Vrhunski laboratorijski napajalnik: 15 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Z mojega vidika je eden najboljših načinov za začetek elektronike, da zgradite lasten laboratorijski napajalnik. V tem navodilu sem poskušal zbrati vse potrebne korake, tako da si lahko vsak ustvari svojega.

Vse dele sklopa lahko neposredno naročite na digikey, ebay, amazon ali aliexpress, razen merilnega vezja. Za Arduino sem naredil ščit merilnika po meri, ki lahko meri do 36V - 4A, z ločljivostjo 10mV - 1mA, ki se lahko uporablja tudi za druge projekte.

Napajalnik ima naslednje lastnosti:

• Nazivna napetost: 24V.
• Nazivni tok: 3A.
• Izhodna napetost valovanje: 0,01% (glede na specifikacije kompleta napajalnega vezja).
• Ločljivost merjenja napetosti: 10mV.
• Trenutna ločljivost merjenja: 1 mA.
• Načini CV in CC.
• Preko trenutne zaščite.
• Zaščita pred prenapetostjo.

1. korak: Deli in shema ožičenja

Poleg slike sem temu koraku priložil datoteko WiringAndParts.pdf. Dokument opisuje vse funkcionalne dele, vključno s povezavo za naročanje, napajalnikom in kako jih priključiti.

Omrežna napetost prihaja prek priključka IEC plošče (10), ki ima vgrajeno nemogoče držalo, na sprednji plošči (11) je stikalo za vklop, ki prekine vezje, ki nastane od priključka IEC do transformatorja (9).

Transformator (9) oddaja 21VAC. 21 VAC gre neposredno v napajalni tokokrog (8). Izhod napajalnega tokokroga (8) gre neposredno na IN priključek merilnega tokokroga (5).

OUT priključek merilnega tokokroga (5) je neposredno povezan s pozitivnimi in negativnimi veznimi stebri (4) napajalnika. Merilno vezje meri napetost in tok (visoka stran) in lahko omogoči ali onemogoči povezavo med vhodom in izhodom.

Kabli, na splošno uporabite odpadne kable, ki jih imate doma. Na internetu lahko preverite ustrezen merilec AWG za 3A, vendar praviloma palec 4A/mm² deluje, zlasti za kratke kable. Za napeljavo omrežne napetosti (120V ali 230V) uporabite ustrezno izolirane kable, 600V v ZDA, 750V v Evropi.

Zaporedni tranzistor napajalnega tokokroga (Q4) (12) je namesto spajkan, ožičen, kar omogoča enostavno namestitev hladilnika (13).

Prvotni 10K potenciometri napajalnega tokokroga so bili zamenjani z večvrtilnimi modeli (7), kar omogoča natančno nastavitev izhodne napetosti in toka.

Arduino plošča merilnega tokokroga se napaja s kablom za vtičnico (6), ki prihaja iz napajalnega tokokroga (8). Napajalna plošča je bila spremenjena tako, da je dobila 12V namesto 24V.

Pozitivni zatič CC LED iz napajalnega tokokroga je priključen na priključek za način vezja merilnika. Tako lahko ve, kdaj naj prikaže način CC ali CV.

Na vezje merilnika (3) sta povezana dva gumba. Rdeči gumb za izklop odklopi izhodno napetost. Gumb za vklop "črno" povezuje izhodno napetost in ponastavi napake OV ali OC.

Na merilno vezje (2) sta priključena dva potenciometra. Eden nastavi prag OV, drugi pa prag OC. Teh potenciometrov ni treba obračati večkrat, uporabil sem originalne potenciometre iz napajalnega tokokroga.

Alfanumerični LCD (1) 20x4 I2C je priključen na merilno vezje. Prikazuje trenutne informacije o izhodni napetosti, izhodnem toku, nastavljeni vrednosti OV, nastavljeni vrednosti OC in statusu.

