Alimentare superbă de laborator: 15 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:46

Din punctul meu de vedere, una dintre cele mai bune modalități de a începe în domeniul electronicii este să vă construiți propria sursă de alimentare de laborator. În acest instructabil am încercat să colectez toți pașii necesari pentru ca oricine să-și poată construi propriile sale.

Toate părțile ansamblului pot fi comandate direct în digikey, eBay, Amazon sau AliExpress, cu excepția circuitului contorului. Am realizat un ecran de contor personalizat pentru Arduino capabil să măsoare până la 36V - 4A, cu o rezoluție de 10mV - 1mA care poate fi folosit și pentru alte proiecte.

Sursa de alimentare are următoarele caracteristici:

• Tensiune nominală: 24V.
• Curent nominal: 3A.
• Ripple de tensiune de ieșire: 0,01% (conform specificațiilor kitului circuitului de alimentare).
• Rezoluție de măsurare a tensiunii: 10mV.
• Rezoluție de măsurare curentă: 1mA.
• Moduri CV și CC.
• Protecție împotriva curentului.
• Protecție la supratensiune.

Pasul 1: Piese și schemă de cablare

În afară de imagine, am atașat fișierul WiringAndParts.pdf la acest pas. Documentul descrie toate părțile funcționale, inclusiv legătura de comandă, a sursei de alimentare pe bancă și cum să le conectați.

Tensiunea rețelei intră printr-un conector al panoului IEC (10) care are un suport fuzibil încorporat, există un comutator de alimentare în panoul frontal (11) care întrerupe circuitul format de la conectorul IEC la transformator (9).

Transformatorul (9) produce 21VAC. Cele 21 VAC merg direct la circuitul de alimentare (8). Ieșirea circuitului de alimentare (8) merge direct la terminalul IN al circuitului contorului (5).

Terminalul OUT al circuitului contorului (5) este conectat direct la posturile de legare pozitive și negative (4) ale sursei de alimentare. Circuitul contorului măsoară atât tensiunea, cât și curentul (partea înaltă) și poate activa sau dezactiva conexiunea între intrare și ieșire.

Cabluri, în general folosiți cabluri de fier vechi pe care le aveți în casă. Puteți verifica internetul pentru un indicator AWG adecvat pentru 3A, dar, în general, regula degetului mare de 4A / mm² funcționează, în special pentru cablurile scurte. Pentru cablurile de tensiune (120V sau 230V) folosiți cabluri izolate corespunzător, 600V în SUA, 750V în Europa.

Tranzistorul de serie al circuitului de alimentare (Q4) (12) a fost cablat în loc să fie lipit pentru a permite o instalare ușoară a radiatorului (13).

Potențiometrele originale de 10K ale circuitului de alimentare au fost înlocuite cu modele multiturn (7), ceea ce face posibilă o ajustare precisă a tensiunii și curentului de ieșire.

Placa arduino a circuitului contorului este alimentată folosind un cablu jack de alimentare (6) care provine din circuitul de alimentare (8). Placa de alimentare a fost modificată pentru a obține 12V în loc de 24V.

Pinul pozitiv al LED-ului CC de la circuitul de alimentare este conectat la conectorul de mod al circuitului contorului. Acest lucru îi permite să știe când să afișeze modul CC sau CV.

Există două butoane conectate la circuitul contorului (3). Butonul Off „roșu” deconectează tensiunea de ieșire. Butonul Pornit „negru” conectează tensiunea de ieșire și resetează erorile OV sau OC.

Există două potențiometre conectate la circuitul contorului (2). Una stabilește pragul OV, iar cealaltă stabilește pragul OC. Acești potențiometri nu trebuie să fie multiturn, am folosit potențiometrele originale din circuitul de alimentare.

Ecranul LCD alfanumeric 20x4 I2C (1) este conectat la circuitul contorului. Afișează informațiile actuale despre tensiunea de ieșire, curentul de ieșire, punctul de referință OV, punctul de referință OC și starea.

