Превъзходно лабораторно захранване: 15 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:54

От моя гледна точка един от най -добрите начини да започнете с електрониката е да изградите собствено лабораторно захранване. В тази инструкция се опитах да събера всички необходими стъпки, така че всеки да може да изгради своя собствена.

Всички части на монтажа са директно подредени в digikey, ebay, amazon или aliexpress, с изключение на веригата на измервателния уред. Направих персонализиран щит за измервателни уреди за Arduino, който може да измерва до 36V - 4A, с резолюция 10mV - 1mA, който може да се използва и за други проекти.

Захранването има следните характеристики:

• Номинално напрежение: 24V.
• Номинален ток: 3A.
• Пулсация на изходното напрежение: 0,01% (Според спецификациите на комплекта на захранващата верига).
• Разделителна способност на измерване на напрежение: 10mV.
• Текуща резолюция на измерване: 1mA.
• CV и CC режими.
• Защита от ток.
• Защита от пренапрежение.

Стъпка 1: Части и електрическа схема

Освен изображението, към тази стъпка прикачих файла WiringAndParts.pdf. Документът описва всички функционални части, включително връзката за поръчка, на захранването на пейката и как да ги свържете.

Захранващото напрежение се подава през съединител на IEC панел (10), който има вграден невъзможен държач, има прекъсвач за захранване в предния панел (11), който прекъсва веригата, образувана от съединителя IEC към трансформатора (9).

Трансформаторът (9) извежда 21VAC. 21 VAC преминават директно към захранващата верига (8). Изходът на захранващата верига (8) отива директно към IN терминала на веригата на измервателния уред (5).

Изходният извод на веригата на измервателния уред (5) е свързан директно към положителните и отрицателните свързващи стълбове (4) на захранването. Схемата на измервателния уред измерва както напрежение, така и ток (висока страна) и може да активира или деактивира връзката между входа и изхода.

Кабелите обикновено използват скрап кабели, които имате у дома. Можете да проверите в интернет за подходящ AWG габарит за 3A, но като цяло правилото за палеца от 4A/mm² работи, особено за къси кабели. За окабеляване на мрежовото напрежение (120V или 230V) използвайте подходящо изолирани кабели, 600V в САЩ, 750V в Европа.

Серийният преминаващ транзистор на захранващата верига (Q4) (12) е свързан, вместо да е запоен, за да позволи лесен монтаж на радиатора (13).

Оригиналните 10K потенциометри на захранващата верига са заменени с многооборотни модели (7), което прави възможно прецизно регулиране на изходното напрежение и ток.

Платката arduino на веригата на измервателния уред се захранва с помощта на кабел за захранване (6), който идва от захранващата верига (8). Платката за захранване е променена, за да получи 12V вместо 24V.

Положителният извод на CC светодиода от захранващата верига е свързан към конектора за режим на веригата на измервателния уред. Това му позволява да знае кога да покаже CC или CV режим.

Има два бутона, свързани към веригата на измервателния уред (3). Бутонът за изключване „червен“изключва изходното напрежение. Бутонът за включване „черен“свързва изходното напрежение и нулира OV или OC грешки.

Към веригата на измервателния уред (2) са свързани два потенциометра. Едната задава прага на OV, а другата задава прага на OC. Не е необходимо тези потенциометри да бъдат многооборотни, използвал съм оригиналните потенциометри от захранващата верига.

Буквено -цифровият LCD дисплей (1) 20x4 I2C е свързан към веригата на измервателния уред. Той показва настоящата информация за изходното напрежение, изходния ток, зададената стойност на OV, зададената стойност и състоянието на OC.

Стъпка 2: Комплект верига за захранване

Купих този комплект, който е оценен като 30V, 3A:

Прилагам ръководство за сглобяване, което намерих в Интернет, и изображение на схемата. Накратко:

Веригата е линейно захранване.

Q4 и Q2 са масив от Дарлингтън и образуват последователен транзистор, той се управлява от операционните усилватели за поддържане на напрежението и тока на желаната стойност.

Токът се измерва чрез R7, като добавянето на това съпротивление в долната страна прави земята на захранващата верига и изходната маса различни.

Веригата задвижва светодиод, който се включва, когато е включен режимът на постоянен ток.

Веригата включва моста Graeth за коригиране на променливотоковия вход. Променливотоковият вход се използва и за генериране на отрицателно сместващо напрежение до 0V.

В тази верига няма термична защита, така че подходящото оразмеряване на радиатора е много важно.

