Superba font d'alimentació de laboratori: 15 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Des del meu punt de vista, una de les millors maneres d’iniciar-se en l’electrònica és construir la vostra pròpia font d’alimentació de laboratori. En aquest instructiu he intentat recollir tots els passos necessaris perquè qualsevol pugui construir els seus.

Totes les parts del conjunt es poden ordenar directament en digikey, ebay, amazon o aliexpress, excepte en el circuit del mesurador. Vaig fer un circuit de mesurament personalitzat per a Arduino capaç de mesurar fins a 36V - 4A, amb una resolució de 10mV - 1mA que també es pot utilitzar per a altres projectes.

La font d'alimentació té les funcions següents:

• Voltatge nominal: 24V.
• Corrent nominal: 3A.
• Ondulació de la tensió de sortida: 0,01% (segons les especificacions del kit de circuit d'alimentació).
• Resolució de mesura de tensió: 10mV.
• Resolució de mesura actual: 1mA.
• Modes CV i CC.
• Protecció contra sobrecorrent.
• Protecció contra sobretensió.

Pas 1: Parts i diagrama de cablejat

A part de la imatge, he adjuntat el fitxer WiringAndParts.pdf a aquest pas. El document descriu totes les parts funcionals, inclòs l'enllaç de comanda, de la font d'alimentació del banc i com connectar-les.

La tensió de xarxa entra a través d’un connector del panell IEC (10) que té un suport fusible incorporat, hi ha un interruptor d’alimentació al panell frontal (11) que trenca el circuit format del connector IEC al transformador (9).

El transformador (9) emet 21VAC. Els 21 VAC van directament al circuit d’alimentació (8). La sortida del circuit d'alimentació (8) va directament al terminal IN del circuit del mesurador (5).

El terminal OUT del circuit del mesurador (5) està connectat directament als llocs d’enllaç positiu i negatiu (4) de la font d’alimentació. El circuit del mesurador mesura tant el voltatge com el corrent (costat alt) i pot activar o desactivar la connexió entre entrada i sortida.

Els cables, en general, utilitzen cables de ferralla que teniu a casa. Podeu cercar a Internet un indicador AWG adequat per a 3A, però, en general, funciona la regla del polze de 4A / mm², especialment per a cables curts. Per al cablejat de tensió de xarxa (120V o 230V) utilitzeu cables aïllats adequadament, 600V als EUA i 750V a Europa.

El transistor de passada en sèrie del circuit d'alimentació (Q4) (12) s'ha cablejat en lloc de soldar-se per permetre una fàcil instal·lació del dissipador de calor (13).

Els potenciòmetres 10K originals del circuit d’alimentació s’han substituït per models multitorn (7), cosa que permet un ajustament precís de la tensió i del corrent de sortida.

La placa arduino del circuit del mesurador s’alimenta mitjançant un cable de presa d’alimentació (6) que prové del circuit d’alimentació (8). La placa d'alimentació s'ha modificat per obtenir 12V en lloc de 24V.

El pin positiu del LED CC del circuit d'alimentació està connectat al connector de mode del circuit de mesurament. Això li permet saber quan mostrar el mode CC o CV.

Hi ha dos botons connectats al circuit del comptador (3). El botó Apagat "vermell" desconnecta la tensió de sortida. El botó On “negre” connecta el voltatge de sortida i restableix els errors OV o OC.

Hi ha dos potenciòmetres connectats al circuit del mesurador (2). Un estableix el llindar OV i l’altre estableix el llindar OC. Aquests potenciòmetres no necessiten ser multitorn, he utilitzat els potenciòmetres originals del circuit d’alimentació.

El LCD alfanumèric 20x4 I2C (1) està connectat al circuit del mesurador. Mostra la informació actual sobre el voltatge de sortida, el corrent de sortida, el valor de consigna OV, el valor de consigna OC i l’estat.

Pas 2: Kit de circuit d'alimentació

He comprat aquest kit que està classificat com a 30V, 3A:

Us adjunto una guia de muntatge que he trobat a Internet i una imatge de l’esquema. Breument:

El circuit és una font d'alimentació lineal.

