Ako sa hovorí - napájacích zdrojov na dielenskom stole nie je nikdy dosť. Preto sa dnes pozrieme na jednu zaujímavú konštrukciu s integrovaným obvodom LM324.

Regulovateľný zdroj LM324 je možne postaviť v dvoch variantoch, ako digitálne riadený, pomocou digitálne analógových prevodníkov (DAC) MCP4725 viď obr.č.1 zelena oblasť. Pripadne analógovo riadený pomocou potenciometrov RV₁ a RV₂ viď obr.č.1 červena oblasť. Samotná DPS sa skladá z dvoch časti a to zdrojová časť ktorá reguluje výstupné napätia a prúd, a časť ktorá zodpovedá za meranie a ovládanie viď obr.č.3. Na zobrazenie vstupných a výstupných údajov je použitý klasicky 2 riadkový LCD display WC1602 ovládaný cez I²C rozhranie. Je potrebne podotknúť že zdrojová časť dokáže pracovať samostatne preto je možne použiť akýkoľvek iný externý merací pristroj na zobrazenie nastavených hodnôt prúdu a napätia.

Technické parametre

• Vstupne napätie: min 24V_AC
• Výstupné napätie : min 0V_DC – max 30V_DC
• Zvlnenie výstupného napätia : 0,01% (výstupné napätie 0-25V_DC)
• Výstupný prúd : min 0A – max 4.5A

Ak zdroj je ovládaní analógovo pomocou potenciometrov RV₁ a RV₂ nesmú byť osadene súčiastky označene zelenou oblasťou viď obr.č.1 a obr.č.2. Ak je zdroj riadený digitálne nesmú byť osadene súčiastky zobrazene v červenej oblasti viď obr.č.1, Pre zadávanie vstupných údajov napätia a prúdu je použitá voľne dostupná klávesnica 4x4.

Popis činnosti zdroja

Zdrojová časť

Na svorky „J1“ sa pripája vstupne striedavé napätie ktoré sa usmerni pomocou usmerňovača D2 a následné vyfiltruje pomocou filtračných kondenzátorov C4 a C5. Napájanie operačného zosilňovača U3 (LM324) je tvorene emitorovým sledovačom Q1 (BD139) kde zdroj referenčného napätia tvorí U5 (TL431), výstupné a tým pádom aj napájacie napätie U3 je 12,75V_DC. Dane napätie je taktiež použite pre napájanie chladiaceho ventilátora a je možne použiť klasické 12V_DC počítačové ventilátory.

Režim CV stabilizácia napätia

Riadenie výstupného napätia vykonáva operační zosilňovač U3D ktorý je zapojení ako „open loop“ otvorená slučka, na invertujúci vstup je privedené výstupné napätie cez delič R27 a R28 (deliaci pomer je R27 / R28 + 1), na neinvertujúci vstup je privedené napätie pomocou potenciometra RV₂ (10kΩ) z napäťovej referencie 5V_DC tvorene U1 (TL431). U3D porovnáva rozdiel medzi invertujúcim a neinvertujúci vstupom, a nastaví výstupné napätie U3D  na takú hodnotu aby cez rezistory R23 a R24, a prúdové zrkadlo tvorene tranzistormi Q3 a Q4 priotvorilo darlingtonove zapojenie, tvorene tranzistormi Q2 a Q4. A nastavilo výstupné napätie na nami nastavenú hodnotu, pomocou potenciometra RV2. R25 a C14 zabraňuje aby sa regulačná sústava rozkmitala. V režime stabilizácii napätia je napätie na výstupe U3A maximálne teda okolo 11,25V_DC (V_CC - 1,5V_DC) čo sa využíva na indikáciu režimu CV pomocou zelenej  LED diódy (D6) viď obr.č.2.

Režim CC prúdové obmedzenie

Úbytok napätia ktorý vzniká prechodom prúdu na R29 je privedení na invertujúci vstup operačného zosilňovača U3C (viď obr.č.1) ktorý je zapojení ako invertujúci zosilňovač napätia. Zosilnenie sa vypočíta podľa vzťahu R14/R15 + 1. Na neinvertujúci vstup je privedený napäťoví posun (offset) o hodnote 0.5V_DC tvorený U10 (TL431) pripadne zenerovou diódou D8 (pre vyššiu presnosť sa odporúča použiť TL431). Výstupné napätie na U3C pri nulovom prúde je približne  0,5 * (16k / 2k + 1) = 4,5V_DC  . Zosilnene napätie z výstupu U3C cez R11 sa využíva aj pre meranie prúdu. Výstup U3C je privedený na neinvertujúci vstup U3A ktorý je zapojení ako „open loop“ a porovnáva rozdiel medzi nastavenou hodnotou pomocou potenciometra RV₁ a zosilnením úbytkom napätia na R29. V prípade že úbytok napätia na R29 prekročí nastavenú hodnotu operační zosilňovač U3A cez diódu D1 a prúdové zrkadlo Q3 a Q4 privrie výkonový tranzistor Q4 aby nebolo prekročená hodnota nami nastaveného prúdu. V režime prúdového obmedzenia je napätie na výstupe U3D maximálne teda okolo 11,25V_DC (V_CC - 1,5V_DC) čo sa využíva na indikáciu režimu CC pomocou červenej  LED diódy (D7) viď obr.č.2