Веригата има 24V изход за „допълнителен“вентилатор. Замених регулатора 7824 с регулатор 7812, за да получа 12V за платката Arduino на веригата на измервателния уред.

Не съм сглобил светодиода, вместо това използвах този сигнал, за да посоча веригата на измервателния уред, ако захранването е в CC или CV.

Стъпка 3: Сглобяване на комплекта електрически вериги

В тази верига всички части са през отвор. Като цяло трябва да започнете с най -малките.

• Запоявайте всички резистори.
• Запояйте останалите компоненти.
• Използвайте клещи, когато огъвате диоди, за да избегнете счупването им.
• Огънете проводниците на оп усилвателите DIP8 TL081.
• Използвайте радиаторна смес, когато сглобявате радиатори.

Стъпка 4: Проектиране и схема на измервателната верига

Веригата е щит за Arduino UNO, съвместим с R3 версии. Проектирах го с части, достъпни на digikey.com.

Изходът на комплекта захранващ блок на vkmaker е свързан към клемния блок IN, а клемният блок OUT отива директно към свързващите стълбове на захранването.

R4 е шунтиращ резистор в положителната релса с стойност 0.01ohm, той има спад на напрежението, пропорционален на текущия изход. Диференциалното напрежение R4 е свързано директно към RS+ и RS-изводи на IC1. Максималният спад на напрежението при максимален токов изход е 4A*0.01ohm = 40mV.

R2, R3 и C2 образуват ~ 15Hz филтър, за да се избегне шум.

IC1 е усилвател на ток с висока страна: MAX44284F. Той е базиран на нарязан операционен усилвател, който му позволява да получи много ниско входно напрежение на компенсиране, 10uV при максимум при 25ºC. При 1mA спадането на напрежението в R4 е 10uV, равно на максималното напрежение на входното изместване.

MAX44284F има усилване на напрежението от 50V/V, така че изходното напрежение, SI сигнал, при максимален ток от 4A, ще бъде 2V.

Максималното общо напрежение на входното напрежение на MAX44284F е 36V, което ограничава диапазона на входното напрежение до 36V.

R1 и C1 образуват филтър за потискане на 10KHz и 20KHz нежелани сигнали, които могат да се появят поради архитектурата на устройството, препоръчва се на страница 12 в листа с данни.

R5, R6 и R7 са делител на напрежение с висок импеданс от 0,05 V/V. R7 с C4 образуват ~ 5Hz филтър, за да се избегне шум. Делителят на напрежението се поставя след R4 за измерване на реалното изходно напрежение след спада на напрежението.

IC3 е операционен усилвател MCP6061T, той формира последовател на напрежение, за да изолира делителя на напрежението с висок импеданс. Максималният входящ ток на отклонение е 100pA при стайна температура, този ток е незначителен спрямо импеданса на делителя на напрежението. При 10 mV напрежението на входа на IC3 е 0,5 mV, много по -голямо от неговото входно напрежение: 150uV при максимум.

Изходът на IC3, SV сигнал, има напрежение 2V при входно напрежение 40V (максимално възможното е 36V поради IC1). Сигналите SI и SV са свързани към IC2. IC2 е MCP3422A0, двуканален I2C сигма делта ADC. Той има справка за вътрешно напрежение 2.048V, избираемо усилване на напрежението от 1, 2, 4 или 8V/V и избираем брой от 12, 14, 16 или 18 бита.

За тази схема използвам фиксирана печалба от 1V/V и фиксирана резолюция от 14 бита. Сигналите SV и SI не са диференциални, така че отрицателният извод на всеки вход трябва да бъде заземен. Това означава, че броят на наличните LSB ще бъде наполовина.

Тъй като референтното вътрешно напрежение е 2.048V и ефективният брой на LSB са 2^13, стойностите на ADC ще бъдат: 2LSB на всеки 1mA в случай на ток и 1LSB на всеки 5mV в случай на напрежение.

X2 е конекторът за бутон ON. R11 предотвратява входа на щифта на Arduino от статични разряди, а R12 е издърпващ се резистор, който прави 5V, когато не е натиснат, и ~ 0V, когато е натиснат. I_ON сигнал.

X3 е конекторът за бутона OFF. R13 предотвратява входа на щифта на Arduino от статични разряди, а R14 е издърпващ се резистор, който прави 5V, когато не е натиснат, и ~ 0V, когато е натиснат. I_OFF сигнал.

