Андрей Смирнов
Время чтения: ~16 мин.
Просмотров: 1

Цифровой лабораторный блок питания с управлением через ПК

2756ea.jpg

  • Цена: примерно 1500 р.

Наткнулся в интернете на схему лабораторного блока питания, да еще и с управлением от компьютера, и не смог устоять. Детали решил брать в российских магазинах, потому что доллар, санкции, ну и все такое. Вот что из этого получилось… Лабораторный блок питания нужен для запитывания различных махараек устройств на этапе разработки. Первое подобие лабораторника я сделал лет в 16. Это был леденящий душу ужас, который, тем не менее, худо-бедно справлялся со своими функциями. Тогда я только начинал познавать электронику, и все ограничивалось кручением моторчиков. Мне бы в то время интернет и хоть какие то карманные деньги…Первый блок питания

Потом был длительный перерыв, армия, несколько лет работы далеко от дома, но после этого периода я вернулся к этому хобби, все было гораздо серьезнее, и был изготовлен из подручных материалов этот монстр:Фото223833.jpg Он выдержал много издевательств, и жив до сих пор, но мне хотелось большего. Были мысли купить готовый у китайцев, но пока душила жаба случился кризис, а тут подвернулась эта схемка. Начал собирать компоненты. Многое нашлось в закромах (резисторы и транзисторы, импульсник от ноутбука, ненужная зарядка от телефона), но без закупки не обошлось.

Список закупленных деталей:

Чип-Дип силовой транзистор 2SD1047 — 110 р.конденсатор электролитический 330 мф — 2х8 р.корпус будущего блока питания — 540 р. итого 825 р. Чип-нн (со ссылками не получается из-за специфики сайта) операционный усилитель LM358N — 12 р. конденсатор электролитический 2200 мкф. — 13 р. винтовые терминалы 2х — 22 р. держатель светодиода х3 — 20 р. кнопка с фиксацией красная, здоровенная — 17 р. шунт 0.1 ом — 30 р. многоборотные подстроечные резисторы 470 ом х2 — 26 р. итого 140 р. Для любопытствующих схема.

Принцип работы сего устройства.

Ардуино следит за напряжением на выходе, за током, и посредством ШИМ пинает силовой транзистор так, чтобы блок питания выдавал установленные значения. Блок питания умеет выдавать напряжение от 1 до 16 вольт, обеспечивать ток 0.1 — 8 ампер (при нормальном источнике напряжения) уходить в защиту и ограничивать ток. То есть его можно использовать для зарядки аккумуляторов, но я не рискнул, да и зарядник у меня уже есть. Еще одна особенность этого странного блока питания в том, что он питается от двух напряжений. Основное напряжение должно подкрепляться вольтодобавкой от батарейки, или второго блока питания. Это нужно для корректной работы операционного усилителя. Я использовал ноутбучный блок питания 19в 4А в качестве основного, и зарядку 5в 350мА от какого-то телефона в качестве добавочного питания.

Сборка.

Сборку я решил начать с пайки основной платы с расчетом забить болт, если не заработает, так как начитался комментов от криворуких, как все у них дымит, взрывается и не работает, да и к тому же я внес некоторые изменения в схему. Для изготовления платы я купил новый лазерный принтер, чтобы наконец то освоить ЛУТ, ранее рисовал платы маркером (вот пример), тот еще геморрой. Плата получилась со второго раза, потому что в первый раз я зачем-то отзеркалил плату, чего делать было не нужно.Окончательный результат:

