Блок питания с функцией защиты и мягким стартом

Тема блоков питания и регуляторов напряжения довольно избыточна своими конструкциями, но все, же разрешите поделиться своим прибором.

Итак, я давно хотел собрать себе Блок питания с возможностью плавного регулирования, а также с функцией защиты по току и напряжению. Немного полистав интернет, наткнулся вот на этот пример БП, к сожалению, в нем отсутствовала защита с возможностью регулировании ее приделов. Но сама идея управления выходным напряжением с помощью ШИМ очень понравилась. В итоге получилась вот такое устройство, схема которого изображена на рисунке ниже.

Сердцем прибора является микроконтроллер PIC16F873A, который выполняет измерение тока и напряжения, а также функции защиты.

Данный блок питания имеет следующие характеристики:

• Выходное напряжение от 0 до 25.5 вольт с плавной регулировкой и шагом в 0.1 вольта.
• Максимальный выходной ток может достигать 9 ампер, к сожалению, силовой трансформатор с таким током не был найден и решено было остановиться на ТС-160-3, который спокойно работал на токах до 5 ампер.
• В БП реализован мягкий старт с шагом перестройки напряжения от 0.5 до 25 мс, данная функция может быть легко выключена в меню прибора.

Напряжение на конденсаторе фильтра С2 28 – 32 вольта, но не должно превышать 32 вольт.

Блок питания выполнен на двух платах, первая плата  управления,

Плата управления вид сверху

Плата  вид снизу

и вторая плата, на которой расположен диодный мост VD1, и конденсаторы фильтра C2 - C3. Данную плату не представляет сложности, и приводить ее не буду.

Блок питания работает следующим образом:

При включении на дисплее показывается название и версия прибора, 

после чего в микроконтроллере происходит загрузка всех необходимых. В начале выход блока питания отключен от нагрузке, о чем свидетельствует надпись stop на дисплее прибора.

После нажатия на кнопу пуск, надпись stop пропадает и появляется текущее значение тока и напряжения, а также символ молнии соответствующий выбору типа защиты. Регулировка напряжения осуществляется путем изменения скважности ШИМ, что дает боле стабильное выходное напряжение. ШИМ генератор работает на частоте 1 кГц, что при частоте микроконтроллера 4 мГц дает изменение скважности от 0 до 100% с шагом 0.4%, сигнал сгенерированный ШИМ поступает спорта RC2 микроконтроллера на RC фильтр, выполненный на R8,R17 C15-C16.  На этом фильтре происходит преобразование меандра в постоянное напряжение. Но так как микроконтроллер может сгенерировать сигнал только в пределах от 0 до 5 вольт, то напряжение необходимо усилить. Эту функцию выполняет операционный усилитель U1.1, его коэффициент усиления составляет 1:5, что в свою очередь увеличивает придел изменения напряжения до 25 вольт, с шагом 0.1 затем напряжение поступает на составной транзистор, выполненный на VT1, VT2.

Для повышения точности измеренных значений силы тока и напряжения бал введен источник опорного напряжения VR2 (его напряжение равно 4.096 вольта), в сочетании с процедурой усреднения измеренных значений Блок питания показал очень хороший результат. Итак напряжение снятое с эмиттера VT1 поступает через делитель напряжения R4,R3,R5 на вывод 5 операционного усилителя U2.2 который выполняет функцию повторителя напряжения. Так как на вход АЦП микроконтроллера можно подавать напряжение через сопротивления величиной не более 10 ком то применение повторителя решило эту проблему, и наконец, через RC фильтр R8 C7 и защитный стабилитрон VD2 подается на первый вход АЦП микроконтроллера (порт RA0).  Для измерения силы тока, напряжение снимается с датчика тока (роль которого выполняет резистор R15) подается на вывод 3 операционного усилителя где усиливается до необходимого уровня. В свою очередь на этот же вывод подается напряжение смещения (примерно 1.886 мВ) с делителя R6,R12 для измерения силы тока ниже 0.3 ампера, в случаи применения другого ОУ в цепи измерения например AD822 или в крайнем случаи LM358 (но не забудьте что при питании LM358  от 5 вольт измеренный ток не превысит 8.77 ампер, а при использовании в качестве опорного напряжения линию питания микроконтроллера и того меньше 7.12 ампер) напряжение смещения придется подбирать свое.  Идея подачи смещения для измерения силы тока была позаимствована отсюда, и в свою очередь показала очень хороший результат. И затем также через RC фильтр R11 C12 и защитный стабилитрон VD3 подается на второй вход АЦП микроконтроллера (порт RA1). Измерения осуществляются каждые 256 мкС, что хорошо сказывается в случаи возникновения перегрузки. После измерения следует проверка на превышение допустимых приделов тока и напряжения, а также усреднение результата для индикации на дисплее.  Если произошло превышение одного из параметров, то произойдет  срабатывание защиты и отключение выхода блока питания от нагрузки.

