Регулируемый источник питания с предустановкой

Автор: Klepko
Опубликовано 21.09.2020
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2020!"

Многие промышленные регулируемые блоки питания позволяют задавать выходные параметры в цифровом виде, поэтому решено было для домашнего пользования сделать источник питания с аналогичной функцией. От источника требовалось крайне мало:стабилизировать напряжение, ограничивать ток, иметь две ручки регулировки выходных параметров, крупные цифры и мощность около 100 Вт.

Описываемый источник питания состоит и 4 частей:

1) Силовая плата

2) Дежурный источник

3) Аналоговая часть

4) Цифровая часть

Схема силовой платы:

Силовая плата выполнена на шим контроллере UC3843. Выходная мощность 100 вт., напряжение 16 вольт, ток 6 ампер. Классический обратноходовый преобразователь. Для для мощности 100 вт. данное решение является оптимальным, с очень распространенными и доступным деталями. Дежурный источник питается от сетевого конденсатора С2 и запитывает шим контроллер D1 и вентилятор напряжением 12 вольт, а цифровую схему гальванически развязанным напряжением 5 вольт. Обратная связь выполнена на оптроне U1. На стабилитроне VD5 R19 выполнена защита от превышения выходного напряжения. Частота работы преобразователя 50-60 кГц. Трансформатор выполнен на сердечнике ETD34 с зазором в двух половинках по 0,5 мм. Первичная обмотка 58 витков а вторичная 10 витков.

Краткая инструкция из четырех формул для расчета трансформатора под другой сердечник, или напряжение.

Для расчета необходимо знать требуемую выходную мощность, минимальное входное постоянное напряжение (после сетевого конденсатора, минимальное значит с учетом величины пульсаций на входной емкости), примерный коэффициент заполнения импульсов при минимальном входном напряжении (чтобы на силовом ключе не было превышения напряжения из за отраженного напряжения можно ориентироваться на величину 0,3), сечение магнитопровода (из даташита на сердечник), частоту преобразования (она фиксированная задается C7 R16), магнитную индукцию (как правило не более 0,3 чтобы феррит не входил в насыщение), и требуемое выходное напряжение.

Вычислим максимальной ток ключа Imax = 2*Pin/(Umin*D), Pin выходная мощность, D коэффициент заполнения

Вычислим индуктивность первичной обмотки L = Umin*D/(Imax*F) , F частота

Вычислим витки первичной обмотки N1 = L*I/(B*S), B магнитная индукция, S сечение магнитопровода

Вычислим витки вторичной обмотки N2 = Uout*N1*(1 – D)/(Umin*D)

Осталось из даташита на феррит выбрать сердечник с таким зазором, чтобы индуктивность с витками N1 была максимально близка к расчетной L.

Для более точного расчета выходную мощность требуется вычислять с учетом кпд а выходное напряжения с учетом падения на выходном диоде. Для быстрого расчета добавил во вложении калькулятор в Excel.

Для уменьшения индуктивности рассеяния следует мотать половину первичной обмотки трансформатора, вторичную обмотку равномерно поверх первой половины и равномерно вторую половину поверх вторичной обмотки.

Ниже осциллограммы работы источника при входном напряжении 240 вольт постоянного тока (минимальное расчетное значение входного напряжения на входном электролите с учетом пульсаций), выходное напряжение 16 вольт, ток 6 ампер (максимальная мощность):

 Из осциллораммы видно, что напряжение на силовом ключе (без учета выброса) составляет 337 вольт, что совпадает с расчетным значением (входное напряжение 240 вольт + 95,7 отраженное = 335,7 вольт), следовательно трансформатор намотан верно.Выброс имеет приемлимую величину и в нем практически отсутствуют осцилляции из за примения медленного диода VD3. На выходном диоде обратное напряжение составит Uin*Ns/Np+Uout=240*10/58+16=57 вольт, что подтверждается осциллограммой:

Ниже термограмма при долговременной работе источника от сети переменного тока 230 вольт, выходное напряжение 16 вольт, ток 6 ампер.

Самая горячая точка это трансформатор и диод VD3. Греются - значит работают)

Схема источника дежурных напряжений

Источник дежурного напряжения необходим для реализации регулирования выходного напряжения 0..16 вольт. Он питает цифровой вольтметр, шим контроллер и вентилятор. Он выполнен на микросхеме OB2358 которая содержит в себе высоковольтный ключ. Обратная связь берется с выхода 5 вольт через стабилитрон VD5 резистор R9 и оптрон U1.Мощность источника 5 Вт, 5 вольт 500ма и 12 вольт 200ма. Трансформатор выполнен на сердечнике EFD20 c зазором 0,08 мм, первичная обмотка 177 витков, обмотка 2 и 3 46 витков, обмотка 4 (5 Вольт) 24 витка.

Аналоговая схема:

Плата аналоговой части подключается к плате преобразователя через разъём X1. Входное напряжение 5 вольт стабилизируется LDO D1 в 3,3 вольта. На операционном усилителе D2A реализована обратная связь по току а на D2B по напряжению. К 6 и в2 ногам D2 подключены резисторы настройки выходного напряжения и тока, но они расположены в цифровом вольтметре, поэтому здесь не указаны (они подключены через разъём X2 который идет на цифровой вольтметр). Изначально планировалось совместить аналоговую и цифровую часть на одной плате лицевой панели, но операционные усилители оказались чувствительны к длине соединительных проводов и происходило самовозбуждение обратной связи, поэтому операционные усилители пришлось расположить максимально близко на силовой плате.

Схема цифрового вольтметра:

Вольтметр выполнен на микроконтроллере STM8S003F3P6. Через разъём X1 плата подключена к аналоговой плате. Разъём X5 для программирования. Через разъём X7 подключается дисплей. Дисплей цветной, от NOKIA1616, работа с ним здесь уже подробно описывалась. Питающее напряжение 3,3 вольта тщательно фильтруется фильтром L1, C1-3. Фильтрация очень важна, так как для данного микроконтроллера питающее напряжение является опорным для ADC.В микроконтроллере задействовано 4 канала ADC. Два канала считывают значения предустановленных параметров с резисторов R1, R2 (установка выходного напряжения и тока) и еще два канала фактические значения выходного тока и выходного напряжения. Кнопка SB1 включает или выключает силовую плату. На дисплее отображаются, в зависимости от положения SB1 установленные/фактические выходное напряжение, ток и мощность.

Конструкция.

Так как подходящего корпуса не нашлось, то от изготовлен самостоятельно из профильной трубы и оцинковки.Из профильных труб изготовлен каркас который сверху обшит оцинковкой и покрашен. Первоначально вместо краски корпус был обтянут черной пленкой, но пленка очень красиво смотрится где нибудь на полке, а при эксплуатации, падениях и контакте с припоем быстро портится и теряет внешний вид. Силовая и цифровая платы крепятся к каркасу через латунные втулки.На силовые полупроводники установлен радиатор - кусок алюминиевого профиля.

В задней части корпуса установлен вентилятор и разъём сетевого питания с предохранителем

Спереди установлен дисплей, ручки регулировки выходного напряжения и ограничения тока, желтая кнопка включения/выключения и клеммы

Работа источника приведена на видео. https://yadi.sk/i/hpmxrRa9huEOyQ

Во вложениях схемы и платы в Altium и исходники для STM8.

Все вопросы в Форум.

Файлы:
Исходники программы мк
Калькулятор Excel
Исходники дежурки
Исходники цифровой платы
Исходники аналоговой платы
Исходники силовой платы
Исходники силовой платы
Исходники силовой платы

Все вопросы в Форум.