STAVOVÝ DISPLEJ k regulovatelnému zdroji
Jiří ČERMÁK OK1FUM
Úvod
Stabilizovaný regulovaný zdroj patří k základní výbavě každého elektronika. V amatérských konstrukcích je vybaven většinou měřením pouze výstupního napětí a proudu. Dnes je na profi zdrojích zobrazeno daleko více provozních údajů. Proto vznikl tento stavový displej.
Popis funkce
Stavový displej zobrazuje všechny důležité parametry regulovatelného zdroje. Je řízen jednočipovým mikrokontrolérem PIC16F873. Jeho pěti kanálový A/D převodník je připojený k obvodům zdroje. Naměřené hodnoty jsou zobrazeny na LCD displeji 2x24znaků. Zobrazuje se výstupní napětí zdroje Uo v rozsahu 0,0 – 51,1V a výstupní proud Io 0,00 – 5,12A. Dále je zobrazeno vstupní napětí (napětí na filtračních kondenzátorech) Ui 0,0 – 51,1V, vypočítaná výkonová ztráta na regulačním prvku P 0 – 250W, teplota chladiče T 0 – 125°C a jednoduchý pětistupňový bargraf ALC, indikující činnost proudového omezení zdroje. Teplota je snímána obvodem MCP9800, umístěném na chladiči zdroje. Pokud teplota přesáhne mez nastavenou v SETUPu Ton, zapne se ventilátor připojený na svorky FAN. Jakmile teplota klesne pod hodnotu Toff, ventilátor se vypne. Stavový displej také indikuje mezní stavy provozních parametrů zdroje, jako je vysoký rozdíl vstupního a výstupního napětí dU, maximální výstupní proud Imax , 75% hodnoty proudového omezení, maximální výkonovou ztrátu na chladiči Pmax a jeho maximální teplotu Tmax. Pokud některý z parametrů přesáhne nastavenou mez, bude jeho hodnota na displeji blikat a každých cca 10sec (možno nastavit v SETUPu jako PIP) krátce pípne. Vysoký rozdíl vstupního a výstupního napětí je indikován současným blikáním hodnot Ui a Uo. Meze nastavíme podle vlastností zdroje v SETUPu, který se vyvolá stlačením MENU při zapnutí napájení. Tlačítkem MENU měníme jednotlivé parametry a tlačítkem SET jejich hodnoty. Nastavené hodnoty uložíme do EEPROM v položce ULOZIT ?? tlačítkem SET.
Zapojení
Schéma zapojení stavového displeje je na obr. 1 Základním řídícím prvkem je mikrokontrolér PIC16F873 taktován krystalem Xtal1 o frekvenci 4MHz. K němu jsou připojeny jednotlivé periférie. Port A je přepnut do funkce analogových vstupů A/D převodníku. Využívá se všech pěti kanálů. Vstupy AN0 (PA0) a (PA1) AN1 mají předřazeny napěťový zesilovač OP1/3 s přibližným zesílením 10, nastaveném odpory R1, R2/ R10, R11. Za ním je oddělovač OP2/4. Tím se citlivost A/D převodníku PICu, která je 5V, zvýší na 500mV. Vstup zesilovače IN Iout je připojen k odporu-bočníku Ri (viz obr 2.) snímajícímu výstupní proud zdroje. Na odporu Ri se průchodem proudu vytváří úbytek napětí, obvykle max.0,7V, úměrné výstupnímu proudu. To je zesíleno OP1/2 a zpracováno jako údaj o výstupním proudu zdroje. Druhý vstup označený IN ALC se připojí k obvodům proudového omezení zdroje, kde při činnosti proudového omezení vzrůstá napětí k 0,7V. Toto napětí napájí v obvodech