2. korak: Komplet vezja za napajanje

Kupil sem ta komplet z oceno 30V, 3A:

Prilagam vodnik za montažo, ki sem ga našel na internetu, in sliko sheme. Na kratko:

Vezje je linearno napajanje.

Q4 in Q2 sta Darlingtonova matrika in tvorita zaporedni tranzistor, ki ga upravljajo operacijski ojačevalniki za vzdrževanje napetosti in toka na želeni vrednosti.

Tok se meri z R7 in dodajanje tega upora na spodnji strani naredi ozemljitev napajalnega tokokroga in izhodno maso različna.

Vezje poganja LED, ki se vklopi, ko je vklopljen način konstantnega toka.

Vezje vključuje most Graeth za popravljanje vhoda AC. AC vhod se uporablja tudi za ustvarjanje negativne napetosti, da doseže 0V.

V tem vezju ni toplotne zaščite, zato je ustrezna dimenzija hladilnika zelo pomembna.

Vezje ima 24V izhod za "neobvezni" ventilator. Regulator 7824 sem zamenjal z regulatorjem 7812, da dobim 12V za ploščo Arduino v merilnem vezju.

Nisem sestavil LED, namesto tega sem s tem signalom označil merilno vezje, če je napajanje v CC ali CV.

3. korak: Sestavljanje kompleta vezja za napajanje

V tem vezju so vsi deli skozi luknjo. Na splošno morate začeti z najmanjšimi.

• Spajite vse upore.
• Ostale komponente spajkajte.
• Pri upogibanju diod uporabite klešče, da jih ne zlomite.
• Upognite kable op ojačevalnikov DIP8 TL081.
• Pri sestavljanju hladilnika uporabite mešanico hladilnika.

4. korak: Zasnova in shema merilnega vezja

Vezje je ščit za Arduino UNO, združljiv z različicami R3. Oblikoval sem ga z deli, ki so na voljo na digikey.com.

Izhod kompleta napajalnega vezja vkmaker je priključen na priključni blok IN, priključni blok OUT pa gre neposredno na vezna mesta napajalnika.

R4 je shuntni upor v pozitivni tirnici z vrednostjo 0,01 ohma in ima padec napetosti, sorazmeren trenutni izhodni moči. Diferenčna napetost R4 je priključena neposredno na RS+ in RS-nožice IC1. Največji padec napetosti pri največjem izhodnem toku je 4A*0,01 ohma = 40 mV.

R2, R3 in C2 tvorijo filter ~ 15Hz, da se izognejo hrupu.

IC1 je ojačevalnik visokega toka: MAX44284F. Temelji na sesekljanem operacijskem ojačevalniku, ki omogoča zelo nizko vhodno offset napetost, 10uV pri največ pri 25 ° C. Pri 1mA je padec napetosti v R4 10uV, kar je enako največji vhodni odmični napetosti.

MAX44284F ima ojačitev napetosti 50V/V, zato bo izhodna napetost, signal SI, pri največjem toku 4A, vrednost 2V.

Največja vhodna napetost v skupnem načinu MAX44284F je 36V, kar omejuje območje vhodne napetosti na 36V.

R1 in C1 tvorita filter za zatiranje 10KHz in 20KHz neželenih signalov, ki se lahko pojavijo zaradi arhitekture naprave, priporočamo na strani 12 podatkovnega lista.

R5, R6 in R7 so delilnik napetosti z visoko impedanco 0,05 V/V. R7 s C4 tvori filter ~ 5Hz, da se izogne hrupu. Delilnik napetosti je nameščen za R4 za merjenje dejanske izhodne napetosti po padcu napetosti.

IC3 je operacijski ojačevalnik MCP6061T, ki tvori napetostni sledilnik za izolacijo delilnika napetosti z visoko impedanco. Največji vhodni tok pristranskosti je 100pA pri sobni temperaturi, ta tok je zanemarljiv glede na impedanco delilnika napetosti. Pri 10mV je napetost na vhodu IC3 0,5mV, veliko večja od njene vhodne offset napetosti: največ 150uV.

