Лабораторный блок питания PSA2

[koyodza]

То, чего так ждали многие радиокоты...
В общем, без лишних предисловий начинаю публикацию материалов о давно обещанном лабораторном БП под названием PSA2

Выходное напряжение 0,1..40В (верхнее значение может быть другим - в зависимости от используемого трансформатора)
Ток ограничения 0,001..2А (максимальный ток тоже может быть другим, об этом позже)
Минимальный шаг установки напряжения 1мВ
Минимальный шаг установки тока 1мА
Скорость нарастания выходного напряжения 0,01..10000 В/сек (регулируется)
Допустимое напряжение, прикладываемое к выходу отключенного БП -50..+50В
Дискретность измерения выходного напряжения 1мВ
Дискретность измерения тока нагрузки 1(0,1)мА

Конструкция изначально задумывалась под возможности изменения требуемых максимальных значений выходного напряжения и тока. Без каких-либо изменений (кроме трансформатора) верхнее значение напряжения может быть изменено в пределах 10..48В, с незначительными изменениями до 75В
Верхнее значение тока может быть выбрано в пределах 0,5..3А (можно до 4А, но не рекомендуется), замены потребует только один резистор - токовый шунт.

Трансформатор должен иметь всего две обмотки: одна силовая, которая и определяет максимальные значения напряжения и тока, и вторая для питания схемы управления. Обмотки должны быть изолированы! Схемы управления питается от одного стабилизированного напряжения +12В, остальные напряжения формируются непосредственно на плате.

Для снижения рассеиваемой мощности выходной каскад PSA2 питается автоматически регулируемым напряжением. Для этого выпрямитель совмещён с пререгулятором, в котором применено фазовое (угловое, вертикальное) управление. Выходное напряжение пререгулятора поддерживается таким, чтобы обеспечивать минимально необходимое падение напряжения на линейном звене регулятора. Значение фазы угла открывания ключа пререгулятора рассчитывается микроконтроллером.

Блок питания может работать как в классическом для лабораторных БП режиме стабилизации тока и напряжения, так и с отключением выхода при переходе в режим стабилизации тока или напряжения по выбору, с регулируемой задержкой. Функция аналогична триггерной защите с той разницей, что до момента отключения ток ограничивается.

Выход PSA2 защищен от подачи напряжения любой полярности амплитудой не более максимального выходного напряжения независимо от наличия питания и текущего состояния выхода (даже если сам БП выключен). В отключенном состоянии токи утечки определяются в основном сопротивлением цепи ООС линейного регулятора и входным сопротивлением канала измерения напряжения (в текущей версии составляет более 40 кОм).

Конструкция содержит всего две печатные платы: плату управления (она достаточно сложная, когда я заказывал плату фотоспособом у одного из форумчан для предыдущей версии, у меня только на рассверливание отверстий и пропайку переходных ушел день) и силовую плату (она может быть изготовлена даже односторонней методом ЛУТ).

Функциональная схема:


Макет:


Расположение основных узлов:


Постепенно я буду обновлять и дополнять информацию, возможно даже по результатам обсуждения.
В настоящее время прошивка готова не полностью, пока пользователю доступен только основной функционал. Следите за новыми версиями.

Все материалы будут доступны по адресу: http://www.psa2.koyodza.com/

Здесь предлагается обсуждать технические вопросы реализации.
Вопросы поиска комплектующих там: viewtopic.php?f=55&t=92886

Предостережения:
1. Этот БП ориентирован на опытных товарищей. Если у Вас недостаточно опыта, лучше не пытайтесь его повторять.
2. Стоимость комплектующих для этого БП сравнима со стоимостью готового китайского БП. Поэтому если Вас они устраивают, не повторяйте эту конструкцию. Эта конструкция ориентирована на тех, кого по каким-то причинам не устраивают китайские БП за 100 уе.
3. Ни в коем случае не подключайте к БП отладчик, если Вы недостаточно хорошо понимаете схемотехнику. Силовые цепи здесь могут иметь значительный потенциал относительно слаботочных, и одно случайное касание земляным щупом осциллографа например может вывести из строя не только сам БП, но и отладчик, компьютер и осциллограф. По той же причине не замыкайте оптроны порта RS232
4. Тему буду по-возможности периодически чистить. Поэтому если вы зашли сюда справить потребности в троллинге, выделяйте пожалуйста свои сообщения сразу коричневым цветом, чтобы их было легче найти.
5. Фотографии собранных конструкций, размещаемые в теме, могут быть размещены в разделе "галерея" на сайте проекта. Если Вы не хотите размещения фотографий в галерее, не размещайте их. Если Вы желаете, чтобы авторство Ваших фотографий было указано явным образом, напишите об этом мне на

Важное объявление для тех, кто возможно думает о самостоятельной переразводке и изготовлении плат: в связи с попытками некоторых товарищей нажиться на чужом труде уже разделены свободно распространяемые демо-прошивки и полная версию, которая распространяется по подписке. Соответственно полная версия для самовольных повторяльщиков будет принципиально недоступна. О выходе новых прошивок будут уведомления на сайте.
Напоминаю, что PSA2 не является полностью "открытым проектом". Формально это "авторский проект", все права на который принадлежат исключительно автору. В том числе право запрета на копирование.