Пробный запуск обнадежил, все работало как надо
После удачного запуска я принялся курочить корпус. Начал с самого габаритного — системы охлаждения силового транзистора. За основу взял кулер от ноутбука, вколхозил это дело в заднюю часть. 391d14.jpg Натыкал на переднюю панель кнопок управления и лампочек. Здоровенная крутилка это энкодер со встроенной кнопкой. Используется для управления и настройки. Зеленая кнопка переключает режимы индикации на дисплее, прорезь снизу для разъема юсб, три лампочки (слева направо) сигнализируют о наличии напряжения на клеммах, активации защиты при перегрузе, и об ограничении тока. Разъем между клеммами для подключения дополнительных устройств. Я втыкаю туда сверлилку для плат и резалку для оргстекла с нихромовой струной. Засунул все кишки в корпус, подсоединил провода
После контрольного включения и калибровки закрыл крышкой.Фото собранного Отверстия проделаны под радиатором стабилизатора lm7805, который нехило греется. Подсос воздуха через них решил проблему охлаждения этой детали Сзади выхлопная труба, красная кнопка включения и разъем под сетевой кабель. Прибор обладает кое-какой точностью, китайский мультиметр с ним согласен. Конечно калибровать самопальную махарайку по китайскому мультиметру и говорить о точности достаточно смешно. Несмотря на это прибору найдется место на моем столе, так как для моих целей его вполне достаточноНекоторые тестыВзаимодействие с программой. На ней в реальном времени отображается напряжение и ток в виде графиков, так же с помощью этой программы можно управлять блоком питания. К блоку питания подключена 12-вольтовая лампа накаливания и амперметр. Внутренний амперметр после подстройки работает сносно Измерим напряжение на клеммах. Великолепно. В прошивке реализована ваттосчиталка. К блоку подключена все та же лампочка на 12 вольт, на цоколе которой написано «21W». Не самый паршивый результат. Изделием доволен на все сто, поэтому и пишу обзор. Может кому-то из читателей нехватает такого блока питания. О магазинах: Чип-нн порадовал скоростью доставки, но ассортимент маловат на мой взгляд. Этакий интернет магазин, аналогичный арадиомагазину в среднем городке. Цены ниже, кое на что в разы. Чип-дип… закупил там то, чего не было в чип-нн, иначе б не сунулся. розница дороговата, но все есть. Мои исходники:Переделанная схема в протеусе+печатная платаЖивотноеживотных под руку не подвернулось, есть искусственный слон с испорченной платой для этого блока питания

В статье подробно разбирается как на основе микроконтроллера Ардуино можно создать контролируемый блок питания своими руками.

Назначение блока питания на Ардуино

Часто начинающие электронщики задаются вопросом: можно ли сделать блок питания на Ардуино. Это возможно. Блок питания сломанного компьютера отлично подойдет для создания зарядного устройства для микроконтроллера Ардуино и других приборов, которым требуется электрическое питание. При создании блока питания важно учитывать особенности выбранной модели.

Сегодня мы подробнее разберем как можно с помощью платы Ардуино создать контролируемый блок питания своими руками. После конструирования получится настоящий регулировщик питания, который способен работать в следующих режимах: время отдыха, режим экономии для слабой электроники и работа в десяток ампер на 5 Вольт или 12 Вольт, если это необходимо.

Все виды блоков питания созданы с одной целью – преобразовать полученную из сети переменного тока электрическую энергию для полноценной работы компьютерного устройства. Блок питания для Ардуино будет превращать сетевое переменное напряжение, поступающее в размере 220 Вольт и 50 Гц, в напряжение постоянного характера 5 или 12 Вольт или же в 3,3 Вольт, поддерживается в некоторых системах.

Если требуется блок питания для цифровой схемы, а к этой категории относится системная плата, платформа различных адаптеров и накопители с информацией в виде дисков, нужно настроить рабочее напряжение на 3,3 Вольта.

При конструировании источника питания для двигателей, дисководов и вентиляторов, рабочее напряжение повышается на 9 Вольт. Компьютер не сломается и не выйдет из строя, если напряжение в сети соответствует положенной норме.

Типичный паспорт блоков содержит информацию о том, что источник перерабатывается – требуется положительное напряжение и отрицательное. Для нормальной работы электронных схем и различного вида двигателей необходимо 5+ или 12+ Вольт. Здесь возникает вопрос: зачем нужно отрицательное напряжение? Отрицательное напряжение использовалось в старых компьютерах. Современные устройства работают только с положительным зарядом.

