Suurepärane labori toiteallikas: 15 sammu (koos piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:50

Minu vaatevinklist on üks parimaid viise elektroonikaga alustamiseks oma laboritoiteallika ehitamine. Selles juhendis olen püüdnud koguda kõik vajalikud sammud, et igaüks saaks ise oma konstrueerida.

Kõik sõlme osad on otse tellitavad digikey, ebay, amazoni või aliexpressis, välja arvatud arvesti ahel. Tegin Arduino jaoks kohandatud arvesti vooluringi kilbi, mis suudab mõõta kuni 36V - 4A, eraldusvõimega 10mV - 1mA, mida saab kasutada ka teiste projektide jaoks.

Toiteplokil on järgmised omadused:

• Nimipinge: 24V.
• Nimivool: 3A.
• Väljundpinge pulsatsioon: 0,01% (vastavalt toiteahela komplekti spetsifikatsioonidele).
• Pinge mõõtmise eraldusvõime: 10 mV.
• Praegune mõõtmisresolutsioon: 1mA.
• CV ja CC režiimid.
• Üle praeguse kaitse.
• Ülepinge kaitse.

Samm: osad ja ühendusskeem

Lisaks pildile lisasin sellele sammule faili WiringAndParts.pdf. Dokumendis kirjeldatakse pinkide toiteallika kõiki funktsionaalseid osi, sealhulgas tellimislink, ja nende ühendamist.

Võrgupinge tuleb sisse IEC -paneeli pistiku (10) kaudu, millel on sisseehitatud murenev hoidik, esipaneelil (11) on toitelüliti, mis katkestab IEC -pistikust trafosse (9) moodustatud vooluahela.

Trafo (9) väljastab 21VAC. 21 VAC läheb otse toiteahelasse (8). Toiteahela (8) väljund läheb otse arvesti ahela (5) IN -klemmi.

Arvesti ahela (5) OUT -klemm on ühendatud otse toiteallika positiivsete ja negatiivsete sidumispostidega (4). Arvesti ahel mõõdab nii pinget kui ka voolu (kõrge külg) ning võib sisse- ja väljaühenduse sisse või välja lülitada.

Kaablid, üldiselt kasutage majas olevaid vanametalle. Internetist saate kontrollida 3A jaoks sobivat AWG mõõdikut, kuid üldiselt töötab pöidlareegel 4A/mm², eriti lühikeste kaablite puhul. Võrgupinge juhtmete (120V või 230V) jaoks kasutage sobivalt isoleeritud kaableid, 600V USA -s, 750V Euroopas.

Toiteahela (Q4) (12) jadatransistor on jootmise asemel juhtmega ühendatud, et võimaldada jahutusradiaatori (13) hõlpsat paigaldamist.

Toiteahela algsed 10K potentsiomeetrid on asendatud mitme pöördega mudelitega (7), mis võimaldab väljundpinge ja -voolu täpset reguleerimist.

Arvesti vooluahela arduino tahvli toiteallikaks on toiteahelast (8) pärinev pistikupesa kaabel (6). Toiteplaati on muudetud, et saada 24 V asemel 12 V pinget.

Toiteahela CC LED positiivne tihvt on juhtmega ühendatud arvesti ahela režiimipistikuga. See võimaldab tal teada, millal kuvada CC- või CV -režiimi.

Arvesti ahelaga (3) on ühendatud kaks nuppu. Väljalülitusnupp “punane” katkestab väljundpinge. Sees nupp „must” ühendab väljundpinge ja nullib OV või OC vead.

Arvesti ahelaga (2) on ühendatud kaks potentsiomeetrit. Üks määrab OV künnise ja teine OC künnise. Need potentsiomeetrid ei pea olema mitme pöördega, olen kasutanud toiteahela originaalseid potentsiomeetreid.

20x4 I2C tähtnumbriline LCD (1) on juhtmega vooluahelaga ühendatud. See näitab praegust teavet väljundpinge, väljundvoolu, OV seadeväärtuse, OC seadeväärtuse ja oleku kohta.