zdroje „škrtící“ tranzistor Ti, zapojený k bázi regulačního transistoru To a omezuje tím výstupní proud na nastavené maximální hodnotě, viz obr. 2 Po potřebném zesílení na úroveň 5V je napětí přivedeno na vstup A/D převodníku a zobrazeno jednoduchým pětistupňovým bargrafem. Proudové omezení nastává až při napětí báze Ti cca 0,65V a proto 1.bod bargrafu indikuje napětí cca 0,6V. Při tomto napětí ještě nedochází k omezení, ale výstupní proud se blíží hodnotě nastavené prvkem proudového omezení. 5. bod indikuje napětí cca 0,7V, při kterém škrtící tranzistor Ti naplno škrtí regulační To a dochází k maximálnímu proudovému omezení (např. při překročení maximálního proudu nebo zkratu na výstupu zdroje). Další tři vstupy A/D převodníku zpracovávají napětí vyšší než 5V, proto jsou připojeny pouze přes napěťové děliče R7-P3, R8-P4, R9-P5 ke zdroji. Výstupní napětí zdroje je snímáno přes vstup IN Uout, připojený na plusovou svorku zdroje. Protože bod s nulovým napětím GND je před odporem Ri, zobrazené napětí by bylo v závislosti na výstupním proudu větší než skutečné o úbytek na tomto odporu Ri, je použit další vstup A/D převodníku IN D Uout.. Je připojen na zápornou svorku zdroje. Napětí sejmuté na tomto vstupu je v programu odečteno od Uout. Je to vlastně takový softvérový diferenciální vstup. Tím je zobrazeno skutečné výstupní napětí zdroje. Poslední vstup IN Uin je připojený přímo na filtrační kondenzátory zdroje. Zobrazována je hodnota napětí na kondenzátorech. Vstupy A/D převodníku jsou chráněny odpory R17-R21 proti přepětí. Z hodnoty Uin, Uout a Iout je vypočítána hodnota ztrátového výkonu na regulačním prvku zdroje a zobrazena. Teplota chladiče je snímána IO2 MCP9800 obr. 3 Je to integrovaný teploměr, připojený sběrnicí I2C k portu C4 a C5. V programu je nastavena adresa A5. Pokud se použije IO s jinou adresou, musí se upravit program. Teploměr je v provedení SMD na malém plošném spoji obr 6, propojeným 4 žilovým kabelem. Plošný spoj s teploměrem připevníme na chladič blízko regulačního prvku. Všechny hodnoty jsou zobrazeny na LCD displeji 2x24 znaku. Displej je řízen čtyř bitově spodní polovinou portu C a ovládací signály z portu B. Z potru B7 a B6 jsou vyvedeny tlačítka MENU a SET, kterými vstupujeme do SETUPu a nastavujeme konstanty mezních hodnot zdroje. Port B1 spíná přes tranzistor T1 ventilátor chladiče regulačního prvku zdroje. Pro varovné pípání je použit miniaturní reproduktor připojený přes ochranný odpor R15 na port B3. Tranzistor T2 na portu B2 a svorky externího přerušení INT na portu B0 jsou zatím bez funkce. Stavový displej potřebuje napájecí napětí +5V a +12V. Aby nevznikly bludné proudy mezi stavovým displejem a zdrojem, je použit vlastní jednoduchý kompletní napájecí zdroj se integrovaným stabilizátorem 78L05. Pětivoltová část napájí mikrokontrolér, displej a sběrnici I2C. Napěťové zesilovače a ventilátor jsou napájeny +12V.