X5 е съединителят за потенциометъра за зададена точка на защита срещу свръхток. R15 предотвратява статичния разряд на входния щифт на Arduino, а R16 предотвратява късо съединение на релсата +5V. A_OC сигнал.

X6 е конекторът за потенциометъра за зададена точка на защита от пренапрежение. R17 предотвратява статичния разряд на входния щифт на Arduino, а R18 предотвратява късо съединение на релсата +5V. A_OV сигнал.

X7 има външен вход, който се използва за получаване на режим на постоянен ток или постоянно напрежение на захранването. Тъй като може да има много входни напрежения, той се прави с помощта на Q2, R19 и R20 като превключвател на нивото на напрежение. I_MOD сигнал.

X4 е конекторът на външния LCD дисплей, той е просто връзка на 5V шина, GND и I2C SCL-SDA линии.

I2C линии, SCL и SDA, се споделят от IC2 (ADC) и външния LCD, те се изтеглят от R9 и R10.

R8 и Q1 образуват драйвера на K1 реле. K1 свързва изходното напрежение при захранване. При 0V в -CUT релето е без захранване, а при 5V в -CUT релето се захранва. D3 е диодът със свободно движение, който потиска отрицателните напрежения при намаляване на напрежението на бобината на релето.

Z1 е преходник на преходно напрежение с номинално напрежение 36V.

Стъпка 5: Печатна платка на измервателната верига

Използвал съм безплатната версия на Eagle както за схемата, така и за печатната платка. Печатната платка е двустранна конструкция с дебелина 1,6, която има отделна заземителна равнина за аналоговата верига и цифровата верига. Дизайнът е доста прост. Получих dxf файл от интернет с измерението за очертанията и позицията на конекторите на Arduino pinhead.

Публикувам следните файлове:

• Оригинални файлове на eagle: 00002A.brd и 00002A.sch.
• Gerber файлове: 00002A.zip.
• И BOM (Bill Of Materials) + ръководство за сглобяване: BOM_Assemby.pdf.

Поръчах платката на PCBWay (www.pcbway.com). Цената беше невероятно ниска: 33 долара, включително доставка, за 10 дъски, които пристигнаха за по -малко от седмица. Мога да споделя останалите дъски с приятелите си или да ги използвам в други проекти.

Има грешка в дизайна, пуснах чрез докосване на копринения екран в легендата 36V.

Стъпка 6: Сглобяване на верига на измервателния уред

Въпреки че повечето части са SMT в тази платка, тя може да бъде сглобена с обикновен поялник. Използвал съм Hakko FX888D-23BY, финцова пинцета, малко фитил за запояване и припой 0,02.

• След получаване на частите най -добрата идея е да ги сортирате, подредих кондензатори и резистори и закопчих торбите.
• Първо сглобете малките части, започвайки с резистори и кондензатори.
• Сглобете R4 (0R1), започвайки с един от четирите проводника.
• Запоявайте останалите части, като цяло за SOT23, SOIC8 и т.н. най -добрият начин е първо да поставите спойка в една подложка, да запоите частта на нейното място и след това да запоите останалите проводници. Понякога спойката може да свърже много подложки заедно, в този случай можете да използвате флюс и фитил за запояване, за да премахнете спойката и да почистите празнините.
• Сглобете останалите компоненти на отворите.

Стъпка 7: Arduino код

Прикачих файла DCmeter.ino. Цялата програма е включена в този файл, освен LCD библиотеката „LiquidCrystal_I2C“. Кодът е много персонализиран, особено формата на лентите за напредъка и показваните съобщения.

Както всички кодове на arduino, функцията setup () се изпълнява за първи път и функцията loop () се изпълнява непрекъснато.

Функцията за настройка конфигурира дисплея, включително специалните символи за лентата за напредък, влиза в машината на състоянието MCP4322 и настройва релето и LCD подсветката за първи път.

Няма прекъсвания, във всяка итерация цикълната функция изпълнява следните стъпки:

Вземете стойността на всички входни сигнали I_ON, I_OFF, A_OC, A_OV и I_MOD. I_ON и I_OFF са денонсирани. A_OC и A_OV се четат директно от ADC на Arduino и се филтрират, като се използва средната част на последните три измервания. I_MOD се чете директно, без да се отстранява.

Контролирайте времето за включване на подсветката.

Изпълнете машината на състоянието MCP3422. На всеки 5 ms той анкетира MCP3422, за да види дали последното преобразуване е приключило и ако е така, то започва следващото, последователно получава стойността на напрежението и тока, присъстващи на изхода.

