Alimentatore lineare a controllo digitale: 6 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Nella mia adolescenza, circa 40 anni fa, ho creato un doppio alimentatore lineare. Ho ricevuto il diagramma schematico da una rivista chiamata "Elektuur", oggi chiamata "Elektor" nei Paesi Bassi. Questo alimentatore utilizzava un potenziometro per la regolazione della tensione e uno per la regolazione della corrente. Dopo molti anni questi potenziometri non funzionavano più correttamente, il che rendeva difficile ottenere una tensione di uscita stabile. Questo alimentatore è mostrato nella foto.

Nel frattempo ho iniziato a sviluppare software embedded come parte del mio hobby, utilizzando il microcontrollore PIC e il linguaggio di programmazione JAL. Dal momento che voglio ancora usare il mio alimentatore - sì, al giorno d'oggi puoi acquistare varianti di modalità switch più economiche - ho avuto l'idea di sostituire i vecchi potenziometri con una versione digitale e così è nato un nuovo progetto PIC.

Per regolare la tensione dell'alimentatore sto utilizzando un microcontrollore PIC 16F1823 che utilizza 6 pulsanti come segue:

• Un pulsante per accendere o spegnere la tensione di uscita senza la necessità di accendere o spegnere completamente l'alimentatore
• Un pulsante per aumentare la tensione di uscita e un altro pulsante per diminuire la tensione di uscita
• Tre pulsanti da utilizzare come preset. Dopo aver impostato una certa tensione di uscita, quella esatta tensione può essere memorizzata e recuperata utilizzando questi pulsanti preimpostati

L'alimentatore è in grado di erogare una tensione compresa tra 2,4 Volt e 18 Volt con una corrente massima di 2 Ampere.

Passaggio 1: il progetto iniziale (revisione 0)

Ho apportato alcune modifiche allo schema elettrico originale per renderlo adatto al controllo con il potenziometro digitale. Non avendo mai utilizzato in passato il potenziometro originale per la regolazione della corrente, l'ho rimosso e sostituito con un resistore fisso, limitando la corrente massima a 2 Ampere.

Il diagramma schematico mostra l'alimentatore, costruito attorno al vecchio ma affidabile regolatore di tensione LM723. Ho anche creato un circuito stampato per questo. L'LM723 ha una tensione di riferimento compensata in temperatura con una funzione di limitazione della corrente e un ampio intervallo di tensione. La tensione di riferimento dell'LM723 va al potenziometro digitale il cui tergicristallo è collegato all'ingresso non invertente dell'LM723. Il potenziometro digitale ha un valore di 10 kOhm e può essere modificato da 0 Ohm a 10 kOhm in 100 passi utilizzando un'interfaccia seriale a 3 fili.

Questo alimentatore ha un voltmetro digitale e un amperometro che riceve la sua alimentazione da un regolatore di tensione da 15 Volt (IC1). Questo 15 Volt viene utilizzato anche come ingresso per il regolatore di tensione a 5 Volt (IC5) che alimenta il PIC e il potenziometro digitale.

Il transistor T1 viene utilizzato per spegnere l'LM723 che porta la tensione di uscita a 0 Volt. Il resistore di potenza R9 viene utilizzato per misurare la corrente, provocando una caduta di tensione sul resistore quando la corrente lo attraversa. Questa caduta di tensione viene utilizzata dall'LM723 per limitare la corrente di uscita massima a 2 Ampere.

In questo progetto iniziale il condensatore elettrolitico e il transistor di potenza (tipo 2N3055) non sono sulla scheda. Nel mio progetto originale di molti anni fa, il condensatore elettrolitico era su una scheda separata, quindi l'ho tenuto. Il transistor di potenza è montato su una piastra di raffreddamento all'esterno dell'armadio per un migliore raffreddamento.

I pulsanti si trovano sul pannello frontale dell'armadio. Ogni pulsante viene tirato in alto dai resistori 4k7 sulla scheda. I pulsanti sono collegati a terra che li rende attivi bassi.

Per questo progetto sono necessari i seguenti componenti elettronici (vedi anche revisione 2):

• 1 microcontrollore PIC 16F1823
• 1 potenziometro digitale da 10k, tipo X9C103
• Regolatori di tensione: 1 * LM723, 1 * 78L15, 1 * 78L05
• Raddrizzatore a ponte: B80C3300/5000
• Transistor: 1 * 2N3055, 1 * BD137, 1 * BC547
• Diodi: 2 * 1N4004
• Condensatori elettrolitici: 1 * 4700 uF/40 V, 1 * 4,7 uF/16 V
• Condensatori ceramici: 1 * 1 nF, 6 * 100 nF
• Resistori: 1*100 Ohm, 1*820 Ohm, 1*1k, 2*2k2, 8*4k7
• Resistenza di potenza: 0,33 Ohm / 5 Watt

Ho anche progettato un circuito stampato che è mostrato nello screenshot e nell'immagine allegati.