Pasul 2: Set de circuite de alimentare

Am cumpărat acest kit care este evaluat ca 30V, 3A:

Atașez un ghid de asamblare pe care l-am găsit pe Internet și o imagine a schemei. Scurt:

Circuitul este o sursă de alimentare liniară.

Q4 și Q2 sunt o matrice Darlington și formează tranzistorul de serie, este controlat de amplificatoarele operaționale pentru a menține tensiunea și curentul la valoarea dorită.

Curentul este măsurat de R7, adăugând această rezistență în partea de jos face ca pământul circuitului de alimentare și masa de ieșire să fie diferite.

Circuitul acționează un LED care se aprinde când este activat modul de curent constant.

Circuitul încorporează puntea Graeth pentru a rectifica intrarea de curent alternativ. Intrarea AC este, de asemenea, utilizată pentru a genera o tensiune de polarizare negativă pentru a ajunge la 0V.

Nu există protecție termică în acest circuit, deci dimensionarea adecvată a radiatorului este foarte importantă.

Circuitul are o ieșire de 24V pentru un ventilator „opțional”. Am înlocuit regulatorul 7824 cu un regulator 7812 pentru a obține 12V pentru placa Arduino a circuitului contorului.

Nu am asamblat LED-ul, în schimb am folosit acest semnal pentru a indica circuitul contorului dacă sursa de alimentare este în CC sau CV.

Pasul 3: Asamblarea setului de circuite de alimentare

În acest circuit toate părțile sunt găuri de trecere. În general, trebuie să începeți cu cele mai mici.

• Lipiți toate rezistoarele.
• Lipiți restul componentelor.
• Utilizați clești atunci când îndoiți cablurile diodelor pentru a evita ruperea acestora.
• Îndoiți cablurile amplificatoarelor opționale DIP8 TL081.
• Utilizați compus pentru radiator atunci când asamblați radiatoarele.

Pasul 4: Proiectarea și schema circuitului contorului

Circuitul este un scut pentru Arduino UNO compatibil cu versiunile R3. L-am proiectat cu piese disponibile la digikey.com.

Ieșirea setului de circuite de alimentare vkmaker este conectată la blocul de borne IN și blocul de borne OUT se duce direct la posturile de legare ale sursei de alimentare.

R4 este un rezistor de șunt în șina pozitivă de 0,01 ohm, are o cădere de tensiune proporțională cu puterea de curent. Tensiunea diferențială R4 este conectată direct la pinii RS + și RS- ai IC1. Căderea maximă de tensiune la curentul maxim de ieșire este de 4A * 0,01ohm = 40mV.

R2, R3 și C2 formează un filtru de ~ 15Hz pentru a evita zgomotul.

IC1 este un amplificator de curent lateral mare: MAX44284F. Acesta se bazează pe un amplificator operațional tăiat, care îl face capabil să obțină o tensiune de intrare foarte mică, 10uV la maxim la 25 ° C. La 1mA, căderea de tensiune în R4 este 10uV, egală cu tensiunea maximă de offset de intrare.

MAX44284F are un câștig de tensiune de 50V / V, astfel încât tensiunea de ieșire, semnalul SI, la curentul maxim de 4A, va valora 2V.

Tensiunea maximă de intrare în modul comun de MAX44284F este de 36V, aceasta limitând domeniul tensiunii de intrare la 36V.

R1 și C1 formează un filtru pentru a suprima semnalele nedorite de 10KHz și 20KHz care pot apărea datorită arhitecturii dispozitivului, se recomandă în pagina 12 fișa tehnică.

R5, R6 și R7 sunt un divizor de tensiune cu impedanță ridicată de 0,05V / V. R7 cu C4 formează un filtru de ~ 5Hz pentru a evita zgomotul. Divizorul de tensiune este plasat după R4 pentru a măsura tensiunea reală de ieșire după căderea de tensiune.

IC3 este un amplificator operațional MCP6061T, formează un adept de tensiune pentru a izola divizorul de tensiune cu impedanță ridicată. Curentul de polarizare maxim de intrare este de 100pA la temperatura camerei, acest curent este neglijabil pentru impedanța divizorului de tensiune. La 10mV, tensiunea la intrarea IC3 este de 0,5mV, mult mai mare decât tensiunea de offset de intrare: 150uV la maxim.

