Лабораторный источник питания — основное оборудование мастерской любого радиолюбителя и профессионального электронщика. Поэтому неудивительно, что многие из нас включают такое устройство в число первых покупок или самостоятельно собираемых проектов. Современные лабораторные источники питания часто оснащаются дополнительными функциями: например, возможностью программировать форму выходного напряжения и работу ограничителя тока. Такой источник, помимо выполнения основной функции, можно использовать для проверки питаемых схем — изучать их поведение в разных условиях.
Рекомендация: источник питания с расширенными функциями пригодится в мастерской любого электронщика.
Структурная схема и основные параметры
Модуль последовательного интерфейса
Рисунок 1. Структурная схема устройства.
Пользуясь экономическими преимуществами дальневосточной технической мысли, несколько лет назад я купил лабораторный источник питания с базовым набором функций, который во многих случаях казался достаточным. Тем не менее разработка добротного источника с гораздо более широкими возможностями давно была в моём списке «дел, которые нужно сделать», а зимняя погода стала дополнительным союзником в этом деле.
Окончательно решиться на самостоятельную сборку меня заставила необходимость вмешаться в уже имевшееся устройство: я разобрал его корпус, а затем быстро собрал обратно. К сожалению, чрезвычайно низкая цена готового изделия — даже для дальневосточной продукции неизбежно отражается на качестве изготовления и сборки. Это убедительно подтвердило моё мнение: «бесплатного ничего не бывает». Тем, у кого есть подобные устройства, настоятельно не советую «изучать их внутренности» — разве что с целью узнать, как не следует реализовывать проект…
Так или иначе, пришло время взяться за эту задачу и спроектировать действительно серьёзный программируемый источник питания.
На этот раз я начал с обзора популярных конструкций, доступных в интернете. К моему удивлению, выяснилось, что большинство подобных источников основано на схемах, корни которых уходят глубоко в 1980-е годы, как будто с тех пор в электронике не придумали ничего лучше.
Не подумайте, что я противник старых добрых решений. Но давайте идти в ногу со временем и применять решения, отвечающие современным требованиям и потребностям, которые, согласитесь, несколько отличаются от тех, что были 30 лет назад!
Во время предварительной работы мне попалась интересная схема операционного усилителя с необычными свойствами — OPA549, который в настоящее время выпускает Texas Instruments. Производитель называет его «высоковольтным операционным усилителем с большим выходным током». В одной из типовых схем он рекомендован в качестве силового элемента для программируемых лабораторных источников питания. Это отражено и в документации производителя, где приведены примеры схем с цифро-аналоговыми преобразователями.
С таким авторитетным производителем трудно не согласиться. Учитывая основные электрические параметры микросхемы — напряжение питания до ±30 В и максимальный выходной ток 8 А, кратковременно до 10 А, — её и следовало выбрать основой современного программируемого источника питания.
Окончательно в пользу OPA549, а не традиционной схемы со стабилизатором и несколькими силовыми транзисторами, решили дополнительные функции:
• встроенный ограничитель выходного тока с управлением напряжением или сопротивлением;
• встроенная тепловая защита с индикацией срабатывания;
• управляющий вход силового каскада для включения и выключения.
Начну несколько необычно — со структурной схемы, которая поможет понять принцип работы устройства. На основе документации OPA549 и основных функциональных требований проекта была составлена предварительная структурная схема программируемого источника питания, приведённая на рисунке 1.
Как видно, главный элемент устройства — OPA549, включённый по схеме неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 10 (1 + 18 кОм / 2 кОм). Он одновременно выполняет роль силового элемента и стабилизатора выходного напряжения. На его вход подаётся выпрямленное напряжение от обычного двухполупериодного выпрямителя с тороидальным трансформатором, мощным диодным мостом Гретца и батареей конденсаторов большой ёмкости. Эталонным напряжением для стабилизатора служит сигнал с 12-разрядного ЦАП, которым управляет микроконтроллер ATmega32 по шине I²C в режиме High Speed (400 кГц).
Минимальное выходное напряжение OPA549 не может быть ниже напряжения отрицательной шины питания этого усилителя более чем на 3,5 В — при выходном токе 5 А. Поскольку используется простой мощный источник с несимметричным выходом, потребовалось создать источник отрицательного напряжения питания для силового элемента.
Разумеется, можно было бы применить обычный симметричный источник с одинаковой допустимой нагрузкой обоих плеч. Однако в этом случае потребовался бы значительно более дорогой тороидальный трансформатор с несколькими отводами, а также дополнительный блок дискретных и полупроводниковых компонентов.