Работа защиты

При возникновении перегрузки на выходе произойдет обнуление напряжения, а также закрытие транзистора VT3 ( для более быстрого закрытия VT3 используется цепочка из VT5, VD4, R21, R9). Затем светодиод HL1 погаснет а загорится HL2 и подастся звуковой сигнал, на дисплее появиться надпись в зависимости от того что превышено «перегрузка по току или перегрузка по напряжению».

Для перехода в рабочий режим необходимо нажать на кнопку энкодера (меню).

В случаи если нам надо поменять тип защиты или же приделы защиты, а также шаг нарастания напряжения при пуске, используется меню. Для входа в меню нажимаем кратко на кнопку энкодера (меню), на дисплее появиться меню

в котором вращением ручки энкодера выбираем нужное значение.

Меню состоит из семи пунктов:

1. Включение защиты по току.
2. Выключение защиты по току.
3. Включение защиты по напряжению.
4. Выключение защиты по напряжению.
5. Уровень защиты по току.
6. Уровень защиты по напряжении.
7. Скорость нарастания напряжения.

Причем первые четыре пункта работают следующим образом.

Если включена защита по току то пункт 1 будет пропущен и выведен пункт 2, и также, если выключена защита по напряжению пункт 4 будет пропущен. Итак после выбора, что будем менять нажимаем на кнопку энкодера (меню) и попадаем в этот пункт. Для выхода из меню необходимо нажать на кнопку старт - стоп.

Предположим выбран один из первых четырех пунктов, после нажатия кнопки энкодера (меню) появиться следующие сообщение с предложением сохранить изменение в энергонезависимой памяти или же просто выйти в меню.

В случае сохранения в энергонезависимой памяти появится сообщение СОХРАНЕНО и затем произойдет выход в меню.

При выборе уровней на дисплее появится следующие.

Вращением ручки энкодера, уменьшаем или увеличиваем приделы и дальше все также для сохранения нажимаем кнопку энкодера (меню), а для выхода в меню кнопку старт - стоп.

Для сохранения в энергонезависимой памяти величины выходного напряжения, нажимаем на кнопку энкодера и удерживаем ее более 1 секунды (причем если блок питания находился в режиме отключенного выхода, то изменения величины выходного напряжения не произойдет), после этого появиться сообщение.

По умолчанию выходное напряжение установлено 12 вольт, включена защита по току и шаг нарастания напряжения равный 10 мС – то есть выход на 12 вольт произойдет за 1.2 секунды.

Настройка осуществляется следующим способом. Вначале настраиваем контрастность дисплея, для этого вращаем ручку подстроечного сопротивления R1 добиваемся подходящей контрастности. Затем настраиваем выходное напряжение, для этого подключаем на выход блока питания вольтметр и нажимаем кнопу старт - стоп для подачи напряжения, после чего вращаем ручку подстроечного сопротивления R28 и, контролируя показания вольтметра,  добиваемся результата равного 12 вольтам. Затем вращением ручки подстроечного резистора R5 добиваемся показаний на дисплее блока питания также равного  12 вольт. Далее проверяем показания силы тока, для этого через амперметр подключаем нагрузку блоку питания и вращением ручки резистора R16 совпадения показаний.