Ieșirea semnalului IC3, SV, are o tensiune de 2V la tensiunea de intrare 40V (maximul posibil este de 36V datorită IC1). Semnalele SI și SV sunt conectate la IC2. IC2 este un MCP3422A0, un ADC cu două canale I2C sigma delta. Are o referință de tensiune internă de 2,048 V, câștig de tensiune selectabil de 1, 2, 4 sau 8 V / V și un număr selectabil de 12, 14, 16 sau 18 biți.

Pentru acest circuit folosesc un câștig fix de 1V / V și o rezoluție fixă de 14 biți. Semnalele SV și SI nu sunt diferențiale, astfel încât pinul negativ al fiecărei intrări trebuie să fie împământat. Asta înseamnă că numărul de LSB-uri disponibile va fi la jumătate.

Deoarece referința de tensiune internă este 2.048V și numărul efectiv de LSB este 2 ^ 13, valorile ADC vor fi: 2LSB per fiecare 1mA în cazul curentului și 1LSB pentru fiecare 5mV în cazul tensiunii.

X2 este conectorul pentru butonul ON. R11 împiedică intrarea pinului Arduino de la descărcări statice, iar R12 este un rezistor pull-up care face 5V când nu este apăsat și ~ 0V când este apăsat. Semnal I_ON.

X3 este conectorul pentru butonul OFF. R13 previne intrarea pinului Arduino de la descărcările statice, iar R14 este un rezistor de tragere care face 5V când nu este apăsat și ~ 0V când este apăsat. Semnal I_OFF.

X5 este conectorul pentru potențiometrul de protecție la supracurent. R15 previne pinul de intrare Arduino de la descărcări statice, iar R16 previne șina + 5V dintr-un scurtcircuit. Semnal A_OC.

X6 este conectorul pentru potențiometrul de setare a protecției la supratensiune. R17 previne pinul de intrare Arduino de la descărcări statice și R18 împiedică șina + 5V dintr-un scurtcircuit. Semnal A_OV.

X7 este o intrare externă care este utilizată pentru a obține curentul constant sau modul de tensiune constantă a sursei de alimentare. Deoarece poate avea multe tensiuni de intrare, este realizat folosind Q2, R19 și R20 ca schimbător de nivel de tensiune. Semnal I_MOD.

X4 este conectorul ecranului LCD extern, este doar o conexiune a șinelor de 5V, a liniilor GND și I2C SCL-SDA.

Liniile I2C, SCL și SDA, sunt partajate de IC2 (ADC) și LCD-ul extern, sunt trase de R9 și R10.

R8 și Q1 formează driverul releului K1. K1 conectează tensiunea de ieșire atunci când este alimentată. Cu 0V în -CUT, releul nu este alimentat, iar cu 5V în -CUT, releul este alimentat. D3 este dioda cu roți libere pentru a suprima tensiunile negative la tăierea tensiunii bobinei releului.

Z1 este un supresor de tensiune tranzitorie cu o tensiune nominală de 36V.

Pasul 5: PCB circuit circuit contor

Am folosit versiunea gratuită a Eagle atât pentru schematică, cât și pentru PCB. PCB-ul are un design dublu și gros de 1,6, care are un plan de masă separat pentru circuitul analogic și circuitul digital. Designul este destul de simplu. Am primit un fișier dxf de pe Internet cu dimensiunea conturului și poziția conectorilor cu cap de pin Arduino.

Postez următoarele fișiere:

• Fișiere originale vultur: 00002A.brd și 00002A.sch.
• Fișiere Gerber: 00002A.zip.
• Și BOM (Bill of Materials) + ghid de asamblare: BOM_Assemby.pdf.

Am comandat PCB la PCBWay (www.pcbway.com). Prețul a fost uimitor de mic: 33 USD, inclusiv transportul, pentru 10 plăci care au ajuns în mai puțin de o săptămână. Pot împărtăși prietenilor mei panourile rămase sau le pot folosi în alte proiecte.

Există o greșeală în design, am pus o viață atingând serigrafia în legenda 36V.