2. samm: toiteahela komplekt

Ostsin selle komplekti, mis on hinnatud 30V, 3A:

Lisan Internetist leitud koostamisjuhendi ja skeemi pildi. Lühidalt:

Ahel on lineaarne toiteallikas.

Q4 ja Q2 on Darlingtoni massiiv ja moodustavad jadatransistori, seda juhivad operatsioonivõimendid, et hoida pinget ja voolu soovitud väärtusel.

Voolu mõõdetakse R7 abil, selle takistuse lisamine madalale küljele muudab toiteahela maanduse ja väljundmaanduse erinevaks.

Ahel juhib LED -i, mis süttib, kui püsivoolurežiim on sisse lülitatud.

Vooluahel sisaldab Graethi silda vahelduvvoolu sisendi parandamiseks. Vahelduvvoolu sisendit kasutatakse ka negatiivse eelpinge genereerimiseks 0 V saavutamiseks.

Selles vooluringis puudub termiline kaitse, seega on jahuti nõuetekohane mõõtmine väga oluline.

Vooluahelal on 24 V väljund “valikulise” ventilaatori jaoks. Olen asendanud 7824 regulaatori 7812 regulaatoriga, et saada 12 V arvesti vooluahela Arduino plaadile.

Ma ei ole LED -i kokku pannud, selle asemel olen kasutanud seda signaali, et näidata arvesti vooluringi, kui toide on CC või CV.

3. samm: toiteahela komplekti kokkupanek

Selles vooluringis on kõik osad läbi augu. Üldiselt peate alustama kõige väiksematest.

• Jootke kõik takistid.
• Ülejäänud komponendid jootke.
• Dioodide juhtmete painutamisel kasutage tangid, et vältida nende purunemist.
• Painutage DIP8 TL081 op -võimendite juhtmeid.
• Kasutage radiaatorite kokkupanemisel jahutussegu.

4. samm: arvesti vooluahela disain ja skeem

Vooluahel on Arduino UNO kilp, mis ühildub R3 versioonidega. Olen selle kujundanud osadega, mis on saadaval saidil digikey.com.

Vkmakeri toiteahela komplekti väljund on ühendatud IN -klemmiplokiga ja OUT -klemmliist läheb otse toiteallika sidumispostidesse.

R4 on positiivse rööpaga šunttakisti väärtusega 0,01 oomi, selle pingelangus on proportsionaalne praeguse väljundvõimsusega. Diferentsiaalpinge R4 ühendatakse otse IC1 RS+ ja RS-pistikutega. Maksimaalne pingelangus maksimaalse voolu väljundis on 4A*0,01ohm = 40mV.

R2, R3 ja C2 moodustavad müra vältimiseks ~ 15 Hz filtri.

IC1 on suure külgvoolu võimendi: MAX44284F. See põhineb tükeldatud operatsioonivõimendil, mis võimaldab saada väga madala sisendpinge, 10 uV maksimaalselt 25 ° C juures. 1 mA juures on pingelangus R4 -s 10 uV, mis võrdub maksimaalse sisendpingega.

MAX44284F pingevõimsus on 50 V/V, nii et väljundpinge, SI signaal, maksimaalse voolu 4A korral, on 2 V.

MAX44284F maksimaalne ühisrežiimi sisendpinge on 36 V, see piirab sisendpinge vahemikku 36 V.

R1 ja C1 moodustavad filtri 10KHz ja 20KHz soovimatute signaalide summutamiseks, mis võivad ilmuda seadme arhitektuuri tõttu, soovitatakse andmelehe 12. leheküljel.

R5, R6 ja R7 on suure takistusega pingejagur 0,05 V/V. R7 koos C4 -ga moodustavad müra vältimiseks ~ 5 Hz filtri. Pingejagur asetatakse R4 järele, et mõõta tegelikku väljundpinget pärast pingelangust.

IC3 on operatsioonivõimendi MCP6061T, see moodustab suure takistusega pingejaguri isoleerimiseks pinge järgija. Maksimaalne sisendpingevool on toatemperatuuril 100pA, see vool on pingejaguri takistuse suhtes tühine. 10 mV juures on IC3 sisendi pinge 0,5 mV, palju suurem kui selle sisendpinge: maksimaalselt 150 uV.

