Регулируемый источник питания 1.2...14В, 5А

Хотя у меня есть источник 13.8 10А для тестирования автомобильной электроники и источники 5 В и 3,3В для питания микроконтроллеров, мне понадобился ещё один БП.

При разработке блока питания с нуля, есть ряд критериев, таких как выходное напряжение, максимальный выходной ток. Но есть и другие факторы. Например, гальваническая развязка от сети. Это означает, что низкое напряжение берётся с сетевого трансформатора, что полностью исключает возможность попадания в низковольтную часть напряжения и сети. Блок питания от ПК не может этого обеспечить. На стадии проектирования, я размышлял над источником питания 0 - 12 В с максимальным током 5А. При этом, самым главным было безопасность конструкции и её высокое качество. К сожалению, детали хорошего качества довольно дорогие, поэтому некоторые детали были взяты из других плат. Сегодня для регулирования напряжения нецелесообразно  использовать отдельные транзисторы, когда есть специально разработанные микросхемы. Моим требованиям отвечает микросхема LM338. Хотя она не может выдать напряжение 0В, меня устраивает и минимальное напряжение 1,2В. В документации сказано, что микросхеме необходимо 3В разницы между входными и выходными напряжением. То есть трансформатора с выходным напряжение 15В нам хватит. При работе с относительно большим током, LM338 рассеивает большое количество энергии, поэтому ей требуется радиатор.

Выпрямление тока

Существуют три различных способа выпрямления тока.

В дешевых китайских зарядках широко используется выпрямление с помощью одного или двух диодов. Для дешевых зарядных устройств это приемлемо, но для хорошего БП  нужно использовать полноценный диодный мост. Мой трансформатор выдает лишь 12,5 вольт без нагрузки и имеет одну обмотку. Напряжение после мостового выпрямителя и фильтрующих конденсаторов поднимается. В данном случае до 15,2В (пиковое напряжение без нагрузки), чего хватит LM338 для выдачи 12В на выходе.

Нестабильность выходного напряжения - разность напряжений  на  вторичной обмотке трансформатора, когда она находится под нагрузкой и без нагрузки. Это выражается в процентах по отношению к полным напряжением и нагрузкой, в основном, чем меньше значение, тем меньше разница напряжений. Строго говоря, в данных трансформатора (или поставщика) должно быть указано выходное напряжение, когда трансформатор находится при полной номинальной нагрузке. По формуле приведённой ниже, можно рассчитать падение напряжения на трансформаторе под его номинальной нагрузкой.

К примеру, трансформатор заявленный как 12В, 50ВА может обеспечить 12В, 4А (50ВА при 12В = 50/12 = 4.1 А). Мой трансформатор выдает без нагрузки напряжение 12.5В, разница с нагрузкой и без составит:

Позже тесты показали, что выходное напряжение снизилось до 11,4В при нагрузке 2А, а это около 14%. Поэтому был взят другой трансформатор с выходным напряжением 15В 3.3А, которого точно хватит.

Схема источника питания

Трансформатор подключен к сети через предохранитель и выключатель. Корпус и трансформатор заземлены. Все места с большим напряжением должны быть заизолированы.
Сглаживающий конденсатор гасит пульсации напряжения, которые можно рассчитать по формуле:
 10 х (ток нагрузки в мА)
   C (мкФ)

При нагрузке 3А пульсация составит 3 вольта, - на первый взгляд очень много. Тем не менее, LM338 и гасящие конденсаторы успешно погасят их.

Индикация тока и напряжения

Измерение напряжения
Теперь необходимо разобраться с выводом информации о напряжении и токе потребляемой нагрузкой. Для этой цели я использовал два аналоговых входа микроконтроллера ATmega328, который выводит данные на дисплей 2*16 символов.