Виды блоков питания

Источники питания подразделяют на виды по типу их работоспособности:

  1. Трансформаторный, по-другому линейный.
  2. Импульсный, по-другому инверторный.

Первый вид сделан из трансформатора понижения и выпрямителя. Такая конструкция преобразует переменный ток в постоянный. После этого установлен фильтр в виде конденсатора. Он сглаживает пульсации, тем самым стабилизируя выходные параметры и защищая устройство от коротких замыканий.

Плюсы трансформаторного блока:

  1. надежность;
  2. легко ремонтировать;
  3. конструкция быстро разбирается;
  4. практически отсутствуют помехи при работе;
  5. низкая стоимость.

Минусов всего 2 – большая масса и маленький КПД.

Еще одна простейшая схема:

Второй вид построен по принципу инверторной системы, где переменное напряжение перерабатывается в постоянное. После этой операции создаются высокочастотные импульсы, которые также проходят трансформацию. Если устройство поддерживает гальваническую развязку, то созданные импульсы будут передаваться трансформатору. В противном случае импульсы переходят прямо к НЧ фильтру, который встроен на выходе электронного прибора.

Для формирования высокочастотных сигналов в импульсный блок питания Ардуино внедрили небольшой по размеру трансформатор. Такая конструкция заметно меньше по габаритам и массе в отличие от трансформаторного источника питания. Чтобы стабилизировать напряжение в сети, необходимо использовать обратную связь с отрицательным показателем. Поэтому на выходе в сети ничего не замкнет, так как здесь держится постоянный и оптимальный уровень напряжения, который не зависит от величины нагрузки.

Схема импульсного блока питания может быть такой:

Плюсы второго вида источников питания:

  1. небольшая масса;
  2. маленькие габариты;
  3. высокий КПД;
  4. средняя стоимость.

Кроме того, такой блок имеет дополнительную защиту, которая обеспечивает безопасность при эксплуатации электронного устройства. БП импульсного характера оснащены защитой от внезапных коротких замыканий или поломке компьютерных девайсов.

К минусам можно отнести отсутствие гальванической развязки, при которой ремонтные работы проходят быстро и легко. Помимо этого значительного минуса есть еще 2 – нагрузка на нижний предел ограничена, прибор часто провоцирует помехи высокой частоты. Когда аппарат не набирает требуемую мощность, компьютерное устройство не заработает.

Инвертором именуют девайс, который популярен среди владельцев автомобилей. Он преобразует напряжение 12 или 24 Вольта в переменное на 220 Вольт. Электрический ток в блок подается напрямую от аккумулятора машины. Прибор особенно пригодится в том случае, когда требуется подключить электроприемник, форма сигнала которого не идеальна по синусоидальному стандарту. Перед подключением в сеть необходимо проверить требуемое для работы напряжение во избежание поломки или замыкания.

Плата импульсного блока питания

Плюсы вышеуказанного прибора:

  • компактность;
  • небольшая масса;
  • предусмотрен защитный механизм против скачков напряжения;
  • устройство легко эксплуатировать.

К недостаткам можно отнести большую цену и минимальную надежность платформы управления микропроцессором.

Компоненты устройства

Инструменты, которые необходимы для создания лабораторного блока питания на Ардуино:

  1. Паяльный аппарат.
  2. Ножницы.
  3. Спички или зажигалка для подогрева термоусадочной трубки.

Список деталей:

  1. Термоусадочная трубка.
  2. Резистор 1К, номинал подойдет любой.
  3. Провода с БЛС штырями – 3 штуки.
  4. Удлинитель АТХ кабеля для подключения к материнской плате.

Основные компоненты;

  1. Источник питания АТХ.
  2. Транзисторы, которые поддерживают высокую мощность для коммутации.
  3. Микропроцессор Ардуино примерно на 5 Вольт.