Ако има нови стойности на изходното напрежение и ток от машината на състоянието MCP3422, актуализира състоянието на захранването въз основа на измерванията и актуализира дисплея.

Съществува двоен буфер за по -бързо актуализиране на дисплея.

Следните макроси могат да бъдат коригирани за други проекти:

MAXVP: Максимум OV в 1/100V единици.

MAXCP: Максимален OC в 1/1000A единици.

DEBOUNCEHARDNESS: Брой итерации с последователна стойност, за да се предположи, че е правилна за I_ON и I_OFF.

LCD4x20 или LCD2x16: Компилация за 4x20 или 2x16 дисплей, опцията 2x16 все още не е внедрена.

Изпълнението 4x20 показва следната информация: В първия ред изходното напрежение и изходният ток. Във втория ред лента за напредъка, представляваща изходната стойност спрямо зададената точка на защита както за напрежение, така и за ток. В третия ред текущата зададена стойност за защита от пренапрежение и защита от свръхток. В четвъртия ред текущото състояние на захранването: CC ON (Включено в режим на постоянен ток), CV ON (Включено в режим на постоянно напрежение), OFF, OV OFF (Изключено показва, че захранването е прекъснато поради OV), OC OFF (Изключено показва, че захранването е прекъснато поради OC).

Направих този файл за проектиране на символите на лентите за напредък:

Стъпка 8: Термични проблеми

Използването на десния радиатор е много важно при този монтаж, тъй като захранващата верига не е самозащитена срещу прегряване.

Според листа с данни, транзисторът 2SD1047 има свързване към термично съпротивление на корпуса Rth-j, c = 1.25ºC/W.

Според този уеб калкулатор: https://www.myheatsinks.com/calculate/thermal-resi… термичното съпротивление на радиатора, който съм закупил, е Rth-hs, въздух = 0,61ºC/W. Предполагам, че действителната стойност е по -ниска, тъй като радиаторът е прикрепен към корпуса и топлината може да се разсейва и по този начин.

Според продавача на ebay, топлопроводимостта на изолационния лист, който съм закупил, е K = 20.9W/(mK). С това, с дебелина 0,6 мм, термичното съпротивление е: R = L/K = 2,87e-5 (Km2)/W. И така, случаят на термично съпротивление към радиатора на изолатора за 15 мм х 15 мм повърхност на 2SD1047 е: Rth-c, hs = 0,127 ° C/W. Можете да намерите ръководство за тези изчисления тук:

Максималната допустима мощност за 150ºC в кръстовището и 25ºC във въздуха е: P = (Tj-Ta) / (Rth-j, c + Rth-hs, въздух + Rth-c, hs) = (150-25) / (1,25 + 0,61 + 0,127) = 63 W.

Изходното напрежение на трансформатора е 21VAC при пълно натоварване, което прави средно 24VDC след диоди и филтриране. Така че максималното разсейване ще бъде P = 24V * 3A = 72W. Като се има предвид, че термичното съпротивление на радиатора е малко по -ниско поради разсейването на металния корпус, предположих, че е достатъчно.

Стъпка 9: Приложение

Корпусът, включително корабоплаването, е най -скъпата част от захранването. Намерих този модел в ebay, от Cheval, тайландски производител: https://www.chevalgrp.com/standalone2.php. Всъщност продавачът на ebay беше от Тайланд.

Тази кутия има много добро съотношение цена -качество и пристигна доста добре опакована.

Стъпка 10: Механизиране на предния панел

Най-добрият вариант за механизиране и гравиране на предния панел е използването на маршрутизатор като този https://shop.carbide3d.com/products/shapeoko-xl-k… или направата на персонализиран пластмасов капак с PONOKO, например. Но тъй като нямам рутера и не исках да харча много пари, реших да го направя по стария начин: изрязване, подрязване с файл и използване на трансферни букви за текста.

Прикачих файл Inkscape с шаблона: frontPanel.svg.

• Изрежете шаблона.
• Покрийте панела с бояджийска лента.
• Залепете шаблона към лентата за боядисване. Използвал съм лепило.
• Маркирайте позицията на тренировките.
• Пробийте дупки, за да позволите на триона за рязане или острието за преодоляване да влезе във вътрешните разрези.
• Изрежете всички форми.
• Подрежете с пила. В случай на кръгли отвори за потенциометри и свързващи стълбове не е необходимо да се използва трионът преди подаване. В случай на отвора за показване, подрязването на файла трябва да бъде възможно най -доброто, защото тези ръбове ще се видят.
• Отстранете шаблона и лентата за боядисване.
• Маркирайте позицията на текстовете с молив.
• Прехвърлете буквите.
• Премахнете маркировките на молив с гума.