Riadenie chladiaceho ventilátora

Ako snímač teploty bol použitý tranzistor Q6 BD140 a to z dôvodu ľahkej montáži k chladiču. Úbytok napätia na PN prechode ktorý klesá vzhľadom k rastúcej teplote je privedený na operační zosilňovač U3B ktorý je zapojení ako schmittov preklápací obvod a zopne ventilátor pomocou Q7 ak teplota bude vyššia ako cca 60C. Tranzistory Q6 a Q7 musia byť odizolovane od chladiča pomocou izolačnej podložky !

Ochrana proti prehriatiu

O danú ochranu sa stará vratná tepelná poistka KSD-9700. Ktorá sa osadí namiesto kondenzátora C6. Namontovať danú poistku je nutne na chladič čo najbližšie k výkonovému tranzistoru. Poistka musí byť elektricky odizolovaná od chladiča preto odporúčam poistku v keramickom puzdre na 90-100C.

Meranie a ovládanie

Riadiacou a meracou jednotkou je mikroprocesor firmy Microchip ATtiny45. Meranie napätia sa vykonáva ADC prevodníkom mikroprocesora v diferenciálnom móde na deliči tvorený R27 a R28, a odpore R29 viď obr.č.1. Dané napätie je privedené cez rezistor R30 na meracie vstupy  PB3 a PB4 mikroprocesora. Meranie prúdu sa vykonáva na meracom vstupe PB2 kde je cez odpor R11 privádzané meracie napätie z U3C ktoré je následné pomocou mikroprocesora prepočítané na prúd. Pre všetky merania je použitá napäťová referencia 5,25V_DC tvorená U8 (LM317) a U9 (TL431).

Pre ADC prevodník v diferenciálnom móde je nutne vykonať kalibráciu. Viď bod Kalibrácia popísaný nižšie.

Popis funkcie jednotlivých tlačidiel na klávesnice

• A – nastavujeme výstupné napätie v rozsahu 0 – 29,9V_DC pre potvrdenie nastavenej hodnoty slúži tlačidlo #.
• B – nastavujeme výstupný prúd v rozsahu 0 – 4.5A pre potvrdenie nastavenej hodnoty slúži tlačidlo #.
• C – vykonáva sa kalibrácia prúdu daná kalibrácia sa vykonáva automaticky po zatlačení tlačidla (zdroj sa prepne do režimu CC)
• D – vykonáva sa kalibrácia napätia kde je potrebne multimetrom namerať napätie na výstupe zdroja (zdroj musí byť v režime CV) a zadať pomocou klávesnice následné sa vypočíta kalibračná konštanta ktorá sa krátko zobrazí na displeji. Pre potvrdenie zadanej hodnoty slúži tlačidlo #.

Kalibrácia

Analógové riadenie postup kalibrácie :

1. Pred pripojením meracej dps pomocou multimetra sa presvedčte že regulácia napätia funguje v celom rozsahu (0-30V) a funguje aj prúdové obmedzenie (nastavte na výstupe 5VDC otočte potenciometrom ktorí riady prúd do nulovej polohy napätie na výstupe musí klesnúť na nulovú hodnotu), skontrolujte napätia v kontrolných bodoch popísané nižšie v časti oživenie.
2. Po naprogramovaní MCU do 5 sekúnd vypnite zdroj: nastavte potenciometre pre ovládanie prúdu a napätia do stredovej polohy a zapnite  zdroj.
3. Stiahnite potenciometer pre ovládanie napätia do nulovej polohy a zdroj vypnite, počkajte až zhasnú zelena a červena led dióda, a následné zdroj zapnite.(vykoná sa kalibrácia ofset_error a kalibrácia nulovej hodnoty prúdu merane na výstupe U3C viď schéma obr.č.1).
4. Pomocou multimetra nastavte na výstupe čo najpresnejšie hodnotu 29.0V , napätie na výstupe merajte pomocou multimetra , napätie na displeji pravdepodobne nebude sedieť. Zdroj opäť vypnite, počkajte až zhasnú zelena a červena LED dióda, a následné zdroj zapnite.(vykoná sa kalibrácia gain_error).

