S1. Поводом для разработки любой радиолюбительской конструкции является возникшая потребность в том или ином устройстве. Так и на этот раз. Уже долгое время испытываю острую потребность в регулируемом лабораторном источнике питания.
S2. Для того чтобы начать разработку, нужно сформулировать требования к проектируемому устройству. Для этого откроем рабочий журнал своей домашней лаборатории и пролистаем последние пару лет. Моя статистика такова: чаще всего требуются напряжения до 10 В с током до 1 А. Потом идут работы, требующие до 20 В и до 4 А. Совсем редко нужны напряжения и токи выше. Конечно, всё зависит от специфики работ. Иногда приходится работать с большими токами или с высоковольтными устройствами, но это не входит в задачи универсального лабораторного БП. В идеале хотелось бы иметь несколько источников. Я составил такой ряд: 24 В 1 А, 36 В 4 А, 20 В 20 А, ну и в самую последнюю очередь – 2500 В 5 мА. Простой и лёгкий 24 В 1 А уже почти сделал, но это другая тема. Здесь хочется обсудить процесс разработки источника 36 В 4 А. Источник чисто линейный, так как на лабораторном столе не хочется иметь источник помех. Чтобы не раздувать конструкцию в габаритах и массе, пусть по мощности будет ограничение в 100 Вт, которое можно реализовать с помощью технологии PowerFlex.
S3. Первым делом нужно определиться, какой именно прибор мы хотим. Можно представить будущий источник питания мысленно, в полудрёме, когда вечером ложимся спать. Можно взять карандаш и бумагу, чтобы, развалившись в кресле и плеснув на дно стакана виски, сделать несколько набросков будущего прибора. В отрасли имеется некий стандарт де-факто на компоновку БП небольшой мощности. Чаще всего это вытянутый по вертикали корпус, сверху индикаторы, посередине органы управления, снизу – клеммы. Сделать корпус в таком стиле вполне возможно, но весьма трудоёмко. Можно сознательно пойти на ухудшение внешнего вида и взять за основу один из стандартных корпусов.
S4. Для выбора корпуса нужно представить ключевые узлы БП. Иначе требования дизайна могут образовать конфликт с техническими возможностями. Например, БП мощностью несколько сот ватт весьма затруднительно будет впихнуть в наладонный корпус. Перечислим наиболее габаритные детали: сетевой трансформатор мощностью от 100 Вт, радиатор выходных транзисторов, конденсаторы фильтра. С трансформатором вопрос сейчас легко решается, на рынке полно тороидальных трансформаторов для галогенных светильников. Берем один из них мощностью 105 Вт. Предварительные прикидки позволяют сделать выбор готового корпуса – это корпус Z-2A.
Задняя стенка заменяется радиатором, в результате радиатор внутренний объем корпуса не занимает. Радиатор может быть как цельным, так и сборным. Во втором случае пластмассовая задняя панель заменяется панелью из листового алюминия, к которой сзади можно прикрутить несколько любых радиаторов меньших размеров.
S5. Далее нужно определиться с органами управления и индикации. Тут могут помочь инструкции пользователя промышленных БП. Не обязательно копировать готовый блок, но основные традиции отрасли нужно знать и без необходимости от них не отступать.
S6. Первым делом нужно выбрать органы индикации. У меня в эксплуатации находится много приборов с разными индикаторами.
На рабочем месте внутри помещения, где не бывает прямого солнечного света (я избегаю даже рассеянного – окна всегда закрыты), самыми удобными считаю светодиодные индикаторы. Их показания считывать легче всего. Недостатком таких индикаторов является их малая информационная емкость. Но для столь простого в управлении прибора, как БП, не требуется отображать много параметров. Я бы сказал, это делать даже вредно, страдает эргономика. В результате я выбрал два 4-разрядных семисегментных светодиодных индикатора, плюс два дискретных светодиода для индикации режима стабилизации напряжения (CV) и стабилизации тока (CC). Иногда эти светодиоды совмещают в одном: зеленый – CV, красный – CC. Но как пользоваться таким БП дальтоникам?
S7. В качестве основного органа управления я выбрал энкодер с кнопкой. В младшей модели источника питания энкодер является единственным органом управления. Но на практике я убедился, что это не совсем удобно. Поэтому добавляем кнопки «SET V», «SET I», «OUTPUT ON/OFF». Возможно, потребуются еще какие-то кнопки.
S8. Еще нужен звуковой излучатель. Его функции – отклик на нажатие кнопок, звук ошибки при достижении предела регулировки, звуковой сигнал при переходе БП из CV в CC и обратно, что позволит при работе не смотреть на панель БП. Звук должен быть отключаемым из меню (для возможности работать ночью в однокомнатных квартирах).
S9. БП такого класса должен иметь возможность управления от компьютера. Выбираем порт USB. Обязательно нужна гальваническая развязка, поэтому используем FT232RL с развязкой ADuM1201 или оптронами.
