Ксавье Бигналет (Xavier Bignalet), Microchip Technology
В статье рассматривается создание простого лабораторного источника питания буквально из подручных средств. Он не обладает какими-то превосходными характеристиками, но может пригодиться при решении несложных повседневных задач.
Введение
Несмотря на доминирование импульсных источников питания, линейные источники питания по-прежнему остаются востребованными в некоторых приложениях, например в качестве лабораторных. Их основное преимущество – минимальные шумы и пульсации – очень важны при работе с датчиками процессов, микровольтовыми сигналами и т.д.
Помимо собственно схемы, формирующей требуемое напряжение питания, в лабораторных источниках важен и удобный интерфейс пользователя. Ранее подобный интерфейс строился посредством потенциометров и стрелочных приборов, но в настоящее время, когда стоимость простых 8-бит микроконтроллеров (МК) минимальна, более удобным и экономичным решением станет построение цифрового интерфейса с использованием микроконтроллера. Именно этот вариант мы и рассмотрим в статье.
Линейный источник питания
Зададимся целью разработать источник питания с диапазоном регулировки выходного напряжения 0–30 В и ограничением максимального выходного тока в пределах 0–1 А с цифровым интерфейсом. Схема подобного источника – не тайна за семью печатями (см. рис. 1). Некоторую трудность составляет лишь выбор компонентов для нее.
Рис. 1. Схема линейного источника питания
Поскольку в рассматриваемом случае выбор несколько ограничивает максимальное выходное напряжение 30 В, придется поискать усилитель с допустимым напряжением питания более 30 В. Выберем операционный усилитель MCP6V51 компании Microchip Technology с максимально допустимым напряжением питания 49,5 В и нормируемым напряжением питания до 45 В. В пользу такого выбора говорит и низкий температурный дрейф смещения, не превышающий 36 нВ/°С. Для построения схемы ограничения максимального тока воспользуемся датчиком тока верхнего плеча MCP6C02 этой же компании.
Как видно из рисунка 1, схема аналоговой части источника ничем не отличается от множества подобных – проходной транзистор и интегрирующий усилитель (ИУ) в качестве регулятора напряжения. Поскольку напряжение поступает с выхода встроенного в МК ЦАП и может меняться в пределах 0–3,3 В, необходимо масштабировать обратную связь с выхода источника с помощью резистивного делителя напряжения R1–R2. В качестве R2 можно использовать потенциометр.
Токочувствительный усилитель MCP6C02 способен работать с синфазным напряжением до 65 В, а его коэффициент усиления достигает 100, что позволяет измерить малые токи и уменьшить сопротивление шунтирующего сопротивления до 30 мОм. Таким образом, при протекании тока 1 А выходное напряжение на выходе MCP6C02 составит 30 мОм ∙ 1 А ∙ 100 = 3 В. Сопротивление 30 мОм получено для проводника печатной платы длиной примерно 6,4 мм и шириной 400 мил (10,16 мм).
Нагрузка лабораторного источника может меняться в широких пределах 0–1 А, поэтому необходимо защитить вход усилителя MCP6C02 от повышенного синфазного напряжения. Подобная защита реализована с помощью диодов D1, D2 и токоограничивающего резистора R12 с сопротивлением 33 Ом.
Заметим, что постоянная времени интегрирующего усилителя U2, осуществляющего защиту по максимальному току, значительно превышает постоянную времени ИУ U1, служащего регулятором напряжения, что позволяет избежать ложные срабатывания и компенсировать задержку в канале измерения тока. Заметим также, что в случае достижения предельного значения выходного тока источник питания переходит в режим работы источника тока.
Микроконтроллерный модуль управляет сенсорной клавиатурой и ЖКД, формирует сигналы задания для аналоговых контуров управления током и напряжением с помощью двух встроенных ЦАП с высоким разрешением, а с помощью АЦП измеряет рабочие параметры: выходное и входное напряжения, выходной ток и температуру. Эти параметры позволяют полностью контролировать состояние лабораторного источник питания, в т.ч. рассеиваемую на проходном транзисторе мощность.
В качестве МК остановим свой выбор на Atmel SAML21, в состав которого входят 2-канальный 12-бит ЦАП и 12-бит АЦП. Микросхема производится в 32-выводном корпусе TQFP. Точности АЦП и разрешения ЦАП более чем достаточно для наших целей. Схема подключения МК показана на рисунке 2.
Рис. 2. Схема подключения МК
Программное обеспечение скомпилировано в среде Studio 7 IDE. Имеются два варианта схемы управления. В первом из них контролируются только выходные параметры источника – ток и напряжение, а во втором дополнительно измеряется температура радиатора, и при достижении установленного порога включается вентилятор для принудительного обдува. При запуске источника выходной ток ограничен величиной 50 мА. Все необходимые драйверы имеются в библиотеке Studio 7. Печатная плата источника показана на рисунке 3.
Рис. 3. Печатная плата источника
Пороговые уставки и заданные значения вводятся с клавиатуры и отражаются на дисплее. Лицевая панель источника представлена на рисунке 4.
Рис. 4. Лицевая панель источника
На рисунке 5 показан весь источник в сборе. Функции, реализованные при управлении с клавиатуры, приведены в таблице.
Рис. 5. Источник в сборе
При выборе компонентов не следует забывать, что максимальное напряжение всех конденсаторов должно быть не менее 50 В. Если нет желания тратиться на датчик температуры, можно использовать для измерения температуры диод, который следует приклеить к радиатору проходного транзистора. В схеме источника (см. рис. 1) с этой целью применяется диод D5, ток через который задается резистором R14 и составляет примерно 100 мкА; при этом падение напряжения на диоде составит около 0,7 В при дрейфе напряжения 2 мВ/°С.
Хотя для измерения температуры радиатора не требуется высокой точности, все же следует выполнить тарировку диода как минимум по двум контрольным точкам и записать их в память МК. Встроенный в МК датчик температуры, разумеется, тарировки не требует.
Таблица. Функции, реализованные при управлении с клавиатуры
| Клавиша | Ввод | Клавиша | Действие |
| A | Значение выходного напряжения, В | # | Ввод в МК значения выходного напряжения, В |
| B | Ограничение выходного тока, мА | # | Ввод в МК, мА |
| A | C | Удаления введенного значения выходного напряжения | |
| B | C | Удаления введенного значения выходного тока | |
| D | 1 | Вывод на дисплей температуры МК и радиатора | |
| D | 2 | Вывод на дисплей входного напряжения и потребляемой мощности | |
| D | 3 | Вывод на дисплей рассеиваемой мощности |
MCA833