Чтобы упростить конструкцию блока питания, здесь использована типовая схема отрицательного источника напряжения на линейном стабилизаторе 7905 и дополнительной обмотке маломощного трансформатора, питающего цифровую часть устройства. Это стало возможным потому, что усилитель OPA549 потребляет от отрицательной шины не более нескольких десятков миллиампер — около 35 мА, — если его выходное напряжение всегда равно нулю или выше. Именно так работает это устройство.
Сначала для формирования отрицательного напряжения я использовал умножитель напряжения, но быстро выяснилось, что он не справляется при резких изменениях нагрузки. В переходных режимах потребление тока от отрицательной шины OPA549 может несколько увеличиваться. Благодаря применению линейного стабилизатора 7905 можно использовать простой и недорогой тороидальный трансформатор и регулировать выходное напряжение начиная с нуля, а не с 3,5 В, как в случае несимметричного питания силового усилителя.
Однако у такого решения есть ограничение, которое может проявиться в экстремальных условиях. При большом выходном токе и питании ёмкостной нагрузки время нарастания выходного напряжения может увеличиться: это связано с невысокой токовой нагрузочной способностью источника отрицательного напряжения. Это может иметь значение при использовании режима WAVE — генерации запрограммированных последовательностей напряжения.
Чтобы устранить это явление, потребовалось бы увеличить допустимый ток обмотки трансформатора, формирующей отрицательное напряжение, и ёмкость фильтрующих конденсаторов C6 и C8. Но такое поведение можно ожидать лишь в экстремальных режимах, и для пользователя оно не всегда существенно. Поэтому выбранный компромисс вполне приемлем.
Рисунок 2. Принципиальная схема силового модуля источника питания.
Продолжая описание силового модуля, отметим, что сигнал с выхода OPA549, то есть стабилизированное выходное напряжение, поступает на клеммы нагрузки через точный шунтирующий резистор сопротивлением 10 мОм. Падение напряжения на шунте измеряет специализированный точный 16-разрядный дифференциальный АЦП INA226. Это позволяет измерять ток нагрузки и реализовать ограничение тока или защиту от сверхтока с помощью встроенных функций INA226.
Так в общих чертах работает наш программируемый источник питания. Теперь перейдём к деталям реализации. С учётом способа механического монтажа узлов и их функционального разделения схема устройства и соответствующие печатные платы разделены на три части: силовой модуль, модуль управления и модуль внешнего интерфейса.
Структурная схема и основные параметры
Основные параметры:
• выходное напряжение: 0…25 В;
• максимальный выходной ток: 5 А;
• шаг установки выходного напряжения, точный/грубый: 10 мВ / 200 мВ;
• диапазон встроенного ограничителя выходного тока: 0…5 А;
• шаг установки тока ограничителя, точный/грубый: 10 мА / 200 мА;
• время срабатывания встроенного ограничителя тока: около 2,5 мс;
• диапазон измерения тока нагрузки: 0…5 А;
• разрешение измерения тока: 1 мА;
• порог срабатывания встроенной тепловой защиты: 160 °C;
• диапазон измерения встроенного термометра: 0…125 °C;
• порог включения встроенного вентилятора: 40…70 °C;
• шаг настройки порога включения вентилятора: 1 °C;
• максимальное число точек произвольного сигнала: 40;
• диапазон выходного напряжения при генерации произвольного сигнала: 0…25 В;
• шаг установки напряжения произвольного сигнала, точный/грубый: 10 мВ / 200 мВ;
• длительность одной точки сигнала: 1…1000 мс;
• шаг установки длительности, точный/грубый: 1 мс / 20 мс;
• диапазон времени функции STORE: 100…1000 мс;
• шаг установки времени STORE: 100 мс;
• число встроенных банков памяти пользовательских настроек: 5;
• число банков памяти параметров произвольного сигнала: 5;
• параметры последовательного интерфейса: 57600, 8, n, 1.
Принципиальная схема силового модуля источника питания показана на рисунке 2. По сравнению со структурной схемой на рисунке 1 в неё добавлены функции, необходимые для оптимальной практической реализации устройства.
Во-первых, чтобы уменьшить потери мощности на силовом элементе — усилителе OPA549, равные произведению выходного тока на разность между напряжением питания микросхемы и выходным напряжением, предусмотрено переключение отводов питающего тороидального трансформатора в зависимости от установленного выходного напряжения. Для этого используются реле REL1 и транзистор T2.
Трансформатор имеет две вторичные обмотки, каждая рассчитана на 15 В и 5 А. При выходном напряжении в диапазоне 0…12 В к выпрямительному мосту B2 подключается первая обмотка. При напряжении выше 12 В подключается вторая обмотка; суммарно получается 30 В.