Passaggio 2: il design rivisto (revisione 2)

Dopo aver ordinato i circuiti stampati mi è venuta l'idea di aggiungere una funzionalità che chiamo "protezione contro la tensione". Poiché avevo ancora molta memoria di programma disponibile nel PIC, ho deciso di utilizzare il convertitore analogico-digitale (ADC) integrato del PIC per misurare la tensione di uscita. Nel caso in cui questa tensione di uscita, per qualsiasi motivo, aumenti o diminuisca, l'alimentazione viene interrotta. Ciò proteggerà il circuito collegato dalla sovratensione o fermerà qualsiasi cortocircuito. Questa era la revisione 1 che è un'estensione della revisione 0, il progetto iniziale.

Sebbene abbia testato il design utilizzando una breadboard (vedi foto), non ero ancora soddisfatto. A volte sembrava che il potenziometro digitale non fosse sempre esattamente nella stessa posizione, ad es. quando si recupera un valore preimpostato. La differenza era piccola ma inquietante. Non è possibile leggere il valore del potenziometro. Dopo qualche riflessione ho creato una revisione 2 che è una piccola riprogettazione della revisione 1. In questo progetto, vedere il diagramma schematico revisione 2, non ho usato un potenziometro digitale ma ho usato il convertitore digitale-analogico (DAC) integrato del PIC per controllare la tensione di uscita tramite l'LM723. L'unico problema era che il PIC16F1823 ha solo un DAC a 5 bit che non era sufficiente perché i passaggi su e giù sarebbero troppo grandi. Per questo motivo sono passato a un PIC16F1765 che ha a bordo un DAC a 10 bit. Questa versione con il DAC era affidabile. Potrei ancora utilizzare il circuito stampato iniziale poiché devo solo rimuovere alcuni componenti, sostituire 1 condensatore e aggiungere 2 fili (1 filo era già necessario per aggiungere la funzione di rilevamento della tensione della revisione 1). Ho anche cambiato il regolatore da 15 Volt con una versione da 18 Volt per limitare la dissipazione di potenza. Vedere il diagramma schematico della revisione 2.

Quindi, se vuoi optare per questo design, devi fare quanto segue rispetto alla revisione 0:

• Sostituisci il PIC16F1823 con un PIC16F1765
• Opzionale: sostituire il 78L15 con un 78L18
• Rimuovere il potenziometro digitale tipo X9C103
• Rimuovere i resistori R1 e R15
• Sostituire il condensatore elettrolitico C5 con un condensatore ceramico da 100 nF
• Effettuare una connessione tra IC4 pin 13 (PIC) e IC2 pin 5 (LM723)
• Effettuare una connessione tra IC4 pin 3 (PIC) e IC2 pin 4 (LM723)

Ho anche aggiornato il circuito stampato ma non ho ordinato questa versione, vedi screenshot.

Passaggio 3: (dis)assemblaggio

Nella foto vedete l'alimentatore prima e dopo l'aggiornamento. Per coprire i fori che sono stati fatti dai potenziometri ho aggiunto un pannello frontale sopra il pannello frontale del cabinet. Come puoi vedere avevo realizzato un doppio alimentatore in cui entrambi gli alimentatori sono completamente indipendenti l'uno dall'altro. Questo rende possibile metterli in serie nel caso necessiti di una tensione di uscita superiore a 18 Volt.

Grazie al circuito stampato è stato facile assemblare l'elettronica. Ricorda che il grande condensatore elettrolitico e il transistor di potenza non sono sul circuito stampato. La foto mostra che per la revisione 2 alcuni componenti non sono più necessari e sono stati necessari 2 fili uno per aggiungere la funzione di rilevamento della tensione e l'altro per la sostituzione del potenziometro digitale con il convertitore digitale-analogico del microcontrollore PIC.

Ovviamente è necessario un trasformatore in grado di fornire 18 Volt AC, 2 Ampere. Nel mio progetto originale ho usato un trasformatore con nucleo ad anello perché sono più efficienti (ma anche più costosi).

