Моддинг блока питания..

Автор: ARV
Опубликовано 08.05.2007

Вашему вниманию предлагается схема, позволяющая вдохнуть "вторую молодость" в ваш старый блок питания - устройство индикации и управления блока питания (далее - просто устройство).
Устройство может быть использовано практически с любым блоком питания - самодельным или заводским, при этом в большинстве случаев переделки схемы БП не потребуется или она будет очень незначительной. Единственное ограничение - блок питания должен быть однополярным.
Устройство обеспечивает следующие параметры и функции:
    1. Измерение и индикация выходного напряжения блока питания в диапазоне от 0 до 50В, с дискретностью 0,1В.
    2. Измерение и индикация выходного тока нагрузки блока питания в диапазоне от 0 до 5А с дискретностью 10 мА.
    3. Погрешность измерения - не хуже +0,1В (напряжение) или +10мА(ток).
    4. Формирование регулируемых опорных напряжений в диапазоне от 0 до 5В для использования в схеме БП в качестве задатчиков уровней выходного напряжения и ограничения выходного тока.
    5. Управление всеми функциями при помощи 3-х кнопок без фиксации.
К числу важных достоинств устройства следует отнести небольшие габариты (47х55х20мм).
Схема устройства показана на рисунке:

Устройство выполнено на микроконтроллере DD1 (МК) ATMega8-16PI, который выполняет все необходимые функции. Количество дополнительных элементов схемы - минимально. Разъем ХР1 служит для подключения к схеме БП, а так же выполняет функцию крепежного элемента. На разъем подаются следующие сигналы: общий провод БП, питание +5:30В, сигнал с выхода БП (измерение напряжения), напряжение с выходного шунта БП (измерение тока). Так же к разъему подключаются 3 кнопки управления.
Примерная схема подключения устройства к БП показана на рисунке ниже:

Резисторы на схеме - типа МЛТ-0,125 или импортные аналоги, электролитические конденсаторы типа К50-35 или аналогичные, напряжением не менее 6,3В, емкость их может отличаться в бОльшую сторону. Светодиод - любой диаметром 3 мм. Конденсаторы 0,1 мкФ - керамические импортные. Вместо DA1 78L05 можно применить любые аналоги. Максимальное напряжение питания устройства определяется масимальным допустимым входным напряжением этой микросхемы. О типе индикаторов сказано далее. Разъем ХР1 - типа PLD-20 (двухрядная вилка). При переработке печатной платы возможно применение иных типов компонентов, в том числе SMD.
Если в схеме БП уже имеется в цепи "минуса" встроенный шунт сопротивлением 0,2 Ом - можно попытаться подключиться прямо к нему, если нет - придется использовать дополнительный.
Для питания устройства может использоваться либо отдельный стабилизированный источник питания +5В (тогда микросхема DA1 не нужна), либо нестабилизированный источник +7:30В (с обязательным использованием DA1). Потребляемый устройством ток не превышает 50мА. Следует обращать внимание на то, что стабильность питающего напряжения косвенно влияет на точность измерения тока и напряжения.

Устройство вырабатывает 2 постоянных регулируемых напряжения (сигналы "Рег.I" и "Рег.U" разъема ХР1) в диапазоне от 0 до 5В. Эти напряжения получаются методом фильтрации ШИМ-сигналов, формируемых МК. Простейший RC-фильтр второго порядка обладает достаточно высоким выходным сопротивлением, поэтому максимальное значение напряжения на указанных выходах зависит от сопротивления цепей, к которым эти напряжения прикладываются. Обычно, схемы регуляторов БП строят с применением ОУ, входное сопротивление которых весьма велико, поэтому проблем с согласованием возникнуть не должно.
Напряжение "Рег.U" должно подаваться в схему регулятора выходного напряжения БП в качестве опорного. Обычно, для этой цели применяют переменный резистор, неподвижные контакты которого подключаются к стабильному источнику опорного напряжения, а с подвижного контакта снимается напряжение, используемое в схеме для установки выходного уровня. При использовании описываемого устройства сигнал управления формирует само устройство, поэтому переменный резистор оказывается не нужен (или нужен лишь для согласования диапазонов напряжений). Аналогично используется и сигнал "Рег.I", только для схемы регулирования порога ограничения тока БП (или порога срабатывания защиты). Само устройство никакой защиты не реализует, эту задачу должна решать штатная схема БП.
Особо стоит обратить на схему индикации. Основной индикатор состоит из 3-х семисегментных LED-индикаторов, но дополнительно может подключаться еще один аналогичный - для этого предусмотрены клеммы Х1...Х11.
Схема дополнительного индикатора показана на рисунке:

Индикация - динамическая, но не поразрядная, как обычно принято, а посегментная. Это позволило свести число токоограничительных резисторов всего до 3 штук на один индикатор и отказаться от необходимости дополнительных транзисторных ключей, т.к. максимальный ток порта МК в данной схеме не превышает допустимые 40 мА. Кроме того, такое решение позволило лишь путем изменения программы реализовать возможность использования индикаторов как с общим анодом, так и с общим катодом. Кстати, показанный на схеме светодиод VD1 так же должен быть включен в соответствии с типом примененных индикаторв. Тип индикаторов может быть любым - как отечественным, так и импортным. Последний вариант предпочтительнее, т.к. во-первых, под него разработана печатная плата, а во-вторых, среди импортных индикаторов имеется большое количество сверхярких, применение которых желательно (особенно для индикаторов зеленого свечения). В моем варианте применены индикаторы LTS547G зеленого свечения с высотой цифры 12 мм (это довольно древние, малояркие индикаторы, найденные в запасах). Имеется много типов в точно таком же корпусе, но с высотой цифры 15мм и более.

Печатная плата разработана только для основного модуля устройства, надеюсь, плата дополнительного индикатора затруднений не вызовет. Файлы с рисунками сторон платы, а так же с размещением элементов, доступны для скачивания одним архивом project.rar. Рисунки сторон выполнены a TIFF-формате с разрешением 600dpi, что позволяет сразу применять их для ЛУТ.
Элементы на плате устанавливаются с обеих сторон, поэтому важен порядок сборки:
    1.Сначала необходимо пропаять перемычки (переходные отверстия), которых много под индикаторами и микроконтроллером.
    2.Затем следует установить резисторы R3, R6 и R11.
    3.Затем микроконтроллер DD1. Для него можно использовать цанговую панельку, при этом ее надо устанавливать не до упора в плату, чтобы можно было пропаять ее выводы с обеих сторон.
    4.Затем все прочие элементы, разъем ХР1 устанавливается в последнюю очередь.

Благодаря тому, что сигналы МК, используемые для его программирования, выведены на разъем, можно произвести прошивку уже после сборки устройства. Рекомендую использовать программатор ChipBoom с простейшим адаптером для СОМ-порта, но не возбраняется и другие варианты. ChipBoom предпочтительнее потому, что для него уже имеется готовый файл настройки Fuse-битов МК (файл config.hex - загрузить и запрограммировать в блоке "Конфигурация"). Для тех, кто пожелает устанавливать Fuse-биты самостоятельно, скажу, что необходимо включить встроенный генератор 8 МГц, схему BOD настроить на уровень 4В и сконфигурировать генератор на запуск при медленно нарастающем напряжении питания.
Прошивок для МК разработано 14 вариантов - по 7 для индикаторов с общим анодом и катодом. Файлы прошивок с указанием реализуемых функций перечислены в таблице (плюсик означает наличие функции, минус - отсутствие):

Все файлы прошивок доступны для скачивания одним архивом - iv-meter.rar. Надеюсь, этих готовых вариантов достаточно, чтобы удовлетворить любые ваши желания и потребности.