Резисторы R1, R2a и R2b образуют делитель напряжения на выходе блока питания. При номиналах, указанных на схеме, выходное напряжение с делителя будет:

при 20 Вольтах:

Измерение тока
Аналоговый вход микроконтроллера преобразует входящее напряжение 0…5В в цифровое значение в диапазоне от 0 до 1023. Таким образом, цифровое значение пропорционально напряжению с делителя (максимум  20В).  В программе микроконтроллера, могут быть сделаны небольшие корректировки значений резисторов.

Наиболее распространенный метод измерения тока - это установка низкоомного мощного резистора последовательно с выходом и измерения падения напряжения на нем.  К примеру на при использовании сопротивления 0.01 Ом и токе 4А, согласно закону Ома:
V = R*I=0.01*4=40мВ.
Входной диапазон АЦП микроконтроллера составляет 0…5 Вольт, и падение напряжения в 40мВ даст очень малую точность измерения тока. Поэтому необходимо использовать усиление сигнала х10 или х100.
Увеличение значения резистора приведет к увеличению напряжения падения, но увеличит его рассеиваемую мощность и снизит максимальное выходное напряжение.

ACS712 - 5A датчик тока
В качестве альтернативного подхода, можно использовать ACS712 – измеритель тока.  5А версия микросхемы обеспечивает 185мВ/А, что при значении напряжения, равному 4А, дает нам 740 мВ, чего более чем достаточно для удовлетворения наших требований. Точность измерения составит 0.05А.

Дополнительные выходные напряжения 5В и 12В

Микроконтроллеру ATmega328 необходимо в стабильное  питание 5В, которое берётся из микросхемы 7805. Микроконтроллер потребляет небольшой ток, поэтому на переднюю панель выведен разъем дополнительный разъем 5В.

Поскольку напряжение с мостового выпрямителя составляет около 20 вольт без нагрузки, это очень много для 7805. Напряжение с мостового выпрямителя сначала подается на 7812 – 12В 1А стабилизатор, а потом на 7805. Напряжение 12В также выведено на переднюю панель.
Оба эти стабилизатора поставлены на радиаторы маленького размера.

ЖК-дисплей и USB

Я использовал 2* 16 символов дисплей в комплекте с платой последовательного интерфейса. Подключение без дополнительной платы также возможно - есть много незадействованных выходов ATmega328, но это добавит лишние провода между контроллером и дисплеем.

BV104 представляет собой USB-to-Serial конвертер для программирования ATmega328. Он не запаивается на плату навсегда, а подключается только для программирования и отладки.
Обратите внимание на подключение контакта "DTR" к BV104. Он используется для автоматического сброса ATmega328 во время программирования.

Печатная плата

Дополнительно использовались следующие компоненты:
Корпус 235 x 150 x 80mm
Радиаторы 60 x 165.5 x 35mm
10,000мкФ 63В конденсатор
4к7 5-оборотный потенциометр
Трансформатор 7.5 + 7.5В 50ВА
Терминальные зажимы 4 мм

Передняя и задняя панели

LM338 установлена на радиатор через слюду.

Светодиод подключен к выводным терминалам через токоограничительный резистор.
При подключении к 5В необходим резистор 330 Ом, при 12В - 1.2 кОм.

Опоры для LCD-экранчика (высота 6мм).

Программирование ATmega328

Для программирования используется ByVac BV104. После подключения устройства, Windows 7 сама скачает и установит драйвера. В противном случае, вам нужно загрузить драйвер с официального сайта самостоятельно. После установки, интерфейс настраивает себя как «Виртуальный COM-порт" .

Прошивается микроконтроллер через среду Arduino IDE. В настройках программы необходимо выбрать виртуальный СОМ-порт для прошивки.