Силовой транзистор VT1,VT2 транзистор ключа VT3 необходимо установить на радиатор достаточно большого сечения, в моем случае это был радиатор от блока питания Компьютера  “Электроника 60”, более лучший результат был получен с радиатором от процессора Пентиум 4, но к сожалению он понадобился в другом устройстве, стабилизатор напряжения VR1 также необходимо установить на небольшой радиатор.

В этом варианте блок питания был применен трансформатор ТС-160-3 (напряжение снимается с выводов 4-6’) через диодный мост MB1505, но можно применить и другой трансформатор с выходным напряжением от 21,5 до 24,5 вольт переменного напряжения. В приборе можно использовать любые постоянные сопротивления мощностью 0,125 ватт например МЛТ,  построечные резисторы желательно много оборотные типа 3266 но также можно обойтись и СП3-19а, оксидные конденсаторы С2, C14 импортные фирмы ECAP (К50-35) на напряжение 63 вольта, C5 на напряжение 10 вольт. С6,С9, С15, С16 были выбраны танталовые типа TECAP тип C на напряжение 25 вольт. Остальные К10-17б не мание 25 вольт, в качестве светодиодов HL1-HL2  был применен сдвоенный типа BL-L519EGW, но его можно заменить на отечественные аналоги красный HL2 АЛ307БМ, и зеленый HL1 АЛ307ГМ , в качестве датчика тока использован шунт от сгоревшего мультиметра на ток 10 ампер с сопротивлением 0.01 Ома но его также можно изготовить из нихрома диаметром 1.5 мм и длинной примерно 1.8 см,  в случае если блок питания будет использоваться с трансформатором на ток 1 – 2 ампера то сопротивление R15 увеличиваем до 0.1 Ома, в этом случаи можно использовать проволочный резистор марки SQP  мощностью 10 ватт. Также необходимо будет заменить сопротивление R13 c 39к на 3.9к, а транзисторы VT1 и VT3 заменить на КТ819Г и IRFZ44N соответственно. Напряжение смещение подаваемое на вход 3 U2 определяется довольно легко для этого  подбираем минимальное сопротивление R6, при котором на индикаторе еще светятся нули при отсутствии измеряемого тока. Транзистор VT5 можно заменить на BD680 илиBD876, в качестве  VT4 можно применить практически любой npn транзистор с током не менее 50 мА например кт503. Звуковой излучатель BZ применен с встроенным генератором типа 1205FXP но подойдет и другой с встроенным генератором. Энкодеры можно применить типа REC11, REC12, REC16. В качестве S1  была применена кнопка марки PBS10C-2 но можно применить любую другую без фиксации. Стабилитроны VD2 и VT3 в принципе можно не устанавливать, но сними показометр показал более лучший результат, стабилитроны можно применить типа BZX55. В качестве дисплея применен жидкокристаллический индикатор MT-16S2H  но должен подойдет любой двухстрочный 16 символьный поддерживающий HD44780.  В качестве источника опорного напряжения применен MCP1541 его можно заменить на AD1584BRTZ или же использовать TL431  по стандартной схеме включения. В крайнем случаи можно замкнуть порт RA3 микроконтроллера на +5 вольт, но в этом случае точность и стабильность показаний снизится. Предохранитель H520PT, 1 А был подпаян непосредственно к переключателю SMRS-102 , предохранитель необходимо выбирать от мощности силового трансформатора. В моем случае при максимальной нагрузке трансформатор потреблял 0.73 ампера и выбор пал на 1 амперный предохранитель. Переключатель можно применить практически любой также выходя из максимального тока трансформатора. 

Обсуждение конструкции на форуме

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Sprint-Layout
• Proteus
• Блок питания
• Микроконтроллер
• PIC
• LCD