IC3, SV signaali väljundil on pinge 2V 40V sisendpinge juures (IC1 tõttu on maksimaalne võimalik 36V). SI ja SV signaalid ühendatakse IC2 -ga. IC2 on MCP3422A0, kahe kanaliga I2C sigma delta ADC. Selle sisemine pinge on 2,048 V, valitav pingetõus 1, 2, 4 või 8 V/V ja valitav arv 12, 14, 16 või 18 bitti.

Selle vooluahela jaoks kasutan fikseeritud võimendust 1V/V ja fikseeritud eraldusvõimet 14bit. SV ja SI signaalid ei ole diferentsiaalsed, nii et iga sisendi negatiivne tihvt peab olema maandatud. See tähendab, et saadaolevate LSB -de arv on poole väiksem.

Kuna sisepinge viide on 2,048 V ja LSB efektiivne arv 2^13, on ADC väärtused: 2LSB iga 1mA kohta voolu korral ja 1LSB iga 5mV kohta pinge korral.

X2 on ON -nupu pistik. R11 takistab Arduino tihvti sisendit staatilistest tühjenemistest ja R12 on tõmbetakistus, mis annab rõhu all 5 V ja vajutamisel ~ 0 V. I_ON signaal.

X3 on OFF -nupu pistik. R13 takistab Arduino tihvti sisendit staatilistest tühjenemistest ja R14 on tõmbetakistus, mis annab rõhu all 5 V ja vajutamisel ~ 0 V. I_OFF signaal.

X5 on ülekoormuskaitse potentsiomeetri pistik. R15 hoiab ära Arduino sisendtihvti staatilise tühjenemise ja R16 takistab +5V rööpa lühist. A_OC signaal.

X6 on ülepingekaitse seadistuspunkti potentsiomeetri pistik. R17 hoiab ära Arduino sisendtihvti staatilise tühjenemise ja R18 takistab +5V rööpa lühist. A_OV signaal.

X7 sisaldab välist sisendit, mida kasutatakse toiteallika püsivoolu- või püsipingerežiimi saamiseks. Kuna sellel võib olla palju sisendpingeid, on see valmistatud pinge nihutajana Q2, R19 ja R20 abil. I_MOD signaal.

X4 on välise LCD pistik, see on lihtsalt 5V rööpa, GND ja I2C SCL-SDA liinide ühendus.

I2C liine, SCL ja SDA, jagavad IC2 (ADC) ja väline LCD, neid tõmbavad üles R9 ja R10.

R8 ja Q1 moodustavad K1 relee juhi. K1 ühendab toiteallikaga väljundpinge. 0V in -CUT korral on relee toitevaba ja 5V in -CUT korral on relee toide. D3 on vaba ratasdiood, mis summutab negatiivseid pingeid relee mähise pinge lõikamisel.

Z1 on mööduv pinge summutaja, mille nimipinge on 36 V.

Samm: arvesti ahela trükkplaat

Olen kasutanud Eagle'i tasuta versiooni nii skeemi kui ka trükkplaadi jaoks. PCB on 1,6 paksuse kahepoolse disainiga, millel on eraldi maandustasand analoog- ja digitaalahela jaoks. Disain on üsna lihtne. Sain Internetist dxf -faili koos kontuuri mõõtme ja Arduino nööpnõelaühenduste asukohaga.

Postitan järgmised failid:

• Kotka originaalfailid: 00002A.brd ja 00002A.sch.
• Gerberi failid: 00002A.zip.
• Ja BOM (Bill Of Materials) + kokkupaneku juhend: BOM_Assemby.pdf.

Tellisin trükkplaadi saidilt PCBWay (www.pcbway.com). Hind oli hämmastavalt madal: 33 dollarit koos saatmisega 10 laua eest, mis saabusid vähem kui nädalaga. Saan ülejäänud lauad oma sõpradega jagada või kasutada neid teistes projektides.

Kujunduses on viga, panin 36V legendi siiditrüki puudutamise kaudu via.

6. samm: arvesti ahela kokkupanek

Kuigi enamus osi on sellel plaadil SMT, saab selle kokku panna tavalise jootekolbiga. Olen kasutanud Hakko FX888D-23BY, peene otsaga pintsetti, mõnda jootetaki ja 0,02 jootet.

• Pärast osade saamist on parim mõte neid sorteerida, olen sorteerinud kondensaatorid ja takistid ning klammerdanud kotid.
• Pange kõigepealt kokku väikesed osad, alustades takistitest ja kondensaatoritest.
• Pange R4 (0R1) kokku, alustades ühest neljast juhtmest.
• Ülejäänud osade jootmine, üldiselt SOT23, SOIC8 jne puhul, on parim viis jootmine esmalt ühele padjale, osa jootmine oma kohale ja seejärel ülejäänud juhtmete jootmine. Mõnikord võib joodis ühendada paljusid padju, sel juhul saate joote eemaldamiseks ja lünkade puhastamiseks kasutada voolu ja jootetaki.
• Pange kokku ülejäänud aukude komponendid.

Samm: Arduino kood

Lisasin faili DCmeter.ino. Sellesse faili on lisatud kogu programm, välja arvatud vedelkristallekogu “LiquidCrystal_I2C”. Kood on väga kohandatav, eriti edenemisribade kuju ja kuvatavad teated.

Nagu kõik arduino koodid, käivitatakse funktsioon setup () esimest korda ja loop () funktsioon täidetakse pidevalt.

Seadistusfunktsioon konfigureerib ekraani, sealhulgas edenemisriba erimärgid, siseneb olekumasinasse MCP4322 ning seadistab esmakordselt relee ja LCD -taustvalgustuse.

Katkestusi pole, igal iteratsioonil teeb silmusefunktsioon järgmisi samme:

Hankige kõigi sisendsignaalide I_ON, I_OFF, A_OC, A_OV ja I_MOD väärtus. I_ON ja I_OFF on tühistatud. A_OC ja A_OV loetakse otse Arduino ADC -st ja filtreeritakse kolme viimase mõõtmise keskmise osa abil. I_MOD loetakse otse ilma tühistamiseta.

Kontrollige taustvalgustuse sisselülitamise aega.

Käivitage olekumasin MCP3422. Iga 5 ms küsitleb ta MCP3422 -d, et näha, kas viimane teisendus on lõppenud ja kui jah, siis käivitab järgmise, saab järjestikku väljundis esineva pinge ja voolu väärtuse.

Kui MCP3422 olekumasina väljundpinge ja -voolu väärtused on värsked, värskendab mõõtmiste põhjal toiteallika olekut ja värskendab ekraani.

Ekraani kiiremaks värskendamiseks on topeltpuhvri rakendus.

Järgmisi makrosid saab kohandada teiste projektide jaoks:

MAXVP: maksimaalne OV 1/100V ühikutes.

MAXCP: Maksimaalne OC 1/1000A ühikutes.

DEBOUNCEHARDNESS: korduste arv, millel on järjestikune väärtus, et arvata, et see on õige I_ON ja I_OFF jaoks.

LCD4x20 või LCD2x16: kompileerimine 4x20 või 2x16 kuva jaoks, 2x16 valikut pole veel rakendatud.

4x20 teostus näitab järgmist teavet: Esimeses reas väljundpinge ja väljundvool. Teisel real edenemisriba, mis tähistab väljundväärtust nii pinge kui ka voolu kaitse seadepunkti suhtes. Kolmandal real on praegune ülepingekaitse ja ülekoormuskaitse seadeväärtus. Neljandal real on toiteallika hetkeseis: CC ON (sisse lülitatud pideva voolu režiimis), CV ON (sisse lülitatud pideva pinge režiimis), OFF, OV OFF (Väljas, mis näitab, et toide katkes OV tõttu), OC OFF (Väljas näitab, et toide katkes OC tõttu).

Tegin selle faili edenemisribade märkide kujundamiseks:

8. samm: termilised probleemid

Õige jahutusradiaatori kasutamine on selles koostes väga oluline, kuna toiteahel ei ole ülekuumenemise eest ise kaitstud.

Andmelehe kohaselt on 2SD1047 transistoril ristmik korpuse soojustakistusega Rth-j, c = 1,25ºC/W.

Selle veebikalkulaatori järgi: https://www.myheatsinks.com/calculate/thermal-resi… minu ostetud radiaatori soojustakistus on Rth-hs, õhk = 0,61ºC/W. Eeldan, et tegelik väärtus on väiksem, kuna jahutusradiaator on korpuse külge kinnitatud ja ka soojust saab sel viisil hajutada.

Ebay müüja sõnul on minu ostetud isolaatorilehe soojusjuhtivus K = 20,9W/(mK). Selle paksusega 0,6 mm on soojustakistus: R = L/K = 2,87e-5 (Km2)/W. Niisiis on 2SD1047 15 mm x 15 mm pinna isolaatori soojustakistuse juht: Rth-c, hs = 0,127ºC/W. Nende arvutuste juhendi leiate siit:

Maksimaalne lubatud võimsus ristmikul 150ºC ja õhus 25ºC on: P = (Tj-Ta) / (Rth-j, c + Rth-hs, air + Rth-c, hs) = (150-25) / (1,25 + 0,61 + 0,127) = 63W.

Trafo väljundpinge on täiskoormusel 21VAC, mis teeb pärast dioode ja filtreerimist keskmiselt 24VDC. Seega on maksimaalne hajumine P = 24V * 3A = 72W. Arvestades, et radiaatori soojustakistus on metallkorpuse hajumise tõttu pisut väiksem, olen eeldanud, et sellest piisab.

9. samm: ümbris

Korpus, sealhulgas saatmine, on toiteallika kõige kallim osa. Leidsin selle mudeli ebayst, Thay tootjalt Cheval: https://www.chevalgrp.com/standalone2.php. Tegelikult oli ebay müüja Taist.

Sellel kastil on väga hea hinna ja kvaliteedi suhe ning see saabus päris hästi pakendatult.

Samm: esipaneeli mehhaniseerimine

Parim võimalus esipaneeli mehhaniseerimiseks ja graveerimiseks on kasutada sellist ruuterit nagu https://shop.carbide3d.com/products/shapeoko-xl-k… või teha näiteks PONOKO-ga kohandatud plastkate. Kuid kuna mul pole ruuterit ja ma ei tahtnud palju raha kulutada, otsustasin teha selle vanaviisi: lõikamine, trimmimine failiga ja teksti jaoks ülekandekirjade kasutamine.

Lisasin šablooniga Inkscape -faili: frontPanel.svg.

• Lõika šabloon.
• Katke paneel maalriteibiga.
• Liimige šabloon maalriteibile. Olen kasutanud liimipulka.
• Märkige harjutuste asukoht.
• Puurige augud, et fret -saag või toimetuleku saetera satuks sisemistesse lõikedesse.
• Lõika kõik kujundid.
• Kärpige failiga. Potentsiomeetrite ja sidumispostide ümmarguste aukude korral ei ole sae kasutamine enne viilimist vajalik. Ekraaniava puhul peab faili kärpimine olema võimalikult hea, sest neid servi on näha.
• Eemaldage šabloon ja maalriteip.
• Märkige tekstide asukoht pliiatsiga.
• Edastage tähed.
• Eemaldage pliiatsi märgid kustutuskummiga.

11. samm: tagumise paneeli mehhaniseerimine

• Märkige radiaatori asukoht, sealhulgas toide transistori jaoks ja kinnituskruvide asukoht.
• Märkige auk jahutusradiaatori juurde pääsemiseks toitekapi sisemusest, olen viitena kasutanud isolaatorit.
• Märkige IEC -pistiku auk.
• Puurige kujundite kontuur.
• Puurige kruvide jaoks augud.
• Lõika kujundid lõiketangidega.
• Kärbi kujundeid failiga.