Добавлены также измерение температуры радиатора силовых элементов — OPA549 и выпрямительного моста — и управление встроенным вентилятором. Для этого применён популярный термометр DS18S20 (U3) и выходной каскад управления вентилятором на полевом транзисторе BUZ11.
Цифровая часть устройства питается независимо от источника напряжения силового усилителя. Для этого используется обычный маломощный трансформатор TR1, выпрямитель B1 и стабилизатор +5 В на 7805.
Предусмотрено отключение силового выхода OPA549 через вход Enable. Это происходит каждый раз, когда срабатывает защита от сверхтока. Кроме того, у силового элемента есть вход Ilim, позволяющий реализовать аппаратное ограничение выходного тока. Настроить его очень просто: достаточно подключить между этим входом и землёй резистор, задающий ток ограничения.
В этом устройстве данная функция используется только для постоянного ограничения максимального выходного тока OPA549 на уровне 5 А, а не для точного ограничения тока всего источника питания. Дело в том, что ограничение с помощью этой функции было бы очень неточным, а на токах ниже 500 мА практически нереализуемым — об этом предупреждает производитель микросхемы.
Настраиваемый и высокоточный ограничитель тока всего устройства реализован с помощью одной из встроенных функций INA226.
Чтобы понять принцип работы источника, кратко рассмотрим применённые микросхемы. Начнём с 12-разрядного ЦАП MAX5805 производства Maxim Integrated. Его выходное напряжение подаётся на неинвертирующий вход силового усилителя и после усиления в 10 раз задаёт выходное напряжение ЛБП.
MAX5805 — точный 12-разрядный ЦАП со следующими функциональными характеристиками:
• широкий диапазон напряжения питания: 2,7…5,5 В;
• встроенный точный источник опорного напряжения с настройкой на 2,048…2,500 В или 4,096 В;
• быстрое установление выходного напряжения: 6,3 мкс;
• встроенный выходной буфер rail-to-rail;
• быстрая шина I²C с частотой тактирования до 450 кГц;
• асинхронный аппаратный вход LDAC;
• конфигурируемый асинхронный аппаратный вход AUX;
• автоматические сброс и калибровка при включении питания.
Помимо стандартных функций, у MAX5805 есть специальный активный низким уровнем асинхронный вход AUX. Его назначение задаётся программно. Он может обнулять выход ЦАП или переводить его в предварительно настроенное состояние.
Кроме того, микросхема имеет асинхронный вход LDAC. Независимо от команд, передаваемых по I²C, этот вход заставляет обновить выходное напряжение значением из соответствующего регистра. Такая функция может быть полезна, если требуется одновременно обновить выходы нескольких ЦАП на одной шине I²C.
MAX5805 снабжён несколькими регистрами для связи с ведущей системой. Интересно устроен цифровой входной буфер: он использует два регистра данных — CODE и DAC. Запись в CODE не меняет выходное напряжение, а сохраняет новое значение во временном регистре. Позднее его можно одной командой перенести на выход. Запись непосредственно в DAC немедленно изменяет выходное напряжение преобразователя.
Рисунок 3. Структура кадра данных шины I2C для операции записи в системе MAX5805.
В статье подробно рассматриваются только регистры, важные для этой схемы и операций записи. Для MAX5805 запись выполняется последовательностью сигналов, показанной на рисунке 3.
Можно заметить некоторое логическое несоответствие: у одних команд задано фиксированное значение, а передаваемые с ними данные определяют, какие свойства MAX5805 изменятся. У других задана только старшая часть байта команды, а остальные биты используются для передачи изменений; сопутствующие данные в таком случае не имеют значения. Это довольно необычное решение по сравнению с тем, как обычно устроены подобные интерфейсы.
В ЛБП аппаратный вход LDAC постоянно соединён с землёй. Поэтому команда CODE сразу изменяет выходное напряжение ЦАП.
С моей точки зрения, самым интересным периферийным компонентом в этом устройстве является INA226: эта микросхема обладает необычайно широкими возможностями. Производства Texas Instruments, INA226 — специализированный высокоточный 16-разрядный измерительный АЦП с дифференциальным входом, предназначенный для схем с резистивным шунтом.
К основным характеристикам INA226 относятся:
• широкий диапазон питания: 2,7…5,5 В;
• высокая точность измерения — около 0,1%;
• работа в системах с напряжением 0…36 В;
• поддержка конфигураций Low-side и High-side;
• измерение напряжения, тока и мощности;
• настраиваемое время преобразования;
• настраиваемое усреднение результатов измерений;
• непрерывный и запускаемый режимы работы;
• возможность сигнализировать о превышении заданного порога тока, напряжения или мощности.
