Источник питания с микроконтроллерным управлением

Предлагаемый источник питания (ИП) предназначен для питания различных устройств стабильным напряжением от 0,1 до 25,5 В. Он имеет режим ограничения выходного тока, значение которого можно устанавливать в пределах от 0,1 до 2,55 А, что дает возможность проводить зарядку аккумуляторов различных типов. Имеются 50 ячеек памяти, в которые можно записывать информацию о наиболее часто используемых настройках. Источник питания удобно использовать в лабораторных условиях при налаживании и проверке различной радиоэлектронной аппаратуры.

ИП состоит из четырех функциональных узлов: управления, силового, индикации и клавиатуры. Основой узла управления, схема которого показана на рис. 1, служит микроконтроллер DD2. После подачи питающего напряжения микроконтроллер считывает из EEPROM DD1 АТ24С02А данные по адресам 0 и 1 и записывает их в регистры DD4 и DD5 соответственно. Регистр DD4 совместно с резисторами R19—R26 и R47—R54 образует первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), с помощью которого осуществляется управление выходным напряжением ИП. Регистр DD5 и резисторы R27— R34, R55—R61 составляют второй ЦАП, который совместно с компаратором DA1.2 и транзисторами VT2, VT4, VT5 обеспечивает ограничение выходного тока.

С силового узла на инвертирующий вход компаратора DA1.2 поступает напряжение, пропорциональное выходному току И П. Когда это напряжение сравняется с напряжением, установленным на выходе второго ЦАП, на выходе компаратора DA1.2 появится низкий уровень, транзистор VT1 откроется и будет светить светодиод HL1, сигнализируя о превышении тока. Одновременно закрывается транзистор VT4 и открывается транзистор VT5, шунтируя выход первого ЦАП, что и приводит к ограничению выходного тока. Если установлено значение максимального тока, равное нулю, на выходе Р3.1 (вывод 11) микроконтроллера DD2 установится низкий уровень, транзистор VT2 закроется и система ограничения выходного тока будет отключена

Третий ЦАП, собранный на регистре DD6 и резисторах R35—R42, R63— R70, совместно с компаратором DA1.1 образует аналого-цифровой преобразователь для измерения выходного тока ИП. Детектор снижения напряжения DD3 удерживает микроконтроллер DD2 в исходном состоянии до достижения напряжением питания значения 4,5 В.

В силовом узле, схема которого показана на рис. 2, применена двух ступенчатая стабилизация напряжения, подробно описанная в статье С. Муралева "Простой лабораторный источник питания" ("Радио", 2003, № 3, с. 24). ОУ DA1 и ШИ контроллер DA3 поддерживают напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT1, равное 3 В, которое можно регулировать резистором R6. На ОУ DA6 и составном транзисторе VT2 собран усилитель с коэффициентом передачи 5,1, который усиливает напряжение, подаваемое с первого ЦАП узла управления. На ОУ DA7 собран усилитель напряжения, которое снимается с датчика тока — резистора R18. Усиленное напряжение поступает на АЦП в узле управления для измерения выходного тока, а также на инвертирующий вход компаратора DA1.2 того же узла.

Узел индикации (рис. 3) собран на ЖКИ HG1 с двумя строками по 16 символов в каждой, а узел клавиатуры (рис. 4) —на двенадцати кнопках SB1 — SB12, с помощью которых и осуществляется управление ИП. На ЖКИ HG1 отображаются значения выходного напряжения, тока, а также значение максимального тока и номер программы, если она активизирована. Выходное напряжение изменяют дискретно по 1 и 0,1 В нажатием на кнопки SB5, SB6, SB9, SB 10, а значение максимального тока — по 0,1 и 0,01 А, нажимая на кнопки SB1—SB4 либо нажимая на кнопку SB12 и вводя необходимые числовые значения, следуя инструкциям, появляющимся на ЖК индикаторе.

После каждого изменения настроек производится их запись в EEPROM DD1 (см. рис. 1), поэтому после включения ИП восстанавливаются значения, установленные перед его выключением. Доступ к запрограммированным значениям производится нажатием на кнопки SB7, SB11. Программирование ячеек памяти производится следующим образом: нажатиями на кнопки SB7, SB11 выбирают неиспользуемый номер программы, нажимают на кнопку SB12 и вводят значения напряжения и максимального тока. Затем нажимают на кнопку SB8 и подтверждают запись повторным нажатием на кнопку SB8 или отменяют ее нажатием на любую другую кнопку.

Каждое нажатие сопровождается звуковым сигналом, подаваемым динамической головкой ВА1 Режим ограничения выходного тока сопровождается свечением светодиода HL1, при этом знак "U=" на ЖК индикаторе, периодически меняется на знак "U<". Если необходим выходной ток, превышающий 2,55 А, устанавливают значение максимального тока "0,00". При этом отключается система ограничения выходного тока и следует соблюдать осторожность, не допуская замыканий выхода ИП.

Конструкция и детали. Большинство деталей каждого из узлов, кроме узла индикации, смонтированы на "своей" печатной плате. Чертеж печатной платы узла управления можно скачать в архиве, изготовлена она из двусторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5...2 мм. Применены оксидные конденсаторы К50-35 или импортные, С6, С7 — К10-17, КД-1, остальные — К10-17в для поверхностного монтажа, постоянные резисторы R11—R18 — резисторная сборка НР-1-4-8М (9A472J), можно также применить резисторы МЛТ, С2-23 мощностью 0,125 Вт, установив их перпендикулярно плате, остальные резисторы — РН1-12 также для поверхностного монтажа типоразмеров 1206 или 0805. Кварцевый резонатор — HC-49U, РГ05, РК169 на частоту 8... 12 МГц. Динамическая головка — любая малогабаритная сопротивлением 10...50 Ом.