Izhodni signal IC3, SV, ima napetost 2V pri vhodni napetosti 40V (največja možna vrednost je 36V zaradi IC1). Signali SI in SV so povezani z IC2. IC2 je MCP3422A0, dvokanalni ADC sigma delta I2C. Ima referenčno vrednost notranje napetosti 2,048 V, izbirno napetostno ojačanje 1, 2, 4 ali 8 V/V in izbirno število 12, 14, 16 ali 18 bitov.

Za to vezje uporabljam fiksni dobiček 1 V/V in fiksno ločljivost 14 bitov. Signali SV in SI niso diferencialni, zato mora biti negativni pin vsakega vhoda ozemljen. To pomeni, da se bo število razpoložljivih LSB prepolovilo.

Ker je referenca notranje napetosti 2,048 V in efektivno število LSB 2^13, bodo vrednosti ADC: 2LSB na vsak 1 mA v primeru toka in 1LSB na vsakih 5 mV v primeru napetosti.

X2 je priključek za gumb ON. R11 preprečuje statične razelektritve vhoda Arduino pin in R12 je vlečni upor, ki naredi 5V, ko je stisnjen, in ~ 0V, ko ga pritisnete. Signal I_ON.

X3 je priključek za gumb OFF. R13 preprečuje, da bi vhod Arduino pin vlekel statične razelektritve, R14 pa je vlečni upor, ki v pritisku naredi 5V, ob pritisku pa ~ 0V. Signal I_OFF.

X5 je priključek za potenciometer nastavljene vrednosti zaščite pred pretokom. R15 preprečuje statične razelektritve vhodnega zatiča Arduino in R16 preprečuje kratek stik vodila +5V. Signal A_OC.

X6 je konektor za potenciometer nastavljene vrednosti zaščite pred prenapetostjo. R17 preprečuje statične razelektritve vhodnega zatiča Arduino, R18 pa kratkega stika vodila +5V. Signal A_OV.

X7 je zunanji vhod, ki se uporablja za pridobivanje načina konstantnega toka ali konstantne napetosti napajalnika. Ker ima lahko veliko vhodnih napetosti, je izdelan z uporabo Q2, R19 in R20 kot krmilnika napetosti. Signal I_MOD.

X4 je priključek zunanjega LCD-ja, to je samo povezava 5V vodila, GND in I2C SCL-SDA vodov.

Linije I2C, SCL in SDA, delijo IC2 (ADC) in zunanji LCD, potegneta jih R9 in R10.

R8 in Q1 tvorita pogon releja K1. K1 pri priključitvi priključi izhodno napetost. Pri 0V v -CUT je rele brez napajanja, pri 5V v -CUT pa se rele napaja. D3 je prosta kolesna dioda, ki zavira negativne napetosti pri prekinitvi napetosti relejne tuljave.

Z1 je zaviralec prehodne napetosti z nazivno napetostjo 36V.

5. korak: PCB vezja merilnika

Brezplačno različico Eagle sem uporabil tako za shemo kot za tiskano vezje. PCB je dvostranska zasnova debeline 1,6, ki ima ločeno ozemljitveno ploščo za analogno vezje in digitalno vezje. Zasnova je precej preprosta. Iz interneta sem dobil datoteko dxf z dimenzijo orisa in položajem priključkov z glavami Arduino.

Objavljam naslednje datoteke:

• Izvirne datoteke eagle: 00002A.brd in 00002A.sch.
• Gerber datoteke: 00002A.zip.
• In BOM (Bill of Materials) + priročnik za montažo: BOM_Assemby.pdf.

PCB sem naročil pri PCBWay (www.pcbway.com). Cena je bila neverjetno nizka: 33 dolarjev, vključno s poštnino, za 10 plošč, ki so prispele v manj kot enem tednu. Preostale plošče lahko delim s prijatelji ali jih uporabim pri drugih projektih.

Pri oblikovanju je prišlo do napake, v legendi 36V sem se dotaknil svilenega zaslona.