INA226 хорошо подходит для этой схемы благодаря своим функциям и точности измерений. Его структурная схема приведена на рисунке 4.
Рисунок 4. Блок-схема системы INA226.
Микросхема INA226 непрерывно — либо по запросу пользовательской программы — измеряет два напряжения: напряжение шины питания нагрузки VBUS и падение напряжения на резистивном шунте VSHUNT, включённом последовательно с нагрузкой. На основании этих двух величин и значения регистра Calibration, которое зависит от требуемого разрешения измерения и параметров шунта, микросхема вычисляет ток и мощность нагрузки. Результаты доступны программе через соответствующие регистры, а окончание преобразования отмечается установкой флагов.
Кроме того, специальные конфигурационные регистры позволяют сравнивать измеренные и вычисленные значения с пороговыми. Совместно с выходом Alert это даёт возможность формировать сигналы тревоги при превышении заданных порогов напряжения шины, падения на шунте и мощности нагрузки.
Микросхема INA226 и её регистры
На рисунке 4 показана структурная схема INA226. В зависимости от настроек микросхема измеряет напряжение шины питания VBUS и напряжение на шунте VSHUNT. По этим данным она вычисляет ток и мощность нагрузки.
Встроенный АЦП INA226 позволяет по отдельности настраивать время преобразования напряжения шины и напряжения на шунте, а также усреднять результаты нескольких измерений. Увеличение времени преобразования повышает точность, но замедляет измерения. Усреднение большего количества отсчётов улучшает отношение сигнал/шум, однако тоже увеличивает время получения результата. Поэтому параметры следует выбирать с учётом требований конкретной задачи, например скорости изменения измеряемых сигналов.
Для работы с INA226 используются как операции записи, так и чтения регистров.
Принципиальная схема модуля управления приведена на рисунке 6. Это несложная микропроцессорная система на базе ATmega32A, тактируемого внешним кварцевым резонатором частотой 12 МГц.
Этот микроконтроллер выбран из широкого семейства Atmel из-за низкой стоимости и большого объёма доступной энергонезависимой EEPROM-памяти. В ней хранятся настраиваемые пользователем параметры — более 800 байт данных. При этом программа занимает только 36% памяти Flash.
Рисунок 6. Схема модуля управления ЛБП.
Главная задача микроконтроллера — управление пользовательским интерфейсом, в который входят:
• 9 микропереключателей для прямого доступа к основным функциям источника питания; два переключателя оснащены сигнальными светодиодами;
• 2 энкодера для грубой и точной настройки параметров. Для обработки энкодеров используются внешние прерывания INT0 и INT1 микроконтроллера;
• графический COG-дисплей с разрешением 128 × 64 пикселя и популярным контроллером ST7565R;
• пьезоэлектрический зуммер;
• двусторонний асинхронный последовательный интерфейс со скоростью 57600 бит/с.
Дисплей питается напряжением 3,3 В, а микроконтроллер и система со стороны силового модуля — напряжением 5 В. Поэтому для дисплея установлен стабилизатор U1 (NCP1117DT33G), а для согласования логических уровней — однонаправленный преобразователь U3 (4050D). Этого достаточно, поскольку дисплей использует SPI только для записи.
К дополнительным задачам микроконтроллера относятся:
• работа с аппаратной шиной I²C, называемой у микроконтроллеров Atmel интерфейсом TWI; через неё микроконтроллер обменивается данными с MAX5805 и INA226 по линиям SDA и SCL;
• работа с программным интерфейсом 1-Wire, по которому микроконтроллер общается с термометром DS18S20 на силовом модуле;
• управление реле, переключающим отводы силового трансформатора для питания OPA549; сигнал выведен на контакт TAP разъёма;
• управление вентилятором охлаждения радиатора силовых элементов; сигнал FAN;
• управление силовым выходом усилителя; сигнал ENA;
• обработка сигнала тревоги INA226 и реализация защиты от сверхтока. Для этого используется сигнал ALARM и внешнее прерывание INT2 микроконтроллера.
Микропереключатели VSET, LIMIT, WAVE и STORE/SETUP обеспечивают прямой доступ к пяти режимам работы ЛБП.
• VSET — регулируется только выходное напряжение. Энкодер COARSE служит для грубой регулировки с шагом 200 мВ, а FINE — для точной, с шагом 10 мВ.
• LIMIT — регулируется только значение ограничителя тока. COARSE меняет его с шагом 200 мА, FINE — с шагом 10 мА.
• WAVE — настройка параметров произвольного сигнала и запуск его генерации. COARSE и FINE используются для грубой и точной настройки выбранного параметра.
• STORE — настройка и запуск передачи данных о токе и напряжении нагрузки через последовательный интерфейс в приложение на ПК. Энкодеры используются для грубой и точной настройки параметров.
• SETUP — настройка основных аппаратных параметров ЛБП. Энкодеры также обеспечивают грубую и точную регулировку.
Микропереключатели M1…M5 используются для считывания и сохранения текущих параметров устройства — выходного напряжения и тока ограничителя — в режимах VSET и LIMIT. В режиме WAVE они позволяют считывать и сохранять параметры произвольного сигнала.
Всего предусмотрено пять банков памяти настроек устройства и пять банков памяти параметров произвольного сигнала. Это делает ЛБП функциональным и современным устройством.
Модуль последовательного интерфейса
Схема последовательного интерфейса показана на рисунке 7. Она построена на микросхеме FT232RL, которая соединяет интерфейс USART микроконтроллера с USB-портом компьютера.
Рисунок 7. Схема модуля последовательного интерфейса.
Интерфейс обеспечивает две функции:
• STORE — циклическую передачу значений напряжения и тока нагрузки в формате UXXXX,IXXXX. Напряжение передаётся с разрешением 10 мВ, в диапазоне 0…2500; ток — с разрешением 1 мА, в диапазоне 0…5000.
• управление текущими настройками источника простыми ASCII-командами через USB:
o выходное напряжение — UXXXX, разрешение 10 мВ, диапазон 0…2500;
o ток ограничителя — IXXX, разрешение 10 мА, диапазон 0…500.
Для этих функций используются фиксированные параметры передачи: 57600 бит/с, 8 бит данных, без контроля чётности, 1 стоповый бит.
Вместо описанного интерфейсного модуля можно подключить к разъёму INTERFACE модуля управления Bluetooth-модуль, например HC-05, и управлять устройством с мобильного приложения. Это легко реализовать, поскольку на разъём выведены сигналы TX и RX, линии данных и питание VCC (+5 В) и GND.
Сборка модулей ЛБП описана по отдельности: их механические конструкции и порядок монтажа различаются.
Силовой модуль. Монтажная схема показана на рисунке 8. Сборку начинают с установки SMD-микросхем, расположенных по обеим сторонам платы. Несмотря на мелкий шаг выводов и небольшие корпуса, для пайки не нужны специальные инструменты или оплётка для удаления припоя. Достаточно обычной паяльной станции, достаточного количества флюса и тонкого припоя.
Рисунок 8. Схема сборки силового модуля блока питания.
Затем устанавливают остальные SMD-компоненты, после чего монтируют небольшие выводные детали: резисторы, небольшие керамические конденсаторы и диоды. Перед установкой крупных компонентов рекомендуется нанести припой на широкие дорожки с обеих сторон платы: они будут проводить большой ток и не покрыты паяльной маской. В последнюю очередь устанавливают реле, разъёмы и силовые компоненты. Смонтированный силовой модуль показан на фотографии 9.
Фото 9. Вид собранного силового модуля блока питания.
Модуль управления. Монтажная схема приведена на рисунке 10. Сначала припаивают микросхемы и SMD-кварцевый резонатор к соответствующим сторонам платы. Пайка резонатора может быть непростой из-за корпуса и труднодоступных выводов. Поможет предварительное нанесение толстого слоя припоя на выводы компонента и площадки платы. Затем резонатор прикладывают к плате и поочерёдно прогревают места соединений.
Рисунок 10. Схема сборки модуля управления.
После установки этих компонентов монтируют остальные SMD-детали, кнопки и энкодеры. В последнюю очередь устанавливают соединительные разъёмы и пьезоэлектрический зуммер с обратной стороны платы.
Затем монтируют подсветку ЖК-дисплея, располагая её в нужном месте относительно корпуса дисплейного модуля. Сам дисплей устанавливают так, чтобы верхняя поверхность стекла находилась на 1–2 мм ниже уровня, определяемого концами осей кнопок M1…M5.
У кнопок VSET и LIMIT со встроенными светодиодами снимают штатные прозрачные механические толкатели. В этом устройстве их заменяют специально изготовленные прямоугольные прозрачные кнопки, являющиеся частью передней панели. Смонтированный модуль управления показан на фотографии 11.
Фото 11. Вид собранного модуля управления.
Интерфейсный модуль. Его монтажная схема приведена на рисунке 12. Сначала устанавливают микросхему FT232RL, для чего потребуется определённая сноровка. Компоненты с таким шагом выводов можно припаять обычной паяльной станцией, используя качественный припой с флюсом и оплётку для удаления излишков припоя между выводами. Важно не перегреть микросхему. Затем устанавливают остальные SMD-компоненты, разъём и USB-гнездо. Собранный модуль показан на фотографии 13.