Kalibrácia sa vykonáva len raz, znovu vykonať kalibráciu je možne len po reprograme MCU.

Digitálne riadenie postup kalibrácie :

1. Zapnite zdroj bez meracej PCB, zmerajte napätie na výstupe musí byť okolo 15V_DC.Vypnite zdroj pripojte meraciu PCB a pokračujte bodom 2.
2. Zapnite zdroj a tlačidlom A – nastavte 5V_DC, tlačidlom B – nastavte prúd na 0,5A
3. Pre kalibráciu prúdu a napätia - offset_error, stlačte tlačidlo C – zdroj prejde do CC režimu a vykoná kalibráciu. Počkajte cca 5 sekúnd a pokračujte bodom 4.
4. Tlačidlom B – nastavte prúd na 0,5A.
5. Pre kalibráciu napätia – gain_error, stlačte tlačidlo D, multimetrom zmerajte napätie na výstupe, pomocou klávesnice zadajte namerane napätie zaokrúhlené na jedno desatinne miesto a potvrďte tlačidlom #.

Kalibráciu je možne vykonať kedykoľvek znovu.

Oživenie zdroja

Zdrojová časť

1. Ako prvé osaďte komponenty J1, D2, C4, C5 ( dbajte na polaritu) a následné pripojte striedavé napätie na konektor J1 a zmerajte napätie na C4 a C5 ak je napätie väčšie ako 30V_DC pokračujte bodom 2.
2. Striedavé napätie z konektora J1 odpojte a osaďte komponenty R9 ,R12 ,R13, Q1, U5, C10, C12 ( dbajte na polaritu). Pripojte striedavé napätie na J1, zmerajte napätie na C10 a C12 ak je napätie 12,75V_DC +/- 0,13V_DC, striedavé napätie z konektoru J1 odpojte a pokračujte bodom 3.
3. Osaďte komponenty R1, R4, R5, U1, C1, R29 - pripojte striedavé napätie na J1 a zmerajte napätie na C1 ak je napätie 5V_DC +/-0,05V_DC pokračujte bodom 4 (ak je potrebná vyššia presnosť namiesto R4 osaďte trimer RV₃ otočením trimra nastavte presných 5V_DC. napätie merajte na C1).
4. Ostatné komponenty osaďte v ľubovoľnom poradí a dbajte na polaritu, ak je zdroj riadený pomocou potenciometrov osádzame komponenty znázornené v červenej oblasti a komponenty zo zelenej oblasti neosadíme viď obr.č.1 , ak je zdroj riadený digitálne osadíme komponenty zo zelenej oblasti a tie s červenej vynecháme viď obr.č.1, v oboch prípadoch kondenzátor C6 sa neosádza.
5. Po osadení a pripojení všetkých súčiastok - pripojte striedavé napätie na konektor J1 a zmerajte napätia na : Kondenzátore C11 – 0.5 V_DC +/- 0,025V_DC. Kondenzátore C1 – 5 V_DC +/- 0,05V_DC. Rezistori R11 voči GND – 4,5V_DC +/- 0,1V_DC. Ak všetky napätia sú v poriadku a mate potenciometrom riadený zdroj pokračujte   bodom 6 (bod 7 vynechajte ) inak bod 6 preskočte a pokračujte bodom 7.
6. Otočte potenciometre RV₁ a RV₂ do stredovej polohy, merajte napätie na konektore J4, otočením potenciometra RV₂ by sa napätie malo meniť od 0-30V_DC, nastavte napätie na konektore J4 na hodnotu 5V_DC, následné otočením potenciometra RV₁ do krajnej polohy napätie na konektore J4 klesne na 0V_DC.
7. Zmerajte napätie na J4 by malo byť okolo 15V_DC +/- 1V.

Meranie a Ovládanie

1. Osaďte všetky komponenty okrem U6 a U7 podľa schémy obr.č.2 dbajte na polaritu pripojte meraciu PCB k zdrojovej časti a zmerajte napätie na C21, mali by ste namerať okolo 5.25V_DC +/-0,0525V (ak je potrebná vyššia presnosť namiesto R50 osaďte trimer RV₄ otočením trimra nastavte presných 5,25V_DC. napätie merajte na C21).
2. Osaďte komponenty U6 a U7.

PCB zdroja

Schéma zapojenia

Obr. č.1

Obr. č.2

Merania

Skoková zmena pri 20V z 0A na 4A

Skoková zmena pri 20v z 4A na 0A

Zapnutie s pripojenou záťažou pri 20V a 3A

Zvlnenie režim CC pri 20V a 4A

Zvlnenie režim CV pri 20V a 4A

Realizácia

Podklady na stiahnutie

Zoznam komponentov

Schéma zapojenia

Súbory Gerber a HEX

---

---

---