PSA2

Лабораторний блок живлення PSA2

Електричні параметри


Вихідна напруга	0,1..40	В	*1
Обмеження струму	0,01..2,5	А	*1
Мінімальний крок встановлення напруги	1	мВ
Мінімальный крок встановлення струму	1	мА
Швидкість нарастання вихідної напруги	0,01..10⁴	В/сек	*2
Максимальна припустима напруга, яку може бути подано на вихід вимкненого БЖ	-50..+50	В
Дискретність вимірювання вихідної напруги	1	мВ
Дискретність вимірювання вихідного струму	1 (0,1)	мА

Робоча температура навколишнього середовища	+10..+40	°С

Примітки:
*1. Верхні межі вихідної напруги та струму визначаються трансформатором та можуть бути змінені.
*2. Межі регулювання.

Особливості конструкції та схемотехніки

З метою отримання мінімального рівня завад в PSA2 використовується лінійний регулюючий елемент. У класичних конструкціях лабораторних БЖ живлення вихідного каскаду зазвичай відбувається фіксованою напругою від випрямляча, іноді використовується декілька рівнів з дискретним перемиканням за допомогою реле, тиристорів, польових транзисторів, або лінійний вихідний каскад з багаторівневим живленням. При цьому сам регулюючий елемент вихідного каскаду випромінює значну потужність, особливо при низькій вихідній напрузі та високому струмі, коли падіння напруги на ньому максимально. Багаторівневе живлення вихідного каскаду покращує ситуацію, але вимагає збільшення числа силових елементів схеми та конденсаторів фільтрів випрямлячів.
З метою зниження випромінюваної потужності вихідний каскад PSA2 живиться автоматично регульованою напругою. Для цього випрямляч суміщений з пререгулятором, в якому застосовано фазове (кутове, вертикальне) керування. Вихідна напруга пререгулятора підтримується такою, щоб забезпечувати мінімально необхідне падіння напруги на лінійній ланці регулятора. Значення фази кута відкривання ключа пререгулятора розраховується мікроконтролером.
Застосоване рішення добре масштабується і дозволяє зібрати лабораторний БЖ з різними максимальними значеннями вихідної напруги і струму. Однак доцільність побудови лабораторного БЖ з лінійним регулятором на великий (понад 2-3А) струм викликає значні сумніви: зазвичай навантаження, що вимагає низького рівня завад, споживає невеликий струм, а для потужних навантажень доцільніше мати окремий імпульсний БЖ. Виходячи з цього припущення конструкція PSA2 орієнтована на максимальний струм 2 .. 3А (можливо до 4 .. 5А, але не бажано) і напругу до 30 .. 50В без істотних змін.
Трансформатор є найдорожчою деталлю в конструкції, до того ж не всі мають можливість, матеріали і відповідні навички для перемотування трансформатора, тому вимоги до нього максимально спрощені. Можливе застосування відповідних трансформаторів від різної старої побутової техніки. Потрібно щоб трансформатор мав всього дві незалежні обмотки: малопотужну обмотку живлення схеми керування (рекомендована напруга 12 .. 15В при струмі навантаження до 0,4 А, добре підходить послідовне з'єднання двох накальних обмоток 6,3 В), та потужну, параметри якої повинні забезпечувати обрані значення максимальної вихідної напруги та струму. Наприклад, для джерела з максимальною вихідною напругою 30В потрібна обмотка, яка при максимальному струмі навантаження дозволить отримати близько 40В після випрямляча (відповідно близько 30В змінної напруги при максимальному струмі навантаження). Можливе використання двох окремих трансформаторів для живлення силової частини і схеми керування. Вся схема керування живиться стабілізованою напругою 12В, яка має бути гальванічно відв'язана від силової обмотки. Інші напруги схеми керування отримуються з цих 12В.
Вимірювальні кола реального значення вихідної напруги та струму відокремлені від кіл НЗЗ лінійного регулятора. Спільним є тільки шунт вимірювання струму.
З метою збільшення роздільної здатності АЦП використовується oversampling.
Роздільна здатність по напрузі 1мВ, по струму 1мА.
Схема керування побудована на базі мікроконтролера STM32 в 64-вивідному корпусі з кроком 0,5 мм.
Для охолодження бажано використовувати безколекторний вентилятор на напругу 12В, частота обертання якого регулюється мікроконтролером в залежності від налаштувань режиму роботи і температури радіатора.
В якості датчика температури може бути використано DS18B20 або DS18B20+PAR (планується, але поки що не втілена підтримка DS18S20, TMP35, KTY81).
Індикатор РКІ символьний 16х2, можливе використання індикатора без кириличних знаків (наразі мова меню тільки англійська).
Наразі передбачено такі робочі режими: стабілізація струму та напруги в класичному CV/CC режимі, або з відключенням виходу при переході в режим стабілізації струму чи напруги за вибором з регульованою затримкою. Така функція подібна до тригерного захисту з тією різницею, що до моменту відключення ток обмежується.
Вихід PSA2 захищений від подачі напруги будь-якої полярності амплітудою не більше максимальної вихідної напруги незалежно від наявності живлення і поточного стану виходу (навіть якщо сам БП вимкнений). У вимкненому стані струм витоку визначається в основному опором ланцюга НЗЗ лінійного регулятора та вхідним опором каналу вимірювання напруги (у поточній версії складає більше 40 кОм).
Більшість лабораторних БЖ, доступних радіоаматорам, не мають спеціальної кнопки відключення навантаження. Зазвичай відключення відбувається за допомогою вимикача живлення. У PSA2 для подачі напруги на навантаження передбачена окрема кнопка відключення виходу.
Регульована швидкість зростання вихідної напруги під час вмикання.
Імітація пульсацій напруги частотою 50 або 100 Гц з регульованою амплітудою (планується).
Фіксовані налаштування (пресети), що задаються користувачем.
Вимірювання потужності навантаження.
Вимірювання кількості енергії (Вт * год), ємності (А * год). Відключення при досягненні заданого значення (планується).
Попередньо встановлені профілі для заряду деяких популярних видів акумуляторів (планується).
Наявність інтерфейсу Bluetooth не обов'язкова, БЖ повністю зберігає всі свої функції при невстановленому модулі Bluetooth, тому якщо в ньому немає необхідності модуль можна не встановлювати.
Схема збирається на двох друкованих платах (зовнішній вигляд двох комплектів плат з різних боків):