Konstrukce
Celý obvod stavového displeje je na jednom plošném spoji 125 x 65mm, kromě teplotní sondy. Motiv je na obr. 5 a osazení součástek na obr. 4 Teplotní sonda je spojena páskovým čtyř žilovým kabelem. Displej je připojen také páskovým 9ti žilovým kablíkem a připevněn ze strany plošných spojů čtyřmi šrouby s distančními trubičkami. Piny D0-D3 a R/W jsou spojeny s mínusem displeje. Na plošném spoji je řada drátových propojek. Body označeny stejnými písmeny se propojí . Jsou tam z důvodů jednoduchosti návrhu i výroby plošného spoje a určité univerzálnosti pro případný další vývoj. Teplotní sonda je na malém plošném spoji 12 x 18mm tloušťky 0,8-1mm obr. 7 Integrovaný obvod IO2 a blokovací kapacita C7 jsou v provedeni SMD a propojovací kabel je připájen ze strany plošných spojů obr. 6 Druhou hladkou stranou je izolovaně přišroubován na chladič a mírně potřen silikonovou vazelínou pro rychlejší přenos tepla. Ve zdroji vyhledáme jednotlivé body pro připojení vstupů. Principielní připojení stavového displeje ke zdroji je na obr 3. Jednotlivé body záleží na konkrétním zapojení zdroje. Napájecí napětí je vhodné získat z malého transformátorku, nebo přidáním dalšího vinutí k hlavnímu trafu zdroje. Nejjednodušší je provléknutí pár závitů smaltovaného drátu 0,4mm na kostru hlavního trafa. Při výkonu trafa cca 150-200W vychází počet závitů asi 30-40 a proto není ani potřeba trafo rozebírat. Zapojení konkrétního zdroje ke kterému byl stavový displej navržen, je na obr. 8 Je převzato z amatérského radia a mohu ho vřele doporučit. Plošný spoj je na obr. 10 a osazovací plán na obr. 9 Schéma může posloužit pouze k inspiraci při volbě přípojných bodů jiného zdroje.
Oživení a nastavení
Plošný spoj osadíme všemi součástkami. Pro mikrokontrolér použijeme patici a zatím ho nebudeme vkládat. Teplotní sondu zatím nepřipojujeme. Po zapnutí zkontrolujeme velikost napětí v jednotlivých bodech +5V a +12V. Trimry P1 – P5 dáme do nulové polohy. Pokud je vše v pořádku vložíme mikrokontrolér. Trimrem P6 nastavíme vhodný kontrast displeje. Všechny hodnoty by měly být zobrazeny nulové. Po připojení teplotní sondy se zobrazí aktuální teplota. Na vstupy IN můžeme připojit zkušební napětí. Na vstupy IN Iout a ALC cca 0,5V a na IN Uout, Uin cca 20-30V. Otáčením trimry P1 – P5 zkontrolujeme činnost A/D převodníků. Hodnoty jednotlivých parametrů by se měly měnit. Přivedením napětí současně na vstup Uout a D Uout můžeme ověřit funkci softvérového diferenciálního vstupu. Otáčením trimru P3 by měla zobrazovaná hodnota výstupního napětí Uo stoupat a trimrem P4 klesat. Pokud vše pracuje správně, můžeme stavový displej připojit do zdroje. Před zapnutím zdroje nastavíme trimry P1 - P5 opět na minimum. Nastavení ve zdroji spočívá pouze v kalibraci měřeného napětí a proudu pomocí multimetru. Trimr P4 na vstupu IN D Uout nastavujeme jako poslední. Zdroj zatížíme cca 90% maximálního výstupního proudu. Hodnota napětí Uo zobrazovaná na displeji by se měla zvětšit o úbytek napětí na bočníku proudového omezení zdroje Ri. Trimrem P4 nastavíme skutečnou hodnotu výstupního napětí. Tím je nastavení hotovo a můžeme si dle použitého zdroje nastavit v SETUPu jednotlivé meze.