Q4 i Q2 són una matriu de Darlington i formen el transistor de pas de sèrie, és controlat pels amplificadors operatius per mantenir la tensió i el corrent al valor desitjat.

El corrent es mesura per R7, afegint aquesta resistència al costat inferior fa que la terra del circuit de subministrament d’energia i la terra de sortida siguin diferents.

El circuit acciona un LED que s’encén quan s’activa el mode de corrent constant.

El circuit incorpora el pont de Graeth per rectificar l’entrada de corrent altern. L'entrada de CA també s'utilitza per generar una tensió de polarització negativa que arriba a 0V.

No hi ha protecció tèrmica en aquest circuit, de manera que és molt important un dimensionament adequat del dissipador de calor.

El circuit té una sortida de 24V per a un ventilador "opcional". He substituït el regulador 7824 per un regulador 7812 per obtenir 12V per a la placa Arduino del circuit del comptador.

No he muntat el LED, sinó que he utilitzat aquest senyal per indicar el circuit del mesurador si la font d'alimentació està en CC o CV.

Pas 3: Muntatge del kit de circuit d'alimentació

En aquest circuit totes les parts són forades passants. En general, heu de començar pels més petits.

• Soldeu totes les resistències.
• Soldeu la resta de components.
• Utilitzeu alicates per doblegar cables de díodes per evitar trencar-los.
• Doblegueu els cables dels amplificadors operatius DIP8 TL081.
• Utilitzeu compost de dissipador per muntar dissipadors.

Pas 4: Disseny i esquema del circuit del mesurador

El circuit és un blindatge per Arduino UNO compatible amb les versions R3. L'he dissenyat amb peces disponibles a digikey.com.

La sortida del kit de circuit de subministrament d’alimentació de vkmaker està connectada al bloc de borns IN i el bloc de borns OUT va directament als llocs d’unió de la font d’alimentació.

R4 és una resistència de derivació en el carril positiu valorada en 0,01 ohm, té una caiguda de tensió proporcional a la sortida de corrent. La tensió diferencial R4 es connecta directament als pins RS + i RS- de IC1. La caiguda màxima de tensió a la sortida de corrent màxima és de 4A * 0,01ohm = 40mV.

R2, R3 i C2 formen un filtre de ~ 15Hz per evitar sorolls.

IC1 és un amplificador de corrent lateral alt: MAX44284F. Es basa en un amplificador operacional tallat que el permet obtenir un voltatge d’entrada d’offset molt baix, 10uV com a màxim a 25ºC. A 1 mA, la caiguda de tensió a R4 és de 10 uV, igual a la tensió màxima de compensació d’entrada.

El MAX44284F té un guany de tensió de 50V / V, de manera que la tensió de sortida, el senyal SI, al corrent màxim de 4A, valdrà 2V.

El voltatge màxim d’entrada en mode comú de MAX44284F és de 36V, això limita l’interval de tensió d’entrada a 36V.

R1 i C1 formen un filtre per suprimir els senyals no desitjats de 10KHz i 20KHz que poden aparèixer a causa de l'arquitectura del dispositiu. Es recomana a la pàgina 12 del full de dades.

R5, R6 i R7 són un divisor de tensió d’alta impedància de 0,05V / V. R7 amb C4 formen un filtre de ~ 5Hz per evitar sorolls. El divisor de tensió es col·loca després de R4 per mesurar la tensió de sortida real després de la caiguda de tensió.

IC3 és un amplificador operacional MCP6061T, que forma un seguidor de tensió per aïllar el divisor de voltatge d’alta impedància. El corrent de polarització màxim d’entrada és de 100pA a temperatura ambient, aquest corrent és insignificant per a la impedància del divisor de tensió. A 10 mV, la tensió a l’entrada d’IC3 és de 0,5 mV, molt més gran que la seva tensió de compensació d’entrada: 150 uV com a màxim.