Passaggio 4: il software per la revisione 0

Il software svolge le seguenti attività principali:

• Controllo della tensione di uscita dell'alimentatore tramite il potenziometro digitale

• Gestire le caratteristiche dei pulsanti, che sono:

  • Accensione/spegnimento. Questa è una funzione di commutazione che imposta la tensione di uscita su 0 Volt o sull'ultima tensione selezionata
  • Tensione su/giù. Ad ogni pressione del pulsante la tensione aumenta o diminuisce leggermente. Quando questi pulsanti rimangono premuti viene attivata una funzione di ripetizione
  • Memorizzazione dei preset/recupero dei preset. Qualsiasi impostazione di tensione può essere memorizzata nella EEPROM del PIC premendo il pulsante di preselezione per almeno 2 secondi. Premendolo più breve si recupera il valore EEPROM per quel preset e si imposta la tensione di uscita di conseguenza

All'accensione, tutti i pin del PIC sono impostati come input. Per evitare che all'uscita dell'alimentatore sia presente una tensione indefinita, l'uscita rimane a 0 Volt fino a quando il PIC non è attivo e funzionante e il potenziometro digitale viene inizializzato. Questo spegnimento è ottenuto dal resistore di pull-up R14 che fa in modo che il transistor T1 spenga l'LM723 fino a quando non viene rilasciato dal PIC.

Il resto del software è dritto in avanti. I pulsanti vengono scansionati e se qualcosa deve cambiare, il valore del potenziometro digitale viene modificato utilizzando un'interfaccia seriale a tre fili. Si noti che il potenziometro digitale ha anche un'opzione per memorizzare l'impostazione, ma questa non viene utilizzata poiché tutte le impostazioni sono memorizzate nella EEPROM del PIC. L'interfaccia con il potenziometro non offre una funzione per leggere il valore del tergicristallo. Quindi, ogni volta che il tergicristallo deve essere preimpostato su un certo valore, la prima cosa che si fa è rimettere il tergicristallo in posizione zero e da quel momento inviare il numero di passaggi per rimettere il tergicristallo nella posizione corretta.

Per evitare che la EEPROM venga scritta ad ogni pressione di un pulsante, riducendo così la durata della EEPROM, il contenuto della EEPROM viene scritto 2 secondi dopo che i pulsanti non sono più attivati. Ciò significa che dopo l'ultima modifica dei pulsanti, assicurarsi di attendere almeno 2 secondi prima di spegnere l'alimentazione per assicurarsi che l'ultima impostazione venga memorizzata. All'accensione, l'alimentazione partirà sempre con l'ultima tensione selezionata memorizzata in EEPROM.

Il file sorgente JAL e il file Intel Hex per la programmazione del PIC per la revisione 0 sono allegati.

Passaggio 5: il software per la revisione 2

Per la revisione 2 le principali modifiche al software sono le seguenti:

• La funzione di rilevamento della tensione è stata aggiunta misurando la tensione di uscita dell'alimentatore dopo che è stata impostata. Per questo viene utilizzato il convertitore ADC del PIC. Utilizzando l'ADC, il software preleva campioni della tensione di uscita e se dopo alcuni campioni la tensione di uscita è di circa 0,2 Volt superiore o inferiore alla Tensione impostata, l'alimentazione viene interrotta.
• Utilizzo del DAC del PIC per controllare la tensione di uscita dell'alimentatore invece di utilizzare un potenziometro digitale. Questa modifica ha reso il software più semplice poiché non era necessario creare l'interfaccia a 3 fili per il potenziometro digitale.
• Sostituisci la memoria in EEPROM con la memoria in High Endurance Flash. Il PIC16F1765 non ha EEPROM a bordo ma utilizza una parte del programma Flash per la memorizzazione di informazioni non volatili.

Notare che il rilevamento della tensione non è inizialmente attivato. All'accensione i seguenti pulsanti vengono controllati per essere premuti:

• Pulsante di accensione/spegnimento. Se premuto entrambe le funzioni di rilevamento della tensione vengono disattivate.
• Pulsante giù. Se premuto si attiva il rilevamento della bassa tensione.
• Pulsante su. Se premuto si attiva il rilevamento dell'alta tensione.

Queste impostazioni di rilevamento della tensione sono memorizzate nella High Endurance Flash e vengono richiamate quando l'alimentazione viene riattivata.

Sono allegati anche il file sorgente JAL e il file Intel Hex per la programmazione del PIC per la revisione 2.

Passaggio 6: il risultato finale

Nel video si vede la revisione 2 dell'alimentatore in azione, mostra la funzione di accensione/spegnimento, il voltaggio su/giù e l'utilizzo dei preset. Per questa demo ho anche collegato un resistore all'alimentatore in modo da mostrare che la corrente reale scorre attraverso di esso e che la corrente massima è limitata a 2 Ampere.

Se sei interessato a utilizzare il microcontrollore PIC con JAL, un linguaggio di programmazione simile a Pascal, visita il sito Web JAL.

Divertiti a creare questo Instructable e attendo con ansia le tue reazioni e i tuoi risultati.