Особенности и характеристика

Чтобы лабораторный блок питания на Аrduino бесперебойно работал, нужно, при подключении схем, быть внимательным и осторожным. Для начала берется красный АТХ провод и подключается к 5+ Вольт. А провод черного цвета подключается к GND.

Распиновка разъемов питания ATX

Затем зеленый провод присоединяется к управляющему выходу. Можно использовать контакт А0. Однако общие выводы цифровых входов и выходов работают по одной схеме. Завершаем операцию подключением АТХ. Теперь микропроцессор Ардуино получает резервный ток, при этом вентилятор выключен.

Для того чтобы электронное устройство работало на всех мощностях, необходимо задать команду:

const int ctrlPina=15; // Если номер пина равняется D15, при необходимости, можно к другому контакту  digitalsWrite(ctrlPina, LOW);

Чтобы выключить вышеуказанную функцию, задаем в программе

digitalsWrite(ctrlPina, HIGH);

Похожая строчка:

pinMode(ctrlPinа, INPUT);

В конце операции необходимо подключить высокоточную нагрузку. Это можно сделать с любым из разъемов по виду МОЛЕКС блоков АТХ. Управление производится с помощью транзисторов. Если пользователю нужно более высокое напряжение, ток регулируется командами, описанными выше.

Важно! Вы должны быть осторожны, подключая Arduino прямо к + 5В. Если вы также подключите USB-кабель, вы можете получить ток, текущий на USB-порт вашего ПК, поэтому следите за тем, чтобы одновременно подключать только один источник питания.

Спецификация ATX предполагает, что вы можете как удерживать + 5 В так и отключить/разъединить (установить высокое сопротивление), чтобы отключить основное питание.

Скачать спецификацию .pdf

Вариант того, что можно получить смотрите на видео ниже:

Самостоятельно сконструированный блок в домашних условиях обойдется гораздо дешевле магазинного аппарата. Цена электронного устройства в магазинах – от 700 рублей.

Сегодня 5 Вольт вполне достаточно для подключения любых микроконтроллеров, работающих под этим напряжением.