Исходный код программы

#include 

#define rxPin 0
#define txPin 8

 SoftwareSerial lcd(rxPin, txPin);    
 int analogInputVolts = A5;
 int analogInputAmps = A4;
 float vout = 0.0;
 float vin = 0.0;
 float amps = 0.0;
 
 float R1 = 9970.0;        // resistance of R1 
 float R2 = 3330.0;        // resistance of R2
 float V5 = 5.00;          // Arduino supply

 int readVoltsADC = 0;
 int readAmpsADC = 0;

void setup(){
   pinMode(analogInputVolts, INPUT);
   pinMode(analogInputAmps, INPUT);
   delay(1000);
    
   lcd.begin(9600);                     // 9600, 14,400, 19,200 or 38,400 available on the ByVac LCD.
                                         // Arduino recommend no higher than 9600.
   lcd.print("\r");                      // Send 'CR' for the LCD to establish the speed.
   delay(500);
  
   lcd.print("ac1\r");                   // Clear display. Terminate data with 'CR' (0x0d)
   lcd.print("acc\r");                   // Cursor Off
   delay(500);
   lcd.print("adVolts\r");
   lcd.print("acc0\r");
   lcd.print("adAmps\r");
}

float fmap(float x, float in_min, float in_max, float out_min, float out_max) {
  return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min;
}

void loop() {
   readVoltsADC = analogRead(analogInputVolts);
   readVoltsADC = readVoltsADC + analogRead(analogInputVolts);
   readVoltsADC = readVoltsADC / 2;
   vout = (readVoltsADC * V5) / 1023.0;
   vin = vout / (R2/(R1+R2));  
   delay(100);
   
  
   readAmpsADC = analogRead(analogInputAmps);
   readAmpsADC = readAmpsADC + analogRead(analogInputAmps);
   readAmpsADC = readAmpsADC + analogRead(analogInputAmps);
   readAmpsADC = readAmpsADC / 3 ;      // get average of 3 readings 

   amps = fabs(fmap(readAmpsADC, 512.0, 701.0, 0.0, 5.0));

   if (amps < 0) amps = 0.0;

   lcd.print("ac85\r");   
   delay(100);
   lcd.print("ad  ");
   if (vin < 10) lcd.print(" ");
   lcd.print(vin);
   lcd.print("  \r");
   
   lcd.print("acc5\r");   
   delay(100);
   lcd.print("ad   ");
   
   lcd.print(amps);
   lcd.print("  \r");  

   delay(400); 
}

В следующих строках хранятся значения R1 и R2:
float R1 = 9970.0; // resistance of R1
float R2 = 3330.0; // resistance of R2
float V5 = 5.00; // Arduino supply

Используя измерительный прибор, измерьте реальное напряжение на выходе и сравните показания с ЖК-дисплеем источника питания. Тонкая настройка значений R1 и R2 в программе (и повторной загрузки программы ATmega328) позволит вам получить более точное значение на дисплее.

Нижеследующая строка программы, позволяет при необходимости откалибровать показания тока на ЖК-дисплее:
amps = fabs(fmap(readAmpsADC, 512.0, 701.0, 0.0, 5.0));

Здесь значения 512,0 и 701,0 соответствуют тока 0А и 5А. Приведенные значения должны быть достаточно точными. Отметим, что хотя цифровые значения, прочитанные с аналогового входа ATmega328 это целые числа в диапазоне от 0 до 1023, они отображаются в виде чисел с плавающей точкой. Значения получены следующим образом:

Выход из ACS712 = 2,5 + (0,185 вольт на ампер)

При 0 А, выход = 2,5 вольт
значение с АЦП = 1023/(5/2.5) = 512 (целочисленное значение)

При нагрузке 5А, на выходе ACS712 = (0,185 х 5) + 2,5 = 3.425 вольт

значение с АЦП = 1023/5  = 204.6 единиц на 1 Вольт

При 3.425 Вольтах (т.е. при токе в 5 А) 204.6 x 3.425 = 700.755
округляя получаем значение 701.0

На фото ниже автомобильная лампа используются в качестве нагрузки для калибровки питания

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Оригинал статьи

Теги:

• Блок питания
• Перевод