La sortida del senyal IC3, SV, té una tensió de 2V a 40V (el màxim possible és de 36V a causa de IC1). Els senyals SI i SV estan connectats a IC2. IC2 és un MCP3422A0, un ADC sigma delta I2C de doble canal. Té una referència de tensió interna de 2.048V, un guany de tensió seleccionable d’1, 2, 4 o 8V / V i un nombre seleccionable de 12, 14, 16 o 18 bits.

Per a aquest circuit estic fent servir un guany fix de 1 V / V i una resolució fixa de 14 bits. Els senyals SV i SI no són diferencials, de manera que el pin negatiu de cada entrada s'ha de connectar a terra. Això significa que el nombre de LSB disponibles es reduirà a la meitat.

Com que la referència de tensió interna és 2.048V i el nombre efectiu de LSB és de 2 ^ 13, els valors ADC seran: 2LSB per cada 1mA en el cas del corrent i 1LSB per cada 5mV en el cas de la tensió.

X2 és el connector per al polsador ON. R11 impedeix l'entrada de pin Arduino de les descàrregues estàtiques i R12 és una resistència pull-up que fa 5V quan no es prem i ~ 0V quan es prem. Senyal I_ON.

X3 és el connector del polsador OFF. R13 impedeix l'entrada de pin Arduino de les descàrregues estàtiques i R14 és una resistència pull-up que fa 5V quan no es prem i ~ 0V quan es prem. Senyal I_OFF.

X5 és el connector per al potenciòmetre de punt de protecció de sobrecorrent. R15 impedeix que el pin d'entrada Arduino es produeixi en descàrregues estàtiques i R16 impedeix que el carril + 5V proveeixi un curtcircuit. Senyal A_OC.

X6 és el connector per al potenciòmetre del punt de consigna de protecció contra sobretensió. R17 impedeix que el pin d'entrada d'Arduino es produeixi descàrregues estàtiques i R18 impedeix que el carril + 5V proveeixi un curtcircuit. Senyal A_OV.

X7 ins una entrada externa que s'utilitza per obtenir el mode de corrent constant o tensió constant de la font d'alimentació. Com que pot tenir moltes tensions d'entrada, es fa mitjançant Q2, R19 i R20 com a canvi de nivell de tensió. Senyal I_MOD.

X4 és el connector de la pantalla LCD externa, només és una connexió de les línies SCL-SDA de carril 5V, GND i I2C.

Les línies I2C, SCL i SDA, són compartides per IC2 (l'ADC) i la pantalla LCD externa; són tirades per R9 i R10.

R8 i Q1 formen el controlador del relé K1. K1 connecta la tensió de sortida quan s’alimenta. Amb 0V a -CUT el relé no s’alimenta i amb 5V a -CUT el relé s’alimenta. D3 és el díode de rodes lliures per suprimir tensions negatives quan es talla la tensió de la bobina del relé.

Z1 és un supressor de tensió transitòria amb una tensió nominal de 36V.

Pas 5: Circuit PCB del mesurador

He utilitzat la versió gratuïta de Eagle tant per l’esquema com per al PCB. El PCB té un disseny de doble cara de 1,6 gruixos que té un pla de terra separat per al circuit analògic i el circuit digital. El disseny és força senzill. Vaig obtenir un fitxer dxf d’Internet amb la dimensió d’esquema i la posició dels connectors de capçal de pin Arduino.

Publico els fitxers següents:

• Fitxers àguila originals: 00002A.brd i 00002A.sch.
• Fitxers Gerber: 00002A.zip.
• I la llista de materials (llista de materials) + guia de muntatge: BOM_Assemby.pdf.

Vaig demanar el PCB a PCBWay (www.pcbway.com). El preu era increïblement baix: 33 dòlars, inclòs l’enviament, per a 10 taules que van arribar en menys d’una setmana. Puc compartir la resta de taulers amb els meus amics o utilitzar-los en altres projectes.

Hi ha un error en el disseny, he posat una via tocant la serigrafia a la llegenda de 36 V.

Pas 6: Muntatge del circuit del mesurador

Tot i que la majoria de les peces són SMT en aquesta placa, es poden muntar amb un soldador normal. He utilitzat un Hakko FX888D-23BY, unes pinces de punta fina, una mica de metxa de soldadura i una de 0,02.

• Després de rebre les peces, la millor idea és ordenar-les, he ordenat condensadors i resistències i he grapat les bosses.
• Primer, munteu les peces petites, començant per resistències i condensadors.
• Muntar R4 (0R1) començant per un dels quatre cables.
• Soldeu la resta de peces, en general per a SOT23, SOIC8, etc. la millor manera és aplicar primer la soldadura en un coixinet, soldeu la peça al seu lloc i després soldeu la resta de cables. De vegades, la soldadura pot unir molts coixinets, en aquest cas podeu utilitzar flux i metxa de soldadura per eliminar la soldadura i netejar els buits.
• Muntar la resta de components de forats passants.

Pas 7: Codi Arduino

He adjuntat el fitxer DCmeter.ino. Tot el programa està inclòs en aquest fitxer, a part de la biblioteca LCD “LiquidCrystal_I2C”. El codi és molt personalitzable, especialment la forma de les barres de progrés i els missatges que es mostren.

Com tots els codis arduino, la funció setup () s'executa per primera vegada i la funció loop () s'executa contínuament.

La funció de configuració configura la pantalla, inclosos els caràcters especials de la barra de progrés, a la màquina d’estats MCP4322 i configura el relé i la retroiluminació LCD per primera vegada.

No hi ha interrupcions, en cada iteració la funció de bucle fa els passos següents:

Obteniu el valor de tots els senyals d'entrada I_ON, I_OFF, A_OC, A_OV i I_MOD. I_ON i I_OFF es rebutgen. A_OC i A_OV es llegeixen directament des de l’ADC d’Arduino i es filtren mitjançant la part mitjana de les tres darreres mesures. I_MOD es llegeix directament sense rebutjar.

Controleu el temps d’activació de la llum de fons.

Executeu la màquina d'estats MCP3422. Cada 5 ms enquesta l'MCP3422 per veure si l'última conversió ha acabat i, si és així, comença la següent, obté successivament el valor de la tensió i el corrent presents a la sortida.

Si hi ha nous valors de tensió i corrent de sortida de la màquina d’estats MCP3422, actualitza l’estat de la font d’alimentació en funció de les mesures i actualitza la pantalla.

Hi ha una implementació de doble memòria intermèdia per actualitzar més ràpidament la pantalla.

Les macros següents es poden ajustar per a altres projectes:

MAXVP: VO màxim en unitats de 1 / 100V.

MAXCP: OC màxim en unitats de 1 / 1000A.

DEBOUNCEHARDNESS: nombre d'iteracions amb un valor consecutiu per endevinar que és correcte per a I_ON i I_OFF.

LCD4x20 o LCD2x16: recopilació per a pantalles 4x20 o 2x16, l'opció 2x16 encara no està implementada.

La implementació 4x20 mostra la informació següent: A la primera fila, el voltatge de sortida i el corrent de sortida. A la segona fila, una barra de progrés que representa el valor de sortida en relació amb el punt de configuració de protecció, tant per al voltatge com per al corrent. A la tercera fila, el valor de consigna actual per a protecció contra sobretensió i protecció contra sobrecorrent. A la quarta fila, l'estat actual de la font d'alimentació: CC ON (activat en mode de corrent constant), CV ON (activat en mode de tensió constant), OFF, OV OFF (apagat que mostra que la font d'alimentació s'ha apagat a causa d'un OV), OC OFF (Apagat que mostra que la font d'alimentació s'ha apagat a causa d'un OC).

He creat aquest fitxer per dissenyar els caràcters de les barres de progrés:

Pas 8: problemes tèrmics

L’ús del dissipador de calor adequat és molt important en aquest muntatge, ja que el circuit d’alimentació no està protegit contra el sobreescalfament.