FAQ
1. Выбор трансформатора и требования к нему
viewtopic.php?p=1973365#p1973365
viewtopic.php?p=1849966#p1849966
viewtopic.php?p=1975543#p1975543
2. Охлаждение 7812 и 7805
viewtopic.php?p=1914859#p1914859
viewtopic.php?p=1853083#p1853083
3. Управление вентилятором
viewtopic.php?p=1981573#p1981573
4. Резисторы и конденсаторы SMD
viewtopic.php?p=1903452#p1903452
5. Выводные резисторы
viewtopic.php?p=1920947#p1920947
6. Индикатор
viewtopic.php?p=1885956#p1885956
7. Напряжение на отключенном выходе
viewtopic.php?p=2099390#p2099390
viewtopic.php?p=1828570#p1828570
8. Объявления об изменениях
viewtopic.php?p=2090508#p2090508
viewtopic.php?p=2099436#p2099436
viewtopic.php?p=2191754#p2191754
9. Различия между версиями
viewtopic.php?p=2047049#p2047049
viewtopic.php?p=2090899#p2090899
10. Особенности работы пререгулятора
viewtopic.php?p=1768677#p1768677
viewtopic.php?p=2115640#p2115640
11. Краткая инструкция по работе с меню
viewtopic.php?p=2205563#p2205563
12. Особенности заливки прошивки и сопутствующие вопросы
viewtopic.php?p=1870277#p1870277
viewtopic.php?p=1986068#p1986068 (подключение переходника на PL2303 в виде кабеля)
viewtopic.php?p=2191754#p2191754 (доработка для возможности перепрошивки без снятия крышки)
13. Лицензионные ограничения
viewtopic.php?p=1976573#p1976573
viewtopic.php?p=2099436#p2099436
viewtopic.php?p=2288934#p2288934

Официальный сайт проекта:
http://psa2.koyodza.com/

[mr_kot]

Симпатичная конструкция получилась. Респект
Индикатор с поддержкой кириллицы? Точнее, наверное, спросить так: используются ли кириллические символы при отображении информации?
Да и от комплекта плат тоже не отказался бы.

[koyodza]

На данный момент у меня индикатор без кириллицы, всё меню на "ломанном английском". В будущем возможно сделаю и руссифицированную версию, в этом случае потребуется индикатор с кириллицей. Однако там не так много текста, чтобы нужно было городить перевод, думаю и с английским все разберутся. Кроме латинских символов используются загружаемые псевдографические. В общем, если без русского меню, то китайские индикаторы без кириллицы подходят отлично.

[amv2000]

Ну здорово! первое, что бросается в глаза это корпус Даже ядовито желтый цвет смотрится привликательно.

[koyodza]

Это эксклюзивный экземпляр, в желтом оформлении Следующий будет белый.

Upd 10.10.13
После сборки БП с белой передней панелью пришел к выводу, что желтый всё-таки красивее. На фото цвет получился немного искаженным, слегка зеленоватым. На самом деле он лимонно-жёлтый.

[Starichok51]

40 Вольт с дискретностью 1мВ - это 40 тысяч дискрет. каким образом реализована такая точность?
то же самое и при измерении тока, 4 Ампера с дискретностью 0,1 мА - 40 тысяч дискрет.

[koyodza]

Вообще "точность" и "разрешающая способность" это не одно и то же. Реализовано использованием АЦП и несложных математических методов. Эквивалентная разрядность АЦП порядка 15-16 двоичных разрядов, эквивалентная разрядность ЦАП порядка 14 двоичных разрядов.

[Starichok51]

общие методы повышения "разрядности" мне известны.
с ЦАП это значительно проще, достаточно программных методов. а вот, с АЦП только за счет программы не получится. но, может быть, ты знаешь что-то, чего не знаю я?
хотелось бы подробностей, на основании чего ты можешь обещать 16 разрядов?

[morokot]

Вентилятор в системе есть? Если да, то где находится?
Вид сзади тоже неплохо было бы показать...

[jes]

koyodza, вам респект за лабораторный блок питания, работа проделана большая.
А как он работает (и сможет ли) на противоэдс, то есть на втекающий ток из нагрузки?