S10. Когда БП находится в режиме стабилизации напряжения (CV), индицируется установленное напряжение и измеренный ток. Когда БП находится в режиме стабилизации тока (CC), индицируется измеренное напряжение и установленный ток. Надо сказать, что это некий отход от традиций отрасли (хотя существуют фирменные источники и с таким алгоритмом индикации). Обычно с включенным выходом БП индицируются измеренные значения. А при входе в режим установки тока или напряжения индицируются установленные значения. Это плохо. У меня есть возможность при регулировке напряжения наблюдать за измеренным током и наоборот.
Ну и в полном противоречии с традициями в выключенном состоянии я предпочитаю индицировать установленное напряжение и нулевой ток. Как будто кнопка «OUTPUT ON/OFF» размыкает некий ключ, отключающий нагрузку от БП. Так мне кажется логичней.
Возникает вопрос: что индицировать, если во время установки V случается CC (или наоборот)? Тут разные фирмы поступают по-разному. Я для себя выработал алгоритм: продолжать регулировку с индикацией установленного значения, как ничего и не случилось. А изменение режима работы БП покажут светодиоды. В результате вырисовывается что-то такое:
S11. Выбор 4-х разрядных индикаторов не случаен. Из анализа отчетов деятельности домашней лаборатории следует, что часто необходимо измерять потребляемый ток с дискретностью 1 мА, еще неплохо иметь дискретность установки напряжения 10 мВ. В результате источник должен иметь диапазон напряжения 0.00…36.00 В и диапазон тока 0.000…4.000 А. Это реализуемо при условии применения 12-разрядных ЦАП и АЦП. Доступные ATmega8 имеют всего 10-разрядный АЦП, а внешний 12-разрядный АЦП дороже самого контроллера. Этот факт определяет выбор микроконтроллера – STM32F100C4.
S12. Реализация функции PowerFlex заключается в снижении установленного тока при увеличении напряжения, когда достигается максимальная мощность. При снижении напряжения ток снова увеличивается до ранее установленного значения. При входе в установку тока видим сниженный ток. Попытка регулировки вверх – ошибка, установка не меняется.
Q1. Нужен ли отдельный светодиод «OUTPUT ON»? Чаще всего такой светодиод на БП есть, но он фактически дублирует светодиоды «CV» и «CC». Если ни один из них не горит – выход выключен.
Q2. Высокая точность установки выходного тока и напряжения порождает проблему: как именно эту установку осуществлять? Напряжение от 0 до 36.00 В проходится за 3600 шагов (150 оборотов энкодера). Ток от 0 до 4.000 А проходится за 4000 шагов (167 оборотов энкодера). Требуется делать переключение режимов COARSE/FINE (1 В / 0.01 В, и 0.1 А / 0.001 А). Но как это делать и индицировать? Динамически изменяемая скорость энкодера не устраивает своей непредсказуемостью поведения. Не удивительно, что ни в одном фирменном БП такого я не встретил.
Варианты:
- нажатие кнопки энкодера переключает между COARSE и FINE.
- нажатие кнопки энкодера и поворот меняет редактируемый разряд.
- кнопка STEP, шаг выбираем энкодером.
- кнопки STEP UP, STEP DOWN.
- кнопки F (FINE), N (NORMAL).
- отдельная кнопка «FINE/COARSE».
Как индицировать FINE? Отдельным светодиодом?
Или на индикаторе при установке мигать только регулируемым разрядом?
Q3. Входить в режим установки напряжения при повороте энкодера? Или входить только нажатием кнопки «SET V» (так безопасней)? Или конфигурировать это из меню?
Q4. Изменять выходное напряжение (ток) при вращении энкодера, или новое значение загружать скачком по выходу из режима установки кнопкой «SET V» («SET I»)?
Q5. При включении источника в сеть выход всегда выключен, или восстанавливать состояние на момент выключения? Или конфигурировать это из меню?
Q6. Нужна ли функция LOCK, когда органы управления отключаются? Алгоритм: нажимаем кнопку «LOCK», управление блокируется (кроме кнопки «OUTPUT ON/OFF»). Нажимаем еще раз и удерживаем 2 сек. – управление разблокируется.
Нужна ли индикация этого режима? Если эта функция не очень востребована, то не имеет смысла тратить на нее кнопку, не лучше ли делать LOCK через меню?
Q7. Нужно ли отключение по превышению напряжения (OVP) и тока (OCP)? При достижении порога выход отключается, на индикаторе V или I загорается «Prot». Сбрасывается кнопкой «OUTPUT ON/OFF». Нужна ли дополнительная кнопка «LIMIT» для установки/просмотра порогов, или делать это через меню?
Нужна ли аналогичная защита по температуре (OTP)?
Q8. Нужны ли пресеты? Сколько? 3…4? Как вызывать, через меню или отдельные кнопки? При вызове пресета выход должен автоматически отключаться?
Как замена пресетам, на некоторых БП есть кнопки «+%», «-%». Количество % задаётся в специальном меню.