Program
Po zapnutí napájení je provedena inicializace mikrokontroléru, obnova registrů z EEPROM, inicializace displeje a zavedení speciálních znaků. Poté se testuje tlačítko MENU, zdali se nevstupuje do SETUPu. V SETUPu se mohou měnit hodnoty konstant-maximální hodnoty jednotlivých parametru. Pokud není tlačítko sepnuto, program skočí do hlavní smyčky, kde „odskakuje“ na jednotlivá měření. A/D převodník pracuje s 10 bitovou přesností a 64 násobným převzorkováním. Výstupn napětí je nejprve změřeno pomocí vstupu IN Uout a od něj je odečtena hodnota na vstupu IN D Uout. To je skutečná hodnota napětí mezi vstupy Uout a D Uout – na výstupních svorkách zdroje. Z hodnot Ui, Uout a Iout je spočítána výkonová ztráta na regulačním prvku. Teplota chladiče je posílána sběrnici I2C. Komunikace je softvérově emulovaná. Při měření je kontrolovaná mez jednotlivých parametrů a při jejím překročení je nastaven příznak. Po změření všech parametrů jsou hodnoty přeneseny na displej a jsou vyhodnoceny jednotlivé příznaky blikání hodnoty, nebo spouštění ventilátoru. Potom má mikrokontrolér „oddechový“ čas cca 300mS a vrací se na začátek hlavní smyčky.
Závěr
Stavový displej byl navržen pro zdroj podle obr. 8 připojení k jinému zdroji je samozřejmě možné po vhodném určeni přípojných bodů. Displej nejen indikuje běžné hodnoty parametrů, ale také překročení mezí, kdy zdroj pracuje na hranici svých možností. Indikace je optická i akustická, takže nás upozorní okamžitě, bez nutnosti hlídat jednotlivé hodnoty.
http://www.everbouquet.com.tw/MC2402A.htm displej
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21909b.pdf teplotní čidlo
Rozpis součástek na stavový displej
R1, 10 91k
R2, 5, 6, 11 10k
R3, 12 4k7
R4 470
R7, 9 22k
R8 15k
R13, 14 2k2
R15 1k SMD1206
R16 10k SMD1206
C1, 2 33p SMD1206
C3, 7 M1 SMD1206
C4, 5 M1 keramika
C6 1mF/25V
P1, 2, 3, 4, 5 4k7 cermet 64Y 4k7 CN
P6 1k naležato
T1, 2 BC635
VR1 78L05
OP1-2, 3-4 LM358
M1 B250C1000DIL
IO1 PIC16F873
IO2 MCP9800 A5
LCD 2x24znaků např. MC2402A-SYL
S1, 2 Tlačítka PT-DT6
Xtal 4MHz HC49
SP měnič prům. 12mm (miniaturní repro)
Konektorové kolíky 30ks
Něco málo ke zdroji 1-30V/3A
Zdroj byl kdysi popsán v Amatérském rádiu. V originále je vybaven dvěmi digitálními měřícími přístroji, „diskrétně“ osazenými 2x ICL7107. Zapojení jsem mírně upravil. Schéma je na obr 8. Plošný spoj a osazení součástek je na obr 9 a 10. Odpor R5 paralelně připojený k P3 není umístěn na plošném spoji, ale je přímo přiletovaný na vývodech potenciometru P3 regulace proudové regulace. Rozsah regulace se nastavuje trimry P1 (3A) a P2 (0,05A). Trimry se ovlivňují, tak nastavení je vhodné vícekrát opakovat. Trimrem P4 se nastaví práh rozsvícení LED-indikace činnosti proudového omezení. Můstkový usměrňovač a tranzistor T2 jsou umístěny na chladičích. Regulační tranzistor T1 musí být chlazen účinným chladičem, který dokáže rozptýlit necelých 100W ztrátového výkonu. Při spojení se stavovým displejem můžeme použít nucené chlazení s automaticky spouštěným větrákem.
Rozpis součástek na zdroj
R1,R6 10k
R2,R7,R8 1k5
R3,R10 68
R4 3k9
R5,R12 680
R9,R11 220
R13 120
R14,R15 0,33/2W
C1,C2,C6 470
C3,C7,C10 100n
C4 2,2µ/35V
C5 10µ/50V
C8,C9 3m3/50V
P1 100
P2,P4 4k7
P5 4k7
P3 1k
T1 2N3055
T2 BD140
T3 BC237
T4 BC307
D1 KY198
M1 B250C8000
Tr1 230V/26V 3A + 9V 0,5A
F1 1A
F2 6,3A