Не так давно приобрёл паяльную станцию. Давно занимаюсь любительской электроникой, и вот настал момент когда точно осознал что пора. До этого пользовался батиным самопальным блоком, совмещавшим лабораторный блок питания и блок питания низковольтного паяльника. И вот встала передо мной проблема: паяльную станцию я ставлю, а старый блок держать ради хилого и не точного блока питания 0-30в 3А или таки купить нечто современное, с защитой по току и цифровыми индикаторами? Поползав по ебею понял что максимум что мне светит это за 7-10 тыс купить Китайский блок с током максимум в 5А. Жаба сказала своё веское «ква», руки зачесались и… Теперь к сути. Сформировал требования к блоку: минимум 0-30В, при токах минимум 10А, с регулируемой защитой по току, и с точностью регулировки по напряжению 0.1В. И что б стало ещё интереснее — 2 канала, пусть и от общей земли. Установка напряжения должна быть цифровой, т.е. никаких переменных резисторов, только энкодеры. Фиксированные установки напряжения и запоминание — опционально. Для индикации состояния выхода были выбраны цифровые китайские комбинированные индикаторы на ЖК, с диапазоном до 199В с точностью 0.1В и до 20А с точностью 0.01А. Что меня полностью устроило. А вот что забыл, так это прикупить к ним шунты, т.к. по наивности думал что они будут в комплекте. Для первичного преобразования напряжения думал использовать обычный трансформатор с отводами через каждые 6В, коммутируемый релюшками с контроллера, а для регулировки выхода простой эмиттерный повторитель. И всё бы ничего, но когда узнал стоимость и габариты такого трансформатора (30В * 10А = 300вт), то понял что надо быть современнее и использовать импульсные блоки питания. Пробежавшись по предложениям понял что ничего толкового на мои токи нет, а если и есть, то жаба категорически против. В связи с этим пришла мысль попробовать использовать компьютерные блоки питания, коих всегда у любого ITшника предостаточно. Были откопаны блоки по 350Вт, что обещало 22А по +5В ветке и 16А по 12В. Пробежавшись по интернету нашёл много противоречивых мнений по поводу последовательного соединения блоков, и нашёл умную статью на Радиокоте как это сделать правильно. Но перед этим решил рискнуть и таки взять и нахрапом соединить блоки последовательно, дав нагрузку. … И получилось! На фото последовательно соединены 3 блока. Де-факто на выходе 35В, 10.6А.7c6bb974bb62e45ed0dd9a5bd6d2a64a.jpg Далее возник вопрос: каким контроллером управлять. По идее ATMega328 тут идёт за глаза, но ЦАПы… Посчитав почём обойдётся хотя б 2 ЦАПа на 12 бит и посмотрев характеристики Arduino DUE с ними на борту, а так же сравнив кол-во требуемых ПИНов, понял что проще и дешевле и быстрее будет просто поставить эту ардуину в блок целиком, вместе с платой. Постепенно на макетках родилась схема. Приведу её в общем виде, только для одного канала:a0f09317ae5a6e58481c2c81499012e0.jpg Схема бьётся на несколько функциональных блоков: Набор блоков питания ATX, блок коммутации БП, блок усилителя напряжения ЦАП Arduino, блок усилителя напряжения токового шунта, блок ограничения напряжения по заданному току. Блок коммутации БП: В зависимости от заданного пользователем напряжения Ардуино выбирает какую ветку задействовать. Выбирается минимальная по напряжению ветка, на минимум +3В большая заданного. 3В остаются на неточности установки напряжения в блоках питания + ~1.2В просада напряжения на переходах транзистора + не большой запас. Одновременно задействованный ключ ветки активирует тот или иной блок питания. Например задав 24В надо активировать все 3 блока питания и подключить выход на +5в 3-го в цепочке, что даст на коллекторе выходного транзистора VT1 +29В, тем самым минимизируя выделяемую тепловую мощность транзистора. Блок усилителя напряжения: Реализован на операционном усилителе OP1. ОУ используется Rail-to-Rail, однополярый, с большим напряжением питания, в моём случае — AD823. Причём выход ЦАП Ардуино имеет смещение нулевой точки = 0.54В. Т.е. если Вы задаёте напряжение выхода = 0, на выходе де-факто будет присутствовать 0.54В. Но нас это не устраивает, т.