Korak 6: Montaža vezja merilnika

Čeprav je večina plošč SMT na tej plošči, jo je mogoče sestaviti z običajnim spajkalnikom. Uporabil sem Hakko FX888D-23BY, fino pinceto, nekaj spajkalnega stenja in spajkalnik 0,02.

• Po prejemu delov je najboljša ideja, da jih razvrstite, razvrstil sem kondenzatorje in upore ter vrečke spel.
• Najprej sestavite majhne dele, začenši z upori in kondenzatorji.
• Sestavite R4 (0R1), začenši z enim od štirih vodnikov.
• Spajkajte preostale dele, na splošno za SOT23, SOIC8 itd. Najboljši način je, da najprej spajkate v eno blazinico, del spajkate na svojem mestu in nato spajkate preostale kable. Včasih spajka lahko združi veliko blazinic, v tem primeru lahko uporabite fluks in spajkalni stenj, da odstranite spajkanje in očistite vrzeli.
• Preostale sestavne dele skozi luknje sestavite.

Korak 7: Koda Arduino

Priložil sem datoteko DCmeter.ino. Vsi programi so vključeni v to datoteko, razen knjižnice LCD "LiquidCrystal_I2C". Koda je zelo prilagodljiva, zlasti oblika vrstic napredovanja in prikazana sporočila.

Kot vse arduino kode ima prvič izvedeno funkcijo setup () in neprekinjeno izvedeno funkcijo loop ().

Nastavitvena funkcija konfigurira zaslon, vključno s posebnimi znaki za vrstico napredka, vstopi v stanje stroja MCP4322 in prvič nastavi rele in osvetlitev LCD -zaslona.

Prekinitev ni, v vsaki iteraciji funkcija zanke izvede naslednje korake:

Pridobite vrednost vseh vhodnih signalov I_ON, I_OFF, A_OC, A_OV in I_MOD. I_ON in I_OFF sta razkrita. A_OC in A_OV se bereta neposredno iz Arduinovega ADC -ja in filtrirata po srednjem delu zadnjih treh meritev. I_MOD se bere neposredno brez odvračanja.

Nadzirajte čas vklopa osvetlitve ozadja.

Izvedite stroj stanja MCP3422. Vsakih 5 ms anketira MCP3422, da preveri, ali je bila zadnja pretvorba končana, in če je tako, se začne naslednja, zaporedno dobi vrednost napetosti in toka, ki sta prisotna na izhodu.

Če so iz stanja stroja MCP3422 sveže vrednosti izhodne napetosti in toka, na podlagi meritev posodobi stanje napajanja in posodobi zaslon.

Za hitrejše posodabljanje zaslona je na voljo dvojni vmesni pomnilnik.

Naslednje makre lahko prilagodite za druge projekte:

MAXVP: Največji OV v enotah 1/100V.

MAXCP: Največji OC v enotah 1/1000A.

DEBOUNCEHARDNESS: Število ponovitev z zaporedno vrednostjo, da bi uganili, da je pravilno za I_ON in I_OFF.

LCD4x20 ali LCD2x16: Kompilacija za zaslon 4x20 ali 2x16, možnost 2x16 še ni izvedena.

Izvedba 4x20 prikazuje naslednje informacije: V prvi vrstici izhodna napetost in izhodni tok. V drugi vrstici vrstica napredka, ki predstavlja izhodno vrednost glede na nastavljeno vrednost zaščite za napetost in tok. V tretji vrstici je trenutna nastavljena vrednost za zaščito pred prenapetostjo in nadtokovno zaščito. V četrti vrstici je trenutno stanje napajanja: CC ON (vklopljeno v načinu konstantnega toka), CV ON (vklopljeno v načinu s konstantno napetostjo), OFF, OV OFF (izklopljeno, kar kaže, da se je napajanje prekinilo zaradi OV), OC OFF (Izklopljeno, kar pomeni, da se je napajanje prekinilo zaradi OC).