Теперь коротко о том, как пользоваться устройством.
Если индикаторов 2 (основной и дополнительный), то основной всегда индицирует измеряемое значение напряжения БП. Дополнительный индикатор в зависимости от режима работы индицирует либо значение измеренного выходного тока, либо расчетное значение порога ограничения тока. В последнем случае светодиод VD1 мигает. Переключение режимов работы осуществляется кратковременными нажатиями кнопки "Выбор". Во время мигания светодиода кнопками "+" и "-" можно изменять уровень напряжения на выходе "Рег.I" - кратковременное нажатие меняет его на 1/256 максимального значения, длительное удержание - плавно и быстро изменяет его в указанную сторону. Когда светодиод не светится - эти кнопки регулируют уровень на выходе "Рег. U".
Если нажать кнопку "Выбор" более чем на 0,5 секунд - произойдет запоминание установленных выходных уровней "Рег.I" и "Рег. U" в энергонезависимой памяти МК, при этом на индикаторе высвечивается "ЗАП". При последующем включении питания эти значения будут автоматически включены. Если в памяти МК еще нет записанных значений (или же из-за исчерпания ресурса перезаписи памяти данные больше не сохраняются в ней), то при включении питания на индикаторах высвечиваются все горизонтальные сегменты, символизируя, что выходные уровни включены в состояние по умолчанию - ток на максимум, напряжение на минимум.

Если индикатор только 1 (основной), то напряжение, ток и расчетный уровень ограничения тока выводятся на нем поочередно - так же при переключении режимов кнопкой "Выбор". Светодиод в этом случае индицирует следующие режимы: не светится - индикация/регулирование напряжения (включается автоматически после подачи питания или сохранении режимов в памяти); светится непрерывно - индикация выходного тока БП; мигает - индикация расчетного уровня ограничения тока БП. Остальные функции остаются аналогичными.
Естественно, если используется прошивка с сокращенным набором функций - меняется и индикация, и управление.
Теперь о том, что такое "расчетный уровень ограничения тока БП". Дело в том, что невозможно простыми средствами контролировать реальное состояние схемы БП, которая ограничивает выходной ток (или обеспечивает защиту по току) при отсутствии КЗ на выходе. Поэтому используется следующий принцип: максимальный уровень на выходе "Рег.I" (около 5В) принимается соответствующим порогу ограничения БП в 5А, минимальный (нулевой) уровень на выходе "Рег.I" - соответствует отсутствию тока на выходе БП, а промежуточные значения (как раз и индицируемые) просто вычисляются по пропорции. Вы сами должны обеспечить реальное соответствие индицируемых значений фактическим, для чего, возможно, потребуется ввести в схему БП какие-то согласователи уровней (делители напряжения или усилители).
Несколько слов о допустимых входных параметрах устройства. Не смотря на то, что устройство рассчитано на измерение напряжения до 50В и тока до 5А, оно вполне успешно в состоянии измерять и индицировать напряжение до 99,9В и ток до 9,99А. Однако, следует учесть, что устройство автоматически производит коррекцию показаний, учитывая падение напряжения на шунте (см. рисунок 2), т.е. вычитая это падение из измеренного уровня напряжения (чтобы показания соответствовали реально присутствующему на нагрузке напряжению). Почему об этом надо помнить? Да потому, что если Ваш блок питания сможет каким-то чудом выдать ток 9А при выходном напряжении 1В, устройство произведет перерасчет Uвых=1В-9А*0,2Ом = -0,8В, а индикация отрицательных уровней не предусмотрена (как и уровней, для которых требуется 4 разряда индикации), поэтому вместо ложных показаний устройство выведет на индикатор напряжения символы "ЕЕЕ", обозначающие перегрузку прибора. Кстати, если применяются варианты прошивки без измерения тока, то корректировка напряжения при этом не происходит!
Надеюсь, этой информации достаточно, чтобы вы смогли осуществить моддинг своего блока питания, вам ведь всего-навсего надо продумать схему "внедрения" устройства в имеющийся у вас БП!

Файлы:
Куча прошивок - IV-meter.rar;
Схемы, платы - project.rar;

P.S. Внимание! Схема была изготовлена и налажена путем имитации работы БП, т.е. путем подачи напряжений на соответствующие входы. В схему реального БП не встраивалась, поэтому автор будет очень признателен всем, кто повторит конструкцию и, испытав ее в своей схеме, поделится впечатлениями и укажет на ошибки или непредвиденные нюансы.

P.P.S. Прилагаю фото собранной и налаженной платы устройства.

Вопросы складывать тут.