Плата керування PSA201C (спереду, спереду без індикатора, сзаду) має габарити 110х80 мм. На ній зібрано схему керування, стабілізатори 5В та 3,3 В, вимірювальні підсилювачі, шунт вимірювання струму, підсилювач помилки, елементи гальванічної розв'язки інтерфейсу 232, опціональний модуль Bluetooth, схема захисту виходу, органи керування (кнопки, енкодер), РКІ, світлодіод індикації включення виходу, boozer. До плати керування приєднуються вихідні клеми. Кріплення плати здійснюється до передньої панелі за допомогою стійок.
Плата випрямлячів і вихідного каскаду PSA201P (згори, знизу) має габарити 100х36 мм і закріплюється до радіатора, встановленого на задній стінці PSA2 за допомогою виводів встановлених силових компонентів. Завдяки малим розмірам та масі плати додаткове механічне кріплення зазвичай не потрібне. На цій платі також розміщений стабілізатор напруги 12В для живлення схеми керування та вузол живлення вентилятора.

З'єднання між платами (макет) виконано за допомогою 16-провідного шлейфу з роз'ємами IDC на кінцях та 2-провідним кабелем з перерізом не менше 0,75 мм²
Окремо на шасі встановлюється трансформатор, додаткові конденсатори фільтру, опціональний мережевий фільтр. Вимикач живлення встановлюється безпосередньо на передню панель, з'єднання з трансформатором бажано робити рознімним з використанням роз'ємів типу MF-2M і MF-2F чи подібних

