Laboratorní zdroj – 1. úvod

V sérii článků, se spolu s kolegou Michalem OK2HAZ, budeme věnovat popisu naší práce při stavbě laboratorního zdroje, řízeného jednočipovým mikropočítačem. Michal se věnuje spíš hardwarové stránce, já budu popisovat většinou programování. Seriál článků jsme zahájili s tím, že prototyp sestavený na začátku roku 2015 funguje. Takže je velká naděje, že dojdeme do konce. I když zatím jsou to jen desky plošných spojů, které leží na stole bez krabičky a bez barevného displeje. Během stavby bylo potřeba opravit několik chyb, které jsme při přemýšlení a kreslení udělali.

V současné době používám dvojitý zdroj s regulátorem MAA723 a digitálními měřidly osazenými převodníky ICL7107. Stavěl jsem jej po maturitě, někdy v devadesátých letech minulého století. Při stavbě nového zdroje bychom se chtěli s parametry zdroje dostat o kus dál, odstranit tyto nedostatky starého zdroje:

• Napětí bude možné regulovat od několika desetin voltu, do 50V. MAA723 umožňuje regulaci přibližně od 2V do max. napájecího napětí stabilizátoru 35V.
• Proud bude možné regulovat od jednotek miliampér do 5A. Bude použit dost velký chladič a přepínání sekundárních vinutí výkonového transformátoru, aby nedocházelo k přehřívání.
• Přechod mezi zdrojem napětí a proudu bude strmý, kmitání v režimu zdroje proudu bychom chtěli omezit na jednotky milivolt.
• Kmitání a šum v režimu zdroje napětí na výstupních svorkách snížit na jednotky milivolt.
• Mikroprocesor umožní komfortní ovládání prostřednictvím rotačních kodérů.
• Nelinearita použitých obvodů bude kompenzována softwarově.
• Bude možno vypočítat a na displeji zobrazit doplňující údaje, výkon, průměry naměřených hodnot atd.
• Zdroj řízený procesorem bude možno naprogramovat do režimu nabíječka akumulátorů – VA charakteristiky, detekce nabití.
• Procesor bude schopen zaznamenávat průběh napětí, proudu, případně teplot při dlouhodobějším měření.
• Program procesoru bude schopen vytvořit pulsy různých tvarů.

Při návrhu analogové části jsme pro inspiraci použili schéma z diskuse na serveru svetelektro.com. V diskusi je spousta nápadů, ale není zřejmé, jak to celé dopadlo. My zkusíme vzít pro začátek zapojení a postupně ho zpracovat do něčeho, co bude fungovat. Zapojení jsme vybrali hlavně proto, že DA převodníky mají společnou zem, takže je možno použít dvoukanálový DA převodník. Jeden kanál převodníku řídí napětí, druhý proud. Dalším důvodem k volbě tohoto zapojení je to, že výstupní napětí může být vyšší, než napájecí napětí operačních zesilovačů. Nevýhodou použitého zapojení je způsob měření proudu.

Zdroj bude sestavován dle aktuální dostupnosti součástek a hlavně našich vědomostí kolem nich. Zařízení je amatérskou stavbou, kde chceme vyzkoušet naše schopnosti při návrhu hardware, odladění regulačních smyček a programování uživatelského rozhraní. Série článků není chápána jako stavební návod, spíš jako stavební deník s popisem nápadů a chyb které stavbu provází. Přitom je potřeba práci na zdroji začlenit do pracovních a rodinných povinností, takže to nepůjde tak rychle jako výrobky na střední škole. S návrhem jsme začali v roce 2013 a na konci roku 2015 jsme ve fázi funkčního vzorku – propojené desky na stole, bez krabičky. Dokončení bude trvat ještě několik let. Na druhé straně nemáme finanční rozpočet omezený tolik, jako na střední škole.

Při úvahách o ceně součástek, hlavně použitých DA převodníků, procesoru a displeje jsme postupovali následovně: Cena víceotáčkového potenciometru pro řízení napětí je srovnatelná s cenou 16-ti bitového, dvojkanálového DA převodníku. Měřidla a displeje by byly potřeba i při analogovém řešení zdroje. Takže cenový rozdíl námi použitého digitálního řízení ve srovnání s řízením čistě analogového zdroje je tvořen pouze cenou procesoru a TFT displeje.

Plánované parametry a myšlenky vedoucí k použitému řešení

Dva navzájem galvanicky oddělené zdroje zabudované do jedné skříňky. Analogové části zdrojů budou osazené na dvojici stejných desek pl. spojů. Deska bude navržena tak, aby maximální použitelné parametry byly 50V / 5A. Konkrétní parametry budou určeny podle použitého transformátoru, výkonových prvků osazených na desce, rezistorů napěťových děličů a proudového bočníku.

Velký maximální výkon zdroje vybízí k použití pulsní předregulace. Přinutit pulsní regulátor k práci v tak velkém proudovém a napěťovém rozsahu, jak má mít navrhovaný zdroj je velmi obtížné. Proto jsme se rozhodli, že použijeme pouze lineární regulaci řízenou DA převodníkem. Úspory ztrátového výkonu na chladiči výkonových tranzistorů dosáhneme pomocí přepínání dvojice vinutí na transformátoru.

Zdroj bude řízen osmibitovým procesorem řady ATmega. Budou použity 16-ti bitové externí AD a DA převodníky. V některých zapojeních, dostupných na internetu, je regulační smyčka napětí a proudu realizována procesorem. Ten musí mít velký výkon, aby bylo možné dosáhnout rychlé reakce na změnu zátěže. V našem zapojení bude regulace řešena operačními zesilovači, AD převodníky budou použity pouze pro měření.

Analogová část zdroje bude sestavena z precizních operačních zesilovačů, nebude použit hotový regulátor. Bude použito takové zapojení, aby bylo možno regulovat větší rozsah napětí, než je maximální napájecí napětí OZ. To přináší nutnost mít pomocné vinutí na silovém transformátoru. Pomocné vinutí bude napájet nejenom operační zesilovače, ale i digitální obvody a relé, takže tam stejně musí být.

Nyní je několik možností jak sestavit řízení zdroje:

a) Jeden procesor na řídící desce s displejem a ovládacím panelem. Pokud mají být dva zdroje galvanicky oddělené, je nutné galvanické oddělení AD a DA převodníků, nebo použít převodníky které mají integrované galvanické oddělení. Toto řešení klade velké nároky na program procesoru. Časově náročné úkoly, např. tvorba střídavého napětí programem procesoru bude obtížné kombinovat s programem uživatelského rozhraní přístroje.

b) Jeden procesor na řídící desce s displejem a ovládacím panelem. Galvanické oddělení jeho sériové linky, která komunikuje s pořízenými procesory na analogových deskách zdroje. Cena dalšího procesoru řady ATmega není moc velká a bude stačit dvojice optočlenů pro každý zdroj. Výhodou je rozložení programované úlohy mezi několik procesorů, které nemusí mít velký výkon.

c) Na každé desce zdroje mikroprocesor včetně připojení displeje, rotačních kodérů a uživatelského rozhraní. Vlastně dva na sobě nezávislé zdroje v jedné skříňce. Toto řešení vyžaduje příliš mnoho místa na ovládacím panelu skříňky a cena je zvýšena potřebou dvojice displejů, které chceme ve finální verzi zdroje použít barevné.

Zvolili jsme druhou možnost, takže ve zdroji budou tři procesory na společné sériové lince. Každá analogová deska bude osazena dvojicí optočlenů, které galvanicky oddělí oba zdroje i řídící desku navzájem. Procesor na řídící desce bude v režimu Master a dva budou na jeho sériové lince připojeny v režimu Slave.

V blokovém schématu chybí druhá analogová deska. Bude stejná, připojená paralelně na sériovou linku. Schéma zobrazuje hlavní části zdroje a princip práce regulátoru napětí a proudu, které budou postupně popsány v dalších článcích.

Laboratorní zdroj – 1. úvod

Laboratorní zdroj – 2. popis zapojení

Laboratorní zdroj – 3. volba součástek

Laboratorní zdroj – 4. návrh modulu zdroje

Laboratorní zdroj – 5. komunikace po sériové lince

Laboratorní zdroj – 6. programování DA a AD převodníku

Laboratorní zdroj – 7. regresní funkce měření napětí