Резисторы в ЦАП могут быть других номиналов, важно, чтобы подключенные к выходам регистров и к общему проводу имели сопротивление в два раза больше остальных. Например, если применить резисторы R19—R26, R47 по 20 кОм, то номинал резисторов R48— R54 — 10 кОм. Микросхема LM393AN заменима на микросхемы LM393A, LM393N в корпусе DIP-8. Микросхему АТ24С02А можно заменить на микросхему AT24C02AN в корпусе SO-8, для этого на плате предусмотрены соответствующие контактные площадки.

Детали силовой части монтируют на печатной плате из двусторонне фольгированного стеклотекстолита. Постоянные резисторы R1, R4, R5, R7 — МЛТ, С2-23, остальные — РН1-12 типоразмера 1206, кроме R18 — он типоразмера 2512, подстроечные резисторы — СП5-2В. Резистор R16 приклеен к плате и соединен с контактными площадками монтажными проводами. Оксидные конденсаторы К50-35 или импортные, СЗ, СЮ, С11 — К10-17, остальные — К10-17в для поверхностного монтажа.

Дроссель L1 намотан проводом ПЭВ-2 1,0 на магнитопроводе типоразмера 24x12x6 из феррита 2000НМС с воздушным зазором 0,3 мм, намотка — до заполнения (два слоя). Трансформатор Т1 — с габаритной мощностью не менее 100 Вт, обмотка II (переменное напряжение 28 В) должна быть намотана проводом с диаметром не менее 1,5 мм, обмотка III (переменное напряжение 8... 10 В) — проводом диаметром 0,2...0,3 мм.

Узел индикатора собран без печатной платы. Резистор R1 установлен методом навесного монтажа, соединения с гнездом XS1 сделаны монтажными проводами или шлейфом. ЖКИ AC-162YBE можно заменить на любой другой русифицированный 16x2 на основе контроллеров KS0066U или HD44780. Обязательно следует уточнить назначение выводов 1 и 2, "переполюсовка" напряжения питания пагубна для этих изделий. Плата узла клавиатуры изготовлена из односторонне фольгированного стеклотекстолита, и в ней применены миниатюрные кнопки с длинными толкателями, например ПКн159.

Корпус ИП изготовлен из П-образной крышки и основания корпуса отслужившего компьютера формата AT, их обрезают до требуемого размера. Заднюю стенку основания удаляют, оставив по краям уголки, к которым крепят теплоотвод, выполненный из дюралюминия толщиной 3 мм. Трансформатор Т1, платы узлов управления и силового устанавливают на основание корпуса Микросхемы DA4, DA5 крепят к теплоотводу непосредственно, а транзисторы VT1, VT2 — через теплопроводящие изолирующие прокладки, при этом следует применить теплопроводящую пасту.

Передняя панель изготовлена из пластмассы толщиной 2 мм, на нее монтируют узел индикатора и плату клавиатуры, сетевой выключатель питания, светодиод и выходные гнезда . Для межплатных соединений применены шлейфы с соответствующим числом проводов.

Налаживание начинают с установки резистором R1 на плате узла управления необходимой контрастности ЖК индикатора HG1. Резистором R6 в силовом узле устанавливают напряжение 3 В между коллектором и эмиттером транзистора VT2. При этом напряжение на входе стабилизатора DA4 должно быть 20...25 В, при необходимости подбирают резистор R7. Если ОУ DA1, DA3 будут склонны к самовозбуждению, следует установить дополнительный конденсатор СЗ емкостью 0,1 мкФ. Подключают к выходу ИП нагрузку — резистор сопротивлением около 10 Ом и мощностью 10 Вт и параллельно ему — вольтметр постоянного тока. Резистором R11 уравнивают показания вольтметра и ЖКИ ИП, при необходимости подбирают резистор R15.

Нагрузку отключают и резистором R16 устанавливают нулевые показания измерителя тока на ЖКИ. Затем подключают нагрузку с соединенным последовательно образцовым амперметром и резистором R12 уравнивают показания ЖКИ ИП и образцового амперметра. Конденсатор С14 устанавливают, если показания измерителя тока неустойчивы. Подбором конденсатора С13 добиваются устранения акустических шумов дросселя L1 в режиме ограничения тока, емкость этого конденсатора может быть в пределах от 1 до 100 мкФ.

От двухступенчатой стабилизации напряжения в силовом узле можно отказаться, исключив элементы DA1, DA3, VT1, VD3, L1, R1—R6, R8 и соединив плюсовые выводы конденсаторов С2 и С9. Но тогда необходимо позаботиться о надежном отводе тепла от транзистора VT2.

Программа для микроконтроллера написана на языке BASIC в среде BASCOM—8051 и может быть модифицирована. Демонстрационную версию BASCOM—8051 можно скачать по адресу www.mcselec.com, она позволяет создавать программы объемом до 4 Кбайт.

Источник: Радио №11, 2007, автор Б. Барабаш, г. Калининград