Поради до збирання

В зв`язку з високими вимогами до монтажу лабораторний блок живлення PSA2 не рекомендований для повторення радіоаматорами-початківцями.
Не рекомендовано самостійно змінювати розводку друкованих плат, тому що це може призвести до погіршення точності і можливо навіть виникнення автогенерації.
В разі наявності відмінностей у номіналах компонентів між переліком елементів та електричною схемою пріоритет за переліком елементів.
В разі наявності відмінностей позначень посадкових місць компонентів між шовкографією на друкованій платі та складальним кресленником пріоритет за складальним кресленником.
Краще спочатку встановити всі SMD компоненти, потім всі вивідні компоненти крім кнопок, енкодера, індикатора та клемників. Після цього плати помити. Потім встановити компоненти, що залишилися.
Всі силові транзистори повинні бути ізольовані від радіатора. При встановленні транзисторів через ізолюючі прокладки завжди перевіряйте перед першим включенням опір ізоляції кожного елемента.
При використанні 2-проводового підключення до мережі живлення радіатор рекомендується залишити нікуди не підключеним. При використанні 3-проводового підключення провід PE підключити безпосередньо до радіатора. Те ж саме стосується і до металевого шасі трансформатора (за наявності).
Конденсатор C1 встановлюється прямо на виводи трансформатора T1 (якщо вони жорсткі), або іншим доступним способом, та ретельно ізолюється. Сам конденсатор обов'язково повинен бути класу X2 або X1 (спеціально призначені для роботи в мережі 220В), в крайньому випадку можна використовувати плівковий конденсатор типу К73-17в або аналогічний на напругу не менше 630В
У разі використання тороїдального трансформатора бажано встановлення трансформатору виконувати на металеву або склотекстолитову підставку, яку потім кріпити до корпусу.
Не бажано виключати з конструкції запобіжники F1 та F2. Тримач запобіжника F1 може бути встановлений на задній стінці поруч з введенням мережевого проводу, або на додатковій платі мережного фільтра, або безпосередньо на провід всередині корпусу приладу. В якості утримувача запобіжника F2 може бути використано автомобільного тримача із запобіжником Blade Type або mini Blade, який встановлюється безпосередньо на провід.
Всі з'єднання первинних ланцюгів живлення повинні бути ретельно заізольовані.
Додатковий конденсатор фільтру C2 може бути набраний з декількох конденсаторів меншої ємності. Конденсатори встановлюються всередині корпусу і надійно закріплюються будь-яким способом, наприклад металевим хомутом. Можливе використання невеликої плати або частини макетної плати. Підключення до плати PSA201P здійснюється двома проводами перерізом не менше 0,75 мм²
Значення ємності конденсатора С2 обирається з розрахунку приблизно 5000 мкФ на 1А максимального вихідного струму. Максимальна робоча напруга конденсаторів повинна бути не менше 1,6×U_IIx.x. Наприклад, при напрузі холостого ходу вторинної обмотки 30В конденсатор С2 повинен бути на напругу не менше 50В
Підключення до ПК може здійснюватися через порт RS232 або через перехідник USB-UART.
Рекомендований порядок збирання передної панелі.
Конструкція орієнтована на використання корпусу Z-2A польської фірми Kradex, інші корпуси можливо вимагатимуть зміни дизайну передньої панелі.

Можливі заміни компонентів

Схема керування побудована на базі мікроконтролера сімейства STM32. Наразі перевірено роботу STM32F100R8T, STM32F100RBT, STM32F103RCT, STM32F103RDT, STM32F103RET. Мікроконтролери субсімейств F101 і F102 підтримуватися не будуть. Також не працюватимуть STM32F100R4T, STM32F100R6T, STM32F103R6T, STM32F103R8T, STM32F103RBT.
Підсилювач помилки побудований на ОП типу AD823AR. Можливе застосування інших ОП в корпусі SO-8 з таким самим розташуванням виводів, живленням 12В та які дозволяють роботу поблизу 0В на входах, мають вхідні струми не більше одиниць нА та швидкість зростання вихідної напруги не менше 1В/мксек, напругу зміщення не більше 10мВ та дрейф напруги зміщення не більше 5мкВ/°С
Вимірювальний підсилювач побудований на ОП типу AD8572AR. Можливе застосування інших ОП в корпусі SO-8 з таким самим розташуванням виводів та живленням 3В, бажано з невеликим (не більше 1..2мА) струмом споживання, що допускають роботу поблизу 0В на входах, мають Rail-toRail по виходу, вхідний струм не більше одиниць нА. Швидкість зростання вихідної напруги значення не має. Напруга зміщення має бути не більше 10мВ та дрейф напруги зміщення не більше 5мкВ/°С. Незважаючи на відносно велику напругу зміщення (одиниці мВ) завдяки низькому дрейфу зміщення (4мкВ/°С) тут добре працює AD8542AR

Порядок роботи

Вірно зібраний з справних деталей БЖ не потребує налагодження. Потрібно тільки виконати початкове калібрування напруги (потрібен вольтметр) та струму (потрібен амперметр). Від якості калібрування залежить точність встановлюваних напруги та струму на виході БЖ. За необхідності в процесі експлуатації калібрування можна повторювати необмежену кількість разів. Калібрування по напрузі не залежить від калібрування по струму і навпаки та може виконуватися роздільно.
Якщо при першому включенні недостатня контрастність (або на індикаторі взагалі нічого не видно) можна повторити включення із затисненою кнопкою F1, після чого спробувати встановити енкодером бажану контрастність. Обертання енкодера має супроводжуватися короткими звуковими сигналами. Якщо звукові сигнали є, а обертання енкодера не приводить до отримання прийнятної контрастності, потрібно виміряти напругу між конт.2 та 3 індикатора, вона повинна складати 4 .. 5В

З питань, пов`язаних з PSA2 пишіть на адресу:

Заборонено будь-яке комерційне використання проекту, його складових, оригінальних схемотехнічних, програмних, конструкційних, дизайнерських рішень, програмного забезпечення, без письмової згоди Автора.

Обов`язково прочитайте Застереження та Ліцензійну Угоду.