к. ОУ усиливает с 0, и напряжение тоже хочется регулировать с 0. Поэтому применён подстроечный резистор R1, вычитающий напряжение. А отдельный стабилизатор на -5В, вместо использования -5В ветки блока питания, используется ввиду нестабильности выдаваемого блоком питания напряжения, меняющимся под нагрузкой. Выход же ОУ охвачен обратной связью с выхода VT1, это сделано что б ОУ сам компенсировал изменения напряжения в зависимости от нагрузки на выходе. Кстати, о AD823 из Китая по Ебею: день промучился, понять не мог, почему схема не работает от 0 на входе. Если больше 1.5В то всё становится нормально, а иначе всё напряжение питания. Уже подумав что сам дурак, нарвался на рассказ как человек вместо AD823 получил с Китая подделку. Тут же поехал в соседний магазин, купил там, поставил и… О чудо — всё сразу заработало как надо. Игра, найди отличия (подделка в кроватке, справа оригинал. Забавно что подделка выглядит лучше):29d3909f3e3687bcf8dd7395fec99227.jpg Далее усилитель напряжение токового шунта. Поскольку токовый шунт достаточно мощный, то и падение напряжения на нём мало, особенно на малых токах. Поэтому добавлен OP2, служащий для усиления напряжения падения шунта. Причём от быстродействия этого ОУ зависит скорость срабатывания предохранителя. Сам предохранитель, а точнее блок ограничения тока, реализован на компараторе OP2. Усиленное напряжение, соответствующее протекаемому току, сравнивается с напряжением, установленным электронным потенциометром и если оно выше — компаратором открывается VT2, и тот сбрасывает напряжение на базе выходного транзистора, по сути выключая выход. В работе это выглядит так:24c4730ad1a122b978ce6491cbd047ef.jpg Теперь к тому, почему в качестве шунта у меня дроссель. Всё просто: как я писал раньше — я просто забыл заказать шунты. А когда уже собирал блок и это выявилось, то ждать с Китая показалось долго, а в магазине дорого. Поэтому не долго думая, порылся в распайке старых компьютерных блоков питания и нашёл дроссели, почти точно подошедшие по сопротивлению. Чуть подобрал и поставил. Дополнительно же это даёт защиту: В случае резкого изменения нагрузки, дроссель сглаживает ток на время, достаточное что б успел отработать ограничитель тока. Это даёт отличную защиту от КЗ, но есть и минус — импульсные нагрузки «сводят блок с ума». Впрочем, для меня это оказалось не критично. В итоге у меня получился вот такой блок питания:f9cda114daaddf789b32b62707afe122.jpg Надписи на лицевой части сделаны с помощью ЛУТа. Индикаторы работы блоков питания выведены на 2-х цветный светодиод. Где красный запитан от дежурных +5в и показывают что блок готов к работе. А зелёный от Power_Good, и показывает что блок задействован и исправен. В свою очередь транзисторная развязка обеспечивает гашение красного светодиода и если у блока проблема — потухнет и красный и зелёный:e213d8bb6867533f117192210c8b371a.jpg Маленькие экраны показывают заданные параметры, большие — состояние выхода де-факто. Энкодерами вращением устанавливается напряжение, короткое нажатие — вкл/выкл нагрузки, длинное — выбор режима установки напряжения/максимального тока. Ток ограничен 12.5А на канал. Реально в сумме 15 снимается. Впрочем — на той же элементной базе, с заменой блоков питания на нечто 500-т Ваттное, можно снимать и по 20. Не знаю, стоит ли приводить тут код скетча, простыня большая и достаточно глупая, + везде торчат хвосты под недоделанный функционал вроде коррекции выходного напряжения по АЦП обратной связи и регулировки скорости вентилятора. Напоследок, пара слов. Оказалось что Arduino DUE при включении после длительного простоя может не начать выполнять программу. Т.е. включаем плату, думаем что сейчас начнёт выполняться наша программа, а в ответ тишина, пока не нажмёшь reset. И всё бы ничего, но внутри корпуса reset нажимать несколько затруднительно. Поискал по форуму, несколько человек столкнулось с такой же проблемой, но решения не нашли. Ждут когда разработчики поправят проблему. Мне ждать было лениво, поэтому пришлось решать проблему самому. А решение нашлось до безобразия примитивное, впаять электролитический конденсатор на 22мкФ в параллель кнопке. В результате, на момент запуска, пока идёт заряд этого конденсатора, имитируется нажатие кнопки reset. Отлично работает, прошиваться не мешает:4f360576a6acfc6081b4ffd09ee4da34.jpg В заключение: По-хорошему надо повесить на все радиаторы датчики температуры и регулировать скорость вентилятора в зависимости от температуры, но пока меня устроила и платка регулятора скорости вентилятора из какого-то FSPшного блока питания. Ещё хотелось бы через АЦП обратную связь с блоком коммутации на случай залипания релюшки, а так же обратную связь по выходу, дабы компенсировать температурный дрейф подстроечных резисторов (в пределах 0.1в на больших напряжениях бывают отклонения). А вот кнопки памяти и фиксированные настройки по опыту использования кажутся чем-то не нужным.Используемые источники:

  • https://mysku.ru/blog/russia-stores/34623.html
  • https://arduinoplus.ru/blok-pitania-arduino/
  • https://habr.com/post/213497/

Рейтинг автора
5
Подборку подготовил
Максим Уваров
Наш эксперт
Написано статей
171
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации