Цифровая часть Блока питания

В данной статье пойдет речь, об одной из разновидностей цифровых частей (вольтамперметров) для лабораторного блока питания (ЛБП). Идея собрать данную приставку появилась после публикации на канале Паяльник TV видео о сборке и работе конструктора лабораторного блока питания, купленного у наших китайских коллег:

По подобию автора данного видео были мною заказаны два набора ЛБП (ссылка на AliExpress). Шли дни, посылочки все еще не было, но я не отчаивался и начал потихоньку прорабатывать основные функции и идеи реализации цифровой части, т.к. простая установка стрелочных вольтметра и амперметра меня не особенно устроила, итак, основные функции:

• Возможность отображения тока потребления и напряжения на выходе БП;
• Возможность отключения напряжения от выходных клемм БП с помощью реле, индикация на экране;
• Замер температуры на ключевом транзисторе, ее индикация на экране;
• Включение вентилятора охлаждения при превышении установленного порога температуры, гистерезис выключения;
• Регулировка оборотов вентилятора в зависимости от нагрева выходного транзистора;
• Индикация режимов работы «CC->CV» по аналогии с уже имеющимся светодиодом;
• Возможность автоматического выключения нагрузки, при переходе в режим «CC»;
• Наличие звуковых уведомление с возможностью их включения/выключения в меню прибора;
• Возможность отображения графика тока с изменяемым пределом шкалы;
• Возможность отображения напряжения и тока на одном поле графика;
• Возможность разделения интерфейса пользователя на несколько страниц: Основная(“Main”), Режим Ток(“Amper”), Режим Зарядки (“Charge”), режим Меню (“Menu”);
• Установка коэффициентов в меню для более точного отображения данных тока и напряжения;
• Управление цифровой частью с помощью кнопок на панели;
• Наличие пары свободных выводов, GPIO_x, для дополнительных функций в процессе работы с БП;
• Отдельное напряжение питание цифровой части БП, преимущественно от одной из обмоток трансформатора.

После определения для себя основных функций прибора встала задача реализации: использовать больше подходящих элементов, купить, или ограничится тем, что давно валяется на столе и ждет своего «звездного часа». Ну что же, кризис он и есть кризис, ограничимся тем, что есть, сдуем пыль, и пусть настанет тот «звездный час»!

Давным давно, когда доллар был еще по 30р, приобретались мною парочка контроллеров STM32L152RBT6. Почему бы его не применить? В качестве микросхемы EEPROM, наверное шиканул, но взял тоже имеющуюся AT45DB041. Объема у нее для меня конечно многовато, но сохранять данные в памяти самого контроллера мне как-то не хотелось. Возможно появятся еще какие-то идеи: картинки, шрифты, логи данных которые можно будет прошить в данную EEPROM  и пусть они там лежат на сохранности, поэтому не судите строго, делаем на том что есть в закромах. С контроллером и внешней памятью определились, теперь дисплей. Опять же в те времена низкого курса доллара приобретался и дисплей: диагональ 2,8 дюйма 320х240 пикселей с шиной SPI. Отлично, это то, что нам нужно. Возможно, будет немножко тормозить картинка, из-за низкой скорости контроллера, но это же не потоковое видео, примитивные векторные картинки вывести, думаю сойдет. Теперь система питания, т.к. устройство необходимо питать от одной из обмоток трансформатора, на плате необходимо предусмотреть место под сборку диодного моста из отдельных диодов, либо вместо них иметь возможность установить уже готовый диодный мост. Т.к. диодный мост был найден в закромах, на нем и остановимся. Стабилизацию напряжения питания +3.3в осуществим с помощью имеющихся в наличии линейных микросхем TPS70933. Поскольку основная элементная база набрана, приступим к проработке принципиальной схемы (рисунок 1).

Краткое описание основных узлов схемы: Напряжение с вторичной обмотки трансформатора, примерно 10В поступает на диодный мост, на выходе которого получаем не стабилизированное напряжение порядка 12В-13В(DC_IN). Оно как раз нам пригодится для питания вентилятора охлаждения и напряжения питания обмотки реле. Т.к. реле выбрано с напряжением питания обмотки +5В, BT-5S(P1), необходимо последовательно с ним в цепи питания включить гасящий резистор, рассчитанный по следующим формулам:

U_п = I_реле *R;

где:
U_{п –} падение напряжения на резисторе;
I_{реле  –}  ток обмотки реле;
R – сопротивление необходимого резистора(R8).

Таким образом, по данным описания на реле, оно рассчитано на напряжение обмотки +5В с током порядка 30мА имеем:

DC_IN - U_п = 5В;
Uп = 12В - 5В = 7В;
R = U_п/ I_реле = 7В/0,03А = 240 Ом.