To datoteko sem naredil za oblikovanje znakov prog:

8. korak: Toplotna vprašanja

Uporaba pravega hladilnika je pri tem sklopu zelo pomembna, ker napajalni tokokrog ni samozaščiten pred pregrevanjem.

Po podatkovnem listu ima tranzistor 2SD1047 stik s toplotno upornostjo ohišja Rth-j, c = 1,25 ° C/W.

Po tem spletnem kalkulatorju: https://www.myheatsinks.com/calculate/thermal-resi… je toplotna upornost hladilnika, ki sem ga kupil, Rth-hs, zrak = 0,61ºC/W. Predvidevam, da je dejanska vrednost nižja, ker je hladilnik pritrjen na ohišje in se lahko toplota tudi tako odvaja.

Po mnenju prodajalca ebaya je toplotna prevodnost izolacijskega lista, ki sem ga kupil, K = 20,9 W/(mK). Pri tem je debelina 0,6 mm toplotna upornost: R = L/K = 2,87e-5 (Km2)/W. Torej, ohišje toplotne upornosti hladilnika izolatorja za površino 15 mm x 15 mm 2SD1047 je: Rth-c, hs = 0,127 ° C/W. Navodila za te izračune najdete tukaj:

Največja dovoljena moč za 150 ° C v stičišču in 25 ° C v zraku je: P = (Tj-Ta) / (Rth-j, c + Rth-hs, zrak + Rth-c, hs) = (150-25) / (1,25 + 0,61 + 0,127) = 63 W

Izhodna napetost transformatorja je 21VAC pri polni obremenitvi, kar pomeni povprečno 24VDC po diodah in filtriranju. Največja disipacija bo torej P = 24V * 3A = 72W. Glede na to, da je toplotna upornost hladilnika zaradi odvajanja kovinskega ohišja nekoliko nižja, sem domneval, da je dovolj.

9. korak: ohišje

Ohišje, vključno z pošiljanjem, je najdražji del napajanja. Ta model sem našel na ebayu pri tajskem proizvajalcu Cheval: https://www.chevalgrp.com/standalone2.php. Pravzaprav je bil prodajalec ebaya s Tajske.

Ta škatla ima zelo dobro vrednost za denar in je prispela precej dobro zapakirana.

10. korak: Mehanizacija sprednje plošče

Najboljša možnost za mehanizacijo in graviranje sprednje plošče je uporaba takšnega usmerjevalnika https://shop.carbide3d.com/products/shapeoko-xl-k… ali izdelava plastičnega pokrova po meri s PONOKO, na primer. Ker pa usmerjevalnika nimam in nisem hotel porabiti veliko denarja, sem se odločil, da bom naredil po starem: rezanje, obrezovanje z datoteko in uporaba črk za prenos besedila.

Priložil sem datoteko Inkscape s šablono: frontPanel.svg.

• Izrežite šablono.
• Ploščo prekrijemo s slikarskim trakom.
• Šablono prilepite na slikarski trak. Uporabil sem lepilno palico.
• Označite položaj vaj.
• Izvrtajte luknje, da lahko žaga ali list žage za oblazinjenje zaidejo v notranje reze.
• Izrežite vse oblike.
• Obrežite z datoteko. V primeru okroglih lukenj za potenciometre in vezne stebre pred vložitvijo ni treba uporabiti žage. V primeru luknje za prikaz mora biti obrezovanje datotek čim boljše, saj bodo ti robovi vidni.
• Odstranite šablono in slikarski trak.
• S svinčnikom označite položaj besedil.
• Prenesite črke.
• Oznake svinčnika odstranite z radirko.

Korak 11: Mehanizacija hrbtne plošče

• Označite položaj hladilnika, vključno z luknjo za napajalni tranzistor in položaj pritrdilnih vijakov.
• Označite luknjo za dostop do hladilnika iz notranjosti ohišja napajalnika, za referenco sem uporabil izolator.
• Označite luknjo za priključek IEC.
• Izvrtajte konturo oblik.
• Izvrtajte luknje za vijake.
• Izrežite oblike z rezalnimi kleščami.
• Obrežite oblike z datoteko.