Попутно вопрос - вы применили данный микроконтроллер для "пробы пера", или это чем-то мотивировано?
На мой взгляд слишком уж он навороченный для данного БП, но, это ИМХО.

[jonpim]

А что, он по блютусу может управлятся ?Значек его на панели ...

[mr_kot]

Значек его на панели ...

Не только значек, но и модуль внутри стоит. Если, конечно, схему посмотреть.

[jonpim]

И софт есть по удаленному управлению ?

[morokot]

Автор писал, что софта пока нет, в разработке...
Меня интересует ответ на более важный вопрос: как осуществлять внутрисистемное программирование контроллера?
Я так понимаю это будет осуществляться по средствам flash loader demonstrator-а, но хотелось бы конкретней (перевод в режим программирования)

К примеру http://hobby-research.at.ua/publ/razrabotki/izmerenija/neil_scope_3/4-1-0-42 специальный джампер был для перевода в режим программирования...

[koyodza]

хотелось бы подробностей, на основании чего ты можешь обещать 16 разрядов?

Немного теории можешь найти у практически всех крупных производителей АЦП, например там и там, да и гугление с ключевыми словами "improving adc resolution by oversampling" или даже просто "oversampling" даст массу информации, есть даже в переводе на русский.

А как он работает (и сможет ли) на противоэдс, то есть на втекающий ток из нагрузки?

Практически никак: down programmer изначально рассчитан на ток 60-100мА, можно немного поднять, пусть до 300мА, или если выходное напряжение выбрать поменьше, то ещё немного выше. Такой ток он должен благополучно скушать, а дальше выходное напряжение начнёт расти. Есть источники, совмещающие в себе функции эквивалента нагрузки, но их цена начинается где-то с 1,5к уе и не зря, поскольку это уже другой класс устройств.
Здесь такая цель не ставилась по нескольким причинам.

Попутно вопрос - вы применили данный микроконтроллер для "пробы пера", или это чем-то мотивировано?
На мой взгляд слишком уж он навороченный для данного БП, но, это ИМХО.

Это семейство МК я применяю в разработках с 2007г.
Здесь довольно полно используются ресурсы выбранного МК, сделать то же самое на какой-то меге было бы достаточно сложно, потребовались бы внешние ЦАП и АЦП, конструкция вышла бы сложнее и дороже.

И софт есть по удаленному управлению ?

Софта по управлению пока никакого нет. Но во-первых, я планирую использовать ModBus, так что достучаться до прибора можно будет и сторонним софтом, пусть даже не очень удобным. Во-вторых, Bluetooth со стороны РС виден как обычный СОМ-порт, поэтому больших сложностей (за исключением искажения временной диаграммы) там нет, да и другие изделия с его использованием я уже проектировал.

как осуществлять внутрисистемное программирование контроллера?

Вскрываете крышку, закорачиваете джампер JP1, включаете питание и прошиваете через изолированный RS232 (напрямую, через встроенный или внешний переходник USB-232), отключаете питание, снимаете JP1, можно пользоваться. Подробную инструкцию в картинках сделаю, просто всё не успеваю, итак этот БП отнимает много времени.
Обновление прошивки возможно будет только по кабелю.

[elf.arxont]

Ничего себе лабораторничек!
Зачем такая точность? И модуль Синезуба зачем? Со смартфона управлять БП?

А так - БП адский и зачотный, круче и навороченнее него я не видел. А оформление - просто красота
Автору - респект и уважуха, не каждый так сможет вложить столько времени и сил в лабораторник.

[port122]

koyodza Здравствуйте, наконец то ваша разработка вышла в свет! Сама схема блока мне понравилась, чувствуется долгий и кропотливый труд.

При беглом осмотре схемы я наковырял несколько моментов для небольшой критики:

1. Резисторы R124 и R126 по сути в схеме включенны паралельно, возможно что R124 лишний?
2. Микросхема DA151:2 питается от 12 вольт, а её выход (7-я ножка) напрямую подключенна к микроконтроллеру (PD2 ножка 54), так как ОУ работает в режиме компаратора то на его выходе либо ноль, либо 12 вольт. Вопрос: как поживает контроллер у которого, я так понимаю порт PD2 (5V Tolerant) настроен на вход и выдерживает на входе не более 5 вольт. Так что резистор подтяжки R191 надо убрать, а на выходе ОУ DA151:2 поставить делитель, понижающий напряжение до 3,3-5 вольт.
3. В чём смысл каскада на VT223 и рассыпухи возле него?

P. S. Схемотехника измерения тока использованна настолько необычная, что у меня вскипел мозг чтобы понять как она работает. Обычно сигнал с шунта сначала усиливают а потом подают на компаратор, а вы как то одним элементом DA101:1 выкрутились, несколько настораживает.