Если выходное напряжение DC_IN или тип реле P1 у вас отличны от моих значений, следует пересчитать необходимый номинал гасящего резистора R8.

Далее это же напряжение, DC_IN, поступает на линейные стабилизаторы напряжения D2 и D3. Стабилизатором можно отделаться и одним, при условии дальнейшей хорошей фильтрации напряжения АЦП(VDDA). Напряжения питания цифровой и аналоговой части +3,3V и +3.3V_ANALOG, соответственно, после D2 и D3, поступает на все необходимые контакты микросхем и разъемов. Для управления силовыми элементами, а у нас это реле и вентилятор, в схему были введены ключи на полевых транзисторах VT1 и VT2. При соответствующих положительных напряжениях на их затворах они открываются и тем самым включают вентилятор или реле. Схема измерения тока нагрузки основана на стандартном методе изменения падения напряжения на резисторе, в данном случае это микросхема DA1 и С17, С18, R14-R20. Управление LCD и EEPROM  осуществляется по разным SPI  интерфейсам контроллера.

Рисунок. 1 - Эскиз принципиальной схемы цифровой части БП

Не будем медлить, делаем печатную плату… Для меня самой оптимальной программой для разводки плат с технологией ЛУТ является Sprint-Layout. Давно в ней работаю, приходилось разводить различные платки, от мала до велика. Для тех кому лень устанавливать и разбираться с этой программкой, в архивах вложил готовые картинки платы в Microsoft Word 2010, что называется «хватай и беги», ну или вставляй фотобумагу в принтер и печатай. Размер печатной платы, а так же крепежные отверстия совпадают с размером и крепежными отверстиями выбранного LCD. Весь процесс ЛУТа описывать не буду, он в общем-то мало чем отличается от обычного. Есть одна особенность, т.к. плата получается двусторонняя, Рисунок 2, после распечатки листа документа Word, необходимо совместить два слоя платы. Я делаю это так:

1. Вырезаем две картинки, резать нужно НЕ ПО КОНТУРУ, а с отступлением 1 см от края рисунка;
2. Вырезав два рисунка, вооружаемся небольшим степлером и совмещаем рисунки, тут нужно быть аккуратным и не наворотить лишнего. При совмещении двух рисунков, необходимо периодически поглядывать на плату, Рисунок 2. Совмещать рисунки необходимо напечатанной стороной друг к другу;
3. Совместив две картинки аккуратно пришлепываем их степлером с трех сторон, не повредив тонер;
4. Когда все это у нас проделано, вырезаем плату из двустороннего стеклотекстолита, зашкуриваем ее, если потребуется;
5. Вставляем плату в наш конвертик, смотрим на просвет и совмещаем края, если плата немного больше чем распечатанный рисунок, ничего страшного, подпилить ее можно будет после травления;
6. Плата в конвертике, пора утюжить?! Поутюжив одну сторону, переворачиваем плату на другую, опять утюжим и так не более 3-5 мин.
7. Даем плате остыть и аккуратно снимаем фотобумагу с каждой стороны;
8. Вот и пришло время травить. Раствор я использую: Перекись+лимонная кислота+соль = вещь! Кладем плату, периодически побалтываем и минут через 20-30 получаем результат, Рисунок 3, Рисунок 4.

Рисунок 2 – Вид печатной платы в программе Sprint-Layout

Рисунок 3 – Внешний вид печатной платы после травления, слой Top

Рисунок 4. – Внешний вид печатной платы после травления, слой Bottom

Как видно из Рисунка 3 и Рисунка 4, плата протравилась достаточно не плохо, теперь осталось просверлить отверстия необходимого диаметра и пропаять переходы. Для пропайки переходных отверстий:

1. Берем МГТФ провод, сечением 0,07 мм, делим его пополам, вставляем в просверленные переходные отверстия, запаиваем с одной стороны.
2. Со второй стороны откусываем кусачками, что бы от поверхности платы выступало не более 1 мм
3. Пропаиваем вторую сторону и так для всех переходных отверстий.

Плата готова к запайке, и потихоньку можно писать и отлаживать программное обеспечение для контролера, а там ЛБП прибудет от наших китайских коллег. Чтобы не описывать всю структуру программного обеспечения цифровой части БП и не томить вас гигантским набором текста, я решил это все сделать в демонстрационном видео к статье. Как итог, дождавшись плат ЛБП и подключив к одной из них цифровую часть, решил убрать это все в самодельный корпус, который вы можете видеть на видео.

Всем спасибо за внимание! На имеющиеся вопросы с удовольствием отвечу по почте или на форуме. Удачи в сборке …

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Блок питания
• Вольтметр
• Амперметр
• Sprint-Layout
• IAR
• Микроконтроллер
• STM32