPROM a bord, però utilitza una part del programa Flash per emmagatzemar informació no volàtil.

Tingueu en compte que la detecció de tensió no està activada inicialment. En engegar, es comproven els botons següents per prémer-los:

• Polsador d’engegada / apagada. Si es prem, les dues funcions de detecció de tensió estan desactivades.
• Polsador cap avall. Si es prem la activació de la detecció de baixa tensió.
• Polsador amunt. Si es prem, la detecció d’alt voltatge s’activa.

Aquesta configuració de detecció de voltatge s’emmagatzema al flaix d’alta resistència i es recupera quan es torna a encendre la font d’alimentació.

També s’adjunten el fitxer font JAL i el fitxer Intel Hex per programar el PIC per a la revisió 2.

Pas 6: el resultat final

Al vídeo veieu la revisió 2 de la font d'alimentació en acció, mostra la funció d'encesa / apagada, pujada / baixada de tensió i l'ús dels ajustaments predeterminats. Per a aquesta demostració també vaig connectar una resistència a la font d'alimentació per demostrar que hi circula corrent real i que el corrent màxim està limitat a 2 Ampere.

Si esteu interessats a utilitzar el microcontrolador PIC amb JAL (un llenguatge de programació com Pascal), visiteu el lloc web de JAL.

Diverteix-te fent que sigui instructiu i esperes reaccions i resultats.