Korak: Sestavljanje sprednje plošče

• Odstranite večprevodniški kabel iz ostankov, da dobite kable.
• Zgradite sklop LCD, ki spaja I2C z vzporednim vmesnikom.
• Zgradite "molex konektor", sklop žice in skrčljive cevi za: potenciometre, gumbe in LCD. Odstranite morebitne izbokline v potenciometrih.
• Odstranite kazalec obroča.
• Izrežite palico potenciometrov na velikost gumba. Kot merilnik sem uporabil kos kartona.
• Pritrdite gumbe in gumb za vklop.
• Sestavite potenciometre in namestite gumbe, večopravilni potenciometri, ki sem jih kupil, imajo ¼ palčno gred, modeli z enim obratom pa imajo gred 6 mm. Kot distančnike sem uporabil podložke za obrezovanje razdalje potenciometrov.
• Privijte vezne stebre.
• V LCD vstavite dvostranski trak in ga prilepite na ploščo.
• Pripnite pozitivne in negativne žice na vezna mesta.
• Sestavite sponko GND v zeleni vezni drog.

Korak: Sestavljanje zadnje plošče

• Hladilnik privijte na zadnjo ploščo, čeprav je barva toplotni izolator, sem dal mast hladilnika za povečanje prenosa toplote iz hladilnika v ohišje.
• Sestavite priključek IEC.
• Lepilne distančnike namestite z vezjem kompleta za napajanje.
• Privijte tranzistor moči in izolator, na vsaki površini mora biti toplotna mast.
• Za napajanje arduina sestavite 7812, obrnjen je proti ohišju, da omogočite odvajanje toplote, z enim od vijakov, ki držijo hladilnik. Moral bi uporabiti takšno plastično podložko https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Tranzistor-…, vendar sem na koncu uporabil isti izolator kot tranzistor za napajanje in upognjen kos ohišja.
• Napajalni tranzistor in 7812 priključite na napajalno vezje.

Korak 14: Končna montaža in ožičenje

• Označite in izvrtajte luknje za transformator.
• Sestavite transformator.
• Prilepite lepilne noge ohišja.
• Z lepilnimi distančniki prilepite vezje merilnika enosmernega toka.
• Strgajte barvo, da privijete nastavek GND.
• Zgradite omrežne napetostne sklope, vsi zaključki so 3/16”Faston. Za izolacijo zaključkov sem uporabil skrčljivo cev.
• Odrežite sprednji del nosilca ohišja na desni strani, da dobite prostor za gumb za vklop.
• Priključite vse žice v skladu z navodili za montažo.
• Namestite varovalko (1A).
• Potenciometer izhodne napetosti (potenciometer VO) postavite na najnižjo vrednost CCW in nastavite izhodno napetost, ki je čim bližje nič voltov, z uporabo večopravilnega potenciometra za fino nastavitev napajalnega tokokroga vkmaker.
• Sestavite ohišje.

15. korak: Izboljšave in nadaljnje delo

Izboljšave

• Uporabite podložke v slogu pridelovalca, da preprečite, da bi vijaki zrahljali z vibracijami, zlasti tresljaji iz transformatorja.
• Sprednjo ploščo pobarvajte s prozornim lakom, da preprečite brisanje črk.

Nadaljnje delo:

• Dodajte USB priključek, kot je ta: https://www.ebay.com/itm/Switchcraft-EHUSBBABX-USB-… na zadnji plošči. Uporabno za nadgradnjo kode brez razstavljanja ali za izdelavo majhnega ATE, ki nadzoruje funkcije On Off, pridobi stanje in merjenje z osebnim računalnikom.
• Naredite 2x16 LCD kompilacijo kode.
• Namesto kompleta vkmaker naredite novo napajalno vezje z digitalnim krmiljenjem izhodne napetosti in toka.
• Opravite ustrezne teste za označitev napajanja.

Prva nagrada na natečaju za napajanje