Pasul 6: Asamblarea circuitului contorului

Deși majoritatea pieselor sunt SMT pe această placă, aceasta poate fi asamblată cu un fier de lipit obișnuit. Am folosit un Hakko FX888D-23BY, o pensetă cu vârf fin, niște fitil de lipit și o lipitură de 0,02.

• După ce am primit piesele, cea mai bună idee este să le sortez, am sortat condensatori și rezistențe și am capsat pungile.
• Mai întâi asamblați piesele mici, începând cu rezistențe și condensatori.
• Asamblați R4 (0R1) începând cu unul dintre cele patru conductoare.
• Lipiți restul pieselor, în general pentru SOT23, SOIC8 etc. cel mai bun mod este să aplicați mai întâi lipirea într-un singur tampon, lipiți piesa în locul său și apoi lipiți restul cablurilor. Uneori, lipirea poate îmbina multe tampoane împreună, în acest caz puteți utiliza flux și fitil de lipit pentru a elimina lipirea și a curăța golurile.
• Asamblați restul componentelor găurilor traversante.

Pasul 7: Cod Arduino

Am atașat fișierul DCmeter.ino. Tot programul este inclus în acest fișier, în afară de biblioteca LCD „LiquidCrystal_I2C”. Codul este foarte personalizabil, în special forma barelor de progres și a mesajelor afișate.

Ca toate codurile arduino, funcția setup () este executată prima dată și funcția loop () executată continuu.

Funcția de configurare configurează afișajul, inclusiv caracterele speciale pentru bara de progres, se află în mașina de stare MCP4322 și configurează pentru prima dată releul și lumina de fundal LCD.

Nu există întreruperi, în fiecare iterație funcția buclă face următorii pași:

Obțineți valoarea tuturor semnalelor de intrare I_ON, I_OFF, A_OC, A_OV și I_MOD. I_ON și I_OFF sunt denunțate. A_OC și A_OV sunt citite direct din ADC-ul Arduino și filtrate folosind partea mediană a ultimelor trei măsurători. I_MOD este citit direct fără a fi dezbătut.

Controlați timpul de pornire al luminii de fundal.

Executați mașina de stare MCP3422. La fiecare 5 ms sondează MCP3422 pentru a vedea dacă ultima conversie s-a terminat și dacă da începe următoarea, obține succesiv valoarea tensiunii și curentului prezent la ieșire.

Dacă există valori noi ale tensiunii și curentului de ieșire de la aparatul de stare MCP3422, actualizează starea sursei de alimentare pe baza măsurătorilor și actualizează afișajul.

Există o implementare tampon dublă pentru actualizarea mai rapidă a afișajului.

Următoarele macrocomenzi pot fi ajustate pentru alte proiecte:

MAXVP: OV maxim în unități de 1 / 100V.

MAXCP: OC maxim în 1 / 1000A unități.

DEBOUNCEHARDNESS: Numărul de iterații cu o valoare consecutivă pentru a ghici că este corect pentru I_ON și I_OFF.

LCD4x20 sau LCD2x16: Compilație pentru afișaj 4x20 sau 2x16, opțiunea 2x16 nu este încă implementată.

Implementarea 4x20 prezintă următoarele informații: În primul rând tensiunea de ieșire și curentul de ieșire. În al doilea rând, o bară de progres reprezentând valoarea de ieșire relativă la punctul de setare de protecție atât pentru tensiune cât și pentru curent. În al treilea rând punctul de referință curent pentru protecția la supratensiune și protecția la supracurent. În al patrulea rând starea curentă a sursei de alimentare: CC PORNIT (Pornit în modul de curent constant), CV PORNIT (Pornit în modul de tensiune constantă), OPRIT, OV OPRIT (Oprit care arată că sursa de alimentare sa oprit din cauza unui OV), OC OFF (Oprit care arată că sursa de alimentare sa oprit din cauza unui OC).

Am creat acest fișier pentru proiectarea caracterelor barelor de progres:

Pasul 8: Probleme termice

Utilizarea radiatorului potrivit este foarte importantă în acest ansamblu, deoarece circuitul de alimentare nu este autoprotejat împotriva supraîncălzirii.