12. samm: esipaneeli kokkupanek

• Eemaldage kaablite saamiseks mitmejuhtmeline kaabel jääkidest.
• Ehitage I2C jootmiseks paralleelliidesega LCD -seade.
• Ehitage „molex -pistik”, traat ja kahanev torukomplekt: potentsiomeetrite, nuppude ja LCD jaoks. Eemaldage potentsiomeetritest kõik väljaulatuvad osad.
• Eemaldage nuppude osuti rõngas.
• Lõika potentsiomeetrite varras nupu suuruseks. Olen mõõtmiseks kasutanud papitükki.
• Kinnitage nupud ja toitenupp.
• Pange potentsiomeetrid kokku ja paigaldage nupud, minu ostetud mitmekäigulistel potentsiomeetritel on ¼ tolline võll ja ühe pöördega mudelitel 6 mm võll. Potentsiomeetrite kauguse kärpimiseks olen kasutanud vaheseibidena seibisid.
• Kruvige sidumispostid.
• Pange LCD -ekraanile kahepoolne teip ja kleepige see paneeli külge.
• Jootke positiivsed ja negatiivsed juhtmed sidumispostide külge.
• Pange GND klemmikong rohelisse sidumisposti.

Samm: tagapaneeli kokkupanek

• Kruvige jahutusradiaator tagapaneeli külge, kuigi värv on soojusisolaator, olen pannud radiaatori määrdeaine, et suurendada soojusvahetust radiaatorilt ümbrisele.
• Pange kokku IEC -pistik.
• Asetage liimivaheseadmed toiteallika komplekti ahela abil.
• Kruvige jõutransistor ja isolaator, igal pinnal peab olema termiline rasv.
• Pange 78du arduino toiteks kokku, see on korpuse poole suunatud, et soojust hajutada, kasutades ühte kruvi, mis hoiab radiaatorit. Ma oleksin pidanud kasutama sellist plastikust pesurit nagu see https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Transistor- …, kuid kasutasin sama isolaatorit kui toitetransistor ja painutatud korpust.
• Ühendage toitetransistor ja 7812 toiteahelasse.

14. samm: lõplik kokkupanek ja juhtmestik

• Märkige ja puurige augud trafo jaoks.
• Pange trafo kokku.
• Kleepige korpuse kleepuvad jalad.
• Kleepige alalisvoolumõõturi vooluring kleepuvate vaheseinte abil.
• Kraapige GND -kruvi keeramiseks värvi.
• Ehitage võrgupinge juhtmestik, kõik otsad on 3/16”Faston. Lõppide isoleerimiseks olen kasutanud kahanevat toru.
• Lõigake korpusehoidja esiosa paremale küljele, et saada ruumi toitenupule.
• Ühendage kõik juhtmed vastavalt paigaldusjuhendile.
• Paigaldage kaitse (1A).
• Seadke väljundpinge potentsiomeeter (VO potentsiomeeter) minimaalsele CCW -le ja reguleerige vkmakeri toiteahela mitmekäigulise peenreguleerimise potentsiomeetri abil väljundpinge võimalikult lähedale nullile.
• Pange korpus kokku.

15. samm: täiustused ja edasine töö

Parandused

• Kasutage kasvataja stiilis seibisid, et vältida kruvide, eriti trafo vibratsiooni, vibratsiooni tõttu lahti pääsemist.
• Värvige esipaneel läbipaistva lakiga, et vältida tähtede kustutamist.

Edasine töö:

• Lisage selline USB-pistik: https://www.ebay.com/itm/Switchcraft-EHUSBBABX-USB- … tagapaneelil. Kasulik koodi uuendamiseks ilma demonteerimiseta või väikese ATE tegemiseks, mis kontrollib sisselülitatud funktsioone, saate olekut ja mõõtmist arvutiga.
• Tehke koodist 2x16 LCD -kompileerimine.
• Tehke vkmakeri komplekti asemel uus toiteahel, väljundpinge ja -voolu digitaalse juhtimisega.
• Tehke toiteallika iseloomustamiseks asjakohased testid.

Esimene auhind toitevõistlusel