Стъпка 11: Механизиране на задния панел

• Маркирайте позицията на радиатора, включително отвора за захранващия транзистор и позицията на задържащите винтове.
• Маркирайте дупката за достъп до радиатора от вътрешността на корпуса на захранването, използвал съм изолатора като ориентир.
• Маркирайте дупката за съединителя IEC.
• Пробийте контура на фигурите.
• Пробийте отворите за винтовете.
• Изрежете фигурите с клещи за рязане.
• Изрежете фигурите с пила.

Стъпка 12: Сглобяване на предния панел

• Извадете многопроводников кабел от скрап, за да получите кабели.
• Изградете LCD модула, запоявайки I2C към паралелен интерфейс.
• Изградете „съединителя molex“, тел и сгъваема тръба за: потенциометри, бутони и LCD. Премахнете всякакви издатини в потенциометри.
• Отстранете пръстена на показалеца на копчетата.
• Нарежете пръта на потенциометрите до размера на копчето. Използвал съм парче картон като габарит.
• Прикрепете бутоните и бутона за захранване.
• Сглобете потенциометрите и монтирайте копчетата, многооборотните потенциометри, които купих, имат ¼ инчов вал, а моделите с едно завъртане имат 6 мм вал. Използвал съм шайби като дистанционни елементи за подрязване на разстоянието на потенциометрите.
• Завийте свързващите стълбове.
• Поставете двустранна лента в LCD и я залепете към панела.
• Запоявайте положителните и отрицателните проводници към свързващите стълбове.
• Сглобете клемата на GND в зеления свързващ стълб.

Стъпка 13: Сглобяване на заден панел

• Завийте радиатора към задния панел.
• Сглобете IEC конектора.
• Поставете лепилните дистанционни елементи, като използвате веригата на комплекта за захранване.
• Завийте захранващия транзистор и изолатора, във всяка повърхност трябва да има термична грес.
• Сглобете 7812 за захранване на arduino, той е обърнат към корпуса, за да позволи разсейване на топлината, като използвате един от винтовете, които държат радиатора. Трябваше да използвам пластмасова шайба като тази https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Transistor-… но в крайна сметка използвах същия изолатор като захранващия транзистор и огъната част от корпуса.
• Свържете захранващия транзистор и 7812 към захранващата верига.

Стъпка 14: Окончателно сглобяване и окабеляване

• Маркирайте и пробийте отворите за трансформатора.
• Сглобете трансформатора.
• Залепете залепващите крака на корпуса.
• Залепете веригата на DC измервател с помощта на лепилни дистанционни елементи.
• Изстържете боята, за да завиете пръчката GND.
• Изградете мрежови кабелни мрежи, всички терминали са 3/16”Faston. Използвал съм свиваема тръба, за да изолирам терминалите.
• Изрежете предната част на държача на кутията от дясната страна, за да получите място за бутона за захранване.
• Свържете всички проводници съгласно ръководството за сглобяване.
• Поставете предпазителя (1A).
• Поставете потенциометъра на изходното напрежение (потенциометъра VO) до минималния CCW и регулирайте изходното напрежение възможно най -близо до нула волта, като използвате многооборотния потенциометър за фино регулиране на захранващата верига vkmaker.
• Сглобете корпуса.

Стъпка 15: Подобрения и по -нататъшна работа

Подобрения

• Използвайте шайби в стил производител, за да избегнете разхлабването на винтовете с вибрации, особено вибрациите от трансформатора.
• Боядисвайте предния панел с прозрачен лак, за да предотвратите изтриването на буквите.

Допълнителна работа:

• Добавете USB конектор по следния начин: https://www.ebay.com/itm/Switchcraft-EHUSBBABX-USB-… в задния панел. Полезно за надграждане на кода без разглобяване или за правене на малък ATE, контролиращ функциите On Off, получаване на състояние и измерване с помощта на компютър.
• Направете 2x16 LCD компилация на код.
• Направете нова верига за захранване, вместо да използвате комплекта vkmaker, с цифрово управление на изходното напрежение и ток.
• Извършете адекватните тестове за характеризиране на захранването.

Първа награда в конкурса за захранване