Conform fișei tehnice, tranzistorul 2SD1047 are o joncțiune la rezistența termică a carcasei de Rth-j, c = 1,25ºC / W.

Conform acestui calculator web: https://www.myheatsinks.com/calculate/thermal-resi… rezistența termică a radiatorului pe care am achiziționat-o este Rth-hs, aerul = 0.61ºC / W. Voi presupune că valoarea reală este mai mică, deoarece radiatorul este atașat la carcasă și căldura poate fi disipată și în acest fel.

Potrivit vânzătorului eBay, conductivitatea termică a foii izolatoare pe care am cumpărat-o este K = 20,9W / (mK). Cu aceasta, cu o grosime de 0,6 mm, rezistența termică este: R = L / K = 2,87e-5 (Km2) / W. Deci, carcasa de rezistență termică la radiator a izolatorului pentru suprafața de 15 mm x 15 mm a 2SD1047 este: Rth-c, hs = 0.127ºC / W. Puteți găsi un ghid pentru aceste calcule aici:

Puterea maximă admisă pentru 150 ° C în joncțiune și 25 ° C în aer este: P = (Tj - Ta) / (Rth-j, c + Rth-hs, aer + Rth-c, hs) = (150 - 25) / (1,25 + 0,61 + 0,127) = 63W.

Tensiunea de ieșire a transformatorului este de 21VAC la sarcină maximă, ceea ce face o medie de 24VDC după diode și filtrare. Deci disiparea maximă va fi P = 24V * 3A = 72W. Având în vedere că rezistența termică a radiatorului este puțin mai mică din cauza disipării carcasei metalice, am presupus că este suficientă.

Pasul 9: incintă

Carcasa, inclusiv transportul, este cea mai scumpă parte a sursei de alimentare. Am găsit acest model în ebay, de la Cheval, un producător Thay: https://www.chevalgrp.com/standalone2.php. De fapt, vânzătorul eBay era din Thailanda.

Această cutie are o valoare foarte bună pentru bani și a ajuns destul de bine ambalată.

Pasul 10: Mecanizarea panoului frontal

Cea mai bună opțiune pentru mecanizarea și gravarea panoului frontal este utilizarea unui router ca acesta https://shop.carbide3d.com/products/shapeoko-xl-k… sau realizarea unei huse de plastic personalizate cu PONOKO, de exemplu. Dar, deoarece nu am routerul și nu am vrut să cheltuiesc mulți bani, am decis să-l fac la felul vechi: tăierea, tăierea cu fișierul și utilizarea literelor de transfer pentru text.

Am atașat un fișier Inkscape cu șablonul: frontPanel.svg.

• Tăiați șablonul.
• Acoperiți panoul cu bandă de pictor.
• Lipiți șablonul pe banda pictorului. Am folosit un stick de lipici.
• Marcați poziția burghielor.
• Găuriți pentru a permite ferăstrăului cu fret sau lama de ferăstrău să intre în tăieturile interne.
• Tăiați toate formele.
• Tăiați cu un fișier. În cazul orificiilor rotunde pentru potențiometre și stâlpi de legare, nu este necesar să folosiți ferăstrăul înainte de depunere. În cazul orificiului de afișare, tăierea fișierului trebuie să fie cea mai bună posibil, deoarece aceste margini vor fi văzute.
• Îndepărtați șablonul și banda de pictură.
• Marcați poziția textelor cu un creion.
• Transferați scrisorile.
• Îndepărtați marcajele cu creionul cu o radieră.

Pasul 11: Mecanizarea panoului posterior

• Marcați poziția radiatorului, inclusiv orificiul pentru tranzistorul de putere și poziția șuruburilor de fixare.
• Marcați orificiul pentru accesarea radiatorului din interiorul carcasei sursei de alimentare, am folosit izolatorul ca referință.
• Marcați orificiul pentru conectorul IEC.
• Forează conturul formelor.
• Găuriți găurile pentru șuruburi.
• Tăiați formele cu clești de tăiat.
• Tăiați formele cu un fișier.