Segons la fitxa tècnica, el transistor 2SD1047 té una unió a la resistència tèrmica de Rth-j, c = 1,25ºC / W.

Segons aquesta calculadora web: https://www.myheatsinks.com/calculate/thermal-resi…, la resistència tèrmica del dissipador que he comprat és Rth-hs, aire = 0,61ºC / W. Suposaré que el valor real és inferior perquè el dissipador de calor està unit a la caixa i la calor també es pot dissipar d’aquesta manera.

Segons el venedor d'eBay, la conductivitat tèrmica del full d'aïllador que he comprat és K = 20,9 W / (mK). Amb això, amb un gruix de 0,6 mm, la resistència tèrmica és: R = L / K = 2,87e-5 (Km2) / W. Per tant, el cas de resistència tèrmica al dissipador de calor de l’aïllador per a la superfície de 15 mm x 15 mm del 2SD1047 és: Rth-c, hs = 0,127ºC / W. Podeu trobar una guia per a aquests càlculs aquí:

La potència màxima permesa per a 150ºC a la unió i 25ºC a l’aire és: P = (Tj - Ta) / (Rth-j, c + Rth-hs, aire + Rth-c, hs) = (150 - 25) / (1,25 + 0,61 + 0,127) = 63W.

La tensió de sortida del transformador és de 21 V CA a plena càrrega, cosa que fa una mitjana de 24 V CC després dels díodes i el filtratge. Per tant, la dissipació màxima serà P = 24V * 3A = 72W. Tenint en compte que la resistència tèrmica del dissipador de calor és una mica inferior a causa de la dissipació del tancament metàl·lic, he suposat que és suficient.

Pas 9: recinte

El recinte, inclòs el transport, és la part més cara de la font d'alimentació. He trobat aquest model a ebay, de Cheval, un fabricant de Thay: https://www.chevalgrp.com/standalone2.php. De fet, el venedor d’Ebay era de Tailàndia.

Aquesta caixa té una bona relació qualitat-preu i va arribar força ben empaquetada.

Pas 10: mecanització del tauler frontal

La millor opció per mecanitzar i gravar el tauler frontal és utilitzar un enrutador com aquest https://shop.carbide3d.com/products/shapeoko-xl-k… o fer una tapa de plàstic personalitzada amb PONOKO, per exemple. Però com que no tinc l’encaminador i no volia gastar molts diners, vaig decidir fer-ho a l’antiga: tallar, retallar amb fitxer i utilitzar lletres de transferència per al text.

He adjuntat un fitxer Inkscape amb la plantilla: frontPanel.svg.

• Talleu la plantilla.
• Cobriu el tauler amb cinta adhesiva per a pintar.
• Enganxeu la plantilla a la cinta del pintor. He utilitzat un pal de cola.
• Marqueu la posició dels trepants.
• Practicar forats per permetre que la serra de trast o la fulla de serra d’enfrontament entrin als talls interns.
• Talla totes les formes.
• Retalla amb un fitxer. En el cas de forats rodons per a potenciòmetres i pals d'enquadernació, no és necessari utilitzar la serra abans de llimar. En el cas del forat de visualització, la retallada del fitxer ha de ser la millor possible perquè es veuran aquestes vores.
• Traieu la plantilla i la cinta del pintor.
• Marqueu la posició dels textos amb un llapis.
• Transfereix les cartes.
• Traieu les marques del llapis amb una goma d'esborrar.

Pas 11: Mecanitzar el panell posterior

• Marqueu la posició del dissipador de calor, inclòs el forat del transistor de potència i la posició dels cargols de subjecció.
• Marqueu el forat per accedir al dissipador de calor des de l'interior del recinte de la font d'alimentació, he utilitzat l'aïllant com a referència.
• Marqueu el forat del connector IEC.
• Traieu el contorn de les formes.
• Practicar els forats dels cargols.
• Talleu les formes amb alicates de tall.
• Retalleu les formes amb un fitxer.