[koyodza]

1. Резисторы R124 и R126 действительно по сути в схеме включены параллельно, но обратите внимание на точку подключения правого по схеме вывода R126. Так сделано, чтобы компенсировать возможные падения на общем проводе. Хотя конкретно в этой версии разводки ПП эта компенсация не понадобилась, и резисторы действительно стоят рядом, поэтому вместо двух резисторов можно поставить один на 4,7кОм
2. Микросхема DA151:2 питается от 12 вольт, но имеет выход с открытым коллектором, соответственно при лог.1 на выходе не +12В, а обрыв, и уровень лог.1 определяется подтяжкой.
3. На транзисторе VT223 собран ключ защиты выхода БП от превышения тока, например, при подключении к выходу БП аккумулятора в обратной полярности. Ток срабатывания защиты выбирается примерно в 3..4 раза выше максимального тока нагрузки, для 2А версии нормально будет порядка 6А
На VT221 VT222 собран аналог тиристора, который запирает VT223 после превышения тока, оптрон DA221 используется для того, чтобы МК мог узнать о факте срабатывания защиты, а ключ DD2:7 и источник тока VT211 используются для управления ключом VT223
Также ключ VT223 используется для отключения выхода БП от нагрузки когда выход неактивен.

Схемотехника усилителей ошибки одинаковая для канала тока и напряжения, DA101:1 и DA101:2 работают в линейном режиме, переход в режим компаратора для них ситуация нештатная и нежелательная.
Измерение тока и напряжения на АЦП заведено вообще другим путём, через отдельные усилители, которые с усилителями ошибки никак не связаны. Это позволяет использовать усилители ошибки в инвертирующем включении (хотя ООС заведена на неинвертирующие входы, инверсию обеспечивает выходной каскад), упростить и укоротить цепи ООС усилителей ошибки, и использовать в измерительных усилителях очень медленные, но точные ОУ, в случае же получения сигнала ООС усилителями ошибки с выхода измерительных усилителей последние должны быть достаточно быстрыми, чтобы не портить динамику всего устройства.

Зачем такая точность? И модуль Синезуба зачем? Со смартфона управлять БП?

По поводу точности есть разные мнения. В любом случае лично меня дискретность китайских недорогих БП в 100мА не устраивает, да и 10мА тоже - часто приходится иметь дело с устройствами, потребление которых менее 10мА
Блютуз не обязателен, его можно не устанавливать, применён для уменьшения количества проводов на столе и под столом, вернее для сдерживания увеличения этого количества. Иногда бывает желательно лог вести, например, т.е. подключать прибор к компьютеру. Можно будет и управлять. Тут у меня уже спросили, нельзя ли сделать БП вообще без органов управления, только с интерфейсом, типа для автоматизированных систем.

Вентилятор в системе есть? Если да, то где находится?
Вид сзади тоже неплохо было бы показать...

Вентилятор сзади на радиаторе, вид чуть позже покажу. Радиатор можно разный использовать, при желании даже что-то из компьютерных кулеров можно попробовать приспособить, только если его длина будет меньше 80 мм придётся термодатчик вынести на проводках или мост не ставить на радиатор. В общем, с радиатором остаётся небольшое поле для творчества.

[Леонид Иванович]

Измерение тока и напряжения на АЦП заведено вообще другим путём, через отдельные усилители, которые с усилителями ошибки никак не связаны. Это позволяет использовать усилители ошибки в инвертирующем включении

Вот это зря. Инвертирующее включение усилителя ошибки - это здорово. Оно позволяет нормально реализовать следящие ограничители, и даже сделать правильную частотную коррекцию. Но для этого нужно снимать сигнал с выхода БП дифференциально, причем не только по DC. Лучше всего задействовать те же усилители, которые используются для измерения. Да, это удлиняет цепь ООС, но это меньшее зло, чем некорректная схемотехника ООС по переменному току в целом. Современные ОУ сочетают в себе скорость и точность, достаточные для любительского БП. В своем БП ради упрощения я пошел на ухудшение характеристик. Наверное, делать этого не стоило, ведь кучка ОУ стоит меньше одного трансформатора или радиатора.

[elf.arxont]

По поводу точности есть разные мнения. В любом случае лично меня дискретность китайских недорогих БП в 100мА не устраивает, да и 10мА тоже - часто приходится иметь дело с устройствами, потребление которых менее 10мА

Это какие такие устройства? Ну светодиоды, что еще?

Блютуз не обязателен, его можно не устанавливать, применён для уменьшения количества проводов на столе и под столом, вернее для сдерживания увеличения этого количества. Иногда бывает желательно лог вести, например, т.е. подключать прибор к компьютеру.

С графиками? Это уже круто, прям БП-даталоггер!