Pasul 12: Asamblarea panoului frontal

• Scoateți un cablu multiconductor din resturi pentru a obține cabluri.
• Construiți ansamblul LCD lipind I2C pe interfață paralelă.
• Construiți „conectorul molex”, sârmă și ansamblu de tub termocontractabil pentru: potențiometre, butoane și LCD. Îndepărtați orice protuberanță din potențiometre.
• Scoateți inelul indicator al butoanelor.
• Tăiați tija potențiometrelor la dimensiunea butonului. Am folosit o bucată de carton ca etalon.
• Atașați butoanele și butonul de alimentare.
• Asamblați potențiometrele și instalați butoanele, potențiometrele multiturn pe care le-am cumpărat au un ax de ¼ inch, iar modelele cu o singură tură au un ax de 6 mm. Am folosit șaibe ca distanțieri pentru a reduce distanța potențiometrelor.
• Înșurubați stâlpii de legare.
• Puneți bandă dublă în ecranul LCD și lipiți-o de panou.
• Lipiți firele pozitive și negative la posturile de legare.
• Asamblați clema terminalului GND în stâlpul de legare verde.

Pasul 13: Asamblarea panoului din spate

• Înșurubați radiatorul pe panoul din spate, deși vopseaua este un izolator termic, am pus grăsime pentru radiator pentru a crește transferul de căldură de la radiator la incintă.
• Asamblați conectorul IEC.
• Poziționați distanțierii adezivi utilizând circuitul kitului de alimentare.
• Înșurubați tranzistorul de putere și izolatorul, trebuie să existe grăsime termică pe fiecare suprafață.
• Asamblați 7812 pentru alimentarea arduino, acesta este orientat spre carcasă pentru a permite disiparea căldurii, folosind unul dintre șuruburile care țin radiatorul. Ar fi trebuit să folosesc o mașină de spălat din plastic de genul acesta https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Transistor-… dar am ajuns să folosesc același izolator ca și tranzistorul de putere și o bucată îndoită a carcasei.
• Conectați tranzistorul de putere și 7812 la circuitul de alimentare.

Pasul 14: Asamblare finală și cablare

• Marcați și găuriți găurile pentru transformator.
• Asamblați transformatorul.
• Lipiți picioarele adezive ale carcasei.
• Lipiți circuitul contorului de curent continuu folosind distanțiere adezive.
• Răzuieți vopseaua pentru a înșuruba clema GND.
• Construiți ansamblurile de cabluri de tensiune de rețea, toate capetele sunt de 3/16”Faston. Am folosit tub termocontractabil pentru a izola terminările.
• Tăiați partea din față a suportului carcasei din partea dreaptă pentru a obține spațiu pentru butonul de alimentare.
• Conectați toate firele conform ghidului de asamblare.
• Instalați siguranța (1A).
• Puneți potențiometrul de tensiune de ieșire (potențiometrul VO) la valoarea minimă CCW și reglați tensiunea de ieșire cât mai aproape posibil de zero volți utilizând potențiometrul de reglare fină multiturn a circuitului de alimentare vkmaker.
• Asamblați incinta.

Pasul 15: Îmbunătățiri și lucrări suplimentare

Îmbunătățiri

• Folosiți șaibe de tip cultivator pentru a evita șuruburile să se slăbească cu vibrațiile, în special vibrațiile transformatorului.
• Vopsiți panoul frontal cu lac transparent pentru a preveni ștergerea literelor.

Lucrări suplimentare:

• Adăugați un conector USB ca acesta: https://www.ebay.com/itm/Switchcraft-EHUSBBABX-USB-… în panoul din spate. Util pentru actualizarea codului fără dezasamblare sau pentru realizarea unui mic ATE care controlează funcțiile On Off, obțineți starea și măsurați folosind un PC.
• Faceți compilația de cod 2x16 LCD.
• Realizați un nou circuit de alimentare, în loc să utilizați kitul vkmaker, cu control digital al tensiunii și curentului de ieșire.
• Efectuați testele adecvate pentru a caracteriza sursa de alimentare.

Premiul I la Concursul de alimentare cu energie electrică