Pas 12: Muntatge del tauler frontal

• Traieu un cable multiconductor de la ferralla per obtenir cables.
• Construïu el conjunt LCD soldant l'I2C a una interfície paral·lela.
• Construïu el conjunt de "connectors molex", filferro i tub retràctil per a: potenciòmetres, polsadors i LCD. Traieu qualsevol protuberància dels potenciòmetres.
• Traieu l'anell de punter dels poms.
• Talleu la vareta dels potenciòmetres a la mida del pom. He utilitzat un tros de cartró com a indicador.
• Connecteu els botons i el botó d’engegada.
• Muntar els potenciòmetres i instal·lar els comandaments, els potenciòmetres multitorn que he comprat tenen un eix de ¼ de polzada i els models d’una volta tenen un eix de 6 mm. He utilitzat rentadores com a separadors per retallar la distància dels potenciòmetres.
• Cargoleu els pals d’enquadernació.
• Introduïu cinta de doble cara a la pantalla LCD i enganxeu-la al tauler.
• Soldeu els cables positius i negatius als pals d’unió.
• Munteu la terminal terminal GND al pal de fixació verd.

Pas 13: Muntatge del tauler posterior

• Cargoleu el dissipador de calor al tauler posterior, tot i que la pintura és un aïllant tèrmic, he posat greix per dissipador de calor per augmentar la transferència de calor del dissipador de calor al recinte.
• Munteu el connector IEC.
• Col·loqueu els separadors adhesius mitjançant el circuit del kit d'alimentació.
• Cargoleu el transistor de potència i l’aïllant, hi ha d’haver greix tèrmic a cada superfície.
• Munteu el 7812 per alimentar l’arduino, està orientat cap a la caixa per permetre la dissipació de calor, mitjançant un dels cargols que subjecten el dissipador de calor. Hauria d'haver utilitzat una rentadora de plàstic com aquesta https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Transistor-… però vaig acabar fent servir el mateix aïllant que el transistor de potència i una peça doblegada de la caixa.
• Connecteu el transistor de potència i el 7812 al circuit d’alimentació.

Pas 14: Muntatge final i cablejat

• Marqueu i practiqueu els forats del transformador.
• Muntar el transformador.
• Enganxeu les potes adhesives del recinte.
• Enganxeu el circuit del mesurador de CC mitjançant espaiadors adhesius.
• Rasqueu la pintura per cargolar la rosca GND.
• Construeix els conjunts de filferro de tensió de xarxa, totes les terminacions són Faston de 3/16”. He utilitzat un tub retràctil per aïllar les terminacions.
• Talleu la part frontal del suport del gabinet al costat dret per obtenir espai per al polsador de potència.
• Connecteu tots els cables segons la guia de muntatge.
• Instal·leu el fusible (1A).
• Col·loqueu el potenciòmetre de tensió de sortida (el potenciòmetre VO) al mínim CCW i ajusteu el voltatge de sortida el més proper possible a zero volts mitjançant el potenciòmetre d’ajust fi multitorn del circuit d’alimentació de vkmaker.
• Munteu el recinte.

Pas 15: millores i treballs posteriors

Millores

• Utilitzeu volanderes d'estil cultivador per evitar que els cargols es perdin amb la vibració, especialment la vibració del transformador.
• Pinteu el tauler frontal amb vernís transparent per evitar que les lletres s’esborrin.

Més treball:

• Afegiu un connector USB com aquest: https://www.ebay.com/itm/Switchcraft-EHUSBBABX-USB-… al tauler posterior. Útil per actualitzar el codi sense desmuntar-lo o per fer un petit ATE que controli les funcions On Off, obtenir estat i mesurar mitjançant un PC.
• Feu la compilació de codi LCD 2x16.
• Feu un nou circuit d’alimentació, en lloc d’utilitzar el kit vkmaker, amb control digital de la tensió i el corrent de sortida.
• Realitzeu les proves adequades per caracteritzar la font d'alimentació.

Primer premi del concurs de subministrament elèctric