Рисунок 12. Схема сборки интерфейсного модуля.
Фото 13. Вид собранного интерфейсного модуля.
При разработке программного обеспечения ЛБП приоритетами были удобство и простота управления. Устройство работает в пяти режимах, которым соответствуют отдельные экранные меню и функции органов управления.
Независимо от выбранного режима энкодер COARSE всегда служит для грубой настройки параметра, а FINE — для точной, как и в обычных аналоговых устройствах.
Кнопка, встроенная в ось энкодера и обозначенная OK, независимо от того, каким энкодером пользуются, служит для входа в режим редактирования выбранного — подсвеченного — параметра и выхода из него. Это относится к меню, в которых можно изменять несколько параметров, например WAVE, STORE и SETUP.
Дополнительно, когда устройство находится в режиме VSET (установка выходного напряжения) или режиме LIMIT (установка значения ограничителя тока), загорается соответствующий светодиод на кнопке, предназначенной для активации этого режима. В режиме VSET это зеленый светодиод, а в режиме LIMIT — красный. Экран меню для режимов VSET и LIMIT показан на рисунке 14.
Рисунок 14. Экран меню для режимов VSET и LIMIT.
В верхней части экрана отображается выходное напряжение с разрешением 10 мВ. Значок «стрелка» показывает, что активен USB-интерфейс и поступают команды управления. Значок вентилятора означает, что вентилятор охлаждения включён. Также отображаются температура радиатора и значок «замок», показывающий, что кнопки на панели заблокированы. Кнопка OK, встроенная в ось энкодера, при блокировке остаётся активной.
Блокировка кнопок включается и выключается длительным нажатием на ось любого энкодера. Она защищает от случайного изменения выходных параметров. В нижней части экрана отображаются текущий ток нагрузки с разрешением 1 мА и заданный ток ограничения с разрешением 10 мА.
В режимах VSET и LIMIT короткое нажатие M1…M5 загружает из EEPROM параметры устройства — напряжение и ток ограничения — из выбранного банка памяти. Длительное нажатие сохраняет текущие параметры в этот банк. При сохранении звучит зуммер. После включения питания устройство автоматически загружает настройки из банка M1.
Режим WAVE
Ещё один режим работы ЛБП — это режим, позволяющий генерировать произвольные формы напряжения, заданные пользователем, обычно обозначаемые как WAVE. Экран меню для режима WAVE показан на рисунке 15.
Рисунок 15. Экран меню в режиме WAVE.
В режиме WAVE пользователь может задать, сохранить и запустить генерацию произвольного профиля напряжения. Он может включать до 40 точек. Для каждой точки задаются целевое выходное напряжение с разрешением 10 мВ и время его достижения с разрешением 1 мс.
Начальное напряжение — текущее значение выхода VSET. Если включён режим зацикливания, в качестве начального для очередного повторения используется напряжение последней точки предыдущего цикла.
В меню можно задать:
• число точек — от 1 до 40;
• зацикливание сигнала — включено или выключено;
• напряжение каждой точки — 0…25,00 В;
• время достижения заданного напряжения — 1…1000 мс.
Для перемещения по пунктам меню используется любой из энкодеров. Кнопка OK включает и выключает редактирование выбранного параметра. Во время редактирования каждый энкодер выполняет свою функцию настройки.
Выбор пункта Start запускает генерацию сигнала. Вместо надписи Start появляется In progress!. На это время управление источником через внешний USB-интерфейс отключается. Генерация завершается автоматически после прохождения всех точек, если сигнал не зациклен. Её также можно прервать в любой момент коротким нажатием кнопки WAVE.
После завершения или прерывания надпись In progress! сменяется на Start, и устройство возвращается к настройке параметров WAVE. Управление через USB снова становится доступным.
В режиме WAVE короткое нажатие M1…M5 загружает параметры сигнала из выбранного банка EEPROM, а длительное — сохраняет туда текущий сигнал. Во время сохранения звучит зуммер, а на экране появляется уведомление.
Следует учитывать, что изменение напряжения между точками происходит дискретно. Поэтому при большой разнице напряжений и малом времени перехода выходное напряжение будет меняться заметными ступенями. Размер шага рассчитывается по формуле:
ΔV = |Vn − Vn−1| / Tn
Для первой точки Vn−1 = VSET.
На рисунке 16 приведён пример зацикленного сигнала с тремя точками.
Рисунок 16. Пример зацикленной произвольной формы сигнала для случая 3 точек.
Режим STORE
Следующий режим работы ЛБП — режим STORE, для которого экран меню показан на рисунке 17. Этот режим позволяет включить (1) или отключить (0) циклическую отправку текущих значений напряжения приемника и тока через внешний USB-интерфейс.
Рисунок 17. Экран меню в режиме STORE.
Можно установить временной интервал между последующими передачами данных в диапазоне 100…1000 мс. Структура отправляемого кадра данных уже была описана, поэтому мы не будем повторять ее здесь.
Режим SETUP
Последний режим работы ЛБП — это режим SETUP, меню которого показано на рисунке 18.
Рисунок 18. Экран меню в режиме SETUP.
Режим SETUP предназначен для настройки основных параметров устройства:
• контрастности ЖК-дисплея;
• смещения выходного напряжения (Offset);
• температуры радиатора, при которой включается вентилятор;
• функции автоматического повторного включения — Retrip.
Параметр Offset имеет диапазон −9…+9, что соответствует коррекции напряжения от −90 до +90 мВ. Эта функция компенсирует неточность резисторов в отрицательной цепи обратной связи OPA549 и позволяет скорректировать выходное напряжение по измерению точного мультиметра. Изменение Offset сразу отражается на выходном напряжении, заданном в меню VSET.
Выйти из режимов WAVE, STORE и SETUP можно повторным нажатием соответствующей кнопки. Устройство возвращается в режим, который был активен до входа в меню, то есть VSET или LIMIT. При этом загорается индикатор соответствующего режима.
Ограничитель тока
Встроенный ограничитель тока активен всегда, независимо от текущего режима работы. Он срабатывает, когда ток нагрузки превышает значение, заданное в режиме LIMIT: 0…5,00 А с шагом 10 мА.
При срабатывании ограничителя устройство отключает силовой выход от нагрузки, прекращает приём команд через USB и останавливает генерацию произвольного сигнала, если она выполнялась. Красный светодиод кнопки LIMIT начинает мигать, а зуммер издаёт длинный сигнал.
В этом состоянии единственным активным элементом интерфейса остаётся кнопка LIMIT. Она служит для сброса сигнала тревоги и возврата к прежнему режиму — но только если ток нагрузки уже снизился ниже установленного порога ограничения. Иначе устройство останется в состоянии защиты.
После срабатывания защиты каждое нажатие LIMIT запускает новую попытку включить силовой каскад и плавно поднять напряжение до значения VSET: подъём выполняется за 100 шагов в течение 500 мс.
Если ограничитель сработал во время генерации сигнала WAVE, после исчезновения причины тревоги устройство возвращается в режим WAVE, но генерация автоматически не продолжается. Это равносильно ручному прерыванию процесса кнопкой WAVE. Внешний USB-интерфейс после снятия тревоги включается автоматически.
Предусмотрен и автоматический выход из состояния защиты с помощью функции Retrip в меню SETUP. Если она включена, устройство повторяет попытку включения каждые 2 секунды после срабатывания ограничителя.
При проектировании этого ЛБП я хотел, чтобы его механическая конструкция не уступала готовым устройствам, а в некоторых отношениях даже превосходила их. Мне непонятно, почему производители большинства лабораторных источников — если не всех — делают их корпуса очень узкими и при этом глубокими. Такой прибор трудно поставить на стол так, чтобы дисплей был обращён к пользователю и устройство не мешало работать.
Если бы корпуса источников питания были похожи на корпуса лабораторных измерительных приборов — например, цифровых осциллографов, — пользоваться ими было бы намного удобнее. На таком столе прибор было бы легче расположить, а при необходимости устройства можно было бы ставить друг на друга.
Самостоятельно изготовить профессиональный корпус, на мой взгляд, большинству любителей не под силу: для этого нужны специальные инструменты. Поэтому я обратился за помощью к компании «FOSTER». Благодаря сотрудничеству с одним из специалистов и его большой заинтересованности в проекте удалось создать конструкцию, внутренний вид которой показан на фотографии 19.
Фото 19. Внутреннее устройство корпуса ЛБП, вид сверху.
Корпус получился компактным. Он изготовлен из стального листа толщиной 1 мм с порошковым покрытием: матовым чёрным, с лёгкой текстурой. Передняя панель выполнена из алюминиевого листа толщиной 2 мм и покрыта специальной краской, имитирующей поверхность алюминия. Это было необходимо, поскольку в переднюю панель запрессованы специальные винты и втулки. Они позволяют, во-первых, прикрепить панель к корпусу четырьмя винтами, запрессованными по краям, а во-вторых — закрепить плату модуля управления на панели четырьмя резьбовыми втулками M3 длиной 11 мм.
Чтобы сделать переднюю панель прототипа, показанного на фотографиях, ещё привлекательнее, на неё наклеили дополнительную деталь — щётку из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Платы силового модуля и внешнего интерфейса крепятся к основанию корпуса с помощью дистанционных втулок длиной соответственно 5 и 9 мм.
Силовые компоненты прикручены к радиатору, установленному с задней стороны корпуса. Сам радиатор четырьмя винтами закреплён на задней стенке, где вырезано отверстие нужного размера для установки элементов силового модуля: усилителя OPA549, мощного выпрямительного моста и термометра DS18S20.
В днище корпуса предусмотрены дополнительные отверстия для установки маломощного трансформатора, питающего цифровую часть и отрицательную шину OPA549. Шесть отверстий позволяют закрепить трансформаторы разных типов. Для тороидального трансформатора предусмотрено отверстие диаметром 5 мм; его установка выполняется с помощью монтажного комплекта. Там же крепятся четыре ножки корпуса.
На задней панели, помимо радиатора, сделаны отверстия для установки внатяг держателя предохранителя и сетевого разъёма, а также для USB-гнезда, которое вместе с платой закреплено на основании устройства.
На правой боковой стенке предусмотрены монтажные отверстия для вентилятора, охлаждающего силовые компоненты, а также группа отверстий в форме пчелиных сот. Через них вентилятор забирает воздух снаружи, оставаясь безопасным для окружающих.
- В алюминиевой передней панели предусмотрены отверстия для всех элементов пользовательского интерфейса:
- девять прямоугольных отверстий для кнопок;
- два круглых отверстия для энкодеров;
- два круглых отверстия для выходных лабораторных гнёзд;
- прямоугольное отверстие для защитного стекла дисплея;
- отверстие для выключателя питания, устанавливаемого внатяг.
Передняя панель со всеми размерами показана на рисунке 20.
Рисунок 20. Передняя панель устройства со всеми указанными размерами.
Желающим самостоятельно изготовить корпус можно рассмотреть покупку и доработку стандартного стального корпуса T82 размером 220 × 160 × 65 мм (ширина × глубина × высота). В этом случае потребуется укоротить переднюю панель с рисунка 20 и уменьшить высоту радиатора с 70 до 65 мм. Также нужно продумать, как установить модуль управления, высота которого составляет 66 мм.
Тем не менее я рекомендую приобрести готовый комплект компании «FOSTER»: это значительно упростит изготовление прибора и придаст ему профессиональный вид.
Кнопки передней панели
Отдельного внимания требуют механические детали, выполняющие роль кнопок. Признаюсь, я долго искал подходящее готовое решение. Мне нравились полупрозрачные, обычно прямоугольные клавиши, которые устанавливают в цифровых осциллографах. Их делают из силикона, и иногда они подсвечиваются в зависимости от выполняемой функции.
Однако готовый подходящий переключатель, который можно было бы купить и сразу установить, найти не удалось. Исключением были изделия одной компании, но они стоили слишком дорого. Поэтому пришлось разработать собственное решение из нескольких деталей.
В итоге выяснилось, что можно взять готовую силиконовую клавиатуру с подсветкой, вырезать из неё нужные кнопки, а затем наклеить на небольшие прозрачные пластиковые пластины-ободки. Они не дают кнопкам выпасть из отверстий корпуса. Получившиеся детали служат механическими толкателями, нажимающими на кнопки, припаянные к плате модуля управления. Это обычные микропереключатели или переключатели HIGHLY со встроенным светодиодом — перед установкой у них снимают прозрачный толкатель. Получившееся решение показано на фотографии 21.
Фото 21. Установка блока управления и функциональных кнопок.
В устройстве на фотографии использованы прозрачные кнопки, вырезанные из силиконовой клавиатуры для манипуляторов охранных систем Satel серии Integra. Затем их укоротили. Я получил эту клавиатуру благодаря любезности сервисного отдела компании Satel, за что выражаю благодарность.
В качестве альтернативы такие кнопки можно изготовить из прозрачного или матового оргстекла толщиной 6 мм: выфрезеровать на станке с ЧПУ, обработать вручную или напечатать на 3D-принтере. Чертежи кнопок и защитного стекла дисплея приведены на рисунках 22 и 23.
Рисунок 22. Технический чертеж кнопок, используемых в ЛБП.
Рисунок 23. Технический чертеж защитной пленки для ЖК-экрана, используемой в ЛБП.
В верхней крышке корпуса предусмотрены вентиляционные отверстия. Она крепится к остальной части корпуса несколькими винтами, головки которых утоплены в материале.
Установка битов конфигурации:
CKSEL3...0: 1111
SUT1...0: 11
CKOPT: 0
JTAGEN: 1
BODEN: 1
EESAVE: 0